Материалы для декорирования фарфоровой и фаянсовой посуды

1.3 Материалы для декорирования фарфоровой и фаянсовой посуды

Материалами для декорирования керамики являются керамические краски, препараты драгоценных металлов, люстры. Керамические краски - это окрашенные минеральные соединения металлов с кварцем, полевым шпатом, каолином или с керамическими массами и глазурями, образованныe в результате взаимодействия при высоких температурах. Интенсивность и цвет краски зависят от температуры обжига. Красящими веществами (красителями) в керамических красках являются пигменты.

Пигменты - высокодисперсные порошки различного цвета, не растворяющиеся в воде и связующих веществax.

По происхождению пигменты бывают природные и искусственные. Природные пигменты получают механической обработкой (измельчением, отмачиванием) ярко окрашенных руд, цветных глин и других природных пород. Искусственные неорганические пигменты получают прокаливанием солей, оксидов или гидрооксидов соответствующих металлов или совместным осаждением гидрооксидов углекислых солей с последующим прокаливанием осадков, а также сплавлением солей и прокаливанием смеси.

Кроме пигментов (красителей) керамические краски содержат флюсы. Флюсы - специальные легкоплавкие стекла - вводят в состав керамической краски для закрепления красителя в процессе обжига на поверхности глазури и для придания краске блеска.

Керамические краски должны отвечать следующим основным требованиям:

·  быть устойчивыми к воздействию высоких температур в процессе обжига и к растворяющему действию флюсов и глазурей;

·  обладать высокой стойкocтью к воздействию света и агрессивной среды;

·  легко наноситься на керамические изделия, не проявлять токсичных свойств в процессе эксплуатации.

Керамические краски разделяют на две группы: надглазyрныe и подглазурные.

Надглазурные краски - это смесь пигментов с флюсами. Краски для надглазурного декорирования закрепляются на изделиях при температуре 720-860°С.

В состав флюсов входят кремнезем, глинозем, кварц, полевой шпат, пегматит, каолин, мел или мрамор и вещества, понижающие температуру плавления краски: сода, поташ, свинцовые соединения, борная кислота, бораты и др. Вещества, понижающие температуру плавления краски, за исключением свинцовых соединений, растворимы в воде, частично воспринимают влагу из воздуха. Поэтому такие шихты необходимо фриттовать, т. е. предварительно плавить. Состав флюса должен быть строго согласован с составом глазури так, чтобы совпадали их температурные коэффициенты линейного расширения. Иначе краски после обжига будут давать "цек" (мелкие трещины). Флюс не должен действовать разрушающе на краситель; для каждой краски подбирают свой флюс, который соответствует свойствам краски.

Синие пигменты получают из оксида кобальта Со₂О, и углекислого кобальта СоСО₃. Вводя в состав пигмента различное количество оксида цинка ZnO, глинозема А1₂О₃ и других оксидов, получают различные цветовые оттенки. На чистоту цвета влияют посторонние примеси. Так, например, оксид никеля дает коричневый оттенок, оксид железа - зеленоватый, марганца - фиолетовый и т. д.

Зеленым пигментом служит трехвалентный хром Сг₂О₃. Различные оттенки получают при добавлении MgО, А1₂О₃, CaO, ZnO и др. На получение зеленого окрашивания изделий влияет состояние газовой среды печи во время обжига. Восстановительная среда способствует образованию зеленого цвета, при окислительной среде Сr₂О₃ переходит в СrО₃ и шестивалентный хром Cr+6 способствует оранжевому окрашиванию.

Основу желтых красок составляют оксиды сурьмы Sb₂O₃, титана ТiO₂, урана UO₂, хромовокислый свинец РbСrО₄. Для придания различных оттенков этим краскам в них вводят оксиды железа, цинка, никеля, борные соединения и др.

Для придания красного цвета надглазурным краскам используют главным образом оксид железа Fe₂O₃, кроме того, может быть использован хромовокислый свинец РbСrО₄ и селенокадмиевые соединения CdS, CdSe. Для получения различных оттенков (от оранжево-красного до фиолетово-красного) к Fe₂O₃ добавляют А1₂О₃, ZnO, Сr₂О₃, Mn₂O₃, каолин и др. Изменения цвета и интенсивности оттенков зависят от температуры обжига и продолжительности прокаливания пигментов. Железосодержащие пигменты при воздействии температуры свыше 1000°С неустойчивы. При использовании селенокадмиевых соединений различные оттенки краски зависят от соотношения CdS и CdSe. При меньшем содержании CdSe получается желтый оттенок, при большем - красный.

Пурпуровые пигменты (пурпуры) представляют собой оксиды гидрооловянной кислоты, магния, алюминия и т. д., окрашенные частичками тонкодисперсного металлического золота или тонкодисперсного оксида золота Au₂O (фиолетовый цвет) в присутствии оксида серебра Ag₂O (темно-бурый цвет). С увеличением количества Ag₂O краска приобретает карминовый цвет, а при его уменьшении - пурпуровый. Для получения пурпуровых красок к пигментам добавляют флюсы, содержащие много щелочей и сравнительно небольшое количество свинца.

Пурпуровые краски легко реагируют на изменение температуры. Важное свойство этих красок - их можно смешивать со всеми известными надглазурными красками.

Основу коричневых пигментов составляют оксиды железа Fe₂O₃, цинка ZnO, марганца Мn₂О₃, хрома Сr₂О₃. Добавлением оксидов кобальта Со₂О₃, никеля можно изменить оттенок коричневой краски. Смешивая коричневые пигменты со свинцовым флюсом, получают надглазурную коричневую краску.

