Технология производства фарфоровой и фаянсовой посуды

Курсовая работа

по дисциплине: "Материаловедение"

на тему: "Технология производства фарфоровой и фаянсовой посуды"

Содержание

Введение

Раздел 1. Материалы керамического производства и их влияние на качество изделий

1.1 Характеристика материалов для черепка и их влияние на качество изделий

1.2 Материалы, применяемые в производстве глазури

1.3 Материалы для декорирования фарфоровой и фаянсовой посуды

Раздел 2. Характеристика этапов производства фарфоровой и фаянсовой посуды

2.1 Расчет керамических масс по рациональным составам компонентов

2.2 Подготовка пластических масс и литейных шликеров

2.3 Характеристика основных способов формования фарфоровой и фаянсовой посуды

2.4 Влияние процессов сушки изделий на их качество

2.5 Обжиг изделий: режимы и сущность процессов

2.6 Характеристика процессов декорирования изделий

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Тема моей курсовой работы - "Технология производства фарфоровой и фаянсовой посуды". Актуальность работы заключается в том, что в настоящее время методы производства фарфорофаянсовых изделий совершенствуются, проводится интенсификация производственных процессов на основе более широкого применения достижений физики и химии и специалисту необходимо следить за развитием современных технологий производства.

Цель данной работы – рассмотреть основные этапы производства фарфоровой и фаянсовой посуды.

Для решения поставленной цели в работе рассмотрены следующие задачи:

1.  Охарактеризовать материалы, применяемые в производстве черепка, глазури и материалы для декорирования изделий и рассмотреть их влияние на качество готовых изделий;

2.  Рассмотреть процессы подготовки пластических масс и литейных шликеров;

3.  Дать характеристику основных способов формования, сушки, обжига и декорирования фарфоровой и фаянсовой посуды.

Курсовая работа логически разделена на две главы, в каждой из которых представлен определенный аспект исследуемой темы. В первой главе рассмотрены материалы керамического производства и их влияние на качество изделий. Вторая глава посвящена характеристике этапов производства фарфоровой и фаянсовой посуды.

Раздел 1. Материалы керамического производства и их влияние на качество изделий 1.1 Характеристика материалов для черепка и их влияние на качество изделий

керамический глазурь шликер сушка

Сырьевые материалы, используемые для изготовления фарфоровых и фаянсовых изделий, подразделяются на пластичные и непластичные (отощающие и плавни).

К пластичным материалам относятся: глины, каолины и бентониты. Эти материалы в соединении с определенным количеством воды образуют пластичную массу, а после обжига приобретают прочность камня.

К отощающим материалам относятся: кварцевый песок, молотый кварц, молотый бой неглазурированных изделий, прошедших обжиг (шамот), дегидратированная глина (обоженная на температуру 600-750°С). Количество отощающих материалов влияет на пластичность масс и препятствует сокращению размеров изделий при сушке и обжиге.

К плавным относятся материалы, которые при максимальной температуре обжига или плавятся и переходят в расплав, или образуют с другими материалами массы силикаты (расплавы), способствующие образованию прочного материала. От количества образующегося расплава зависит степень спекания материала. Плавнями являются полевые шпаты (альбит, ортоклаз, анортит), кварц-полевошпатовое сырье, пегматиты, сиениты и др.

К глинистым материалам относятся глины, каолины и бентониты. Глины и каолины - природные материалы полиминерального состава, образовавшиеся в результате разрушения (выветривания) алюмосиликатных горных пород (полевых шпатов, пегматитов, гранитов и др.).

К важнейшим глинистым минералам относятся: каолинит - Аl₂О₃•2SiO₂•2Н₂О, монтмориллонит - (Са, Mg)O•Аl₂О₃•4 - 5SiO₂•xН₂О, гидрослюда (иллит) - К₂О•MgO•4Аl₂О₃•7SiO₂•2Н₂О и др.

Глины, состоящие преимущественно из каолинита или минералов каолинитовой группы, называются каолинами. Они имеют ясно выраженное кристаллическое строение и включают крупные зерна кварца. От обычных глин каолин отличается высоким содержанием глинозема Аl₂О₃, меньшей пластичностью и обладает свойством повышать белизну обожженных керамических изделий. Глины по сравнению с каолинами имеют более сложный минералогический состав. В них в виде примесей присутствуют зерна кварца, полевых шпатов, слюды, оксиды и гидроксиды железа и марганца, известковые и гибсовые включения и другие минералы, а также органические примеси (растительные остатки - древесина, торф, угли и др.).

