Способ изготовления керамических строительных изделий

 

Сущность изобретения: формуют пластическим методом неизометрические гранулы с соотношением площади поверхности ( (мм²) ) к объему ( (мм³) ) 0,6 - 2,1, заполняют форму необожженными гранулами, увлажняют поверхность гранул путем погружения формы в глиняный шликер или воду или путем пропускания водяного пара сквозь форму, проводят уплотнение до извлечения заготовки из формы на глубину поверхностного слоя 0,3 - 20 мм или в процессе термообработки по достижении пиропластичного состояния методом горячего прессования при давлении 0,3 - 20 МПа. При формовании гранул можно использовать электроосмос, при укладке гранул в форму используют вибрацию или подпрессовку или трамбовку. Термообработку проводят пропусканием горячих газов сквозь высокогазопроницаемую заготовку или токами высокой частоты, или их совместным воздействием. На уплотненную поверхность можно наносить пигменты или глазурь. Изделия имеют открытую пористость 2 - 48%, прочность на сжатие 5 - 50 МПа, морозостойкость - более 50 циклов. 3 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к способам изготовления изделий из строительной керамики на основе глины как пористых, так и плотных.

Известны способы изготовления керамики строительного назначения из глинистого сырья, включающие получение пластическим методом сферических гранул, их сушку, нанесение на поверхность гранул окунанием в шликер легкоплавкой [1] или тугоплавкой [2] глины и прессование изделий. Отформованное изделие имеет низкую газопроницаемость, и его обжиг проводят традиционным методом, что приводит к возникновению градиента влажности и температуры от центра к поверхности изделия. Эти градиенты могут являться причиной механических напряжений и даже трещин в процессе сушки и обжига.

Наиболее близким по технической сущности и получаемым результатам является способ изготовления грубокерамических формованных изделий, включающий изготовление из неорганического материала гранул размером 3-8 мм, которые смешивают с глиняным шликером влажностью 20-50%. Если гранулы изготавливают из глины, они должны быть предварительно обожжены, что обычно объединяют с их вспучиванием. Смесь гранулы - шликер заливают в формы, уплотняют, удаляют лишнюю воду, извлекают из формы и выдерживают до приобретения заготовкой прочности, достаточной для дальнейших операций. Соотношение гранулы/шликер должно быть таковым, чтобы вяжущее полностью обволакивало гранулы, а после формования между гранулами оставались промежутки в виде каналов, обеспечивающие протекание газа, причем объем промежутков составлял 15%. Сушку и обжиг осуществляют пропусканием горячих газов сквозь высокогазопроницаемую заготовку при температуре выше температуры спекания вяжущего, но ниже температуры размягчения гранулированного материала. Плотность изделий составляет примерно 500 кг/м³ [3].

Недостатком метода является то, что используемые в нем изометрические гранулы пластическим методом изготавливать сложнее, чем неизометрические. В то же время глиняные изделия строительного назначения, изготовленные пластическим методом, обычно имеют более низкую температуру обжига и более высокую морозостойкость. Изометрические гранулы при заполнении формы обеспечивают меньшую газопроницаемость и извилистость каналов по сравнению с неизометрическими, что снижает эффективность теплообмена при пропускании горячих газов сквозь изделие. При уплотнении поверхностного слоя неизометрические гранулы легче деформируются.

Изготовленные по известному способу кирпичи имеют сквозные во всех направлениях поры. Поверхности кирпичей, выходящие наружу здания, необходимо покрывать штукатуркой или иным способом закрывать крупные поры. Крупные поры не позволяют наносить на поверхность заготовки глазурь.

Известный способ предусмотрен для изготовления только высокопористых изделий. Он не позволяет изготавливать более плотные и соответственно более прочные изделия. Указанная в прототипе плотность изделий (500 кг/м³) может быть достигнута только на хорошо вспучивающихся глинах, которые встречаются достаточно редко.

Целью изобретения является упрощение технологии за счет устранения операции предварительного обжига гранул, получение изделий с уплотнением поверхностным слоем, что позволяет повысить прочность, атмосферо- и морозостойкость. Наряду с получением пористых возможно изготовление плотных изделий.

Указанная цель достигается тем, что сначала по пластичной технологии изготавливают гранулы, из которых формуют высокогазопроницаемый сырец. Гранулы готовят с соотношением поверхности (мм²) к объему (мм³) от 0,6 до 2,1. При соотношении меньше 0,6 поверхность гранул недостаточно развита и эффективность тепло- и массообмена снижается. Увеличение соотношения больше 2,1 трудно осуществить, поскольку пластичные гранулы слишком легко деформируются, а подсушенные разрушаются. При изготовлении гранул, их дальнейшей переработке и формования изделий происходит их изгибание и частичная деформация. Часть подсушенных гранул может ломаться и раскрашиваться.

Гранулы формуют в виде цилиндров, отрезков тонких лент, в форме вытянутой шестерни или с рифлениями. При формировании гранул происходит дополнительная гомогенизация глиносодержащего материала. Поры внутри гранул, полученных по пластичной технологии, таковы, что обеспечивают материалу высокую морозостойкость. Между гранулами находятся крупные поры, которые не являются опасными для морозостойкости.

