Формование

Основным методом формования керамических плиток является полусухое прессование. Прессование плиток по полусухому способу производится в пресс-форме при помощи нижнего и верхнего штампов. При прессовании происходит перемещение одного или двух штампов, что приводит к сближению зерен массы, уменьшению объема и уплотнению. Прессуемая масса состоит из твердой, жидкой фаз и воздуха. Объем удаляемого при прессовании воздуха уменьшается при увели насыпной массы.

Для получения высокоплотного спрессованного полуфабриката необходимо применять порошки непрерывной гранулометрии. При прессовании порошков наблюдаются следующие процессы:

1) в начале прессования уплотнение за счет смещения частиц и их сближения.

2) Следующая стадия уплотнения происходит благодаря пластической необратимой деформации с увеличением контактной поверхности между частицами. При этом влага из глубинных слоев поступает на контактную поверхность частиц. Оба фактора способствуют сближению частиц. Вода вместе с глинистыми коллоидами склеивает крупные частицы прессовки. Воздух частично может оставаться в прессовке.

3) Происходит упругая деформация частиц, особенно на поверхности приложения давления. После снятия прессующего усилия наблюдается упругое расширение до 8 и более %, которое не позволяет получать изделие с максимальной плотностью и является причиной образования пороков.

При полусухом прессовании массы по толщине сырец подвергается неодинаковому давлению - большему в местах его приложения и постепенно уменьшающемуся к неподвижному штемпелю.

По мере удаления от слоев, контактирующих со штемпелем, плотность прессования снижается. Это вызвано потерей прилагаемо-го давления на трение и деформацию зерен порошка.

На качество прессовки влияют давление, влажность, трение массы о стенки. Прессовка на середине испытывает большее давление, чем по контуру. Поэтому периферийные части прессовки могут быть и недопресеованными. Уменьшить трение массы о стенку формы можно введением поверхностно-активных веществ (кремнийорганической жидкости, синтетических жирных кислот и др.), а также смазыванием и подогревом пресс-форм. На получение прессовок равной плотности оказывает влияние режим прессования, включающий направление прессовых усилий (односторонний и двухсторонний), кратность приложения усилий (однократное, многократное), интенсивность прессовых усилий (ударные и плавные). Эффективность двухстороннего прессования определяется тем, что путь перемещения верхнего штампа сокращается вдвое, поскольку такой же путь при прессовании совершает и нижний штамп. Двухстороннее прессование может происходить при одном подвижном штампе и плавающей форме, то есть свободно подвижно. При плавающей форме происходит, в некотором смысле, авторегулирование степени уплотнения каждой половины прессовки.

Сушка

На керамических заводах сформованные химически-стойкие изделия сушат в основном в искусственных сушилках с конвективным обогревом. В них в качестве теплоносителя используют нагретые газы, получаемые при сжигании топлива в специальных подтопках, или горячий воздух, отбираемый из зоны охлаждения непрерывно действующих или периодических печей при их охлаждении. В последние годы стали применять метод радиационной сушке лампами инфракрасного излучения.

Сушка керамических изделий является не только теплофизическим, но и важным технологическим процессом, во время которого происходят различные физико-химические и физико-механические явления, влияющие на качество сушки.

Теплофизический процесс связан с установлением закономерностей переноса тепла и влаги от поверхности изделия в окружающую среду (внешний тепло- и влагоперенос), а также перенос тепла и влаги в самом изделии (внутренний тепло- и влагоперенос). При сушке тепло, передаваемое теплоносителем, расходуется на нагрев абсолютно сухой части и остаточной влаги, а также на испарение части воды, которая удаляется из изделия.

При поверхностном испарении влаги сушка изделий во всем их объеме может происходить, если влага будет перемещаться от центра к их поверхности. Такое перемещение влаги в изделиях протекает под действием различных факторов и его интенсивность зависит от структуры сформованного изделия, формы связи влаги с массой и от параметров сушки, которыми являются температура, относительная влажность и скорость движения теплоносителя.

По мере того как происходит испарение воды с поверхности изделия в окружающую среду, влажность на поверхности изделия уменьшается и внутри изделия появляется перепад влажности, который обусловливает перемещение влаги из середины изделия к его поверхности. Влага внутри изделия может перемещаться как в виде жидкости, так и в виде пара.

Перемещение влаги в керамическом изделии может обусловливаться также наличием температурного перепада между центром и поверхностными его слоями, так как такое изделие образовано мелкими капиллярами и в них влага обладает свойствами перемещаться в направлении потока тепла, т. е. от места более нагретых к менее нагретым.

При конвективном обогреве температура наружных поверхностей высушиваемого изделия больше, чем внутренних, и поэтому влага будет стремиться переместиться от наружных поверхностей к центру изделий.

Такое перемещение влаги под действием температурного градиента противоположно тому, которое происходит под действием влагопроводности. Поэтому оно оказывает тормозящее действие и замедляет удаление влаги из изделия.

