Природный материал для керамики. Сырьевые материалы для производства керамики. Способы изготовления керамических изделий

Общие сведения

Природными каменными материалами называют материалы и изделия, получаемые механической обработкой (дроблением, раскалыванием, распиливанием и т.п.) горных пород. Природный камень, применяемый непосредственно как строительный материал, привлекает своей декоративностью и долговечностью.

Огромное количество природных каменных материалов используется в качестве сырья для получения большинства строительных материалов: керамики, стекла, минеральных вяжущих веществ.

Сырьевой базой для промышленности строительных материалов являются горные породы. Их применяют для изготовления неорганических вяжущих веществ, керамических материалов, строительного стекла, щебня, гравия, песка в дорожном строительстве и для приготовления бетонов и растворов, облицовки зданий, сооружений и многих других целей.

Горными породами называют скопления минеральных масс, образующие геологические тела, характеризующиеся достаточно постоянным составом, строением и свойствами. Процентное содержание минералов в горной породе определяет её минеральный состав. Форма, размер, взаимное расположение минералов, наличие пор и т. д. определяют свойства горной породы.

Минералом называют природное тело, однородное по химическому составу, строению и свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов на поверхности и в глубинах земли. Минералы в подавляющем большинстве - твёрдые тела: кристаллические и аморфные.

Если горная порода состоит из одного минерала, она называется мономинеральной, если из двух и более - полиминеральной.

В зависимости от условий образования горные породы подразделяют на три вида: первичные - изверженные, вторичные - осадочные, видоизменённые - метаморфические.

Изверженные породы весьма разнообразны по физико – механическим показателям. Если магма застывала на глубине, а ее составные части успевали закристаллизоваться, то при этом образовывались так называемые глубинные (интрузивные) породы, для которых характерна полнокристаллическая структура. Если в результате вулканической деятельности магма вырывалась на поверхность, в зону значительно более низких температур, её компоненты не имели времени для кристаллизации и, застывая, образовывали породы со скрыто - и мелкокристаллическими структурами (эффузивные).

Многие природные камни рассматриваемой группы отличаются высокими: плотностью, теплопроводностью, прочностью и используются исключительно в качестве конструкционно–отделочных и отделочных материалов.

Вместе с тем достаточно широко распространены и обломочные (рыхлые и цементированные) изверженные породы, отличающиеся сравнительно высокой пористостью – пемза, вулканический туф.

Осадочные породы сформировались в результате преобразования продуктов разрушения изверженных пород, морских и континентальных осадков в виде отдельных пластов и слоев на земной поверхности и вблизи нее при относительно низких температурах и давлении. Механические отложения образовались в результате отложения или накопления рыхлых продуктов распада ранее существовавших пород, часть которых в дальнейшем подверглась цементированию, образую конгломераты, брекчии и песчаники. Химические осадки образовались в результате осаждения из водных растворов минеральных веществ с последующим их уплотнением и цементацией. Органогенные образования – результат непосредственного осаждения, уплотнения и цементации остатков водорослей, организмов и продуктов их жизнедеятельности.

Видоизменённые (метаморфические) породы образуются в толще земной коры в результате более или менее глубокого преобразования изверженных или осадочных горных пород при действии высоких температур и давления, а также возможном химическом воздействии. Метаморфические породы отличаются от исходных структурой и свойствами. По структуре их разделяют на массивные, или зернистые (мрамор, кварцит), и сланцеватые (гнейсы, сланцы).

Основы технологии

Блоки камня, полученные в карьере, поступают на камнеобрабатывающие предприятия для переработки. Процесс, в результате которого камню придают требуемые форму, размер и фактуру лицевой поверхности, включает ряд операций, выполняемых в строгой последовательности с помощью разнообразных камнеобрабатывающих станков. На современных предприятиях камень обрабатывают механизированным способом. В зависимости от характера используемого инструмента различают три основных вида обработки: резание, шлифование и скалывание. Каждый из этих видов, в свою очередь, делится на две стадии: придание формы и размеров выпускаемого изделия и его фактурную обработку. Для этого лицевой поверхности изделия придают заданную степень рельефа.

Обработка резанием – наиболее современный процесс обработки камня: этот способ высокопроизводителен, даёт меньше отходов и в наибольшей степени допускает автоматизацию производства. В зависимости от твёрдости камня используют стальные и твёрдосплавные резцы (для камня мягкой и средней твёрдости) или алмазный и карборундовый инструменты (для пород средней твёрдости и твёрдых) специальной конструкции.

Обработка скалыванием – также широко используемый способ, однако в большинстве случаев он сопряжён с постоянным участием оператора, и поэтому более трудоёмок. Ударная обработка камня механизирована и автоматизирована не полностью.

Придание камню требуемой формы независимо от принятого способа обработки выполняют в две стадии: сначала изделию придают форму, грубо приближающуюся к заданной, и лишь затем изделие получает окончательную форму в соответствии с проектом.

Шлифование поверхности камня позволяет достичь высокой степени её гладкости, вплоть до зеркального блеска (для этого используют войлочный круг, под который падают полированный порошок).

Номенклатура

Номенклатура материалов из природного камня включает блоки, камни, плиты, архитектурно-строительные изделия (плоскостные и профильные).

Блоки объёмом не менее 0,1 м 3 для кладки фундаментов и стен, в зависимости от технологии их обработки, выпускают колотые, тёсаные, пиленые.

Камни размером 390*190*188; 490*240*188; 390*190*288 мм и др. аналогичны по назначению блокам.

Плиты шириной до 2000 мм длиной, как правило, не менее ширины и толщиной от 3 до 40 мм используют для наружной и внутренней облицовки. Размеры плит для покрытий полов, как правило, 300*300; 305*305; 400*400; 600*300 мм. Для интерьеров с интенсивным движением их толщина не менее 20мм.

Архитектурно-строительные изделия служат для наружной и внутренней облицовок, устройства лестниц, парапетов площадок, ограждений. К этой группе изделий относятся плиты цокольные, пиленые и колотые, накрывочные пиленые и колотые, проступи пиленые, ступени цельные пиленые и колотые, парапеты прямоугольные и криволинейные, колонны, балясины, порталы, детали карниза, пояса, камень кордонный, шары декоративные.

Балясина – сравнительно невысокий фигурный столбик в форме тела вращения. Это элемент ограждения лестниц, террас, балконов, верхняя часть которого покрыта перилами. Изготавливают балясины, в основном, из мрамора.

Порталы – профильные изделия для обрамления дверных проёмов, выполняемые, как правило, из гранита, габбро, лабрадорита и других изверженных пород.

Деталь карниза – профильное изделие в виде декоративного выступа на верхней части наружной облицовки поля стены, защищающего её от стекающей с кровли воды. Получают при соответствующей обработке изверженных горных пород.

Деталь пояса – горизонтальный выступающий элемент наружной облицовки, отделяющий цокольную часть от вышележащей стены. Для изготовления используют достаточно плотные и прочные горные породы.

Камень кордонный – профильное изделие верхней части массивного цоколя из плотных и прочных пород.

Декоративный шар – профильное изделие сферической формы. Шары (цельные, но чаще составные), в основном, из гранита используют при оформлении фасадов зданий, фонтанов, набережных, в ландшафтной архитектуре.

К материалом специального назначения относят бутовый камень (куски неправильной формы не более 500 мм по наибольшему измерению), щебень (куски до 150 мм из дробленого бута), плиты для гидротехнических сооружений, изготовляемые из изверженных и осадочных горных пород; брусчатку в форме бруска, слегка суживающегося книзу, из однородных мелко- и среднезернистых изверженных пород для мощения дорог; бортовые камни высотой до 400 мм из плотных изверженных пород для отделения дороги от тротуара; плиты для тротуаров (часто из гнейса) толщиной не менее 40 мм.

