Глина для кераміки

Для виробництва кераміки використовують природні і штучні сировинні матеріали. Залежно від основної функції в керамічних масах їх можна розділити на три основні групи: пластичні, отоща- ющие і плавні. В особливу групу виділяють технологічні добавки, які надають ті чи інші властивості керамічним масам або готових виробах.

До пластичним матеріалами відносять глини і каоліни. Глина являє собою осадочную гірську породу, що складається з каолініту Al203-2Si02-2H20, монтмориллонита Al203-4Si02-H20-nH20, иллитом (гідрослюд) K20-Mg0-4Al203-7Si02-2H20 і інших глинистих мінералів, які надають їй пластичні властивості, і домішок (кварцових, карбонатних, залізистих, сульфатних, органічних, розчинних солей і ін.). У технічному розумінні глина являє собою осадочную гірську породу, яка у вологому стані легко формується, при висиханні стає твердою і крихкою, зберігаючи надану їй форму, а після випалу втрачає сприйнятливість до впливу води і переходить в необоротне каменеподібний стан.

Пластинчаста будова кристалічної решітки глинистих мінералів обумовлює відносно вільне переміщення окремих частинок глин при затво- рении їх водою. Цим пояснюється їх пластичність. Властивості цих мінералів різні, що пов'язано з особливостями будови їх кристалічних решіток. Каолініт відрізняється щільним будовою кристалічної решітки, в зв'язку з чим він погано приєднує воду при зволоженні і легко віддає її при сушінні. Каолініт підвищує вогнетривкість глин.

Кристалічна решітка монтморилоніту відрізняється нещільним будовою, вона дуже рухлива, здатна приєднувати і міцно утримувати велику кількість води. Монтморилонітові глини відрізняються дуже великий набухаемостио, пластичністю, але примхливі в сушці.

Иллит за своїми властивостями і, перш за все, по відношенню до води займає проміжне положення між каолинитом і монтморилонітом.

Домішки в глинах перебувають у вигляді тонкодисперсних частинок або включень. Включеннями вважають час- стіци розміром більше 0,5 мм у виробництві тонкої кераміки і розміром більше 2 мм в виробництві виробів грубої кераміки. Домішки надають істотний вплив як на формувальні властивості глин, так і на властивості готових виробів.

Широко поширена домішка - кварцовий пісок; він міститься в глинах в різних кількостях (до 60%), погіршуючи пластичність і сполучну здатність глин, а також їх обпалювальні властивості шляхом зниження тріщиностійкості в процесі охолодження обпалених виробів внаслідок модифікаційних перетворень кварцу. При цьому можливе зниження міцності і морозостійкості виробів. Однак великий кварцовий пісок покращує сушильні властивості глин, тому його іноді спеціально вводять до складу формувальних мас для підвищення їх тріщиностійкості при сушінні. Тонкодисперсний кварцовий пісок (шлюф) погіршує сушильні властивості глин.

Залізисті домішки, що зустрічаються в глинах у вигляді включень гідроксиду заліза, мінералів лимонита Fe203-H20-nH20, піриту FeS2 і сідеріта FeC03, будучи сильними плавнями, знижують вогнетривкість глин і забарвлюють палючого вироби в червоно-бурі тони. Такі домішки погіршують якість беложгу- трудящих виробів (фасадних і облицювальних плиток, лицьової цегли світлих тонів, порцеляни, фаянсу, архітектурно-художніх деталей), але підвищують якість виробів з щільним черепком (плиток для підлог, каналізаційних труб), а також глиняної цегли та пористих заповнювачів (керамзиту та аглопорита). Знижують якість виробів включення піриту і в меншій мірі сідеріта. Вони утворюють в процесі випалу чорний залозистий легкоплавкий шлак у вигляді виплавок.

