Технология производства и виды тонкой керамики

Технология производства и виды тонкой керамики

1. Введение

Керамика (греч. Keramike - гончарное искусство, от kéramos - глина) - изделия и материалы, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также окислов и др. неорганических соединений. Керамика получила широкое распространение во всех областях жизни - в быту (различная посуда), строительстве (кирпич, черепица, трубы, плитки, изразцы, скульптурные детали), в технике, на железнодорожном, водном и воздушном транспорте, в скульптуре и прикладном искусстве. Основными технологическими видами керамики являются терракота, майолика, фаянс, каменная масса и фарфор.

2. Тонкая керамика

Тонкая керамика - группа материалов с тонкозернистым и однородным по структуре керамическим телом, разделенная по плотности на два класса: плотные спекшиеся и неполностью спекшиеся мелкопористые. К первому классу относят: твердый фарфор (хозяйственный, технический, электротехнический, химический и др.); мягкий фарфор (хозяйственный и художественный); тонкокаменные изделия (кислотоупорные). Ко второму классу относят: полуфарфор (хозяйственный, технический, санитарно-технические изделия, облицовочные плитки и др.); майолика и фаянс (хозяйственная посуда, декоративные изделия и др.).

Изделия тонкой керамики изготовляют на основе трехкомпонентных традиционных сырьевых масс, включающих пластичное сырье, отощающие материалы и плавни в отношении примерно (%-масс.);50:25:25. В качестве пластичного сырья используют каолины и огнеупорные беложгущиеся глины с минимальным содержанием вредных примесей (Fe203 + ТiO2 не более 1%). Для повышения пластичности масс возможно введение 17-30% низкоспекающихся глин с содержанием не более 1,5% Fe203 и 1,25% TiO2. В качестве отощающих в тонкокерамические массы вводят жильный кварц, чистые кварцевые пески или тонкомолотый бой неглазурованных изделий. Плавнями служат полевые шпаты, пегматиты, сиениты, а также материалы, содержащие щелочноземельные элементы (мел, доломит).

Тонкокерамические массы требуют особенно тщательной подготовки. При этом на каждом ее этапе должна быть гарантирована защита керамической массы от загрязнения красящими оксидами. Для измельчения сухих глинистых материалов применяют глинорезки, молотковые дробилки, дезинтеграторы. Тонкий помол непластичных материалов производят в шаровых мельницах периодического или непрерывного действия сухим или мокрым способом с использованием в качестве мелющих тел кремниевой гальки, фарфоровых шаров или шаров из высокоглиноземистых масс типа «Уралит». Длительность помола составляет 6-12 ч. Глинистые материалы после грубого измельчения распускают в воде в лопастных или пропеллерных мешалках.

Формуют тонкокерамические изделия из сухих порошков, пластичных масс и жидких шликеров, но, как правило, во всех случаях первый этап приготовления тонкокерамических масс - получение шликера. Этот способ обеспечивает наилучшее разрушение природной структуры глин и его преимущество высокая однородность исходной шихты.

Для подготовки первичного шликера отдозированные и измельченные непластичные материалы и глинистый шликер смешивают в пропеллерной мешалке 40 - 90 мин и пропускают через вибросито для очистки от крупных включений. Усреднение и хранение массы осуществляется в сборных бассейнах лопастными тихоходными мешалками. Обычно полученный в мешалках шликер имеет влажность 50-65%. Для снижения ее в шликер вводят электролиты (жидкое стекло и др.), позволяющие при сохранении текучести снизить влажность до 32-33%.

Из жидких шликеров методом водного литья можно изготовлять изделия как простой формы (плитка), так и сложной (санитарно-технические изделия). Однако учитывая положительные стороны шликерного способа подготовки масс (высокое качество) и его недостатки (повышенный расход топлива), большую часть шликеров подвергают предварительному обезвоживанию. Для формования пластическим способом его обезвоживают на фильтр-прессах до влажности около 25% (рис. 1). При производстве высококачественных изделий дополнительно дважды повторяют обработку массы на вакуум-мялках сначала в массозаготовительном, а затем в формовочном цехе. При этом из массы удаляются вредные примеси.

Для подготовки масс к полусухому прессованию шликера обезвоживают в распылительных сушилках (рис. 2). Суспензию распыляют через форсунки, расположенные тангенциально к внутренней проверхности сушильной камеры. Сушка капель суспензии происходит во взвешенном состоянии в течение 15-30 с в противотоке с потоком теплоносителя. Распылительная сушка позволяет механизировать процесс и дает возможность получать пресс-порошки из практически сферических гранул практически одного размера (30-40 мкм), обладающих высокой сыпучестью. Выбор способов подготовки масс и формования определяется видом изделий тонкой керамики.

Сформованный полуфабрикат подвергают сушке. Для изделий тонкой керамики наряду с традиционными способами конвенктивной сушки в сушилках с воздушным или паровоздушным теплоносителем применяют и другие способы сушки. Чаще всего используют радиационный метод, когда сушильным агентом также является воздух, но он служит в основном для отвода влаги от высушиваемых изделий, а нагревание изделий и выделение влаги происходят за счет радиационного нагрева от теплоизлучателей (газовые беспламенные горелки, электролампы инфракрасного излучения и др.).

