Содержание статьи
- Физическая природа усадки керамических изделий
- Виды усадки при производстве керамики
- Воздушная усадка: формулы расчёта
- Огневая усадка: механизм и расчёт
- Полная усадка керамических материалов
- Расчёт размеров формовочного инструмента
- Факторы, влияющие на величину усадки
- Практические примеры расчёта
- Контроль усадки в производственных условиях
- Часто задаваемые вопросы
Физическая природа усадки керамических изделий
Усадка керамических изделий представляет собой уменьшение линейных размеров и объёма изделия в процессе технологической обработки. Данное явление обусловлено сложными физико-химическими процессами, происходящими на разных стадиях производства керамики.
При формовании керамическая масса содержит значительное количество воды, необходимой для обеспечения пластичности. Глинистые частицы окружены водными оболочками, а пространство между ними заполнено свободной водой. По мере удаления влаги происходит сближение частиц, что приводит к уменьшению размеров изделия. В процессе высокотемпературного обжига происходят процессы спекания, сопровождающиеся дополнительным уплотнением материала.
Виды усадки при производстве керамики
В технологии керамического производства различают три основных вида усадки, каждый из которых связан с определённым технологическим этапом.
Воздушная усадка
Воздушная усадка происходит на стадии сушки отформованного изделия при температуре не выше 110 градусов Цельсия. Механизм воздушной усадки связан с удалением свободной и частично связанной влаги из керамической массы. При испарении воды глинистые частицы сближаются под действием капиллярных сил, что приводит к уменьшению объёма изделия.
Огневая усадка
Огневая усадка наблюдается в процессе обжига керамических изделий при температурах от 800 до 1200 градусов Цельсия и выше. На этой стадии происходят сложные процессы: удаление химически связанной воды, разложение органических примесей при температуре 200-600 градусов Цельсия, плавление легкоплавких компонентов, заполняющих пространство между тугоплавкими частицами, и спекание материала с образованием прочных связей между зёрнами.
Полная усадка
Полная усадка представляет собой суммарное изменение размеров изделия за весь технологический цикл от формования до готовой продукции. Для различных керамических материалов полная усадка может составлять от 5 до 18 процентов, а для отдельных видов, таких как фарфор, достигать 14-16 процентов.
| Тип керамического материала | Воздушная усадка, % | Огневая усадка, % | Полная усадка, % |
|---|---|---|---|
| Кирпич керамический рядовой | 5-8 | 2-5 | 7-10 |
| Кирпич облицовочный | 6-9 | 3-6 | 9-12 |
| Плитка керамическая | 6-10 | 4-7 | 10-14 |
| Фарфор | 5-7 | 10-15 | 14-20 |
| Фаянс | 4-6 | 6-10 | 10-14 |
Воздушная усадка: формулы расчёта
Воздушная усадка определяется экспериментально на образцах керамической массы. Для определения линейной воздушной усадки на свежеотформованном изделии наносят две контрольные метки на заданном расстоянии друг от друга и измеряют расстояние между ними до и после сушки.
Формула линейной воздушной усадки
Lв = [(l0 - l1) / l0] × 100%
где:
- Lв - линейная воздушная усадка, %
- l0 - расстояние между метками на свежеотформованном образце, мм
- l1 - расстояние между метками после сушки, мм
Формула объёмной воздушной усадки
Vв = [(V0 - V1) / V0] × 100%
где:
- Vв - объёмная воздушная усадка, %
- V0 - объём свежеотформованного образца, см³
- V1 - объём образца после сушки, см³
Пример расчёта линейной воздушной усадки
Исходные данные:
На свежеотформованном образце кирпича нанесены метки на расстоянии l0 = 250 мм. После сушки до воздушно-сухого состояния расстояние между метками составило l1 = 235 мм.
Решение:
Lв = [(250 - 235) / 250] × 100% = (15 / 250) × 100% = 6%
Ответ: Линейная воздушная усадка составляет 6%.