Карбонатні домішки (кальцит, доломіт) знижують вогнетривкість глин, скорочують інтервал спікання виробів, незначно підвищують їх пористість і знижують міцність. Для виробництва стіновий кераміки карбонатні домішки в тонкодисперсном вигляді не шкідливі, а для виробництва виробів з щільним черепком дуже шкідливі. Найбільш шкідливі кам'янисті карбонатні включення, в повному обсязі реагують при випалюванні з компонентами глини. Утворений оксид кальцію при поглинанні водяної пари з повітря або при зволоженні обпалених виробів гідратіруется з різким збільшенням обсягу, руйнуючи їх.

Зустрічається іноді в глинах гіпс є шкідливою домішкою, що приводить до утворення виплавок.

Органічні домішки фарбують глину і обпалені вироби в темні тони, тому небажані при отриманні беложгущихся виробів. У процесі випалу органічні домішки вигорають, підвищуючи пористість виробів і створюючи відновну середу всередині черепка. У зв'язку з цим вони корисні для виробництва стіновий кераміки і керамзиту і шкідливі для виробництва виробів з щільним черепком. Розчинні солі, особливо сульфатні, мігруючи в процесі сушіння на поверхню виробу, утворюють на ній білі соляні нальоти. Сульфат натрію, кристаллизуясь в порах вироби, може привести до його руйнування.

Глини, що мають незначну кількість домішок і складаються переважно з каолініту, називають каолінами. Каолін в порівнянні з глинами характеризуються більш крупнокристаллическим будовою і меншою пластичністю.

Гранулометричний склад глин тісно пов'язаний з їх мінералогічним і хімічним складами. Він істотно впливає на властивості глин. Чим більше Тонкодисперсні глина, тим вище її пластичність, що пов'язує здатність, більше повітряна усадка і нижче тріщиностійкість при сушінні. Високопластична глини містять частинок розміром <5 мкм (глинистой фракции) до 80—90 % и незначительное количество пылевидной фракции (размером 5—50 мкм) и песчаной фракции (50 мкм — 2 мм).

Найважливіші властивості глин - властивості, які проявляються при взаємодії їх з водою (пластичність, єднальна здатність), при сушінні виробів (повітряна усадка) і при їх випалюванні (вогнева усадка, вогнетривкість, спекаемость).

Пластичність глин - їх здатність при замішуванні водою утворювати тісто, яке під впливом зовнішніх сил може приймати будь-яку форму без появи тріщин і розривів і зберігати її після припинення дії цих сил. Пластичність глин залежить від їх гранулометричного і мінералогічного складів: чим більше глинистої фракції і чим більше монтмориллонита в складі глини, тим вона пластичнее, легше формується і тим більшу усадку при сушінні має. Пластичність глин регулюють: введенням отощающих добавок в надмірно пластичні, мають дуже велику усадку при сушінні глини; введенням в худі глини високопластичних глин або пластифікуючих добавок або застосуванням спеціальних прийомів - вилежуванні або відмулюванням глини, вакуумированием, обробкою її парою, посиленою механічною обробкою на гліноперерабативающіх машинах (бегунах, вальцах, глиномялки і ін.).

Єднальна здатність глин - їх здатність зв'язувати частинки непластічних матеріалів і утворювати при замішуванні водою хорошій формі масу без значної втрати міцності сформованого сирцю. Визначається вона максимально можливою кількістю чистого кварцового піску, при добавці якого можна отримати масу з хорошими формувальними властивостями. Високопластична глини допускають введення піску до 60-80%.

Повітряна усадка глин (лінійна або об'ємна) - скорочення лінійних розмірів і об'єму зразка при сушінні - відбувається в результаті зменшення товщини водних оболонок навколо часток глини під дією сил капілярного тиску, а також у міру підсихання під дією сил осмотичного тиску і міжмолекулярної тяжіння. Повітряна лінійна усадка глин коливається від 2 до 10-12% в залежності від їх гранулометричного складу, збільшуючись з підвищенням вмісту тонкодисперсних фракцій. Повітряна усадка в значній мірі впливає на тріщино- ностойкость виробів при сушці. З метою зменшення усадочних напруг і підвищення тріщиностійкості виробів при сушці до складу формувальної маси вводять отощители (пісок, шамот, бій цегли, тирса), ПАР (СДБ і ін.) Або вакуумируют глину, зрошують поверхню глиняного бруса при формуванні виробів волого затримують складами (наприклад бітумною емульсією) і т. п.

