Строительная керамика. Производство кирпича и огнеупоров

Обжиг кирпича и других пористых изделий обычно заканчивается при температуре 950 – 1000ºС.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 %).

1.3.4. Спекаемость

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

Интервал спекания легкоплавких глин (для производства кирпича, керамзита) 50 – 100ºС, огнеупорных глин – 400ºС.

Огнеупорные глины (и изделия из них) противостоят действию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. Чистый каолинит плавится

при температуре 1770ºС,однако различные примеси (Fe2O3, CaCO3, и др.)понижают эту температуру. Представляя собой сложные природные смеси, глины не имеют определенной температуры плавления. При 750 - 800ºС в следствии частичного плавления легкоплавких 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 800ºС придает изделию красноватое и желтоватое окрашивание. Оксиды титана вызывают глубокую синеватую окраску черепка.

2. Особенности производства

2.1. Схема производства керамических изделий.

2.1.1.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 (см. приложение 1).

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.

2.1.2. Формование

Стеновые керамические изделия изготавливают способами пластического формования и полусухого прессования. Из жидких глиняных масс изготавливают 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) изготавливают 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.

2.1.3. 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.

2.1.4. 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 (см. приложение 2). 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 – 1000ºС) необходима для спекания керамической массы. Спекание происходит вследствие цементирующего действия расплава эвтектик (жидкостное спекание), реакций в твердой фазе и кристаллизации новообразований.

2.2. 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.

2.2.1. Керамический кирпич

Сплошной керамический кирпич имеет форму прямоугольного параллелепипеда размером 250х120х65мм, с прямыми ребрами, четкими гранями и ровными лицевыми поверхностями; искривление ребер и граней кирпича не должно превышать 3мм. Модульный кирпич имеет размер 250х120х88мм и выпускается с круглыми или щелевыми пустотами, чтобы масса одного кирпича была не более 4кг. 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:

Рис. 2.1. Слева на право: обычный рядовой кирпич, рядовой кирпич ПКК, лицевой кирпич ПКК.

Рис. 2.2. Фигурные (фасонные) кирпичи.

Рис. 2.3. Одинарный и утолщенный кирпич.

Рис. 2.4. Классический и планируемые к выпуску цвета.

Рис. 2.5. Гладкий, рифленый и крацованный кирпич.

Рис. 2.6. Полнотелый и пустотелый кирпич ПКК.

Одним из известных способов повышения качества керамического кирпича является нанесение влагозадерживающих составов (ВЗС) на поверхность формуемого бруса перед его разрезкой[2]. Возникающее при сушке сырца ядро уплотнения вызывает растягивающие деформации, которые приводят к образованию трещин на гранях (рис. 2.7.). Нанесение ВЗС на лицевые грани позволяет вести сушку со стороны плашковых граней, что сопровождается деформациями сжатия, и трещины не образуются. В этом случае можно даже ужесточить режим сушки в определенных пределах. Еще одним положительным фактором такой обработки сырца является устранение высолов на лицевых поверхностях[3], что позволяет получить кирпич равномерного яркого цвета.

Рис. 2.7. Сушка кирпича сырца: а – без обработки; б – с обработкой наружных граней влагозадерживающими составами. Д – направления действия усадочных деформирующих сил. 1 – кирпич сырец; 2 – ядро уплотнения со свилевыми трещинами; 3 – разрывные трещины; 4 – волосяные трещины; 5 – угловые трещины; 6 – обработанные грани.

Рис. 2.8. Схема установки ШЛ 347: 1 – смеситель; 2 – эмульгатор; 3, 6 – электрогидроклапан; 4 – накопитель; 5 – мешалка лопастная; 7 – коллектор; 8 – сопло; 9 – валик подающий; 10 – брус глиняный; 11 – ролик приводной; 12 – валик дозирующий; 13 – валик контактирующий; 14 – измерительный блок.

Так почему же такой эффективный способ повышения качества кирпича не нашел широкого применения на действующих кирпичных заводах? Анализ рекомендованных устройств для реализации способа нанесения ВЗС приводит к выводу об их неработоспособности в условиях действующих предприятий. Например, подача ВЗС непосредственно в мундштук не позволяет получить равномерного покрытия, на брусе остаются не обработанные участки. Нанесение ВЗС напылением через форсунки требует серьезной вытяжной вентиляции, а форсунки часто забиваются. Излишнее нанесение ВЗС приводит к стеканию с тычковых граней на ленту транспортера, загрязняя ее.

Изучение опыта предприятий по использованию способа нанесения ВЗС привело к неутешительному выводу - в промышленности отсутствует работоспособное устройство для нанесения ВЗС, а применение предприятиями "доморощенных" приспособлений типа масляной тряпки на брусе, приводит к негативному результату и, соответственно, охлаждению интереса к этой теме.

2.2.2. Эффективные стеновые керамические изделия

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

Производство пустотелых стеновых изделий требует меньше затрат на сырье и топливо, а поскольку ускоряется сушка и 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 изготавливают 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.

После введения новых требований по теплозащите зданий[4] появился ряд публикаций, ставящих под сомнение возможность дальнейшего применения кирпича в строительстве. Так, например, автор[5] пишет: "Сооружение стен из кирпича становится бесперспективным, так как при их плотности от 1000 до 1700 кг/м3 толщина наружных стен должна быть доведена до 0,8-1,5 м". В решениях Министерства строительства РФ делаются такие выводы: "При повышенных требованиях к теплозащите ... использование традиционных стеновых материалов, таких как кирпич,... становится экономически нецелесообразным."[6] .

Ситуация с критикой кирпича напоминает картину 60-х годов, когда в ходе индустриализации строительства все силы были брошены на освоение железобетонных изделий, а производство кирпича пришло в упадок.

В результате в настоящее время мы имеем огромное количество простаивающих производственных площадей заводов ЖБИ, ЖБК, ДСК и дефицит качественного кирпича, связанный с тем, что реконструкция кирпичного производства велась слишком медленными темпами.