Керамические изделия специального назначения

В процессе высокотемпературного обжига глина претерпевает физико-химические изменения. Сначала испаряется свободная  вода, затем выгорают органические вещества. При температуре 700 - 800 С происходит разложение безводного метакаолинита Al2O3 2SiO2, который образовался ранее (при температуре 450 - 600 С) вследствие дегидратации каолинита; затем Al2O3 и SiO2 при повышении температуры (до 900 С и выше) вновь соединяются, образуя искусственный минерал - муллит 3Al2O3 2SiO2. Муллит придает обожженному керамическому изделию водостойкость, прочность, термическую стойкость. С его образованием глина необратимо переходит в камневидное состояние. Вместе с образованием муллита расплавляются легкоплавкие составляющие глины, цементируя и упрочняя материал.

Обжиг кирпича и  других пористых изделий обычно заканчивается  при температуре 950 - 1000 С. Дальнейшее повышение температуры резко интенсифицирует образование и накопление жидкой фазы - силикатного расплава, который не только цементирует частицы глины, но и уплотняет керамический материал. В результате получаются изделия с плотным керамическим черепком, отличающимся малым водопоглощением (менее 5 %).

4. Спекаемость

Спекаемостью  глин называют их свойство уплотнятся при обжиге и образовывать камнеподобный черепок.

На рисунке видно, что  с повышением температуры обжига возрастает степень спекания и уменьшается  водопоглощение до точки С, так как  при температуре tC отмечаются признаки пережога - оплавление и вспучивание материала. Интервал спекания легкоплавких глин (для производства кирпича, керамзита) 50 - 100 С, огнеупорных глин - 400 С.

Огнеупорные глины (и изделия из них) противостоят действию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. Чистый каолинит плавится при температуре 1770 С, 20 однако различные примеси (Fe2O3, CaCO3, и др.) понижают эту температуру. Представляя собой сложные природные смеси, глины не имеют определенной температуры плавления. При 750 - 800 С в следствии частичного плавления легко плавких эвтектических смесей начинается уплотнение черепка и закрытие пор, т.е. происходит спекание.

Цвет глины после обжига имеет существенное значение для облицовочных керамических изделий, а также для тонкой керамики. Для получения белого черепка обжиг ведут в восстановительной среде (при наличии свободных CO и H2 в газах) и при определенных температурах, чтобы Fe2O3 перевести в FeO. Не желательны в глине крупные зерна пирита FeS2 и оксидов железа, образующие на черепке после обжига черные точки. Выделение свободного оксида железа при нагревании между 450 и 800 С придает изделию красноватое и желтоватое окрашивание. Оксиды титана вызывают глубокую синеватую окраску черепка.

Схема производства керамических изделий

1. Обработка  глиняной массы

Производство керамических изделий включает следующие этапы: карьерные работы, механическую обработку глиняной массы, формование изделий, их сушку и обжиг.

Карьерные работы включают добычу, транспортировку и хранение промежуточного запаса глины. Вылеживание замоченной глины, ее вымораживание в течении годичного срока на открытом воздухе разрушает природную структуру глины, она диспергируется на элементарные частицы, что повышает пластичность и формовочные свойства керамической массы.

Механическая  обработка глины осуществляется с помощью глинообрабатывающих машин и имеет цель: выделить или измельчить каменистые включения, гомогенизировать керамическую массу и получить необходимые формовочные свойства. Каменистые включения выделяют из глины, пропуская ее через винтовые камневыделительные вальцы или применяя другие специализированные машины. Можно добиться полного выделения камней из глины гидравлическим обогащением: глину распускают в глиноболтушках, а затем шликер пропускают через сито, на котором отделяются камни размером более 0,5 мм; шликер обезвоживают в мощных распылительных сушилках.

Глину измельчают после  выделения каменистых включений. Если их нет в глине, то после доставки на завод ее сразу подвергают грубому  дроблению, потом тонкому измельчению. После тонкого измельчения глину надо промять, чтобы получить глиняную массу с необходимой формовочной влажностью.

2. Формование

Стеновые керамические изделия изготовляют способами  пластического формования и полусухого прессования. Из жидких глиняных масс изготовляют некоторые виды облицовочной плитки, санитарно-технические и другие фаянсовые и фарфоровые изделия.

