Содержание
1. Основная задача технологии, т. е. изделие (товар, продукт) на выходе и его свойства.
2. Характеристика технологии как системы.
3. Данная технология как подсистема производства, его краткая характеристика.
4. Место человека в этой технологии – подсистеме и их взаимодействие.
5. Наука и ее возможное влияние на современное состояние технологии; их обратная связь.
6. Виды данного процесса по параметрам времени и пространства.
7. Необходимое технологическое оснащение, его характеристики, параметры и пределы применимости.
8. Порядок проектирования технологии.
9. Технологичность изделия (продукта, товара) на выходе технологического процесса; возможные мероприятия ее повышения.
10. Механизация и автоматизация технологии: средства, методы, уровень современного состояния.
11. Основное возможное направление совершенствования технологии на ближайшее будущее.
Керамические материалы.
1. Основная задача технологии, т.е. изделие (товар, продукт) на выходе и его свойства.
Керамика – материалы и изделия, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также оксидов и других неорганических соединений.
Керамические строительные материалы – это искусственные каменные изделия, получаемые из глиняных масс с добавками или без добавок других материалов путем формования и последующего обжига. Керамические материалы – самые древние из искусственных каменных материалов.
Они характеризуются достаточно высокими показателями физико-технических свойств, водо-, термо- и кислотостойкостью, выдерживают 15 – 100 циклов попеременного замораживания и оттаивания без видимых изменений структуры. Эти свойства обусловливают высокую долговечность керамических изделий и сравнительно низкий уровень затрат при эксплуатации зданий и сооружений.
Вместе с тем керамические материалы имеют и определенные недостатки: сравнительно высокую плотность и теплопроводность, длительный технологический цикл изготовления (3 – 4 суток) и др. Однако большие запасы повсеместно растраченного сырья, сравнительная простота технологии, высокая прочность и долговечность керамических материалов, многовековой опыт производства ставят их на одно из первых мест среди других строительных материалов.
2. Характеристика технологии как системы.
Несмотря на обширный ассортимент, разнообразие форм и свойств керамических изделий, основные этапы их производства являются общими и включают следующие стадии: карьерные работы (добыча, транспортирование и хранение запаса глин), подготовку глиняной массы, формование изделий, сушку отформованных изделий, обжиг высушенных изделий, обработку изделий (глазурование, ангобирование и пр.) и упаковку. Добыча глины осуществляется в карьерах. Керамические заводы, как правило, строят вблизи месторождения глины, и карьер является составной частью завода. Для добычи глин преимущественно используют многоковшовые, одноковшовые и роторные экскаваторы, канатные скреперы. Метод добычи должен быть увязан с мощностью пласта и характером залегания глин.
Транспортирование глины из карьера на завод производится по-разному. Наиболее экономически выгодным и обеспечивающим бесперебойную подачу глины на завод считается рельсовый транспорт. Безрельсовый транспорт (ленточные транспортеры, автосамосвалы, тягачи, тракторы, воздушно-канатные дороги) используется на керамических заводах с учетом местных условий.
В зависимости от свойств исходного сырья и вида изготовляемой продукции подготовку глиняной массы осуществляют полусухим, пластическим и шликерным (мокрым) способами.
Формование изделий производится преимущественно на прессах: при первом способе подготовки глиняной массы – гидравлических или механических, при втором – на ленточных вакуумных или безвакуумных. Вакуумирование глины способствует повышению плотности изделий на 6 – 8 % (прочность увеличивается на 30 – 40 %) и снижению их водопоглощения. Сушка изделий – обязательная промежуточная стадия технологического процесса производства керамических изделий. Если сырые изделия сразу после формования подвергнуть обжигу, то они растрескаются. Сушка в естественных условиях производится на стеллажах в помещениях или под навесами вне их. Ускорение процесса сушки изделий достигается в сушилах периодического (камерных) и непрерывного (туннельных) действия. Обжиг изделий осуществляются в кольцевых или туннельных печах непрерывного действия. На новых заводах кольцевые печи не строят, так как им присущи существенные недостатки (значительный перепад температуры, высокая трудоемкость процесса, тяжелые условия труда). Туннельные печи экономичнее кольцевых в силу более высокого уровня механизации производства, а также лучшего использования тепловой энергии.