Огневая усадка: механизм и расчёт
Огневая усадка характеризует изменение размеров высушенного изделия в процессе обжига. Величина огневой усадки зависит от температуры обжига, минералогического состава глинистого сырья, дисперсности исходных компонентов и режима термической обработки.
Формула линейной огневой усадки
Lо = [(l1 - l2) / l1] × 100%
где:
- Lо - линейная огневая усадка, %
- l1 - размер образца после сушки, мм
- l2 - размер образца после обжига, мм
При температуре 200-600 градусов Цельсия происходит выгорание органических примесей и удаление химически связанной воды, что приводит к потере пластичности материала. На этой стадии изделие становится хрупким и начинается его уменьшение в размерах. При дальнейшем повышении температуры легкоплавкие соединения переходят в вязко-текучее состояние и заполняют промежутки между тугоплавкими частицами, что приводит к дополнительному уплотнению структуры.
| Температура обжига, °C | Процессы в керамической массе | Изменение усадки |
|---|---|---|
| 200-600 | Удаление химически связанной воды, выгорание органики | Начало усадки |
| 600-900 | Разложение карбонатов, начало спекания | Интенсивная усадка |
| 900-1200 | Активное спекание, образование стекловидной фазы | Максимальная усадка |
| Выше 1200 | Завершение спекания, формирование керамического черепка | Стабилизация размеров |
Пример расчёта огневой усадки
Исходные данные:
Высушенный образец имеет длину l1 = 235 мм. После обжига при температуре 1050 градусов Цельсия длина составила l2 = 226 мм.
Решение:
Lо = [(235 - 226) / 235] × 100% = (9 / 235) × 100% = 3,83%
Ответ: Линейная огневая усадка составляет 3,83%, что округляется до 3,8%.
Полная усадка керамических материалов
Полная усадка определяется как суммарное изменение размеров изделия от момента формования до получения готовой продукции после обжига и охлаждения.
Формула полной линейной усадки
Lп = [(l0 - l2) / l0] × 100%
где:
- Lп - полная линейная усадка, %
- l0 - размер свежеотформованного изделия, мм
- l2 - размер изделия после обжига, мм
Пример расчёта полной усадки
Исходные данные:
Для изготовления керамического кирпича стандартного размера 250×120×65 мм необходимо определить полную усадку. Свежеотформованное изделие имело размер по длине l0 = 270 мм. После сушки и обжига размер составил l2 = 250 мм.
Решение:
Lп = [(270 - 250) / 270] × 100% = (20 / 270) × 100% = 7,41%
Ответ: Полная линейная усадка составляет 7,41%, что округляется до 7,4%.
Расчёт размеров формовочного инструмента
Основная задача технолога при проектировании формовочного инструмента заключается в определении размеров пресс-формы или мундштука таким образом, чтобы после прохождения всех стадий технологического процесса получить изделие требуемых размеров в соответствии с государственными стандартами.
Формула расчёта размера формообразующей полости
D = M / (1 - Sп/100)
или в упрощённом виде:
D = M × (1 + Sп/100)
где:
- D - размер формообразующей полости пресс-формы, мм
- M - требуемый размер готового изделия, мм
- Sп - полная усадка, %
Метод коэффициента усадки
В практике керамического производства часто используют метод расчёта через коэффициент усадки, который представляет собой отношение размера формы к размеру готового изделия.
Расчёт через коэффициент усадки
Kу = 100 / (100 - Sп)
D = M × Kу
где:
- Kу - коэффициент усадки (безразмерный)
- Sп - полная усадка, %
Практический пример расчёта размеров пресс-формы
Задача:
Необходимо изготовить пресс-форму для производства керамического кирпича стандартного размера 250×120×65 мм. По данным испытаний керамической массы полная усадка составляет 8%.
