ГОЛОВНІ СТАДІЇ КЕРАМІЧНОГО ВИРОБНИЦТВА

КЛАСИФІКАЦІЯ КЕРАМІЧНИХ ВИРОБІВ

За структурою черепка розрізняють:

- спечені керамічні вироби (водопоглинання менше 5 %);

- пористі керамічні вироби (водопоглинання більше 5 %).

За призначенням керамічні матеріали ділять на:

1) Будівельні вироби:

- стінова кераміка (цегла, камінь, блоки);

- покрівельна кераміка (черепиця);

- личкувальна кераміка (плитки, личкувальна цегла);

- каналізаційні труби;

- хемічно стійка кераміка;

- пориста і фільтруюча кераміка;

- теплоізоляційна і легковагова (керамзит, аглопорит, спучений перліт).

2) Тонко-керамічні вироби:

- фарфор (господарський, електротехнічний);

- напівфарфор і фаянс;

- майолікові вироби.

3) Вогнетривкі вироби:

- алюмосилікатні (шамотні та високоглиноземисті);

- динасові;

- магнезитові і магнійвмісні;

- цирконійвмісні;

- вуглецеві і вуглецьвмісні;

- оксидні.

4) Технічна кераміка.

- з високовогнетривких оксидів;

- на основі силікатів і алюмосилікатів;

- на основі важкотопких безкисневих сполук.

СИРОВИНА ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА КЕРАМІКИ

ГЛИНИ

Глини це природні полімінеральні суміші головною властивістю (в технології кераміки) яких є пластичність, тобто здатність утворювати з водою пластичне тісто. За мінералогічним складом розрізняють глини каолінітові (переважає глинистий мінерал каолініт), монтморилонітові (монтморилоніт), гідрослюдисті (гідрослюда) або глини мішаного складу: каолініто-гідрослюдисті, гідрослюдисто-монтморилонітові тощо. Каолінітові глини є важкотопкими (для спікання потребують високих температур), малопластичними, як правило чистіші ніж інші. Їх використовують у виробництві фарфору, вогнетривких і кислототривких виробів, інших виробів які характиризуються невеликим водопоглинанням. Монтморилонітові і гідрослюдисті глини є легкотопкі, високопластичні, часто сильно забруднені різноманітними домішками. Їх використовують для виробництва стінової кераміки, черепиці, кахлів, інших виробів для яких допускається велике водопоглинання.

За хемічним складом глини містять 50-70 % SіO2 і 12-30 % Al₂O₃. Для каолінітових глин характерний вищий вміст Al₂O₃ - 20-30 %, для монтморилонітових і гідрослюдистих - до 20 %. Оксиди силіцію і особливо алюмінію забезпечують високу температуру топлення і спікання маси, широкий інтервал її випалу. Оксиди лужних (K₂O, Na₂O) і лужно-земельних (CaO, MgO) металів в глинах містяться від декількох десятих відсотка до декількох відсотків. Вони є оксидами топниками, які при випалі зменшують температуру топлення (утворення розтопу) маси, що зменшує температуру спікання. Також глини можуть містити від 0,1 до 10 % оксидів заліза, які є слабкими топниками і в залежності від їх кількості надають випаленому черепку від жовтуватого чи світлокоричневого до коричнево-червоного кольору.

Глиниста порода складається з багатьох мінералів. Власне глинисті мінерали (каолініт, монтморилоніт, гідрослюда) є тонкодисперсними частинками менше 0,02 мм. Саме вони забезпечують пластичність породи. Частинки монтморилоніту мають менші розміри від частинок каолініту, тому монтморилонітові глини є більш пластичними. Всі інші мінерали присутні в глинистій породі є опіснювачами і понижують її пластичність. Саме тому сильно запісочені монтморилонітові глини можуть мати невисоку пластичність.

В залежності від вмісту в породах чистої глини їх ділять на:

- глини (більше 30 %); - супіски (3-10 %);

- суглинки (10-30 %); - піски (менше 3 %).

Найбільш поширеною домішкою в глинистих породах є кварцовий пісок (SіO₂). Він опіснює глину (зменшує число пластичності), що з одного боку погіршує її формувальні властивості, але з іншого зменшує чутливість до сушіння. Великий вміст піску під час формування призводить до швидшого спрацьовування обладнання. При випалі пісок погіршує спікання і може бути причиною “холодного тріску” виробів при охолодженні. В технології плиток для підлоги чи інших спечених виробів сильно запісочені глини не розпускають, а разом з опіснювачами подають на тонке розмелювання у кульові млини.

