Керамикалық материалдар мен бұйымдарды өндіруге арналған шикізат

1. Жалпы мәліметтер

Керамикалық деп  минералдық және органикалық үстемелер  қосылған саздан немесе олардың қоспасынан  қалыптау  және күйдіру арқылы  жасалатын қолтума  тас материалдарды  айтады. Ежелгі  грек тілінде  «керамас»  құмырашы сазын,  күйдірілген саздан жасалған бұйым дегенді  білдіреді. Кейінірек «керамика» деген ат  саз балшықтан жасалған  заттардың бәріне  тараған.

Күйдірілгеннен  кейінгі  керамикалық бұйымды  құрайтын  материалдарды  керамика  технологиясында  керамикалық сүйекшелер деп атайды.

Құрылымы бойынша  керамикалық бұйымдарды  бос қуысты  және піскен (тығыз) сүйекшелі деп  бөледі. Сүйекшелінің  су сіңіруі  массасы  бойынша 5%-тен асатын (орташа 8-20%) бұйымдарды  шартты түрде  бос  қуысты  деп атайды:  кәдімгі  іші  бос және  жеңіл  кірпіш  іші бос  тастар,  черепица, қаптама плиталар,  құбырлар (су сіңіруі 5%-тен аспайтын,  көп  жағдайда 2-4%) сүйекшелерді  піскен деп атайды, әдетте  ол су  өткізбейді. Тығыз бұйымдарға  жол кірпішін, еденге  арналған  плиткаларды, санитарлық  фарфорды  жатқызады.

Саздың табиғатта  кең таралуы  сондай-ақ  керамиканың  көптеген  түрлерінің  үлкен беріктігі,  елеулі  түрде  шыдамдылығы, сыртқы  түрінің  тартымдылығы керамикалық  материалдардың  үй мен құрылыстың  барлық дерлік  конструктивті  элементтерінде  қолдануға  мүмкіндік береді.

Конструктивті  міндеті  бойынша  мынадай  керамикалық  бұйымдарды  ажыратады:  қабырғалық (кірпіш пен керамикалық тас),  фасадтарды  қаптауға (бет кірпіш және тастар пен плиталар),  жабдықтар  үшін (іші  бос тастар), шатырға (черепица), санитарлық коммуникацияларға (жол кірпіші, құбырлар), жол  оқшаулағыштарға (жеңіл кірпіш, сәнді бұйымдар) арналған, сондай-ақ  жеңіл  бетонды  толтырғыштар деп бөледі (керамзит,  аглопорит).

2. Керамикалық материалдар  мен бұйымдарды өндіруге  арналған шикізат

Керамикалық бұйымдар жасайтын шикізат  массасы  әдетте  пластикалық  (саз, каолин) және  пластикалы емес  материалдардан (азайып немесе күйіп  кететін үстемелер, балқитындар) құрайды. Саздар мен  каолиндерді  сазды  материалдар  деген бір  атпен  біріктіреді. Бір қатар  қолтума  күйдірме  материалдарды  өндіруге  диатомиттерді,  трепелдерді, сондай-ақ  таза немесе  саз  қосылған сланцыларды, енін өзгертуші және т.б. үстемелерді  пайдаланады.

Сазды материалдар  және олардың керамикалық қасиеттері. Саздар  жұқа  жерлік құрылымдағы шөгінді тау жынысы  болып табылады. Олар сумен  араласқанда, өздерінің  минералогиялық және химиялық құрамына  тәуелсіз, иілмелі созылмалы қамыр түзе алады, күйдірген соң  суға төзімді  және  беріктік тас  түріндегі  денеге айналады. Негізінен  дала шпаты  жыныстарын желдетудің нәтижесінде  түзілген саздар қатпарлы  кристалды  құрылымдағы сулы  алюмосиликаттар түріндегі  түрлі сазды  минералдардың тығыз  қоспасынан тұрады. Олардың ішінде  кең таралғандарды  каолиниттілер (каолинит және галлуазит ), монтмориллониттілер (монтмориллонит- ), бейделлит - (және гидрослюдалылар негізінен слюданың түрлі дәрежедегі  гидратациялану өнімі) болып табылады.

Саз түзуші  материалдарымен  қатар саздарда  кварц, дала шпаты, күкіртті  колчедан, темір тотығының  гидраттары, кальций мен  магний  карбонаттары, титанның, ванадий  құрамалары, сондай-ақ  органикалық  қоспалар кездеседі. Аталмыш қоспалар  керамикалық  бұйымдардың  технологиясына да,  қасиетттеріне де әсер  етеді. Мәселен,  ұнтақтап таратылған  көмір қышқыл  кальций мен темір тотықтары саздың отқа  төзімділігін төмендетеді. Егер сазда  көмір қышқылды  кальцийдің  ірі түйірлері болса,  күйдіру кезінде  олардан  ауада  аумағының  ұлғаюымен («үрнемелер») гидраттанатын әк қоспасы  пайда болады да, ол бұйымда  жарықшақ пайда болуына  немесе оның  бұзылуына әкеліп соғады.