Рис. 1. Схема камерного пресс-фильтра: 1 - канал подачи шликера; 2 - нажимная плита; 3 - каналы отвода фильтрата; 4 - фильтровальная плита; 5 - фильтровальная ткань

Рис. 2. Схема распылительной сушилки: 1 - сушильная камера; 2 - калорифер; 3 - вентилятор; 4 - распылительные форсунки; 5 - коническое основание.

Высокочастотная сушка основана на превращении электрического тока частотой (1-6 МГц) в тепловую энергию при прохождении через влажное тело. В этом случае полуфабрикат сушится не только с поверхности, но и по всему объему, что приводит к существенному сокращению времени сушки.

Специфическая операция в технологии тонкой керамики - глазурование. Глазурь - тонкое (0,1-0,3 мм) стекловидное покрытие, образующееся при обжиге на керамическом изделии в результате плавления ее компонентов, нанесенных на изделие в виде водной суспензии. Глазурование повышает атмосферо и химстойкость изделий, их водо и газонепроницаемость, улучшает эстетические и декоративные свойства. В то же время правильно подобранная глазурь «залечивает» поверхностные трещины полуфабриката и повышает прочность изделий при сжатии на 40-50, при изгибе - на 30-40%.

Сложность подбора глазури состоит в том, что, с одной стороны, температура ее плавления должна строго находиться в пределах интервала спекшегося состояния, так как розлив глазури на пористом изделии приводит к ее впитыванию в подложку, а розлив на плотном изделии - к стеканию. С другой стороны, хотя при обжиге глазурь взаимодействует с подложкой и образуется промежуточный слой обеспечивающий их сцепление, глазурь и подложка имеют разный температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) и различие между ними более чем в 20-30% приводит к трещинообразованию (цеку) или отслаиванию глазури. По температуре розлива различают глазури: тугоплавкие, предназначенные для глазурования фарфора, с температурой розлива 1250-1400°С, и легкоплавкие, предназначенные для глазурования фаянса гончарных изделий, с температурой розлива 900-1250°С.

Сырьем для приготовления тугоплавких глазурей служат полевой шпат, кварц, каолин, а также добавки мела и магнезита. Исходные материалы подвергают совместному мокрому помолу в шаровой мельнице и полученную водную суспензию наносят на изделия.

Для снижения температуры розлива легкоплавких глазурей в них дополнительно вводят соли щелочных или щелочноземельных элементов, а также соединения свинца. Поскольку легкоплавкие глазури содержат водорастворимые компоненты, а также оксиды свинца, исходную шихту подвергают фриттованию - сплавлению с частью кварца, входящего в состав глазури. Это необходимо, так как водорастворимые компоненты, переходя в глазурный шликер, вызывают нарушение однородности получаемого покрытия за счет их концентрации в поверхностных слоях, а свинец обуславливает его токсичность. При фриттовании в результате взаимодействия с кремнеземом водорастворимые компоненты шихты становятся нерастворимыми, а свинецсодержащие соединения - нетоксичными. Полученный стеклообразный состав (фритту) гранулируют, выливая в воду, гранулы измельчают мокрым помолом с добавлением недостающих компонентов, и полученный глазурный шликер наносят на изделия. Соответственно такие глазури называют фриттованными, а тугоплавкие, не подвергаемые предварительной обработке, сырыми.

По прозрачности глазури различают на глухие и прозрачные. Цвет и непрозрачность глухих обусловлены введением специальных добавок-глушителей (оксиды олова, циркония, цинка и др.), выделяющихся в глазури в виде микрокристаллов соответствующей твердой фазы. Их наносят на облицовочные плитки и санитарно-технические изделия из фаянса и полуфарфора, изготовленные с использованием окрашенных глин. Окраска цветных прозрачных глазурей также обусловлена введением красителей - оксидов или солей металлов с переменной валентностью (Си, Ni, Со, Сг, Мп). Растворяясь в глазурном слое, красители придают ему соответствующий оттенок вследствие образования окрашенных силикатов.

Нанесению глазури предшествует очистка поверхности от жирных пятен и пыли щетками или сжатым воздухом под высоким давлением. Глазурный шликер наносят на изделия разными способами - окунанием, пульверизацией либо поливом на конвейере.

Глазурование толстостенных изделий проводят после их сушки. Тонкостенные изделия во избежание их размокания в глазурном шликере и последующей деформации сначала подвергают предварительному утельному обжигу, а затем глазурованию.

Наиболее распространенные изделия тонкой строительной керамики - плитка фасадная, плитка облицовочная и плитка для полов.

Плитки фасадные мелкогабаритные размером 48x48, 22x22 мм, толщиной 3-4 мм и плитки типа «кабанчик» размером 60-65, 120- 125 мм, толщиной 6-8 мм нашли широкое распространение в крупнопанельном домостроении. Их выпускают глазурованными и неглазурованными. Наиболее распространено их производство (рис. 3) способом полусухого прессования из пресс-порошков с влажностью 6-8%, полученных в распылительном сушиле. Небольшая толщина плиток позволяет интенсифицировать их сушку в роликовых сушилах , где отпрессованные плитки, размещенные в один ряд, перемещаются по роликовому конвейеру. Подсушенные до влажности 1,75-2,5% плитки глазуруются и вторично досушиваются до 0,5% влажности при 30-40°С. После досушки плитки, уложенные в стопы, подаются в роликовую щелевую печь. Обжиг происходит в течение 30 мин при 850-950°С.