В глинах також часто зустрічаються домішки карбонатів (CaCO₃, MgCO₃). Це м’які мінерали невеликої твердості. При нагріванні вище 900 ^оС вони розкладаються з виділенням CO₂, що поризує черепок і обумовлює його високе водопоглинання після випалу. Грубозернисті карбонатні домішки у виробництві цегли призводять до утворення браку - “видуток”. Він полягає в тому, що під час випалу велике зерно не взаємодіє з глинистою масою, а залишається у вигляді вільного оксиду CaO (негашене вапно). Під час експлуатації, коли на нього потрапляє вода воно гаситься, збільшуючись в об’ємі. Напруження, що виникають при цьому є настільки великими, що можуть призвести до руйнування виробу. Щоб уникнути цього на заводах встановлюють додаткове переробне обладнання, яке повинно роздробити вапняк на дрібніші куски.

Залізисті домішки в глинах можуть знаходитись у вигляді оксидів (Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO), гідрооксидів чи сульфідів. Оксиди рівномірно розподілені у глинистій масі і на формувальні властивості значного впливу не виявляють. При випалі вони можуть дещо зменшувати температуру спікання маси і вогнетривкість виробу. Залізо, що знаходиться у вигляді піриту чи сидериту має високу міцність, практично не подрібнюється і під час випалу на виробі утворює чорні пропалені кратери “витопленці”.

З інших домішок в глинах присутні органічні залишки рослин, можуть бути природні гіпси тощо.

ТОПНИКИ

Топники - це спеціальні додатки, які вводять в масу для зменшення температури випалу (спікання) черепка. Їх характерною відмінністю є високий вміст легкотопких оксидів в залежності від яких топники ділять на:

- із переважаючим вмістом оксидів лужних металів (Na₂O, K₂O) – польові шпати, пегматити, нефеліни, сієніти, перліти, гірські породи, зламки склопромисловості;

- із переважаючим вмістом оксидів лужно-земельних металів (CaO, MgO) – карбонати, деякі гірські породи, шлаки різноманітних виробництв;

- із переважаючим вмістом оксидів заліза - шлаки і золи ТЕС.

ОПІСНЮВАЧІ

Всі матеріали крім глин є опіснювачами. Їх вводять для зменшення пластичності і чутливості до сушіння маси. Як опіснювачі використовують пісок, подрібнений череп бракованих виробів, шамот, шахтну породу, вугілля, тирсу. Топники одночасно є опіснювачами.

ВИГОРЯЮЧІ ДОДАТКИ

Вигоряючі додатки призначені для збільшення пористості випаленого черепка, що в свою чергу покращує теплоізоляційні властивості кераміки. При випалі теплота від згоряння цих додатків майже повністю витрачається на нагрів матеріалу. Як вигоряючі додатки використовують кам’яне вугілля, тирсу, опилки, лігнин, різноманітні відпадки промисловості, що містять органіку.

ПЛАСТИФІКАТОРИ

Пластифікатори призначені для покращення формувальних властивостей маси за рахунок підвищення її пластичності. Як пластифікатори використовують високопластичні глини, бентоніт, органічні пластифікуючі додатки.

СПЕЦІАЛЬНІ ДОДАТКИ

Спеціальні додатки вводять для регулювання певних спеціальних властивостей виробу, наприклад, стійкості до стирання, діелектричних властивостей, теплопровідності, кислотостійкості тощо. Як спеціальні додатки використовують тальк, електрокорунд, глинозем, дуніт, карборунд, графіт тощо.

ГОЛОВНІ СТАДІЇ КЕРАМІЧНОГО ВИРОБНИЦТВА

В залежності від призначення виробу, його фізико-механічних властивостей, виду і стану сировинних компонентів та багатьох інших чинників існують різноманітні схеми виробництва. Проте усіх їх об’єднує низка основних загальних стадій, до яких відносяться:

- попередня підготовка сировини (збагачення, грубе подрібнення);

- дозування і змішування компонентів;

- приготування маси;

- формування виробів;

- теплова обробка (сушіння і випал).

ПОДРІБНЕННЯ МАТЕРІАЛІВ

В залежності від розмірів кінцевого продукту розрізняють такі види диспергації матеріалів:

1) Подрібнення:

- грубе (350-100);

- середнє (100-40 мм);

- дрібне (40-5 мм).