3. Данная технология как подсистема производства, его краткая характеристика.
В зависимости от свойств исходного сырья и вида изготовляемой продукции подготовку глиняной массы осуществляют полусухим, пластическим и шликерным (мокрым) способами.
При полусухом способе сырьевые материалы после предварительного дробления на вальцах выдерживают в сушильном барабане (до остаточной влажности 6 – 8 %), затем измельчают в дезинтеграторе, просеивают, увлажняют (до влажности 8 – 12 %) и тщательно перемешивают. Полусухой способ подготовки глиняной массы используется в основном при производстве плиток для облицовки стен, полов и др.
При пластическом способе подготовки глиняной массы исходное сырье дробят, тонко измельчают и увлажняют до получения однородной пластичной массы влажностью 18 – 22 %. Этот способ применяется при производстве глиняного кирпича, керамических камней, черепицы, труб.
При шликерном способе подготовки глиняной массы высушенные сырьевые материалы измельчают в порошок и смешивают с водой до получения однородной массы шликера, который непосредственно используют для получения изделий способом литья (санитарно-технические изделия, декоративная керамика и др.) или после его сушки в распылительных башенных сушилках. Сущность технологии получения пресс-порошка в распылительных сушилках заключается в совмещении процессов обезвоживания, дробления и сепарации керамической массы. Обезвоживание ее в распылительных сушилках позволяет в 3,5 раза повысить производительность труда и в 1,5 раза сократить капитальные затраты на производство готовой продукции.
Формование изделий осуществляется преимущественно на прессах: при полусухом способе подготовки глиняной массы – гидравлических или механических, при пластическом – на ленточных вакуумных или безвакуумных. Вакуумирование глины способствует повышению плотности изделий на 6 – 8 % (прочность увеличивается на 30 – 40 %) и снижению их водопоглощения. Основными способами производства керамических стеновых материалов являются пластические, применяемые для подготовки глиномассы и формования изделий. Вместе с тем на отдельных предприятиях, с учетом специфических особенностей сырья (высокой карьерной влажности, наличие известняковых и других каменистых включений, крайняя неоднородность глин по составу и т. п.) применяют сухой способ подготовки глиняной массы с последующим пластическим или полусухим прессованием изделий. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. Так, при полусухом прессовании изделий упрощается технологическая схема производства, в ряде случаев отпадает необходимость в строительстве отдельно стоящих сушильных агрегатов, облегчаются условия механизации ряда технологических процессов. Однако при этом необходимо использовать печи длиной до 230 м. Расход топлива повышается на 25 %, так как температура обжига изделий на 30 – 50 °С выше, чем при пластическом способе формования изделий. Снижаются показатели качества последних: морозостойкость, предел прочности при изгибе, увеличивается плотность. Обязательно создание высокоэффективных систем вентиляции помещений предприятия. Полусухой способ прессования предполагает ограничение размеров изделий (в основном так получают одинарный или полуторный кирпич) и их пустотности (до 13 – 18 %).
При пластическом способе производства керамических изделий несколько усложняется технологический процесс, однако создается возможность получать высокопустотные, укрупненные керамические стеновые материалы, одновременно при этом повышается качество изделий, и в первую очередь их морозостойкость.
4. Место человека в этой технологии – подсистеме и их взаимодействие.
Численность рабочих на предприятиях, производящих керамические строительные материалы и изделия, зависит от ряда факторов и прежде всего от технической оснащенности предприятий, совершенства технологии, условий добычи сырьевых материалов и др.
5. Наука и ее возможное влияние на современное состояние технологии; их обратная связь.