Роликовые щелевые печи (рис. 4) можно рассматривать как разновидность тоннельных печей. Высота канала в них составляет всего 2-3 высоты обжигаемых изделий. Перепад температур по сечению канала не превышает 5°С. При равной производительности роликовые печи проще и в несколько раз дешевле тоннельных, в них меньше расход огнеупорных материалов, легко совмещаются процессы сушки и обжига, а продолжительность обжига снижается до 6 ч. Расход топлива снижается вдвое и повышается качество изделий.

фаянс фарфор керамика

Рис. 3. Поточная линия производства фасадных глазурованных плиток: 1 - транспортер; 2 - сито-бурат; 3 - бункер; 4 - пресс; 5 - сушильно-глазуровочный транспортер; 6 - грубое распыление глазури; 7 - бассейн глазури; 8 - тонкое распыление глазури; 9 - тележки с плитой; 10 - щелевая роликовая печь.

Рис. 4. Схема роликовой щелевой печи

Возможно получение мелкоразмерных плиток также из пластичных масс. Такая технология позволяет производить цветные мозаичные плитки способом напластования. Для получения плиток разного цвета можно использовать глины, дающие после обжига окрашенное керамическое тело (белый, желтый, красный и др.) или добавлять красители. Отформованные плитки высушивают в радиационном сушиле, обжигают на подставках в щелевых печах либо в капселях в тоннельных печах. Производство мелкоразмерных плиток путем пластического напластования имеет ряд преимуществ по сравнению с методом полусухого прессования или литья: короткий цикл технологического процесса (8-10 ч), упрощенный способ подготовки массы и малые производственные площади.

Ковровая керамика представляет собой мелкоразмерные плитки (32 типоразмеров, блестящие и матовые, с широкой гаммой цветов), наклеиваемые на бумажную основу. В России получило наиболее широкое распространение производство ковровой керамики способом литья. Его сущность состоит в нанесении на пористые керамические формы-подставки последовательно трех слоев: разделительного, основного слоя плиточной массы и глазури. Для каждого слоя шликер готовят отдельно в шаровой мельнице мокрым помолом.

Во время перемещения форм-подставок на литейном конвейере влага из шликеров впитывается и на поверхности формы образуется плиточный слой толщиной 2,5-3,5 мм. Его разрезают дисковыми ножами на плитки установленных формы и размеров, которые поступают на сушку (10-15 мин при температуре 220- 260°С). Далее плитки поступают на обжиг в щелевые роликовые печи. Максимальная температура обжига 1200- 1250°С. После обжига плитки снимают с подставок, наклеивают в соответствии с заданным рисунком на листы бумаги, очищают от разделительного слоя и подают на склад готовой продукции. Технологический цикл изготовления плиток способом литья составляет 2-2,5 ч против 48-50 ч при изготовлении полусухим прессованием и обжигом в тоннельных печах.

Плитки для облицовки стен в зависимости от используемого сырья бывают майоликовые и фаянсовые. Майоликовые изготовляют из легкоплавких глин с добавкой до 20% мела, фаянсовые - из огнеупорных глин с добавкой кварцевого песка и плавней (поясного пшата, мела, известняка). Лицевую поверхность покрывают белой или окрашенной прозрачной глазурью. Тыльной стороне плиток придают рифленую фактуру.

Технологическая схема производства фаянсовых облицовочных плиток представлена на рис. 5.

Поступающие из карьера сырьевые материалы освобождают от посторонних примесей, подсушивают и дозируют по массе. Затем их подают в шаровые мельницы для измельчения и перемешивания с водой.

Полученную суспензию пропускают через виброгрохоты и направляют в сборник, оборудованный пропеллерной мешалкой. Из сборника суспензию подают в форсунки распылительных сушил. Суспензия выбрасывается через форсунки вверх с влажностью 40-50%, а затем, падая вниз, высушивается во взвешенном состоянии до влажности 7% и выходит из сушила в виде порошка крупностью до 1-1,5 мм, который просеивается через сито, вылеживается в бункере, а затем подается на конвейерную линию.

Облицовочные плитки прессуют на автоматических колено-рычажных прессах. Для повышения качества плиток формование ведут в 2-3 стадии. Сначала усилие уплотнения составляет 4-5 МПа, затем штамп поднимается и из заготовки выходит воздух. На второй стадии уплотнения давление прессования повышают до 18-22 МПа.

Рис. 5. Технологическая схема производства фаянсовых глазурованных плиток: 1 - бункера сырьевых материалов; 2 - вагонетка; 3 - шаровая мельница; 4 - электромагнитный сепаратор; 5 - пропеллерная мешалка; 6 - насос; 7 - распылительное сушило; 8 - транспортер; 9 - просев порошка; 10 - расходный бункер; 11 - пресс; 12 - тоннельная сушилка; 13 - глазурование; 14 тоннельная печь; 15 - сортировка и упаковка.

Конвейерная линия состоит из прессового участка с несколькими прессами, цепного или сетчатого транспортера, по которому плитка поступает в сушильные камеры участка глазурования и печей. Обычно обжиг проводят в непрерывно действующих роликовых печах. Обожженные плитки сортируют по размерам, цвету, типу и сорту и упаковывают в ящики.

