Технологические основы производства потребительских товаров

     Керамические  изделия и материалы классифицируют по назначению и свойствам, по основному  используемому сырью или фазовому составу спекшейся керамики (табл.1). В зависимости от состава сырья и температуры обжига, керамические изделия подразделяют на два класса: полностью спекшиеся (плотные, блестящие в изломе изделия с водопоглощением не выше 0,5%) и пористые (частично спекшиеся изделия с водопоглощением до 15%). Различают грубую керамику, имеющую крупнозернистую, неоднородную в изломе структуру (например, строительный и шамотный кирпич), и тонкую керамику с однородным, мелкозернистым в изломе и равномерно окрашенным черепком (например, фарфор, фаянс).

       Основные сырьевые материалы, применяемые в керамической промышленности, также делятся на две группы: пластичные и непластичные. К пластичным материалам относятся те, которые при смешивании с водой образуют пластичное тесто, способное под воздействием внешних сил принимать любую форму без образования трещин и разрывов и сохранять её после сушки и обжига - это каолины (глинистые породы белого цвета различных оттенков, состоящие главным образом из каолинита) и глины (осадочные горные породы, состоящие в основном из глинистых минералов). К непластичным материалам относятся: отощающие материалы (используются для снижения пластичности и воздушной усадки глин); флюсы или плавни (способствуют повышению степени однородности и снижению температуры спекания глин); порообразующие  или выгорающие (для получения лёгких керамических изделий) и специального назначения (для придания изделиям определённых свойств).

     Так, важнейшим компонентом исходной массы при производстве тонкой керамики являются полевые шпаты (главным образом микролин) и кварц – всё это непластичные материалы. Полевые шпаты, особенно чистых сортов, и их сростки с кварцем добываются из пегматитов. Во все возрастающих количествах кварцево-полевошпатовое сырье добывается из разнообразных горных пород путем обогащения и очистки от вредных минеральных примесей. Однако повышенные и резко дифференцированные требования, предъявляемые к керамике металлургией, электротехникой и приборостроением, обусловили развитие производства огнеупоров и др. видов технической керамики на основе чистых окислов, карбидов и др. соединений. Свойства некоторых видов технической керамики резко отличаются от свойств изделий, изготовляемых из глин и каолинов, и потому объединяющими признаками керамических изделий и материалов остаются их получение спеканием при высоких температурах, а также использование в производстве родственных технологических методов, к которым относятся: карьерные работы, подготовка глиняной массы (то есть обработка сырья и приготовление керамической массы), изготовление (формование изделий), сушка отформованных изделий, обжиг, обработку изделий и упаковку. Рассмотрим эти методы подробней.

     Добыча  глины осуществляется в карьерах. Керамические заводы строят вблизи месторождения, и карьер является составной частью завода. Поступление в производство мёрзлой глины недопустимо, т.к. изделия из неё имеют определённые пороки, повышается нагрузка на добычные машины, вследствие чего учащаются их поломки. Поэтому в производство должна подаваться только талая глина. Экономически выгодно годовой расход глины обеспечивать добычей её только в летний период, чтобы создать определённый запас для работы в зимний период.

     Подготовка  глиняной массы. В зависимости от свойств исходного сырья и вида изготовляемой продукции, керамические массы подразделяют на порошкообразные, пластичные и жидкие (шликерный способ). Для изготовления  порошкообразной керамической массы сырьевые материалы дробят на вальцах, выдерживают в сушильном барабане,  измельчают в дезинтеграторе, просеивают, увлажняют и перемешивают. Такой способ в основном используется при производстве плиток для облицовки стен и полов.

       Перемешиванием глин и каолинов  с отстающими добавками во  влажном состоянии (18—26% воды  по массе) получают пластические  формовочные массы. Такой способ применяется при производстве глиняного кирпича, керамических камней, черепицы, труб.

