Раздел 1, Строительное материаловедение 9 страница

§ 3. Общая схема производства керамических изделий

При всем многообразии керамических изделий по свойствам, формам, назначению, виду сырья и технологии изготовления ос­новные этапы производства керамических изделий являются об­щими и состоят из следующих операций: добыча сырьевых мате­риалов, подготовка массы, формование изделий, их сушка и об­жиг.

Добыча глины осуществляется на карьерах обычно открытым способом экскаваторами и транспортируется на предприятие ке­рамических изделий рельсовым, автомобильным или другим ви­дом транспорта. Разработке карьера предшествуют подготови­тельные работы: геологическая разведка с установлением харак­тера залегания, полезной толщи и запасов глин; счистка поверх­ности от растений за год-два до начала разработки, удаление по­род, непригодных для производства.

Подготовка глин и формование изделий

Карьерная глина в естественном состоянии обычно непригод­на для получения керамических изделий. Поэтому проводится ее обработка с целью подготовки массы. Подготовку глин целесо­образно вести сочетанием естественной и механической обработ­ки. Естественная обработка подразумевает собой вылеживание предварительно добытой глины в течение 1-2 лет при периодиче­ском увлажнении атмосферными осадками или искусственном замачивании и периодическом замораживании и оттаивании. Ме­ханическая обработка глин производится с целью дальнейшего разрушения их природной структуры, удаления или измельчения крупных включений, удаления вредных примесей, измельчения глин и добавок и перемешивания всех компонентов до получения однородной и удобоформуемой массы с использованием специа­лизированных машин (глинорыхлителей; камневыделительных, дырчатых, дезинтеграторных, грубого и тонкого помола вальцов; бегунов, глинорастирочных машин, корзинчатых дезинтеграто­ров, роторных и шаровых мельниц, одно- и двухвальных глино­мешалок, пропеллерных мешалок и др.).

В зависимости от вида изготовляемой продукции, вида и свойств сырья массу приготовляют пластическим, жестким, полу­сухим, сухим и шликерным способами. Способ приготовления массы определяет и способ формования и название в целом спо­соба производства.

При пластическом способе подготовки массы и формования исходные материалы при естественной влажности или предвари­тельно высушенные смешивают с добавками воды до получения геста с влажностью от 18 до 28%. Этот способ производства ке­рамических строительных материалов является наиболее про­стым, наименее металлоемким и потому наиболее распростра­ненным. Он применяется в случаях использования среднепла- стичных и умеренно-пластичных, рыхлых и влажных глин с уме­ренным содержанием посторонних включений, хорошо размо­кающих и превращающихся в однородную массу. На рис. 5.1 приведена одна из технологических схем производства кирпича пластическим способом.

Рис. 5.1. Технологическая схема производства керамического кирпича: 1 - карьер глины; 2 ■ экскаватор; 3 - глинозапасник; 4 - вагонетка; 5 - ящичный подаватель; 6 ■ добавки; 7 - бегуны; 8 • вальцы; 9 - ленточный пресс; 10- резак; 11 - укладчик; 12 - тележка; 13 - су­шильные камеры; 14 - туннельная печь; 15 - самоходная тележка; 16 - склад

Набор и разновидности машин для подготовки массы могут отличаться от приведенных на рис. 5.1 в зависимости от свойств сырья и добавок. Однако формование при пластическом способе всегда производится на машине одного принципа действия - лен­точном шнековом прессе (рис. 5.2) с вакуумированием и подогре­вом или без них. Вакуумирование и подогрев массы при прессо­вании позволяет улучшить ее формовочные свойства, увеличить прочность обоженного изделия до 2-х раз. В корпусе пресса вра­щается шнек-вал с винтовыми лопастями. Глиняная масса пере­мещается с помощью шнека к сужающейся переходной головке, уплотняется и выдавливается через мундштук в виде непрерывно­го бруса или ленты, или трубы под давлением 1, 6-7 МПа.

/ - шнековый вал; 2 - прессовая головка; 3 - мундштук; 4 - глиняный брус; 5 - крыльчатка; 6 - вакуум-камера; 7 - решетка; 8 - глиномялка

Производительность современных ленточных прессов по производству кирпича достигает 10000 штук в час.

Жесткий способ формования является разновидностью совре­менного развития пластического способа. Влажность формуемой массы при этом способе колеблется от 13% до 18%. Формование осуществляется на мощных вакуумных шнековых или гидравли­ческих прессах. Вакуум-пресс итальянской фирмы " Бонджени", например, создает давление прессования до 20 МПа. В связи с тем. что " жесткое" формование осуществляется при относительно высоких 10-20 МПа давлениях, могут быть использованы менее пластичные и с естественной низкой влажностью глины, При этом способе требуются меньшие энергетические затраты на суш­ку, а получение изделия сырца с повышенной прочностью позво­ляет избежать некоторые операции в технологии производства, обязательные при пластическом способе. Формование при пла­стическом и жестком способах завершается разрезкой непрерыв­ной ленты отформованной массы на отдельные изделия на реза­тельных устройствах. Эти способы формования наиболее распро­странены при выпуске: сплошных и пустотелых кирпичей, кам­ней, блоков и панелей; черепицы и т.п.