Решение:
1. Расчёт коэффициента усадки:
Kу = 100 / (100 - 8) = 100 / 92 = 1,0870
2. Расчёт размеров формообразующей полости:
Длина: Dдл = 250 × 1,0870 = 271,74 мм ≈ 272 мм
Ширина: Dшир = 120 × 1,0870 = 130,43 мм ≈ 130 мм
Высота: Dвыс = 65 × 1,0870 = 70,65 мм ≈ 71 мм
Ответ: Размеры формообразующей полости пресс-формы должны быть 272×130×71 мм.
| Полная усадка, % | Коэффициент усадки Kу | Размер формы для кирпича 250 мм |
|---|---|---|
| 5 | 1,0526 | 263 мм |
| 6 | 1,0638 | 266 мм |
| 7 | 1,0753 | 269 мм |
| 8 | 1,0870 | 272 мм |
| 9 | 1,0989 | 275 мм |
| 10 | 1,1111 | 278 мм |
| 12 | 1,1364 | 284 мм |
| 15 | 1,1765 | 294 мм |
Учёт допусков при проектировании форм
При проектировании формовочного инструмента необходимо учитывать допуски на размеры готовой продукции, установленные стандартами. Согласно ГОСТ 530-2012 для изделий пластического формования предельные отклонения от номинальных размеров не должны превышать по длине 5 мм, по ширине 4 мм, по толщине 3 мм.
Расчёт размеров формы с учётом допусков
Для охватывающих размеров (отверстия, полости):
Dmin = Mmax × Kу
Dmax = Mmin × Kу + δф
где:
- Mmax, Mmin - максимальный и минимальный размеры готового изделия, мм
- δф - допуск на изготовление формы, мм
Факторы, влияющие на величину усадки
Величина усадки керамических изделий определяется множеством факторов, связанных как со свойствами исходного сырья, так и с параметрами технологического процесса.
Влияние состава керамической массы
Минералогический состав глинистого сырья оказывает определяющее влияние на усадку. Каолинитовые глины характеризуются меньшей усадкой по сравнению с монтмориллонитовыми глинами, что связано с различной способностью этих минералов связывать воду. Каолинитовые глины имеют воздушную усадку 5-7%, тогда как монтмориллонитовые могут достигать 8-10%.
Влияние отощающих добавок
Введение в керамическую массу отощающих добавок позволяет регулировать величину усадки. Кварцевый песок, шамот, молотый шлак образуют жёсткий каркас, ограничивающий сближение глинистых частиц при сушке и обжиге. Увеличение содержания отощающих добавок с 10 до 30% может снизить воздушную усадку на 2-3%.
| Фактор | Влияние на усадку | Механизм воздействия |
|---|---|---|
| Дисперсность глины | Повышение дисперсности увеличивает усадку | Увеличение удельной поверхности и количества связанной воды |
| Содержание отощающих добавок | Увеличение содержания снижает усадку | Формирование жёсткого каркаса в структуре материала |
| Влажность формовочной массы | Повышение влажности увеличивает усадку | Увеличение объёма удаляемой влаги при сушке |
| Температура обжига | Повышение температуры увеличивает огневую усадку | Интенсификация процессов спекания и уплотнения |
| Скорость сушки | Оптимальная скорость обеспечивает равномерную усадку | Предотвращение градиентов влажности в изделии |
Режимы сушки и обжига
Скорость сушки должна соответствовать способности керамической массы отдавать влагу без образования трещин. При слишком быстрой сушке в изделии возникают градиенты влажности, приводящие к неравномерной усадке и растрескиванию. Оптимальная скорость сушки определяется экспериментально для каждого типа керамической массы.
Режим обжига существенно влияет на величину огневой усадки. Повышение максимальной температуры обжига и увеличение времени выдержки при этой температуре приводит к более полному спеканию материала и увеличению усадки. Скорость нагрева и охлаждения также должна контролироваться для предотвращения термических напряжений.
Практические примеры расчёта
Пример 1: Расчёт размеров мундштука для пластического формования
Задача:
Требуется изготовить мундштук ленточного пресса для производства полнотелого кирпича размером 250×120×65 мм. Экспериментально установлена полная усадка керамической массы 9,5%.