Гранулы предварительно не обжигают, как в прототипе, а при необходимости лишь подсушивают и заполняют ими формы, имеющие в днище и стенках отверстия. При этом получают высокогазопроницаемые заготовки.

Для упрочнения высокогазопроницаемой заготовки поверхность гранул увлажняют одним или комбинацией следующих способов: погружением формы с заготовкой в глиняный шликер или воду, пропусканием водяного пара сквозь слой насыпанных в форму гранул, применением электроосмоса при формовании гранул. Излишки шликера и воды удаляют через отверстия в днище и стенках формы.

Газопроницаемость и прочность заготовки можно регулировать, используя при ее формовании вибрацию, подпрессовку или трамбовку. На эффективность этих процессов влияет форма гранул, их размер, прочность, определяемая в первую очередь влажностью, и особенно силы трения на контактах между гранулами. При этом нельзя допускать чрезмерно уплотнения изделий, когда их газопроницаемость становится слишком низкой.

Перед извлечением заготовки из формы верхнюю, а для угловых керамических камней еще и одну из боковых поверхность уплотняют на глубину 5-20 мм. Уплотнение на глубину менее 5 мм не позволяет получить достаточно плотный и ровный слой. Уплотнение на глубину менее 5 мм не позволяет получить достаточно плотный и ровный слой. Уплотнение на глубину более 20 мм затрудняет скоростную термообработку этого слоя. В процессе термообработки в слое толщиной более 20 мм возникают значительные напряжения из-за градиентов по влажности и температуре, которые приводят к образованию трещин на поверхности. На уплотненный слой можно наносить пигменты или глазурь.

Высокогазопроницаемое изделие, в котором гранулы достаточно прочно соединены между собой, сушат и обжигают при пропускании сквозь него горячего газа. Это обеспечивает интенсификацию сушки и обжига. Малый размер и высокое соотношение площади поверхности к объему позволяют сушить и обжигать гранулы очень быстро. Высокая газопроницаемость, наличие крупных и извилистых пор в сочетании с развитой поверхностью гранул обеспечивают эффективный теплообмен между газом и твердым телом. Такой способ сушки и обжига значительно снижает проблемы, связанные с возникновением градиента влажности и температуры от поверхности к центру изделия. Кроме того, пропускаемый газ очищается от пыли, что уменьшает ее попадание в атмосферу.

На стадиях сушки и обжига возможно применение токов высокой частоты (ТВЧ). Нагревание заготовок с помощью ТВЧ значительно снижает градиент по температуре между поверхностными и внутренними областями заготовки. Высокая газопроницаемость заготовок позволяет легко удаляться выделяемым при обжиге газообразным веществом, в первую очередь парам воды и углекислому газу. При этом в изделии не возникает градиента влажности, приводящего к опасным механическим напряжениям.

Для получения более плотных и прочных изделий после прогрева заготовок до появления пиропластичного состояния применяют горячее прессование при давлении 0,3-20 МПа. При давлении менее 0,3 МПа скорость уплотнения мала, что увеличивает время горячего прессования и снижает производительность. Увеличивать давление выше 20 МПа экономически нецелесообразно, поскольку большинство глин в пиропластичном состоянии достигают максимальной плотности при давлении до 20 МПа. Регулирование условий горячего прессования позволяет получать изделия различной плотности и соответственно прочности.

П р и м е р 1. Пластическим методом из глины изготавливали гранулы с диаметром 4 мм и длиной 30 мм. Для увеличения площади поверхности гранулы имели вид вытянутой шестерни. Соотношение площади поверхности (мм²) к объему (мм³) составляло 1,43. Гранулы подсушивали и свободно засыпали в форму с отверстиями. Форму с гранулами на короткое время погружали в глиняный шликер, который прочно склеивал гранулы между собой. Верхнюю поверхность заготовки уплотняли в форме на глубину 5 мм с помощью трамбовки. Извлеченная из формы заготовка имела размеры 80х120х250 мм и высокую газопроницаемость (3450 нПМ) через неуплотненные поверхности. Сушку заготовки проводили пропусканием сквозь нее горячего воздуха. Изделие удалось высушить в течение 15 мин без образования трещин на его поверхности. Образец обжигали, пропуская сквозь его поверхности горячие газы. Время обжига составило 40 мин. Охлаждали изделие вместе с печью. Прочность изделия на сжатие 5 МПа при открытой пористости 48%, морозоустойчивость 58 циклов, плотность 1190 кг/м³.

П р и м е р 2. Из глины пластическим методом изготавливали гранулы в виде полосок прямоугольного сечения 3х1,5х20 мм. Соотношение площади поверхности (мм²) к объему (мм³) равно 2,1. Гранулы формовали, подавая на массу положительный потенциал (анод), а на формующую решетку - отрицательный (катод). Разность потенциалов составила 120 В. Благодаря электроосмосу влажность на поверхности гранул была выше чем в объеме. Гранулы сразу же помещали в форму и подвергали кратковременному вибрационному воздействию, а затем на короткое время погружали в глиняный шликер. При этом гранулы прочно соединялись между собой.

