Оглавление
- Технологический процесс производства крупноформатных керамических блоков
- Подготовка керамической массы
- Формование пустотелых керамических блоков
- Сушка керамических изделий и воздушная усадка
- Обжиг керамических блоков и огневая усадка
- Расчет размеров формовочного инструмента с учетом усадки
- Конструкция мундштука для формования пустот
- Контроль качества и требования ГОСТ 530-2012
- Часто задаваемые вопросы
Технологический процесс производства крупноформатных керамических блоков
Производство крупноформатных керамических блоков представляет собой высокотехнологичный процесс, основанный на методе пластического формования глинистого сырья с последующей термической обработкой. Крупноформатные поризованные блоки изготавливаются по технологии, аналогичной производству керамического кирпича, но с существенными отличиями в конструкции формовочного инструмента и режимах термообработки.
Основные этапы производства включают: подготовку глинистого сырья, приготовление керамической массы с введением поризаторов, формование изделий методом экструзии через специальный мундштук, сушку сырца, обжиг и контроль качества готовой продукции. Каждый из этих этапов требует строгого соблюдения технологических параметров для обеспечения требуемых характеристик конечного продукта.
Подготовка керамической массы
Глинистое сырье является основным компонентом для производства керамических блоков. Для обеспечения оптимальных свойств керамической массы применяется глина с показателем пластичности в диапазоне 15-25 единиц. Карьерная глина подвергается вылеживанию в течение 6-12 месяцев с периодическим увлажнением и промораживанием для улучшения технологических свойств.
В состав керамической массы для производства поризованных блоков вводятся органические поризаторы - древесные опилки фракцией 0,5-3,0 мм в количестве 8-15% от массы сухой глины. При обжиге опилки выгорают при температуре 400-600 градусов Цельсия, образуя равномерно распределенную микропористую структуру, которая снижает теплопроводность материала.
| Компонент массы | Содержание, % масс. | Функциональное назначение |
|---|---|---|
| Глина основная | 70-85 | Пластификатор, основа керамической матрицы |
| Песок кварцевый | 5-15 | Отощитель, снижение усадки |
| Опилки древесные | 8-15 | Поризатор, снижение плотности |
| Вода технологическая | 18-22 | Обеспечение пластичности |
Приготовление формовочной массы
Глинистое сырье проходит многоступенчатую обработку в глиноразрыхлителях и вальцах для достижения однородности и удаления каменистых включений. Влажность формовочной массы устанавливается на уровне 18-22% в зависимости от пластичности исходного сырья. Перед формованием масса подвергается вакуумированию при остаточном давлении 0,04-0,06 МПа для удаления воздушных включений и повышения плотности.
Формование пустотелых керамических блоков
Формование крупноформатных керамических блоков осуществляется методом пластической экструзии на ленточных прессах производительностью 8-12 тонн в час. Керамическая масса продавливается через мундштук под давлением 1,5-2,5 МПа, образуя непрерывный брус с заданной конфигурацией пустот. Процесс формования является наиболее ответственным этапом, определяющим геометрические параметры и структуру готовых изделий.
Конструктивные особенности экструзионного процесса
Ленточный пресс состоит из питающего бункера, шнекового механизма подачи, вакуум-камеры и формующей головки с мундштуком. Шнек обеспечивает равномерное перемещение массы с одновременным уплотнением и перемешиванием. Диаметр шнека составляет 400-550 мм при длине рабочей части 1200-1600 мм. Частота вращения шнека регулируется в диапазоне 15-25 об/мин в зависимости от требуемой производительности.
Пример расчета производительности пресса
Производительность ленточного пресса определяется по формуле:
Q = F × V × ρ × 60
где Q - производительность, кг/ч; F - площадь поперечного сечения бруса, м²; V - скорость выхода бруса, м/мин; ρ - плотность сырца, кг/м³.