Свойства

Учитывая характеристики минералов, их количество и характер расположения, а также вид и расположение цементирующего вещества, выделяют кристаллические, стекловидные, порфировые и другие структуры горных пород.

При определении характера кристаллической структуры горной породы устанавливают, в частности, крупность зерен. В зависимости от их размеров у твёрдых горных пород (гранит и др.) выделяют крупнозернистые структуры – более 40 мм; среднезернистые от 2 до 10 мм; мелкозернистые – до 2 мм. У природных камней средней твёрдости (мрамор и др.) структура с размером зерен более 1 мм считается крупнозернистой; до 1 мм – среднезернистой; до 0,25 мм - мелкозернистой.

Способы добычи и обработки природного камня, его рациональное применение в строительстве связывают, прежде всего, с твёрдостью материала.

При определении твёрдости природных камней пользуются шкалой Мооса, сравнивая их твёрдость с твёрдостью определённых минералов, расположенных в характерном порядке по мере нарастания твёрдости: тальк, гипс, кальцит, плавиковый шпат, апатит, ортоклаз, кварц, топаз, корунд, алмаз.

Твёрдые природные камни обладают более высокой монолитностью структуры по сравнению с материалами средней твёрдости и мягкими. В архитектурно – строительной практике используют, как правило, горные породы твёрдые или средней твёрдости.

Средняя плотность природных каменных материалов, в зависимости от их вида, обычно находятся в пределах 800… 3100 кг\м 3 .

Водопоглощение твёрдых природных камней, как правило, находится в пределах 0,01 … 5 %; у гранита и сиенита – 0,1 … 1%; габбро – 0,1…0,2%; лабрадорита и тешенита – 0,2 … 1%; диабаза – 0,01 … 0,2 % ; кварцевого порфира – 0,1…5%; базальта – 1…5%. Водопоглощение природных камней средней твёрдости 0,1…40%, в том числе мрамора – 0,1…0,7%; известняка – 0,5… 40%; песчаника – 0,2…2,5%; туфов – 4…40%.

Коэффициент размягчения указанных природных каменных материалов средней твёрдости, как правило, не менее 0,6.

Морозостойкость каменных материалов сравнительно высока. Твердые природные камни (гранит, диорит, сиенит, габбро) выдерживают 300 и более циклов лабораторных испытаний; диабаз, базальт – 50 и более. Природные камни средней твёрдости – более 25 циклов, мягкие – 15 циклов и более.

Предел прочности при сжатии природных каменных материалов в зависимости от твёрдости приведён в табл .9 .

Для определения предела прочности при сжатии обычно испытывают образцы в виде куба или цилиндра, выпиленные или высверленные из целого изделия. Для испытания сравнительно крупных блоков, высота которых более чем в 1,5 раза превышает толщину, приготавливают (выпиливают, высверливают) два образца: со стороны верхней и со стороны нижней граней.

Истираемость имеет большое значение, прежде всего, для природных каменных материалов, которые используют для покрытий полов в различных общественных сооружениях. Весьма мала истираемость у твёрдых материалов – не более 0,5г/см 2 .

Долговечность природных камней, как правило, связана с их твёрдостью.

Для производства керамики используют природные и искусственные сырьевые материалы. В зависимости от основной функции в керамических массах их можно разделить на три основные группы: пластичные, отоща- ющие и плавни. В особую группу выделяют технологические добавки, придающие те или иные свойства керамическим массам или готовым изделиям.

К пластичным материалам относят глины и каолины. Глина представляет собой осадочную горную породу, состоящую из каолинита Al203-2Si02-2H20, монтмориллонита Al203-4Si02-H20-nH20, иллита (гидрослюды) K20-Mg0-4Al203-7Si02-2H20 и других глинистых минералов, придающих ей пластические свойства, и примесей (кварцевых, карбонатных, железистых, сульфатных, органических, растворимых солей и др.). В техническом понимании глина представляет собой осадочную горную породу, которая во влажном состоянии легко формуется, при высыхании становится твердой и хрупкой, сохраняя приданную ей форму, а после обжига теряет восприимчивость к воздействию воды и переходит в необратимое камнеподобное состояние.

Пластинчатое строение кристаллической решетки глинистых минералов обусловливает относительно свободное перемещение отдельных частиц глин при затво- рении их водой. Этим объясняется их пластичность. Свойства этих минералов различны, что связано с особенностями строения их кристаллических решеток. Каолинит отличается плотным строением кристаллической решетки, в связи с чем он плохо присоединяет воду при увлажнении и легко отдает ее при сушке. Каолинит повышает огнеупорность глин.

Кристаллическая решетка монтмориллонита отличается неплотным строением, она очень подвижна, способна присоединять и прочно удерживать большое количество воды. Монтмориллонитовые глины отличаются очень большой набухаемостыо, пластичностью, но капризны в сушке.

Иллит по своим свойствам и, прежде всего, по отношению к воде занимает промежуточное положение между каолинитом и монтмориллонитом.

Примеси в глинах находятся в виде тонкодисперсных частиц либо включений. Включениями считают час- стицы размером более 0,5 мм в производстве тонкой керамики и размером более 2 мм в производстве изделий грубой керамики. Примеси оказывают существенное влияние как на формовочные свойства глин, так и на свойства готовых изделий.

Широко распространенная примесь - кварцевый песок; он содержится в глинах в различных количествах (до 60%), ухудшая пластичность и связующую способность глин, а также их обжиговые свойства путем снижения трещиностойкости в процессе охлаждения обожженных изделий вследствие модификационных превращений кварца. При этом возможно снижение прочности и морозостойкости изделий. Однако крупный кварцевый песок улучшает сушильные свойства глин, поэтому его иногда специально вводят в состав формовочных масс для повышения их трещиностойкости при сушке. Тонкодисперсный кварцевый песок (шлюф) ухудшает сушильные свойства глин.

Железистые примеси, встречающиеся в глинах в виде включений гидроксида железа, минералов лимонита Fe203-H20-nH20, пирита FeS2 и сидерита FeC03, являясь сильными плавнями, понижают огнеупорность глин и окрашивают обжигаемые изделия в красно-бурые тона. Такие примеси ухудшают качество беложгу- щихся изделий (фасадных и облицовочных плиток, лицевого кирпича светлых тонов, фарфора, фаянса, архитектурно-художественных деталей), но повышают качество изделий с плотным черепком (плиток для полов, канализационных труб), а также глиняного кирпича и пористых заполнителей (керамзита и аглопорита). Снижают качество изделий включения пирита и в меньшей степени сидерита. Они образуют в процессе обжига черный железистый легкоплавкий шлак в виде выплавок.

Карбонатные примеси (кальцит, доломит) понижают огнеупорность глин, сокращают интервал спекания изделий, незначительно повышают их пористость и понижают прочность. Для производства стеновой керамики карбонатные примеси в тонкодисперсном виде не вредны, а для производства изделий с плотным черепком очень вредны. Наиболее вредны каменистые карбонатные включения, не полностью реагирующие при обжиге с компонентами глины. Образующийся оксид кальция при поглощении водяных паров из воздуха или при увлажнении обожженных изделий гидратируется с резким увеличением объема, разрушая их.

Встречающийся иногда в глинах гипс является вредной примесью, приводящей к образованию выплавок.

Органические примеси окрашивают глину и обожженные изделия в темные тона, поэтому нежелательны при получении беложгущихся изделий. В процессе обжига органические примеси выгорают, повышая пористость изделий и создавая восстановительную среду внутри черепка. В связи с этим они полезны для производства стеновой керамики и керамзита и вредны для производства изделий с плотным черепком. Растворимые соли, особенно сульфатные, мигрируя в процессе сушки на поверхность изделия, образуют на ней белые соляные налеты. Сульфат натрия, кристаллизуясь в порах изделия, может привести к его разрушению.

