Санитарно-технические изделия, такие как ванны и раковины, изготавливаются преимущественно методом формования из различных материалов, включая акрил, чугун и керамику. В современном производстве часто применяются технологии литья и прессования, что позволяет создавать изделия с высокими эксплуатационными характеристиками и разнообразными дизайнами.
После формирования изделия проходят этапы обработки, такие как шлифовка и нанесение защитных покрытий, что обеспечивает им долговечность и эстетичный внешний вид. Используемые материалы и технологии позволяют создавать сантехнические принадлежности, которые отвечают запросам потребителей по качеству и функциональности.
Производство санитарно-технических и бытовых изделий из тонкой керамики
Санитарно-технические изделия (умывальники, столы, унитазы, ванны и др.) отличаются большими размерами и массой. Поэтому к их прочности и термостойкости предъявляются особо высокие требования, которые должны быть обеспечены тщательной подготовкой сырьевых шихт, а также особыми режимами сушки и обжига.
Изготовляют санитарно-технические изделия из фарфоровых, полуфарфоровых и фаянсовых масс, которые отличаются составом, степенью спекания и пористостью. Фаянсовые изделия имеют мелкозернистую пористую структуру, окраску белую или любую светлую однородную. Фаянс не просвечивает на свету и в неглазурованном виде впитывает и пропускает воду.
Фарфоровые изделия имеют плотную спекшуюся структуру, цвет белый. Фарфор в тонком слое просвечивает на свету и не пропускает воду даже в неглазурованном виде. Полуфарфор занимает по свойствам промежуточное положение между фарфором и фаянсом.
Основным сырьем для производства санитарно-технических изделий служат беложгущиеся огнеупорные глины, каолин, кварц, полевой шпат. За счет разного их соотношения в шихте (табл. 1) обеспечивается различная степень спекания изделий.
Сырьевые материалы подвергают тщательной переработке: помолу, отмучиванию, просеиванию с целью получения тонкоизмельченной шихты. Готовят массы, как правило, шликерным способом.
Таблица 1. СОСТАВЫ МАСС ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ САНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КЕРАМИКИ
в твердом фаянсе
в санитарном фарфоре
Изделия санитарно-технической керамики отличаются сложными формами, поэтому их формуют, в основном, способом литья в пористые (чаще гипсовые) формы, где в течение определенного времени происходит «набор массы», то есть процесс образования на стенках пористой формы уплотненного и до некоторой степени обезвоженного слоя минерального вещества за счет отсоса влаги внутрь пор формы вследствие капиллярного давления.
Различают два варианта шликерного литья (сливной и наливной). При сливном способе после набора на внутренней стороне формы уплотнившегося слоя массы требуемой толщины оставшийся шликер выливают из формы (рис. 7а). Его применяют для формования полых тонкостенных изделий с толщиной стенки 3—5 см.
При наливном способе процесс набора массы продолжается до тех пор, пока ею не будет заполнена вся полость формы. Значительная убыль объема шликера за счет удаления из него воды компенсируется его периодической доливкой или непрерывным поступлением из заранее заполненной воронки, стоящей над формой (рис. 7б). Этот вариант применяют для изготовления массивных сплошных изделий, а также полых толстостенных деталей. Формы при наливном способе должны быть обязательно разъемными для выгрузки сформованного полуфабриката.
Рис. 7. Схема способов литья шликера в формы: а) — сливной: 1 — залитая форма; 2 — форма, перевернутая после набора массы; 3 — изделие; б) — наливной: 1 — залитая сборная форма; 2 — изделие.
При наборе массы основное сопротивление процессу отсоса влаги из шликера оказывает уже возникший в пристеночном пространстве структурированный уплотненный слой. Скорость фильтрации воды через него и набор массы снижаются во времени по мере увеличения толщины структурированного слоя. Общая продолжительность набора массы примерно пропорциональна квадрату толщины последней. Поэтому при литье массивных изделий время набора массы — основной фактор, лимитирующий производительность всей технологии.
Достоинством сливного способа является относительная простота конструкции формы (она неразборная), меньшее количество технологических операций в процессе формования, более легкие условия труда, а Возможность механизации и автоматизации формовки. Недостатки этого метода — повышенный расход шликера, замедленный по сравнению с наливным способом процесс набора массы (вследствие меньшей поверхности соприкосновения заготовки со стенками формы), возможность дефекта разнотолщинности.