Для блока формата 14,3NF с размерами 510×250×219 мм и пустотностью 50%:
F = 0,51 × 0,25 × 0,5 = 0,064 м²
При V = 1,2 м/мин и ρ = 1600 кг/м³:
Q = 0,064 × 1,2 × 1600 × 60 = 7373 кг/ч
Резка и обработка сырца
Непрерывный керамический брус разрезается автоматическими резательными устройствами с натянутыми стальными струнами диаметром 0,8-1,2 мм или специальными ножевыми системами. Частота резания синхронизируется со скоростью выхода бруса для обеспечения заданной длины изделий. После резки сырец укладывается на сушильные вагонетки роботизированными укладчиками.
Сушка керамических изделий и воздушная усадка
Сушка керамического сырца представляет собой процесс удаления физически связанной влаги, сопровождающийся значительным изменением линейных размеров изделий. Для крупноформатных блоков применяется камерно-туннельная сушка при температуре теплоносителя 120-150 градусов Цельсия. Продолжительность сушки составляет 36-48 часов в зависимости от размеров изделий и начальной влажности сырца.
Механизм воздушной усадки
При удалении влаги происходит сближение частиц глинистых минералов за счет действия капиллярных сил, что приводит к уменьшению объема изделия. Величина воздушной усадки зависит от минералогического состава глины и количества отощающих добавок. Для глин средней пластичности с введением 10-15% песка воздушная усадка составляет 5-7%. Усадка происходит преимущественно в период удаления свободной влаги до достижения кожетвердого состояния при остаточной влажности 8-10%.
| Период сушки | Влажность, % | Температура, °C | Относительная влажность воздуха, % | Продолжительность, часы |
|---|---|---|---|---|
| Прогрев | 18-16 | 40-60 | 85-90 | 6-8 |
| Интенсивная сушка | 16-8 | 80-120 | 50-60 | 20-28 |
| Досушка | 8-2 | 120-150 | 25-35 | 10-12 |
Обжиг керамических блоков и огневая усадка
Обжиг является завершающей и наиболее энергоемкой стадией производства, в процессе которой происходят физико-химические превращения, обуславливающие формирование прочной керамической структуры. Для обжига крупноформатных блоков применяются туннельные печи длиной 80-120 метров с производительностью до 40 тысяч условных кирпичей в сутки.
Физико-химические процессы при обжиге
В интервале температур 20-200 градусов Цельсия удаляется остаточная гигроскопическая влага и происходит медленный прогрев изделий. При температуре 450-600 градусов Цельсия выгорают органические поризаторы с выделением 8-12 МДж/кг теплоты, что требует регулирования подачи топлива в печь. При 573 градусах Цельсия происходит полиморфное превращение кварца из альфа-модификации в бета-модификацию с увеличением объема на 0,82%, что при быстром нагреве может вызвать растрескивание.
В температурном диапазоне 500-900 градусов Цельсия происходит дегидратация каолинита с образованием метакаолинита и выделением химически связанной воды. При температуре 850-950 градусов Цельсия разлагаются карбонаты с выделением углекислого газа. Максимальная температура обжига керамических блоков составляет 950-1000 градусов Цельсия, при которой происходит спекание керамической массы с образованием жидкой фазы.
Огневая усадка и спекание
Огневая усадка обусловлена процессами спекания и образования жидкой фазы, которая заполняет поры и стягивает частицы керамической массы. Величина огневой усадки для глин средней спекаемости составляет 2-4%. Суммарная усадка (воздушная плюс огневая) достигает 7-11% в зависимости от состава массы и режима термообработки.
| Температурный интервал, °C | Физико-химические процессы | Скорость нагрева, °C/час | Продолжительность, часы |
|---|---|---|---|
| 20-200 | Удаление остаточной влаги | 30-50 | 4-5 |
| 200-600 | Выгорание поризаторов, начало дегидратации | 40-70 | 6-8 |
| 600-900 | Разложение карбонатов, завершение дегидратации | 60-80 | 4-5 |
| 900-1000 | Спекание, максимальная температура | 40-60 | 2-3 |
| 1000-600 | Регулируемое охлаждение | 60-100 | 6-8 |
| 600-200 | Ускоренное охлаждение | 100-150 | 3-4 |
Расчет общей продолжительности обжига
Общая продолжительность цикла обжига в туннельной печи составляет:
tобщ = tпрогрев + tобжиг + tохлаждение
tобщ = (4-5) + (12-16) + (9-12) = 25-33 часа
Для печи длиной 100 м при продолжительности цикла 30 часов скорость движения вагонеток:
V = L / tобщ = 100 / 30 = 3,33 м/час
Расчет размеров формовочного инструмента с учетом усадки
Размеры формовочного мундштука определяются исходя из требуемых размеров готовых изделий с учетом воздушной и огневой усадки. Расчет выполняется обратным методом от конечных размеров с применением коэффициентов усадки, установленных экспериментально для конкретной керамической массы.