Глины, имеющие незначительное количество примесей и состоящие преимущественно из каолинита, называют каолинами. Каолины по сравнению с глинами характеризуются более крупнокристаллическим строением и меньшей пластичностью.

Глины с преобладающим содержанием монтмориллонита называют бентонитами. Они отличаются очень высокой дисперсностью (частиц размером менее 0,001 мм содержится 85-90 %) и пластичностью.

Химический состав глин колеблется в широких пределах и во многом определяет их свойства. Содержание кремнезема Si02 составляет от 55-65 % до 80-85 % в сильно запесочениых глинах, глинозема А1203 от 10- 15% в кирпичных глинах до 32 - 35 % в огнеупорных, оксидов железа от долей процента в беложгущихся глинах до 8-10 % и более в кирпичных, оксидов СаО и MgO 2-3 % (редко содержание СаО до 20-25 %). щелочей Na20 и К20 до 5-6 %, двуокиси титана Ti02 до 1,5 %. Наиболее тугоплавким оксидом, повышающим огнеупорность глин и прочность обожженных изделий, является глинозем.

Гранулометрический состав глин тесно связан с их минералогическим и химическим составами. Он оказывает существенное влияние на свойства глин. Чем более тонкодисперсна глина, тем выше ее пластичность, связующая способность, больше воздушная усадка и ниже трещиностойкость при сушке. Высокопластичные глины содержат частиц размером <5 мкм (глинистой фракции) до 80-90 % и незначительное количество пылевидной фракции (размером 5-50 мкм) и песчаной фракции (50 мкм - 2 мм).

Важнейшие свойства глин - свойства, проявляющиеся при взаимодействии их с водой (пластичность, связующая способность), при сушке изделий (воздушная усадка) и при их обжиге (огневая усадка, огнеупорность, спекаемость).

Пластичность глин - их способность при затворении водой образовывать тесто, которое под воздействием внешних сил может принимать любую форму без появления трещин и разрывов и сохранять ее после прекращения действия этих сил. Пластичность глин зависит от их гранулометрического и минералогического составов: чем больше глинистой фракции и чем больше монтмориллонита в составе глины, тем она пластичнее, легче формуется и тем большую усадку при сушке имеет. Пластичность глин регулируют: введением отощающих добавок в излишне пластичные, имеющие очень большую усадку при сушке глины; введением в тощие глины высокопластичных глин или пластифицирующих добавок либо применением специальных приемов - вылеживанием или отмучиванием глины, вакуумированием, обработкой ее паром, усиленной механической обработкой на глиноперерабатывающих машинах (бегунах, вальцах, глиномялках и др.).

Связующая способность глин - их способность связывать частицы непластичных материалов и образовывать при затворении водой хорошо формующуюся массу без значительной потери прочности сформованного сырца. Определяется она максимально возможным количеством чистого кварцевого песка, при добавке которого можно получить массу с хорошими формовочными свойствами. Высокопластичные глины допускают введение песка до 60-80 %.

Воздушная усадка глин (линейная или объемная) - сокращение линейных размеров и объема образца при сушке - происходит в результате уменьшения толщины водных оболочек вокруг частиц глины под действием сил капиллярного давления, а также по мере подсыхания под действием сил осмотического давления и межмолекулярного притяжения. Воздушная линейная усадка глин колеблется от 2 до 10-12 % в зависимости от их гранулометрического состава, увеличиваясь с повышением содержания тонкодисперсных фракций. Воздушная усадка в значительной степени влияет на трещи- ностойкость изделий при сушке. С целью уменьшения усадочных напряжений и повышения трещиностойкости изделий при сушке в состав формовочной массы вводят отощители (песок, шамот, бой кирпича, опилки), ПАВ (СДБ и др.) или вакуумируют глину, орошают поверхность глиняного бруса при формовании изделий влаго- задерживающими составами (например битумной эмульсией) и т. п.

Огневая усадка глин (сокращение линейных размеров и объема образца при обжиге) происходит в результате сближения частиц под действием сил поверхностного натяжения образующейся вокруг них жидкой фазы. Огневая усадка колеблется в пределах 2-8 % в зависимости от химико-минералогического состава глины. У сильно запесоченных глин в процессе обжига иногда наблюдается не усадка, а увеличение объема из-за мо- дификационных превращений кварца.

Огнеупорность глин - их способность противостоять воздействию высоких температур, не расплавляясь. Глинистые материалы в силу своей полиминеральности не имеют определенной температуры плавления, они плавятся в некотором интервале температур. Условно за огнеупорность глин принимают температуру, при которой стандартный образец из нее в форме трехгранной усеченной пирамиды высотой 30 мм, со сторонами нижнего основания 8 мм и верхнего основания 2 мм коснется вершиной подставки, на которой он установлен. По огнеупорности глины подразделяют на легкоплавкие (tor менее 1350 °С), тугоплавкие (t0г 1350-1580 °С), огнеупорные (tor более 1580°С).

Спекаемость глин - их способность при обжиге уплотняться с образованием твердого камнеподобного черепка. Спекание бывает жидкостным - путем стягивания твердых частиц образующейся при обжиге жидкой фазой и твердофазовым - путем рекристаллизации минералов и реакций в твердой фазе. При спекании резко увеличивается прочность и уменьшается водопо- глощение изделий. Спекшимся считается черепок с во- допоглощением менее 5 % без признаков пережога, а полностью спекшимся - с водопоглощением не более 1-2 %.

Для регулирования пластических свойств глин, снижения усадок при сушке и обжиге, предотвращения появления в процессе тепловой обработки трещин и деформаций и получения бездефектных изделий в состав керамических масс вводят отощающие добавки: кварцевый песок, низкопластичные глинистые породы, шамот, дегидратированную глину, топливные и другие шлаки,

золы ТЭС, бой и брак обожженных керамических изделий и др.

К Кварцевые пески являются одним из лучших приходных отощителей. В производстве строительной керамики применяют кварцевые пески крупностью 0,25- 1 мм. Мелкие пески ухудшают сушильные свойства глин и снижают их связность, более крупный песок ухудшает внешний вид изделий - получается шероховатая поверхность. Обычно вводят 10-25 % кварцевого песка, большее количество такой добавки может привести к снижению прочности и морозостойкости изделий. При нагревании кварц претерпевает ряд полиморфных превращений. Эти превращения сопровождаются объемными изменениями, особенно значительными и опасными при больших структурных превращениях в кристаллической решетке и переходе в разноименную модификацию. В связи с этим при выборе режима обжига изделий следует учитывать необходимость температурных остановок для локализации напряжений от модифика- ционных превращений кварца.

В технологии тонкой керамики наиболее пригодны жильный кварц и кварциты. При обжиге свыше 1000 °С кварцевые материалы реагируют с легкоплавкими соединениями в глинах, участвуя в процессе спекания керамического черепка. Растворяясь в силикатных расплавах, кварц способствует увеличению вязкости жидкой фазы и предотвращению деформаций изделия.

Из искусственных отощителей в производстве тонкой керамики и огнеупорных материалов наиболее часто применяют шамот, получаемый обжигом в шахтных или вращающихся печах огнеупорных и тугоплавких глин при тех же температурах, при которых обжигают изделия, с последующим измельчением до частиц размером 0,14-2 мм.

