Производство фарфоровых изделий

Производство фарфоровых изделий. 

Введение  

Фарфор - основной представитель  тонкой керамики. Характерные признаки фарфора - белый цвет с синеватым  оттенком, малая пористость и высокая  прочности, термическая и химическая стойкость и природная декоративность. Его особенности определяются химическим составом и строением черепка, которые  зависят от назначения изделия, условий  их эксплуатации и предъявляемых  к ним требований.  

Процесс производства  

Подготовка сырьевых материалов  

Состав керамической массы и метод ее подготовки определяют исходя из назначения из назначения изделия, его формы и вида сырья. Цель подготовки сырья - разрушение природной структуры  материалов до мельчайших частиц для  получения однородной массы и  ускорения взаимодействия частиц в  процессе фарфорообразования. Ее проводят в основном пластическим способом, который обеспечивает получение  равномерной по составу массы.

Пластичные материалы (глину, каолин) распускают в воде в  лопастных мешалках. Полученную массу  в виде суспензии пропускают через  сито (3600 - 4900 отверстий на 1 см2) и  электромагнит для удаления крупных  включений и железистых примесей.

Отощающие материалы  и плавни сортируют, освобождают  от посторонних т вредных примесей. Кварц, полевой шпат, пегматит и другие компоненты подвергают обжигу при температуре 900-1000шС. При этом кварц претерпевает полиформные изменения, в результате которых растрескивается. Это, во-первых, облегчает помол, а во-вторых, позволяет  удалить куски, загрязненные железистыми  примесями, так как при обжиге кварц с примесями железистых соединений приобретает желто-коричневый цвет.

Каменистые материалы, в том числе и фарфоровый бой, промывают, подвергают дроблению и  грубому помолу на бегунах, после  чего просеивают. Тонкий помол производят в шаровых мельницах с фарфоровыми  или уралитовыми шарами. Для интенсификации помола в мельницу вводят поверхностно-активную добавку - сульфитно-спиртовую барду (от 0,5 до 1%), которая, заполняя микротрещины, оказывает как бы расклинивающее действие. Помол ведут до остатка 1-2% на сите с 10 000 отверстий на 1 см2.

Пластичные и отощающие  материалы, плавни и фарфоровый бой  тщательно смешивают в мешалке  пропеллерного типа. Однородную массу  пропускают через сито и электромагнит  и обезвоживают в специальных  фильтр-прессах или вакуум-фильтрах. Полученную пластичную массу влажностью 23-25% направляют на две недели на вылеживание  в помещение с высокой влажностью. При вылеживании происходят окислительные и микробиологические процессы, гидролиз полевого шпата и образование кремниевой кислоты, что способствует разрыхлению массы, дальнейшему разрушению природной структуры материалов и повышению пластических свойств массы. После вылеживания массу обрабатывают на массомялках и вакуум-прессах для удаления включений воздуха, а также пластичности и других физико-механических свойств, необходимых для формирования изделий.  

Формование изделий  

Способы формования  

Формуют керамические изделия в основном пластическим методом и методом литья, а  также полусухим прессованием. Для  формования применяют гипсовые формы  пористостью не менее 25%. В последнее  время формы начали изготавливать  из масс на основе поливинилхлорида.

При пластическом формовании используют массу влажностью 22-24%, из которой в зависимости от формы  получают заготовки в виде пластов. Для формования применяют полуавтоматы или автоматы. При изготовлении плоских  изделий помещают глиняный пласт, который  разравнивают роликом при вращении формы. Для получения полых изделий, например чашек, заготовку массы  помещают в форму и раскатывают  специальным профильным роликом. Промежуток между роликом и формой заполняется  слоем массы необходимой толщины. Наружная поверхность изделия формуется  поверхностью формы, а внутренняя - роликом. Если на внутренней поверхности  формы имеется углубленный рисунок, то он точно воспроизводится на наружной поверхности изделия.

Методом литья в  гипсовые формы изготавливают изделия  сложной формы и емкостные, например чайники, художественно-декоративные предметы. Для получения изделий  сложной конфигурации используют разъемные  формы. Для формования методом литья  готовят сметанообразную массу - шликер влажностью 34-36%. В шликер добавляют  для повышения текучести при  минимальной влажности 0,1-0,2% электролита, что обеспечивает лучшее заполнение формы. Изделия изготавливают двумя  способами - сливным и наливным.