Технология прочно объединяет естествознание, с которым взаимодействует на низших уровнях (снизу), науку и технику (средние уровни иерархии), экономику, политику и управление (верхние). Технология как основа жизни общества дает те потребительные стоимости, образы которых формирует политика. Экономика, являясь своеобразным проводником и регулятором потоков материальных и духовных ценностей, в условиях глубокого разделения труда стала играть исключительную роль в развитии производительных сил общества. Поэтому разрыв связей между технологией, естествознанием, техникой, экономикой и политикой недопустим.
Проникая в область экономики, политики и управления, технология конкретизирует цели, принципы и решения практических задач развития общества, отдельных регионов и цивилизации в целом. Она помогает выработать тактику и стратегию глобального развития общественно-экономических формаций на базе системного подхода к решению проблем политических, экономических и развития техники; решать практические задачи на базе исследований комплекса наук, связывая их в единое целое. Сами по себе перечисленные отрасли знаний в силу своей специфики не способны решать подобные задачи. Поэтому часть теоретической технологии, устанавливающая взаимосвязь политики и экономики с развитием технологии и техники, выделяют в самостоятельный раздел – социальную технологию. Задачи этой науки включают не только общественные отношения, но и производственные, экономические, социальные и политические.
6. Виды данного процесса по параметрам времени и пространства.
Керамические материалы и изделия классифицируются по разным признакам. В зависимости от структуры керамические материалы разделяют на две основные группы: плотные, спекшиеся, имеющие блестящий раковистый излом, не пропускающие воду, с водопоглощением менее 5 % (клинкерный кирпич для мощения дорог, плитки для пола, канализационные трубы, химически стойкие керамические изделия); пористые, имеющие тусклый землистый излом, с водопоглощением более 5 % (стеновые, кровельные и облицовочные материалы, дренажные трубы и др.).
По степени однородности и зернистости керамического черепка различают изделия грубой и тонкой (фарфор, фаянс) керамики.
По конструктивному назначению керамических строительных материалов и изделий выделяют следующие их виды: стеновые изделия (кирпич, керамические камни и панели из них); изделия для облицовки фасадов зданий (лицевой кирпич и камни, плитки различного рода, архитектурно-художественные изделия, ковровая керамика); изделия для внутренней облицовки (глазурованные плитки и фасонные детали к ним – карнизы, утолки, пояски, плитки для полов крупные и мозаичные); изделия для перекрытий (балки, панели, специальные камни); кровельные изделия (черепица рядовая, коньковая и др.); тепло- и звукоизоляционные изделия (перлитокерамика, ячеистая керамика, диатомитовые легковесные изделия, керамзито-керамические панели); санитарно-технические изделия (умывальные столы, унитазы, ванны); изделия дорожно-строительного назначения (клинкерный кирпич для мощения дорог и тротуаров, устройства полов промышленных зданий, кладки канализационных коллекторов); изделия для подземных коммуникаций (канализационные и дренажные трубы для мелиоративных работ, а также для осушения грунтового основания под зданиями и сооружениями); заполнители для легких бетонов (керамзит, аглопорит); кислотоупорные изделия (кирпич, плитки, трубы и фасонные части к ним); огнеупорные изделия (для футеровки шахтных и туннельных печей, вагранок, вращающихся печей, доменных печей) и др.
Керамические изделия бывают глазурованные и неглазурованные. Глазурь придает изделиям стойкость к внешним воздействиям, водонепроницаемость и высокие декоративные качества.
7. Необходимое технологическое оснащение, его характеристики, параметры и пределы применимости.
Обжиг изделий производят в кольцевых или туннельных печах непрерывного действия. На новых заводах кольцевые печи не строят, так как им присущи существенные недостатки (значительный перепад температуры, высокая трудоемкость процесса, тяжелые условия труда). Туннельные печи экономичнее кольцевых в силу более высокого уровня механизации производства, а также лучшего использования тепловой энергии. Туннельная печь – это туннель длиной от 60 до 230 м в зависимости от размеров обжигаемых изделий, шириной 3 – 5 м, высотой около 2 м. Внутри туннеля по рельсам движутся навстречу газовому потоку вагонетки с изделиями. Условно печь делят на три зоны – подогрева, обжига и охлаждения, которые последовательно в течение 18 – 36 ч проходят вагонетки с кирпичом-сырцом.
