Как правило, глина поступает на завод влажностью от 8% до 25%, а иногда и большей, причем меньшая влажность характерна для летнего периода; а большая – для осени, зимы и ранней весны. Глину такой влажности очень трудно размолоть, так как она забивает помольные машины и сита. Поэтому до помола глину следует высушить, причем достаточно равномерно по всей массе, так как наличие влажных и пересушенных частиц отрицательно влияет на качество продукции. В процессе сушки глина должна прогреваться до температуры не выше 110°С, так как при большой температуре она начинает терять пластичность и связующую способность.
Для сушки глины применяют главным образом сушильные барабаны. При наличии каменистых включений перед сушильной установкой ставят камневыделительные вальцы. Конечная влажность высушенной глины колеблется в пределах от 2 до 13%.
После сушки в сушильном барабане глина измельчается в корзинчатом дезинтеграторе. Они работают при влажности 9%; при повышенной влажности глина залипает в кожухе.
Грубый помол глины (а также смешение массы) после сушильного барабана мажет осуществляться на бегунах сухого помола периодического и непрерывного действия.
Для выделения из измельчаемого продукта частиц, размеры которых больше или меньше требуемых (просеивание), или для рассева на фракции сухой глины, шамота, углекислых добавок и других компонентов шихты применяют механические сита – грохоты и воздушные сепараторы. На эффективность рассева влияют влажность материала, угол наклона сита к горизонту, толщина слоя материала и др.
Измельченную глину тщательно смешивают с непластичными материалами и увлажняют горячей водой и паром. Для малопластичных масс, употребляемых для полусухого прессования, более пригодны лопастные, желательно вакуумные мешалки периодического действия и быстроходные бегунковые; для тощих масс наиболее пригодны смесительные бегуны. Увлажнение паром обеспечивает более равномерное распределение влаги. Из различных агрегатов для такого увлажнения порошка лучшие результаты дали шахтные пароувлажнители.
Увлажненный до 8–13%, прогретый и хорошо смешанный порошок поступает в бункера формовочных прессов. Вылеживание массы в силосах увеличивает степень гидратации глинистых частиц и усредняет влажность, улучшая формовочные свойства [2].
Подготовка отощающих добавок.
Глины редко применяют в чистом виде (без специальных добавок), так как в процессе сушки и обжига они дают большую усадку, сопровождающуюся короблением и растрескиванием, что сильно затрудняет возможность изготовления из них изделий правильной формы и точных размеров. Для уменьшения усадки керамических масс при сушке и обжиге в их состав наряду с глиной вводят отощающие материалы, которые делят на естественные и искусственные.
К природным естественным отощающим материалам относятся глинистые породы, число пластичности которых не выше 7 (глинистые сланцы, глины естественно жженные и др.).
К искусственным отощающим материалам относят главным образом шамот, получаемый путем обжига глины.
Зерна шамота для полнотелых изделий не должны быть крупнее 3 мм. Следовательно, его использование требует наличие специального оборудования для подготовки добавки к формованию.
В зависимости от величины кусков поступающий материал разделяется на крупный (более 500 мм), средний (500…100 мм) и мелкий (порошок более 10 мм). Для правильного использования оборудования измельчение рационально проводить по стадиям: крупное дробление (от начального размера кусков 100…1000 до конечного размера кусков 10 мм), среднее дробление (от 100…150 до 10 мм), средний помол (от 1…10 до 0,1…0,3 мм), тонкий помол (от 0,1…0,3 до менее 0,088 мм) [2]. Крупное дробление широко применяется в огнеупорной промышленности. Измельчение отощающих материалов для керамики (сланцы, кусковые выгорающие добавки, например уголь, шамот, бой изделий) производится обычно в два приема: т.е. сначала в дробилке (среднее дробление), потом в мельнице (средний помол). В зависимости от размеров кусков и твердости материала применяют разные типы дробильных агрегатов. Для грубого и среднего дробления используют щековые дробилки, конусные мельницы, бегуны; для среднего дробления – молотковые и валковые дробилки.
Для стабильной работы помольно-дробильного оборудования, используют автоматизированные питатели, регулирующие количество сырья, подаваемого в тот или иной агрегат. Дозировка материалов для переработки их в различных агрегатов или при составлении шихты осуществляется по объему или по массе: непрерывно или периодически.
Формование изделий
Назначение формования (или прессования) заключается в придании формы, достаточной прочности и максимальной плотности полуфабрикату для проведения последующих технологических процессов – сушки и обжига. При этом на сырце не должно быть трещин и посечек, как внешних, так и внутренних напряжений, которые в процессе последующих технологических операций могут вызвать образование различных дефектов.
Практика производства стеновых изделий полусухим способом показала, что выбор типа пресса, величины прессового давления и влажности массы зависит от технологических свойств глины, применяемых в производстве. При сухом прессовании лицевого кирпича, в частности, важную роль играет величина упругих деформаций керамической массы. Спрессованный сырец после прекращения действия прессового давления несколько увеличивается в объеме.
Пластичные глины имеют более ярко выраженные упругие свойства по сравнению с тощими и сильно запесоченными глинами. Этим и объясняется тот факт, что тощие массы расслаиваются (в изделиях возникают трещины) лишь в результате приложения очень больших давлений.
При добавлении к пластичной глине шамота или песка пропрессовываемость сырца ухудшается и вместе с этим повышается предел его прочности. Количество добавляемого шамота или песка в каждом конкретном случае должно быть определено экспериментальным путем. Важен также подбор зернового состава шихты; хорошая пропрессовываемость достигается при содержании крупных (1–2 и 2–3 мм) фракций – 40–50%, а мелких (0–1 мм) – 50–60% [2].