При сливном способе  шликер заливают в разъемную гипсовую форму и оставляют в ней  на определенное время. Гипс быстро впитывает  влагу, и на стенках формы откладываются  твердые частицы, которые образуют стенки изделия. Время выдержки определяют опытным путем, оно зависит от толщины стенки изделия, толщины  стенок гипсовой формы и пористости. После выдержки шликер сливают, а  гипсовую форму с изделием подвергают медленной сушке.

Полнотелые изделия  сложной формы, например ручки для  чайников, крышки, изготавливают наливным способом. Шликер наливают в гипсовую разъемную форму с соответствующими углублениями на внутренних поверхностях, где оно полностью затвердевает.

Полусухое прессование  применяют для формирования плоских  изделий небольшой толщины, например тарелок. Подготовленную пластичную массу  высушивают до влажности 2-3%, тонко измельчают и получают порошок, в который  добавляют пластификатор. Из этого  порошка формуют изделие в металлических пресс-формах под большим давлением (25-30 МПа). Изделия имеют правильную форму, точные размеры, более высокую механическую прочность и небольшую влажность, что значительно сокращает время сушки перед обжигом.

При формовании вследствие небрежного обращения, использования  изношенных форм и роликов могут  образоваться такие дефекты, как  деформация, волнистый край, концентрические  трещины, неодинаковая толщина изделий, неровность поверхности, подрыв носиков  и др.  

Сушка  

После формования изделия  для подготовки к обжигу - заключительному  и наиболее ответственному этапу  производства - сушат до остаточной влажности 2-4%. При этом изделие приобретает  достаточную для обжига прочность, исключается образование внутренних напряжений, приводящих к появлению  трещин, деформации и т.д.

Сушку проводят в  две стадии: предварительная стадия (подвяливание) - в гипсовых формах и  окончательная - без форм. Плоские  изделия сушат только в гипсовых формах. Корпус полых изделий после  предварительной сушки до влажности 14-16% вынимают из форм, соединяют с  приставными деталями смесью шликера  с декстрином, после чего изделия  окончательно высушивают.

Для сушки применяют  конвейерные, конвекторные (с направленной подачей теплоносителя на изделие), радиационные (с электрическим или  газовым обогревом) и комбинированные  сушилки, в которых время сушки  значительно сокращается.

Теплоносителями являются воздух и лучистая энергия, выделяемая керамическими панелями и другими  поверхностями, которые обогреваются газом, реже - лампами накаливания. Все  эти сушилки характеризуются  высокой производительностью и  минимальными затратами ручного  труда на загрузку и выгрузку. Наиболее перспективно использование для  сушки керамических изделий ультразвука, токов высокой частоты или  инфракрасного излучения. Современные  методы сушки позволяют регулировать температуру и время процесса в зависимости от толщины изделия.

В процессе сушки  могут образоваться трещины (при  неравномерной влажности массы), деформация и другие дефекты.

Высушенные изделия  перед обжигом зачищают наждачной  бумагой, удаляют швы от пресс-форм, посторонние примеси и загрязнения. После зачистки изделия обдувают сжатым воздухом для удаления пыли.  

Обжиг  

Керамические изделия  подвергают, как правило, двукратному  обжигу - утельному (до глазурования) и  политому (после глазурования). Применяют  также однократный скоростной и  бескапсельный обжиг. Фарфоровые изделия, декорированные надглазурными украшениями, подвергают третьему обжигу - муфельному.

Утельный обжиг  в зависимости от состава черепка  и назначения фарфоровых изделий  проводят при температуре 900-1000шС, а  политой - 1350-1400шС. При утельном обжиге удаляет механически и химически  связанная влага, черепок приобретает  необходимую прочность при достаточной  для впитывания глазури пористости. Реакции взаимодействия исходных компонентов  массы протекают в твердой  фазе.

Для обжига применяют  печи непрерывного действия - туннельные, конвейерные с шагающим подом  и роликовые щелевые, а также  периодического действия - горны. В  печах непрерывного действия поддерживается более строгий температурный  режим, сокращается время обжига и обеспечиваются нормальные условия  работы при загрузке и выгрузке. В качестве топлива используют нефть, газ и электричество (в электропечах).