Негізінен каолиниттен  тұратын барынша  таза саздарды  каолиндер  деп атайды.

Саздың құрамына  көлемі әр түрлі  түйірлер енеді,  бірақ сазға  тән жоғары  майысқақтық  пен байланыстырғыш қабілет оның құрамында  көлемі  0,005 мм-ден аспайтын пластинка тәріздес өте майда  бөлшектердің  болуына байланысты. Бұл бөлшектер  сазды заттар деп аталады. Бөлшектердің көлемінің шағындығы,  сондықтан да жиынтық бетінің үлкендігі, әрі пластинка тәріздес  түрлі бөлшектердің байланысуын қамтамасыз етеді, олардың бір-біріне  қатысты байланысты  жоғалтпастан жылжуына  мүмкіндік береді. Саз құрамындағы  сазды заттар  қаншалықты  көп болса, олардың  иілгіштігі  да соншалықты  жоғары болады. Көптеген сазда  иілгіштік қасиеті жоқ барынша ірі  бөлшектерде  де бар. Түйіршіктердің көлемі  0,005-тен 0,05мм-ге  дейін болса – тозаң, 0,005-ден 2 мм-ге  дейін – құм, ал 2 мм-ден жоғары болса – қоспалар  деп аталады.

Саздардың керамикалық  қасиеттері,  иілгіштігі мен  байланысқандығымен және байланыстырғыш  қабілетімен,  кептіру мен жоғары  температура  әсеріне қатынасымен  сипатталады.

Саздың иілгіштігі деп саз  қамырының  сыртқы механикалық күштерінің әсерінен тұтастығын бұзбай (үзілмей және жарықшақсыз) деформациялануға және бұл күштердің әсері тоқтаған соң, түскен қалпын сақтауға қабілеттілігін айтады. Саз бұйымдарын қалыптау мүмкіндігі міне осы қасиетіне негізделген.

Иілгіштікті түрлі  тәсілдермен айқындайды. Иілгіштікті  ыңғайлы қалыптасатын масса алуға  қажетті су мөлшері және сазды  қамырдың кебініп азаюы мәні бойынша  анықтау тәсілі кеңінен таралған. Саздың иілгіштігі жоғары болған сайын  ол ыңғайлы қалыптасатын масса алуға қажетті суды соғұрлым көп қажет етеді және ауада кебініп тұлғасының азаюы соғұрлым жоғары болады. Жоғары иілгіштікті саздардың су қажеттілігі 28%- тен жоғары, ауа шөгінуі – 10-15%. Орташа иілгіштікті саздар 20-28% су қажеттілігімен және 7-10% ауада шөгілуімен сипатталады. Иілгіштігі төмен саздардың су жұту қажеттігі 20%- тен аз, ал ауада шөгілуі 5-7%- ке тең.

Өте иілгіш саздан жасалған бұйымдар кепкен кезде аумағы жағынан көп кішірейеді де жарылады. Бұл өндірісте жол беруге болмайтын нәрсе. Иілгіштігі төмен саздар және одан жасалған қамыр қиындықпен қалыптасатындықтан жұмысқа қолайсыз, сондықтан саздың иілгіштігін жиі реттеуге тура келеді. Саздың шамадан тыс иілгіштігін оған азайтатын қоспа енігізумен немесе иілгіштігі төмен саз қосумен жоюға болады. Ал иілгіштік жеткіліксіз болғанда сазды құмнан арылтып елейді, ашық аспан астында ұстайды, арнайы машинамен майдалайды, бумен өңдейді, ауасыздық жағдайда ұстайды, сондай- ақ иілгіш саз қосады. Осы процестердің нәтижесінде саздың дисперстілігі артады, ісінуі жақсарады және иілгіштігі мен қалыптасу қабілеті артады.

Байланыстылық және байланыстыру қабілеті. Саз бөлшектерін ажыратуға қажетті күш оның байланыстылығын сипаттайды. Жоғарыда атап көрсетілгендей саздың байланыстылығы сазды зат бөлшектерінің шағын көлемі мен пластинкалы түріне негізделген. Құрамында сазды фракция аса көп саздардың байланыстылығы жоғары болады.

Саздың байланыстыру қабілеті оның иілгіш емес материалдарының  бөлшектерін /құм, шамот. т.б./ байланыстырып, кепкенде барынша берік бұйым / күймеген қыш/ түзуімен бейнеленеді.

