Керамическая плитка однократного обжига с использованием кварц полевошпатового сырья Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.3.

А.А. ГАЛЕНКО, инженер (driver2002hat@rambler.ru), Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

Керамическая плитка однократного обжига с использованием кварц-полевошпатового сырья

Современное состояние сырьевой базы керамической промышленности предопределяет необходимость разработки составов масс на основе новых, ранее не применявшихся компонентов. Данный аспект становится особенно актуальным в случае внедрения технологии однократного обжига при производстве плитки для внутренней облицовки. Весьма перспективным является использование необогащенного щелочного каолина, применявшегося в фарфоровой промышленности при производстве изделий невысокой сортности, который обладает рядом положительных свойств для фаянсовых производств.

В условиях высокоскоростного обжига основной задачей является обеспечение формирования фазового состава и структуры керамического черепка в короткий период времени, что возможно осуществить за счет введения высокоэффективного плавня. Традиционным плавнем для керамической плитки является мел, однако вследствие его декарбонизации при высокой температуре в условиях однократного обжига существенно ухудшается качество декоративного покрытия. С учетом одновременного формирования фазового состава и структуры керамического черепка и декоративного покрытия наиболее подходящим плавнем является полевой шпат. Эффективное флюсующее действие полевых шпатов известно достаточно хорошо, однако использование данного компонента в составе плиточных масс является недостаточно изученным вопросом, поскольку плавление полевых шпатов происходит при температурах значительно выше температуры обжига керамической плитки. Принято считать, что скоростной режим обжига и невысокая температура делают непригодными использование в качестве плавней полевых шпатов [1]. Однако с учетом специфики спекания облицовочной плитки с применением щелочного не-обогащенного легкоплавкого каолина флюсующее действие полевых шпатов в керамической массе становится заметным с 950оС, а температура образования эвтектики между ортоклазом и кремнеземом 985оС [2].

В работе были поставлены следующие задачи:

— осуществить замену традиционного плавня—мела на полевой шпат в составах масс однократного обжига;

— разработать математическую модель зависимости свойств керамической плитки от сырьевых компонентов при применении щелочного каолина и полевого шпата.

С этой целью авторами проведены исследования серии составов (табл. 1), в которых предусмотрена поэтапная замена мела полевым шпатом.

Таблица 1

Обожженные образцы были подвергнуты испытаниям на определение общей усадки, водопоглощения и прочности при изгибе, результаты которых приведены в табл. 2.

Полученные результаты позволяют с достаточной степенью достоверности говорить о более эффективном действии полевого шпата на процесс спекания по сравнению с мелом. В первую очередь это видно по снижению водопоглощения с 15,7 до 12,9%, а также по уменьшению общей усадки с 1,05 до 0,71. Прочностные характеристики находятся в близких пределах и удовлетворяют требованиям нормативных документов. Таким образом, для определения оптимального соотношения компонентов шихты, обеспечивающего нормальное завершение процесса формирования фазового состава и структуры плитки с одновременным образованием ангобного и глазурного покрытий при скоростном однократном обжиге, было проведено математическое планирование эксперимента с применением симплекс-решетчатого плана Шеффе неполного третьего порядка.

В соответствии со стандартной методикой на основе экспериментальных данных были теоретически рассчитаны области формирования структуры черепка с заданными свойствами.

Согласно ГОСТ 6141—91 «Плитки керамические глазурованные для внутренней облицовки стен» механическая прочность при изгибе для керамических плиток должна быть более 15 МПа, что позволяет ограничить область оптимальных составов в пределах следующего содержания компонентов (мас. %): глина Владимировского месторождения ВКС-3 — от 25 до 65; необогащенного щелочного каолина Екатериновского месторождения (Украина) — от 20 до 50; Малышевско-го полевого шпата — от 10 до 40.

Согласно технологическим требованиям отечественных и зарубежных предприятий, в том числе и непосредственно работающих по технологии однократного обжига, величина общей усадки не должна превышать 1%, а оптимальными являются показатели в пределах 0,65—0,85; более низкое значение обычно свидетельствует о недостаточном спекании массы. Построение диаграммы зависимости усадки от состава керамической массы позволило выявить положительное влияние щелочного каолина на данный показатель, а также отрицательное воздействие повышенного (более 75%) содержания глины. Оптимальным содержанием полевого шпата будет являться 0—35 мас. %.