Способ  пластичного формования. Изделия стеновой керамики формуют из пластичных глиняных масс на ленточных шнековых прессах, которые могут быть вакуумными и безвакуумными. В корпусе этого пресса вращается шнек - вал с винтовыми лопастями. Глиняная масса поступая через воронку и питающий валик, перемещается с помощью шнека к сужающейся переходной головке и мундштуку. В этом месте глиняная масса уплотняется, выравниваются давления и скорости по сечению глиняного бруса. Мундштук глиняного пресса для производства кирпича имеет прямоугольное сечение. Для формования пустотелых кирпича и керамических камней, в мундштуке пресса устанавливают пустотообразующий сердечник. Применяются также фасонные вставки с узкими щелями - для формования черепицы, кольцевые для керамических труб.

Из мундштука пресса выходит  глиняный брус, который разрезают  автоматически резательным аппаратом, получая изделия заданного размера. Плотный вакуумированный сырец устанавливают рядами на печную вагонетку и он поступает в туннельную сушилку в штабеле (без полок). Вакуумирование глины позволяет извлечь из нее воздух, снизить влажность на 3 - 4 %, увеличить прочность сырца в 2 - 3 раза, прочность обожженного изделия увеличивается до 2 раз, его водопоглощение снижается на 10 - 15 %.

Способ  полусухого прессования. Керамические изделия формуют способом полусухого прессования из шихты влажностью 8 - 10 %, уплотняемой прессованием под значительным давлением (15 - 40 МПа).

Способ  литья. Плитки (толщиной 2 мм) изготовляют способом литья на автоматизированных конвейерных линиях. По конвейеру движутся пористые керамические поддоны, на которые наливные аппараты последовательно наносят шликеры разделительного, плиточного и глазурованного слоев. Двигаясь по конвейеру, керамическая масса быстро подсыхает на пористом поддоне и поступает сначала на зачистное, а затем на режущее устройство. Поддон с отлитой массой проходит конвейер за 22 - 30 минут, после чего он автоматически предается в тепловые установки. Полный цикл производственного процесса (вместе с обжигом) занимает около 2 часов.

3. Сушка  сырца

Перед обжигом изделие  надо высушить до содержания влаги не более 5 % во избежание неравномерной усадки и растрескивания при обжиге. Сушку сырца проводят в тоннельных и камерных сушилках.

4. Обжиг  изделий

Обжиг завершает изготовление керамических изделий. В процессе обжига формируется их структура, определяющая технические свойства изделия. Суммарные затраты на обжиг составляют 35 - 40 %, а потери от брака достигают 10% себестоимости товарной продукции. Обжиг керамических изделий осуществляется в туннельных печах с автоматическим управлением. Туннельная печь представляет собой длинный канал, выложенный внутри огнеупорной футеровкой. Вагонетки с изделиями, составляющие сплошной поезд, перемещаются в печи и постепенно проходят зоны подогрева, обжига и охлаждения. Максимальная температура обжига кирпича и других стеновых керамических изделий (950 - 1000 С) необходима для спекания керамической массы. Спекание происходит вследствие цементирующего действия расплава эвтектик (жидкостное спекание), реакций в твердой фазе и кристаллизации новообразований.

Стеновые керамические изделия

По плотности и техническим  свойствам керамические кирпичи  и камни делят на три группы: первая - эффективные плотностью не более 1400 - 1450 кг/м3 с высокими теплозащитными свойствами; вторая - условно-эффективные  плотностью 1450 - 1600 кг/м3; третья - обыкновенный кирпич плотностью свыше 1600 кг/м3.

1. Керамический кирпич

картинка

Сплошной керамический кирпич имеет форму прямоугольного параллелепипеда размером 250х120х65 мм прямыми ребрами четкими гранями  и ровными лицевыми поверхностями; искривление ребер и граней кирпича не должно превышать 3 мм. Модульный кирпич имеет размер 250х120х88 мм и выпускается с круглыми или щелевыми пустотами, чтобы масса одного кирпича была не более 4 кг. Отклонения от размеров не должны превышать установленных величин.

Кирпич не должен иметь механических повреждений  и сквозных трещин. Кирпич должен быть нормально обожжен; кирпич недожженный  и пережженный - брак. После обжига кирпич должен соответствовать цвету  эталона нормально обожженного  кирпича. Не допускаются известковые включения (дутики), вызывающие разрушение кирпича.

В зависимости от предела  прочности при сжатии кирпич делят  на марки: 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300. Плотность сплошного кирпича 1600 - 1900 кг/м3, его теплопроводность 0,7 - 0,82 Вт/ (м * С). Водопоглощение кирпича выше марки 150 должно быть не менее 6 %, кирпича других марок не менее 8 %. Это требование обеспечивает определенную пористость кирпича, иначе он станет слишком теплопроводен и будет плохо сцепливаться со строительным раствором. Морозостойкость кирпича не менее 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания; предусмотрены и более высокие марки морозостойкости: Мрз 25, Мрз 35, Мрз 50.

