Технология производства строительных материалов, изделий и конструкций

Раздел: Строительство

В соответствии с принятой технологией переработки сырья и подготовки массы формование керамических изделий производят тремя способами: пластическим, полусухим, литьем. Наиболее распространен первый. Он предназначен для формования стеновых керамических изделий, черепицы, канализационных и дренажных труб, а также архитектурно-художественной керамики. Второй используют для формования керамических плиток. Третьим способом формуют изделия сложной конфигурации (санитарно-техническую и декоративную керамику), а также некоторые виды плиток.

Способ пластического формования. Изготовление керамических изделий из пластичного теста (с влажностью 18—26 %) обычно осуществляют на ленточных шнековых прессах (с вакуумом или без вакуума), а изделий сложной конфигурации, например, пазовой черепицы, — штамповкой на револьверных или других прессах, архитектурно-художественных деталей — ручным формованием в гипсовых формах.

Формование изделий на ленточных шнековых прессах основано на свойстве пластичных глиняных масс деформироваться под воздействием внешних сил без разрыва сплошности и сохранять приданную им форму после прекращения действия этих сил. Основным условием применения этого способа является использование вязких масс, силы внутреннего сцепления (когезия) которых больше адгезионных сил сцепления с поверхностью формующего оборудования и коэффициент внутреннего трения больше коэффициента внешнего трения.

Ленточный вакуумный пресс ( 4.7) состоит из глиносмесителя, вакуум-камеры, шнекового винта, вращающегося внутри цилиндра пресса, прессующей головки и мундштука. В зависимости от вида изделий выходное отверстие мундштука имеет различную форму: прямоугольную для сплошного кирпича, со вставными

стержнями (кернами) —для пустотелых камней, кольцевую — для труб и т. д.

В глиносмесителе масса обычно подогревается паром до 50—80 °С. Вместо паропрогрева иногда применяют электропрогрев. Из глиносмесителя масса продавливается через дырчатую перегородку в вакуум-камеру, где происходит удаление воздуха и частично паров воды. Вакуумированная масса шнековым валом уплотняется и подается в прессующую головку с мундштуком, откуда выходит в виде непрерывного глиняного бруса, нарезаемого затем на изделия требуемых размеров с помощью резательных устройств.

Возникающие в процессе продвижения массы напряжения сдвига и расслоение массы приводят к образованию при сушке и обжиге круговых и s-образных трещин. Наиболее распространенным пороком такого формования является «свиль» — спиральные трещины, возникающие вследствие плохой связности напластованных конусов. Для ликвидации таких пороков необходимо регулировать свойства массы и правильно конструировать рабочие органы пресса с целью получения бруса с минимально возможной величиной сдвиговых напряжений.

Свилеобразование увеличивается с повышением давления прессования, коэффициента внешнего трения и уменьшается с повышением связности, адгезионных свойств массы и коэффициента внутреннего трения.

Для уменьшения коэффициента внешнего трения в массу вводят ПАВ и орошают головку пресса водой или смесью из отработанных масел. Для увеличения коэффициента внутреннего трения вводят отощающие добавки (гранулированный шлак, дегидратированную глину и др.). Увеличение влажности массы и особенно ее паровое увлажнение понижают давление истечения и увеличивают липкость массы, т. е. способность восстанавливать нарушенную сплошность. Вакуумирование, как правило, понижает свилеобразование.

Конструкция пресса и режимы его работы в значительной степени влияют на образование дефектов формования. Свиль возникает в головке пресса, поэтому, в частности, изменением длины головки пресса можно в широких пределах регулировать скорость формуемой массы и ее склонность к нарушению сплошности. Наилучшие результаты получаются, когда длина и конусность головки пресса обеспечивают движение массы по сечению мундштука со скоростью, имеющей вид параболы с плоской вершиной и минимально возможным перепадом скоростей. Длина головки пресса находится в пределах 100—300 мм, при этом для пластичных масс она наименьшая — не превышает 200 мм, для тощих — 300 мм. Применение плоских головок длиной 50 мм возможно только для глин, не склонных к нарушению сплошности.

Скорость вращения шнекового вала должна составлять 18—32 мин-1, превышение ее значительно увеличивает прессовое давление и склонность массы к свиле- образованию. При использовании упругих масс, расширяющихся при выходе из мундштука, скорость вращения шнекового вала следует уменьшать. Имеются рекомендации по применению вибрирующих головок и голо- иок с уплотняющим контуром, а также ультразвука для предотвращения свилеобразования.

Изделия сложной конфигурации из пластичных масс (черепицу и др.) изготовляют методом штампования на револьверных, рычажных и других прессах из заготовок, предварительно сформованных на ленточных прессах. Ограниченное применение имеет формование из пластичных масс изделий сложной конфигурации (архитектурно-художественных и декоративных изделий) лепкой в гипсовых формах.