После утельного  обжига керамические изделия либо декорируют послегазурными красками, газурируют и подвергают политому обжигу, либо глазуруют, обжигают и декорируют.

Фарфоровые изделия  после утельного обжига чаще всего  глазуруют , а затем обжигают. Тугоплавкую  глазурь в виде суспензии наносят  методом окунания, обливания и  пульверизацией. После глазурования с ножки или верхнего края форфорого  изделия счищают глазурь, чтобы  предупредить сплавление х с подставкой во время политого обжига или другими  изделиями при обжиге "в спарку". Это отличительный признак фарфоровых изделий; фаянсовые изделия полностью  покрывают глазурью. Перед политым  обжигом изделия помещают в шамотные капсели и тщательно предохраняют от сплавления друг с другом и с  капселем. Капсели устанавливают  на вагонетку и направляют в туннельную печь. Применяют также бескапсельную  загрузку на специальные этажерочные  вагонетки.

В процессе обжига формируется  черепок с необходимыми физическими  и химическими свойствами. При  политом обжиге происходят расплавление глазури, равномерное ее распределение  по всей поверхности изделия и  сплавливание с черепком. Строгое  соблюдение определенного режима температуры, скорости ее подъема, времени выдержки и газовой среды - непременное  условие проведения обжига. При нарушении  этих требований образуются дефекты, ухудшающие внешний вид и свойства готовых  изделий.

Политой обжиг можно  разделить на ряд периодов, каждый из которых протекает при определенном температурном режиме и газовой  среде, что обеспечивает постепенное  формирование черепка с необходимыми свойства.

Первый период протекает  при температуре до 900-940шС; скорость подъема температуры 100-140шС в час. Из массы удаляется остаток гигроскопической влаги, происходит разложение глинистых  веществ, карбонатов, выгорание органических примесей. В этот период поддерживает окислительная газовая среда. Реакция  протекает в твердой фазе, в  этот период начинается спекание черепка, которое сопровождается усадкой. На поверхности пористого черепка, который обладает высокий каталитический и адсорбционной способностью, осаждается углерод, выделяющийся при сгорании топлива. Углерод придает черепку  серый цвет.

Второй период обжига протекает в сильно окислительной  среде при температуре 940-1040шС. Он является подготовительным к самому ответственному этапу - обжигу в восстановительной  среде. В этот период выравнивается  температура, завершается выделение  остатков гидратной воды и полностью выгорает сажистый углерод. Если углерод не выгорит до расплавления глазури в третьем периоде, то изделие будет иметь серую или буроватую окраску либо покроется мельчайшими кратерообразными точками - наколами. Вследствие расплавления полевого шпата образуется жидкая фаза, которая цементирует твердые частицы и обуславливает повышение механической прочности черепка. Происходит процесс кристаллизации глинозема и начинает образовываться муллит.

Третий период ведется  при температуре 1040-1250шС в восстановительной  среде, которая необходимая для  перевода окисного железа в закисную формы. Закись железа образует силикаты, который придают черепку голубоватую  оттенок. На этом этапе вначале образуется силиманитоподобный ангидрид, а затем  муллит и кремнезем в виде кристобалита. Продолжается спекание черепка, сопровождающие интенсивной, так как кристаллические  частицы соединяют вязким расплавом. При температуре выше 1200шС вязкость расплава снижается, и на границе  твердой и жидкой фаз сближаются под действием поверхностных  сил частицы кварца, продукты разложения каолинита и кристаллы муллита. Образование легкоплавкого силиката закиси железа способствует развитию жидкой фазы. На этом этапе начинается расплавление глазури. Скорость подъема  температуры - 30-35шС в час.

Четвертый этап, завершающий  формирование черепка, начинается при  температуре 1250шС и заканчивается  при 1380-1410шС, протекает он в нейтральной  среде. Происходят окончательное спекание черепка, разлив глазури и сплавление с черепком. Активнее протекает процесс  взаимодействия полешпатовго стекла и  аморфного кремнезема из каолинитового  остатка, что способствует заполнению промежутков между кристаллами  муллита. Одновременно укрупняются  кристаллы муллита в полешпатовом стекле и уменьшаются размеры  остаточного кварца. Протекают диффузионные процессы, обуславливающие равномерное  распределение кристаллических  новообразований в черепке.