Дегидратированную глину получают обжигом во вращающихся печах, иногда на ленточных агломерационных машинах или в печах кипящего слоя при 600- 800°С. При такой температуре она теряет пластические свойства и приобретает свойства отощителя. Применяют дегидратированную глину обычно в производстве стеновой керамики, добавляя в состав формовочной массы 30-50 %.

К отощающим добавкам, выполняющим одновременно роль выгорающих, относят древесные опилки, уголь, торф, отходы углеобогатительных фабрик, золы ТЭС. Эти добавки при низких температурах играют роль ото- щающих, а при высоких температурах способствуют обжигу, снижают расход топлива, повышая пористость и уменьшая плотность изделия.

Плавни вводят в состав керамических масс с целью повышения степени спекания керамической массы и понижения температуры обжига изделий, увеличения их плотности и прочности и уменьшения водопоглощения. К плавням относят материалы, которые либо сами имеют более низкую температуру плавления, чем глина,и этим обусловливают снижение температуры ее спекания, либо образуют в процессе обжига при реакции с компонентами керамической массы легкоплавкие соединения. К первым относят полевые шпаты, пегматиты, нефелиновые сиениты и др., ко вторым-доломит, мел, магнезит и др.

Полевошпатные породы обеспечивают появление в керамических массах расплава стекловидной фазы, необходимой для спекания черепка. Эта фаза растворяет кремнеземистые компоненты керамической массы, придает изделиям при обжиге стойкость к деформациям и способствует образованию новых кристаллических фаз из расплава, в том числе муллита 3Al203-2Si02, повышающего прочность изделий.

Наиболее ценным сырьем, применяемым в качестве плавней, обеспечивающим высокую степень спекания и минимальные деформации изделий, является калиевый голевой шпат (ортоклаз, микроклин) К20-А1203-6Si02. Его особенность заключается в большой вязкости при высоких температурах и незначительном понижении ее с повышением температуры. Полное расплавление его происходит при 1510-1530 °С.

Натриевый полевой шпат (альбит) Na20-Al203- 6Si02-по сравнению с калиевым менее качественное сырье. Он имеет значительно меньшую вязкость при высоких температурах, более низкую температуру плавления (1120-1200°С), меньший интервал вязкого состояния, что обусловливает склонность обжигаемых изделий к деформациям. Полевые шпаты в чистом виде редко встречаются в природе. В связи с этим широко применяют горные породы, содержащие твердые растворы калиевого и натриевого полевого шпата: пегматиты, нефелиновые сиениты и др.

В качестве плавней в керамическом производстве применяют также растворимые соли щелочных металлов: соду Na2C03- 10Н20, буру Na20-2B203-ЮН20 и др., которые предварительно спекают или сплавляют (фриттуют) с частью шихты, чем и ускоряют спекание керамических масс. В последние годы вместо полевых шпатов при изготовлении плиток и санитарно-технических изделий стали применять перлит - кислое вулканическое стекло, размягчающееся при 980-1070 °С и плавящееся при 1300-1320°С. Доломит CaC03-MgC03, магнезит MgC03, мел СаС03 - при обжиге диссоциируют с выделением С02. Образующиеся при этом оксиды СаО, MgO реагируют с компонентами керамической массы, образуя легкоплавкие соединения.

В зависимости от области применения керамических изделий для придания им тех или иных свойств в состав массы вводят специальные добавки. Так, для получения теплоизоляционной керамики вводят поро- образующие добавки: газо- и пенообразователи, легкие пористые заполнители (например вспученный перлит), выгорающие добавки (древесные опилки, полистирол и др.). С целью повышения пластичности массы вводят добавки высокопластичных глин, бентонит, лигнин, ПАВ.

Для предотвращения образования соляных налетов на глиняном кирпиче при использовании глин, содержащих растворимые соли, вводят виттерит-карбонат бария.

Сырьевые материалы для производства керамических изделий подразделяются на основные и вспомогательные.

К основным сырьевым материалам относятся материалы пластичные (глинистые), непластичные (отощающие, плавни), глазури и керамические краски.

Пластичные материалы – глина, каолин и бентонит – при смешивании с водой образуют керамическую массу и способны принимать под действием внешних сил ту или иную форму изделия и сохранять ее после сушки и обжига. Они представляют собой тонкодисперсные горные породы осадочного происхождения, которые являются продуктами разрушения горных пород под влиянием воды.

Продукты, оставшиеся на месте разрушения, называются первичными. Они более качественные, так как меньше загрязнены посторонними примесями. Продукты разрушения горных пород, которые переносятся водой и отлагаются на новом месте, называются вторичными. При переносе с одного места на другое изменяются их химический и минералогический составы, они загрязняются примесями (Fe 2 O 3).

Глины весьма разнообразны по химическому и минералогическому составу и свойствам. Основными минералами, содержащимися в глинах, являются каолинит – Al 2 O 3 ·2SiO 2 ·2H 2 O, монотермит – Al 2 O 3 ·3SiO 2 ·2H 2 O, монтмориллонит – Al 2 O 3 ·4SiO 2 ·H 2 O, гидрослюды и др. Каолинит повышает огнеупорность глины, гидрослюды снижают пластичность и обусловливают усадку при сушке. При наличии в глинах (бентонитовых) монтмориллонита повышается их набухаемость, пластичность и адсорбционная способность. Пригодность глин для изготовления керамических изделий, помимо состава, определяется их пластичностью (связующей способностью), усадкой (воздушной и огневой), огнеупорностью, спекаемостью, белизной (наличием красящих примесей).

Основные месторождения глин – Веселовское, Чясов-Ярское, Трошковское, Нижнеувельское; содержание Al 2 O 3 15–40%, Fe 2 O 3 1,5–3%, размер частиц 1–10 мкм.

Каолины относятся к мономинеральным породам и состоят в основном из каолинита. В отличие от глины они имеют ярко выраженное кристаллическое строение, меньшую пластичность и большие огнеупорность и температуру спекания, что затрудняет формование и обжиг изделий. Каолин содержит меньше примесей, в том числе и окрашивающих. При обжиге дает черепок белого цвета, что очень ценится в производстве фарфоровых и фаянсовых изделий. Так же как глины, каолины делят на первичные и вторичные. Для удаления примесей их обогащают отмучиванием (мокрое обогащение) или сухим обогащением. Отмученный каолин имеет большую огнеупорность (1730–1770°С). Для изготовления фарфоровых изделий бытового назначения применяют преимущественно каолины мокрого обогащения, для фаянсовых – сухого обогащения.

Основные месторождения каолинов: Просяновское, Глуховецкое, Алексеевское.

Бентонитовые глины представляют собой продукт гидратации и гидролиза стекловидной фазы пеплов, туфов и лав. Основной минерал – монтмориллонит. В щелочной среде образуются щелочные бентониты, обладающие высокой пластифицирующей способностью. При смешивании с водой они сильно набухают, увеличиваются в объеме до 10 раз и образуют гелевидную массу. В керамической промышленности их используют в качестве добавок (от 3 до 5%) взамен огнеупорной глины (8–15%). Это позволяет сохранить хорошую формующую способность массы и повысить белизну изделий. Бентониты имеют огнеупорность 1300–1400°С и играют роль пластификатора и минерализатора, способствуя ускорению процессов кристалообразования.

Отощающие материалы применяют для регулирования технологических свойств (уменьшения усадки, деформации и растрескивания изделий) и получения изделий с заданными свойствами. Отощающие материалы образуют как бы каркас, который цементируется при сушке и обжиге пластичными материалами. Их делят на искусственные и естественные.

К искусственным отощителям относится шамот, представляющий собой обожженную при температуре 700–900°С глину. При обжиге из глины удаляется химически связанная вода, и она теряет пластические свойства. В качестве отощающего материала используют также отходы производства (бой черепка после первого и второго обжигов).