Как при сливном, так и при наливном методе литья после окончания основного фильтрационного процесса диффузия воды из заготовки в форму продолжается. Этот процесс сопровождается уменьшением влажности заготовки, а, следовательно, и ее усадкой, что облегчает отделение заготовки от формы. В зависимости от вида изделия длительность набора требуемой толщины стенки изделия составляет 1—3 ч. Изделие выдерживают в формах дополнительно 7—16 ч для закрепления заготовки, затем ее вынимают из форм, подвяливают, оправляют (обрезают кромки) и направляют на сушку в камерные, тоннельные или люлечные сушила. Последнее в производстве керамической сантехники получили наиболее широкое применение.
Люльки передвигаются по монорельсу, приваренному к верхней части сушила. Изделия стоят в люльках на деревянных поддонах. Теплоноситель подается с помощью приточной системы, циркуляционных установок и через окна в поду камер. Отработанный теплоноситель удаляется осевым вентилятором через вытяжной зонт в потолке первой камеры.
Тепловой режим в люлечной сушилке поддерживается автоматически по сигналам термометров сопротивления через исполнительные механизмы, связанные с регулирующими заслонками на трубопроводах, путем изменения количества подаваемого теплоносителя, а также посредством разбавления последнего холодным воздухом. Преимущества таких сушилок: простота их обслуживания, небольшие габариты, сокращенные режимы сушки (10—12 ч), малое количество брака и обеспечение поточности технологии.
После сушки изделия зачищают наждачной шкуркой, обдувают сжатым воздухом для удаления пыли и глазуруют путем окунания в чаны с глазурью или с помощью пульверизатора. Покрытые глазурью изделия загружают на этажерочные вагонетки и обжигают в тоннельных печах. Температура обжига для фаянсовых изделий 1250—1280, для мягкого фарфора — 1250 — 1300, для твердого фарфора — 1300- 1450°С.
Наиболее высококачественные изделия получают на основе фарфоровых масс, что связано со спецификой их состава и особенностями высокотемпературных процессов. Фарфоровый полуфабрикат, поступающий на обжиг, состоит из относительно крупных зерен кварца и полевого шпата, распределенных в тонкозернистом глинистом веществе. В температурном интервале 500—650°С заканчивается дегидратация глинистого вещества (каолинита), в результате чего образуется мета каолинит
Аl203 * 2Si02 * 2H20 > А1203 • 2Si02 + 2Н20
При дальнейшем нагревании полевой шпат образует с другими компонентами шихты легкоплавкие эвтектики. Кроме того, между компонентами массы протекают твердофазовые реакции. В результате этих процессов обжигаемый материал при температурах 800—900°С (т.е. задолго до плавления самого полевого шпата) приобретает некоторую прочность. Полевой шпат начинает плавиться при температуре около 1150°С, но ввиду высокой вязкости образующегося расплава наиболее крупные его зерна сохраняются до температуры 1200°С. Полное расплавление зерен полевого шпата происходит лишь при температуре ~ 1250°С. Примерно в том же температурном интервале (1100—1250°С) происходит муллитизация ранее образовавшегося метакаолинита
3(А1203 • 2Si02) > 3Al203 * 2Si02 + 4Si02
Образующиеся мелкие иглоподобные кристаллики первичного муллита пронизывают массу обжигаемого материала, создавая в нем армирующий упрочняющий каркас. Присутствующие в материале зерна кварца вплоть до температуры 1250°С по существу не претерпевают изменений.
При более высоких температурах количество жидкой фазы заметно увеличивается в результате ее взаимодействия с ранее образовавшимися метакаолинитом, первичным муллитом и аморфным кремнеземом. Одновременно на зернах кварца появляются каемки, свидетельствующие о его взаимодействии с жидкой фазой.
В интервале от 1250°С до конечной температуры обжига в материале наблюдается непрерывное увеличение содержания муллита. Это обусловлено, с одной стороны, увеличением числа и размеров кристаллов первичного муллита, а с другой, — перессыщением жидкой фазы, приводящим к частичной кристаллизации из нее вторичного муллита. Кроме того, в том же температурном интервале продолжается растворение зерен кварца и их кристобалитизация. К моменту завершения обжига фарфор состоит из жидкой фазы (образующей при охлаждении стекловидную фазу), муллита, остатков нерастворившихся зерен кварца и замкнутых пор (2—5% об).