Процесс конвективной сушки. В процессе конвективной сушки при постоянной температуре разделяют два периода. В первом (главном периоде) сушки удаляется основное количество воды при постоянной скорости, причем испарение происходит со всей поверхности изделия. Температура изделия равна температуре мокрого термометра.

Во втором периоде скорость сушки замедляется во времени и изменяется по криволинейному закону. Температура материала начинает повышаться и происходит заглубление поверхности испарения внутри изделия. Водяной пар, который образуется во внутренних слоях изделий, преодолевает сопротивление массы и пограничного газового слоя, проникая в окружающую среду.

При переменном температурном режиме изменения влажности и температуры высушиваемого изделия остаются примерно такими же, но резкие границы между отдельными периодами исчезают.

Все пероиды характерны для сушки изделий пластического формования. У изделий, спрессованных из полусухой массы, первый период почти отсутствует.

При удалении влаги из глины или сформованного керамического изделия пластичной консистенции происходит уменьшение их первоначального размера, т. е. воздушная усадка, так как силы поверхностного натяжения сближают частицы глины. Величина усадки при сушке изделий, сформованных из определенной массы одной и той же влажности, изменяется в зависимости от условий и интенсивности сушки.

С увеличением скорости сушки остаточная влажность изделий, при которой прекращается усадка, имеет большую величину, чем при медленной сушке, но их воздушная усадка меньше. Это связано с тем, что при более интенсивной сушке увеличивается градиент влагосодержания внутри изделий. При этом поверхностные слои стремятся сократиться в размерах больше, чем внутренние, препятствующие усадке верхних слоев и не позволяющие им сократиться до размеров, которых они достигают при медленной сушке.

Разницу между максимальной усадкой, получающейся при медленной равномерной сушке, и усадкой при ускоренной сушке называют недопущенной усадкой. Эта усадка является причиной усадочных напряжений, возникающих в изделиях, которые при определенных значениях могут превысить прочность материала и привести к деформации или образованию трещин.

Образование трещин является основным дефектом при сушке и обусловливается неравномерными деформациями из-за неравномерных полей влагосодержания и температуры. Как установлено, образование трещин может также вызываться избыточным давлением паров влаги внутри изделия при интенсивном внутреннем парообразовании. Наиболее опасными при этом являются напряжения, вызванные перепадами влагосодержания.

С точки зрения объемно-напряженного состояния и характера образующихся трещин процесс сушки керамических изделий пластического формования необходимо разбить на два периода:

1) период активного нагружения и образования поверхностных трещин;

2) период разгрузки с последующим нагружением обратного знака, вызывающим внутреннее трещинообразование.

На деформацию и образование трещин оказывают влияние не только форма, но также вес и размер изделий. С увеличением веса и размера изделий увеличивается продолжительность их сушки, особенно в первый период, когда при интенсивной сушке создаются условия для образования недопустимых перепадов влажности между центральными и поверхностными слоями.

Обжиг

Технологический процесс обжига керамической плитки подразумевает однократный либо двукратный обжиг в зависимости от типа производимой плитки. Как правило, обжиг производится в туннельных печах открытым пламенем при штабельном обжиге в вагонетках, этажерках, стопках или капселях, а также различных комбинациях укладки сырца. Температура обжига, в зависимости от типа плитки, устанавливается от 900 до 1250°C, а длительность обжига также варьируется в зависимости от керамической плитки и достигает 45-50 часов.

При производстве керамической плитки котто, красного гресса, гресса порчелонатто и клинкера, после процесса сушки происходит однократный обжиг без дополнительного глазурования. Получаемая керамическая плитка может быть как крупнопористой, так и с плотной стеклоподобной основой, что исходит из метода формовки: либо экструзионный метод, либо метод прессования. Ее цвет, в зависимости от материала сырья и модели, бывает темно-коричневым, светло-бежевым, терракотовым.

Глазурованная светлая или красная плитка а также глазурованный клинкер так же подвергаются однократному обжигу, однако в цикл обжига включен этап глазурования. При этом спрессованный сырец подвергается глазурованию и обжигу, что дает прекрасные характеристики прилипания эмали к поверхности. Нанесение эмали возможно двумя методами: порошковое нанесение в момент прессования и затем последующего обжига, а также нанесение гранул эмали на раскаленную поверхность сырца непосредственно при обжиге.

Глазурованная керамическая плитка майолика, коттофорте и фаянс, в процессе изготовления подвергаются двойному обжигу. Сначала предварительному обжигу подвергается плитка-сырец, затем наносится эмаль, после чего происходит второй обжиг с одновременным глазурованием. Данный метод является более дорогим, нежели однократный, однако позволяет получить керамическую плитку с повышенным блеском поверхности, а также отсутствие микротрещин и следов выхода газов при обжиге. Данное преимущество происходит вследствие особенностей технологии двукратного обжига: поскольку изначально плитка-сырец была подвергнута предварительному обжигу, ее поверхность уже имеет фиксированные характеристики, затем наносится эмаль и при последующем окончательном обжиге не происходит усадка плитки, а также нет возможности для выхода газов на эмалированную поверхность [6].