Содержание окиси кальция (в виде карбонатов и сульфатов кальция) в некоторых глинах достигает 25%. Эти соединения кальция сокращают период спекания глин, что ухудшает условия обжига керамических изделий. Такое же влияние на обжиг изделий оказывает и окись магния, находящаяся в глинах в виде карбоната MgCO₃ и доломита MgCO₃•CaCO₃. В незначительных количествах в глинах встречается в виде примесей сернистый ангидрид SO₃. Однако если он находится в соединениях с магнием или натрием, то он может вредно влиять на прочность изделий. Полезными примесями можно считать окись калия и окись натрия, которые служат плавнями, понижающими температуру обжига изделий и придающими им большую прочность. Окиси различных металлов, например марганца, титана и др., содержатся в очень небольших количествах и мало влияют на свойства глин. Вообще на свойства глин влияет не только количественное содержание тех или иных окислов, но и их соотношение.

Примеси оказывают большое влияние на свойства глин. Так, при повышенном содержании свободного кремнезема, не связанного с Аl₂О₃ в глинистые минералы, уменьшается связующая способность глин, повышается пористость обожженных изделий и понижается их прочность. Из глин, содержащих SiO₂ более 80-85% и Аl₂О₃ менее 6-8%, керамические материалоы получить невозможно. Соединения железа, являясь сильными плавнями, понижают огнеупорность глины. Углекислый кальций СаСО₃ понижает огнеупорность, уменьшает интервал спекания и увеличивает усадку при обжиге, увеличивает пористость и этим понижает прочность и морозостойкость изделий.

Вода содержится в глинах как в виде свободной, так и химически связанной, т. е. входящей в состав глинообразующих минералов. Наличие в глине тех или иных минералов дает возможность судить о количестве химически связанной воды и, следовательно, о отношении к сушке и обжигу. От содержания органических веществ, находящихся в глине в виде остатков растений и гумусовых веществ, также зависят потери глин при обжиге и, следовательно, усадка изделий. Кроме того, повышенное количество органики снижает огнеупорность глин.

Важнейшие свойства глин: пластичность, набухание усадка, спекаемость, огнеупорность, способность образовывать устойчивые суспензии.

Пластичность - способность глин образовывать с водой тестообразные массы, принимающие под давлением любую форму и сохраняющие ее после высыхания. Пластичность зависит от минералогического состава и дисперсности глин. С пластичностью связана способность глин образовывать с отощающими материалами (кварц, шамот и др.) прочную и твердую однородную массу.

По пластичности глины бывают связующие, пластичные, тощие и непластичные. Связующие глины, имеющие наибольшую пластичность, не снижают своей способности образовывать пластичное тесто при добавке более 50% непластичных материалов. В пластичные глины можно добавлять до 50% непластичных материалов, не снижая способности глины образовывать пластичное тесто, в тощие - только до 20%. Непластичные глины не образуют пластичного теста.

Набухание - способность глины увеличиваться в объеме при смешивании с водой. Это свойство зависит от минерального и зернового состава глин.

Воздушная усадка - это уменьшение объема глины и изделий из нее при сушке, а огневая усадка - при обжиге. Воздушная и огневая усадки зависят от минералогического состава глинистого вещества, дисперсности и шлажности изделий. Воздушная усадка тем больше, чем выше пластичность глин. Воздушная усадка колеблется от 1,5 до 13%, огневая - достигает 23% от объема сырого образца. Добавление отощающих материалов снижает усадку.

Спекаемость глин заключается в их способности при обжиге образовывать камнеподобное твердое тело (черепок), характеризующееся высокой механической прочностью и химической стойкостью. Степень спекания зависит от состава глинистой массы и режима обжига. Температура спекания у разных глин колеблется от 450 до 1400°С. По степени спекания при температуре обжига 1350°С глины делятся на сильноспекающиеся, способные при обжиге давать черепок с водопоглощением не более 2%, среднеспекающиеся - с водопоглощением не более 5% и неспекающиеся - с водопоглощением более 5%.

Огнеупорность - способность глин противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. Огнеупорность зависит от химического состава глин, дисперсности, наличия примесей.

По огнеупорности глины делятся на высокоогнеупорные (температура плавления 1700°С и выше), огнеупорные (температура плавления от 1580 до 1700°С), тугоплавкие (температура плавления 1350-1580°С) и легкоплавкие (температура плавления менее 1350°С).