Решение:
1. Определение коэффициента усадки:
Kу = 100 / (100 - 9,5) = 100 / 90,5 = 1,1050
2. Расчёт размеров выходного отверстия мундштука:
Длина: Dдл = 250 × 1,1050 = 276,24 мм ≈ 276 мм
Ширина: Dшир = 120 × 1,1050 = 132,60 мм ≈ 133 мм
Высота: Dвыс = 65 × 1,1050 = 71,82 мм ≈ 72 мм
Ответ: Размеры выходного отверстия мундштука 276×133×72 мм.
Пример 2: Проверочный расчёт размеров готового изделия
Задача:
Имеется пресс-форма с размерами полости 270×128×70 мм. Полная усадка керамической массы составляет 7,2%. Определить размеры готового изделия.
Решение:
1. Расчёт размеров готового изделия:
M = D × (1 - Sп/100)
Длина: Mдл = 270 × (1 - 7,2/100) = 270 × 0,928 = 250,56 мм ≈ 251 мм
Ширина: Mшир = 128 × 0,928 = 118,78 мм ≈ 119 мм
Высота: Mвыс = 70 × 0,928 = 64,96 мм ≈ 65 мм
Ответ: Размеры готового изделия составят приблизительно 251×119×65 мм, что соответствует стандартным размерам кирпича с учётом допусков.
Пример 3: Расчёт для керамической плитки
Задача:
Необходимо изготовить керамическую плитку размером 300×300 мм. Воздушная усадка составляет 7%, огневая усадка - 6,5% от размера высушенного образца. Определить размер заготовки для резки из сырого пласта.
Решение:
1. Расчёт полной усадки через последовательное применение формул:
После сушки размер составит: l1 = l0 × (1 - 0,07)
После обжига размер составит: l2 = l1 × (1 - 0,065) = l0 × 0,93 × 0,935
l2 = l0 × 0,8696
2. Расчёт размера заготовки:
l0 = l2 / 0,8696 = 300 / 0,8696 = 345,0 мм
Ответ: Размер заготовки для резки должен составлять 345×345 мм.
Контроль усадки в производственных условиях
Систематический контроль усадки является важной частью технологического процесса керамического производства. Контроль проводится на всех стадиях производства для своевременного выявления отклонений и корректировки технологических параметров.
Методика определения усадки
Для определения усадки из производственной партии отбирают не менее пяти образцов. На свежеотформованных образцах наносят контрольные метки твёрдым карандашом или несмываемой краской на расстоянии, соответствующем номинальному размеру изделия.
Измерения проводят штангенциркулем по ГОСТ 166 или металлической линейкой по ГОСТ 427 с точностью до 1 мм. Расстояние между метками измеряют на свежеотформованном образце, после сушки и после обжига с последующим охлаждением до комнатной температуры. За результат принимают среднеарифметическое значение измерений всех образцов.
Периодичность контроля
В производственных условиях контроль усадки проводят не реже одного раза в смену при использовании однородного сырья. При изменении состава керамической массы или технологических параметров контроль усадки проводят незамедлительно.
| Показатель | Метод измерения | Инструмент | Точность измерения |
|---|---|---|---|
| Линейная усадка | Измерение расстояния между метками | Штангенциркуль ГОСТ 166 | ±1 мм |
| Размеры изделия | Измерение линейных размеров | Линейка металлическая ГОСТ 427 | ±1 мм |
| Объёмная усадка | Гидростатическое взвешивание | Весы лабораторные | ±0,01 г |
| Влажность образцов | Высушивание до постоянной массы | Сушильный шкаф, весы | ±0,1% |
Корректирующие действия при отклонениях
При выявлении отклонений величины усадки от расчётных значений необходимо проанализировать возможные причины и принять корректирующие меры. Основные причины изменения усадки включают изменение свойств глинистого сырья, нарушение рецептуры керамической массы, изменение влажности формовочной массы, нарушение режимов сушки или обжига.
