Строительное материаловедение

 

Рис. 3.2. Технологічна схема виготовлення керамічної цегли пластичним способом

 
 
 
 

 

Рис. 3.3. Стрічковий вакуумний прес: 1 - шнековий вал; 2 - конусна головка; 3 - мундштук; 4 - глиняний брус; 5 - ніж 6 - вакуумна камера; 7 - решітка; 8 - глинозмішувач

 

    Сучасним  різновидом пластичного способу  є жорстке формування, яке дає змогу зменшити формувальну вологість керамічної маси до 13...18%. При цьому використовують глинозмішувачі й стрічкові преси більшої потужності, а також безшнекові роторні преси, які дозволяють формувати вироби при тиску 8... 10 МПа і одержувати сирець підвищеної міцності (до 0,2...0,4 МПа), що забезпечує можливість укладання виробів відразу на вагонетки для сушіння і випалювання, які здійснюються в одному агрегаті.

    Напівсухий  спосіб передбачає пресування виробів з сипких порошкоподібних мас (прес-порошку) вологістю 8... 12% під великим тиском (15...40 МПа). Різновидом його є сухий спосіб, що передбачає пресування керамічних порошків вологістю 2...8%.

    За  напівсухим способом виробництва (рис. 3.4) глину спочатку подрібнюють і  підсушують до вологості 6...8%, потім  подрібнюють у дезінтеграторах, просіюють, зволожують порошок парою до потрібної вологості і ретельно перемішують у глинозмішувачі.

    

Рис. 3.4. Технологічна схема виробництва  цегли методом напівсухого пресування: 1 - ящиковий подавач; 2 - стрічкові конвеєри; 3 - дезінтеграторні вальці; 4 - циклон;

5 - сушильний  барабан; 6 - бункер; 7 - тарілчастий живильник; 8 - дезінтегратор; 9 - елеватори; 10 - грохот; 11 - глинозмішувач із парозволожувачем; 12 - живильник;

13 - прес

    Напівсухе пресування широко застосовується при  виготовленні плоских тонкостінних виробів (плиток), а також для виробництва керамічної цегли і порожнистих каменів.

    Цей спосіб має ряд переваг порівняно  з пластичним формуванням, а саме: відкривається можливість використання малопластичних глин, більшої кількості  спіснювальних добавок (золи, шлаку, відходів вуглезбагачення); відформовані вироби мають більш точні розміри і правильну геометричну форму; виключається з технологічного циклу складний та тривалий процес сушіння перед випалюванням, скорочується тривалість всього технологічного циклу майже вдвічі, зменшується потреба у виробничих площах і кількості працівників.

Пресування  виробів відбувається в індивідуальних пресформах на пресах різних конструкцій: колінно-важільних, ротаційних і гідравлічних; воно може бути одно- чи двостороннім. Оптимальна величина пресового тиску залежить від виду сировини. Наприклад, для глин тиск становить 20...30 МПа, діатомітів —■ 15...25 МПа, аргілітів і відходів вуглезбагачення - 25...40 МПа.

   До  недоліків напівсухого пресування треба віднести необхідність використання більш складного пресового обладнання, підвищеної температури випалювання виробів та висококваліфікованого обслуговування. Крім того, цегла напівсухого пресування має меншу морозостійкість.

   Шлікерний (мокрий) спосіб полягає в тому, що вихідні матеріали подрібнюють разом з водою в кульовому млині при вологості 45...60% до одержання однорідної маси - шлікера. Залежно від способу формування виробів шлікер використовують як безпосередньо для виробів, що отримують методом лиття, так і після його сушіння до порошкоподібного стану в розпорошувальних сушарках — для виготовлення виробів напівсухим пресуванням. Методом лиття виготовляють вироби складної конфігурації та тонкостінні, наприклад, санітарно-технічні, мозаїчні плитки; напівсухим пресуванням з порошку — облицювальні плитки та плитки для підлоги.

   Проміжною операцією технологічного процесу  виробництва керамічних виробів є сушіння. Воно необхідне для надання сирцю механічної міцності й підготовки його до випалювання. Це досить відповідальний етап технології, оскільки саме тут виникають тріщини, які остаточно виявляються при наступному випалюванні. Сирець, відформований пластичним способом, висушують до вологості 6... 10%, а в разі використання напівсухого пресування залишкова вологість після сушіння залежить від виду виробу: для цегли ~ 4...6%, для плитки — до 1%. Сушіння сирцю напівсухого пресування може відбуватися одночасно з процесом випалювання у печі. Найскладнішим і найтривалішим є процес сушіння сирцю складної конфігурації, одержаного з шлікерної маси литтям у гіпсові форми (санітарно-технічні вироби).