Плитки для внутренней облицовки стен используют в помещениях, к которым предъявляют повышенные санитарно-гигиенические требования, либо в помещениях с повышенной влажностью.

Плитки керамические для полов изготовляют из глиняной массы с окрашивающими примесями или без них путем формования и последующего обжига до спекания. Лучшее сырье - высококачественные пластичные, низкоспекающиеся глины с высокой связующей способностью и имеющие большой интервал плавкости - не менее 80-100°С.

Несмотря на то, что плитки для полов прессуют исключительно из полусухих масс, готовят порошок сухим или шликерным способом. Последний используют при глинах, требующих добавления плавней и красящих веществ. Сухой способ применяют, если глина однородна и не требует добавок.

Технологическая схема производства плиток для полов представлена на рис. 6.

Она включает приготовление шликера, обезвоживание его в распылительном сушиле и прессование на гидравлических или механических прессах при давлении 25-30 МПа, обеспечивающих получение плотного керамического тела. Обжигают плитку в щелевых роликовых печах при температуре 1100-1300°С, продолжительность обжига 40-60 ч.

Выпускают 28 типоразмеров плиток для полов, по фактуре они могут быть гладкими, шероховатыми и тиснеными; по цвету - одно- и многоцветными.

Рис. 6. Технологическая схема производства керамических плиток для полов: 1 - склад глины; 2 - транспортер; 3 - ящичный подаватель; 4 - зубчатые вальцы; 5 - шаровая мельница; 6 - распылительное сушило; 7 - расходные бункера; 8 - пресс; 9 - сушило плиток; 10 - тоннельная печь; 11 - сортировка и упаковка.

. Производство санитарно-технических и бытовых изделий из тонкой керамики

Санитарно-технические изделия (умывальники, столы, унитазы, ванны и др.) отличаются большими размерами и массой. Поэтому к их прочности и термостойкости предъявляются особо высокие требования, которые должны быть обеспечены тщательной подготовкой сырьевых шихт, а также особыми режимами сушки и обжига.

Изготовляют санитарно-технические изделия из фарфоровых, полуфарфоровых и фаянсовых масс, которые отличаются составом, степенью спекания и пористостью. Фаянсовые изделия имеют мелкозернистую пористую структуру, окраску белую или любую светлую однородную. Фаянс не просвечивает на свету и в неглазурованном виде впитывает и пропускает воду. Фарфоровые изделия имеют плотную спекшуюся структуру, цвет белый. Фарфор в тонком слое просвечивает на свету и не пропускает воду даже в неглазурованном виде. Полуфарфор занимает по свойствам промежуточное положение между фарфором и фаянсом.

Основным сырьем для производства санитарно-технических изделий служат беложгущиеся огнеупорные глины, каолин, кварц, полевой шпат. За счет разного их соотношения в шихте (табл. 1) обеспечивается различная степень спекания изделий.

Сырьевые материалы подвергают тщательной переработке: помолу, отмучиванию, просеиванию с целью получения тонкоизмельченной шихты. Готовят массы, как правило, шликерным способом.

Таблица 1. СОСТАВЫ МАСС ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ САНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КЕРАМИКИ

Изделия санитарно-технической керамики отличаются сложными формами, поэтому их формуют, в основном, способом литья в пористые (чаще гипсовые) формы, где в течение определенного времени происходит «набор массы», то есть процесс образования на стенках пористой формы уплотненного и до некоторой степени обезвоженного слоя минерального вещества за счет отсоса влаги внутрь пор формы вследствие капиллярного давления.

Различают два варианта шликерного литья (сливной и наливной). При сливном способе после набора на внутренней стороне формы уплотнившегося слоя массы требуемой толщины оставшийся шликер выливают из формы (рис. 7а). Его применяют для формования полых тонкостенных изделий с толщиной стенки 3-5 см.

При наливном способе процесс набора массы продолжается до тех пор, пока ею не будет заполнена вся полость формы. Значительная убыль объема шликера за счет удаления из него воды компенсируется его периодической доливкой или непрерывным поступлением из заранее заполненной воронки, стоящей над формой (рис. 7б). Этот вариант применяют для изготовления массивных сплошных изделий, а также полых толстостенных деталей. Формы при наливном способе должны быть обязательно разъемными для выгрузки сформованного полуфабриката.

а)                     б)

Рис. 7. Схема способов литья шликера в формы: а) - сливной: 1 - залитая форма; 2 - форма, перевернутая после набора массы; 3 - изделие; б) - наливной: 1 - залитая сборная форма; 2 - изделие.

При наборе массы основное сопротивление процессу отсоса влаги из шликера оказывает уже возникший в пристеночном пространстве структурированный уплотненный слой. Скорость фильтрации воды через него и набор массы снижаются во времени по мере увеличения толщины структурированного слоя. Общая продолжительность набора массы примерно пропорциональна квадрату толщины последней. Поэтому при литье массивных изделий время набора массы - основной фактор, лимитирующий производительность всей технологии.