Более равномерное распределение влажности также уменьшает склонность масс к образованию трещин при прессовании. Трещины появляются также благодаря избыточной влажности шихты и главным образом высокой скорости прессования.
Равномерность и длительность прессового давления зависит от типа применяемых прессов. Наиболее пригодны прессы, обеспечивающие равномерное двустороннее ступенчатое давление – низкое для удаления вовлеченного воздуха и высокое для окончательного прессования. При оптимальном режиме прессования нарастание давления с 3 до 13–15 МПа должно длиться в 5–6 раз больше, чем от 0 до 13 МПа. Время прессования должно быть не менее 1,5–3,5 с.
Для полусухого прессования применяют прессы различных систем: гидравлические, ротационные, коленно-рычажные и ударного действия (фрикционные). По технологическим признакам различают прессы с односторонним и двухсторонним приложением усилия давления или с подвижной пресс-формой, прессы с одноступенчатым и многоступенчатым прессованием и прессы с постепенным приложением давления или с мгновенным (ударным) действием. По способу регулирования давления прессования различают прессы с гидравлическими регуляторами давления и прессы, действие которых регулируется высотой засыпки пресс-форм глиняным порошком.
Для полусухого (компрессионного) способа формования наиболее подходят механические и гидравлические прессы с максимальным давлением прессования 15–25 МПа. Максимальный размер зерен при этом должен быть не менее 3 мм, при влажности керамической шихты 8–11% [2].
На кирпичных заводах для полусухого прессования нашли применение ротационные прессы, ротационно-рычажные с двусторонним плавно нарастающим давлением.
Сушка изделий
После формования полуфабрикат керамических изделий имеет невысокую механическую прочность из-за наличия в массе влаги, количество которой зависит от способа производства, минерального состава массы и других факторов. Это затрудняет транспортирование изделий, кроме того, в процессе сушки происходит усадка изделий. Значительное уменьшение объема изделий при удалении из них влаги может привести к деформации или треску, а при быстром нагреве к взрывным разрушениям сырца. Поэтому перед обжигом изделия сушат в специальных сушильных устройствах.
Процесс сушки особенно сложен для полуфабриката, полученного пластическим формованием или способом литья из водных суспензий и содержащего до 20–25% влаги. Это объясняется как сравнительно большими объемными изменениями полуфабриката, так и невысокой влагопроводностью пластичных глин.
Для каждого вида изделий безопасный режим сушки зависит от свойств массы (количества отощающих добавок, их зернового состава, чувствительности глины к сушке,), способа формования и переработки массы, габаритов изделия и способов сушки. Способ сушки и конструкцию сушильного агрегата для каждого вида изделий выбирают исходя из возможности максимальной механизации и автоматизации загрузки изделий из сушильного агрегата при минимальных энергетических затратах и гарантированном качестве изделий.
Теплоносителем в сушильных устройствах является воздух, нагреваемый до необходимой температуры в зане охлаждения обжиговых агрегатов или в специальных нагревательных устройствах (калориферах, подтопках и др.), устанавливаемых в непосредственной близости от сушилок.
Обжиг изделия
Обжиг имеет решающее значение для придания готовому изделию специальных «керамических» свойств – прочности, плотности, водоустойчивости и др. Весь процесс обжига разделяется на три периода: нагрев до максимальной температуры, выдержка при этой температуре и охлаждение. При нагреве и последующем после обжига охлаждении в керамическом материале происходит комплекс физико-химических изменений, которые в основном и предопределяют те или иные свойства готового керамического изделия.
При обжиге изделий строительной керамики спекание в основном происходит вследствие образования эвтектической жидкой фазы, растворения в ней некоторых компонентов и цементации ею всех кристаллических и зерновых образований при охлаждении.
Под температурным режимом обжига понимают зависимость между температурой и временем обжига. Режим обжига представляет собой комплекс взаимосвязанных факторов: скорости подъема температуры, конечной температуры обжига, длительности выдержки при конечной температуре, характера газовой среды и скорости охлаждения.
Под интервалом обжига понимают температурные границы, в пределах которых изделия при обжиге приобретают свойства, регламентированные действующим ГОСТом.
Для обжига изделий лицевой керамики применяются печи различных типов и конструкций, в основном туннельные и щелевые. Принцип конструкции печей туннельного типа заключается в непрерывном продвижении в обжиговом туннеле шириной 1,6–7 и длиной 50–150 и обжиговых вагонеток с установленными на них изделиями. При движении в обжиговом канале вплоть до выхода из печи изделия последовательно проходят все зоны тепловой обработки по установленному температурному режиму.
В щелевых печах керамические изделия движутся в обжиговом канале по роликовому или сетчатому конвейеру в один ряд по высоте, что позволяет резко сократить время обжига и уменьшить расход топлива на единицу обожженной продукции. Скоростной обжиг позволяет легко изменять время нахождения изделий в печи в зависимости от из формы и размеров, а также температуру обжига. Однако при этом требуется более энергоемкое оборудование для подготовки компонентов глиномасс (измельчение менее 0,06 мм) и введение плавней. Широкое применение не получили кольцевые печи, которые представляют собой замкнутый обжигательный канал кольцевого или эллипсоидального горизонтального сечения. Наиболее существенное преимущество данных печей – сравнительно небольшой расход топлива; они расходуют примерно в 1,5-2 раза меньше топлива, чем периодические печи, и почти столько же, сколько туннельные. Съем кирпича в кольцевых печах составляет до 3000 шт. с 1 м3 в месяц. Печи для обжига лицевого кирпича должны обеспечивать создание восстановительной среды, которая дает возможность получать кирпич железисто-темных оттенков и способствует лучшей спекаемости глины.