Существенное значение имеет не только температурно-временной режим обжига изделий, но и создание определенной газовой среды в различных периодах обжига. По характеру газовой среды различают три периода обжига фарфора.
В первом периоде (нагрев до 1040°С) в печи создают окислительную газовую среду. Концентрация С02 в продуктах сгорания топлива в этот период достигает 10-14%. Цель окислительного периода обжига — предупредить осаждение сажистого углерода, образующегося при сгорании топлива, в порах изделий.
Однако примеси соединений железа, содержащиеся в массе, во время окислительного периода приобретают желтоватую окраску. В связи с этим во втором периоде обжига (в интервале температур от 1040 до 1200—1250°С) в печи создают восстановительную газовую среду, поддерживая концентрацию СО в продуктах сгорания топлива 2—6%. В восстановительном периоде соединения железа переходят из окисной в закисную форму (восстанавливаются до FeO) еще до закрытия пор, благодаря чему существенно повышается белизна изделий. Закисные соединения железа с кремнеземом имеют голубоватую окраску. Наконец, в третьем периоде обжига ( выше 1200—1250"С ) в печи поддерживают нейтральную газовую среду.
Водопоглащение санитарно-технической керамики составляет: для фаянса — 10-12%, полуфарфора — 3-5%, фарфора — 0,2-0,5%, а прочность при сжатии — соответственно — 100, 180—200 и 400—500 МПа. Изделия должны иметь белый либо светло-желтоватый цвет, правильную форму, гладкую и чистую поверхность без искривлений, равномерно покрытую глазурью.
Бытовая или хозяйственная тонкая керамика в основном представлена различными видами посуды (тарелки, чашки и др.), а также декоративными изделиями. По составу сырьевых масс и принципиальной технологической схеме производства она достаточно близка другим видам тонкой керамики. Однако есть два существенных отличия.
Бытовая керамика в основном тонкостенные изделия, полуфабрикату которых при погружении в глазурную массу угрожает размокание. Поэтому перед глазурованием их подвергают первичному (утельному) обжигу, температура которого меняется в зависимости от состава массы — фаянс или фарфор. Этот вид изделий имеет повышенную эстетическую значимость, поэтому в технологической схеме появляется дополнительная операция — декорирование изделий различными способами. Отличия технологии бытового фаянса и фарфора, кроме традиционной разницы в составах масс, состоят в соответствующем подборе состава глазурей и выборе температур первичного (утельного) и вторичного (политого) обжига. Сравнительно невысокая температура обжига фаянса при более низкой плотности изделий позволяет применять легкоплавкие глазури и соответственно использовать широкую палитру подглазурных красок по сравнению с изделиями из фарфора.
Готовят керамические массы из высококачественного чистого сырья шликерным способом. Изделия плоской формы (тарелки, блюда и др.) и полые изделия (чашки и др.) формуют из пластических масс, получаемых из шликеров последовательно на фильтр-прессах и вакуумных ленточных прессах способом раскатки в гипсовых или пластмассовых формах с помощью формующих шаблонов, врезающихся штемпелей или роликов.
Если шаблон формует внутреннюю поверхность изделия, то такой способ называется «формованием в форму», а если внешнюю — то «на форму». Порция керамической массы под нажимом шаблона, имеющего профиль, являющийся зеркальным отображением требуемой формы, равномерно распределяется по поверхности гипсовой формы. Избыток массы вытесняется, образуя «бахрому» над верхней кромкой, которая в конце формования срезается специальным резцом. Избыток влаги из массы отсасывается в ходе формования пористой гипсовой формой, при этом сырец несколько уплотняется и приобретает механическую прочность, достаточную для транспортировки и дальнейшей обработки.
Части изделий сложной формы: ручки чашек, носики чайников и другие формуют литьем. Отдельные части склеивают в целое изделие шликером с добавкой 0,5% декстрина.
Декорирование изделий в зависимости от их назначения и вида декоров производят либо до политого обжига либо после. Для декорирования применяют керамические краски — смеси окрашенных соединений (пигментов) со специальными плавнями. Различают краски — подглазурные и надглазурные. Первые наносят на изделие до глазурования и обжига, вторые — на глазурованное обожженое изделие и закрепляют обжигом в муфельных или электропечах при 600—900°С.
