СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2002 года по МПК C04B33/02 B28B3/22 

Изобретение относится к области производства строительных материалов на основе керамики. Предлагаемый способ позволяет получать керамические изделия (плитки, кирпичи, черепица и т.п.), устойчивые к абразивному износу, воздействию агрессивных сред и высоким разрушающим нагрузкам.

Предшествующий уровень техники
Известен способ изготовления стеновых керамических изделий и/или керамической черепицы [патент Ru 2092464, опубликован 10.10.97, Бюл. 28], включающий подготовку глиняного сырья с использованием питателей, глинорыхлителя, смесителя, бегунов, а также формование шнековым прессом с последующей резкой отформованного бруса, сушку и обжиг изделий. При этом на стадии формования шнековый пресс снабжен устройством для импульсной электромагнитной обработки формуемого бруса и устройством для создания прикладываемого к последнему переменного электрического поля в направлении, перпендикулярном направлению оси электромагнитного поля, создаваемого первым устройством. Датчики электрического и магнитного полей расположены в загрузочном бункере пресса и на выходе из его мундштука и связаны с блоком управления интенсивностью импульсной электромагнитной обработки и устройством для создания переменного электрического поля на выходе из мундштука пресса. Показания датчиков учитываются при управлении режимом сушки глиняного сырья.

Данный способ получения керамических изделий обладает рядом существенных недостатков:
- большая энергоемкость способа, обусловленная необходимостью создания электромагнитных и электрических полей большой мощности;
- невозможность обеспечить высокий уровень прочностных характеристик получаемых изделий, что обусловлено низкой эффективностью электромагнитного воздействия на всю глубину формуемого бруса, а также неравномерностью по глубине его сушки за счет электрического поля;
- низкая экологическая безопасность из-за воздействия электромагнитных и электрических полей на работающих людей и окружающую среду.

Известен способ изготовления керамических изделий [Патент РФ 2104255, опубликован 10.2.98, Бюл. 4] , включающий подготовку глиняной массы и ее последующую, в процессе формования, обработку постоянным электрическим током при напряжении 20-220 В и плотности тока 0,255-0,75 А/см². В глиняную массу в процессе подготовки может быть внесена активирующая добавка в вязком растворе при ее рН 8-12,0, а массовое соотношение активирующей добавки к глиняной массе 5 • 10^-6 - 0,2 : 1.

Данный способ получения керамических изделий обладает рядом существенных недостатков:
- низкий уровень прочностных характеристик получаемых изделий;
- наличие технологических отходов после сушки;
- большая энергоемкость способа, обусловленная необходимостью создания высокой плотности тока;
- низкая экологическая безопасность из-за необходимости использования щелочной фракции активирующей добавки, получаемой в результате электрохимического разделения мочи.

Раскрытие изобретения
Предлагаемым изобретением решаются следующие технические задачи:
- повышение уровня прочностных характеристик получаемых изделий и, как следствие, повышение их абразивной устойчивости и увеличение срока службы;
- уменьшение массовой доли отходов, образующихся при ведении технологического процесса и при случайном бое готовых изделий;
- снижение энергоемкости технологического процесса за счет снижения времени на сушку.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в способе получения керамических изделий, включающем подготовку глиняного сырья, формование шнековым прессом с последующей резкой отформованного бруса, штамповкой изделия, сушкой и обжигом, операцию формования ведут путем по меньшей мере трехкратного пропускания подготовленного глиняного сырья через шнековый пресс в режиме пластического течения при удельном давлении не менее 10 МПа с выдержкой бруса после каждого пропускания через шнек-пресс при комнатной температуре не менее 2 ч.

Поставленные технические задачи решаются также тем, что на стадии подготовки глиняного сырья в него перед формованием вводят частицы керамики удельной поверхностью 1500 см²/г и более, полученные в результате помола отходов, образующихся при сушке, обжиге и бое готовых изделий в массовом соотношении глиняного сырья и частиц керамики 80:20.

Заявляемый способ получения керамических изделий реализуется следующим образом. Для этого глиняное сырье с формовочной влажностью 15%, которое с помощью питателя загружают в приемный бункер шнек-пресса емкостью 50 л, длиной мундштука 200 мм и конусностью 2:1. Обогрев шнек-пресса и мундштука осуществляется с помощью горячей воды температурой 50-60^oС. Формование ведут путем, по меньшей мере, трехкратного пропускания глиняного сырья через шнековый пресс в режиме пластического течения сырья при удельном давлении 10-20 МПа.

При заданном режиме формования в образующемся брусе эффективно протекают процессы релаксации напряжений в микрообъемах глиняной массы, ориентации частиц, заполнение микропустот, что способствует формованию гомогенной массы высокой плотности. Трехкратного пропускания глиняного сырья через шнековый пресс с двухчасовой выдержкой бруса между очередными пропусканиями при комнатной температуре оказывается достаточным для формования наиболее эффективной структуры глинянного сырья в брусе для последующей (после сушки и отжига) реализации высокого уровня механической прочности изделий, их высокой износостойкости при истирании, низкого водопоглощения при высоком уровне стойкости к агрессивным средам. Нижний уровень удельного давления в 10 МПа лимитируется энергоемкостью процесса и необходимостью обеспечить (в процессе вытяжки глиняного сырья) эффективное прохождение процессов ориентации частиц, релаксации напряжений и формования плотной структуры.