Методика расчета размеров мундштука
Размер мундштука по каждому измерению определяется по формуле:
Lм = Lг × (1 + Uв/100) × (1 + Uо/100)
где Lм - размер мундштука, мм; Lг - размер готового изделия, мм; Uв - воздушная усадка, %; Uо - огневая усадка, %.
Практический пример расчета
Исходные данные:
Требуемые размеры готового блока: 510 × 250 × 219 мм (формат 14,3NF)
Воздушная усадка: Uв = 6%
Огневая усадка: Uо = 3%
Расчет размеров мундштука:
Длина: Lм = 510 × (1 + 0,06) × (1 + 0,03) = 510 × 1,06 × 1,03 = 557 мм
Ширина: Bм = 250 × 1,06 × 1,03 = 273 мм
Высота: Hм = 219 × 1,06 × 1,03 = 239 мм
Проверочный расчет после сушки:
Lсырец = 557 × (1 - 0,06) = 524 мм
После обжига:
Lготов = 524 × (1 - 0,03) = 508 мм ≈ 510 мм (с учетом допуска)
Учет неравномерности усадки
В практике производства наблюдается неравномерность усадки по различным направлениям. Продольная усадка вдоль направления экструзии обычно на 0,5-1% меньше поперечной из-за ориентации частиц глины в направлении движения массы. Это требует введения поправочных коэффициентов при проектировании мундштука.
| Направление измерения | Воздушная усадка, % | Огневая усадка, % | Общая усадка, % | Коэффициент увеличения |
|---|---|---|---|---|
| Длина (направление экструзии) | 5,5 | 2,8 | 8,3 | 1,091 |
| Ширина (поперек экструзии) | 6,2 | 3,1 | 9,3 | 1,103 |
| Высота (вертикально) | 6,0 | 3,0 | 9,0 | 1,099 |
Конструкция мундштука для формования пустот
Мундштук ленточного пресса представляет собой прецизионный инструмент, изготавливаемый из высокохромистого износостойкого чугуна или нержавеющей стали. Конструкция мундштука включает формующую и калибрующую зоны. В формующей зоне происходит постепенное сужение канала с коэффициентом обжатия 1,5-2,5, что обеспечивает уплотнение массы. Калибрующая зона имеет постоянное сечение длиной 100-150 мм для окончательного формирования геометрии бруса.
Проектирование конфигурации пустот
Пустоты формируются системой продольных керамических стержней, закрепленных в мундштуке. Толщина внутренних перегородок между пустотами составляет 8-12 мм, толщина наружных стенок - не менее 12 мм согласно ГОСТ 530-2012. Ширина щелевых пустот ограничена 12 мм, диаметр цилиндрических сквозных пустот - 16 мм. Пустотность крупноформатных блоков достигает 50-55%, что обеспечивает низкую теплопроводность и снижение массы изделий.
| Параметр мундштука | Типоразмер 1 | Типоразмер 2 | Типоразмер 3 |
|---|---|---|---|
| Формат блока, NF | 10,7 | 14,3 | 11,2 |
| Размеры готового блока, мм | 380×250×219 | 510×250×219 | 398×250×219 |
| Размеры мундштука, мм | 415×273×239 | 557×273×239 | 434×273×239 |
| Количество рядов пустот | 3 | 4 | 3 |
| Толщина перегородки, мм | 10 | 9 | 10 |
| Пустотность, % | 50 | 52 | 51 |
Оптимизация геометрии пустот
Конфигурация пустот оказывает существенное влияние на теплотехнические характеристики блоков. Современные мундштуки третьего и четвертого поколений обеспечивают формирование пустот со сложной траекторией теплового потока, что увеличивает термическое сопротивление стены на 15-20% по сравнению с прямоугольными пустотами. Толщина внутренних перегородок снижена до 8-9 мм при сохранении необходимой прочности за счет оптимизации конфигурации.