Адсорбционные свойства характеризуются способностью глин поглощать из окружающей среды и удерживать на поверхности частиц глинистых минералов те или иные ионы и молекулы. Адсорбционные свойства глин зависят от их состава и дисперсности. Глины, образованные за счет вулканических туфов, обладают наиболее активными адсорбционными свойствами.

Бентонитовые глины образовались в результате расстекловывания и химического превращения стекловидной фазы вулканического пепла или туфа. По своим свойствам они чрезвычайно неоднородны. Цвет бентонитов - от белого до темно-коричневого. Бентонит обладает способностью при затворении водой до 10 раз увеличиваться в объеме и находиться продолжительное время во взвешенном состоянии в шликере. Его вводят в массу как пластифицирующую добавку. Ввод в массу до 4% бентонита позволяет заменить пластичные глины каолинами и повысить белизну фарфора. Бентонит увеличивает прочность полуфабриката в высушенном состоянии. Его температура спекания 1100-1200°С, плавления 1250-1400°С, то есть бентонит является материалом (плавнем), интенсифицирующим процессы спекания изделий в обжиге. В состав бентонитов входят монтморрилонит (основной минерал) и примеси кварца, слюды, полевых шпатов, карбонатов и др.

Качество будущих изделий зависит от способа обогащения сырьевых материалов и от соблюдения технологии обогащения. Так, добавление в каолиновую суспензию коагулянтов приводит к укрупнению и осаждению глинистых частиц, но одновременно может вызвать нежелательные явления, отмечаемые в заводской практике, например, способствует образованию пробок в шликеропроводах и недоливу изделий при шликерном литье.

Плавнями в керамических массах называются вещества, которые способствуют спеканию черепка, образуют в нем стекловидную и кристаллическую фазу, уплотняя и упрочняя черепок.

Полевые шпаты - универсальный плавень в технологии тонкой керамики и в производстве глазурей. Земная кора состоит более чем на 50% из полевошпатовых пород, но месторождения полевых шпатов, пригодных для керамической промышленности весьма ограничены и в основном исчерпаны. Представляют собой алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных металлов.

Флюсующее действие плавней обусловлено их низкой температурой плавления или способностью образовывать с другими компонентами массы легкоплавкие эвтектики.

Калиевые полевые шпаты (ортоклазы) отвечают формуле К₂0 • Аl₂О₃ • 6Si0₂, натриевые (альбиты)- Na₂O • Аl₂О₃ • 6Si0₂, кальциевые (анортиты) - СаО • Аl₂О₃ • 6Si0₂. Менее известны и реже встречаются литиевый полевой шпат (сподумен) Li₂0 • Аl₂О₃ • 4Si0₂ и бариевые полевые шпаты (цельзианы)- ВаО • Аl₂О₃• 6Si0₂.

Эти минералы редко встречаются в чистом виде, обычно они смешаны друг с другом в твердых растворах. В керамические массы предпочитают вводить калиевый полевой шпат, как образующий при плавлении более вязкий расплав, и тем самым способствующий сохранению формы изделия в обжиге. Температура плавления чистого альбита - 1118°С, ортоклаза - 1170°С, анортита - 1550°С. Флюсующее действие полевых шпатов в керамической массе проявляется с 900°С, дальнейшее повышение температуры ведет к растворению в расплаве каолина и кварца.

Пегматиты в настоящее время являются основным заменителем полевых шпатов в производстве тонкой керамики. Пегматиты содержат в своем составе 60-70% полевых шпатов, 25-30% кварца, некоторое количество слюды и других минералов. Наличие слюды слюды в пегматитах нередко приводит к образованию "мушек", портящих внешний вид беложгущихся изделий. Твердые растворы альбита и анортита образуют группу плагиоклазов. Плагиоклазы могут частично заменить в составе фарфора ортоклаз, но сообщают фарфору меньший интервал спекания и способность легко деформироваться в обжиге.

Перлиты - порода вулканического происхождения, содержащая 70-75% SiO₂; 0,5-2% Fе₂0₃; 1-2% CaO; 0,1-1,3% МgО, 50,8% щелочных оксидов. Перлит сравнительно недавно применяется в качестве заменителя полевых шпатов в тех случаях, когда не требуется высокая белизна керамических изделий.

Тальк – гидросиликат магния 3МgО•4Si0₂•Н₂О с плотной структурой, называемый жировиком. Образование в природе связано с действием на доломит CaСO₃•МgСO₃ щелочных растворов, содержащих СО₂ и Si0₂.Огнеупорностьталька 1490-1510°С. Применяют тальк в производстве огнеупорных и термостойких изделий.