Полусухой способ производства строительных керамических изделий распространен меньше, чем способ пластического фор­мования. Керамические изделия по этому способу формуют из шихты с влажностью 8-12% при давлениях 15-40 МПа. Недоста­ток способа в том, что его металлоемкость почти в 3 раза выше, чем пластического. Но вместе с тем он имеет и преимущества. Длительность производственного цикла сокращается почти в 2 раза; изделия имеют более правильную форму и более точные размеры; до 30% сокращается расход топлива; в производстве можно использовать малопластичные тощие глины с большим количеством добавок отходов производства - золы, шлаков и др. Сырьевая масса представляет собой порошок, который должен иметь около 50% частиц менее 1 мм и 50% размером 1-3 мм.

Прессование изделий производится в прессформах на одно или несколько отдельных изделий на гидравлических или механиче­ских прессах. По этому способу делаются все виды изделий, кото­рые изготовляются и пластическим способом.

Сухой способ является разновидностью современного развития полусухого производства керамических изделий. Пресс-порошок при этом способе готовится с влажностью 2-6%. При этом устра­няется полностью необходимость операции сушки. Таким спосо­бом изготовляют плотные керамические изделия-плитки для по­лов, дорожный кирпич, материалы из фаянса и фарфора.

Шликерный способ применяется, когда изделия изготавлива­ются из многокомпонентной массы, состоящей из неоднородных и трудноспекающихся глин и добавок, и когда требуется подго­товить массу для изготовления керамических изделий сложной формы методом литья. Отливка изделий производится из массы с содержанием воды до 40%. Этим способом изготовляются сани- тарно-технические изделия, облицовочные плитки.

Сушка изделий

Перед обжигом изделия должны быть высушены до содержа­ния влаги 5-6% во избежание неравномерной усадки, искривлений и растрескивания при обжиге.

Прежде сырец сушили преимущественно в естественных усло­виях в сушильных сараях в течение 2-3 недель в зависимости от климатических условий.

В настоящее время сушка производится преимущественно ис­кусственная в туннельных непрерывного действия или камерных периодического действия сушилах в течение от нескольких до 72- х часов в зависимости от свойств сырья и влажности сырца. Суш­ка производится при начальной температуре теплоносителя - от­ходящих газов от обжиговых печей или подогретого воздуха - 120-150°С.

Обжиг изделий

Обжиг - важнейший и завершающий процесс в производстве керамических изделий. Этот процесс можно разделить на три пе­риода: прогрев сырца, собственно обжиг и регулируемое охлаж­дение. При нагреве сырца до 120^еС удаляется физически связан­ная вода и керамическая масса становится непластичной. Но если добавить воду, пластические свойства массы сохраняются. В тем­пературном интервале от 450°С до 600°С происходит отделение химически связанной воды, разрушение глинистых минералов и глина переходит в аморфное состояние. При этом и при дальней­шем повышении температуры выгорают органические примеси и добавки, а керамическая масса безвозвратно теряет свои пласти­ческие свойства. При 800°С начинается повышение прочности изделий, благодаря протеканию реакций в твердой фазе на гра­ницах поверхностей частиц компонентов.

В процессе нагрева до Ю00°С возможно образование новых кристаллических силикатов, например силлиманита Ah0ySi02, а при нагреве до 1200°С и муллита 3Ah0y2Si0₂. Одновременно с этим легкоплавкие соединения керамической массы и минералы плавни создают некоторое количество расплава, который обво­лакивает не расплавившиеся частицы, стягивает их, приводя к уплотнению и усадке массы в целом. Эта усадка называется огне­вой усадкой. В зависимости от вида глин она составляет от 2% до 8%. После остывания изделие приобретает камневидное состоя­ние, водостойкость и прочность. Свойство глин уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок называется спе- каемостъю глин.

В зависимости от назначения обжиг изделий ведется до раз­личной степени спекания. Спекшимся считается черепок с водо­поглощением менее 5%. Большинство строительных изделий об­жигается до получения черепка с неполным спеканием в опреде­ленном температурном интервале от температуры огнеупорности до начала спекания, называемым интервалом спекания.

Интервал спекания для легкоплавких глин составляет 50- 100°С, а огнеупорных до 400°С. Чем шире интервал спекания, тем меньше опасность деформаций и растрескивания изделий при обжиге.

Интервал температур обжига лежит в пределах: от 900°С до 1100°С для кирпича, камня, керамзита; от 1100°С до 1300°С для клинкерного кирпича, плиток для полов, гончарных изделий, фаянса; от 1300°С до 1450°С для фарфоровых изделий; от 1300°С до 1800°С для огнеупорной керамики.