Верхнюю поверхность заготовки уплотняли трамбовкой на глубину 20 мм с одновременным нанесением пигмента. Газопроницаемость заготовки 3200 нПМ. Заготовку сушили и обжигали с помощью ТВЧ. Изделие имело прочность при сжатии 7 МПа, открытую пористость 42%, морозостойкость 56 циклов.

П р и м е р 3. Из глины пластическим методом с использованием электроосмоса, как указано в примере 2, формовали гранулы в виде цилиндров диаметром 3 мм и длиной 40 мм. Соотношение площади поверхности (мм²) к объему (мм³) равно 0,72. Гранулы засыпали в форму, которую на короткое время погружали в воду. Последующая подпрессовка под давлением 0,05 МПа приводила к склеиванию гранул между собой. После этого верхнюю поверхность дополнительно уплотняли валиком на глубину 10 мм. Изделие с помощью ТВЧ обжигали, пропуская сквозь неуплотненные поверхности горячий газ. Температура обжига составила 1050^оС. Время обжига вместе с сушкой 1 ч. Открытая пористость поверхностного слоя составила 8%, а внутренних областей изделия 35%, морозостойкость 58 циклов.

П р и м е р 4. Гранулы, отформованные в соответствии с примером 1, подсушивали и помещали в форму с отверстиями. Верхний слой уплотняли трамбовкой на глубину 15 мм. Форму с заготовкой на короткое время погружали в глиняный шликер, который склеивал гранулы между собой и дополнительно повышал плотность уже уплотненного слоя. Изделие подсушивали и наносили на уплотненную поверхность слой глазури. Сушку и нагревание изделия до 650^оС производили, пропуская сквозь неуплотненные поверхности горячий газ. При этом глазурованная сторона изделия направлена вверх. Последующий нагрев осуществляли с помощью ТВЧ. Морозостойкость изделия составила 58 циклов, открытая пористость внутренних слоев 35%.

П р и м е р 5. Заготовку формовали, как указано в примере 1, но без уплотнения поверхностного слоя. После нагревания образца с помощью ТВЧ до 1050^оС, когда материалы переходили в пиропластичное состояние, производили горячее прессование при давлении 0,3 МПа в течение 3 мин. Изделие имело открытую пористость 18% и прочность при сжатии 10 МПа, морозостойкость 52 цикла.

П р и м е р 6. Из глины пластическим методом формовали гранулы в виде цилиндров диаметров 8 мм и длиной 20 мм. Соотношение площади поверхности (мм²) к объему (мм³) равно 0,6. Гранулы подсушивали и засыпали в форму размером 85х120х250 мм с дырчатыми стенками. Через эти отверстия сквозь заготовку пропускали водяной пар, что приводило к размоканию глины на контактах между гранулами и склеиванию их между собой. Заготовку подсушивали в форме и извлекали из нее. Газопроницаемость заготовки составила 3500 нПМ. Заготовку сушили и обжигали пропусканием сквозь нее горячего газа. После нагревания до 1050^оС, когда материал переходил в пиропластичное состояние, производили горячее прессование при давлении 20 МПа в течение 3 мин. Изделие имело открытую пористость 3%, прочность при сжатии 50 МПа, плотность 2305 кг/м³, морозостойкость 62 цикла.

Предлагаемый способ получения керамических строительных изделий наиболее эффективно применять на мини- и микрозаводах. Он позволяет быстро и эффективно сушить и обжигать изделия. Можно использовать различные по свойствам, в том числе плохоспекающиеся глины, поскольку способ дает возможность быстро менять условия спекания и добиваться требуемого качества изделий.

Приготовление гранул позволяет дополнительно гомогенизировать массу и в широких пределах менять ассортимент и свойства получаемых изделий. Этим способом можно изготавливать как высокоплотные и прочные, так и высокопористые, но морозостойкие изделия. Пористые блоки можно делать крупноразмерными, особенно при использовании ТВЧ. Для получения пористых изделий нет необходимости использовать специальные выгорающие добавки. Высокопористые изделия уплотняют со стороны, которая при строительстве будет выходить наружу здания. Эту уплотненную поверхность можно покрывать пигментом или глазурью.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ на основе глины, включающий формование гранул, увлажнение поверхности гранул, укладку гранул в форму, уплотнение, извлечение заготовки из формы и термообработку, отличающийся тем, что пластическим методом формуют неизометрические гранулы с соотношением площади поверхности к объему 0,6 - 2,1, укладку необожженных гранул в форму осуществляют перед увлажнением, которое проводят путем погружения формы в глиняный шликер или воду или путем пропускания водяного пара сквозь форму, уплотнение осуществляют на глубину поверхностного слоя 5 - 20 мм или в процессе термообработки после достижения пиропластичного состояния методом горячего прессования при давлении 0,3 - 20 МПа, а термообработку проводят пропусканием горячих газов сквозь высокогазопроницаемую заготовку или токами высокой частоты или их совместным воздействием.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формовании гранул используют электроосмос.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при укладке гранул в формы используют вибрацию, или подпрессовку или трамбовку.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на уплотненную поверхность заготовки наносят пигменты или глазурь.