Достоинством сливного способа является относительная простота конструкции формы (она неразборная), меньшее количество технологических операций в процессе формования, более легкие условия труда, а также возможность механизации и автоматизации формовки. Недостатки этого метода - повышенный расход шликера, замедленный по сравнению с наливным способом процесс набора массы (вследствие меньшей поверхности соприкосновения заготовки со стенками формы), возможность дефекта разнотолщинности. Как при сливном, так и при наливном методе литья после окончания основного фильтрационного процесса диффузия воды из заготовки в форму продолжается. Этот процесс сопровождается уменьшением влажности заготовки, а, следовательно, и ее усадкой, что облегчает отделение заготовки от формы. В зависимости от вида изделия длительность набора требуемой толщины стенки изделия составляет 1-3 ч. Изделие выдерживают в формах дополнительно 7-16 ч для закрепления заготовки, затем ее вынимают из форм, подвяливают, оправляют (обрезают кромки) и направляют на сушку в камерные, тоннельные или люлечные сушила. Последнее в производстве керамической сантехники получили наиболее широкое применение.

Люльки передвигаются по монорельсу, приваренному к верхней части сушила. Изделия стоят в люльках на деревянных поддонах. Теплоноситель подается с помощью приточной системы, циркуляционных установок и через окна в поду камер. Отработанный теплоноситель удаляется осевым вентилятором через вытяжной зонт в потолке первой камеры.

Тепловой режим в люлечной сушилке поддерживается автоматически по сигналам термометров сопротивления через исполнительные механизмы, связанные с регулирующими заслонками на трубопроводах, путем изменения количества подаваемого теплоносителя, а также посредством разбавления последнего холодным воздухом. Преимущества таких сушилок: простота их обслуживания, небольшие габариты, сокращенные режимы сушки (10-12 ч), малое количество брака и обеспечение поточности технологии.

После сушки изделия зачищают наждачной шкуркой, обдувают сжатым воздухом для удаления пыли и глазуруют путем окунания в чаны с глазурью или с помощью пульверизатора. Покрытые глазурью изделия загружают на этажерочные вагонетки и обжигают в тоннельных печах. Температура обжига для фаянсовых изделий 1250-1280, для мягкого фарфора - 1250 - 1300, для твердого фарфора - 1300- 1450°С.

Наиболее высококачественные изделия получают на основе фарфоровых масс, что связано со спецификой их состава и особенностями высокотемпературных процессов. Фарфоровый полуфабрикат, поступающий на обжиг, состоит из относительно крупных зерен кварца и полевого шпата, распределенных в тонкозернистом глинистом веществе. В температурном интервале 500-650°С заканчивается дегидратация глинистого вещества (каолинита), в результате чего образуется мета каолинит

Аl203 • 2Si02 • 2H20 → А1203 ∙ 2Si02 + 2Н20

При дальнейшем нагревании полевой шпат образует с другими компонентами шихты легкоплавкие эвтектики. Кроме того, между компонентами массы протекают твердофазовые реакции. В результате этих процессов обжигаемый материал при температурах 800-900°С (т.е. задолго до плавления самого полевого шпата) приобретает некоторую прочность. Полевой шпат начинает плавиться при температуре около 1150°С, но ввиду высокой вязкости образующегося расплава наиболее крупные его зерна сохраняются до температуры 1200°С. Полное расплавление зерен полевого шпата происходит лишь при температуре ~ 1250°С. Примерно в том же температурном интервале (1100-1250°С) происходит муллитизация ранее образовавшегося метакаолинита

(А1203 ∙ 2Si02) → 3Al203 • 2Si02 + 4Si02

Образующиеся мелкие иглоподобные кристаллики первичного муллита пронизывают массу обжигаемого материала, создавая в нем армирующий упрочняющий каркас. Присутствующие в материале зерна кварца вплоть до температуры 1250°С по существу не претерпевают изменений. При более высоких температурах количество жидкой фазы заметно увеличивается в результате ее взаимодействия с ранее образовавшимися метакаолинитом, первичным муллитом и аморфным кремнеземом. Одновременно на зернах кварца появляются каемки, свидетельствующие о его взаимодействии с жидкой фазой. В интервале от 1250°С до конечной температуры обжига в материале наблюдается непрерывное увеличение содержания муллита. Это обусловлено, с одной стороны, увеличением числа и размеров кристаллов первичного муллита, а с другой, - перессыщением жидкой фазы, приводящим к частичной кристаллизации из нее вторичного муллита. Кроме того, в том же температурном интервале продолжается растворение зерен кварца и их кристобалитизация. К моменту завершения обжига фарфор состоит из жидкой фазы (образующей при охлаждении стекловидную фазу), муллита, остатков нерастворившихся зерен кварца и замкнутых пор (2-5% об).

Соотношение между фазами, входящими в состав фарфора, предопределяет его важнейшие свойства. Так, муллит является важной составляющей фарфора, поскольку от его содержания в материале зависят механическая прочность, термостойкость, химическая стойкость и электрофизические свойства последнего. Остаточные (нерастворившиеся) зерна кварца вместе с муллитом образуют армирующий скелет, препятствующий деформации изделий на завершающей стадии обжига. Стекловидная фаза, присутствующая в фарфоре в значительных количествах (в мягком фарфоре до 80%-об.), предопределяет просвечиваемость художественных изделий, жаростойкость и диэлектрические свойства изделий технического назначения. Меняя продолжительность выдержки при конечной температуре обжига, можно регулировать состав и количество образующейся в нем жидкой фазы, соответственно, содержание стекловидной фазы в готовом изделии и его свойства.