Черные краски получают из смеси оксидов железа Fe₂O₃, кобальта Со₂О₃, хрома Сr₂О₃. В зависимости от количественного содержания в краске каждого из них меняется оттенок черной краски (коричневый, темно-синий, зеленоватый).

Серые краски содержат черные пигменты, осветленные глиноземом Аl₂О₃, окисью цинка или светлыми пигментами. Применение платины и оксида иридия позволяет получить краски с красивыми и устойчивыми серыми тонами.

Белые краски, применяемые для смягчения тона других красок, получают путем спекания свинцовоборосиликатных сплавов с оксидами олова, циркония, цинка или путем смешивания с мелкоразмолотым фарфоровым черепком, прошедшим высокотемпературный обжиг. Хорошей кроющей способностью обладают белые краски на основе оксидов олова и циркония.

Надглазурные краски наносят тонким слоем на предварительнo обожженные керамические изделия. Обжиг ведется при температуре 720-860°С. Некоторые краски обжигают при температуре 550-600°С. После обжига краски приобретают красивый блеск и яркие тона, но надглазурные краски менее устойчивы при механических действиях по сравнению с подглазурными. Их достоинство — обширная цветовая палитра.

Подглазурные краски - это смесь пигментов с глазурью. Пигменты в состав подглазурных красок вводят в виде смеси оксидов металлов с добавлением каолина, оксида алюминия и др., придающих краскам устойчивость. В качестве добавок, улучшающих соответствие ТКЛР краски и ТКЛР поверхности черепка или поверхности глазури, в краску вводят глину, фарфоровую массу, ценной шпат и другие компоненты, повышающие вязкость массы, оказывающие химическое воздействие на красители при высокой температуре.

Для изготовления подглазурных красок в качестве пигментов применяют следующие красящие оксиды металлов: кобальта Со₂О₃ - для получения синего и голубого цветов; никеля NiO - коричневого и фиолетового; железа Fe₂O₃ - красного, коричневого, желтого; меди CuO зеленого, сине-зеленого; марганца Мn₂О₃ - коричневого, фиолетового, розового; хрома Сr₂О₃ - зеленого, красного; вольфрама WO₃ и урана UO₃ - желтого.

Оксиды металлов, входящие в состав подглазурных красок, должны обладать огнестойкостью, т. е. сохранять красящие свойства при температуре розлива глазури, не разлагаться, не растворяться, не вызывать дефектов глазури.

Оксид кобальта Со₂О₃ в чистом виде подвержен воздействию восстановительной среды при обжиге в печи, поэтому его применяют в соединениях с каолином, глиноземом, полевым шпатом, кварцем, фарфоровой массой и глазурью. Содержание оксида кобальта в этих смесях колеблется от 5% и более в зависимости от заданного тона смеси.

Оксид хрома Сr₂О₃ не требует специальных добавок, так как не подвержен действию восстановительной среды при обжиге керамических изделий. Он не растворяется в расплавленной глазури, а образует с ней суспензию, сохраняя свою окраску. Смесь, состоящая из 3 масcовых частей оксида хрома и 1 массовой части оксида кобальта, дает сине-зеленые оттенки. Для осветления основного тона в состав красителя вводят глинозем и оксид цинка.

Черную и коричнево-черную краски получают, смешивая в различных соотношениях оксиды хрома Сr₂О₃, железа Fe₂O₃, кобальта Со₂О₃ и марганца Мn₂О₃.

Для получения розовой краски используют золото, серой - платину, черной - иридий.

Подглазурные краски закрепляют на изделии обжигом. В процессе обжига цвет краски изменяется под действием температуры и газовой среды в печи. Поэтому при декорировании подглазурными красками к режиму обжига предъявляют особо строгие требования.

Подглазурные краски наносят на обожженные или хорошо высушенные изделия, затем покрывают слоем глазури и обжигают. Подглазурные краски рассчитаны на проявление цвета под глазурью. Цвет их зависит от толщины глазури, ее состава, условий обжига. Благодаря блестящему и прозрачному слою глазури, покрывающей подглазурные краски сверху тонким слоем, эти краски более устойчивы, чем надглазурные.

В зависимости от температуры обжига подглазурные краски можно подразделить на две группы: краски с температурой обжига до 1300°С и краски с температурой обжига 1300-1450°С.

Подглазурные краски с температурой обжига до 1300°С применяют для декорирования керамических материалов, например фаянса, температура политого1 обжига которых не превышает 1300°С. Поэтому эта группа подглазурных красок носит название фаянсовых подглазурных пигментов и красок. Они отличаются большим разнообразием тонов и оттенков.

К подглазурным краскам с температурой обжига 1300-1450°С относятся Подглазурные краски для фарфора. По сравнению с фаянсовыми они имеют более бедную цветoвую палитру, так как многие из них не выдерживают воздействия высокой температуры и восстановительной среды обжига фарфоровых изделий.

Краски-растворы составляют особую группу подглазурных красок. От порошковых красок они отличаются тем, что их приготовляют из растворимых в воде солей. Для закрепления красок-растворов на черепке их переводят в нерастворимые в воде вещества - в безводные оксиды соответствующих металлов. Для этого декорированное изделие прокаливают при температуре 800°С. При этом цвет красок-растворов меняется. Затем изделие глазуруют и направляют на высокотемпературный обжиг. В процессе высокотемпературного обжига оксиды металлов, полученные при разложении солей во время прокаливания, взаимодействуют с составными частями черепка изделия и глазури и окрашивают их.