Кирпич применяют  в основном для кладки стен зданий, изготовления сборных стеновых панелей, кладки печей и дымовых труб.

Ниже приведены образцы  кирпича выпускаемого заводом ПКК.

Слева на право: обычный рядовой кирпич, рядовой кирпич ПКК, лицевой кирпич ПКК	Фигурные (фасонные) кирпичи

Одинарный и утолщенный кирпич	Классический и планируемые к выпуску цвета

Гладкий, рифленый и крарцованный кирпич	Полнотелый и пустотелый кирпич ПКК

 

2. Эффективные  стеновые керамические изделия

Наружные стены  из сплошного кирпича имеют надлежащие термические сопротивления при  сравнительно большой толщине: 2 - 2,5 кирпича или 52 - 64 см. Стены получаются тяжелыми - масса 1 м2 стены составляет 800 - 1100 кг. Такие стены нередко обладают излишней прочностью.

Производство пустотелых стеновых изделий требует меньше затрат на сырье и топливо, а поскольку ускоряется сушка обжиг тонкостенных изделий, то соответственно повышается производительность сушилок и печей. Применение пустотелых керамических изделий позволяет уменьшить толщину наружных стен и снизить материалоемкость ограждающих конструкций на 20 - 30 %, сократить транспортные расходы и нагрузки на основание.

Пустотелый кирпич и керамические камни изготовляют  из легкоплавких глин и глино-трепельных смесей с выгорающими добавками  и без них. Пустоты в кирпиче или камне располагают перпендикулярно или параллельно постели, они могут быть круглыми и прямоугольными.

Размеры камней больше чем  кирпича, поэтому их применение повышает производительность труда при кладке стен, а также приводит к уменьшению количества швов. Несмотря на большую  пустотность керамических камней их марки такие же, как и марки сплошного кирпича, поэтому керамические камни применяют как для каркасных, так и для несущих стен.

Керамические  изделия для наружной и внутренней облицовки зданий

1. Керамические  изделия для облицовки фасадов

Фасадные керамические изделия применяют для облицовки  фасадных поверхностей стеновых панелей, блоков, цоколей зданий, лоджий, для  отделки архитектурных элементов  фасада зданий - поясов, карнизов и создания декоративных панно.

Для отделки сборных конструкций на заводах используют коврово-мозаичные плитки размерами 48х48 и 22х22 мм толщиной 2 - 4 мм, плитки типа "кабанчик" размером 120х65х7, типа брекчия - ковры, набранные из плиточного боя.

Коврово-мозаичные  плитки выпускают с естественно окрашенным черепком и глазурованные. Глазури могут быть глухими и прозрачными, белыми и окрашенными, блестящими и матовыми.

Плитки  типа "кабанчик" Изготовляют не глазурованными и глазурованными. Их используют для отделки панелей (наклеенными на бумажные ковры), а также для облицовки кирпичных стен.

Ковры типа "брекчия" применяют для облицовки фасадов и в виде акцентных вставок. Бой плиток в таком ковре не должен составлять более 60 % общей его площади.

Для облицовки готовых  кирпичных и бетонных стен применяют  крупноразмерные и цокольные плитки. Крупноразмерные плитки размером 250х140х10 мм изготовляют не глазурованными и глазурованными. В настоящее время действует полностью автоматизированная поточная линия для прессования, сушки, глазурования и обжига таких плиток.

Цокольные глазурованные плитки являются изделиями штучного применения; их используют для облицовки зданий и подземных переходов.

Эти плитки имеют спекшийся  черепок, их водопоглощение не более 5 %.

Лицевые кирпичи  и керамические камни применяются для кладки и одновременной облицовки наружных и внутренних стен зданий, возводимых из штучных изделий (кирпича, камня). Выпускают кирпич и камни с гладкой, а также рельефной или офактуренной лицевой поверхностью. Не допускаются трещины и отколы на лицевой грани. Для производства используют не только глины, но также трепелы и диатомиты.

Лицевой кирпич и камни  из красножгущихся глин изготовляют  по той же технологии, что и обычные  стеновые кирпичи и камни, соблюдая строгие требования к однородности сырья, ровности цвета обожженного изделия и правильности его формы. Лицевой кирпич и камни светлых тонов изготовляют из светложгущихся тугоплавких глин с добавкой около 45 % шамота тех же глин. Подбирая состав керамической массы и регулируя режим обжига, можно получить кирпич белого, кремового, коричневого цвета.