ДОЗУВАННЯ І ЗМІШУВАННЯ МАТЕРІАЛІВ

Керамічні маси як правило складаються з багатьох компонентів, які можна розділити на дві групи:

- пластичні (глини і каоліни);

- непластичні (додатки топників, опіснювачів тощо).

Спосіб приготування керамічної маси визначається технологічною схемою отримання певного виду виробів. При отриманні будівельної кераміки пластичним способом користуються об’ємним дозуванням сировинних матеріалів. Глина із скринькового живильника стрічковим транспортером подається в двовальний змішувач. Туди ж із бункеру подають технологічні додатки (шамот, шахтна порода, тирса тощо). Їх дозування відбувається висотою висування шибера на виході із бункеру. Точність такого дозування є невисокою.

Окремі технологічні схеми приготування напівсухих грубозернистих мас (наприклад виробництво шамотних вогнетривів) передбачають змішування сировинних порошків у змішувальних бігунах. Для цього в чашу бігунів засипають віддозовані фракції шамоту і при постійному перемішуванні заливають глинистим шлікером, який готують із частини віддозованої глини. Потім до маси додають решту глини у вигляді тонкоподрібненого порошку і перемішують.

Тонкозернисті маси отримують розмелюванням мокрим способом у кульових млинах, де відбувається одночасне розмелювання і перемішування сировини. Сировинні компоненти зберігають в окремих бункерах під якими переміщається електроваговий візок. Віддозовані складники маси електроваговим візком подають у бункер над млином звідки вони поступають у кульовий млин.

ПРИГОТУВАННЯ МАСИ

Досить часто приготування маси відбувається вже під час змішування сировини. В керамічній технології найбільш поширеними є пластичний і мокрий способи приготування мас.

Пластичний метод полягає в тому, що глину попередньо переробляють (подрібнюють) на валках грубого помолу, потім валках тонкого помолу (чи каскаді валків) і змішують з додатками у двовальному змішувачі. Вологість маси після двовального змішувача складає 20±2 %. Якщо вологість сировинних компонентів менша необхідної масу дозволожують додаванням у змішувач води. Зменшити вологість сировинних компонентів можна частковим підсушуванням глини у сушильному барабані перед подрібненням і змішуванням або додаванням до маси сушняку (бракованих висушених, але ще не випалених виробів). Після двовального змішувача масу при необхідності ще раз переробляють на валках тонкого помолу і подають у шихтозапасних, де вона вилежується 7-14 діб. Готову масу подають на пластичне формування.

Мокрий спосіб приготування маси передбачає отримання сировинного шлікеру у кульових млинах, з якого в залежності від технологічної схеми виробництва готують напівсухий порошок вологістю 6 %, пластичну масу вологістю 20 % чи ливарний шлікер вологістю 33 %.

У виробництві плиток мокрий спосіб має дві різновидності - сумісне (одночасне) або роздільне (окреме) розмелювання матеріалів. При сумісному способі, віддозовані згідно рецепту компоненти маси завантажують у кульовий млин, з якого після розмелювання (протягом 8-10 год) у басейн з пропелерною мішалкою зливають готовий шлікер. Пропелерна мішалка постійно перемішує шлікер, не дозволяючи грубим частинкам осідати на дно басейну.

При роздільному методі у кульовий млин подають лише непластичні матеріали (топники, опіснювачі) і 6-8 % глини від її загальної кількості. Глина не дозволяє осідати частинкам непластичних матеріалів у водному середовищі. Розмелений шлікер непластичних матеріалів зберігають в окремому басейні з мішалкою. Решту глини розпускають у воді на фрезерно-метальних чи роторних млинах. Перевагою розпуску глини є менші енергозатрати, недоліком - те, що грубі частинки домішок (піску, карбонатів, польових шпатів тощо) не розмелюються. Шлікер глинистих також зберігають в окремому басейні. Вологість шлікеру непластичних невелика і складає близько 35-40 %, глинистого шлікеру - 50-54 %. Приготовані шлікери змішують у третьому (витратному) басейні з використанням об’ємного дозування. Вологість готового сировинного шлікеру складає близько 45 %. Під час приготування шлікеру (зливаючи з кульового млина, перекачуючи у витратний басейн) його перепускають через вібросито, на якому відокремлюють грубодисперсні нерозмелені частинки.

Сумісний спосіб приготування сировинного шлікеру використовують у випадку великої запісоченості глинистої сировини. Він дозволяє розмолоти всі грубодисперсні домішки і таким чином послабити їх негативну дію. Роздільний спосіб використовують у випадку невеликого вмісту в глинах грубодисперних домішок.