Люстры - это тончайшие прозрачные надглазурные пленки, переливающиеся различными цветами в зависимости от вида используемых оксидов металлов, составляющих основу люстровых красок, и благодаря интерференции лучей в тонком слое краски.

Люстры бывают бесцветные (висмутовые, глиноземные, свинцовые и цинковые), окрашенные (урановые, железные, хромовые, кобальтовые, никелевые, медные, кадмиевые), смешанные (полученные смешением бес цветных с окрашенными) и металлические (составленные с серебром, золотом и платиной).

До нанесения на черепок люстры представляют собой растворы металлов или оксидов металлов в эфирных маслах. После обжига они без последующей обработки приобретают блеск. Металлические люстры очень близки к блестящим металлам (глянц-металлам). Люстровый слой на глазури закрепляется при довольно низких температурах (800°С) за счет введения в состав соединений оксида висмута.

Препарат "жидкого" золота представляет собой раствор органического соединения золота, так называемого харца, со скипидаром, нитробензолом и хлороформом. Содержание металлического золота в препарате обычно колеблется от 10-12 до 56%. После обжига изделий с нанесенным на них препаратом "жидкого" золота образуется зеркально-блестящая золотая пленка. Оттенки пленки зависят от концентрации препарата и от добавок незначительного количества других металлов (родия, серебра, хрома). Разбавление препарата золота приводит к изменению его свойств после обжига и браку изделий.

Препараты "жидкого" золота должны отвечать следующим требованиям:

1.  Содержание Аu в 10% препарата не менее 9,98%;

2.  Контуры, выполняемые пером, не должны растекаться;

3.  Препарат на изделии должен высыхать за 10-20 минут, составляя блестящую коричневую пленку;

4.  Должен выдерживать температуру обжига в пределах 750-810°С без выгорания;

5.  Пленка после обжига должна быть прочной и не сниматься пальцем;

6.  Поверхность после обжига должна быть блестящей, без матовых налетов и пятен.

Ангобы - белые или цветные жидкие керамические массы, представляющие собой диспергированные в воде, окрашенные или неокрашенные частицы глиняной массы. Ангобы наносят на поверхность изделия до его обжига в виде сплошного или частичного покрытия для получения более гладкой поверхности, маскировки нежелательной окраски изделий, создания рельефного рисунка и т. п. Ангоб может быть покровным слоем, не требующим дополнительной обработки и придающим изделию законченную фактуру и цвет, или промежуточным покрытием между черепком и последующим слоем глазури.

По составу ангобы подразделяются на глинисто-песчаные, флюсные и "античные лаки".

Глинисто-песчаные ангобы состоят из глины и коалина; в небольшом количестве в их состав входят песок или молотый шамот, мел и окрашивающие оксиды металлов (дли цветных ангобов). Глинисто-песчаные ангобы, обладающие высоким водопоглощением, используют для сплошного покрытия и нанесения рисунка на керамические изделия преимущественно гончарного производства, терракоты, майолики. Такие ангобы наносят, как правило, на сырые изделия.

В состав флюсных ангобов кроме глин и песка входят плавни. Плавни вводят для приближения свойств ангоба и свойствам глазури и снижения температуры спекания материалов, входящих в состав ангоба, по сравнению с температурой спекания материала самого изделия. Для легкоплавких флюсных ангобов (температура обжига 1050°С) в качестве плавней применяют свинцовые соединения, для тугоплавких (температура обжига свыше 1050°С) - полевой шпат, мел, доломит, известь.

Флюсные ангобы, обладающие невысоким водопоглощением, создают на изделиях гладкую малопористую одноцветную или многоцветную поверхность и одновременно служат их защитным покрытием.

Флюсные ангобы применяют преимущественно в архитектурно-художественной керамике как покрытия, уменьшающие водопроницаемость, не требующие дальнейшей дополнительной обработки и отличающиеся высокими декоративными качествами.

"Античные лаки" - разновидность флюсных ангобов, представляющая собой тонкие глинистые покрытия, получаемые отстаиванием взмученной глинистой суспензии (с добавлением соды) в течение суток. Отстоявшийся верхний равномерно взмученный слой сливают. Шликеры, дающие красный цвет, можно получить, отстаивая взмученные, свободные от глины пески.

И состав "античных лаков" могут входить продукты местного сырья, кремнезем, красящие оксиды железа, меди, марганца, титана, кобальта, хрома. Обжигают лаковые покрытия при температуре 900-1000°С. При обжиге в окислительной среде отстой белой глины дает белый цвет, если глина содержит оксиды железа, то красный цвет. При восстановительном обжиге оба состава дают черный цвет.

Ангобы приготовляют следующим образом. Предварительно промытые и отсортированные твердые материалы (пегматит, мел, стекольный бой) размельчают при сухом помоле на бегунах или в шаровых мельницах. Затем исходные материалы дозируют согласно составу и загружают в шаровую мельницу, куда добавляют 40% воды и при необходимости тонкомолотые красящие пигменты, пропущенные через сито. Помол и смешивание составляющих ангоба производят в течение 20-25 ч, затем суспензию процеживают и сливают в емкости.

Ангоб наносят на сырые, слегка подвяленные, иногда на сухие и даже предварительно обожженные изделия окунанием, поливом, пульверизацией или кистью. После нанесения ангоба изделие можно сразу покрыть глазурью и обжечь, но более эффективно нанести глазурь на ангобированнoe обожженное изделие.

