Глина и гончарное производство

Для выделки обыкновенных гончарных изделий добытая соответственных качеств глина оставляется на один или лучше на 2 года на воздухе или в воде и тогда только может быть употреблена в дело, для чего первоначально мнется в деревянных ящиках, а на фабриках – особыми машинами, при чём очищается от находящихся в ней камней. Вынутая из ящиков глина складывается в кучи, которые проволокою или ножами режутся на тонкие пластинки, ещё раз очищается от видимых примесей и снова складывается в ящики, в которых переминается вторично. Для высшего сорта изделий, особенно бесцветных, масса должна состоять из составных частей, особо хорошо и отдельно очищенных и затем перемешанных.

Главное условие доброкачественности массы – это её однородность. Для очистки глина разбивается на мелкие кусочки, которые обливаются водою и после суточного лежания сбрасываются в месильные машины (деревянный ящик, в котором вращается железная ось с насаженными на неё ножами). При вращении ножи разрезывают куски глины, при чём, проходящая через ящик струя воды уносит мелкие её части с собою в особый бассейн, а крупные остаются на дне ящика. В бассейне осаждаются грубые частицы глины, и затем жидкость пропускается во второй бассейн, где она окончательно отстаивается и отстой представляет собою вещество совершенно чистое, нежное и однородное. Теплая вода лучше разъединяет и скорее отмучивает глину, чем холодная. Куски кварца, полевого шпата, кремня и т. п. составные части, как тела очень твердые, первоначально накаливаются докрасна в печах и в таком виде бросаются в воду, чем увеличивается их хрупкость, а потому дается возможность измельчения их. Вынув из воды, их разбивают кулаками и измалывают на жерновах или под бегунами в порошок, который затем водою отмучивается так же, как и глина. Теперь остается смешать полученные вещества между собою как можно совершеннее. Пропорция составных частей массы определяется в каждом случае и при определенных задачах производства опытом. Перемешивание веществ производится особыми машинами, в которые всыпаются все составные части смеси и затем посредством находящихся в этих машинах ножей перемешиваются очень хорошо. Такое простое смешение, годное для выделки грубых изделий, для более тонких производится с помощью воды. Раствор, образованный из смеси составных начал с водою, не должен быть ни слишком густым, ни слишком жидким, так как в первом случае хорошее смешение будет затруднительно, а во втором – частицы оседали бы не вместе, а отдельно, сообразно своему удельному весу. Для смешения существует несколько способов. Наиболее легкий и практический следующий: для разведения водою каждого из составных веществ отдельно существуют особые резервуары, от которых проведены трубы с кранами в центральный чан. В этом чане на его стенках вбиты 3 колышка, из которых каждый обозначает высоту, до которой следует держать открытым кран из резервуара с каждою составною частью. Высота эта определяется расчетом – сообразно пропорции каждого вещества, заключающегося в массе. Когда наполнение окончено, тогда всю жидкость перемешивают старательно и затем через особый кран внизу чана выпускают в соответственный резервуар. Полученная таким образом масса, заключающая значительное количество воды, не может быть употреблена в дело ранее удаления из неё воды, для чего или 1) всю массу оставляют понемногу испаряться; или 2) массу наливают на плоские металлические сковородки и, поддерживая под ними огонь, воду выпаривают; или 3) воду удаляют посредством веществ, жадно вбирающих в себя воду, как, напр., обожженная глина, гипс и пр.; или 4) прибегают к фильтр-прессам; или 5) массу вкладывают в мешки и подвергают давлению пресса (этот способ дорогой, но непрактичный). Полученная таким образом масса ещё не вполне однородна и заключает в себе много воздушных пузырьков и влажности, поэтому её вновь перемешивают ногами и убивают трамбовкою, режут ножом на тонкие пластинки, которые складывают в кучу и вновь перерабатывают ногами.

2.3. Производство фарфоровых изделий

Фарфор – керамический материал, плотный, спекшийся, непроницаемый для воды и газов, белый и прозрачный в тонком слое. Получают фарфор обжигом смеси глины (каолина), кварца и полевого шпата. Специальные виды фарфора содержат добавки (циркон, тальк, глинозем и др.). Фарфор стоек против всех кислот, кроме фтористоводородной HF. Фарфор применяют для изготовления кислотоупорной керамики (в химической, металлургической промышленности), изоляторов (в электротехнической промышленности), посуды, художественных изделий.

Состав керамической массы и метод ее подготовки определяют исходя из назначения изделия, его формы и вида сырья. Цель подготовки сырья – разрушение природной структуры материалов до мельчайших частиц для получения однородной массы и ускорения взаимодействия частиц в процессе фарфорообразования. Ее проводят в основном пластическим способом, который обеспечивает получение равномерной по составу массы.

