Производство керамической черепицы

    Порообразующие добавки – вводят для повышения пористости черепка и улучшения теплоизоляционных свойств керамических изделий. К ним относятся древесные опилки, угольный порошок, торфяная пыль. Эти добавки являются одновременно и отощающими.

    Плавни  – вводят с целью снижения температуры  обжига керамических изделий. К ним относятся полевые шпаты, железная руда, доломит, магнезит, тальк, песчаник, пегматит, стеклобой, перлит.

    Пластифицирующие  добавки вводят с целью повышения  пластичности сырьевых смесей при меньшем  расходе воды. К ним относятся  высокопластичные глины, бентониты, поверхностно-активные вещества.

    Специальные добавки – для повышения кислотостойкости керамических изделий в сырьевые смеси добавляют песчаные смеси, затворенные жидким стеклом; для получения некоторых видов цветной керамики в сырьевую смесь добавляют оксиды металлов (железа, кобальта, хрома, титана и др.).

    Таким образом, для производства керамической черепицы будем использовать высокопластичные «жирные» глины (с содержанием глинистых веществ более 60%) с добавлением в качестве отощающей добавки кварцевого песка для предотвращения появления в изделиях трещин. 
 
 

    Табл. 1. Исходные сырьевые материалы 

 
 
 
 
 
 
 
 

3. Номенклатура выпускаемой продукции

    В настоящее время вырабатывают черепицу пазовую штампованную, пазовую ленточную, плоскую ленточную, волнистую ленточную, S-образную ленточную и коньковую желобчатую.

    В зависимости от назначения черепица может быть: рядовая – для покрытия скатов кровли; коньковая – для  покрытия коньков и рёбер; разжелобочная – для покрытия разжелобов; концевая – для замыкания рядов, специального назначения.

    Основные  технические характеристики глиняной черепицы по ГОСТ 1808 – 71 приведены в табл. 2.

    К керамической черепице предъявляются  следующие требования:

1) черепица должна быть правильной формы с гладкими поверхностями и ровными краями, без отбитостей, трещин и известковых включений;

2) допускаются искривления поверхности и рёбер черепицы не более чем на 3 мм;

3) отбитие или смятие шипов допускается не более 1/3 высоты шипа;

4) отклонения линейных размеров по длине должны составлять не более чем 5 мм, по ширине – не более 3 мм. Исключение составляет пазовая штампованная черепица.

    Цвет  черепицы должен быть однотонным, а  структура черепицы в изломе однорядной.

    Таким образом, исходя из анализа сырьевых материалов для изготовления черепицы, в курсовой работе в качестве основных материалов применяются высокопластичные глины и кварцевый песок; выпускается плоская ленточная черепица. 
 

 

      Табл. 2. Номенклатура выпускаемой продукции

4. Технологическая схема производства

    В настоящее время для производства керамической черепицы применяются  следующие технологии: пластическое формование, метод полусухого прессования, жёсткое формование, шликерный способ.

    Пластический  способ – исходные материалы при естественной влажности или предварительно высушенные смешивают с добавками воды до получения теста с влажностью от 18 до 28%. Этот способ производства керамических материалов является наиболее простым, наименее металлоёмким и поэтому наиболее распространённым. Он применяется в случаях использования среднепластичных и умереннопластичных, рыхлых и влажных глин с умеренным содержанием посторонних включений, хорошо размокающих и превращающихся в однородную массу.

    Полусухой способ производства распространён меньше, чем способ пластического формования. Керамические изделия по этому способу формуют из шихты влажностью 8 – 12% при давлениях 15 – 40 МПа. Недостаток способа в том, что его металлоёмкость почти в 3 раза выше, чем пластического. Но в то же время он имеет и существенные преимущества. Длительность производственного цикла сокращается почти в 2 раза; изделия имеют более правильную форму и точные размеры; до 30% сокращается расход топлива; в производстве можно использовать малопластичные тощие глины с большим количеством добавок отходов производства – золы, шлаков и др. Сырьевая масса представляет собой порошок, который должен иметь около 50% частиц менее 1 мм и 50% размером 1 – 3 мм.

    Прессование изделий производится в прессформах на одно или несколько отдельных изделий на гидравлических или механических прессах.

    Сухой способ производства керамической черепицы является разновидностью современного развития полусухого производства изделий. Пресс-порошок при этом способе готовится с влажностью 2 – 6%. При этом устраняется полностью необходимость операции сушки.

    Шликерный способ применяется, когда изделия изготавливаются из многокомпонентной массы, состоящей из неоднородных и трудноспекающихся глин и добавок, и когда требуется подготовить массу для изготовления изделий сложной формы методом литья из массы с содержанием воды до 40%.

    5. Описание технологической схемы (рис. 1)

    В курсовой работе для производства керамической черепицы применяем жёсткий способ. Жёсткий способ формования является современной разновидностью пластического  способа. Влажность формуемой массы  при этом способе колеблется от 13% до 18%. Формование осуществляется на мощных вакуумных шнековых или гидравлических прессах. Вакуум-пресс создаёт давление прессования до 20 МПа. В связи с тем, что жёсткое формование осуществляется при относительно высоких 10 – 20 МПа давлениях, могут быть использованы менее пластичные и с естественной низкой влажностью глины. При этом способе требуются меньшие энергетические затраты на сушку, а получение изделия-сырца с повышенной прочностью позволяет избежать некоторые операции в технологии производства, обязательные при пластическом способе. Формование при жёстком способе завершается разрезкой непрерывной ленты отформованной массы на отдельные изделия на резательных устройствах.