Естественные отощители – это кварц, кварцевый песок, кремень и др. Эти материалы повышают капиллярность массы, что способствует ускорению процессов сушки изделий. Природные отощающие материалы способствуют спеканию черепка при обжиге, взаимодействуя при температуре выше 1000°С с легкоплавкими примесями пластичных материалов. За счет растворения кварца в расплавах силикатов повышается вязкость жидкой фазы, что предотвращает деформацию черепка.

К плавням относятся вещества, которые при обжиге керамической массы образуют расплав. При увеличении доли плавней в массе возрастает содержание стекловидной фазы, в результате чего обеспечивается просвечиваемость изделий, но уменьшается термическая стойкость и механическая прочность, особенно на удар. Их вводят в состав масс для снижения температуры обжига. При этом повышается плотность керамических изделий.

В качестве плавней используют полевые шпаты, пегматиты, мел, нефелиновые сиениты, сподумены и другие вещества, способные образовывать легкоплавкие эвтектики. Используются калиевый полевой шпат К 2 О∙Al 2 O 3 ∙SiO 2 и натриевый полевой шпат Na 2 O∙Al 2 O 3 ∙SiO 2 . Основные месторождения: Чупинское, Малышевское, Вишневогорское.

Глазурь представляет собой тонкий стекловидный слой на поверхности керамических изделий. Защищает черепок от воздействия воды, кислот, щелочей и придает декоративные свойства. Закрепляют глазурь на поверхности черепка при полном обжиге.

Глазури различают по химическому составу, температуре плавления, прозрачности, по цвету и способу производства. По составу они бывают полевошпатовыми, баритовыми, титановыми, стронциевыми, циркониевыми и др.; по температуре плавления – легкоплавкими и тугоплавкими. Глазури с повышенным содержанием кремнезема являются тугоплавкими, а с повышенным содержанием щелочных и щелочно-земельных компонентов – легкоплавкими. Температура плавления тугоплавких глазурей 1400–1370°С, легкоплавких – 1250–1080°С и ниже.

По прозрачности различают глазури прозрачные и глухие, по цвету – бесцветные и цветные. Глухие глазури содержат нерастворимые соединения оксидов олова, циркония, титана. В состав цветных глазурей входят красители. Глухими и цветными глазурями скрывают цвет и дефекты черепка. Прозрачные и бесцветные глазури применяют при нанесении подглазурных украшений на черепок белого цвета. Для фарфоровых изделий применяют тугоплавкие глухие и бесцветные глазури.

По способу производства различают глазури сырые и фриттованные. Сырые получают измельчением сырьевых материалов с водой и мелющими телами в мельницах мокрого помола. Во втором случае из сырьевых материалов варят фритту, которую затем измельчают также в мельницах мокрого помола.

Керамические краски – это смесь жаростойких пигментов с легкоплавким стеклом (флюсом), применяемая для украшения фарфоровых, фаянсовых, майоликовых изделий. К пигментам относятся оксиды различных металлов, в том числе и редкоземельных, которые при нагревании взаимодействуют с легкоплавким силикатным стеклом. К красящим пигментам относятся: синие (CaO), фиолетовые (MnO 2), голубые (CaO с добавками Al 2 O 3, ZnO), зеленые (Cr 2 O 3 c добавками CuO, CaO, ZnO), желтые (PbCrO 4), коричневые (Fe 2 O 3 , ZnO, MnO 2, Cr 2 O 3) и др. Керамические краски делят на подглазурные, которыми покрывают неглазурованный черепок, и надглазурные, которые наносят на предварительно заглазурованный черепок.

Подглазурные краски после нанесения на черепок сверху покрывают глазурью и закрепляют при политом обжиге. Они должны выдерживать высокие температуры политого обжига, поэтому эти краски более тугоплавкие, более стойкие к химическим и механическим воздействиям при эксплуатации изделий.

Надглазурные краски более легкоплавкие, их наносят на глазурованное изделие и закрепляют муфельным обжигом при температуре 600–840°С. Ассортимент надглазурных красок более разнообразен.

Вспомогательные сырьевые материалы. Из этих материалов изготовляют формы из гипса для получения изделий, огнеупорный припас и капсели для обжига изделий. Они предохраняют изделия от загрязнения продуктами сгорания топлива и засорки. Капсели бывают различной формы: круглые, прямоугольные и др. Изготовляют их из огнеупорного шамота, карборунда и других высокоогнеупорных материалов. Хлопчатобумажные ткани с противогнилостной пропиткой используют для обезвоживания керамического шликера на фильтрах-прессах.

Керамические материалы получают из глиняных масс путем формования и последующего обжига. При этом часто имеет мес­то промежуточная технологическая операция - сушка свежесформованных изделий, называемых «сырцом».

По характеру строения черепка различают керамические ма­териалы пористые (неспекшиеся) и плотные (спекшиеся). По­ристые поглощают более 5% воды (по массе), в среднем их во-допоглощение составляет 8...20% по массе. Пористую структуру имеют кирпич, блоки, камни, черепица, дренажные трубы и др.; плотную-плитки для полов, канализационные трубы, санитар-но-технические изделия.

По назначению керамические материалы и изделия делят на следующие виды: стеновые - кирпич обыкновенный, кирпич и камни пустотелые и пористые, крупные блоки и панели из кирпи­ча и камней; для перекрытия - пустотелые камни, балки и па­нели из пустотелых камней; для наружной облицовки - кирпич и камни керамические лицевые, ковровая керамика, плитки кера­мические фасадные; для внутренней облицовки и оборудования зданий - плиты и плитки для стен и полов, санитарно-техниче-ские изделия; кровельные -черепица; трубы - дренажные и канализационные.

Сырьевые материалы

Сырьем для изготовления керамических материалов служат различные глинистые горные породы. Для улучшения технологи­ческих свойств глин, а также придания изделиям определенных и более высоких физико-механических свойств к глинам добав­ляют кварцевый песок, шамот (дробленая обожженная при тем­пературе 1ООО...14ОО°С огнеупорная или тугоплавкая глина), шлак, древесные опилки, угольную пыль.

Глиняные материалы образовались в результате выветрива­ния изверженных полевошпатовых горных пород. Процесс вывет­ривания горной породы заключается в механическом разрушении и химическом разложении. Механическое разрушение про­исходит в результате воздействия переменной температуры и воды. Химическое разложение происходит, например, при воздей­ствии на полевой шпат воды и углекислоты, в результате чего образуется минерал каолинит.

Глиной называют землистые минеральные массы или обло­мочные горные породы, способные с водой образовывать пластич­ное тесто, по высыхании сохраняющее приданную ему форму, а после обжига приобретающее твердость камня. Наиболее чистые глины состоят преимущественно из каолинита и называются каолинами. В состав глин входят различные оксиды (AI2O3, SiO 2 , Fe 2 O3, CaO, Na 2 O, MgO и K2O), свободная и химически связанная вода и органические примеси.

Большое влияние на свойства глины оказывают примеси. Так, при повышенном содержании SiO 2 , не связанного с А1 2 Оз, в гли­нистых минералах уменьшается связующая способность глин, повышается пористость обожженных изделий и снижается их прочность. Соединения железа, являясь сильными плавнями, понижают огнеупорность глины. Углекислый кальций уменьшает огнеупорность и интервал спекания, увеличивает усадку при обжиге и пористость, что уменьшает прочность и морозостой­кость. Оксиды Na2О и К2О понижают температуру спекания глины.

Глины характеризуются пластичностью, связностью и связую­щей способностью, отношением к сушке и к действию высоких температур.

Пластичностью глины называют ее свойство образовывать при затворении водой тесто, которое под действием внешних усилий способно принимать заданную форму без образования разрывов и трещин и сохранять эту форму при последующей сушке и обжиге.