8. Порядок проектирования технологии.
Проектирование технологических процессов керамических материалов должно обеспечивать высокий уровень механизации работ, сокращение затрат и облегчение ручного труда, внедрение передовых технологий формования и сушки изделий, использующихся на родственных предприятиях и в смежных отраслях промышленности; рациональное использование имеющихся производственных ресурсов; передовые формы организации производства и наиболее прогрессивные, экономичные методы осуществления технологических операций. При этом необходимо правильно определять режимные параметры технологического процесса (темп, ритм и цикл, коэффициент загрузки рабочего места и др.).
9. Технологичность изделия (продукта, товара) на выходе технологического процесса; возможные мероприятия ее повышения.
Сырьевые материалы, применяемые в керамической промышленности, делят на две группы: пластичные и непластичные.
Пластичными материалами считают такие, которые при смешивании с водой образуют пластичное тесто, способное под воздействием внешних сил принимать любую форму без образования трещин и разрывов и сохранять ее после сушки и обжига. К ним относят каолины и глины.
Каолины – глинистые породы белого цвета различных оттенков, состоящие главным образом из каолинита. Применяются для производства фарфоровых и фаянсовых изделий, а также огнеупоров.
Основным сырьем для изготовления строительных керамических материалов и изделий являются глины, которые отличаются от каолинов большим разнообразием химического и минералогического состава.
Глины – осадочные горные породы, состоящие в основном из глинистых минералов. Они в большей степени, чем каолины, загрязнены минеральными и органическими примесями. В природе глины встречаются в рыхлом, пастообразном и уплотненном состоянии.
Любая глина состоит из многих минералов, т. е. является полиминеральным сырьем. Минералы, содержащиеся в глине, могут придавать ей пластичность или не обладать пластическими свойствами. К первой группе относятся глинообразующие минералы водные алюмосиликаты (каолинит, галлуазит и др.).
Глинистая порода – механическая смесь глинообразующих минералов, тонкозернистых примесей и включений. В качестве примесей могут быть кварцевый песок, тонкодисперсная кварцевая пыль, карбонатные породы, щелочные и железные оксиды.
Минералогический состав глин определяет их поведение в процессе обжига, а также формовочную способность.
Химический состав глин является важнейшей характеристикой, в значительной мере определяющей промышленное их назначение, пригодность для производства тех или иных изделий.
Глины отличаются комплексом весьма разнообразных свойств. Наиболее важными технологическими свойствами глин являются: пластичность, связующая способность, воздушная и огневая усадка, огнеупорность, спекаемость и интервал спекания.
Пластичность глины – это способность образовывать при затворении водой тесто, которое под воздействием внешних усилий принимает любую заданную форму без разрыва сплошности и сохраняет ее после прекращения действия усилий.
Пластичность глины повышается с увеличением содержания в ней глинистых частиц; соответствующее состояние глины отличается от хрупкого и вязкотекучего.
В зависимости от числа пластичности ГОСТ устанавливает следующую классификацию глин: высокопластичные (жирные) – П>25 %; среднепластичные – П=15– 25 %; умеренно пластичные – П= 1– 15 %; малопластичные (тощие) – П<7 %; непластичные, т. е. не образующие пластичное тесто. Малопластичные глины плохо формуются, а высокопластичные растрескиваются при сушке и требуют отощения. Для производства строительных керамических изделий обычно применяют умеренно пластичные глины. Пластичность глин зависит от их гранулометрического состава (с повышением дисперсности глин их пластичность возрастает), минеральных составляющих (наибольшей пластичностью обладают монтмориллонитовые глины, наименьшей каолинитовые). Глины с большим содержанием песка характеризуются малой пластичностью.
Связующая способность глин – свойство их связывать частицы непластичных материалов (песка, шамота и др.) при сохранении способности массы к формованию и образованию после сушки достаточно прочного изделия. По связующей способности глины подразделяются в зависимости от содержания связанного кварцевого песка: связующие (песка более 50 %), пластичные (20 – 50 %), тощие (менее 20 %), камневидные (не образуют пластичное тесто). Благодаря связующей способности глиняные строительные растворы используются при кладке печей, труб.