Оксиды кальция и магния весьма огнеупорны 2600 и 2800°С соответственно, но находясь в тонко измельченном виде, при температуре выше 1000°С образуют легкоплавкие эвтектики с другими компонентами керамической массы и способствует спеканию черепка. Следует заметить, что такие массы обладают малым интервалом спекания, изделия из них легко деформируется в обжиге. Обожённые же до 1000°С известковые массы обладают пониженной механической прочностью.

Карбонаты кальция и магния используют как флюсующие добавки в каменных и фарфоровых массах, а также в глазурях. Введение их в состав керамических масс в виде доломита (СаСО3 • MgCO3) усиливает флюсующее действие.

Введение отощающих материлов в шихту фарфоровых и фаянсовых масс позволяет регулировать технологические свойства формовочных масс и литейных свойств шликера, а также получать изделия с заданными свойствами. Отощающие материалы снижают пластичность и усадку масс при сушке и обжиге. Их вводят в керамические массы для регулирования их структурно-механических и технологических свойств.

В качестве природных отощающих материалов используют кварц жильный молотый, кварцевый песок, кварцевые отходы обогащения каолинов, а искусственных – шамот и дегидратированную глину. Шамот – размолотый бой обожженных неглазурированных изделий или керамический материал, получаемый обжигом глин и каолинов при температуре не ниже 800°С. Дегидратированная глина – это глина, обоженная до температуры 700-750°С, при которой она теряет химически связанную воду.

Содержание отощающих материалов в массах доходит до 40%.

Кремнезем Si0₂,образующий кварцевые породы, при обжиге претерпевает полиморфные превращения, переходит из одной кристаллической формы в другую. Эти переходы сопровождаются изменением объема кварца, что необходимо учитывать при выборе режима обжига и охлаждения, так как это обратимые процессы.

Кремнеземистые материалы, используемые для производства фарфоровых и фаянсовых изделий, должны содержать не более 0,2% оксида железа и не менее 95% Si0₂ для 1 сорта.

1.2 Материалы, применяемые в производстве глазури

Глазурью называется тонкий (0,1-0,3 мм) стекловидный слой, нанесенный на поверхность керамического изделия и закрепленный на ней обжигом.

Глазури (эмали) предохраняют керамические изделия от загрязнения и действия кислот и щелочей, придают им декоративность, снижают влагопроницаемость. Правильно подобранная глазурь повышает прочность керамических изделий. Глазурь применяют в виде суспензии, содержащей тонкомолотые компоненты, нерастворимые в воде. Суспензию наносят на поверхность изделия, которое затем подвергают высокотемпературной обработке; при этом на поверхности изделия образуется тонкое стекловидное покрытие.

Глазурную суспензию готовят из сырья с минимальным содержанием примесей. Основные компоненты глазурной суспензии: кварц, полевой шпат, каолин, т. е. те же виды сырья, что и для приготовления керамических масс, только количество легкоплавких компонентов (полевой шпат и др.) в глазурях больше, чем в керамических массах.

Основной стеклообразующий оксид - кремнезем SiO₂ - вводится в состав глазури в виде кварца, кварцевого песка, а также с пегматитом, каолином и глиной. Увеличение содержания кремнезема в глазури снижает температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) глазурного слоя, увеличивает механическую прочность, повышает температуру плавления и вязкость глазури.

Оксид алюминия Аl₂О₃ (глинозем) вводят в состав глазури с глиной, каолином, полевым шпатом и пегматитом. Введение глинозема в состав глазури повышает ее вязкость, эластичность, снижает склонность к микроскопическим трещинам ("цеку") и ТКЛР, улучшает упругость и химическую стойкость, увеличивает стойкость к действию высоких температур, но ухудшает розлив глазури, т. е. равномерное распределение глазури по поверхности изделия.

Оксид бора В₂О₃ вводится в состав глазури в виде буры Na₂B₄O₇ · 10Н₂О или борной кислоты Н₃ВО₃, которые придают глазури блеск, снижают кислотостойкость и склонность к "цеку", повышают термостойкость и уменьшают ТКЛР глазури.

Диоксид титана, вводимый в состав глазури в виде рутила ТiO₂, содействует кристаллизации, понижает прозрачность глазури, повышает химическую стойкость. Диоксид титана хорошо взаимодействует с кремнеземом и щелочными оксидами, способствуя образованию стекловидной фазы.