Корректировка размеров формовочного инструмента проводится на основании данных систематических измерений усадки в течение достаточно длительного периода времени. Решение о корректировке принимается технологом совместно с начальником производства.
Часто задаваемые вопросы
Полная усадка действительно не равна арифметической сумме воздушной и огневой усадок. Это связано с тем, что воздушная усадка рассчитывается относительно размера свежеотформованного изделия, а огневая усадка - относительно размера высушенного изделия. Для точного определения полной усадки необходимо измерить размеры изделия до формования и после полного цикла обработки, включая обжиг.
Математически это выражается следующим образом: если обозначить исходный размер как l₀, размер после сушки как l₁, а размер после обжига как l₂, то полная усадка L = [(l₀ - l₂) / l₀] × 100%, что не равно простой сумме воздушной и огневой усадок из-за различных базовых размеров при расчёте каждой из них.
При проектировании пресс-формы необходимо учитывать допуски на размеры готовой продукции, установленные ГОСТ 530-2012. Для изделий пластического формования предельные отклонения составляют по длине ±5 мм, по ширине ±4 мм, по толщине ±3 мм.
Размеры формообразующей полости рассчитываются исходя из максимального размера готового изделия, умноженного на коэффициент усадки. Это гарантирует, что даже при минимальной усадке размеры изделия не превысят допустимые пределы. Дополнительно предусматривается допуск на изготовление самой формы, который зависит от метода её изготовления и обычно составляет от 0,5 до 1 мм.
Наибольшее влияние на величину усадки оказывают следующие факторы: минералогический состав глинистого сырья, дисперсность глинистых частиц, содержание отощающих добавок и влажность формовочной массы.
Каолинитовые глины имеют меньшую усадку по сравнению с монтмориллонитовыми глинами. Увеличение дисперсности глины приводит к росту усадки из-за увеличения удельной поверхности частиц. Отощающие добавки (кварцевый песок, шамот) образуют жёсткий каркас, ограничивающий усадку. Повышение влажности формовочной массы увеличивает воздушную усадку за счёт большего объёма удаляемой влаги.
В меньшей степени на усадку влияют режимы сушки и обжига, хотя они критически важны для получения качественной продукции без трещин и деформаций.
Периодичность контроля усадки зависит от стабильности сырьевой базы и технологического процесса. При использовании однородного сырья из одного карьера и стабильных технологических параметрах контроль проводится не реже одного раза в смену.
При изменении состава керамической массы, переходе на новое сырьё, корректировке рецептуры или изменении технологических параметров контроль усадки проводится незамедлительно. Рекомендуется отбирать не менее 5 образцов для получения статистически достоверных результатов. Результаты контроля документируются в журнале технологического контроля.
Да, усадку керамических изделий можно регулировать в определённых пределах. Основной метод снижения усадки заключается во введении в керамическую массу отощающих добавок - кварцевого песка, шамота, молотого шлака или золы. Эти материалы образуют жёсткий каркас в структуре изделия, ограничивающий сближение глинистых частиц при сушке и обжиге.
Увеличение содержания отощающих добавок с 10 до 30 процентов может снизить воздушную усадку на 2-3 процента. Однако необходимо учитывать, что чрезмерное введение отощителей может негативно повлиять на другие свойства изделий: снизить пластичность массы при формовании, уменьшить прочность готовой продукции и ухудшить внешний вид изделий.
Также усадку можно снизить путём уменьшения влажности формовочной массы, но это может затруднить процесс формования. Поэтому задача технолога заключается в нахождении оптимального баланса между всеми технологическими параметрами.
Усадка при различных способах формования существенно различается из-за разной влажности формовочной массы. При пластическом формовании влажность массы составляет 18-25 процентов, что обеспечивает высокую пластичность, но приводит к значительной воздушной усадке в пределах 6-9 процентов.
