Технология производства бытового фарфора

          2 Производство фарфора 

     1) Подбор материалов

     Состав  керамической массы и метод ее подготовки определяют исходя из назначения из назначения изделия, его формы  и вида сырья. Цель подготовки сырья - разрушение природной структуры  материалов до мельчайших частиц для  получения однородной массы и  ускорения взаимодействия частиц в процессе фарфорообразования. Ее проводят в основном пластическим способом, который обеспечивает получение равномерной по составу массы.  
           Пластичные материалы (глину, каолин) распускают в воде в лопастных мешалках. Полученную массу в виде суспензии пропускают через сито (3600 - 4900 отверстий на 1-2см) и электромагнит для удаления крупных включений и железистых примесей.  
Отощающие материалы и плавни сортируют, освобождают от посторонних т вредных примесей. Кварц, полевой шпат, пегматит и другие компоненты подвергают обжигу при температуре 900-1000°С. При этом кварц претерпевает полиформные изменения, в результате которых растрескивается. Это, во-первых, облегчает помол, а во-вторых, позволяет удалить куски, загрязненные железистыми примесями, так как при обжиге кварц с примесями железистых соединений приобретает желто-коричневый цвет.  
Каменистые материалы, в том числе и фарфоровый бой, промывают, подвергают дроблению и грубому помолу на бегунах, после чего просеивают. Тонкий помол производят в шаровых мельницах с фарфоровыми или уралитовыми шарами. Для интенсификации помола в мельницу вводят поверхностно-активную добавку - сульфитно-спиртовую барду (от 0,5 до 1%), которая, заполняя микротрещины, оказывает как бы расклинивающее действие. Помол ведут до остатка 1-2% на сите с 10 000 отверстий на 1-2 см.  
Пластичные и отощающие материалы, плавни и фарфоровый бой тщательно смешивают в мешалке пропеллерного типа. Однородную массу пропускают через сито и электромагнит и обезвоживают в специальных фильтр-прессах или вакуум-фильтрах. Полученную пластичную массу влажностью 23-25% направляют на две недели на вылеживание в помещение с высокой влажностью. При вылеживании происходят окислительные и микробиологические процессы, гидролиз полевого шпата и образование кремниевой кислоты, что способствует разрыхлению массы, дальнейшему разрушению природной структуры материалов и повышению пластических свойств массы. После вылеживания массу обрабатывают на массомялках и вакуум-прессах для удаления включений воздуха, а также пластичности и других физико-механических свойств, необходимых для формирования изделий. 

     2) Формование изделий 

     Способы формования 
           Формуют керамические изделия в основном пластическим методом и методом литья, а также полусухим прессованием. Для формования применяют гипсовые формы пористостью не менее 25%. В последнее время формы начали изготавливать из масс на основе поливинилхлорида.  
При пластическом формовании используют массу влажностью 22-24%, из которой в зависимости от формы получают заготовки в виде пластов. Для формования применяют полуавтоматы или автоматы. При изготовлении плоских изделий помещают глиняный пласт, который разравнивают роликом при вращении формы. Для получения полых изделий, например чашек, заготовку массы помещают в форму и раскатывают специальным профильным роликом. Промежуток между роликом и формой заполняется слоем массы необходимой толщины. Наружная поверхность изделия формуется поверхностью формы, а внутренняя - роликом. Если на внутренней поверхности формы имеется углубленный рисунок, то он точно воспроизводится на наружной поверхности изделия.  
Методом литья в гипсовые формы изготавливают изделия сложной формы и емкостные, например чайники, художественно-декоративные предметы. Для получения изделий сложной конфигурации используют разъемные формы. Для формования методом литья готовят сметанообразную массу - шликер влажностью 34-36%. В шликер добавляют для повышения текучести при минимальной влажности 0,1-0,2% электролита, что обеспечивает лучшее заполнение формы. Изделия изготавливают двумя способами - сливным и наливным.  
            При сливном способе шликер заливают в разъемную гипсовую форму и оставляют в ней на определенное время. Гипс быстро впитывает влагу, и на стенках формы откладываются твердые частицы, которые образуют стенки изделия. Время выдержки определяют опытным путем, оно зависит от толщины стенки изделия, толщины стенок гипсовой формы и пористости. После выдержки шликер сливают, а гипсовую форму с изделием подвергают медленной сушке.  
             Полнотелые изделия сложной формы, например ручки для чайников, крышки, изготавливают наливным способом. Шликер наливают в гипсовую разъемную форму с соответствующими углублениями на внутренних поверхностях, где оно полностью затвердевает.  
             Полусухое прессование применяют для формирования плоских изделий небольшой толщины, например тарелок. Подготовленную пластичную массу высушивают до влажности 2-3%, тонко измельчают и получают порошок, в который добавляют пластификатор. Из этого порошка формуют изделие в металлических пресс-формах под большим давлением (25-30 МПа). Изделия имеют правильную форму, точные размеры, более высокую механическую прочность и небольшую влажность, что значительно сокращает время сушки перед обжигом.  
При формовании вследствие небрежного обращения, использования изношенных форм и роликов могут образоваться такие дефекты, как деформация, волнистый край, концентрические трещины, неодинаковая толщина изделий, неровность поверхности, подрыв носиков и др.