Вогнева усадка глин (скорочення лінійних розмірів і об'єму зразка при випалюванні) відбувається в результаті зближення частинок під дією сил поверхневого натягу утворюється навколо них рідкої фази. Вогнева усадка коливається в межах 2-8% в залежності від хіміко-мінералогічного складу глини. У сильно запесоченних глин в процесі випалу іноді спостерігається не усадка, а збільшення обсягу через мо- діфікаціонних перетворень кварцу.

Вогнетривкість глин - їх здатність протистояти впливу високих температур, не розплавляючись. Глинисті матеріали в силу своєї полімінеральних не мають певної температури плавлення, вони плавляться в деякому інтервалі температур. Умовно за вогнетривкість глин приймають температуру, при якій стандартний зразок з неї в формі тригранної зрізаної піраміди висотою 30 мм, зі сторонами нижньої основи 8 мм і верхнього підстави 2 мм торкнеться вершиною підставки, на якій він встановлений. За огнеупорности глини підрозділяють на легкоплавкі (tor менш 1350 ° С), тугоплавкі (t0г 1350-1580 ° С), вогнетривкі (tor більш 1580 ° С).

Спікливість глин - їх здатність при випалюванні ущільнюватися з утворенням твердого каменеподібні черепка. Спікання буває рідинним - шляхом стягування твердих частинок утворюється при випалюванні рідкою фазою і твердофазових - шляхом рекристалізації мінералів і реакцій у твердій фазі. При спіканні різко збільшується міцність і зменшується водопо- глощеніе виробів. Спеченого вважається черепок з водопоглинанням менше 5% без ознак перепалу, а повністю спеченого - з водопоглинанням не більше 1-2%.

Для регулювання пластичних властивостей глин, зниження усадки при сушінні і випалі, запобігання появи в процесі теплової обробки тріщин і деформацій і отримання бездефектних виробів до складу керамічних мас вводять отощающие добавки: кварцовий пісок, нізкопластічние глинисті породи, шамот, зневоднені глину, паливні та інші шлаки ,

золи ТЕС, бій і шлюб обпалених керамічних виробів і ін.

До Кварцові піски є одним з кращих прибуткових отощітеля. У виробництві будівельної кераміки застосовують кварцові піски крупністю 0,25 1 мм. Дрібні піски погіршують сушильні властивості глин і знижують їх зв'язність, більший пісок погіршує зовнішній вигляд виробів - виходить шорстка поверхня. Зазвичай вводять 10-25% кварцового піску, більшу кількість такої добавки може привести до зниження міцності і морозостійкості виробів. При нагріванні кварц зазнає ряд поліморфних перетворень. Ці перетворення супроводжуються об'ємними змінами, особливо значними і небезпечними при великих структурних перетвореннях в кристалічній решітці і переході в різнойменну модифікацію. У зв'язку з цим при виборі режиму випалу виробів слід враховувати необхідність температурних зупинок для локалізації напружень від модіфіка- ційних перетворень кварцу.

В технології тонкої кераміки найбільш придатні жильний кварц і кварцити. При випалюванні понад 1000 ° С кварцові матеріали реагують з легкоплавкими сполуками в глинах, беручи участь в процесі спікання керамічного черепка. Розчиняючись в силікатних розплавах, кварц сприяє збільшенню в'язкості рідкої фази і запобігання деформацій вироби.

З штучних отощітеля у виробництві тонкої кераміки і вогнетривких матеріалів найбільш часто застосовують шамот, який одержують шляхом випалу в шахтних або обертових печах вогнетривких і тугоплавких глин при тих же температурах, при яких обпалюють вироби, з подальшим подрібненням до частинок розміром 0,14-2 мм.