Относительная воздушная усадка различных глин составляет от 2 – 3 до 10 – 12 % в зависимости от содержания в них тонких фракций. На усадку влияют от содержание в глине песка, ее дисперсность, режим сушки. Для уменьшения усадочных напряжений в изделиях к жирным глинам добавляют отощители. Чувствительность глин к сушке характеризует их трещиностойкость в этом процессе. Причиной возникновения трещин является неодинаковая усадка по сечению и по поверхности изделия. Когда возникающие при этом напряжения превосходят предел прочности материала, образуются трещины. Трещиностойкость керамических изделий зависит от их прочности, усадки и влагопроводности глины (интенсивности перемещения влаги внутри глиняной массы).
Огнеупорность – способность керамических материалов и изделий длительно противостоять воздействию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь.
Согласно ГОСТу, глины по огнеупорности делятся на три класса: огнеупорные (температура размягчения выше 1580 °С), тугоплавкие (1350 – 1580 °С) и легкоплавкие (ниже 1350 °С). Огнеупорность глины зависит от ее минералогического, химического и гранулометрического составов. Огнеупорные глины высокопластичны, характеризуются малым содержанием примесей (менее 15 %), высокодисперсны, применяются в производстве фарфоро-фаянсовых изделий, огнеупоров. Тугоплавкие глины с содержанием плавней 15 – 18 % после обжига имеют темный цвет. Они применяются в производстве химически стойких материалов, канализационных труб, плиток для полов и других изделий с плотным черепком.
Легкоплавкие глины (до 30 % плавней) характеризуются большим разнообразием химико-минералогического состава. Из них изготовляют глиняный кирпич, пустотелые керамические камни и изделия строительной керамики с пористым черепком.
Под спекаемостью глин понимают их способность уплотняться при обжиге с образованием твердого камнеподобного черепка. Спекание – это совокупность процессов усадки, уплотнения и упрочнения глины при обжиге. Степень спекания определяет водопоглощение керамического черепка. С повышением степени спекания водопоглощение уменьшается. Спекшимся считается черепок с водопоглощснием менее 5 %. Спекаемость глин характеризуют температурным интервалом их обжига, определяемым как разность температуры спекания (при которой на поверхности образца появляется жидкая фаза) и температуры начала деформации образца. Глинозем обусловливает увеличение этого интервала, песок и СаО – резкое снижение, щелочные оксиды – существенное его расширение. Наименьший температурный интервал обжига (50 – 100 °С) характерен для легкоплавких глин, наибольший (до 400 °С) огнеупорных. Спекаемость является важнейшим показателем, определяющим пригодность глин для производства многих керамических изделий – канализационных труб, плиток для полов, кислотоупорных изделий.
Группа непластичных материалов включает: отощающие материалы, флюсы (плавни), порообразующие (выгорающие) и специального назначения.
Отощающие материалы используются для снижения пластичности и воздушной усадки глин (кварцевый песок; шамот – обожженная при 1000 – 1400 °С огнеупорная или тугоплавкая глина; дегидратированная обожженная при 600 – 700 °С глина; гранулированный шлак; зола, получаемая при сжигании твердого топлива).
Флюсы способствуют повышению степени и снижению температуры спекания глин (мел, мрамор, доломит, тальк).
Порообразующие материалы вводятся в глиняные смеси для получения легких керамических изделий повышенной пористости и с малой теплопроводностью. Это вещества, которые при обжиге диссоциируют с выделением газа (молотые мел, доломит) или выгорают (древесные опилки, тощие каменные угли, золы ТЭЦ, отходы углеобогатительных фабрик).
Материалы специального назначения используются для придания изделиям определенных свойств. Например, для получения некоторых видов цветной керамики применяют оксиды хрома, кобальта и др.
