Сырье для производства керамики

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 А1203 * 2Si02 * 2Н20, монтмориллонит — водный алюмосиликат переменного состава; отличается слоистым строением и др.). Размер частиц глинистых минералов не превышает 0,005 мм; преобладающая форма частиц — пластинчатая. Благодаря своей гидрофильное™ 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, которые 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, 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 оценивают 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, характеризуются 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 кам-невидное 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 А1203 и Si02 (800…900 °С); – образование новых водостойких и тугоплавких минералов (силлиманита А1203 * Si02 и муллита ЗА1203 * 2Si02 (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 С02 (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.

Одна из главных проблем при глазуровании и ангобировании — обеспечение максимальной близости свойств (главным образом КЛТР) изделия и отделочного слоя во избежание растрескивания и отслоения отделочного слоя. Характерным видом брака подобного рода является цек — частая сетка тонких трещин на поверхности глазури.