Подглазурные краски главным образом применяют для декорирования фаянса. В их состав вводят пигменты, устойчивые к воздействию глазури при обжиге — силикаты и алюминаты Со, Ni, Fe, а также оксиды Cr, Ti, V. Обычно подглазурные краски смешивают с 20% глазурной фритты и наносят на изделия, прошедшие утельный обжиг. Раскрашенные изделия глазуруют и подвергают политому обжигу, при котором краски закрепляются на изделии. Такой способ декорирования обеспечивает его высокую долговечность.
Надглазурные краски наиболее распространены. Они предназначены для декорирования и фарфора, и фаянса. Это смесь пигментов (оксиды Cr, Fe, Мп, Со, Sb, Сu и др.) с флюсами — специальными плавнями, обеспечивающими закрепление красок на глазурованном изделии и придающими им блеск. Для каждой краски подбирается флюс, неразрушающий ее при обжиге.
В состав флюсов (наряду с кремнеземом) вводят оксиды свинца и бора. Флюсы плавят в тигельных печах, а затем измельчают совместно с пигментом в небольших шаровых мельницах с фарфоровыми барабанами и шарами. Содержание флюса в краске может достигать 70— 80%(масс). Надглазурные краски обличаются более широкой и яркой палитрой, однако менее устойчивы к внешнему воздействию.
Декорирование осуществляют декалькоманией, печатью, аэрографией, шелкографией, штампом, отводкой, ручной раскраской, золочением, а также цветными глазурями и люстрами.
Декалькомания — декорирование путем перенесения на изделия многоцветных рисунков (деколей), отпечатанных литографским способом на специальной бумаге керамическим красками. Участки изделий, на которые наносятся рисунки, смазывают специальной мастикой и слегка подсушивают, затем приклеивают рисунки и обжимают их мокрой губкой. Остатки бумаги и следы гуммированной пленки смывают 50%-ным раствором аммиака. Вымытые изделия подсушивают.
Печать — способ декорирования, заключающийся в перенесении на изделия одноцветных рисунков, отпечатанных на тонкой бумаге керамическими красками. Рисунки, предварительно выгравированные на медных валах или стальных досках, после заполнения полученного рельефа краской переводят на бумагу. Затем бумагу с полученными отпечатками разрезают на отдельные рисунки, которые во влажном состоянии переводят на изделия при помощи войлочных валиков, прокатываемых по бумаге. После этого влажную бумагу отделяют, а красочный контур, остающийся на изделиях, закрепляют обжигом.
Аэрография (шелкография) — декорирование изделий преимущественно из полуфарфора и фаянса, предназначенных. Для предприятий общественного питания. Этот способ основан на использовании трафаретов из плотной и прочной шелковой ткани, на которую наносят отверстия (просечки), соответствующие заданному рисунку. Трафарет накладывают на изделие и по нему прокатывают валик, смазанный краской. Краска продавливается через отверстия в трафарете и на изделии остается одноцветный рисунок заданной конфигурации.
Штамп — способ декорирования с помощью резиновых штампов. Краску наносят на стеклянную пластинку и обмакивают в нее штамп, наклеенный на мягкую губчатую резиновую подушку. Затем штамп прижимают к изделию, оставляя на нем отпечаток рисунка.
Отводка — способ декорирования бортов, ручек и других выступающих частей изделий полосками разной ширины, наносимыми керамическими красками либо золотом вручную кистью. Отводку тел вращения (тарелок, чашек, блюдец) выполняют на вращаемой от руки шайбе.
Ручная раскраска — способ декорирования дорогих и штучных изделий нанесением вручную сложного рисунка, выполняемый высококвалифицированными мастерами-художниками. Ручную раскраску зачастую применяют в совокупности с другими способами декорирования.
Золочение — способ декорирования преимущественно фарфоровых и фаянсовых изделий. Различают два способа нанесения золота на глазурованные изделия — порошковый и с помощью «жидкого» золота. При первом способе осажденное порошковое металлическое золото, смешанное с плавнем (Bi203) и лавандовым маслом наносят на изделие, а затем обжигают в муфельной печи. В результате плавления Bi203 золото закрепляется на поверхности глазури. Позолота при этом получается матовой, поэтому ее полируют тонкодисперсным кремнеземом или гладким агатовым пестиком.
Препараты «жидкого» золота представляют собой растворы его органических соединений. Их наносят на глазурованную поверхность изделий кистью и медленно высушивают. При обжиге (750— 800°С ) золото восстанавливается из соединений и на поверхности изделий появляется тонкая пленка блестящего золота. Этот способ позволяет существенно снизить расход последнего.