Сырье для производства керамических изделий

Общие сведения

Керамическими называют искусственные каменные материалы и изделия, полученные в процессе технологической обработки минерального сырья и последующего обжига при высоких темпе­ратурах. Название "керамика" происходит от греческого слова "Keramos" - глина. Поэтому под технологией керамики всегда подразумевали производство материалов и изделий из глинистого сырья и смесей его с органическими и минеральными добавками. Материал, из которого состоят керамические изделия после обжига, в технологии керамики называют керамическим черепком.

Керамика — древнейший строительный материал. Археологами обнаружены остатки зданий и сооружений из керамического кирпича в Древнем Египте и Ассирии, датируемые 3 - 1 тысячелетиями до на­шей эры. Кирпич был известен в Древней Индии и Китае. В Древней Греции керамика применялась для кровель и украшения фасадов. Первый храм Геры в Олимпии (7 в. до н. э.) имел черепичную кры­шу и украшения из терракоты.

Простота технологии и неисчерпаемая сырьевая база для произ­водства керамических изделий самых разнообразных видов предоп­ределили их широкое и повсеместное распространение. Этому способствовали также высокая прочность, долговечность и декора­тивность керамики. И в настоящее время керамика остается одним из основных строительных материалов, применяемых практически во всех конструктивных элементах зданий и сооружений.

Сырье для производства керамических изделий

Сырьевая масса для изготовления керамических материалов со­стоит из пластичных материалов (глин) и непластичных (отощающих и выгорающих добавок, плавней и др.). Глины обеспечивают получение удобоформуемой связной массы, а после обжига — проч­ного и водостойкого черепка. Непластичные добавки улучшают тех­нологические свойства сырьевой массы (облегчают сушку, умень­шают усадку и снижают температуру обжига) и придают материалу желаемые свойства (высокую пористость, пониженную теплопро­водность и т. п.).

Глины — основной сырьевой компонент керамики — осадоч­ные горные породы. Они состоят в основном из глинистых мине­ралов — водных алюмосиликатов различного состава (каолинит Аl₂О₃ • 2SiO₂ • 2Н₂О, монтмориллонит Аl₂О₃ • 4SiO₂ - 2Н₂О и др.). Размер частиц глинистых минералов не превышает 0,005мм; преоб­ладающая форма частиц - пластинчатая. Благодаря своей гидрофильности и огромной площади поверхности глинистые частицы активно адсорбируют (поглощают и удерживают) воду. Именно глинистые минералы придают глине ее характерные свойства: пла­стичность при увлажнении, прочность при высыхании и способ­ность к спеканию при обжиге.

Кроме глинистых минералов в глине содержатся более крупные частицы: пыль (0,005...0,16 мм) и песок (0,16...5 мм). Они состоят из кварца, карбонатов кальция и магния и других минералов. Эти ком­поненты глин также влияют на ее технологические свойства и каче­ство готовых изделий.

Глины, как сырье для керамики, оценивают комплексом свойств: пластичностью, связующей способностью, отношением к сушке и к действию высоких температур.

Пластичность - способность глиняного теста деформироваться под действием внешних механических нагрузок без нарушения сплошности и сохранять полученную форму после прекращения воздействий. Пластичность глин объясняется тем, что при увлажне­нии глины на поверхности глиняных частиц появляются тончайшие слои адсорбированной воды. Эти слои, с одной стороны, обеспечи­вают возможность скольжения частиц друг относительно друга, а с другой - связывают эти частицы силами поверхностного натяже­ния, что обеспечивает сохранение формы изделий после формова­ния. Превалирование того или другого эффекта зависит от количе­ства адсорбированной глиной воды.

Пластичность оценивается количеством воды, необходимой для получения из глины удобоформуемой массы. Высокопластичные глины имеют высокую водопотребность и, как следствие, большую усадку при сушке:

Скорость сушки увлажненной глины определяется не скоростью испарения влаги с поверхности отформованного изделия, а скоро­стью миграции воды внутри глиняной массы от центра к поверхно­сти. Глина, будучи материалом «водонепроницаемым», тормозит продвижение влаги через свою толщу, чем замедляет сушку.

Чем больше в глине частиц глинистых минералов, тем она боль­ше требует воды, больше набухает, но труднее сохнет и дает боль­шую усадку. Такие глины называют «жирными». Глины, содержа­щие много песчаных частиц, характеризуется небольшой усадкой и набуханием, достаточно легко сушатся, но пластичность, т. е. фор­мовочные свойства, у нее пониженная. Такие глины называют «то­щими».