При приготуванні напівсухого порошку з витратного басейну сировинний шлікер мембранними помпами перекачують у баштову розпорскуючу сушарку (БРС), в якій рідкий шлікер вологістю 45 % перетворюється у порошок вологістю 6 %. В технології плиток використовують БРС конструкції Мінського комбінату будівельної кераміки (Білорусь) або конструкції НДІБудкераміка (Москва).

Порівняльна характеристика баштових розпорскуючих сушарок:

Отриманий прес-порошок вилежують в бункері протягом 1-2 діб, після чого подають на пресування.

При приготуванні пластичної маси вологістю 20 % сировинний шлікер з витратного басейну мембранними помпами подають на фільтрпрес, де відбувається його часткове зневоднення. Надлишок вологи із шлікеру відокремлюється через мембрану з цупкої матерії. Після цього отриману пластичну масу переминають, при необхідності вакуумують, вилежують декілька діб і подають на пластичне формування.

При шлікерному методі формування приготований у кульовому млині сировинний шлікер вологістю 45 % зневоднюють на фільтрпресі, після чого пластичну масу ще раз розпускають у воді, доводячи її вологість до 33 %. Існує також метод, за яким у басейн з сировинним шлікером додають сухий тонко подрібнений каолін і таким чином зменшують його вологість до заданої.

ФОРМУВАННЯ ВИРОБІВ

В технології кераміки використовують три головні способи формування виробів: напівсухий (при вологості маси 6-8 %), пластичний (20 %) і шлікерний (31-33 %).

Напівсухе пресування використовують для формування виробів простої конфігурації (плитки, рідше цегла, черепиця). При цьому прес-порошок подають між два штампи, які зближуючись

створюють тиск і спресовують засипану у прес-форму масу. На початку стискання повітря, що міститься у прес-порошку частково витісняється назовні через щілини між штампом і прес-формою. Подальше заглиблення штампів у прес-форму призводить до того, що решта повітря під великим тиском запресовується всередині виробу. Коли штампи відходять і напруження стиску знімаються у внутрішніх шарах виробу, за рахунок розширення повітря, виникають напруження розширення, які можуть спричинити руйнування виробу. Щоби уникнути цього і зменшити величину розширних напружень пресування здійснюють

у дві стадії. На першій стадії між штампами створюється невеликий тиск, що дорівнює приблизно 15 % від максимального і виріб лише частково ущільнюється. Після цього верхній штамп злегка відходить, що дає можливість вийти надлишку повітря. На другій стадії штампи знову зближуються, створюючи максимальне зусилля пресування. При формуванні плиток для підлоги питомий тиск пресування складає приблизно 35 МПа, фасадних плиток - 25 МПа, личкувальних плиток - 15 МПа.

Зерна прес-порошку мають округлу кулеподібну форму. Під час пресування при таких великих тисках вони руйнуються (невеликі зерна лише частково) і маса “склеюється” між собою за рахунок вмісту 6 % вологи. Щільність спресування черепка головно залежить від тиску і вологості порошку. Чим тиск і вологість більші тим сирівець сильніше спресовується (ущільнюється), що обумовлює менше водопоглинання виробу після випалу. Пересушений порошок, а також порошок який має велику кількість пилеподібних фракцій сприяє утворенню браку “розшарування”, який полягає в тому, що запресоване повітря після зняття навантаження розриває виріб на дві половини. Це обумовлено тим, що пилеподібні частинки мають більшу питому поверхню, а отже захоплюють в масу більше повітря, а пересушений порошок не забезпечує необхідної міцності відпресованого сирівцю.

Для пластичного способу формування масу готують за пластичною схемою: розрихлювач - валки грубого розмелювання - валки тонкого розмелювання (бігуни) - двовальний змішувач - валки тонкого розмелювання (або каскад валків коли в сировині багато грубозернистих включень) - шихтозапасник - прес.

В шихтозапаснику під час вилежування (7-14 діб) спостерігається часткове збільшення пластичності маси, а отже покращення її формувальних властивостей. Це відбувається за рахунок того, що волога маси “розклинює” глинисті частинки і диспергує їх. Збільшити пластичність маси можна також:

- виморожуванням (замерзання води посилює розклинюючу дію);

- введенням 10-30 % більш пластичної глини (3-5 % бентоніту) або 0,1-1 % пластифікаторів (органічні додатки);

- вакуумуванням (бульбашки повітря в масі діють як опіснювач);

- зволоженням маси у двовальному змішувачі горячою парою замість води.