Существенное значение имеет не только температурно-временной режим обжига изделий, но и создание определенной газовой среды в различных периодах обжига. По характеру газовой среды различают три периода обжига фарфора.

В первом периоде (нагрев до 1040°С) в печи создают окислительную газовую среду. Концентрация С02 в продуктах сгорания топлива в этот период достигает 10-14%. Цель окислительного периода обжига - предупредить осаждение сажистого углерода, образующегося при сгорании топлива, в порах изделий. Однако примеси соединений железа, содержащиеся в массе, во время окислительного периода приобретают желтоватую окраску. В связи с этим во втором периоде обжига (в интервале температур от 1040 до 1200-1250°С) в печи создают восстановительную газовую среду, поддерживая концентрацию СО в продуктах сгорания топлива 2-6%. В восстановительном периоде соединения железа переходят из окисной в закисную форму (восстанавливаются до FeO) еще до закрытия пор, благодаря чему существенно повышается белизна изделий. Закисные соединения железа с кремнеземом имеют голубоватую окраску. Наконец, в третьем периоде обжига ( выше 1200-1250"С ) в печи поддерживают нейтральную газовую среду.

Водопоглащение санитарно-технической керамики составляет: для фаянса - 10-12%, полуфарфора - 3-5%, фарфора - 0,2-0,5%, а прочность при сжатии - соответственно - 100, 180-200 и 400-500 МПа. Изделия должны иметь белый либо светло-желтоватый цвет, правильную форму, гладкую и чистую поверхность без искривлений, равномерно покрытую глазурью.

Бытовая или хозяйственная тонкая керамика в основном представлена различными видами посуды (тарелки, чашки и др.), а также декоративными изделиями. По составу сырьевых масс и принципиальной технологической схеме производства она достаточно близка другим видам тонкой керамики. Однако есть два существенных отличия.

Бытовая керамика в основном тонкостенные изделия, полуфабрикату которых при погружении в глазурную массу угрожает размокание. Поэтому перед глазурованием их подвергают первичному (утельному) обжигу, температура которого меняется в зависимости от состава массы - фаянс или фарфор. Этот вид изделий имеет повышенную эстетическую значимость, поэтому в технологической схеме появляется дополнительная операция - декорирование изделий различными способами. Отличия технологии бытового фаянса и фарфора, кроме традиционной разницы в составах масс, состоят в соответствующем подборе состава глазурей и выборе температур первичного (утельного) и вторичного (политого) обжига. Сравнительно невысокая температура обжига фаянса при более низкой плотности изделий позволяет применять легкоплавкие глазури и соответственно использовать широкую палитру подглазурных красок по сравнению с изделиями из фарфора.

Готовят керамические массы из высококачественного чистого сырья шликерным способом. Изделия плоской формы (тарелки, блюда и др.) и полые изделия (чашки и др.) формуют из пластических масс, получаемых из шликеров последовательно на фильтр-прессах и вакуумных ленточных прессах способом раскатки в гипсовых или пластмассовых формах с помощью формующих шаблонов, врезающихся штемпелей или роликов. Если шаблон формует внутреннюю поверхность изделия, то такой способ называется «формованием в форму», а если внешнюю - то «на форму». Порция керамической массы под нажимом шаблона, имеющего профиль, являющийся зеркальным отображением требуемой формы, равномерно распределяется по поверхности гипсовой формы. Избыток массы вытесняется, образуя «бахрому» над верхней кромкой, которая в конце формования срезается специальным резцом. Избыток влаги из массы отсасывается в ходе формования пористой гипсовой формой, при этом сырец несколько уплотняется и приобретает механическую прочность, достаточную для транспортировки и дальнейшей обработки.

Части изделий сложной формы: ручки чашек, носики чайников и другие формуют литьем. Отдельные части склеивают в целое изделие шликером с добавкой 0,5% декстрина.

Для тонкостенных изделий наиболее эффективна радиационная или инфракрасная сушка. После сушки изделия подвергают в тоннельных или конвейерных печах утельному обжигу: фаянсовые - при температуре 1220-1280°С, фарфоровые 850-950°С. Затем изделия глазуруют и обжигают вторично: фаянс при 1100- 1150°С, фарфор - 1320-1350°С. Повышенная температура утельного обжига фаянса ( по сравнению с фарфором) обусловлена пониженным содержанием плавней в массе и необходимостью более плотного спекания.

Декорирование изделий в зависимости от их назначения и вида декоров производят либо до политого обжига либо после. Для декорирования применяют керамические краски - смеси окрашенных соединений (пигментов) со специальными плавнями. Различают краски - подглазурные и надглазурные. Первые наносят на изделие до глазурования и обжига, вторые - на глазурованное обожженое изделие и закрепляют обжигом в муфельных или электропечах при 600-900°С.

Подглазурные краски главным образом применяют для декорирования фаянса. В их состав вводят пигменты, устойчивые к воздействию глазури при обжиге - силикаты и алюминаты Со, Ni, Fe, а также оксиды Cr, Ti, V. Обычно подглазурные краски смешивают с 20% глазурной фритты и наносят на изделия, прошедшие утельный обжиг. Раскрашенные изделия глазуруют и подвергают политому обжигу, при котором краски закрепляются на изделии. Такой способ декорирования обеспечивает его высокую долговечность.