   Сушіння — це складний теплофізичний процес, пов'язаний з тепло- і масообміном між вологим сирцем і зовнішнім середовищем. У процесі сушіння відбувається переміщення вологи з середини до поверхні сирцю (внутрішня дифузія) і випаровування вологи з поверхні сирцю у зовнішнє середовище (зовнішня дифузія).

   Внутрішня дифузія проходить значно повільніше, ніж зовнішня і в основному залежить від вологопровідності матеріалу, яка, в свою чергу, визначається пористістю і градієнтами вологості, температури та тиску на поверхні і в центрі сирцю. Зовнішня дифузія залежить від температури, вологості і швидкості переміщення теплоносія.

   Невідповідність між внутрішньою і зовнішньою дифузією обумовлює перепад вологовмісту у виробах і відповідний перепад усадочних деформацій: поверхневі шари висушуються швидше і мають більшу усадку, ніж внутрішні. Це призводить до виникнення в процесі сушіння розтягувальних напружень у поверхневих шарах та стискувальних — у внутрішніх і у випадку перевищення границі міцності матеріалу — до утворення тріщин у поверхневих шарах.

   Отже, регулювання процесів внутрішньої  та зовнішньої дифузії дає змогу  досягти основної задачі сушіння  — забезпечити одержання виробів без тріщин і деформацій за короткий час з найменшими витратами палива і енергії.

   Процеси внутрішньої дифузії регулюються  введенням у керамічну масу спіснювальних  та вигоряючих добавок, електролітів, умовами формування, прогріванням і вакуумуванням маси, а процеси зовнішньої дифузії — режимом сушіння, який характеризується трьома основними параметрами: температурою, відносною вологістю теплоносія та швидкістю його руху в сушарках.

   Сушіння відформованих виробів може бути природним (на відкритому повітрі) та штучним (у спеціальних пристроях-сушарках). Процес природного сушіння використовується рідко, оскільки має ряд недоліків, в тому числі є досить тривалим (до 20-ти діб), суттєво залежить від кліматичних умов, потребує значних сушильних площ і робочої сили для обслуговування сушарок, важко піддається регулюванню, має обмежені можливості щодо механізації виробничих операцій.

   Штучне  сушіння відбувається в сушарках періодичної або безперервної дії.

   До сушарок періодичної дії відносять камерні сушарки (рис. 3.5). За конструкцією — це камери завдовжки 10...18 м, завширшки 0,9—1,45 м, заввишки 2,1...3,0 м; зазвичай їх групують у блоки від 20 до 48 шт. Внутрішні стіни камери мають виступи (6), на які укладають сушильні рамки (7) з відформованими виробами (8).

   Теплоносій  надходить у камеру крізь нижні  підвідні канали (1), а після охолодження й насичення парою опускається і відводиться крізь відвідний канал (3). Подача та відбір теплоносія відбувається за допомогою вентиляторів, які забезпечують інтенсивну циркуляцію теплоносія в середині камер.

   Камерні сушарки працюють періодично — циклами: завантаження, сушіння, розвантаження.

   Режим сушіння у камерних сушарках характеризується такими параметрами: температура теплоносія в центральному каналі 130...170°С, відпрацьованого теплоносія — 40...50°С, тривалість сушіння 30...72 год. Як теплоносій використовують гаряче повітря із зони охолодження печей або калориферів.

   Камерні сушарки використовують для сушіння  керамічної цегли, санітарно- технічних  виробів, каналізаційних труб. 
 
 

Рис. 3.5. Схема камерної сушарки: 1 - підвідні канали; 2, 4 - щілини; 3 - відвідний канал; 5 — рейка; 6 — виступ;

7 — сушильна  рамка; 8 — виріб 

   Недоліки  камерних сушарок: нерівномірне сушіння  виробів через різницю температури  теплоносія і його вологості по поперечному  перерізу камери, невелика швидкість теплоносія, періодичність роботи, втрати часу (до 10%) на завантаження і вивантаження виробів. Однак в камерних сушарках можливе сушіння відформованих виробів за індивідуальним режимом.