Основные условия качественного покрытия изделий ангобами: безукоризненно чистая поверхность изделия, соответствие воздушной и огневой усадки ангоба и ангобируемого материала, шероховатая поверхность изделия для о6еспечения спекания ангоба с основным материалом. Толщина наносимого слоя ангоба не должна превышать 0,2 мм, так как более толстое покрытие при высыхании и обжиге может отслоиться.

Раздел 2. Характеристика этапов производства фарфоровой и фаянсовой посуды

  2.1 Расчет керамических масс по рациональным составам компонентов

В расчетах керамических масс большинство из использующихся сложных соединений дается в виде составляющих их элементов, соединенных с кислородом - окислов. Например, формула, представляющая собой натриевую соль борной кислоты Na₂B₄O₇ представляют как Na₂O*2B₂O₃

В химическом анализе, например, кремний (Si) дается в виде SiO₂, алюминий (А1) как Al₂O₃, кальций (Са) как СаО и т.д. Для полной оценки неизвестной глины необходимо знать, какие в ней присутствуют минералы и в каких количественных соотношениях. Эти данные можно получить непосредственно из так называемого рационального анализа или пересчетом данных химического анализа на минеральные составляющие.

Соответствующими исследованиями (Зегер и др.) было установлено, что высокие сорта каолинов и огнеупорных белых глин состоят в основном из собственно глинистого вещества, кварца и полевого шпата. Пользуясь избирательной способностью кислот и щелочей растворять составляющие глину минералы, был разработан особый способ анализа - рациональный. Крепкая серная кислота (H₂SO₄) разлагает при нагреве глинистое вещество на глинозем и кремнезем. При этом глинозем (определяемый затем аналитически) растворяется в серной кислоте, а кремнезем переходит в такую модификацию, которая может быть растворена уже в щелочах. Кварц и полевой шпат практически не растворяются в серной кислоте. Их обрабатывают другими способами. Таким образом, путем рационального анализа можно получить данные минеральных составляющих глины или каолина.

Формула Зегера (молекулярная). В формулах сложных составов основные окислы типа R₂O (К₂О, Na₂O, Li₂O и т. п.) и типа RО (СаО, MgO, SrO и т. п.) принято писать в одной группе и приводить их сумму молей (грамм-молекул) всегда к единице, т.е. к одному молю, при этом число молекул типа R₂O₃ (AI₂O₃, Сr₂О₃ и т. п.) и число кислотных окислов типа RO₂ (SiO₂, TiO₂) и некоторых других вычислять, т. е чтобы все силикаты можно было выражать единой молекулярной формулой.

По содержанию R₂O и RО считают, что повышение содержания К₂О за счет СаО в фарфоре способствует снижению температуры обжига такой массы. В фаянсовой массе увеличение содержания К₂О за счет СаО содействует получению более прочного и твердого фаянса. В обоих случаях повышение содержания СаО содействует образованию стеклофазы в фарфоре повышенной хрупкости.

Химический анализ глин мало говорит об их технических особенностях. Учитывая рациональный и химический составы, можно предсказать не только технические и утилитарные свойства керамики, но даже художественные, как, например, просвечиваемость и "теплоту" черепка. Подчеркнем, однако, что химический анализ без других данных мало характеризует технические особенности глин и глинистых масс.

2.2 Подготовка пластических масс и литейных шликеров

Все сырьевые материалы, кроме обогащенного каолина, подвергаются сортировке, т.е. удалению из них примесей. Из глины отсортировывают куски, содержащие большое количество посторонних включений (корни растений, торф, уголь) или сильно запесоченные, из полевого шпата и кускового пегматита - куски с железистыми включениями, кварцем, слюдой. При сортировке боя (черепка) изделий удаляют черепки с железистыми выплавками и другими включениями.

Кварц, полевой шпат и пегматит поступают на заводы в крупных кусках. Эти каменистые материалы обладают высокой прочностью, что затрудняет их дробление и помол. Для облегчения дробления и последующей сортировки кварц и полевошпатовые материалы предварительно обжигают в камерных печах периодического действия при 850-900°С. Полевой шпат в больших количествах обжигают также во вращающихся печах. При обжиге и в особенности при последующем резком охлаждении куски камня растрескиваются, благодаря чему легко обнаруживаются вредные, содержащие железо включения - слюда, роговая обманка и другие, так как при обжиге кварц и полевошпатовые породы с примесями железистых соединений окрашиваются в желто-коричневый цвет. Обжиг и резкое охлаждение каменистых материалов облегчают не только их дробление на бегунах и помол в шаровых мельницах, но и снижают износ гранитных катков, футеровки мельниц, повышает производительность оборудования, благодаря чему частично компенсируются затраты на предварительный обжиг.

Обожженные, отсортированные и промытые каменистые материалы (полевой шпат, пегматит, кварц, гусевский камень и другие), а также кусковые (мрамор, доломит, фарфоровый и фаянсовый бой) измельчают на дробильно-помольных машинах. В процессе измельчения применяются дробление и помол.

Способы измельчения выбирают в зависимости от физических свойств материала, степени крупности кусков и степени измельчения. По степени крупности материал подразделяют на крупный (размеры кусков более 500 мм), средний (размеры кусков от 500 до 10 мм), мелкий (размеры кусков менее 10 мм).

Наиболее распространены следующие способы измельчения материалов: раздавливание, истирание, изгиб, удар, раздавливание и изгиб, удар и истирание и т.д.

Все сырьевые материалы проходят магнитную сортировку, так как при транспортировке и переработке они загрязняются металлическими включениями, которые в процессе обжига окрашивают изделия в неприемлемые цвета или образуют пятна.