Ауадағы шөгінуі. Қалыптау массасының қажетті иілгіштігіне қол жеткізу үшін оған саздың аумағын ұлғайтатын /ісінуі/ су енгізеді. Кептіру барысында су буланып кетеді де шикі бұйымның көлемі мен аумағы кішірейеді. Бұл құбылыс оның ауадағы шөгінуі деп аталады. Саздың ылғалдылығы жоғары болғандаға шөгіну деформациясында ішінара сумен толтырылған капиллярдағы күш тепе- теңдігінің бұзылуы нәтижесінде де капиллярлық қысым күштері ерекше мәнге ие болады деп есептеуге негіз бар. Ылғалдылық азайған сайын, отыру деформациясының пайда болуына да сазды минералдардың бетіндегі су қабыршығы қалыңдығының кішірейюіне  орай, өсетін осмотикалық қысым мен молекула аралық тартылыс күштері барған сайын басты роль атқара бастайды. Ауада шөгіну шикі бұйымның бастапқы өлшемінің процеттік қатынасымен бейнеленеді.

Саздың  отты шөгінуі. Саздың неғұрлым тез балқитын құрамасы күйдіру кезінде сұйық қалыпқа өтеді де балқымай қалған бөлшектерін қамтиды және олардың сұйық фазадағы беттік тартылыс күштерінің әсері күйдірілетін саздың қатты бөлшектерінің жақындасуын тудырады, оның аумағы кішірейеді, яғни отты шөгіну болады. Саздың құрамында кварцты құм көп болған жағдайда шөгу болмауы да мүмкін немесе тіпті материалдың ісінуі байқалады, ол кварцтың қыздырғанда аумағы ұлғайып, өзге кристалдық формаға көшуімен байланысты. Саздың отты шөгінуі оның түріне байланысты да 2- ден 6% - ке дейін болуы мүмкін.

Саздың толық  шөгінуі деп ауа және от шөгіндісінің жиынтығын айтады. Толық шөгіну әдетте 5- 18% - ке дейінгі аралықта болады. Белгілі өлшемдегі бұйымдар алу үшін толық шөгінді қалыптау кезінде, тиісінше қалып өлшемін ұлғайта отырып ескереді.

Отқа  төзімділік. Құрамының әр түрлі болуы себепті саздардың белгілі бір балқу температурасы болмайды. Жоғары температураның әсері кезінде олар жұмсарады да, біртіндеп деформацияға ұшырайды. Саздың жоғары температура әсеріне деформацияланбай төзу қасиетін отқа төзімділік деп атайды. Отқа төзімділігі бойынша саздың үш тобын ажыратады: отқа төзімді /отқа төзімділігі 1580°С- ден жоғары/, баяу балқитын /1350 - 1580°С/ және тез балқитын /1350°С- ден төмен/.  Отқа төзімділер қатарына құрамында қоспасы аз каолинитті саздарды жатқызады. Мұндай саздарды фарфор, фаянс және отқа төзімді бұйымдар жасауға қолданады. Баяу балқитын саздардың құрамындағы темір тотықтары, кварцты құм және басқа да қоспалар отқа төзімділігіне қарағанда елеулі көп болады да, олар баяу балқитын, қаптама және беттік кірпіштер, еден мен канализация құбырларына арналған плиталар жасауға пайдаланылады. Тез балқитын саздар минералогиялық құрамы жағынан алуан түрлі, құрамында елеулі дәрежеде қоспалар болады. Оларды кірпіш пен черепица өндіруде, жеңіл толтырғыштар жасауда, т.б. қолданады.

Иілгіш  емес материалдар. Сазға да, одан жасалған бұйымдарға да қажетті қасиеттер беру үшін сазға түрлі қоспалар енгізеді.Жүдеулеткіш материалдарды иілгіш саздарға кептіру және күйдіру кезіндегі шөгінуді азайтып, бұйымда жарықшақтар мен деформацияларды болдырмау үшін қосады. Бұл мақсатта сусыздалған сазды, шамот, шлактарды, күлді, сондай- ақ бірқатар табиғи материалдарды пайдаланады /кварцты құм, тозан тектес кварц/. Сусызданған сазды кәдімгі сазды шамамен 500 -700°С- ге дейін /бұл температурада ол иілгіштігін  жоғалтады/. Қыздыру арқылы алады. Шамотты негізінен отқа төзімді немесе баяу балқитын саздарды 1000- 1400°С- де күйдіріп, уату арқылы алады.

Қуыс түзуші материалдарды шикізат массасына  бос қуыстылығы жоғары, жылу өткізгіштігі төмен жеңіл керамикалық бұйым  алу үшін енгізеді. Ол үшін күйдіргенде  газ бөлінуімен ыдырайтын, мәселен, /ұстатылған бор, доломит, т.б./ заттар пайдаланылады. Мұндай қоспалар сонымен бірге жүдеулеткіш болып та табылады.