Контроль качества и требования ГОСТ 530-2012
Крупноформатные керамические блоки должны соответствовать требованиям ГОСТ 530-2012. Контроль качества осуществляется на всех этапах производства с применением измерительного инструмента и испытательного оборудования. Основные контролируемые параметры: геометрические размеры, прочность при сжатии, морозостойкость, водопоглощение, теплопроводность.
Допустимые отклонения размеров
Отклонения от номинальных размеров не должны превышать: по длине ±10 мм, по ширине ±5 мм, по толщине ±4 мм. Толщина наружных стенок должна быть не менее 12 мм, толщина внутренних перегородок - не менее 8 мм для изделий с вертикальным расположением пустот. Отклонение от перпендикулярности смежных граней не более 3 мм, отклонение от плоскостности лицевых поверхностей не более 4 мм.
| Показатель качества | Метод определения | Допустимое значение |
|---|---|---|
| Прочность при сжатии | ГОСТ 8462-85 | Марки от M75 до M200 |
| Морозостойкость | ГОСТ 7025-91 | Марки F25, F35, F50 |
| Водопоглощение | ГОСТ 7025-91 | Не менее 6%, не более 18% |
| Теплопроводность | ГОСТ 7076-99 | 0,18-0,36 Вт/(м×К) |
| Средняя плотность | ГОСТ 530-2012 | 700-1200 кг/м³ |
| Радиоактивность | ГОСТ 30108-94 | Не более 370 Бк/кг |
Дефекты изделий и методы их предупреждения
Основными дефектами керамических блоков являются: трещины, отколы, искривления, неравномерность обжига. Трещины формируются при нарушении режима сушки или обжига вследствие неравномерного распределения температур и влажности. Предупреждение дефектов достигается строгим соблюдением технологических параметров, применением автоматизированных систем управления процессами и регулярным контролем качества сырья.
Часто задаваемые вопросы
Расчет размеров мундштука выполняется по формуле: Lм = Lг × (1 + Uв/100) × (1 + Uо/100), где Lг - размер готового изделия, Uв - воздушная усадка в процентах, Uо - огневая усадка в процентах. При типовых значениях усадки 6% воздушной и 3% огневой, размеры мундштука составят: длина 557 мм, ширина 273 мм, высота 239 мм. Рекомендуется предварительно определить фактическую усадку для конкретной керамической массы путем испытаний контрольных образцов.
Согласно ГОСТ 530-2012, толщина наружных стенок пустотелых керамических блоков должна быть не менее 12 мм, толщина внутренних перегородок между пустотами - не менее 8 мм. Эти требования обусловлены необходимостью обеспечения достаточной прочности изделия и предотвращения разрушения тонких элементов при сушке и обжиге. Для современных блоков с оптимизированной геометрией пустот толщина внутренних перегородок составляет 8-10 мм, что обеспечивает баланс между теплотехническими характеристиками и механической прочностью.
Несоблюдение режима сушки приводит к возникновению значительных напряжений в керамическом изделии из-за неравномерного удаления влаги по объему. Быстрая сушка вызывает образование прочной корки на поверхности, препятствующей выходу влаги из внутренних слоев, что приводит к растрескиванию. Оптимальный режим сушки предусматривает медленный прогрев до 60 градусов Цельсия с высокой относительной влажностью воздуха 85-90%, что обеспечивает равномерное удаление влаги. Общая продолжительность сушки крупноформатных блоков составляет 36-48 часов.