Для придания декоративного вида и стойкости к внешним воздействиям поверхность некоторых керамических изделий перед обжигом покрывают глазурью или ангобом. Глазурь – стекловидное покрытие на керамике толщиной 0,15 – 0,3 мм, закрепленное обжигом. Она может быть прозрачной, непрозрачной различного цвета.
Ангоб приготовляют из белой или цветной глины и наносят тонким слоем на поверхность необожженного изделия. При обжиге ангоб не плавится, поэтому цветная поверхность изделия получается матовой. Свойства ангоба должны быть близки к свойствам основного черепка.
10. Механизация и автоматизация технологии: средства, методы, уровень современного состояния.
Основными направлениями НТП при производстве керамических материалов предусмотрено следующее:
§ перевод керамической промышленности на более эффективные виды топлива, в частности на нефтяное топливо и природный газ, позволит снизить удельный расход топлива, его потери при транспортировании и сжигании, улучшить условия труда, создать условия для автоматического регулирования тепловых процессов;
§ улучшение структуры производства строительных материалов за счет организации массового выпуска изделий с пониженной материалоемкостью и улучшенными технико-экономическими характеристиками (эффективных керамических камней и лицевых изделий, в том числе с пористыми заполнителями, санитарно-технических изделий и др.);
§ комплексная механизация и автоматизация производственных процессов с применением высокопроизводительного оборудования (прессов высокого давления, модернизированных туннельных сушил и т. п.), автоматов-укладчиков кирпича-сырца на сушильные вагонетки, автоматов-садчиков для печных вагонеток, автоматов – пакетировщиков готовой продукции и др.; модернизация оборудования, замена малопроизводительных машин периодического действия машинами непрерывного действия, создание автоматических линий, внедрение НОТ и АСУТП;
§ дальнейшее повышение качества продукции на основе совершенствования стандартов и технических условий на готовую продукцию, тару, материалы, сырье и т. д.
Реализация указанных направлений позволит снизить себестоимость керамических материалов и изделий и трудовые затраты на их изготовление.
11. Основное возможное направление совершенствования технологии на ближайшее будущее.
Основными направлениями экономического и социального развития предусматривается:
1) увеличение мощности предприятий, что позволит повысить уровень механизации и соответственно уменьшить трудозатраты и себестоимость продукции, снизить расход энергоресурсов, а также цеховые и общезаводские затраты, полнее использовать достижения научно-технического прогресса;
2) совершенствование технологии производства керамических материалов и изделий за счет внедрения малоотходных, безотходных и энергосберегающих процессов, использования машин и агрегатов большой единичной мощности и производительности. В соответствии с постановлением о повышении технического уровня производства строительного кирпича предстоит выполнить большой объем работ по реконструкции и техническому перевооружению действующих предприятий на базе использования современной технологии и высокопроизводительного оборудования, механизации и автоматизации производственных процессов. Предполагаются совершенствование технологии обогащения и переработки исходного сырья, сушки и обжига керамических стеновых материалов, разработка эффективных режимов прессования, сушки и обжига изделий;
3) снижение материалоемкости производства на базе широкого использования местного и попутно добываемого сырья, вторичного сырья и отходов промышленности (побочных продуктов) – шлаков, зол, нефелина, гранитных отсевов, отходов химического производства и др.
Перспективно применение в производстве керамических стеновых материалов отходов углеобогащения и зол теплоэлектростанций. Использование этих отходов в качестве добавок в сырьевую массу позволит снизить расход топлива на 15 – 20 %, а при применении продуктов углеобогащения в качестве основного сырья – до 50 %, повысить качество кирпича, его пустотность (до 30 % и более), снизить на 20 – 25 % себестоимость продукции за счет сокращения затрат на добычу сырья и экономии технологического топлива. При условии массового применения топливосодержащих добавок в кирпичной промышленности годовой объем их использования может быть доведен до 7,5 – 8 млн т, а объем выпуска глиняного кирпича с применением отходов промышленности – до 40 % от общего объема его производства. Это позволит ежегодно дополнительно экономить 1,5 млн топлива.
Литература
Бубен К.К. «Производственные технологии» ч.1-3