Пластичность глины характеризуют числом пластичности

П = W т - W р,

где W т и W р - значения влажности, соответствующие пределу те­кучести и пределу раскатывания глиняного жгута, %.

По пластичности глины разделяют на высокопластичные (П>25), среднепластичные (П=15...25), умереннопластичные (П = 7... 15), малопластичные (П <7) и непластичные. Для производства керамических изделий обычно применяют умерен­нопластичные глины с числом пластичности П = 7... 15. Мало­пластичные глины плохо формуются, а высокопластичные рас­трескиваются при сушке и требуют отощения.

В производстве обжиговых материалов наряду с глинами используются диатомиты, трепелы, сланцы и др. Так, в произ­водстве легкого кирпича и изделий применяют диатомиты и трепелы, а для получения пористых заполнителей - вспучи­вающиеся глины, перлит, вермикулит.

На многих керамических заводах отсутствует сырье, пригодное в естественном виде для изготовления соответствующих изделий. Такое сырье требует введения добавок. Так, добавляя к пластичным глинам отощающие добавки до 6... 10% (песок, шлак, шамот и др.), можно уменьшить усадку глины при сушке и обжиге. Большое влияние на связующую способность глин и их усадку оказывают фракции меньше 0,001 мм.

Чем больше содержание глинистых частиц, тем выше плас­тичность. Пластичность можно повысить добавлением высоко­пластичных глин, а также введением поверхностно-активных веществ - сульфитно-дрожжевой бражки (СДБ) и др. Понизить пластичность можно добавлением непластичных материалов, на­зываемых отощителями, - кварцевого песка, шамота, шлака, древесных опилок, крошки угля.

Глины, содержащие повышенное количество глинистых фрак­ций, обладают более высокой связностью, и, наоборот, глины с небольшим содержанием глинистых частиц имеют малую связ­ность. С увеличением содержания песчаных и пылевидных фракций понижается связующая способность глины. Это свой­ство глины имеет большое значение при формовании изделий. Связующая способность глины характеризуется возможностью связывать частицы непластичных материалов (песка, шамота и др.) и образовывать при высыхании достаточно прочное изделие заданной формы.

Усадкой называют уменьшение линейных размеров и объема при сушке образца (воздушная усадка) и обжиге (огневая усадка). Воздушная усадка происходит при испарении воды из сырца в процессе его сушки. Для различных глин линейная воздушная усадка колеблется от 2...3 до 10...12% в зависимости от содержания тонких фракций. Огневая усадка происходит из-за того, что в процессе обжига легкоплавкие составляющие глины расплавляются и частицы глины в местах их контакта сближаются. Огневая усадка в зависимости от состава глин бывает 2...8%. Полная усадка равна алгебраической сумме воз­душной и огневой усадок, она колеблется в пределах 5...18%. Это свойство глин учитывают при изготовлении изделий необ­ходимых размеров.

Характерным свойством глин является их способность пре­вращаться при обжиге в камневидную массу. В начальный пе­риод повышения температуры начинает испаряться механически примешанная вода, затем выгорают органические примеси, а при нагревании до 550...800°С происходит дегидратация глини­стых минералов и глина утрачивает свою пластичность.

При дальнейшем повышении температуры осуществляется обжиг - начинает расплавляться некоторая легкоплавкая со­ставная часть глины, которая, растекаясь, обволакивает нера-сплавившиеся частицы глины, при охлаждении затвердевает и цементирует их. Так происходит процесс превращения глины в камневидное состояние. Частичное плавление глины и действие сил поверхностного натяжения расплавленной массы вызывают сближение ее частиц, происходит сокращение объема - огневая усадка.

Совокупность процессов усадки, уплотнения и упрочнения глины при обжиге называют спеканием глины. При дальнейшем повышении температуры масса размягчается - наступает плав­ление глины.

На цвет обожженных глин оказывает влияние главным об­разом содержание оксидов железа, которые окрашивают кера­мические изделия в красный цвет при наличии избытка в печи кислорода или в темно-коричневый и даже черный при недостат­ке кислорода. Оксиды титана вызывают синеватую окраску черепка. Для получения белого кирпича обжиг ведут в восста­новительной среде (при наличии свободных СО и Ш в газах) и при определенных температурах, чтобы оксид железа перевести в закись.

Процессы происходицие при обжиге и сушке глин

схема производства керамических изделий

Несмотря на обширный ассортимент керамических изделий, разнообразие их форм, физико-механических свойств и видов сырьевого материала, основные этапы производства керамиче­ских изделий являются общими и состоят из следующих опе­раций: добычи сырьевых материалов, подготовки сырьевой массы, формования изделий (сырца), сушки сырца, обжига изделий, обработки изделий (обрезки, глазурования и пр.) и упаковки.

Добычу сырья осуществляют иа карьерах открытым спосо­бом - экскаваторами. Транспортировку сырья от карьера к за­воду производят автосамосвалами, вагонетками или транспорте­рами при небольшой удаленности карьера от цеха формовки. Заводы по производству керамических материалов, как пра­вило, строят вблизи месторождения глины, и карьер является составной частью завода.

Подготовка сырьевых материалов состоит из разрушения природной структуры глины, удаления или измельчения крупных включений, смешения глины с добавками и увлажнения до получения удобоформуемой глиняной массы.

Формование керамической массы в зависимости от свойств исходного сырья и вида изготовляемой продукции осуществляют полусухим, пластическим и шликерным (мокрым) способами. При полусухом способе производства глину вначале дробят и подсушивают, затем измельчают и с влажностью 8... 12% подают на формование. При пластическом способе формования глину дробят, затем направляют в глиносмеситель (рис. 3.2), где она перемешивается с отощающими добавками до получения одно­родной пластичной массы влажностью 20...25%. Формование керамических изделий при пластическом способе осуществляют преимущественно на ленточных прессах. При полусухом способе глиняную массу формуют на гидравлических или механиче­ских прессах под давлением до 15 МПа и более. По шликерному способу исходные материалы измельчают и смешивают с большим количеством воды (до 60%) до получения однород­ной массы - шликера. В зависимости от способа формования шликер используют как непосредственно для изделий, получае­мых способом литья, так и после его сушки в распылительных сушилках.

Обязательной промежуточной операцией технологического процесса производства керамических изделий по пластическому способу является сушка. Если же сырец, имеющ й высокую влажность, сразу после формования подвергнуть обжигу, то он растрескивается. При сушке сырца искусственным способом в качестве теплоносителя используют дымовые газы обжигатель­ных печей, а также специальных топок. При изготовлении изделий тонкой керамики применяют горячий воздух, образуе­мый в калориферах. Искусственную сушку производят в ка­мерных сушилах периодического действия или туннельных суши­лах (рис. 3.4) непрерывного действия.

Процесс сушки представляет собой комплекс явлений, свя­занных с тепло- и массообменом между материалом и окружаю­щей средой. В результате происходит перемещение влаги из внутренней части изделий на поверхность и испарение ее. Од­новременно с удалением влаги частицы материала сближаются и происходит усадка. Уменьшение объема глиняных изделий при сушке происходит до определенного предела, несмотря на то, что вода к этому моменту полностью еще не испарилась. Для получения высококачественных керамических изделий процессы сушки и обжига должны осуществляться в строгих режи­мах. При нагревании изделия в интервале температур О...15О°С из него удаляется гигроскопическая влага. При температуре 70°С дав­ление водяных паров внутри из­делия может достигнуть значи­тельной величины, поэтому для предупреждения трещин темпера­туру следует поднимать медленно (5О...8О°С/ч), чтобы скорость по­рообразования внутри материала не опережала фильтрации паров через ее толщу.