Таблица 2

Компонент Содержание, мас. %

1 2 3 4

Глина ВКС-3 56 56 56 55

Щелочной каолин 20 20 20 20

Мел 14 9 4 -

Полевой шпат 5 10 15 20

Бой плитки дробленый 5 5 5 5

Наименование характеристик Характеристики керамической плитки на основе составов №

1 2 3 4

Усадка, % 1,05 0,92 0,87 0,71

Водопоглощение, % 15,7 14,2 12,9 13

Механическая прочность (при изгибе), МПа 21 20,5 21,3 20,9

■f: ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

¿U!' ® апрель 2010 47

Таблица 3

1

X 0

0,75

- сплайновая кривая, ограничивающая область

оптимальных составов по прочности на изгиб

-........ сплайновая кривая, ограничивающая область

оптимальных составов по водопоглощению

— — сплайновая кривая, ограничивающая область

оптимальных составов по усадке

область оптимальных составов

Компонент Содержание, мас. %

42 43 48 49 А Б

Глина ВКС-3 38 38 47,5 47,5 54,2 57

Щелочной каолин 28,5 38 19 28,5 16,1 23,8

Полевой шпат 28,5 19 28,5 19 24,7 14,2

Бой плитки дробленый 5 5 5 5 5 5

Таблица 4

Наименование характеристик Показатели характеристик плитки на основе составов

42 43 48 49 А Б

Усадка, % 0,68 0,61 0,71 0,75 0,87 0,8

Водопоглощение, % 13,5 13,9 13,65 13,5 14 13,2

Механическая прочность, стизг, МПа 20,1 19,96 18,23 19,93 15,22 20,64

Диаграмма оптимальных значений основных показателей керамического черепка

На основании анализа технологических регламентов как отечественных, так и зарубежных предприятий было установлено, что за максимальную величину водо-поглощения принимается 16% вне зависимости от характера компонентов, входящих в состав керамической массы, кроме того, для данного вида продукции этот показатель не должен быть менее 11%, в противном случае существенно затрудняется ее монтаж. Данные требования удовлетворяются при достаточно широком интервале содержания (мас. %) глины — от 5 до 95, щелочного каолина — от 15 до 65, полевого шпата — от 0 до 65.

Для совмещения полученных областей и установления оптимального состава использовались неоднородные рациональные В-сплайновые кривые, применение которых обеспечивает высокую точность кривых, проходящих через заданные управляющие точки. Полученные кривые были совмещены на диаграмме (рис.), отражающей оптимальные значения основных показателей обожженного керамического черепка.

Как видно на рисунке, в область оптимальных значений входят точки составов керамических масс, в наибольшей степени отвечающие предъявляемым требованиям: 42, 43, 48, 49, 50, 54, 55. В связи с достаточно широким интервалом содержаний глины ВКС-3, щелочного каолина и полевого шпата для установления оптимального их соотношения осуществлялся анализ каждого из показателей, исходя из которого составы 50, 54 и 55 были исключены из рассматриваемой области. Данное решение прежде всего связано с невысокими прочностными показателями плитки данных составов, в частности 17,63—18,19 МПа, кроме того, образцы состава № 54 находятся вне рекомендуемого интервала по показателю общей усадки. При анализе формы области оптимальных составов установлено, что ее граница вплотную подходит к точке № 53; в связи с этим для уточнения полученных результатов принята дополнительная точка А, находящаяся на равном удалении от точек 48, 53, и 54. В данной точке получаем следующее

соотношение компонентов (мас. %): глина ВКС-3 — 57, малышевский полевой шпат — 26, екатериновский щелочной каолин — 17. Кроме того, в связи с неоднозначностью полученных результатов в ряду составов 53, 54 и 55 была принята вторая дополнительная точка Б с целью экспериментального уточнения расчетных показателей. В данной точке получаем следующее соотношение компонентов (мас. %): глина ВКС-3 — 60, малышевский полевой шпат — 15, екатериновский щелочной каолин — 25.

Для подтверждения данных, полученных расчетным путем, было изготовлено шесть образцов из масс, представленных в табл. 3. Кроме того, в связи с использованием фиксированного количества дробленого плиточного боя в количестве 5% сверх исследуемых при планировании соотношений составы были пересчитаны на 100%.

Послеобжиговые свойства указанных составов приведены в табл. 4.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что расчетные показатели обладали достаточной достоверностью, в связи с чем они близки к экспериментально полученным. Наиболее оптимальным сочетанием показателей обладают: по общей усадке — составы 42, 48, 49, Б; по водопоглощению все составы удовлетворяют предъявляемым требованиям, по прочности на изгиб наилучший показатель — 20,64 МПа имеет состав Б.

Таким образом, математическое планирование эксперимента и его практическая проверка подтвердили высокую эффективность полевого шпата как интенси-фикатора процесса спекания и позволили определить оптимальное соотношение компонентов в массе (%): глина ВКС-3 — 57; малышевский полевой шпат — 14,2; екатериновский щелочной каолин — 23,8; дробленый бой плитки — 5. Полученные результаты позволяют с достаточной степенью достоверности говорить о более эффективном действии полевого шпата как интенсифи-катора процесса спекания в условиях скоростного однократного обжига по сравнению с мелом.

Ключевые слова: однократный обжиг, щелочной каолин, полевой шпат.

Список литературы

1. Августинник А.И. Керамика. М.: Стройиздат, 1975.

529 с.

2. Будников П.П., Геворкян Х.О. Обжиг фарфора. М:

Стройиздат, 1972. 112 с.

X

3

0

X

2

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал

48 апрель 2010 *