Таким образом, для получения требуемой сырьевой массы для керамики нужно выполнить два противоречивых друг дру­гу условия: смесь должна хорошо формоваться и легко су­шиться.

Смеси с оптимальным соотношением глинистых и песчаных ча­стиц получают, добавляя в жирную глину отощающие добавки. Кроме песка, для этих целей используют золы ТЭС, шлаки и другие материалы.

Спекаемость — способность глины при обжиге переходить в камневидное состояние, в котором она совершенно не размокает в воде, объясняется следующим. При нагреве до 900... 1200 °С в глине последовательно начинают протекать химические и физико-хими­ческие процессы, приводящие к полному и необратимому измене­нию ее структуры:

• удаление химически связанной воды (500...600 °С);

• разложение обезвоженной глины на оксиды Аl₂О₃ и SiO₂ (800...900 °С);

• образование новых водостойких и тугоплавких минералов (силлиманита Аl₂О₃ • SiO₂ и муллита ЗАl₂О₃ • 2SiO₂ (1000...1200 °С));

• образование некоторого количества расплава из легкоплавких материалов глины (900... 1200 °С).

Образование прочного черепка происходит за счет эффекта склеивания твердых частиц глины образовавшимся расплавом. При этом за счет сил поверхностного натяжения этого расплава проис­ходит уменьшение объема материала, называемое огневой усадкой. В зависимости от вида глин огневая усадка составляет 2...6 %.

Полная усадка — сумма воздушной и огневой усадки; она обыч­но находится в пределах 6...18 %. Полную усадку необходимо учи­тывать при формовании сырцовых заготовок для получения изде­лий с заданными размерами.

Огнеупорность — свойство материалов, в том числе и глин, вы­держивать действие высоких температур без деформаций.

Различные глины требуют определенных температур обжига и соответственно изделия из них имеют различную огнеупорность. По этому признаку глины делят на легкоплавкие, тугоплавкие и ог­неупорные.

Легкоплавкие глины, содержащие большое количество приме­сей, плавятся при температуре ниже 1350 °С. Из таких глин, назы­ваемых кирпичными, изготовляют кирпич, стеновые камни и чере­пицу.

Тугоплавкие глины, содержащие незначительное количество примесей, плавятся при температуре 1350...1580 °С. Применяют их для изготовления облицовочных керамических изделий, лицевого кирпича, канализационных труб.

Огнеупорные глины, почти не содержащие примесей, плавятся при температуре выше 1580 °С. Их применяют для производства ог­неупорных материалов.

Отощающие материалы вводят в состав керамической массы для снижения пластичности и уменьшения воздушной и огневой усадки глин. Они улучшают сушильные свойства глин. В качестве отощающих добавок используют песок, шамот, дегидратированную глину, золы ТЭС, гранулированные шлаки.

Шамот — зернистый (0,14...2 мм) материал, получаемый из­мельчением предварительно обожженной до температуры спекания глины. Его можно заменить измельченным браком керамических изделий. Шамот из огнеупорных глин используют для изготовления

огнеупоров,

Дегидратированную глину получают нагревом до 650...750 °С. При удалении кристаллизационной (химически связанной) воды глина необратимо теряет свойство пластичности.

Гранулированный доменный шлак и золы ТЭС - отощители глин, используемые при производстве кирпича и другой грубой керами­ки. Это эффективный путь утилизации промышленных отходов.

Порообразующие добавки вводят в смесь для снижения плотно­сти и, соответственно, теплопроводности керамических изделий. Для этого используют вещества, которые при обжиге:

- диссоциируют с выделением газа, например, СО₂ (молотый мел, доломит и т. п.);

- выгорают (древесные опилки, угольный порошок и т. п.). Такие добавки одновременно являются и отощающими.

Пластифицирующие добавки - высокопластичные глины, а так­же поверхностно-активные вещества — пластификаторы СДБ, ЛСТ и др.

Плавни добавляют в глины в тех случаях, когда желательно по­низить температуру ее спекания. В этом качестве используют поле­вые шпаты, железную руду, тальк и т. п.

Глазури и ангобы — отделочные слои на облицовочных керами­ческих изделиях.

Глазури — стеклообразные лицевые покрытия различного цвета, прозрачные или глухие. Их получают нанесением на поверхность готовых изделий порошка из стекольной шихты и закреплением об­жигом до плавления.

Ангобы — лицевые покрытия, выполненные из цветных глин, нанесенных на поверхность сырцовых изделий. В отличие от глазу­ри ангоб не дает при обжиге расплава, а образует матовое керамиче­ское покрытие.