   До сушарок неперервної дії відносять тунельні, які працюють за принципом протитечії: назустріч сирцю рухається теплоносій, що надходить у тунель з розвантажувального кінця пеіі»

   Тунельна сушарка. — це камера завдовжки 24...26 м, заввишки 1,4...1,8 м, завширшки 1,0...3,6 м (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Схема  тунельної сушарки: 1 — рейкова  колія; 2 — канал для підведення теплоносія; 3 — вагонетки з сирцем; 4 - канал для відведення теплоносія

 

    Тунелі  об'єднують у блоки по 4...20 шт. із загальними каналами для подачі та відбору теплоносія. Сирець надходить до тунельних сушарок на вагонетках (сушильних або пічних), які пересуваються у тунелях по рейкових коліях за допомогою пересувних або канатних штовхачів.

    Температура теплоносія, що подається у центральний  підвідний канал, становить Ю0...140°С, а при видаленні з сушарки - 30...45°С (при відносній вологості 75...95%); тривалість сушіння 12...50 год. Як теплоносій використовують топкові або пічні гази. Тунельні сушарки використовують для сушіння керамічної цегли і каменів, облицювальних плиток, санітарно-технічних виробів, дренажних та каналізаційних труб.

    Основні переваги тунельних сушарок: високий  рівень механізації, висока продуктивність праці. Недоліками тунельних печей є потреба у великій кількості вагонеток та їхня корозія, нерівномірність сушіння виробів по поперечному перерізу тунелю.

    До  сушарок неперервної дії відносять  також конвеєрні сушарки, які широко застосовують для сушіння керамічних плиток різних видів. Вони можуть бути радіаційними або радіаційно-конвективними з однорядним сушінням на роликових, сітчастих чи ланцюгових конвеєрах, що дозволяє скоротити термін сушіння до 7...9 хв. Використання таких сушарок у комплексі з шлікерним способом підготовки керамічної маси, одержанням прес-порошку у баштових розпорошувальних сушарках і однорядним випалюванням у щілинних печах дало змогу створити потоково-автоматизовані конвеєрні лінії для виготовлення плиток з різними джерелами теплопостачання і різною продуктивністю.

    Конвеєрні сушарки використовують також для  сушіння виробів стінової кераміки, санітарно-технічних виробів і  труб.

    Випалювання керамічних виробів є завершальною стадією виготовлення керамічних виробів, при якій формуються їхні основні властивості: щільність, міцність, водо-, кислото- і морозостійкість тощо. Режиму випалювання треба приділяти особливу увагу, оскільки дефекти виробів, що виникають на цій стадії, є необоротними.

    Під час випалювання відбуваються тепло- і масообмінні процеси, а також складні фізико-хімічні процеси між складовими керамічної маси.

    При нагріванні сирцевих виробів до 200°С видаляється вільна гігроскопічна волога і відбувається досушування виробів. Цей процес характеризується поглинанням теплоти (ендотермічний ефект), а пара, що утворюється при цьому, при швидкому підйомі температури може розірвати виріб. При подальшому нагріванні до 300...400°С відбувається вигоряння органічних речовини та видалення летких сполук.

Глинисті  мінерали при температурі 450...700°С дегідратуються (видаляєть ся кристалізаційна вода), що супроводжується невеликою усадкою матеріалу і втратою пластичності.

    В інтервалі температур 700...1000°С утворюється  в невеликій кількості рідка  фаза, в якій частково розчиняються деякі складові глинистої сировини, і починається синтез штучних мінералів.

    Рідка фаза обволікає нерозплавлені частинки, частково заповнюючи проміжки між ними, і внаслідок сил поверхневого натягу зближує їх, викликаючи ущільнення і усадку виробів. Після охолодження їх утворюється досить міцний та водостійкий черепок.

    Таким чином, у процесі випалювання  глинистих виробів формування їхньої структури відбувається внаслідок  утворення рідкої фази, протікання реакцій у твердій фазі і зрощення новоутворених кристалічних форм, а також рекристалізації первинних сполук. Зі збільшенням кількості рідкої фази керамічна маса розм'якшується (переходить у піропластичний стан), але вироби не втрачають здатності зберігати свою форму. Подальше підвищення температури і збільшення кількості розплаву призводять до деформації виробів (перепал), а потім — до спучування внаслідок газоутворення в замкнених порах.

    Фізико-хімічні  процеси при випалюванні відбуваються також у домішках і добавках, що містяться у керамічній масі.