Магнитная сепарация основана на способности железосодержащих материалов притягиваться к полюсам магнита. По магнитной восприимчивости материалы подразделяются на сильно магнитные (железо, магнетит и др.), слабомагнитные (сидерит, гематит, циркон, корунд и др.) и немагнитные (гранит, кварц, рутил, пирит, доломит и др.).

Мелкие металлические включения удалять из порошков очень трудно, так как слой порошка оказывает сильное сопротивление выходу из него магнитных частиц. Поэтому для магнитного обогащения порошков применяют подвесной электромагнитный сепаратор с вибратором. При вибрации тонкого слоя порошка (не более 100 мм) в магнитном поле создаются условия для свободного выхода магнитных частиц.

Измельченные, обогащенные и просеянные материалы хранятся в специальных ларях или бункерах, которые внутри обиты или выполнены из коррозионно-стойких материалов или дерева.

Глинистые материалы предварительно измельчают на глинорезных машинах, подвергают ручной сортировке и распускают в сборниках, снабженных лопастными мешалками.

Подготовленные глинистые материалы, а также сушье (засохшая масса, бой изделий, прошедших сушку) и обрезки, поступающие из формовочного цеха, распускают по отдельности в воде в резервуарах-сборниках, снабженных лопастными мешалками. Влажность полученных суспензий должна быть в пределах, %: глинистой 72-80, каолиновой 62-70, из сушья и обрезков - 62-68.

После распускания глинистые материалы подвергаются ситовому и магнитному обогащению.

Ситовое обогащение осуществляется при пропускании суспензии через сита разных номеров и конструкций, в результате чего суспензия освобождается от крупных включений, однако не освобождается от мельчайших частиц железа и железосодержащих магнитных материалов, присутствие которых в массе вызывает появление желтого цвета или "мушек".

Магнитная сепарация жидких керамических масс и глазурей осуществляется с помощью стальных магнитов, уложенных на дне лотков для транспортирования суспензий, переносных электромагнитов, электромагнитных сепараторов с сетчатыми полюсами, а также электромагнитных сепараторов с каскадным расположением магнитов на дне лотка.

После ситового и магнитного обогащения керамическая суспензия поступает в мешалки-сборники, где она хранится и перемешивается.

Глинистые материалы из сборников-хранилищ перекачивают в сборники-смесители, предварительно пропустив через вибросито. Затем в сборники-смесители подается суспензия отощающих материалов, прошедших тонкий помол.

Суспензию фарфоровой и фаянсовой массы, поступающую из сборников-смесителей, подвергают последовательно ситовому и магнитному обогащению на электромагнитных или ферромагнитных очистителях. Обогащенная фарфоровая суспензия должна иметь тонину помола, характеризующуюся остатком 0,5-1,0%, влажность в пределах 55-60%, а фаянсовая масса - остаток на сите не более 1,5-3% и влажность 62-68%.

Готовая суспензия подается в расходные сборники. Для облегчения и ускорения последующей фильтрации суспензию в сборниках подогревают острым паром до температуры не более 40 °С.

При производстве фарфоровых и фаянсовых изделий бытового назначения в основном используются способы формования из пластичной массы. Для формования фарфоровых изделий используют массу влажностью 22-25%, а для фаянсовых - влажностью 21-23%.

Процесс снижения влажности суспензий до получения пластичной массы основан на отделении и задержании твердых частиц пористыми материалами, пропускающими воду. Он включает следующие операции: транспортирование суспензий, удаление избытка воды, удаление и очистку фильтрата (ретурных вод).

Готовая суспензия из расходных сборников подается на обезвоживание насосами различных конструкций (плунжерные, поршневые, мембранные).

Скорость обезвоживания на фильтр-прессах зависит: от влажности массы, количества и состава вводимого электролита, вязкости суспензии, размеров частиц массы, температуры суспензии, состояния фильтровального полотна и давления.

Процесс фильтр-прессования ускоряют путем соответствующего корректирования влажности суспензии, поступающей в фильтр-пресс, до возможно минимального водосодержания (63-53%). Уменьшение водосодержания суспензии достигается вводом в него электролитов (жидкого стекла и соды).

Массы, полученные после фильтр-прессования, имеют неоднородное строение по толщине коржа (в центре содержится больше отощающих материалов, а на периферии - пластичных, а также неодинаковое распределение влаги (в центре коржа более влажная масса, чем по краям). Кроме того, при смешивании фильтр-прессных коржей в массе остаются значительные включения воздуха, которые, подобно зернам отощающего материала, снижают ее пластичность, увеличивают брак при сушке, уменьшают плотность и просвечиваемость фарфоровых тонкостенных изделий.

Процесс усреднения состава и влажности массы называется гомогенизацией, а процесс удаления из массы воздуха – вакуумированием (он идет внутри вакуум-камеры). Гомогенизация и вакуумирование фарфоровых и фаянсовых масс осуществляется в вакуум-мялках.

В результате хорошего промина и вакуумирования массы повышается механическая прочность отформованных из нее изделий, уменьшается их усадка, сокращается вероятность образования такого дефекта, как деформация изделий при сушке и обжиге.

После вакуумирования масса поступает на вылеживание в закрытые помещения с повышенной влажностью на срок не менее 7 суток. В процессе вылеживания в массе проходят биологические и физико-химические процессы, в результате которых увеличивается пластичность масс и механическая прочность высушенного полуфабриката.