2) Розмелювання:

- грубе (5-0,1 мм);

- тонке (0,1-0,05 мм);

- ультратонке (менше 0,05 мм).

Вибір помольного обладнання залежить від низки чинників, головними з яких є:

1) Міцність (на стиск, згин, розтяг, стирання, удар) за якою матеріали ділять на:

- особливо міцні (границя міцності на стиск більше 250 МПа);

- міцні (150-250 МПа);

- середньої міцності (80-150 МПа);

- м’які (менше 80 МПа).

2) Крихкість, яку визначають за кількістю ударів, що витримує стандартний зразок матеріалу при падінні на нього гирі масою 2 кг із певної висоти. За крихкістю матеріали ділять на:

- дуже крихкі (до 2 ударів);

- крихкі (2-5 ударів);

- в’язкі (5-10 ударів);

- дуже в’язкі (більше 10 ударів).

3) Абразивність, яку виражають в грамах спрацювання еталонних бил 1 тоною подрібненого матеріалу. За абразивністю матеріали ділять на 5 класів:

- неабразивні (тальк, аргеліт, чисте кам’яне вугілля);

- малоабразивні (вапняк, мармур, алевроліт, аргеліт, кам’яне вугілля, дрібнозернистий пісковик);

- середньої абразивності (тверді вапняки, пісковик, цегла, сидерит, деякі руди);

- високої абразивності (граніт, базальт, діорит, кварцит, гравій з вивержених порід);

- дуже високої абразивності (деякі шлаки і деякі руди).

Крихкі тверді (непластичні) матеріали з високою міцністю на подрібнення подають у щокову чи конусну дробарку. Подрібнення проводять в одну чи декілька стадій, що залежить від вихідного розміру кусків. Подрібнений матеріал має розмір кусків від 10 до 30 мм.

Матеріали з високою твердістю (кристалічні кварцити, шамот та інші) подрібнюють на важких помольних бігунах неперервної дії з самовідсівом (для отримання грубої фракції порошку) або на молоткових чи конусних дробарках (для отримання тонкої фракції порошку).

Для подрібнення м’яких і вологих матеріалів (глина) в залежності від необхідного кінцевого розміру кусків використовують глинорозрихлювачі, стругачі, глинорізки, валки (гладкі, зубчаті, рифлені, ребристі, діркові).

Для розмелювання (тонкого і ультратонкого) найчастіше використовують кульові млини, які можуть працювати по сухому або мокрому способу, з періодичним чи неперервним циклом розмелювання. Найбільш ефективним є розмелювання в присутності води. Вологість маси в кульовому млині коливається від 35 до 50 % і залежить від кількості глинистої складової. Млин завантажується з розрахунку співвідношення матеріал:мелючі тіла, що дорівнює 1:1,1-1,2. Як мелючі тіла найчастіше використовують кремневі кулі (великі кам’яні брили розміром 10-30 см, що в основному працюють на удар) і уралітові кулі (невеликі циліндри, що працюють на стирання). Матеріал, кулі і воду завантажують з таким розрахунком, щоби було 1/3 вільного простору. Для того, щоби зменшити кількість води (розрідити глину) додають електроліти (рідке скло, соду, їдкий калій, триполіфосфат натрію, вуглелужний розріджувач тощо) в кількості 0,1-0,2 % від маси матеріалу. Перевагою кульового млина є тонке розмелювання матеріалу і ідеальне перемішування маси, а недоліком - велика вологість маси, що зумовлює значні енергозатрати на її видалення.

Вібромлини мають деякі переваги перед кульовими млинами періодичної дії. Розмелювання в них відбувається швидше, а час для отримання порошку однакової дисперсності скорочується в 10-20 разів. Зменшуються також і витрати електроенергії. Їх недоліком є невеликі маси порцій подрібнюваного матеріалу.

Для розпуску глини використовують фрезерно-кидальні млини або роторні млини конструкції Сладкова. В цих агрегатах відбувається лише розпуск глини, а грубозернисті включення не розмелюються.

Також для тонкого розмелювання використовують трубні млини, в яких також відбувається ефективне змішування декількох сумісно подрібнюваних матеріалів. Для виробів з білим чи світлим черепком трубні млини не використовують, оскільки в них внаслідок стирання металічних куль, бандажів, гратчастих перегородок відбувається намелювання заліза. В цьому плані ефективним є розмелювання в струменевих млинах, де подрібнення відбувається при зударянні двох струменів матеріалу.