     3) Сушка 

     Для сушки применяют конвейерные, конвекторные (с направленной подачей теплоносителя  на изделие), радиационные (с электрическим  или газовым обогревом) и комбинированные  сушилки, в которых время сушки  значительно сокращается.

     Теплоносителями являются воздух и лучистая энергия, выделяемая керамическими панелями и другими поверхностями, которые обогреваются газом, реже - лампами накаливания. Все эти сушилки характеризуются высокой производительностью и минимальными затратами ручного труда на загрузку и выгрузку. Наиболее перспективно использование для сушки керамических изделий ультразвука, токов высокой частоты или инфракрасного излучения. Современные методы сушки позволяют регулировать температуру и время процесса в зависимости от толщины изделия.

     Сама  сушка состоит из двух стадий:

     - предварительная стадия (подвяливание) - в гипсовых формах и окончательная - без форм. Плоские изделия сушат только в гипсовых формах. Корпус полых изделий после предварительной сушки до влажности 14-16% вынимают из форм, соединяют с приставными деталями смесью шликера с декстрином;

     - во время второй стадии изделия окончательно высушивают.

     В процессе сушки могут образоваться трещины (при неравномерной влажности  массы), деформация и другие дефекты.

     Отметим, что изделия сушат до остаточной влажности 2-4%. При этом изделие приобретает достаточную для обжига прочность, исключается образование внутренних напряжений, приводящих к появлению трещин, деформации и т.д.

     Высушенные  изделия перед обжигом зачищают наждачной бумагой, удаляют швы от пресс-форм, посторонние примеси и загрязнения. После зачистки изделия обдувают сжатым воздухом для удаления пыли. 