    Глину для производства керамической черепицы добывают в карьерах, расположенных  обычно в непосредственной близости от завода. Глины обычно залегают на небольшой глубине при мощности вскрыши 0,5 – 1,0 м. Мощность полезной толщины месторождений колеблется от одного до десятков метров. Добычу глин осуществляют открытым способом различными экскаваторами: одно- и многоковшовыми, роторными и реже скреперами. Методы добычи и оборудование для разработки месторождений выбирают в зависимости от мощности глиняного пласта, характера его залегания и других факторов. Транспортируют глину из карьера на завод рельсовым транспортом в опрокидных вагонетках.

    Для бесперебойной работы производства на заводе керамической черепицы должен быть определённый запас сырья. С этой целью на заводах создают склады для промежуточного запаса сырья. Добыча глины зимой, а также предохранение её от смерзания при транспортировании сильно усложняют производство, поэтому стремятся осуществить добычу в тёплое время года и создавать запасы глины на складах завода для работы зимой.

    Добытая в карьере и доставленная на завод  глина в естественном состоянии  обычно непригодна для формования изделий, для решения этой проблемы необходимо вылёживание сырья и разрушение природной структуры глины, удаление вредных примесей, измельчение крупных включений, смешение глины с добавками, а также её увлажнение для получения удобоформуемой массы.

    Глина подвергается последовательно грубому дроблению и тонкому измельчению. Первичное дробление глины осуществляют в глинорыхлителе, представляющим собой самоходную тележку, совершающую возвратно-поступательное движение над ящичным питателем. Рабочим органом глинорыхлителя является вращающийся вал с насаженными на него фрезами. Дробление глины до кусков размером 10 – 15 мм осуществляют в дробилках. Вязкие пластичные глины дробят на гладких дифференциальных вальцах грубого помола.

    Измельчённые  глину и отощающие добавки дозируют для предварительного перемешивания в двухвальный смеситель. При необходимости сюда подают также воду или пар.

    Формование  производится на прессе с вакуумированием и подогревом. Вакуумирование и подогрев массы при прессовании позволяет улучшить её формовочные свойства, увеличить прочность обожжённого изделия до 2-х раз.

    В корпусе пресса вращается шнек-вал с винтовыми лопастями. Глиняная масса перемещается с помощью шнека к сужающейся переходной головке, уплотняется и выдавливается через мундштук в виде непрерывной ленты под давлением. Меняя мундштук, можно получать глиняный брус различных форм и размеров. Брус, непрерывно выходящий из пресса, разрезает на отдельные части в соответствии с размерами изготовляемых изделий автоматическое резательное устройство. Пресс снабжён вакуум-камерой, в которой из глиняной массы частично удаляется воздух.

    Перед обжигом изделия должны быть высушены до содержания влаги 5 – 6% во избежание  неравномерной усадки, искривлений  и растрескивания при обжиге. Применяется  искусственная сушка в камерных сушилках периодического действия в течение от нескольких до 72-х часов в зависимости от свойств сырья и влажности сырца. Сушка производится при начальной температуре теплоносителя – отходящих газов от обжиговых печей или подогретого воздуха с температурой 120 – 150^. 
 

    Обжиг – важнейший и завершающий процесс производства керамической черепицы. Этот процесс включает в себя три периода: прогрев сырца, собственно обжиг и регулируемое охлаждение.

    При нагреве сырца до 120 ^{удаляется физически связанная} вода и керамическая масса становится непластичной. Но если добавить воду, пластические свойства массы сохраняются.

    В температурном интервале от 450 до 600 ^{происходит отделение химически связанной воды, разрушение глинистых минералов и глина переходит в аморфное состояние. При этом и при дальнейшем повышении температуры выгорают органические примеси и добавки, а керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства.}

    При 800 ^{начинается повышение прочности изделий, благодаря протеканию реакций в твёрдой фазе на гр}аницах поверхностей частиц компонентов.

    В процессе нагрева до 1000 ^{возможно образование новых кристаллических силикатов, например силли}манита Al₂O₃·SiO₂, а при нагреве до 1200 ^{и муллита 3}Al₂O₃·2SiO₂.

    Одновременно  с этим легкоплавкие соединения керамической массы и минералы плавни создают  некоторое количество расплава, который  обволакивает нерасплавившиеся частицы, стягивает их, приводя к уплотнению и усадке массы в целом (огневой усадке). В зависимости от вида глин она составляет от 2% до 8%. После остывания изделие приобретает камневидное состояние, водостойкость и прочность. Интервал температур обжига для керамической черепицы лежит в пределах от 1100 ^{до 1300.}

    Обжиг керамической черепицы осуществляется в туннельных печах. Туннельная печь представляет собой сквозной канал длиной до 100 м, в котором по рельсам движутся вагонетки с обжигаемыми изделиями. Высушенную черепицу загружают на вагонетки с подом из огнеупорного кирпича. Толкатель подаёт загруженную вагонетку в печь, выталкивая при этом с противоположного конца вагонетку с обожжённой и охлаждённой черепицей. Туннельные печи работают на газе или тонкомолотом угле. В печах удобно механизировать процессы загрузки и выгрузки, а также автоматизировать процесс обжига и его регулирование.