     Жидкие  керамические массы получают шликерным  способом подготовки - высушенные измельчённые материалы измельчают в порошок  и смешивают с водой до получения однородной массы (суспензии) – литейного шликера. Так в производстве фарфора, фаянса и некоторых др. видов керамики пластичную формовочную массу получают из шликера частичным обезвоживанием его в фильтр - прессах с последующей гомогенизацией в вакуумных массомялках и шнековых прессах. При изготовлении некоторых видов технической керамики литейный шликер приготовляют без глин и каолинов, добавляя в тонкомолотую смесь исходного сырья термопластические и поверхностно-активные вещества (например, парафин, воск, олеиновую кислоту), которые потом удаляются предварительным низкотемпературным обжигом изделий.

       Формование изделий осуществляется преимущественно на прессах: порошкообразные массы, как правило, формуют на гидравлических или механических, пластичные в основном на ленточных вакуумных или безвакуумных.

     Сушка изделий является обязательной промежуточной стадией технологического процесса производства керамических изделий. В естественных условиях сушка производится на стеллажах в помещениях или под навесами вне их. Заформованные тем или иным способом изделия подвергаются сушке в камерных, туннельных или конвейерных сушилках. Туннельные печи экономичнее кольцевых в силу более высокого уровня механизации производства, а также лучшего использования тепловой энергии.

     В процессе обжига происходят сложные  физико-химические превращения в  материале. В печь поступает сырец  влажностью 8-12%. В начальной период происходит досушивание его дымовыми газами, отходящими из зоны обжига (при 100 – 200 °С). При температуре 200-800°С выделяется летучая часть органических примесей глины и выгорающих добавок, введённых в состав шихты. В интервале температур 550-800°С происходит дегидратация глинистых минералов и удаление химически связанной, конституционной воды. При этом разрушается кристаллическая решетка наиболее легкоплавких глинистых минералов и глина теряет прочность. Легкоплавкие составляющие глины расплавляются, и частицы глины в местах их контакта сближаются, происходит усадка изделий. Дальнейший подъем температуры до максимальной обуславливает значительные структурные изменения черепка. Появляются новообразования, образуется искусственный минерал муллит, который придаёт прочность, водостойкость, термическую стойкость и др. С повышением температуры глина необратимо переходит в камневидное состояние, происходит спекание керамического черепка, твердые его частицы сближаются и цементируются жидкой фазой.

     При достижении максимальной температуры  обжига изделия подвергают изотермической выдержке для выравнивания температуры  по всей их толще. Охлаждение их ведут очень медленно, постепенно снижая температуру до 500-600°С. Затем вагонетки с изделиями обдувают холодным воздухом. Температура обжига изделий из легкоплавких глин составляет 900-1100°С, производительность туннельных печей – до 500 млн. шт. кирпича в год.

     Обжиг является завершающей и наиболее ответственной стадией производства керамических изделий, т.к. в процессе обжига формируется их структура, определяющая наиболее важные технические свойства изделий: прочность, водостойкость, морозостойкость  и др. Режим обжига определяет качество продукции, технико-экономические показатели производства керамических изделий (расход топлива, электроэнергии и др.).

     После выгрузки из печи изделия сортируют  с учетом технических условий, приводимых в ГОСТах.

     2.2 Производство стекла

     Стеклом называются все аморфно-кристаллические  материалы, получаемые путём переохлаждения расплава, независимо от их химического состава и температурной области и затвердения. Эти материалы в результате постепенного увеличения вязкости обладают механическими свойствами твёрдых материалов, например, упругостью (свойство твердого тела восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия нагрузки). Прозрачность стекла, его высокая механическая прочность, химическая стойкость, плотность, газо- и водонепроницаемость, способность к механической обработке позволяют использовать изделия из него в самых разнообразных конструкциях зданий и сооружений.

     Сырьевые  материалы, применяемые для производства изделий из стекла делятся на две группы - главные и вспомогательные.

     Главные сырьевые материалы составляют основные компоненты стекла (оксиды кремния, алюминия, бора, натрия, калия, кальция, магния), их вводят в стекломассу в виде природных соединений. Рассмотрим некоторые из них.

     Кремнезем (SiO₂) – главные стеклообразующий оксид, с увеличением его содержания повышается тугоплавкость и химическая стойкость стекла. Он вводится в стекломассу в виде кварцевого песка или молотых кварцитов и песчаников. Для обеспечения постоянства состава шихты и удаления вредных примесей пески обогащают.