Надглазурные краски наиболее распространены. Они предназначены для декорирования и фарфора, и фаянса. Это смесь пигментов (оксиды Cr, Fe, Мп, Со, Sb, Сu и др.) с флюсами - специальными плавнями, обеспечивающими закрепление красок на глазурованном изделии и придающими им блеск. Для каждой краски подбирается флюс, неразрушающий ее при обжиге. В состав флюсов (наряду с кремнеземом) вводят оксиды свинца и бора. Флюсы плавят в тигельных печах, а затем измельчают совместно с пигментом в небольших шаровых мельницах с фарфоровыми барабанами и шарами. Содержание флюса в краске может достигать 70- 80%(масс). Надглазурные краски обличаются более широкой и яркой палитрой, однако менее устойчивы к внешнему воздействию.

Декорирование осуществляют декалькоманией, печатью, аэрографией, шелкографией, штампом, отводкой, ручной раскраской, золочением, а также цветными глазурями и люстрами.

Декалькомания - декорирование путем перенесения на изделия многоцветных рисунков (деколей), отпечатанных литографским способом на специальной бумаге керамическим красками. Участки изделий, на которые наносятся рисунки, смазывают специальной мастикой и слегка подсушивают, затем приклеивают рисунки и обжимают их мокрой губкой. Остатки бумаги и следы гуммированной пленки смывают 50%-ным раствором аммиака. Вымытые изделия подсушивают.

Печать - способ декорирования, заключающийся в перенесении на изделия одноцветных рисунков, отпечатанных на тонкой бумаге керамическими красками. Рисунки, предварительно выгравированные на медных валах или стальных досках, после заполнения полученного рельефа краской переводят на бумагу. Затем бумагу с полученными отпечатками разрезают на отдельные рисунки, которые во влажном состоянии переводят на изделия при помощи войлочных валиков, прокатываемых по бумаге. После этого влажную бумагу отделяют, а красочный контур, остающийся на изделиях, закрепляют обжигом.

Аэрография (шелкография) - декорирование изделий преимущественно из полуфарфора и фаянса, предназначенных. Для предприятий общественного питания. Этот способ основан на использовании трафаретов из плотной и прочной шелковой ткани, на которую наносят отверстия (просечки), соответствующие заданному рисунку. Трафарет накладывают на изделие и по нему прокатывают валик, смазанный краской. Краска продавливается через отверстия в трафарете и на изделии остается одноцветный рисунок заданной конфигурации.

Штамп - способ декорирования с помощью резиновых штампов. Краску наносят на стеклянную пластинку и обмакивают в нее штамп, наклеенный на мягкую губчатую резиновую подушку. Затем штамп прижимают к изделию, оставляя на нем отпечаток рисунка.

Отводка - способ декорирования бортов, ручек и других выступающих частей изделий полосками разной ширины, наносимыми керамическими красками либо золотом вручную кистью. Отводку тел вращения (тарелок, чашек, блюдец) выполняют на вращаемой от руки шайбе.

Ручная раскраска - способ декорирования дорогих и штучных изделий нанесением вручную сложного рисунка, выполняемый высококвалифицированными мастерами-художниками. Ручную раскраску зачастую применяют в совокупности с другими способами декорирования.

Золочение - способ декорирования преимущественно фарфоровых и фаянсовых изделий. Различают два способа нанесения золота на глазурованные изделия - порошковый и с помощью «жидкого» золота. При первом способе осажденное порошковое металлическое золото, смешанное с плавнем (Bi203) и лавандовым маслом наносят на изделие, а затем обжигают в муфельной печи. В результате плавления Bi203 золото закрепляется на поверхности глазури. Позолота при этом получается матовой, поэтому ее полируют тонкодисперсным кремнеземом или гладким агатовым пестиком.

Препараты «жидкого» золота представляют собой растворы его органических соединений. Их наносят на глазурованную поверхность изделий кистью и медленно высушивают. При обжиге (750- 800°С ) золото восстанавливается из соединений и на поверхности изделий появляется тонкая пленка блестящего золота. Этот способ позволяет существенно снизить расход последнего.

. Технология производства технической керамики

К технической керамике относят многочисленные виды изделий, объединяемые условно в один класс по принципу использования их в различных областях техники. Они существенно отличаются по химическому и фазовому составу, строению и свойствам, однако имеют и некоторые общие отличительные признаки. В частности, их производят из высокочистых, часто полученных искусственно, в том числе и химическими методами порошков. Производство их отличается многооперационностью, разнообразием способов формования, диктуемых высокими требованиями к точности размеров изделий и их свойствам. По особенностям свойств техническая керамика может быть разделена на восемь классов: химическая, электротехническая, оптическая, магнитная, проводящая, сверхпроводящая, машиностроительная, биологическая. Каждый класс керамики включает несколько видов, отличающихся своим назначением. Принято техническую керамику подразделять по основному минералу, определяющему ее фазовый состав. В настоящем разделе рассматриваются только некоторые классы и виды технической керамики.