При полусухом прессовании влажность массы не превышает 8-12 процентов, что существенно снижает воздушную усадку до 3-5 процентов. Это позволяет получать изделия с более точными размерами и сокращает время сушки.
Огневая усадка при обоих методах формования зависит в основном от состава керамической массы и режима обжига и различается незначительно. Однако полная усадка при пластическом формовании обычно на 3-5 процентов выше, чем при полусухом прессовании, что необходимо учитывать при проектировании формовочного инструмента.
Коэффициент усадки представляет собой безразмерную величину, равную отношению размера формы к размеру готового изделия. Он рассчитывается по формуле: K = 100 / (100 - S), где S - полная усадка в процентах.
Применение коэффициента усадки упрощает расчёты размеров формовочного инструмента. Вместо использования сложных формул достаточно умножить требуемый размер готового изделия на коэффициент усадки: D = M × K. Например, для усадки 8 процентов коэффициент составляет 1,087, и для получения кирпича длиной 250 мм необходим размер формы 250 × 1,087 = 272 мм.
Коэффициент усадки удобно заносить в технологическую документацию для каждого типа керамической массы, что позволяет быстро производить расчёты при проектировании нового формовочного инструмента или корректировке существующего.
Температура обжига является одним из ключевых факторов, определяющих величину огневой усадки. С повышением температуры обжига усадка увеличивается, что связано с интенсификацией процессов спекания керамического материала.
В интервале температур от 800 до 950 градусов Цельсия происходит постепенное удаление химически связанной воды и начало спекания, усадка составляет 1-3 процента. При температуре 950-1100 градусов наблюдается активное спекание с образованием стекловидной фазы, усадка увеличивается до 3-6 процентов. При температурах выше 1100 градусов происходит интенсивное уплотнение материала, усадка может достигать 8-12 процентов и более для высокожгущихся керамических масс.
Для каждого типа керамической массы существует оптимальная температура обжига, обеспечивающая требуемые физико-механические свойства изделий. Превышение этой температуры может привести к чрезмерной усадке, деформации изделий и даже к их оплавлению.
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно ознакомительный и информационный характер. Представленная информация основана на технических данных, стандартах и научных публикациях, актуальных на момент подготовки материала.
Автор не несёт ответственности за последствия применения изложенной информации в практической деятельности. Расчёты размеров формовочного инструмента и параметров технологического процесса должны выполняться квалифицированными специалистами с учётом конкретных условий производства, свойств используемого сырья и требований действующих нормативных документов.
Перед внедрением любых изменений в технологический процесс необходимо провести опытные испытания и получить подтверждение соответствия продукции установленным требованиям. Все решения, связанные с проектированием оборудования и оснастки, должны приниматься на основе полного комплекса технологических расчётов и согласовываться с ответственными лицами предприятия.
Источники
- ГОСТ 530-2012 «Кирпич и камень керамические. Общие технические условия»
- ГОСТ 9169-2021 «Сырье глинистое для керамической промышленности. Классификация»
- ГОСТ 166-89 «Штангенциркули. Технические условия»
- ГОСТ 427-75 «Линейки измерительные металлические. Технические условия»
- ГОСТ 21216.9-93 «Сырье глинистое. Метод определения спекаемости глин»
- Августиник А.И. «Керамика». Издание 2-е, переработанное и дополненное. Ленинград: Стройиздат, 1975
- Будников П.П., Полубояринов Д.Н. «Химическая технология керамики и огнеупоров». Москва: Стройиздат, 1972
- Книгина Г.И., Вершинина Э.Н., Тацки Л.Н. «Лабораторные работы по технологии строительной керамики и искусственных пористых заполнителей». Учебное пособие для вузов. Москва: Высшая школа, 1977
- Дудеров Г.И., Майзель Ю.Я., Чаплыгин Ф.М. «Технология производства керамических стеновых материалов». Учебное пособие для вузов. Москва: МИСИ, 1982