Существует и другой метод приготовления тонкокерамических пластичных масс с использованием заранее молотых каменистых и глинистых компонентов. После дозирования из них приготовляют суспензию влажностью 35-50%, которую высушивают в распылительных сушилках до влажности 5-8%. Полученный порошок смешивают в быстроходных противоточных смесителях с водой или с суспензией и получают массу с влажностью 20-25%. Массу подвергают вакуумированию в вакуум-мялках. Этот метод не нашел широкого применения на заводах фарфорово-фаянсовой промышленности из-за больших энергозатрат.

2.3 Характеристика основных способов формования фарфоровой и фаянсовой посуды

Назначение формования – придать форму, размер, плотность и необходимую прочность полуфабрикату.

При изготовлении фарфоровой и фаянсовой посуды используют в основном два метода формования: формование из пластичной массы с использованием гибсовых или синтетических форм и метод литья из шликера в гибсовые формы.

Методом формования из пластичных масс изготовляется 95-97%, а методом литья из шликера в гибсовые формы – 3-5%. Метод прессования изделий из пресс-порошка в металлических пресс-формах применяется очень редко.

Процессы пластического формования основываются на способности тестообразных масс к пластическому течению, т.е. к изменению формы без разрывов сплошности под влиянием приложенных внешних сил (давления ролика или шаблона) и к ее сохранению после снятия этих усилий. При пластическом формовании изделий наиболее полно используются такие свойства керамических масс, как пластичность и формовочная способность, а также способность отдавать часть содержащейся в них воды пористым формам, давать усадку и легко отделяться от пористой поверхность форм.

Каждой группе формуемых изделий различной конфигурации соответствуют оптимальные формовочные свойства массы, регулируемые изменением ее влажности, которая колеблется от 19-27%, а также корректировкой состава. Введение в массу (до определенного предела) высокопластичных жирных глин или бентонита при одновременном уменьшении количества отощающих материалов (кварца, полевого шпата) приводит к улучшению условий формования. Чрезмерное количество пластичных материалов в массе снижает формовочную способность массы ввиду прилипаемости ее к поверхности форм. На прилипаемость массы к гибсовым формам влияют также состояние поверхности, влажность гибсовых форм и температура формующих органов полуавтомата (роликов, формующей головки). Высокая температура (более 140°С) шаблона может стать причиной рыхлости наружной поверхности изделия. Низкая температура (ниже 90°С) шаблона вызывает прилипание пласта к шаблону.

Такие изделия, как тарелки, чашки, чайники (имеющие форму тел вращения), изготовляются в гибсовых или пластмассовых формах с помощью роликов и профилированных шаблонов (головок) на автоматах, полуавтоматах, станках.

Заготовками служат главным образом цилиндрические пласты керамической массы разного диаметра и толщины в зависимости от ассортимента и размеров формуемого изделия.

Принцип формования основан на том, что положенный на форму или в форму пласт массы (заготовку) прижимают к ней шаблоном (роликом), придавая нужный профиль.

Наружная поверхность полых изделий формуется внутренней поверхностью формы, а шаблоном – внутренняя поверхность полуфабриката. При формовании же плоских изделий – наоборот.

Формование осуществляют с использованием плоских (тонких или утолщенных) и объемных шаблонов (роликов).

Достоинства метода формования изделий из пластичных масс с использованием плоских или объемных шаблонов заключаются в том, что можно формовать изделия различных размеров, имеющих форму тел вращения, на относительно несложном и производительном оборудовании. Кроме того, этот метод обеспечивает получение в процессе формования на одном изделии стенок различной толщины (у края, в середине, на дне и других местах), что позволяет снизить количество брака изделий от деформации при сушке и обжиге.

Существенным недостатком пластического формования является то, что масса, сжимаемая с двух сторон поверхностью формы и формующего ролика (шаблона), приобретает неоднородную текстуру, что приводит к их короблению при сушке.

Шликерное литье является одним из старейших методов формования фарфоровых и фаянсовых изделий.

Перед пластическим формованием отливка изделий имеет следующие преимущества: сокращение производственного цикла приготовления массы за счет устранения фильтрации и перемина, легкость транспортирования шликера на любые расстояния, устранение отходов и сокращение потерь массы, возможность изготовления тонкостенных изделий и другие. Существенные недостатки формования изделий методом литья – высокая трудоемкость, тяжелые условия труда, потребность электролита и значительных площадей, быстрый износ гибсовых форм.

Литье керамических изделий в пористые формы основано на способности шликера заполнять гибсовую форму и отдавать воду пористой форме с образованием на ее поверхности плотного слоя массы – формуемого изделия. Широко используются два способа литья: сливной и наливной. Существует еще доливной, или комбинированный , способ литья, который применяется редко, при изготовлении изделий сложной формы.

При сливном способе шликер заливается в пористую форму (гибсовую или пластмассовую) и заполняет всю ее внутреннюю полость. Через некоторое время в результате способности гибсовой пористой формы отсасывать воду из шликера на границе форма – шликер образуется уплотненный слой массы, толщина которого будет зависеть от свойств шликера и гибсовых форм. Избыток шликера сливается, а в форме остается уплотненный слой массы, т.е. формуемое изделие. Этот способ обеспечивает получение полуфабриката с постоянной толщиной стенки и применяется в основном для формования мелких тонкостенных полых изделий (чашек, сливочников и др.).