Формують вироби при вологості маси 20±2 % на шнекових пресах. Ця вологість забезпечує оптимальні формувальні властивості маси. Преса можуть бути з вакуумкамерою або без неї. Шнек пресу штовхає пластичну масу до виходу, де за рахунок звуження виникає невелике зусилля пресування (0,5-3 МПа). Виріб формується за рахунок мундштука. Брус маси, що виходить з нього повністю повторює його конфігурацію. За мундштуком стальна туго натягнена струна через певні невеликі відрізки часу розрізає брус на окремі вироби (цеглини, трубки тощо). Для формування порожнистих виробів в середину мундштука вмонтовують стальні чи керамічні деталі, які називають кернами. В перерізі форма мундштука може бути прямокутна (цегла), кругла (трубка), шести- або восьмигранна (дренажна трубка), з профілем черепиці. Повнотілі вироби можна формувати при відносно невеликій пластичності маси (число пластичності 8-12). Для формування порожнистих виробів пластичність маси повинна бути вищою (число пластичності 15-18).

Цим методом формують вироби простої конфігурації: цегла, труби, тарілочки, горнятка без вушок тощо. Він простий, надійний, дешевий, в порівнянні з іншими методами не вимагає великих енергозатрат.

При виробництві продукції до якої ставляться підвищені вимоги за якістю (фарфор, електрофарфор, кислототриви тощо) для пластичного формування масу можуть готувати за мокрою (шлікерною) технологією. При цьому, сировинний шлікер отриманий у кульових млинах, подають на фільтрпрес, який видаляючи значну частину вологи перетворює його на пластичну масу. З фільтрпресу масу подають на переминання, (вакуумування), вилежування і лише після цього на формування.

Шлікерний спосіб формування передбачає використання рідкотекучих мас при їх мінімальній вологості, яка не повинна перевищувати 31-33 %. Початково сировинні компоненти розмелюють в кульових млинах при відносно високій вологості 40-45 %. На цьому етапі відбувається тонке розмелювання технологічних додатків з глиною і їх гомогенізація. Після цього сировинний шлікер доводять до необхідної вологості. Для цього використовують два методи:

1) масу зневоднюють на фільтрпресі до вологості 20-24 % після чого отримані пластичні коржі розпускають у воді в басейнах з пропелерною мішалкою;

2) в басейн з пропелерною мішалкою, де перемішується сировинний шлікер високої вологості повільно досипають сухий подрібнений каолін і таким чином зменшують вологість шлікеру до заданої.

Для покращення реологічних (ливарних) властивостей шлікеру його доцільно близько двох діб витримувати в басейні з включеною пропелерною мішалкою. Приготований шлікер заливають у гіпсові форми. За рахунок великої пористості гіпс всмоктує вологу із шлікеру і на його поверхні шар за шаром осідають тверді зневоднені частинки маси точно повторюючи конфігурацію форми. Через деякий час надлишок шлікеру зливають, а відливку ще деякий період витримують у формі. Вийняти виріб із форми відразу після відливки неможливо, оскільки він ще не має достатньої міцності. Під час вистоювання форма “відсмоктує” ще невелику частину вологи і відливка набирає деякої мінімальної міцності, так що її уже можна обережно вийняти з форми.

В технології кераміки існує дві різновидності шлікерного методу формування:

1) Зливний спосіб при якому шлікер заливають у форму, певний час його витримують після чого надлишок шлікеру зливають. Відлитий виріб ще трохи витримують у формі після чого виймають. При цьому методі відбувається набирання виробу з однієї поверхні. Товщина відливки залежить від часу витримування шлікеру у формі.

2) Наливний спосіб передбачає використання складних розбірних форм. Шлікер заливають в середину форми через ливникову надставку з тим щоби в надставці завжди був надлишок шлікеру. Під час набирання черепка, за рахунок всмоктування матеріалом форми вологи, кількість шлікеру всередині форми зменшується і чергові порції шлікеру поступають з ливникової надставки. При необхідності в ливникову надставку можна доливати шлікер. Конструкція форми забезпечує набирання виробу з обох поверхонь.

До найважливіших реологічних (ливарних) властивостей шлікеру належить:

1) Текучість (тобто невелика його в’язкість), яку виражають у секундах як час витікання 100 мл шлікеру через отвір діаметром 6 мм. Ливарний шлікер повинен мати добру текучість (мінімальний час витікання) при якомога меншій вологості (7-10 с при вологості 31-33 %).

2) Коефіцієнт загуснення шлікеру, який визначають як відношення текучості після витримки шлікеру протягом 30 хвилин до текучості через 30 секунд після його перемішування. Цей коефіцієнт показує величину наростання в’язкості шлікеру при його витримуванні у стані спокою. Для високоякісних тонкокерамічних шлікерів він не повинен перевищувати 2,0-2,2.