Балқытатындарды сазға оның /дала шпаты, темір рудасы доломит, магнезит, тальк, т.б./ пісу температурасын төмендету қажет болғанда қосады.

Түрлі-түсті  керамиканың бірқатар түрін алу  үшін шикізат массасына металл тотықтарын /темір, кобальт, хром, т.б./ қосады.

Әйнекейлер  мен ангобтар. Сыртқы әсерлерге төзімділік, су өткізбеушілік қасиеттерін және белгілі бір сәнді түр беру үшін бірқатар керамикалық бұйымдардың бетіне әйнекей немесе ангоб жағылады.

Керамикалық материалдардың бетіне жағылған шыны түріндегі әйнекей қабатын жоғары температурада күйдіру арқылы бекітеді. Олар түрлі- түсті мөлдір және мөлдір емес күңгірт солғын болуы мүмкін.

Ангобты ақ немесе түрлі- түсті саздан жасап, жұқа етіп шикі бұйым бетіне жағады. Әйнекейден айырмашылығы, ангоб күйдіргенде балқыма бермейді, яғни шыны тәріздес қабат түзбейді, қасиеттері жөнінен ангоб негізгі сүйекшелерге жақын тұруы тиіс.

3. Керамикалық бұйымдар өндірісінің негізгі схемасы

Керамикалық бұйымдарды, олардың әр түрлілігі себепті, түрлі  технологиялық әдістерімен жасайды, бірақ оларды өндірудің негізгі  кезеңдері шамамен бірдей: сазды  алу, массаны қалыптауға әзірлеу, бұйымды (шикі) қалыптау, кептіру және күйдіру.

Көп жағдайда сазды  ашық әдіспен алады, ол үшін бір немесе бірнеше қалақты экскаваторлар, фрезерлік күректер, скеперлер, т.б. механизмдер пайдаланылады. Заводқа сазды рельсті транспортпен, автотранспортпен, ленталы транспортпен, аспалы жолдармен, бесікті конвейерлермен жеткізеді.

Карьераның  тікелей өз сазы бұйым жасауға  жарамсыз, сондықтан кез келген керамикалық  бұйым технологиясы, керамикалық  немесе жұмыс массасын әзірлеуден басталады.

Өндірістің  бұл кезенінің мақсаты – сазды шикізаттың табиғи жүйесін бұзу, одан зиянды қоспаларды бөліп алу, ірі кесектерді уату, онан соң барлық компоненттерінің, біркелкі және ыңғайлы орналастырылатын керамикалық масса алынғанша, сумен біркелкі араласуын қамтамасыз ету. Жасалатын өнімнің түрі мен бастапқы шикізаттың қасиеттеріне байланысты керамикалық массаны пластикалық, құрғақ және шликерлік (сулы) әдіспен алады. Бұйымдарды қалыптау тәсілін де осыған орай таңдайды – пластикалық қалыптау, жартылай құрғақ немесе «құрғақ» қысу, құю.

Массаны әзірлеу мен қалыптасудың әдісінде бастапқы материалдарды бір – бірімен қалыпты ылғалдықта немесе су қосып, қамыр алынғанша араластырады. Алынатын массаның ылғалдылығы 15-тен 25%-ке дейін және одан жоғары ауытқиды. Әзірленген сазды масса қалыптаушы қысқышқа, көп жағдайда ленталы кәдімгі немесе вакуумкамерамен жабдықталған қысқышқа түседі. Бұл жағдайды ауаның сорылып саздан шығуына және оның бөлшектерінің жақындасуына ықпал етеді, ал ол массаның біртектілігі мен қалыпталуын арттырады. Қысқыштың тесігінен шығатын қажетті көлемдегі саз бағана кескіш аппарат арқылы бұйымдарға (шикі бұйым) кесіледі.

Массаны әзірлеу  мен қалыптаудың пластикалық  әдісі көлемді материалды (кәдімгі  және бос қуысты) кірпіш, тас, черепица, т.б. шығаруда кең таралған.

Әзірлеудің  жартылай құрғақ әдісінде шикізат материалдарын алдымен кептіріп, уатады да ұнтақтайды, сонан соң сумен немесе ең жақсы бумен (өйткені мұнда саздың біркелкі массаға айналуы жеңілдейді, оның ісінуі және қалыпталу қабілеті артады) ылғалдандырады. Керамикалық масса аздап ылғалды (қалыптаудың «құрғақ» әдісінде) 2-ден 8%-ке дейін, жартылай құрғақ әдісінде 8-ден 18%-ке дейін пресс – ұнтақ түрінде болады, сондықтан мұндай массалардан жасалған бұйымарды арнаулы автоматты қысқыштарда үлкен қысыммен қалыптайды.