При наливном способе стенки изделия образуются между двумя стенками гибсовой формы. Шликер непрерывно доливают в форму до полного заполнения ее массой. Значительная убыль объема шликера за счет удаления воды компенсируется его переодической доливкой или непрерывным поступлением из заранее заполненной надставки к форме, так называемой литниковой прибыли. Этот способ пригоден для отливки изделий с большой толщиной стенок: овальные блюда, селедочницы, а также детали – ручки, носики и т.п. При наливном способе обеспечивается равная толщина стенок изделий, а влажность и расход шликера минимальны.

При доливном способе отливки отдельно отливают детали (ручки, носики и др.), а затем их собирают в общей форме и отливают совместно с корпусом изделия.

Метод прессования позволяет получать изделия строго заданного размера и формы, не требует изготовления большого количества гипсовых форм, что уменьшает затраты на отправку отформованных изделий.

Керамические порошки представляют собой трехфазную систему, состоящую из твердой минеральной части, жидкой фазы - воды и воздуха.

В зависимости от влажности пресс-порошка и от прилагаемого давления прессования различают сухой, полусухой и влажный способы прессования.

При сухом способе прессования, применяемом в производстве изделий бытового назначения, из пресс-порошка частично удаляется воздух, гранулы порошка пластически деформируются, увеличивается поверхность контактов, из увлажненного порошка выжимается влага, что способствует склеиванию гранул по контактным поверхностям. Минимальное содержание воздуха в пресс-порошке (обычно до 30%) обеспечивается правильным подбором его зернового состава. Основная масса пресс-порошка (более 80%) после распылительной сушилки имеет размер зерен 0,2-0,5 мм.

Режим прессования определяют: направление приложения нагрузки, цикличность, количество стадий, скорость увеличения давления, выдержку при максимальном давлении.

2.4 Влияние процессов сушки изделий на их качество

Сушкой называется процесс удаления влаги из материалов испарением. При сушке керамических изделий уменьшается их объем (воздушная усадка) за счет уменьшения толщины гидратных оболочек глинистых частиц, повышается прочность сырца.

Сушка изделий обычно разделяется на два периода. Первый - подвялка изделий. В этом периоде сушка осуществляется до кожетвердого состояния массы. Влажность изделия в результате подвялки составляет около 18%. После подвялки во многих случаях (в зависимости от характера керамического материала) непосредственно идет оправка изделия. Второй период - окончательная сушка до влажности 2-6%. Для создания рационального режима сушки в каждом конкретном случае необходимо учесть вид керамической массы, характер отформованного изделия, его размеры, толщину, конфигурацию.

Режимом сушки называется изменение интенсивности влагоотдачи изделия путем изменения температуры, относительной влажности и скорости движения теплоносителя. Изменение режима сушки вызывает изменение интенсивности влагоотдачи изделия, которая определяется количеством влаги, испаряемой с единицы поверхности высушиваемого изделия в единицу времени.

Режим сушки регулируют, изменяя температуру или количество теплоносителя, подаваемого в сушилку.

Процесс сушки можно разделить на несколько периодов:

1) прогрев, характеризующийся быстрым возрастанием скорости сушки до максимальной величины;

2) период постоянной скорости сушки, когда количество влаги, удаляемой с поверхности изделия, максимально и равно количеству влаги, поступающей из его внутренних слоев. Скорость сушки остается постоянной до тех пор, пока влажность не станет одинаковой по всему сечению изделия, т. е. до момента достижения средней влажности, называемой критической;

3) период падающей скорости сушки наступает после достижения критической влажности материала; в это время скорость сушки уменьшается и по достижении влажности, называемой равновесной, становится равной нулю.

Все материалы могут быть высушены только до равновесной влажности, которая зависит от относительной влажности и температуры теплоносителя. Таким образом, при сушке удаляется влага материала за вычетом равновесной.

В этот период температура материала повышается и в конце сушки, когда испарение прекращается, приближается к температуре теплоносителя.

Процесс сушки керамических изделий представляет собой превращение содержащейся в них воды из жидкого состояния в парообразное и последующее удаление ее в окружающую среду. При этом необходимым условием сушки является наличие внешнего источника тепла, нагревающего изделия. Находящаяся в керамических массах и изделиях вода делится на физическую и химически связанную. Физической называется та часть воды материала, которая не входит ни в какие соединения с ним. Физическая вода находится в изделии в жидком или парообразном состоянии и может быть удалена полностью при нагреве материала до 100-110°. При этом керамическая масса становится непластичной, но с добавлением воды пластические свойства массы восстанавливаются.

Химически связанной водой называется вода, находящаяся в химическом соединении с отдельными элементами керамической массы. Удаление химически связанной воды происходит при более высоких температурах - от 500°С и выше. При этом керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства.

Анализируя процессы, происходящие при сушке материалов, необходимо отметить следующее:

1) содержащаяся в материале вода при температуре 80-90°С испаряется. В этом случае имеет место поверхностное испарение или внешняя диффузия влаги;

2) при испарении влаги с поверхности материала в окружающую среду влага из внутренних слоев изделия перемещается к его поверхности. Происходит внутренняя диффузия влаги.

Процесс сушки можно рассматривать как комплекс параллельно протекающих явлений. К ним относятся:

а) испарение влаги с поверхности материала;

б) внутренние перемещения (диффузии) влаги в материале;

в) теплообмен между материалом и окружающей газообразной средой.

При испарении влаги с поверхности изделий влажность поверхностных слоев по сравнению с внутренними слоями уменьшается и возникает так называемый перепад (градиент) влажности.

Сушка изделий осуществляется преимущественно двумя способами передачи тепла: конвекцией и излучением.