3) Швидкість набирання черепка, яку визначають кількістю (абсолютно сухої) маси, що відкладається на одиниці площі форми за одиницю часу. Під час набирання маси найбільший опір процесу водовіддачі шлікеру створює вже набраний шар, внаслідок чого швидкість набирання з часом сповільнюється. Швидкість набирання черепка залежить від:

- Вологості шлікеру. Зменшення вологості зменшує кількість води, яку необхідно видалити із шлікеру а отже збільшує швидкість набирання.

- Кількості електроліту. Надто багато електролітів сповільнює набирання черепка тому в деяких випадках рекомендують дещо зменшити вміст електролітів, навіть незважаючи на погіршення текучості, оскільки це дозволить збільшити водовіддачу шлікеру.

- Дисперсності шлікеру. Грубозернисті зерна покращують фільтрацію шлікеру тому в склад шлікерних мас вводять каоліни, які характеризуються наявністю грубодисперсних частинок. Це також дозволяє збільшити міцність відливки.

- Температури. Для значного пришвидшення водовіддачі шлікер і форму підігрівають приблизно до 35-40 ^оС. Проте підвищення температури більше 45 ^оС не допускається, оскільки це призведе до зворотного ефекту.

- Стану гіпсової форми. Спрацьовані і вологі форми не можуть забезпечити необхідної швидкості набирання черепка. Пори спрацьованих форм забруднені тонкодисперсними частинками маси і відкладеними у них водорозчинними солями і електролітами.

Також ливарні властивості шлікеру можна покращити при його приготуванні за так званим “пресовим методом”, тобто зневодненням сировинного шлікеру на фільтрпресі з подальшим розпуском пластичної маси у воді.

Метод шлікерного литва використовують для формування виробів складної конфігурації, які неможливо відформувати жодним іншим способом (умивальники, унітази, чайники, художні вироби, скульптури тощо).

ТЕПЛОВА ОБРОБКА ВИРОБІВ

Термообробка відформованих виробів передбачає їх сушіння і випал. Під час сушіння сирівець втрачає основну частину формувальної вологи і незначно збільшує міцність. Під час випалу сирівець спікається і перетворюється у камінь. При нагріванні до високих температур для силікатних матеріалів розрізняють два види спікання: твердофазне і рідкофазне. Для більшості керамічних виробів при їх випалі доля твердофазного спікання незначна і виняткове значення для формування їх фізико-механічних властивостей має спікання за участю рідкої фази.

Температурні режими сушіння і випалу (швидкість нагріву, максимальна температура, витримки на певних етапах і при максимальній температурі, тривалість термообробки) залежать від:

1) Виду і призначення виробу, тобто комплексу необхідних його експлуатаційних властивостей. Так випал порцеляни (фарфору), яку необхідно спекти до водопоглинання не більше 0,5 %, проводять при високих температурах - 1300-1400 ^оС. Цеглу, яку достатньо спекти до водопоглинання 8-16 %, випалюють при максимальній температурі 900-1000 ^оС.

2) Розмірів (товщини) виробу. При сушінні, великорозмірні вироби повільніше віддають вологу і тому вимагають м’якших режимів і більшої тривалості сушіння. Під час випалу, для повноти проходження фізико-хемічних процесів, великорозмірні вироби нагрівають з меншими швидкостями, встановлюють більш тривалі витримки при певних температурах.

3) Способу формування і вологості відформованого сирівцю. Вологість сирівцю найбільше впливає на підбір режимів сушіння. Так плитки товщиною до 10 мм відпресовані напівсухим методом при вологості маси 6 % сушать до максимальної температури 200-240 ^оС протягом 20-40 хвилин. Цеглу, яка формується за пластичною технологією при вологості 20 % і має товщину 65 мм необхідно сушити від 10 годин до півтора доби.

4) Дисперсного, фазового і хемічного складу маси. Наявність грубодисперсних частинок (домішок, додатків опіснювачів чи топників) покращує сушильні властивості маси і скорочує тривалість сушіння проте погіршує спікання і вимагає тривалішого випалу. Хемічний склад маси виявляє вирішальний вплив на процеси випалу черепка. Наявність в масі оксидів топників інтенсифікує процеси її топлення і сприяє зменшенню максимальної температури випалу. Проте надмірний їх вміст може призвести до деформації чи спучення виробу.

Для сушіння виробів в керамічній технології використовують тунельні, камерні сушарки, для випалу - тунельні, кільцеві, камерні печі. Керамічні плитки сушать і випалюють у роликових щілинних сушарках і печах потоково-конвейєрної лінії.