В настоящее время в нашей стране происходит интенсивное обновление прессового оборудования. Вместо прессов СМ-294 и СМ-443 производительностью до 5 тыс. шт/ч промышленность оснащается прессами блочной конструкции СМК-28А производительностью 7 тыс. шт/ч, созданными на базе пресса СМ-443, агрегатными вакуумными прессами производительностью 7, 10 и 15 тыс. шт/ч в автоматизированных комплексах (линий СМК-182, СМК-316, линий по типу оборудования итальянской фирмы «Морандо» и др.).

За рубежом для изготовления изделий из пластичных масс разработаны прессы жесткого формования, а также роторные бесшне- ковые «Европрессы», позволяющие получать брус повышенной прочности, что обеспечивает возможность укладки изделий сразу па печные вагонетки для сушки и обжига в одном агрегате и автоматизации технологического процесса. Шнековыс прессы жесткого формования имеют большую мощность главного двигателя (до 350—400 кВт) и двигателя глиномешалки (150—200 кВт). При этом давление в головке пресса достигает 8—10 МПа, прочность сформованного изделия (сырца) 0,2—0,4 МПа. Основные узлы пресса изготовлены из высоколегированной стали.

Роторные прессы принципиально отличаются от шиековых. Если в шпсковом прессе нагнетание глиномассы происходит за счет скольжения ее по поверхности лопастей и прилипание глиномассы к ним снижает производительность, то в роторных прессах нагнетание массы в головку происходит благодаря ее предварительному прилипанию к поверхности ротора и последующему срезанию с ротора зубьями. Прочность бруса при формовании на роторном прессе достигает 0,2 МПа, что позволяет проводить садку сырца сразу иа обжиговую вагонетку штабелем в 12—14 рядов.

Способ полусухого формования (прессование из керамических порошков) заключается в компрессионном прессовании изделий из сыпучих порошкообразных масс с влажностью 8—12 % под большим давлением (15— 40 МПа). Разновидностью его является сухой способ, применяемый для прессования керамических порошков с влажностью 2—8 %.

Прессование изделий из керамических порошков нашло широкое применение для изготовления плоских тонкостенных изделий (например, керамических плиток). В последние годы наметилась тенденция к расширению прессования в производстве изделий стеновой керамики (кирпича и керамических камней).

Этот способ перспективен с позиций комплексной механизации. Его преимущества перед пластическим формованием: возможность использования малопластичных глин, сокращение длительности сушки изделии и всего технологического цикла, большая прочность отформованных изделий. Применение полусухого способа в производстве кирпича позволяет проводить садку сырца на обжиговые вагонетки и исключить из технологии его перегрузку с сушильных вагонеток на обжиговые. Кроме того, полученные изделия имеют стабильные геометрические размеры (точность размеров до 0,1 мм при давлении прессования 15—20 МПа). Это определяет минимальные усадки при сушке и пониженные усадки при обжиге, а также возможность применения надежных автоматов — садчиков кирпича-сырца на печные вагонетки. Способ полусухого прессования кирпича дает возможность в перспективе использовать его для сухой безрастворной кладки при строительстве одпо- и двухэтажных зданий.

Однако этот способ имеет и недостатки: необходимость применения более сложного прессующего оборудования с удельным давлением 15—40 МПа, более высокой температуры обжига изделий и высококвалифицированного обслуживания.

В процессе прессования керамических порошков происходит их уплотнение за счет перемещения частиц, их деформации и частичного разрушения.

После снятия прессующего давления происходит упругое расширение изделия, и оно тем больше, чем больше влажность порошка, выше скорость прессования, меньше однородность порошка по крупности зерен и больше содержание глинистой фракции. В некоторых случаях упругое расширение достигает 8—10 %. Причинами такого увеличения объема изделия после прессования являются упругое расширение запрессованного воздуха, обратимые деформации твердых частиц и адсорбционное расклинивание контактов водой, выжатой при прессовании в более крупные поры.

Упругое расширение прессовки приводит к возникновению трещин расслаивания в изделиях. Основная причина их возникновения — упругое расширение запрессованного воздуха. Количество запрессованного воздуха выражают коэффициентом запрессовки воздуха Кз.в, представляющим собой долю запрессованного воздуха в общем его объеме в порошке. Для тонкозернис-Тых глинистых порошков /Сэ.в составляет 0,37—0,715, для грубозернистых отощенных порошков — 0,303—0,57.

Запрессованный воздух создает внутри изделия давление, которое зависит от влажности порошка: при влажности 6—8 % оно не превышает 2 МПа, при влажности 10—12 % достигает 10 МПа. С целью предотвращения появления трещин расслаивания рекомендуется применять порошки наиболее однородные по крупности зерен и влажности, с небольшим содержанием глинистой фракции и использовать для формования прессы высокого давления с двухсторонним многократным ступенчатым приложением нагрузки. Для уменьшения количества запрессованного воздуха применяют смесители, приспособленные для вакуумирования пресс-порошков в процессе перемешивания.