§ 4. Структура и общие свойства керамических изделий

Керамические материалы представляют собой композицион­ные материалы, в которых матрица или непрерывная фаза пред­ставлена остывшим расплавом, а дисперсная фаза представлена нерасплавленными частицами глинистых, пылевидных и песча­ных фракций, а также порами и пустотами, заполненными возду­хом. Материал матрицы в свою очередь представляет собой мик- рокомпозиционный материал, состоящий из матрицы - непрерывной стекловидной фазы застывшего расплава и дисперсной фазы - кри­сталлических зерен силлиманита, муллита, кремнезема различных фракций и других веществ, кристаллизующихся при остывании (в основном алюмосиликатов). Стекловидная, аморфная фаза (пере­охлажденная жидкость) представлена в микроструктуре легко­плавкими компонентами, которые не успели выкристаллизовать­ся при заданной скорости остывания расплава.

Истинная плотность керамических материалов 2, 5 - 2, 7 г/см³; плотность 2000 - 2300 кг/м³; теплопроводность абсолютно плот­ного черепка 1, 16 В/(м °С). Теплоемкость керамических материа­лов 0, 75 - 0, 92 кДж/(кг°С).

Предел прочности при сжатии керамических изделий меняется в пределах от 0, 05 до 1000 МПа.

Водопоглощение керамических материалов в зависимости от пористости меняется в пределах от 0 до 70%.

Керамические материалы имеют марки по морозостойкости: 15; 25; 35; 50; 75 и 100.

§ 5. Стеновые изделия

К группе стеновых изделий относятся: кирпич керамический обыкновенный, эффективные керамические материалы (кирпич пустотелый, пористо-пустотелый, легкий, пустотелые камни, блоки и плиты), а также крупноразмерные блоки и панели из кирпича и керамических камней.

Керамические кирпичи и камни

Керамические кирпичи и камни изготовляют из легкоплавких глин с добавками или без них и применяются для кладки наруж­ных и внутренних стен и других элементов зданий и сооружений, а также для изготовления стеновых панелей и блоков.

В зависимости от размеров кирпич и камни подразделяются на виды: кирпич (рис. 5.3, а), утолщенный (рис. 5.3, б), модульный (рис. 5.3, в), камень обыкновенный (рис. 5.3, г), укрупненный (рис.5.3. д), модульный (рис. 5.3, е) и с горизонтальным располо-

Кирпич: ^ обыкновенный; ^ утолщенный; «У модульный. Камень: г) обыкновенный; cty укрупненный; ^ модульный; ж), з) с горизонтальным расположением пустот

Кирпич может быть полнотелым и пустотелым, а камни толь­ко пустотелыми. Утолщенный и модульный кирпич должен быть также только с круглыми или щелевыми пустотами, чтобы масса одного кирпича не превышала 4 кг. Поверхность граней может быть гладкой и рифленой. Кирпич и камень должен быть нор­мально обожжен, так как недожог (алый цвет) обладает недоста­точной прочностью, малой водостойкостью и морозостойкостью, а пережженный кирпич (железняк) отличается повышенной плот­ностью, теплопроводностью и, как правило, имеет искаженную форму.

Допускается изготовление кирпича и камней с закругленными углами с радиусом закругления до 15 мм. Размер цилиндриче­ских сквозных пустот по наименьшему диаметру должен быть не менее 16 мм, ширина щелевых пустот не более 12 мм. Диаметр несквозных пустот не ограничивается. Толщина наружных стенок кирпича и камней должна быть не менее 12 мм. По внешнему ви­ду кирпич и камень должны удовлетворять определенным требо­ваниям. Это устанавливается путем осмотра и обмера определен­ного количества кирпича от каждой партии (0, 5%, но не менее 100 шт.) по отклонениям от установленных размеров, непрямолиней­ности ребер и граней, отбитости углов и ребер, наличию сквоз­ных трещин, проходящих по постели кирпича. Общее количество изделий с отклонениями, выше допустимых, должно быть не бо- лее.5%.

В зависимости от этих показателей прочности определяют марку изделий, например, кирпича (табл. 5.1).

Морозостойкость кирпича и камней 15, 25, 35 и 50. Водопо- глощение для полнотелого кирпича должно быть для марок до 150 не менее 8%, а для полнотелого кирпича более высоких марок и пустотелых изделий не менее 6%.

По плотности в сухом состоянии кирпич и камни подразделя­ются на 3 группы:

обыкновенные - с плотностью более 1600 кг/м³; условно-эффективные - с плотностью более 1400-1600 кг/м³; эффективные - с плотностью не более 1400-1450 кг/м³. К эффективным стеновым материалам относятся также порис­тые сплошные и пустотелые кирпич и камни, изготовляемые из диатомитов и трепелов и имеющие плотность: класс А - 700-1000 кг/мЗ, класс Б - 1001-1300 кг/м³, класс В > 1301 кг/м³.

Применение эффективных стеновых керамических материалов позволяет уменьшить толщину наружных стен, снизить материа­лоемкость ограждающих конструкций до 40%, сократить транс­портные расходы и нагрузки на основание.

Таблица 5.1