Пластичные материалы (глину, каолин) распускают в воде в лопастных мешалках. Полученную массу в виде суспензии пропускают через сито     (3600-4900 отверстий на 1см2) и электромагнит для удаления крупных включений и железистых примесей.

Отощающие материалы и плавни сортируют, освобождают от посторонних вредных примесей. Кварц, полевой шпат, пегматит и другие компоненты подвергают обжигу при температуре 900-1000С. При этом кварц претерпевает полиформные изменения, в результате которых растрескивается. Это, во-пер-вых, облегчает помол, а во-вторых, позволяет удалить куски, загрязненные железистыми примесями, так как при обжиге кварц с примесями железистых соединений приобретает желто-коричневый цвет.

Каменистые материалы, в том числе и фарфоровый бой, промывают, подвергают дроблению и грубому помолу на бегунах, после чего просеивают. Тонкий помол производят в шаровых мельницах с фарфоровыми или уралитовыми шарами. Для интенсификации помола в мельницу вводят поверхностно-актив-ную добавку – сульфитно-спиртовую барду (от 0,5 до 1%), которая, заполняя микротрещины, оказывает как бы расклинивающее действие. Помол ведут до остатка 1-2% на сите с 10 000 отверстий на 1см2.

Пластичные и отощающие материалы, плавни и фарфоровый бой тщательно смешивают в мешалке пропеллерного типа. Однородную массу пропускают через сито и электромагнит и обезвоживают в специальных фильтр-прес-сах или вакуум-фильтрах. Полученную пластичную массу влажностью 23-25% направляют на две недели на вылеживание в помещение с высокой влажностью. При вылеживании происходят окислительные и микробиологические процессы, гидролиз полевого шпата и образование кремниевой кислоты, что способствует разрыхлению массы, дальнейшему разрушению природной структуры материалов и повышению пластических свойств массы. После вылеживания массу обрабатывают на массомялках и вакуум-прессах для удаления включений воздуха, а также пластичности и других физико-механических свойств, необходимых для формирования изделий.

Формуют керамические изделия в основном пластическим методом и методом литья, а также полусухим прессованием. Для формования применяют гипсовые формы пористостью не менее 25%. В последнее время формы начали изготавливать из масс на основе поливинилхлорида.

При пластическом формовании используют массу влажностью 22-24%, из которой в зависимости от формы получают заготовки в виде пластов. Для формования применяют полуавтоматы или автоматы. При изготовлении плоских изделий помещают глиняный пласт, который разравнивают роликом при вращении формы. Для получения полых изделий, например чашек, заготовку массы помещают в форму и раскатывают специальным профильным роликом. Промежуток между роликом и формой заполняется слоем массы необходимой толщины. Наружная поверхность изделия формуется поверхностью формы, а внутренняя – роликом. Если на внутренней поверхности формы имеется углубленный рисунок, то он точно воспроизводится на наружной поверхности изделия.

Методом литья в гипсовые формы изготавливают изделия сложной формы и емкостные, например чайники, художественно-декоративные предметы. Для получения изделий сложной конфигурации используют разъемные формы. Для формования методом литья готовят сметанообразную массу – шликер влажностью 34-36%. В шликер добавляют для повышения текучести при минимальной влажности 0,1-0,2% электролита, что обеспечивает лучшее заполнение формы. Изделия изготавливают двумя способами – сливным и наливным.

При сливном способе шликер заливают в разъемную гипсовую форму и оставляют в ней на определенное время. Гипс быстро впитывает влагу, и на стенках формы откладываются твердые частицы, которые образуют стенки изделия. Время выдержки определяют опытным путем, оно зависит от толщины стенки изделия, толщины стенок гипсовой формы и пористости. После выдержки шликер сливают, а гипсовую форму с изделием подвергают медленной сушке.

Полнотелые изделия сложной формы, например ручки для чайников, крышки, изготавливают наливным способом. Шликер наливают в гипсовую разъемную форму с соответствующими углублениями на внутренних поверхностях, где оно полностью затвердевает.

Полусухое прессование применяют для формирования плоских изделий небольшой толщины, например тарелок. Подготовленную пластичную массу высушивают до влажности 2-3%, тонко измельчают и получают порошок, в который добавляют пластификатор. Из этого порошка формуют изделие в металлических пресс-формах под большим давлением (25-30 МПа). Изделия имеют правильную форму, точные размеры, более высокую механическую прочность и небольшую влажность, что значительно сокращает время сушки перед обжигом.

При формовании вследствие небрежного обращения, использования изношенных форм и роликов могут образоваться такие дефекты, как деформация, волнистый край, концентрические трещины, неодинаковая толщина изделий, неровность поверхности, подрыв носиков и др.