Обжиг является завершающей стадией технологического процес­са. В печь сырец поступает с влаж­ностью 8...12%, и в начальный период происходит его досушива­ние. В интервале температур 550... 800°С идет дегидратация глинис­тых минералов и удаление хими­чески связанной конституционной воды. При этом разрушается кристаллическая решетка минера­ла и глина теряет пластичность, в это время происходит усадка изделий.

При температуре 200...800°С выделяется летучая часть органи­ческих примесей глины и выгораю-ших добавок, введенных в состав шихты при формовании изде­лий, и, кроме того, окисляются органические примеси в пределах температуры их воспламенения. Этот период характерен весьма высокой скоростью подъема температур - 300...350° С/ч, а для эффективных изделий - 400...450°С/ч, что способствует быстро­му выгоранию топлива, запрессованного в сырец. Затем изделия выдерживают при этой температуре в окислительной атмосфере до полного выгорания остатков углерода.

Дальнейший подъем температуры от 800°С до максималь­ной связан с разрушением кристаллической решетки глини­стых минералов и значительным структурным изменением че­репка, поэтому скорость подъема температуры замедляют до 1ОО...15О°С/ч, а для пустотелых изделий - до 200...220°С/ч. По достижении максимальной температуры обжига изделие выдерживают для выравнивания температуры по всей толще его, после чего температуру снижают на 1ОО...15О°С, в результа­те изделие претерпевает усадку и пластические деформации.

Затем интенсивность охлаждения при температуре ниже 800°С увеличивается до 250...300°С/ч и более. Ограничением спада температуры могут служить лишь условия внешнего теплообмена. При таких условиях обжиг кирпича можно осу­ществить за 6...8 ч. Однако в обычных туннельных печах ско­ростные режимы обжига не могут быть реализованы из-за боль­шой неравномерности температурного поля по сечению обжига­тельного канала. Изделия из легкоплавких глин обжигают при температуре 900...1100°С. В результате обжига изделие приобре­тает камневидное состояние, высокие водостойкость, прочность, морозостойкость и другие ценные строительные качества.

Первые керамические изделия появились задолго до того, как люди научились выплавлять металл. Древние горшки и кувшины, которые археологи находят по сей день, являются тому подтверждением. Стоит заметить, что керамический материал имеет уникальные свойства, которые делают его в некоторых сферах просто незаменимым. Давайте рассмотрим с вами особенности керамики, поговорим о её производстве и характеристиках.

Общие сведения

Получают керамические изделия путем спекания глины и смесей с органическими добавками. Иногда используют оксиды неорганических соединений. Первые такие изделия появились еще 5 000 лет назад. За это время технология производства существенно усовершенствовалась, и сегодня нам доступны высокопрочные керамические изделия. Они используются в строительстве для облицовки фасадов, полов, возведения стен и т. д.

Есть керамические изделия с плотным и пористым черепком. Ключевое отличие между ними заключается в том, что плотный черепок является водонепроницаемым. Это фарфоровые изделия, плитки для полов и т. п. Пористый черепок - черепица, дренажные трубы и другое.

История возникновения

Слово "керамика" в переводе с греческого означает "глина". Естественно, для изготовления любого изделия использовалась своего рода смесь. В неё добавлялись необходимые материалы в зависимости от того, что нужно было получить в конечном итоге. Первое время вручную, а несколько позже и на специальном станке изделию из глины придавалась специальная форма. В дальнейшем керамические изделия обжигаются в печах при высокой температуре.

Во многих странах использовались собственные Это касается гончарных масс, росписи и глазурования. Первым государством, которое добилось существенного развития данной отрасли, считается Египет. Именно производство керамики там было налажено в первую очередь. Изделия были из грубой и плохо перемешанной глины, но в дальнейшем технология усовершенствовалась. Сегодня находят кирпичи из желтой глины, которые якобы использовались при строительстве пирамид Мемфиса.

Появление фарфора

Долгое время в Китае использовали такой материал, как нефрит. Он был красивым, но довольно хрупким и сложным в обработке. Спустя долгие годы поисков было найдено решение. Фарфор более прост в изготовлении. Тем не менее и тут были свои нюансы. К примеру, слюду и цваоку, которые находили в "фарфоровых камнях", перетирали в мелкий порошок и хранили более 10 лет. Делалось это для того, чтобы материал стал максимально пластичным. Первыми фарфоровыми изделиями в Китае были высокие и вытянутые сосуды. Они имели полированную поверхность и голубой или темно-зеленый цвет. Последние ценились больше всего.

Сегодня считается, что именно Китай является государством, где фарфор был распространен наиболее широко. Это действительно так, хотя он был популярен и в Европе, но появился там позже, и его производство развивалось дольше.

Основные виды керамики

В настоящее время изделия из глины имеют широкую классификацию. Так, гончарные предметы можно поделить на две основных группы:

• неглазированная керамика (терракота и гончарная);
• глазированная (майолика, шамот).

Терракота - с итальянского "обожженная земля". Изделия изготавливаются из цветной глины и имеют пористую структуру. Из терракоты делают вазы, посуду, а также игрушки и черепицу.

Гончарная же керамика более сложна в обработке. Для того чтобы сделать её водонепроницаемой, необходимо лощение. Дальше изделие подвергается морению. Для этого его оставляют в горячей печи в дыму до полного остывания. Сегодня многие виды керамики, в частности гончарная, крайне популярны. Используется она в быту для хранения молока, сыпучих материалов или как декор.

Что же касается второго вида - глазированной керамики, то тут наибольшей популярностью пользуются фарфор и фаянс. Первый более дорогостоящий и трудоемкий в производстве, второй - практичный и дешевый. Различаются они между собой тем, что фарфоровые изделия содержат меньше глины и больше специальных добавок. Кроме того, фарфор просвечивается на свету, в отличие от фаянса.

Об огнеупорах

Изделия из смесей глины являются огнеупорными. В зависимости от назначения они могут выдерживать температуру от 1 300 до 2 000 градусов по Цельсию, и даже выше. Используется специальная печь для обжига керамики. в наибольшем количестве применяются в металлургическом процессе. Там они используются для конструирования доменных печей и агрегатов.

Вполне логично говорить о том, что с повышением температуры прочность огнеупора не теряется, а, наоборот, повышается. Достигается это за счет наличия в составе тугоплавких оксидов, силикатов и боридов. Они используются практически везде, где имеют место высокотемпературные процессы. Очень часто они встречаются формованными, то есть в виде конкретного изделия, допустим, кирпича. Реже необходимо применение неформованных огнеупоров в виде порошка.

Керамика в строительстве

Это же касается и керамической плитки, которая, несмотря на появление полимеров, не сдает позиции. Она все так же используется для оборудования помещений с повышенной влажностью и температурой. Среди облицовочных материалов первое место занимает керамзит.

За последние несколько лет на 4 % увеличилось производство пустотелого керамического блока и кирпича. Для их изготовления необходимы минимальные изменения на кирпичных заводах и фабриках, при этом затраты окупаются за первый год продаж. За рубежом пустотелая керамика уже давно заняла лидирующую позицию и продается гораздо лучше обычного кирпича.

Специальные керамические материалы

К таким изделиям можно отнести санитарно-технические и канализационные трубы. Первые разделяются на три большие группы:

• из твердого фаянса (пористый черепок);
• санитарный фарфор (спекшийся черепок);
• полуфарфор (полуспекшийся черепок).