Диоксид циркония, вводимый в состав глазури в виде цирконового концентрата ZrO₂ · SiO₂ с содержанием ZrO₂ 60%, снижает склонность глазури к "цеку", повышает ее термостойкость, при использовании в больших количествах понижает прозрачность глазури.

Оксид кальция СаО, вводимый в состав глазури с доломитом, мелом, мрамором, снижает склонность глазури к "цеку", образует с кремнеземом прочные соединения, придает глазурям блеск, эластичность; при введении более 15% СаО способствует кристаллизации глазури.

Оксид магния MgO, вводимый в состав глазури в виде доломита и магнезита, увеличивает блеск и белизну глазурей, снижает их склонность к "цеку".

Оксид натрия Na₂O, вводимый в глазурь в виде полевого шпата, пегматита, соды, буры, - сильный плавень, который уменьшает вязкость расплава, снижает прочность, термостойкость, химическую стойкость, повышает ТКЛР глазури.

Оксид калия К₂О, вводимый в состав глазури с калиевым пегматитом, поташом (углекислый калий), действует подобно оксиду натрия, но несколько слабее, повышает вязкость расплава, заметно улучшает блеск глазури.

Оксид лития Li₂O, вводимый в состав глазури в виде сподумена Li₂O · Аl₂О₃ · 4SiO₂ или углекислого лития Li₂CO₃, снижает ТКЛР глазури, повышает ее термостойкость и улучшает розлив.

Оксид стронция SrO, вводимый в состав глазури в виде целестина SrSO₄, действует как плавень, подобно оксиду кальция снижает склонность к "цеку", придает блеск, обеспечивает хороший розлив и повышает прочность глазури.

Оксид бериллия ВеО, вводимый в глазурь в виде бериллового концентрата 3ВеО · Аl₂О₃ · 6SiO₂ с содержанием 12-14% оксида бериллия, повышает термостойкость, электрическое сопротивление, улучшает розлив и блеск глазури. Оксид бериллия токсичен.

Оксид свинца РЬО, вводимый в состав глазури в виде сурика РЬ₃О₄ и глета РЬО₂ - сильный плавень, который содействует хорошему розливу глазури, но значительно снижает ее твердость, делает глазурь растворимой в кислотах. Оксид свинца токсичен.

Оксид бария ВаО, вводимый в глазурь в виде угле кислого бария ВаСО₃, усиливает блеск и прочность глазури, повышает ее химическую стойкость, особенно к органическим кислотам, снижает температуру плавления и стойкость к "цеку". В соединениях оксид бария ядовит.

Оксид цинка ZnO, вводимый в состав глазури с содержанием ZnO 98,5%, придает глазури блеск, снижает ее химическую стойкость.

В качестве красящих компонентов в состав глазурей вводят: оксиды меди, хрома, никеля, марганца и кобальта, селенокадмиевые пигменты, оксид железа и другие вещества.

Оксид меди СuО, используемый для получения зеленого и сине-зеленого цветов, представляет собой порошок черного цвета, нерастворимый в воде. По своей легкоплавкости аналогичен оксиду свинца. В природе встречается в виде минерала телорита СuО. Оксид меди получают прокаливанием медных стружек.

Оксид хрома Сr₂О₃ - зеленый краситель. В природе Сr₂О₃ встречается в виде минерала - хромистого железняка FeO · Сr₂О₃, представляющего собой тугоплавкий кристаллический порошок зеленого цвета.

Оксид никеля NiO - порошок желто-зеленого цвета, нерастворимый в воде; его используют для получения коричневых тонов.

Оксид марганца МnО придает глазури коричневый, фиолетовый и розовый цвета; представляет собой черный порошок, получаемый нагреванием минерала пиролюзита МnО₂ · nН₂О.

Оксид кобальта СоО, придающий глазури синий цвет различных оттенков, представляет собой порошок черного цвета, который растворяется в соляной и азотной кислотах. СоО получают путем прокаливания азотнокислого кобальта Co(NO₃)₂. Селенокадмиевые пигменты придают глазурям цвет от оранжевого до алого. Получают их прокаливанием смеси углекислого кадмия, серы и селена при температуре 450°С. При этом получается твердый раствор сернистого и селенистого кадмия. Оксид железа Fe₂O₃ , придающий глазури цвет от желтого до коричневого, представляет собой красный порошок, нерастворимый в воде. В природе встречается в виде различных руд. Получают его путем нагревания отличных солей железа, обычно железного купороса FеSO₄· 7Н₂О.