При повышении удельного давления более 20 МПа процессы релаксации напряжений в массе сырья не будут успевать происходить, что впоследствии негативно скажется на уровне прочности изделий. С целью увеличения прочностных характеристик изделий и создания экологически чистого безотходного производства, целесообразно на стадии подготовки глиняного сырья в него перед формованием вводить частицы керамики удельной поверхностью 1500 см²/г и более, полученные в результате помола на щековых и шаровых мельницах отходов при сушке, обжиге и бое готовых изделий при массовом соотношении глиняного сырья и частиц керамики 80:20. Это соотношение обеспечивает оптимальные экологические характеристики пластического течения при указанных ранее удельных давлениях, а также обеспечивает более высокий уровень механической прочности получаемых изделий.

Вышеизложенная совокупность операций и их режимов (не менее чем 3-кратное пропускание через шнек-пресс при удельном давлении 10-20 МПа с 2-часовой выдержкой между последующим пропусканием через шнековый пресс), а также совокупность компонентов (использование помола отходов керамики удельной поверхностью 1500 см²/г и менее при массовом соотношении глиняного сырья и частиц керамики 80: 20) обеспечивает получение керамических изделий по безотходной технологии с низкими затратами энергии и с высоким уровнем прочностных характеристик.

Ранее не было известно такого способа получения керамических изделий. Полученные технические результаты невозможно было прогнозировать или рассчитать заранее, используя известные подходы.

Лучшие варианты осуществления изобретения
Пример 1.

Готовили лопастным смесителем 100 кг глиняного сырья со следующим химическим и массовым составом исходной глины %:
SiО₂ - 65,8
Al₂O₃ - 18,2
ТiO₂ - 1,0
Fe₂O₃ - 2,5
CaO - 1,0
MgO - 3,2
К₂О - 3,8
Na₂О - 0,5
Кварц - Остальное
При перемешивании глины и добавлении воды доводили влажность массы до 15%. Полученное глиняное сырье загружали в питающий бункер шнек-пресса, из которого порциями по 5-10 кг дозировали в шнек-пресс с длиной формующего мундштука 200 мм и конусностью 2:1. Обогрев шнек-пресса и мундштука осуществляли водой при температуре 50-60^oС. Формование бруса осуществили при удельном давлении 15 МПа. В результате пропускания глиняного сырья через шнек-пресс получали цилиндрические бруски весом 10 кг, которые укладывали на деревянные стеллажи для выдержки. После трехкратного пропускания через шнек-пресс и суммарной 6-часовой выдержки при комнатной температуре постоянная влажность составляла 7%. Полученные бруски нарезали на пластины, из которых штамповали плитки. Плитки укладывали на поддоны, которые помещали в печь отжига при 1150^oС±10^oС. После выдержки в течение часов, поддоны извлекали, плитку охлаждали на воздухе и укладывали в ящик.

Для определения предела прочности на сжатие и на изгиб готовили образцы согласно ГОСТ 961-89. Сравнительные данные испытаний на прочность при сжатии и изгибе, а также водопоглощение, кислотостойкость, морозостойкость, износостойкость приведены в таблице.

Пример 2.

К 80 кг глиняного сырья с химическим и массовым составом исходной глины по примеру 1 добавили 20 кг частиц молотой керамики удельной поверхностью 1500 см²/г. При перемешивании смеси в лопастном смесителе и добавлении воды доводили влажность до 15%. Далее проводили операции по описанию примера 1.

В таблице представлены сравнительные данные эксплуатационных характеристик керамических изделий, полученных при различных режимах заявляемого способа и способа по прототипу.

Из представленных в таблице данных видно, что получить керамическое изделие, обладающее наилучшей совокупностью эксплуатационных характеристик, можно при использовании способа при 3-кратном пропускании глиняного сырья через шнек-пресс. Дополнительного улучшения характеристик достигают за счет добавления в глиняное сырье отходов производства - частиц керамики удельной поверхностью 1500 см²/г и более.

Промышленная применимость
Продолжительный способ изготовления керамических изделий позволяет улучшать их качество и уровень прочностных характеристик.

Преимуществами предложенного способа изготовления являются простота и безопасность производства, широкая сырьевая база компонентов и возможность использования стандартного оборудования. Стадии способа не оказывают губительного действия на человека и окружающие его живые организмы, природу.

Изобретение относится к производству строительных материалов на основе керамики и позволяет получать изделия (плитки, черепицу и т.п.) с высоким уровнем эксплуатационных характеристик. Способ изготовления керамических изделий включает подготовку глиняного сырья, формование путем, по меньшей мере, трехкратного пропускания подготовленного глиняного сырья через шнек-пресс в режиме пластического течения при удельном давлении 10-20 МПа с выдержкой бруса после каждого пропускания при комнатной температуре не менее 2 ч с последующей штамповкой изделия, сушкой и обжигом. На стадии подготовки глиняного сырья в него перед формованием дополнительно могут вводить частицы керамики удельной поверхностью 1500 см²/г и более, полученные в результате помола отходов, образующихся при сушке, обжиге и бое готовых изделий при массовом соотношении глиняного сырья и частиц керамики 80:20. Технический результат изобретения - улучшение прочностных свойств, повышение абразивной устойчивости и увеличение срока службы керамических изделий. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения керамических изделий, включающий подготовку глиняного сырья, формирование шнек-прессом с последующей резкой отформованного бруса, штамповкой изделия, сушкой и обжигом, отличающийся тем, что операцию формирования ведут путем, по меньшей мере, трехкратного пропускания подготовленного глиняного сырья через шнек-пресс в режиме пластичного течения при удельном давлении 10-20 МПа с выдержкой бруса после каждого пропускания при комнатной температуре не менее 2 ч. 2. Способ получения керамических изделий по п. 1, отличающийся тем, что на стадии подготовки глиняного сырья в него перед формованием вводят частицы керамики удельной поверхностью 1500 см²/г и более, полученных в результате помола отходов, образующихся при сушке, обжиге и бое готовых изделий при массовом соотношении глиняного сырья и частиц керамики 80: 20.