Оптимальная температура обжига керамических блоков составляет 950-1000 градусов Цельсия. Эта температура обеспечивает достаточное спекание керамической массы с формированием прочной структуры при сохранении пористости от выгоревших органических добавок. Превышение температуры выше 1000 градусов может привести к чрезмерному спеканию и деформации изделий, недостаточная температура обжига не обеспечит требуемой прочности. Общая продолжительность обжига в туннельной печи составляет 25-33 часа, включая прогрев, собственно обжиг и охлаждение.
Пустотность керамических блоков напрямую влияет на теплопроводность материала. Воздух в пустотах имеет теплопроводность 0,026 Вт/(м×К), что в 10-15 раз ниже теплопроводности керамики. При увеличении пустотности с 40% до 55% теплопроводность блока снижается примерно с 0,35 до 0,25 Вт/(м×К). Оптимальная пустотность для крупноформатных блоков составляет 50-55%, что обеспечивает баланс между теплотехническими характеристиками и прочностью. Важна не только величина пустотности, но и конфигурация пустот - сложная траектория теплового потока дополнительно увеличивает термическое сопротивление.
Оптимальное количество органического поризатора (древесных опилок) составляет 8-15% от массы сухой глины. При меньшем содержании не достигается требуемая пористость структуры и теплопроводность остается высокой. Превышение содержания поризатора выше 15% приводит к снижению прочности изделий и усложнению процесса обжига из-за чрезмерного выделения газов. Фракционный состав опилок должен быть 0,5-3,0 мм для равномерного распределения пор в керамической матрице. Выгорание поризатора происходит при температуре 400-600 градусов Цельсия с выделением теплоты, что требует регулирования температурного режима печи.
Растрескивание при обжиге вызвано несколькими факторами: недостаточная просушка изделий, слишком быстрый нагрев, неравномерное распределение температуры в печи. Критическим моментом является интервал 530-620 градусов Цельсия, где происходит полиморфное превращение кварца с изменением объема. Скорость нагрева в этом интервале не должна превышать 40-50 градусов в час. Трещины также могут образовываться при недостатке отощающих добавок в массе или при наличии крупных включений, вызывающих локальные напряжения. Предупреждение дефектов достигается строгим соблюдением режима обжига и качественной подготовкой сырья.
Контроль качества керамических блоков осуществляется по нескольким направлениям. Геометрические размеры проверяются измерительным инструментом на соответствие допускам ГОСТ 530-2012. Прочность определяется испытанием на сжатие согласно ГОСТ 8462-85, при этом испытывается не менее 5 образцов из партии. Морозостойкость оценивается методом многократного замораживания-оттаивания по ГОСТ 7025-91. Водопоглощение измеряется путем насыщения образцов водой. Дополнительно контролируется внешний вид, наличие трещин, отколов, правильность геометрии пустот. На заводах применяются автоматизированные системы контроля размеров и прочности.
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно ознакомительный и информационно-справочный характер. Представленная информация не является руководством к действию и не заменяет технической документации производителя оборудования, а также требований действующих нормативных документов. Автор не несет ответственности за решения, принятые на основе информации, изложенной в статье, а также за возможные ошибки или неточности технического характера. При проектировании технологических линий и производстве керамических изделий необходимо руководствоваться действующими ГОСТами, техническими регламентами и проектной документацией, разработанной специализированными организациями.
Источники
- ГОСТ 530-2012 "Кирпич и камень керамические. Общие технические условия"
- ГОСТ 8462-85 "Материалы стеновые. Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе"
- ГОСТ 7025-91 "Кирпич и камни керамические и силикатные. Методы определения водопоглощения, плотности и контроля морозостойкости"
- Августиник А.И. "Керамика". Учебник для вузов. Ленинград: Стройиздат, 1975
- Книгина Г.И. "Строительные материалы из горных пород". Москва: Высшая школа, 1983
- Нохратян К.А. "Сушка и обжиг в промышленности строительной керамики". Москва: Стройиздат, 1976
- Роговой М.И. "Технология искусственных пористых заполнителей и керамики". Москва: Стройиздат, 1974
- Справочник по производству стеновых материалов. Под ред. Онацкого С.П. Киев: Будівельник, 1970