     Глинозем (Al₂O₃) – вводится в стекломассу в виде пегматита, полевошпатовых концентратов, а для высокосортных стекол – в виде чистого оксида алюминия. Влияние Al₂O₃ на свойства стекла аналогично действию SiO₂.

     Оксид бора (B₂O₃) способствует снижению коэффициента его температурного расширения, повышению термостойкости и химической устойчивости, механической прочности, а также к ускорению процесса варки стекла.

     Оксид калия (K₂O) снижает склонность стекла к кристаллизации, придает ему блеск и прозрачность.

     Оксид натрия (Na₂O) способствует ускорению процесса стеклообразования и облегчению осветления стекломассы, но обуславливает повышение коэффициента температурного расширения стекла и снижение его химической устойчивости.

     Вспомогательные сырьевые материалы вводятся в стекломассу для ускорения варки стекла и приданию ему требуемых свойств. По своему назначению подразделяются на группы: ускорители варки, осветлители, обесцвечиватели, красители и глушители.

     Ускорители  способствуют появлению жидкой фазы стекломассы при более низких температурах и увеличению скорости процесса силикатообразования. Обычно это кремнефтористый натрий.

     Осветлители способствуют освобождению стекломассы  от газовых пузырей при высоких  температурах.

     Обесцвечиватели оказывают как физическое действие на стекломассу (создают дополнительную окраску стекла примесью – обычно это селен и его соединения, оксиды никеля, марганца, кобальта), так  и химические (переводят окрашивающую примесь в бесцветную форму –  селитра, сульфат натрия, мышьяковистый  ангидрид).

     Глушители способствуют получению непрозрачного  стекла. Это соединения фтора и  фосфора, кремнефтористый натрий и  др.

     Красители – окрашивают стека в различные  цвета. Могут быть молекулярными (кобальт, хром, марганец, уран, железо), полностью  растворяющимися в стекломассе  и коллоидными, равномерно распределяющимися в ней в виде частичек (золото, серебро, селен и др.).

     Основные  требования к качеству всех сырьевых материалов – химическая однородность, постоянство химического и гранулометрического  состава, содержание красящих примесей – от этого напрямую зависит степень  химической однородности стекломассы.

     Производство  стела включает: подготовку сырьевых материалов, приготовление стекольной шихты, варку стекла, формование изделий, отжиг формованных изделий.

     Сырьевые  материалы предварительно дробят, подвергают сушке, тонкому измельчению. Кварцевый  песок обогащают, высушивают. Составные компоненты, взятые для поучения стекла заданного химического состава в строго определённом соотношении, взвешивают на весах, перемешивают в смесителях тарельчатого типа, получая шихту.

     Требование  к шихте – высокая степень  однородности. Однородная шихта облегчает  процесс стеклообразования и  исключает ряд пороков в готовом  стекле. С целью сохранения однородности шихты при транспортировке и  загрузке в печь проводят её брикетирование и гранулирование => устраняется пыление шихты, расслаивание, ускоряется провар, улучшается качество стекломассы.

     Стекловарение. Процесс варки принято делить на 4 стадии: силикатообразование, стеклообразование, гомогенизация, студка. Эти стадии накладываются  друг на друга и последовательно  переходят одна в другую. Охарактеризуем стадии по главнейшим признакам протекающих  процессов.

     Силикатообразование. Уже при температуре 400°С начинаются реакции в твердой фазе. Затем  при нагревании появляется жидкая фаза и образовавшиеся силикаты превращаются в плотный монолитный спек. При  дальнейшем нагревании силикаты растворяются.

     В образовавшемся расплаве растворяются наиболее тугоплавкие компоненты –  кремнезем и глинозем. Этот расплав  насыщен газовыми пузырьками и неоднороден  по составу. Газообразные включения  удаляются из расплыва путем диффузий к поверхности стекломассы. Процесс  может быть ускорен введением  добавок, перемешиванием стекломасс, и  обработка ультразвуком.