ХИМИЧЕСКИ СТОЙКАЯ ТОНКОЗЕРНИСТАЯ КЕРАМИКА

К этой группе относятся химическая посуда (тигли и др.), изготовляемая на основе фарфоровых масс, в которые за счет кварца и частично полевого шпата вводят высокоглиноземистые материалы ( корунд, обожженный каолин и др.), что повышает не только химстойкость, но термостойкость и механическую прочность изделий. С увеличением в массе глинозема значительно растет температура обжига. Для снижения ее приходится вводить в массу до 2% плавней (плавиковый шпат, магнезит, доломит и др.). Особенностью подготовки масс является также необходимость предварительного обжига каолина на шамот ( 1450°С) и глинозема до полного перехода в а-форму (до1450°С). Способ формования определяется видом изделий. Тонкостенные изделия (тигли) формуют литьем, более массивные (ступки, пестики) - пластическим формованием в гипсовых формах.

Обжигают изделия в туннельных и камерных печах в капселях. Для тонкостенных изделий до глазурования необходим утельный обжиг (900-950°С), температуру политого обжига устанавливают в зависимости от состава глазури.

Химически стойкие керамические материалы имеют плотность 2300-2750 кг/м3, открытую пористость - 0-0,1%, прочность при сжатии 55-95 МПа, огнеупорность 1600-1800°С.

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ КЕРАМИКА

Ее изготовляют на основе фарфоровых масс по традиционной технологии. Значительное количество глинистого компонента в фарфоровой массе обеспечивает ее высокую пластичность и позволяет формовать изделия сложной формы, в том числе и крупногабаритные. Этот вид керамики отличается отсутствием водопоглощения, высокой химической стойкостью, стойкостью к электрическим разрядам, а также к тепловому воздействию.

Фарфоровые изоляторы, работающие на открытом воздухе или в закрытых помещениях при номинальном напряжении тока 50 Гц, делятся на:

изделия, применяемые в электротехнических установках, работающих при напряжении до 1000 В - низковольтный фарфор;

изделия, применяемые для трансформаторов, распределительных устройств и других установок, работающих при напряжении более 1000 В - высоковольтный фарфор.

По условиям службы различают фарфоровые изоляторы:

• высокого напряжения, стационарные и аппаратные;

• высокого напряжения линейные;

• низкого напряжения линейные штыревые;

• установочная керамика.

Низковольтный фарфор используют в основном для изготовления установочной керамики и изоляторов низкого напряжения. Разнообразный ассортимент изделий установочного фарфора формуют прессованием увлажненного пресс-порошка, полученного в распылительном сушиле. Для снижения усадки влажность масс (особенно для ответственных изделий) снижают до минимума (3-5%) за счет введения в массу пластификаторов, в основном кремнеорганических соединений (3-4%). Тщательно перемешанную массу формуют на мощных гидравлических или эксцентриковых пресс-автоматах, создающих постепенно нарастающее высокое давление до 100 МПа.

Отпрессованные изделия сушат в конвейерных, туннельных или камерных сушилах, очищают от заусениц и пыли и глазуруют. Толстые стенки изделий и высокая прочность полуфабриката позволяют проводить однократный обжиг при 1320-1350°С.

Высоковольтные изоляторы формуют главным образом пластическим способом, хотя и более сложным, чем при формовании посуды. Различают три его стадии: протяжка болванок на вакуум-прессе при влажности 23-25%; предварительная формовка болванки; подвялка до влажности 16-18%, обточка заготовки по заданному чертежу и нарезка винтовых поверхностей.

Придание болванке предварительной формы осуществляется в гипсовых формах на формовочном станке с помощью шаблона. Обточку заготовок производят на токарно-винторезных или фрезерных станках. Изоляторы обтачивают при помощи резцов с режущей кромкой, соответствующей профилю изолятора. Обработанные изделия подвергают окончательной сушке, затем очищают и глазуруют путем окунания на конвейерных глазуровочных машинах. Глазурованные изделия подсушивают и обжигают однократно в тоннельных или периодических печах при 1320 - 1350"С. Высоковольтные изоляторы изготовляют из фарфора, удовлетворяющего следующим требованиям: прочность при растяжении глазурованных изделий 35 - 55 МПа, при статическом изгибе - 70- 140 МПа, тангенс угла диэлектрических потерь при частоте тока 50 Гц не более 0,025 - 0,03, диэлектрическая проницаемость при частоте 50 Гц не более 7 8.

Высокая плотность изделий из высоковольтного фарфора обеспечивается значительным количеством стеклофазы, образующейся при обжиге за счет увеличения в шихте количества полевого шпата (до 20-25%). При этом важное значение имеет не только общее количество щелочей, вводимых в массу с полевым шпатом, но и их состав. Соотношение К20:Na2О должно быть не менее 2:1. При замене Na20 на К2О улучшаются электротехнические свойства фарфора, а также уменьшается деформация изделий и расширяется интервал температур, при которых сохраняется спекшееся состояние при обжиге фарфора.

5. Список используемой литературы

1.   Сулименко Л.М. Общая технология силикатов- М, ИНФРА-М, 2004-336с.

2.       Технология фарфорового и фаянсового производства. М., «Легкая индустрия» , 1975 Булавин И.А., Августиник А.И., Жуков А.С. 448с.