         4) Обжиг

     Керамические  изделия подвергают, как правило, двукратному обжигу - утильному (до глазурования) и политому (после глазурования). Применяют также однократный скоростной и бескапсельный обжиг. Фарфоровые изделия, декорированные надглазурными украшениями, подвергают третьему обжигу - муфельному.  
          Утельный обжиг в зависимости от состава черепка и назначения фарфоровых изделий проводят при температуре 900-1000°С, а политой - 1350-1400°С. При утильном обжиге удаляется механически и химически связанная влага, черепок приобретает необходимую прочность при достаточной для впитывания глазури пористости. Реакции взаимодействия исходных компонентов массы протекают в твердой фазе.  
Для обжига применяют печи непрерывного действия - туннельные, конвейерные с шагающим подом и роликовые щелевые, а также периодического действия - горны. В печах непрерывного действия поддерживается более строгий температурный режим, сокращается время обжига и обеспечиваются нормальные условия работы при загрузке и выгрузке. В качестве топлива используют нефть, газ и электричество (в электропечах).  
          После утильного обжига керамические изделия либо декорируют послегазурными красками, газурируют и подвергают политому обжигу, либо глазуруют, обжигают и декорируют.  
          Фарфоровые изделия после утильного обжига чаще всего глазуруют , а затем обжигают. Тугоплавкую глазурь в виде суспензии наносят методом окунания, обливания и пульверизацией. После глазурования с ножки или верхнего края форфорого изделия счищают глазурь, чтобы предупредить сплавление их с подставкой во время политого обжига или другими изделиями при обжиге "в спарку". Это отличительный признак фарфоровых изделий; фаянсовые изделия полностью покрывают глазурью.                                                                                                                             Перед политым обжигом изделия помещают в шамотные капсели и тщательно предохраняют от сплавления друг с другом и с капселем. Капсели устанавливают на вагонетку и направляют в туннельную печь. Применяют также бескапсельную загрузку на специальные этажерочные вагонетки.  
          В процессе обжига формируется черепок с необходимыми физическими и химическими свойствами. При политом обжиге происходят расплавление глазури, равномерное ее распределение по всей поверхности изделия и сплавливание с черепком. Строгое соблюдение определенного режима температуры, скорости ее подъема, времени выдержки и газовой среды - непременное условие проведения обжига. При нарушении этих требований образуются дефекты, ухудшающие внешний вид и свойства готовых изделий.  
         Политой обжиг можно разделить на ряд периодов, каждый из которых протекает при определенном температурном режиме и газовой среде, что обеспечивает постепенное формирование черепка с необходимыми свойства.  
          Первый период протекает при температуре до 900-940°С; скорость подъема температуры 100-140°С в час. Из массы удаляется остаток гигроскопической влаги, происходит разложение глинистых веществ, карбонатов, выгорание органических примесей. В этот период поддерживает окислительная газовая среда. Реакция протекает в твердой фазе, в этот период начинается спекание черепка, которое сопровождается усадкой. На поверхности пористого черепка, который обладает высокий каталитический и адсорбционной способностью, осаждается углерод, выделяющийся при сгорании топлива. Углерод придает черепку серый цвет.  
          Второй период обжига протекает в сильно окислительной среде при температуре 940-1040°С. Он является подготовительным к самому ответственному этапу - обжигу в восстановительной среде. В этот период выравнивается температура, завершается выделение остатков гидратной воды и полностью выгорает сажистый углерод. Если углерод не выгорит до расплавления глазури в третьем периоде, то изделие будет иметь серую или буроватую окраску либо покроется мельчайшими кратерообразными точками - наколами. Вследствие расплавления полевого шпата образуется жидкая фаза, которая цементирует твердые частицы и обуславливает повышение механической прочности черепка. Происходит процесс кристаллизации глинозема и начинает образовываться муллит.  
          Третий период ведется при температуре 1040-1250°С в восстановительной среде, которая необходимая для перевода окисного железа в закисную формы. Закись железа образует силикаты, который придают черепку голубоватую оттенок. На этом этапе вначале образуется силиманитоподобный ангидрид, а затем муллит и кремнезем в виде кристобалита. Продолжается спекание черепка, сопровождающие интенсивной, так как кристаллические частицы соединяют вязким расплавом. При температуре выше 1200°С вязкость расплава снижается, и на границе твердой и жидкой фаз сближаются под действием поверхностных сил частицы кварца, продукты разложения каолинита и кристаллы муллита. Образование легкоплавкого силиката закиси железа способствует развитию жидкой фазы. На этом этапе начинается расплавление глазури. Скорость подъема температуры - 30-35°С в час.  
         Четвертый этап, завершающий формирование черепка, начинается при температуре 1250°С и заканчивается при 1380-1410°С, протекает он в нейтральной среде. Происходят окончательное спекание черепка, разлив глазури и сплавление с черепком. Активнее протекает процесс взаимодействия полешпатовго стекла и аморфного кремнезема из каолинитового остатка, что способствует заполнению промежутков между кристаллами муллита. Одновременно укрупняются кристаллы муллита в полешпатовом стекле и уменьшаются размеры остаточного кварца. Протекают диффузионные процессы, обуславливающие равномерное распределение кристаллических новообразований в черепке.  
Период заканчивается выдержкой изделий при максимальной температуре в течение 1,5-3 ч. Чем продолжительнее выдержка изделий, тем больше образуется кристалла муллита. Игольчатые кристаллы муллита, переплетаясь, способствуют повышению механической прочности и термической стойкости черепка. При этом ускоряется процесс муллитизации за счет растворения кварца в стекле и насыщения его кремнеземности. Образующиеся кристаллы муллита как бы врастают в стекло, в нерастворившихся зерна кварца.  
          При повышении температуры обжига уменьшается пористость черепка, так как пустоты заполняются стекловидной массой и другими структурными элементами. Однако при повышении температуры выделяются газы из полевошпатового стекла, вспучивается черепок и снижается качество изделий.  
          Пятый, диффузионный, период обжига соответсвует выдержке изделий при максимальной температуре обжига.  
После обжига начинается процесс охлаждения. До температуры 600-530°С охлаждение проводят со скоростью 250-200°С в час. Затем процесс резко замедляется, при этом происходят ионные модификации, сопровождающиеся большими изменениями объемов, в результате чего возникают внутренние напряжения. Помимо этих напряжений, возникают напряжения вследствие перехода стекловидной массы из пластического состояния в упругое.  
          Продолжительность политого обжига в туннельных печах от 18-22 до 32-34ч. На некоторых предприятиях керамические изделия, в том числе и фарфоровые, подвергают однократному бескапсельному обжигу. При этом цикл производства сокращается до 3-5ч, значительно снижается расход топлива, повышается производительность труда, уменьшает себестоимость готовой продукции. Главная задача однократного обжига - обеспечение непромакаемости черепка при глазуровании изделий, высушенных до содержания влаги 1%. С этой целью в массу вводят высушенные до 4-7% трошковской глины или специальных пластифицирующих добавок, способствующих повышению водостойкости, в том числе и некоторые виды пластических масс.  
Однократному обжигу подвергают в основном толстостенные изделия - кружки, салатники, масленки, сахарницы, которые при глазуровании без утельного обжига не размокают, не деформируются и не разрушаются.  
При обжиге на изделиях могут образоваться следующие дефекты: искажение размеров и формы, щербины, задувка, прыщи, пузыри, засорка, желтоватый оттенок и т.д. После обжига изделия проверяют для выявления дефектов. Изделия, отвечающие предъявляемым к ним требованиям, декорируют.