Основные требования, выдвигаемые к санитарно-техническим изделиям - это устойчивость к механическим повреждениям, теплостойкость. Рецептура должна соблюдаться в строгом порядке, это же касается и технологии. Используется только профессиональная и высококачественное сырье. К санитарно-техническим изделиям стоит отнести раковины, унитазы, ванны, радиаторы и т. п. Верный способ проверки качества изделия - легкое постукивание по корпусу. Звук должен быть чистым и без дребезжания. Это указывает на обжиг при правильной температуре и отсутствия трещин.

Что касается канализационных труб, то они должны иметь плотный спекшийся черепок. выпускаются диаметром 150-600 мм. Обычно покрываются глазурью как изнутри, так и снаружи. Для таких изделий характерна высокая устойчивость к агрессивной среде и блуждающему электрическому току. Имеют умеренную стоимость, что делает их более доступными.

Физико-химические свойства керамики

Как уже было отмечено выше, все изделия можно разделить на две обширные группы: плотные и пористые. Плотные имеют коэффициент водопоглощения менее 5 %, пористые - 5 % и более. К последней группе можно отнести следующие изделия: глиняный кирпич (пористый и пустотелый), пустотные облицовочную плитку, черепицу для кровли. Плотные керамические изделия - дорожный кирпич и напольная плитка. В санитарно-технической отрасли встречается как пористая, так и плотная керамика.

Говоря о физико-химических свойствах, нельзя не отметить ключевой недостаток керамики. Заключается он в повышенной хрупкости по сравнению с другими материалами. Тем не менее высокая доступность и универсальность делают данный материал одним из самых востребованных во многих отраслях промышленности и даже в повседневной жизни человека. Современные технологии позволяют получать гладкую поверхность сразу после обжига. Если требуется достигнуть определенного цвета, то добавляют окислы железа или кобальта.

Особенности микроструктуры

При нагревании керамика постепенно переходит в жидкое состояние. Оно отличается большим количеством простых и сложных соединений. При остывании происходит кристаллизация. Проявляется она в выпадении чистых кристаллов, которые увеличиваются в размерах. Когда масса твердеет, то в структуре образуется микроконгломерат. В нем зерна муллита сцементированы затвердевшей массой. Стоит обратить ваше внимание, что атомы кислорода образуют своего рода матрицу. В ней присутствуют маленькие атомы металлов, которые замещаются в пустотах между ними. Следовательно, в микроструктуре преобладают ионные и несколько меньше ковалентные связи. Химическая стабильность и устойчивость достигаются за счет наличия крепких и прочных химических соединений.

Как было отмечено выше, применение керамических материалов ограничено. Обусловлено это тем, что кристаллы неидеальны. Кристаллические решетки имеют множество дефектов: поры атомного размера, деформации и т. п. Все это существенно ухудшает прочность. Однако есть тут и свои нюансы. К примеру, при соблюдении технологии во время изготовления того или иного вида керамики вполне возможно добиться хороших результатов по прочности. Для этого крайне важно соблюдать температурный режим и длительность обжига изделия.

Характеристика и свойства глины

Глина - осадочная горная порода, которая независимо от состава и структуры при смешивании с водой образует пластичный материал. После обжига - камневидное тело. Обычно смесь плотная, в большей степени состоит из алюмосиликатов. Нередко в глинах находят и такие породы, как кварц, шпат, а также гидроксиды и карбонаты кальция, магния и соединения титана.

Каолины - наиболее чистые глины, которые известны на сегодняшний день. Практически полностью состоят из каолинита. После обжига приобретают белый цвет. Необходимая для обработки пластичность достигается за счет наличия в структуре мелких зерен глинистого вещества (0,005 мм). Естественно, чем больше в составе такого вещества, тем пластичность выше, и наоборот.

К основным керамическим свойствам глин стоит отнести:

• пластичность - деформирование без нарушения целостности;
• связность;
• воздушная и огневая усадка;
• огнеупорность.

Сегодня используются различные отощающие и обогащающие добавки, которые позволяют изменять свойства материала в ту или иную сторону. Это приводит к тому, что керамические изделия становятся еще более востребованными и доступными.

Технологическая схема производства

Характеристика керамических материалов говорит о возможности использования глин в различных отраслях промышленности. Это привело к тому, что появился большой спрос, а следовательно, выросло предложение. Заводы по производству в большинстве случаев работают по одной и той же схеме:

• добыча сырья;
• подготовка;
• формирование и сушка;
• обжиг и выпуск продукта.

Для минимизации затрат обычно фабрики возводят в непосредственной близости от месторождения глины. Добыча осуществляется открытым способом, то есть экскаватором. На следующем этапе выполняется подготовка массы. Сырье обогащается, дробится и перемешивается до однородной массы. Формирование будущего керамического изделия осуществляется мокрым и сухим способами. В первом случае массу увлажняют до 25 %, а во втором - не более 12 %.

Раньше часто использовалась естественная сушка. Однако результат зависел по большей части от погоды. Следовательно, в дождь или холод завод стоит. Поэтому используют специальные сушилки (газовые). Наиболее ответственным этапом является обжиг. Крайне важно соблюдать технологию, которая довольно сложна. Многое зависит и от охлаждения керамики. Не допускается резкий перепад температур, который может привести к искривлению плоскости. Только после этого можно продавать керамические материалы. Технология производства, как вы видите, непростая, состоит из нескольких этапов. Каждый из них должен соблюдаться. Если этого не происходит, то на полках магазина мы можем встретить брак.

Немного о недостатках керамики

Как уже было сказано, состав керамических материалов неидеален. В частности, это сказывается на прочности изделия из глины. Любое механическое повреждение может проявиться как скол, трещина и т. п. Это и является ключевым недостатком. Но есть и другие факторы, которые сдерживают повсеместное распространение рассматриваемого нами материала. Один из них - высокая стоимость. К примеру, черепица керамическая для кровли загородного дома - прекрасное с эстетической точки зрения решения, но обойдется такое удовольствие очень дорого.

При этом её внешний вид будет сохраняться не более 5 лет при надлежащем уходе. В дальнейшем происходит выцветание, появление мха на поверхности и т. п. Наряду с этим хрупкость и ломкость приводят к тому, что любое механическое повреждение может повлечь за собой протекание кровли, а это уже мало кому понравится. Конечно, современный керамический материал смотрится весьма эффектно, что достигается за счет широкой фактуры цветов и высокого качества изготовления. Но стоит он по-прежнему дорого, что зачастую и заставляет задуматься о целесообразности такого выбора.

Подведем итоги

Мы рассмотрели основные свойства керамических материалов. Исходя из всего выше сказанного, можно заключить, что такие изделия обладают некоторой уникальностью. Заключается она в том, что при отсутствии механических повреждений они прослужат очень и очень долго. Кроме того, керамический материал для литья жидкого металла на заводах также является незаменимым, ведь выдерживает высокие температуры.

Что же касается повседневной жизни, то тут керамика очень кстати. Специальная посуда для приготовления еды в духовке, хоть и изменила свой внешний вид за многие годы, но делается все так же из этого материала. Фарфор, несмотря на свою большую стоимость, обладает изящным видом и просто радует глаз. Это касается и фаянса, который при должном исполнении сложно отличить от фарфора.

В любом случае необходимо использовать керамический материал. В первую очередь это обусловлено большими запасами природной глины. Её действительно много, и каждый год разрабатываются все новые и новые карьеры по добыче этого природного ресурса. Второй немаловажный фактор - экологическая чистота. Раньше у людей вообще не было возможности использовать какие-либо вредные добавки для улучшения прочностных характеристик изделия. Сегодня ситуация изменилась, пусть и не слишком критично. Керамическая плитка, в отличие от синтетических материалов, не вредит здоровью. Это касается и посуды из керамики, которая, по сравнению с пластиком, особенно если последний нагрет, не наносит вреда вообще.