После формования изделия для подготовки к обжигу (заключительному и наиболее ответственному этапу производства) сушат до остаточной влажности 2-4%. При этом изделие приобретает достаточную для обжига прочность, исключается образование внутренних напряжений, приводящих к появлению трещин, деформации и т.д.

Сушку проводят в две стадии: предварительная стадия (подвяливание) – в гипсовых формах и окончательная – без форм. Плоские изделия сушат только в гипсовых формах. Корпус полых изделий после предварительной сушки до влажности 14-16% вынимают из форм, соединяют с приставными деталями смесью шликера с декстрином, после чего изделия окончательно высушивают.

Для сушки применяют конвейерные, конвекторные (с направленной подачей теплоносителя на изделие), радиационные (с электрическим или газовым обогревом) и комбинированные сушилки, в которых время сушки значительно сокращается.

Теплоносителями являются воздух и лучистая энергия, выделяемая керамическими панелями и другими поверхностями, которые обогреваются газом,  реже – лампами накаливания. Наиболее перспективно использование для сушки керамических изделий ультразвука, токов высокой частоты или инфракрасного излучения. Современные методы сушки позволяют регулировать температуру и время процесса в зависимости от толщины изделия.

В процессе сушки могут образоваться трещины (при неравномерной влажности массы), деформация и другие дефекты.

Высушенные изделия перед обжигом зачищают наждачной бумагой, удаляют швы от пресс-форм, посторонние примеси и загрязнения. После зачистки изделия обдувают сжатым воздухом для удаления пыли.

Керамические изделия подвергают, как правило, двукратному обжигу – утельному (до глазурования) и политому (после глазурования). Применяют так-же однократный скоростной и бескапсельный обжиг. Фарфоровые изделия, декорированные надглазурными украшениями, подвергают третьему обжигу – муфельному.

Утельный обжиг в зависимости от состава черепка и назначения фарфоровых изделий проводят при температуре 900-1000С, а политой – 1350-1400С. При утельном обжиге удаляется механически и химически связанная влага, черепок приобретает необходимую прочность при достаточной для впитывания глазури пористости. Реакции взаимодействия исходных компонентов массы протекают в твердой фазе.

Для обжига применяют печи непрерывного действия – туннельные, конвейерные с шагающим подом и роликовые щелевые, а также периодического действия – горны. В печах непрерывного действия поддерживается более строгий температурный режим, сокращается время обжига и обеспечиваются нормальные условия работы при загрузке и выгрузке. В качестве топлива используют нефть, газ и электричество (в электропечах).

После утельного обжига керамические изделия либо декорируют послегазурными красками, газурируют и подвергают политому обжигу, либо глазуруют, обжигают и декорируют.

Фарфоровые изделия после утельного обжига чаще всего глазуруют, а затем обжигают. Тугоплавкую глазурь в виде суспензии наносят методом окунания, обливания и пульверизацией. После глазурования с ножки или верхнего края фарфорового изделия счищают глазурь, чтобы предупредить сплавление с подставкой во время политого обжига или другими изделиями при обжиге «в спарку». Это отличительный признак фарфоровых изделий; фаянсовые изделия полностью покрывают глазурью. Перед политым обжигом изделия помещают в шамотные капсели и тщательно предохраняют от сплавления друг с другом и с капселем. Капсели устанавливают на вагонетку и направляют в туннельную печь. Применяют также бескапсельную загрузку на специальные этажерочные вагонетки.

В процессе обжига формируется черепок с необходимыми физическими и химическими свойствами. При политом обжиге происходят расплавление глазури, равномерное ее распределение по всей поверхности изделия и сплавливание с черепком. Строгое соблюдение определенного режима температуры, скорости ее подъема, времени выдержки и газовой среды – непременное условие проведения обжига. При нарушении этих требований образуются дефекты, ухудшающие внешний вид и свойства готовых изделий.

Политой обжиг можно разделить на ряд периодов, каждый из которых протекает при определенном температурном режиме и газовой среде, что обеспечивает постепенное формирование черепка с необходимыми свойства.

Первый период протекает при температуре до 900-940С; скорость подъема температуры 100-140С в час. Из массы удаляется остаток гигроскопической влаги, происходит разложение глинистых веществ, карбонатов, выгорание органических примесей. В этот период поддерживается окислительная газовая среда. Реакция протекает в твердой фазе, в этот период начинается спекание черепка, которое сопровождается усадкой. На поверхности пористого черепка, который обладает высокой каталитической и адсорбционной способностью, осаждается углерод, выделяющийся при сгорании топлива. Углерод придает черепку серый цвет.