     5) Декорирование изделий 

     Эта самая последняя стадия производства фарфора. Она заключается в украшении изделий подглазурными и надглазурными красками, препаратом золота, растворами солей, красящих окислов и декоративными глазурями с последующим обжигом.

     В зависимости от характера поверхности  декорирование изделий может  быть:

1). Рельефное  декорирование - это нанесение на поверхность изделий выпуклых ил заглубленных украшений. К выпуклым относится рельеф, получаемый при формовании путем лепки, к заглубленным - врезывание, сверление и вдавливание на поверхности.

     В зависимости от назначения и природы изделий выбирают вид разделки, при этом необходимо учитывать естественную красоту черепка, украшение должно сочетаться с его естественными особенностями и подчеркивать их, а не затушевывать. Для фарфора в основном применяют гладкое надглазурное декорирование, иногда рельефное и подглазурное. 
 

         3 Печи для обжига тонкой керамики

     В технике обжига наряду с режимами имеет значение организация производства. Расход топлива и капитальные  затраты на сооружение печей должны быть по возможности низкими, срок службы и надежность в работе высокими. Раньше самыми целесообразными были камерные печи (горны) с многодневным режимом обжига, которые не соответствуют современному уровню развития теплотехники.

     Современные типы печей — непрерывнодействующие туннельные и камерные периодического действия с выкатным подом. Разновидностью туннельных печей являются щелевые, разновидностью камерных печей с выкатным подом — колпаковые.

     Туннельные  печи. Недостаточно широкое распространение туннельных печей в керамической промышленности в предшествующий период объясняется их особенностями. Туннельные печи не отличаются такой гибкостью изменения режима обжига, как например горны. Это значит, что для туннельной печи нужен приблизительно одинаковый ассортимент и достаточно большое количество изделий, подаваемых на загрузку постоянно. Поэтому туннельные печи стали применять только с развитием концентрации производства на больших предприятиях. Годовая производительность средней туннельной печи длиной 85 м, высотой и шириной садки по 1 м 1500— 1800 т.

     Туннельную  печь делят на три зоны: подогрева  — от входа в печь до первых горелок; обжига — средняя часть, в которой  находятся горелки; охлаждения —  от конца зоны обжига до выхода из печи.

     В первой зоне изделия нагреваются поступающими из зоны обжига продуктами горения, которые перемещаются навстречу движению печной вагонетки. Продукты горения отсасываются из туннеля через расположенные в боковых стенках каналы и выводятся к дымовой трубе или вытяжному вентилятору. В оснащенной горелками (до 90 шт.) зоне обжига изделия нагреваются до температуры спекания.

     В зоне охлаждения вагонетка и садка  должны отдать тепло, что осуществляется с помощью рекуператоров, представляющих собой систему труб или каналов, через которые продувается воздух. Полученный таким образом нагретый воздух передается для других технологических процессов, например для сушки, или возвращается в туннельную печь (вдувание нагретого воздуха в зону подогрева, нагревание воздуха, подаваемого для горения в зону обжига). При выходе из печи садка должна быть охлаждена до температуры 100—150 °С.

     Во  всех трех зонах туннельной печи требуется  равномерное распределение температур и газовой среды по всему сечению. Новейшие туннельные печи для этой цели оснащены системами циркуляции, нагнетания и вытяжки.

     В настоящее время для улучшения  равномерности распределения температур во всех зонах печей как при  нагревании, так и при охлаждении применяется принцип поперечной циркуляции теплоносителя. При этом используется преимущественно естественный термический напор (нагретые газы легче, они сами поднимаются). Однако эффективность циркуляции зависит от наличия продольных разрывов в садке.

     Благодаря многочисленным техническим усовершенствованиям (вентиляторы, трубопроводы, горелки, шиберы, контрольно-измерительные и регулирующие приборы) туннельная печь стала сложным агрегатом, для правильного обслуживания которого необходимы рабочие высокой квалификации.

     Контроль  обжига осуществляется с помощью  обширной измерительной системы.

     Канал обжига должен быть хорошо закрыт от влияния внешней среды. Снизу это обеспечивается плотным смыканием платформ вагонеток (в поперечном направлении), а у стен (в продольном направлении) специальными устройствами — лабиринтами, песочным уплотнением. В начале печи для уплотнения раньше часто устанавливали жалюзи. Теперь их заменили воздушными завесами.