Основным показателем деформативных свойств (прессуемости) керамических порошков является компрессионная кривая, отражающая зависимость осадки порошка при прессовании от удельного давления прессования. Компрессионные кривые носят затухающий характер. При увеличении давления осадка сначала интенсивно возрастает, затем снижается и при определенном давлении практически полностью прекращается. Для керамических порошков повышение давления сверх 30—40 МПа не дает ощутимого уплотнения прессовки.

В соответствии с уравнением, неравномерность распределения усилий прессования по толщине изделия увеличивается с повышением Н и уменьшается с повышением R. Кроме того, давление прессования неодинаково по площади прессования из-за наличия бокового трения порошка о стенки формы. Это приводит к неравномерности получаемого давления.

Уменьшить перепады давления прессования и неравномерную плотность сырца можно пластификацией порошков, подогревом пресс-форм и правильным выбором режима прессования. Предпочтительно двухстороннее прессование при многократном (ступенчатом) приложении нагрузки с низким давлением в первый период для удаления воздуха и высоким давлением во второй период для окончательного прессования с паузой без нагрузки между этими периодами для наиболее полного удаления воздуха из порошка. При этом скорость нарастания давления во второй период должна быть в 5—6 раз выше, чем в первый, а общая продолжительность прессования не менее 1,5—3,5 с.

С повышением удельного давления прессования увеличивается прочность изделий. Оптимальное давление прессования, как правило, находится в пределах 15— 40 МПа, в частности для формования изделий из порошков на основе глин давление прессования должно составлять 20—30 МПа, диатомитов 15—25 МПа, аргиллитов и отходов углеобогащения 25—40 МПа.

На большинстве заводов для полусухого прессования кирпича применяют рычажный пресс с двухсторонним двухступенчатым прессованием СМ-301 и плавно нарастающим давлением. На некоторых заводах применяют ротационно-рычажные прессы СМ-198А, ротационные прессы АМ-11А, а также коленно-рычажные прессы СМ-143А. В связи с тем, что эти прессы имеют недостаточное усилие прессования, оии пригодны для формования только полнотелых изделий. Для формования кирпича с пустотностью 10—20 % применяют прессы СМ-1085А с большим усилием прессования.

Для прессования керамических плиток из порошков применяют гидравлические прессы КРУ-160 и коленно- рычажные прессы КРКп-125 с гидравлическим протиоо-

давлением, двухступенчатым прессованием (первая ступень при 4—6 МПа, вторая при 22—30 МПа), со сбросом давления между первой и второй ступенями для предотвращения запрессовки воздуха.

В целях повышения качества керамических изделий в мировой практике наметилась тенденция применения мощных прессов с максимальным усилием прессования 800—1000 т (для плиток) и 3000 т (для пустотелых камней).

Способ литья применяют для производства санитар- но-технических изделий, декоративной керамики, а также тонкостенных малогабаритных керамических плиток. Этот способ основан на способности глин образовывать в водной среде устойчивые суспензии, а также на большой водоаккумулирующей способности применяемых форм (гипсовых — в производстве санитарно-техничес- ких изделий и пористых керамических лещадок — в производстве плиток).

Процесс образования на стенках форм относительно плотного, частично обезвоженного слоя, являющегося стенками формуемого изделия, называют «набором черепка». Жесткость отливки при наборе черепка обусловливается отсосом влаги формой под воздействием капиллярных сил. В процессе получения отливки на стенках формы образуется уплотненный слой с низкой влагопро- водностью, вследствие чего интенсивность перемещения влаги в шликере уменьшается, причем тем значительнее, чем выше плотность слоя. Таким образом, при наборе черепка происходят влагообменные процессы в системе: шликер — отливка (черепок) — форма.

Скорость набора черепка зависит от фильтрационных свойств формы, шликера и в значительной степени от фильтрационных свойств образующегося пристеночного слоя отливки. Скорость фильтрации воды в форме должна быть несколько выше или равна скорости фильтрации ее в уплотненном слое образуемой отливки. При значительном превышении скорости фильтрации воды в форме на пристеночном слое отливки образуется очень плотный слой, резко замедляющий скорость набора черепка и обусловливающий возникновение внутренних напряжений и появление трещин в отливке. При замедленной скорости фильтрации в форме вода накапливается в ее поверхностных слоях, что приводит к размыванию формы и прилипанию изделия к ней.

Фильтрационные свойства шликера и образующегося осадка в значительной степени определяются гранулометрическим составом твердой фазы шликера: при ото- щении шликера скорость фильтрации увеличивается. Однако при этом снижается прочность изделий и их качество из-за неодинаковой толщины получаемых отливок. Для улучшения фильтрационных свойств системы: шликер — отливка (черепок) — гипсовая форма в производстве изделий санитарно-строительной керамики применяют подогрев шликера и форм (до 60 °С), их вакуумирование, введение в шликер электролитов, проведение процесса литья под давлением, под вакуумом, вибрацию шликера и форм, обработку шликера ультразвуком и т. д.