Зневоднені глину отримують випалюванням в обертових печах, іноді на стрічкових агломераційних машинах або в печах киплячого шару при 600- 800 ° С. При такій температурі вона втрачає пластичні властивості і набуває властивостей отощітеля. Застосовують зневоднені глину зазвичай у виробництві стіновий кераміки, додаючи до складу формувальної маси 30-50%.

До охляли добавкам, які виконують одночасно роль вигоряючими, відносять деревна тирса, вугілля, торф, відходи вуглезбагачувальних фабрик, золи ТЕС. Ці добавки при низьких температурах грають роль ото щающую, а при високих температурах сприяють випалу, знижують витрату палива, підвищуючи пористість і зменшуючи щільність вироби.

Плавні вводять до складу керамічних мас з метою підвищення ступеня спікання керамічної маси і зниження температури випалу виробів, збільшення їх щільності і міцності і зменшення водопоглинання. До плавнях відносять матеріали, які або самі мають більш низьку температуру плавлення, ніж глина, і цим обумовлюють зниження температури її спікання, або утворюють в процесі випалу при реакції з компонентами керамічної маси легкоплавкі з'єднання. До перших відносять польові шпати, пегматити, нефелінові сиеніти і ін. До других-доломіт, крейда, магнезит та ін.

Польовошпатних породи забезпечують появу в керамічних масах розплаву склоподібної фази, необхідної для спікання черепка. Ця фаза розчиняє кремнеземисті компоненти керамічної маси, надає виробам при випалюванні стійкість до деформацій і сприяє утворенню нових кристалічних фаз з розплаву, в тому числі муллита 3Al203-2Si02, підвищує міцність виробів.

Найбільш цінною сировиною, застосовуваним в якості плавнів, що забезпечує високу ступінь спікання і мінімальні деформації виробів, є калієвий гольовий шпат (ортоклаз, микроклин) К20-А1203-6Si02. Його особливість полягає у великій в'язкості при високих температурах і незначному зниженні її з підвищенням температури. Повне розплавлення його відбувається при 1510-1530 ° С.

Натрієвий польовий шпат (альбіт) Na20-Al203- • 6Si02-в порівнянні з калієвих менш якісну сировину. Він має значно меншу в'язкість при високих температурах, більш низьку температуру плавлення (1120-1200 ° С), менший інтервал в'язкого стану, що обумовлює схильність випалюються виробів до деформацій. Польові шпати в чистому вигляді рідко зустрічаються в природі. У зв'язку з цим широко застосовують гірські породи, що містять тверді розчини калієвого і натрієвого польового шпату: пегматити, нефелінові сиеніти і ін.

Як плавнів в керамічному виробництві застосовують також розчинні солі лужних металів: соду Na2C03- 10Н20, буру Na20-2B203-ЮН20 і ін. Які попередньо спекают або сплавляють (фриту) з частиною шихти, ніж та прискорюють спікання керамічних мас. В останні роки замість польового шпату при виготовленні плиток і санітарно-технічних виробів стали застосовувати перліт - кисле вулканічне скло, розм'якшується при 980-1070 ° С і плавящееся при 1300-1320 ° С. Доломіт CaC03-MgC03, магнезит MgC03, крейда Сас03 - при випалюванні диссоциируют з виділенням С02. Утворені при цьому оксиди СаО, MgO реагують з компонентами керамічної маси, утворюючи легкоплавкі з'єднання.

Залежно від області застосування керамічних виробів для додання їм тих чи інших властивостей до складу маси вводять спеціальні добавки. Так, для отримання теплоізоляційної кераміки вводять поро- утворюють добавки: газо- і піноутворювачі, легкі пористі заповнювачі (наприклад спучений перліт), вигоряючі добавки (деревна тирса, полістирол і ін.). З метою підвищення пластичності маси вводять добавки високопластичних глин, бентоніт, лігнін, ПАР.

Для запобігання утворенню соляних нальотів на глиняному цеглі при використанні глин, що містять розчинні солі, вводять Віттер-карбонат барію.