При сушке конвекцией источником тепла служит нагретый воздух, направляемый центробежными вентиляторами из зоны охлаждения туннельных печей, а также пар, подаваемый в калориферы, устанавливаемые внутри или вне сушилки. При сушке конвекцией испарение влаги с поверхности полуфабриката менее интенсивно, чем при радиационой, но более интенсивно, чем при естественной сушке. При конвективной сушке передача тепла изделию осуществляется недостаточно эффективно из-за плохой теплопроводности воздуха, омывающего его поверхность. Но этот метод наиболее дешевый и потому широко используется в производстве тонкокерамических изделий.

При сушке излучением (радиацией) источником тепла является электроэнергия, посредством которой нагреваются металлические теплоизлучатели (обычно нехромовая проволока), или лампы накаливания, а также газ, сжигаемый в специальных горелках панельного типа. Использование радиационного обогрева электрическими и газовыми излучателями с направленным потоком лучистой энергии на каждое изделие в отдельности наиболее эффективно.

Широко внедряется в промышленность сушка инфракрасным излучением. Источником инфракрасных излучений служат все тела, нагретые выше 700°С. Особенно эффективны темные излучатели (98% оксида магния и 0,08% оксидов железа).

При нагреве сырого полуфабриката инфракрасными лучами происходит поглощение материалом лучистой энергии, которая, преобразуясь в тепловую, быстро проникает в тело изделий благодаря высокой теплопроводности влажного полуфабриката.

Небольшая глубина проникновения лучистой энергии и недостаточная теплопроводность керамики способствуют большим перепадам температур и влажности в полуфабрикате, что затрудняет сушку толстостенных изделий без трещин при непрерывном облучении. Поэтому более эффективна импульсная (прерывная) сушка, когда инфракрасное облучение чередуется с конвективной сушкой, что увеличивает скорость сушки на 20-30%. Рекомендуется следующий режим облучения изделий: длительность инфракрасного нагрева из поверхности 4-10 с, выдержка без облучения 20-80 с. За это время влага перемещается из внутренних слоев к поверхности. При таком режиме сушки изделия нагреваются незначительно при малом градиенте влажности, что исключает образование трещин при больших скоростях сушки.

При использовании инфракрасного излучения или комбинированной сушки необходимо обеспечить интенсивный отбор влажного воздуха, так как пары воды, образующиеся над поверхностью изделий, сильно поглощают инфракрасные лучи, снижая тем самым эффективность сушки.

При удалении влаги из глины или сформованного керамического изделия пластичной консистенции происходит уменьшение их первоначального размера, т.е. воздушная усадка, так как силы поверхностного натяжения сближают частицы глины. Величина усадки при сушке изделий, сформованных из определенной массы одной и той же влажности, изменяется в зависимости от условий и интенсивности сушки.

С увеличением скорости сушки остаточная влажность изделий, при которой прекращается усадка, имеет большую величину, чем при медленной сушке, но их воздушная усадка меньше. Это связано с тем, что при более интенсивной сушке увеличивается градиент влагосодержания внутри изделий. При этом поверхностные слои стремятся сократиться в размерах больше, чем внутренние, препятствующие усадке верхних слоев и не позволяющие им сократиться до размеров, которых они достигают при медленной сушке.

Образование трещин является основным дефектом при сушке и обусловливается неравномерными деформациями из-за неравномерных полей влагосодержания и температуры. Образование трещин может также вызываться избыточным давлением паров влаги внутри изделия при интенсивном внутреннем парообразовании. Наиболее опасными при этом являются напряжения, вызванные перепадами влагосодержания.

С точки зрения объемно-напряженного состояния и характера образующихся трещин процесс сушки керамических изделий пластического формования необходимо разбить на два периода:

·  период активного нагружения и образования поверхностных трещин;

·  период разгрузки с последующим нагружением обратного знака, вызывающим внутреннее трещинообразование.

На деформацию и образование трещин оказывают влияние не только форма, но также вес и размер изделий. С увеличением веса и размера изделий увеличивается продолжительность их сушки, особенно в первый период, когда при интенсивной сушке создаются условия для образования недопустимых перепадов влажности между центральными и поверхностными слоями.

2.5 Обжиг изделий: режимы и сущность процессов

Понятие обжиг включает в себя комплекс последовательно происходящих в обжигательной печи процессов: подогрев исходного материала, доведение температуры обжигаемого материала до установленного для него максимума со всеми регламентированными технологией температурными и газовыми выдержками (в окислительной, восстановительной или нейтральной газовой среде) и охлаждение готовой продукции. Время от начала подогрева исходного материала до окончания охлаждения готовой продукции называется циклом обжига.

Керамические изделия подвергают преимущественно двукратному обжигу, но существует и однократный обжиг изделий. На однократный обжиг поступают изделия, прошедшие сушку и глазурирование. При двукратном обжиге на первый (утельный) обжиг поступают высушенные неглазурированные изделия, на второй (политой) обжиг поступают изделия, прошедшие утельный обжиг и глазурирование, т.е. изделия, на обожженный материал которых нанесена глазурная суспензия.

Назначение утельного обжига заключается в том, чтобы придать черепку прочность, достаточную для глазурования и транспортирования изделий, а также обеспечить максимально возможную степень дегазации (дегидратации) массы. При этом фарфоровый полуфабрикат максимально освобождается от органических и других газообразующих составляющих массы, что положительно сказывается на качестве политого обжига и продукции в целом: резко снижаются отходы при политом обжиге, достигаются более высокие качественные показатели и эксплуатационные свойства готовой продукции.

Используют две схемы двукратного обжига изделий: