2. Технология производства керамической плитки
Керамическая плитка является результатом производства, цикл
которого, в общем, и целом является типичным для большинства керамических
изделий. Этот процесс состоит из нескольких этапов, во время которых происходит
переработка и обработка сырья и получается готовое изделие, то есть
керамическая плитка. Плитка может быть глазурованной и неглазурованной. У
глазурованной плитки верхний, сравнительно тонкий слой имеет стекловидную
структуру, то есть поверхность плитки отличается от ее основания и обеспечивает
зрительный эффект (цвет, глянец, орнамент и т.д.), а также ряд механических
свойств (водонепроницаемость, твердость и т.д.), которые не может обеспечить
основание плитки. Таким образом, в составе глазурованной плитки имеется два
слоя с различной структурой: глазурь на поверхности и основание, расположенное
ниже. Неглазурованная плитка, наоборот, имеет однородную структуру по всей
толщине. Технология изготовления включает ряд этапов производства в зависимости
от типа плитки (глазурованная или неглазурованная).
Можно выделить три основных технологических цикла, которые
охватывают производство плитки всех видов. Первый цикл касается производства
неглазурованной плитки. Второй - это производство глазурованной плитки двойного
обжига. Этот термин означает, что плитка подвергается двум видам термической
обработки: для укрепления основания и для стабилизации глазури и орнамента,
которые, как будет показано в дальнейшем, наносятся на обожженное основание.
Третий технологический цикл - это производство глазурованной плитки одинарного
обжига, при которой глазурь и орнамент наносятся на высушенное (но не
обожженное) основание, которое далее проходит только один этап термической
обработки, то есть, выполняется только "одинарный" обжиг, во время
которого затвердевание основания и стабилизация глазури происходят
одновременно.
2.1 Сырье для изготовления керамической плитки и его подготовка
Керамические материалы получают из глиняных масс путем
формования и последующего обжига. При этом часто имеет место промежуточная
технологическая операция — сушка свежесформованных изделий.
По характеру строения черепка различают керамические
материалы пористые (неспекшиеся) и плотные (спекшиеся). Пористые поглощают
более 5% воды (по массе), в среднем их водопоглощение составляет 8...20% по
массе. Пористую структуру имеют кирпич, блоки, камни, черепица, дренажные трубы
и др.; плотную - плитки для полов, канализационные трубы, санитарно-технические
изделия.
Сырьем для изготовления керамических материалов служат
различные глинистые и горные породы. Для улучшения технологических свойств
глин, а также придания изделиям определенных и более высоких
физико-механических свойств к глинам добавляют кварцевый песок, шамот
(дробленая обожженная при температуре 1ООО...14ОО°С огнеупорная или тугоплавкая
глина), шлак, угольную пыль.
Глиняные материалы образовались в результате выветривания
изверженных полевошпатовых горных пород. Процесс выветривания горной породы
заключается в механическом разрушении и химическом разложении. Механическое
разрушение происходит в результате воздействия переменной температуры и воды.
Химическое разложение происходит, например, при воздействии на полевой шпат
воды и углекислоты, в результате чего образуется минерал каолинит.
Глиной называют землистые минеральные массы или обломочные
горные породы, способные с водой образовывать пластичное тесто, по высыхании
сохраняющее приданную ему форму, а после обжига приобретающее твердость камня.
Наиболее чистые глины состоят преимущественно из каолинита и называются
каолинами. В состав глин входят различные оксиды (AI2O3, SiO2, Fe2O3, CaO,
Na2O, MgO и K2O), свободная и химически связанная вода и органические примеси.
Большое влияние на свойства глины оказывают примеси. Так,
при повышенном содержании SiO2, не связанного с А12Оз, в глинистых минералах
уменьшается связующая способность глин, повышается пористость обожженных
изделий и снижается их прочность. Соединения железа, являясь сильными плавнями,
понижают огнеупорность глины. Углекислый кальций уменьшает огнеупорность и
интервал спекания, увеличивает усадку при обжиге и пористость, что уменьшает
прочность и морозостойкость. Оксиды Na2О и К2О понижают температуру спекания
глины.
0,001 мм.
Чем больше содержание глинистых частиц, тем выше
пластичность. Пластичность можно повысить добавлением высокопластичных глин, а
также введением поверхностно-активных веществ — сульфитно-дрожжевой бражки
(СДБ) и др. Понизить пластичность можно добавлением непластичных материалов,
называемых отощителями, — кварцевого песка, шамота, шлака, древесных опилок,
крошки угля.
Глины, содержащие повышенное количество глинистых фракций, обладают
более высокой связностью, и, наоборот, глины с небольшим содержанием глинистых
частиц имеют малую связность. С увеличением содержания песчаных и пылевидных
фракций понижается связующая способность глины. Это свойство глины имеет
большое значение при формовании изделий. Связующая способность глины
характеризуется возможностью связывать частицы непластичных материалов (песка,
шамота и др.) и образовывать при высыхании достаточно прочное изделие заданной
формы.
Усадкой называют уменьшение линейных размеров и объема при
сушке образца (воздушная усадка) и обжиге (огневая усадка). Воздушная усадка
происходит при испарении воды из сырца в процессе его сушки. Для различных глин
линейная воздушная усадка колеблется от 2...3 до 10...12% в зависимости от содержания
тонких фракций. Огневая усадка происходит из-за того, что в процессе обжига
легкоплавкие составляющие глины расплавляются и частицы глины в местах их
контакта сближаются. Огневая усадка в зависимости от состава глин бывает
2...8%. Полная усадка равна алгебраической сумме воздушной и огневой усадок,
она колеблется в пределах 5...18%. Это свойство глин учитывают при изготовлении
изделий необходимых размеров.
Добычу
сырья осуществляют иа карьерах открытым способом — экскаваторами.
Транспортировку сырья от карьера к заводу производят автосамосвалами,
вагонетками или транспортерами при небольшой удаленности карьера от цеха
формовки. Заводы по производству керамических материалов, как правило, строят
вблизи месторождения глины, и карьер является составной частью завода.
Подготовка
сырьевых материалов состоит из разрушения природной структуры глины, удаления
или измельчения крупных включений, смешения глины с добавками и увлажнения до
получения удобоформуемой глиняной массы.
В качестве сырья для производства керамической плитки
используются смеси различных материалов, в частности:
- глинистые материалы - которые обеспечивают пластичность влажной массы,
необходимую для формовки заготовок плитки, которые уже в сыром виде обладают
характеристиками, позволяющими выполнять с ними различные операции (в
частности, транспортные);
- кварцевое сырье - в основном кварцевый песок, который образует
"скелет" керамического изделия, то есть выполняет структурную
функцию, необходимую для того, чтобы ограничить и контролировать изменение
размеров изделия, неизбежное при сушке и обжиге;
- фельдшпатовые и/или карбонатные - материалы, содержащие полевые шпаты
(алюмосиликаты натрия, калия, кальция и т.д.) или карбонаты (в частности,
кальция), благодаря которым при обжиге достигается нужная вязкость, которая
обеспечивает стекловидную и плотную структуру готового изделия.
Глазурь представляет собой смесь различных минералов и
соединений (фритты, каолин, песок, различные окислы, красящие пигменты, которые
наносятся на поверхность изделия и расплавляются).
2.2 Приготовление смеси
Непосредственно
процесс производства начинается в карьерах, где добываются исходные
составляющие. Используемые типы глины должны иметь строго определённый
химический состав. В дальнейшем это во многом определяет свойства материала и
его поведение при штамповке и обжиге. Глины поступают на фабрику, где
складируются в специальные контейнеры, в каждый контейнер - свой сорт глины.
Затем, смешиваясь с другими компонентами в строго рассчитанной пропорции, они поступают
на участок предварительного перемалывания до определённого размера. Формование
керамической массы в зависимости от свойств исходного сырья и вида
изготовляемой продукции осуществляют полусухим, пластическим и шликерным
(мокрым) способами. При полусухом способе производства глину вначале дробят и
подсушивают, затем измельчают и с влажностью 8... 12% подают на формование. При
пластическом способе формования глину дробят, затем направляют в
глиносмеситель, где она перемешивается с отощающими добавками до получения
однородной пластичной массы влажностью 20...25%. Формование керамических
изделий при пластическом способе осуществляют преимущественно на ленточных
прессах. При полусухом способе глиняную массу формуют на гидравлических или
механических прессах под давлением до 15 МПа и более. По шликерному способу
исходные материалы измельчают и смешивают с большим количеством воды (до 60%)
до получения однородной массы — шликера. Всё это происходит в специальных
мельницах - вращающихся конусообразных трубах большого диаметра, внутренняя
часть которых имеет специальное покрытие и заполнена шарообразными жерновами из
очень прочных пород камня. Процесс помола происходит с подачей воды, поэтому
далее уже жидкая смесь поступает в специальные резервуары, где отстаивается в
течение нескольких часов, в результате чего более тяжёлая часть, содержащая
замешенные и перемолотые компоненты отделяется от более лёгкой, содержащей в
основном воду.
По команде компьютера, согласно программе производства фабрики, сырьё из
конкретного силоса поступает в технологическую башню - сооружение, где
происходит окончательное смешивание с другими типами замеса. Именно эта смесь и
определяет уже конечный вид плитки, который будет произведён. Приготовление
смеси заключается в нескольких операциях, которые обеспечивают получение
однородного материала, нужную зернистость и содержание воды, необходимое для
последующей формовки. На этом этапе производства получают:
порошок с содержанием воды 4 - 7% для формовки прессованием или массу с
содержанием воды 15 - 20%, для экструдированной плитки. В любом случае основных
операций на данном этапе три:
1) измельчение
2) смешивание гомогенизация
3) увлажнение.
Следует сделать некоторые уточнения по поводу подготовки порошка для
прессования (методом прессования производится более 95% плитки). При этом могут
использоваться две технологии:
1) сухое измельчение сырья с последующим доведением уровня влажности до нужных
значений с помощью увлажнителей и
2) влажная технология, когда сырье измельчается в воде с последующей сушкой
шликера методом распыления.
Выбор той или иной технологии зависит от типа массы и от характеристик самого
изделия.
Процесс
осушения проходит в специальных гигантских вертикальных колоннах - так
называемых атомизаторах. Влажная смесь распыляется сверху, а снизу происходит
подача горячего воздуха. Потоки горячего воздуха сушат смесь таким образом, что
на выходе из атомизатора практически уже сухая смесь состоит из одинаковых
гранул диаметром около 50 микрон.
2.3
Формовка
Для изготовления
корпуса плитки(на производстве его часто называют бисквит, так как по цвету и
форме он напоминает корж для приготовления торта) сырьевые материалы тщательно
измельчаются и перемешиваются для получения совершенно однородной массы для
последующей формовки. Для формовки применяется два метода - прессование и
экструзия. При прессовании порошкообразная масса с содержанием влаги 4 - 7%
сдавливается в двух направлениях, обычно под давлением порядка 200 - 400 кг/см
2 . Под давлением происходит перемещение и частичная деформация гранул,
благодаря чему даже необожженная плитка обладает соответствующей плотностью и
прочностью.
Важно отметить, что размер плиток, выходящих из-под пресса,
больше номинального размера примерно на 7-10%, (это примерно соответствует содержанию
влаги в замесе после пресса) то есть плитка, имеющая размер по каталогу 30х30,
имеет пока ещё размер приблизительно 32х32. Далее, в процессе сушки и
окончательного высокотемпературного обжига плитка усаживается, пропорционально
уменьшаясь в линейных размерах. Необходимо понимать, что именно это как раз и
объясняет наличие калибров, присваиваемых плитке - по сути, обозначение её
фактического размера. Вызвано это тем, что невозможно с точностью до миллиметра
предусмотреть это уменьшение в процессе обжига, оно зависит от множества
факторов. Поэтому в дальнейшем, на заключительном этапе, плитка сортируется
согласно фактическому размеру (калибру), который в свою очередь имеет небольшие
допуски, согласно нормам ISO.
Другие виды изделий (обожженные изделия, клинкер) получаются преимущественно
методом экструзии, при этом исходная масса содержит влагу от 15 до 20%в
зависимости от типа изделия. Полоса, выходящая из экструдера, режется затем на
соответствующие размеры.
2.4 Сушка
Обязательной промежуточной операцией технологического
процесса производства керамических изделий по пластическому способу является
сушка. Если же сырец, имеющий высокую влажность, сразу после формования
подвергнуть обжигу, то он растрескивается. При сушке сырца искусственным способом
в качестве теплоносителя используют дымовые газы обжигательных печей, а также
специальных топок. При изготовлении изделий тонкой керамики применяют горячий
воздух, образуемый в калориферах. Искусственную сушку производят в камерных
сушилах периодического действия или туннельных сушилах непрерывного действия.
Процесс сушки представляет собой комплекс явлений, связанных
с тепло- и массообменом между материалом и окружающей средой. В результате
происходит перемещение влаги из внутренней части изделий на поверхность и
испарение ее. Одновременно с удалением влаги частицы материала сближаются, и
происходит усадка. Уменьшение объема глиняных изделий при сушке происходит до
определенного предела, несмотря на то, что вода к этому моменту полностью еще
не испарилась. Для получения высококачественных керамических изделий процессы
сушки и обжига должны осуществляться в строгих режимах. При нагревании изделия
в интервале температур О...15О°С из него удаляется гигроскопическая влага. При
температуре 70°С давление водяных паров внутри изделия может достигнуть
значительной величины, поэтому для предупреждения трещин температуру следует
поднимать медленно (5О...8О°С/ч), чтобы скорость порообразования внутри
материала не опережала фильтрации паров через ее толщу.
Сушка выполняет
важную роль, так как на этом этапе из изделия удаляется вода, которая была необходима
для формовки. Условия сушки имеют крайне важное значение для обеспечения
целостности изделия, поэтому процесс следует тщательно контролировать во
избежание образования деформаций, растрескиваний и прочих дефектов. В
производстве керамической плитки на сегодняшний день наиболее распространенными
являются сушильные установки с сушкой горячим воздухом. Такая установка
обеспечивает диффузию влаги, то есть ее выход на поверхность изделия) и ее
дальнейшее испарение и удаление. Быстродействие установки (процесс сушки длится
несколько десятков минут) обеспечивается хорошим теплообменом, эффективной
вентиляцией и относительно высокой температурой воздуха, при которых производится
осушение.
2.5 Глазурование
Глазурь (нем. Glasur, от Glas - стекло) - стекловидное
защитно-декоративное покрытие на керамике, закрепляемое обжигом (прозрачное или
непрозрачное, бесцветное или окрашенное).
Глазурь, окрашенная в различные цвета, наносится различными
способами.
Приготовление глазури заключается в дозировании различных
материалов и их измельчении в воде. При этом получается взвесь с содержанием
воды 40 - 50%готовая к применению.
Материалы используемые для приготовления глазури расплавляются
и перемешиваются до получения однородного продукта. При последующем охлаждении
расплавленная масса затвердевает, образуя стекло, которое придает верхнему слою
плитки особые свойства. Глазурь может наноситься или на обожженную поверхность
(при двойном обжиге) или на высушенную поверхность как при одинарном обжиге.
Для нанесения глазури применяются различные виды оборудования (конусные или
фильерные автоматы, ковшовые или трубчатые дозаторы, дисковые распылители,
аэрографы). При валковом способе нанесения глазури применяется машины
RottoColor - большие круглые барабаны, покрытые специальным материалом.
Барабан, прокатываясь, наносит жидкую эмаль, и поскольку длина его окружности
намного превышает длину плитки, то за один оборот обрабатывается 3-4 плитки,
при этом нередко используется также и осевое смещение этого барабана. Всё это
нужно для того, чтобы сделать большее число плиток с неповторяющимся рисунком,
при этом сохраняя выбранный дизайн и цвет данной серии. Все эти приспособления
включаются в состав полностью автоматизированных линий, куда также входят
машины для нанесения орнамента (например, автоматы шелкографии). Некоторые виды
орнамента могут наноситься после обжига глазури; в этом случае может
потребоваться дальнейшая термообработка (третий обжиг).
2.6 Обжиг
Посредством обжига плитка, также как и другие керамические
изделия, приобретает механические характеристики, делающие ее пригодной для
различного использования, а также свойства химической инертности. Такие
характеристики являются следствием химических реакций и физических изменений,
которые происходят как в самой плитке, так и в глазури (в случае глазурованной
плитки). Обжиг производится в печах непрерывного действия, которые представляют
из себя туннель, по которому плитка перемещается на специальных транспортерах,
подвергаясь при этом сначала предварительному нагреву, а затем, нагреваясь до
температуры обжига, которая в зависимости от типа изделия может быть от 900 до
1250 °С и более. После пребывания в течение определенного времени на участке
обжига плитка перемещается далее по туннелю, последовательно охлаждаясь до
температуры, которая обеспечивает ее безопасную выгрузку из печи.
Характерным свойством глин является их способность
превращаться при обжиге в камневидную массу. В начальный период повышения
температуры начинает испаряться механически примешанная вода, затем выгорают
органические примеси, а при нагревании до 550...800°С происходит дегидратация
глинистых минералов и глина утрачивает свою пластичность.
При дальнейшем повышении температуры осуществляется обжиг —
начинает расплавляться легкоплавкая составная часть глины, которая, растекаясь,
обволакивает нерасплавившиеся частицы глины, при охлаждении затвердевает и
цементирует их. Так происходит процесс превращения глины в камневидное
состояние. Частичное плавление глины и действие сил поверхностного натяжения
расплавленной массы вызывают сближение ее частиц, происходит сокращение объема
— огневая усадка.
При температуре 200...800°С выделяется летучая часть
органических примесей глины и выгораюших добавок, введенных в состав шихты при
формовании изделий, и, кроме того, окисляются органические примеси в пределах
температуры их воспламенения. Этот период характерен весьма высокой скоростью
подъема температур — 300...350° С/ч, а для эффективных изделий — 400...450°С/ч,
что способствует быстрому выгоранию топлива, запрессованного в сырец. Затем
изделия выдерживают при этой температуре в окислительной атмосфере до полного
выгорания остатков углерода.
Дальнейший подъем температуры от 800°С до максимальной
связан с разрушением кристаллической решетки глинистых минералов и значительным
структурным изменением черепка, поэтому скорость подъема температуры замедляют
до 100...150°С/ч, а для пустотелых изделий — до 200...220°С/ч. По достижении
максимальной температуры обжига изделие выдерживают для выравнивания
температуры по всей толще его, после чего температуру снижают на 100...150°С, в
результате изделие претерпевает усадку и пластические деформации. Совокупность
процессов усадки, уплотнения и упрочнения глины при обжиге называют спеканием
глины. При дальнейшем повышении температуры масса размягчается — наступает
плавление глины.
После охлаждения плитка приобретает структуру с высокой
механической прочностью. Такие структурные изменения, играющие важную роль с
точки зрения микроструктуры, сопровождаются также усадкой, которая тем больше,
чем ниже пористость, которую нужно обеспечить. В последние 10 - 15 лет
технология обжига претерпела наиболее значительные изменения. В 70-80 - е годы
почти повсеместно для обжига керамической плитки применялись печи туннельного
типа, в которых плитка клалась штабелями или крепилась в специальных
огнеупорных ячейках. В печах такого типа обжиг продолжается от 12 до 24 часов,
в зависимости от типа изделий и степени загрузки. В конце семидесятых годов
была внедрена и в дальнейшем получила быстрое распространение технология
быстрого обжига с кладкой плитки в один слой с использованием печей, в которых
плитка перемещается по рольгангу. В печах такого типа обжиг продолжается 40 -
70 минут, в зависимости от типа изделия. При этом обеспечиваются важные
преимущества в плане снижения энергопотребления, обеспечения однородности
обжига, гибкости производства и возможности его автоматизации.
2.7 Сортировка
Обжиг завершает технологический цикл
изготовления керамической плитки. На выходе из печи мы получаем готовое
изделие, а исключением отдельных случаев специальной обработки поверхности,
которые могут применяться для определенной продукции. Примером такой
специальной обработки является, например, полирование керамического гранита.
Прежде чем поступить на участок упаковки и далее на склад, плитка тщательно
сортируется. Этот процесс призван обеспечить решение трех задач: 1) отбраковать
дефектные изделия; 2) отделить плитки первого сорта от плиток более низких
сортов; 3) сгруппировать плитки каждого сорта в торговые партии с точки зрения
размерности (калибр) и цветности (тон).
Порядок сортировки может быть следующим: после выхода из печи плитка приходит
на участок дефектоскопического контроля и калибровки, и затем визуального
контроля тональности. Далее сортируется по партиям, упаковывается, маркируется
и попадает на склад готовой продукции.
Испытания на участке дефектоскопии заключаются в том, что каждая плитка
попадает на так называемые рельсы, расположенные по краям плитки и по центру
прокатывается ролик, воздействующий на плитку с определённой нагрузкой. Если
плитка имеет дефект, то она не выдерживает нагрузки и ломается, автоматически
не попадая на дальнейшие испытания. Дефекты эмалевой поверхности проверяются
визуально, одновременно с определением тональности плитки.
В настоящее время
в мире существуют несколько технологий производства керамических плиток.
Основными являются: bicottura (прессование и затем
двойной обжиг), monocottura (прессование и одинарный обжиг), gres porcellanato
или керамический гранит (прессование и обжиг), cotto (старинная технология
одинарного обжига), клинкер (формование путём экструзии) и производство тонкой
плитки имеет свою технологию.
Получение
определенных типов керамических плиток (в соответствии с техническими
характеристиками) в первую очередь зависит от технологии производства. На рис.1
представлены основные этапы различных технологических циклов и перечислены
основные типы керамических плиток, которые они позволяют получать.
Рис.1
Технологические циклы проии зводства различных типов керамической плитки
В результате
различных вариантов сочетания технологических процессов (например, разовый
обжиг или двойной обжиг), использования разного исходного материала (белые и
красные глинистые породы), а также формовки (прессовка или экструзия),
производятся различные виды керамической плитки. |
