3.1 Теоретичні основи процесу випалу плиток для підлоги
Випал - високотемпературна теплова обробка сировини і напівфабри-катів, у результаті якої в них здійснюються необоротні фізико-хімічні процеси, що змінюють фазовий склад, структуру і фізико-технічні властивості матеріалу, без зміни їх агрегатного стану і без суттєвих змін об'єму [13].
З урахуванням цього при випалі, під впливом високих температур на керамічні маси, в них відбуваються складні фізичні, хімічні і фізико-хімічні зміни, у результаті яких випалювальний матеріал набуває каменеподібних властивостей: високу механічну міцність, водостійкість і морозостійкість. Зміни проходять в самих глиноутворюючих мінералах, в домішках, що містяться у глині, і добавках, що вводяться у керамічну шихту. Крім цього при випалі виникає взаємодія продуктів розкладу глиноутворюючих мінералів з іншими компонентами шихти.
Процес випалу керамічних виробів умовно поділяють на наступні основні стадії: вилучення механічно-зв'язуюючої і гігроскопічної води, підігрів, випал, витримка при максимальній температурі або закалка, охолодження випалю-вальних виробів.
Процес випалу починається з вилучення з сирцю вологи. Піднімання температури необхідно здійснювати повільно і плавно для того, щоб волога з сирцю могла вилучитися повністю. Хімічні реакції у черепку при цьому не проходять. Коли температура усередині сирцю перевищує 100°C, починається інтенсивне паровидалення, яке може призвести до розтріскування сирцю [2].
Скорочення розмірів при випалі плиток називають вогневою усадкою, яка проходить при температурах від 110°C до 800°C внаслідок розкладання хімічно зв'зувальної води. Протилежний, хоча і менш значний ефект дає кварц, що вміщується у масі, який при температурі 575°C з форми β-кварцу переходить в α-кварц зі збільшенням об'єму на 2,8 %. Цей перехід оборотний і протікає миттево.
Після вилучення з сирцю механічно примішаної і гігроскопічної води починаючи з інтевала температур 450-500°C відбувається дегідратація каоліні-ту, з утворенням безводного метакаолініту, і після цього вигорання органічних домішок.
Указані процеси відбуваються з видаленням значної кількості газо-утворюючих продуктів. Усі компоненти керамічної маси при цих температурах знаходяться у твердому стані і хімічний взаємозв'язок між ними майже не відбувається.
В інтервалі температур 700-800°C метакаолініт розкладається з видаленням аморфного кремнезему і глинозему. При температурі вище 900°C глинозем з'єднується з кремнеземом утворюючи муліт 3Al2O3·2SiO2 [13].
При випалі плиток утворюється значно невелика кількість рідкої фази, яка зв'язує дегідративні частки глини, а також кварцу.
Також при випалі утворюються незначна кількість легкоплавких сполук, які необхідні для зв'язування дегідративних часток глинистих мінералів і зерен кварцу, в результаті чого вироби набувають необхідної механічної міцності.
Маріуполіт у процесі випалу виконує роль плавня, сприяє утворенню рідкої фази , збільшує щільність черепка, міцність і зменшує водопоглинення, а також зменшує температуру випалу глинистого черепка до 1070°C.
У багатьох глинах в якості домішок зустрічаються карбонати кальцію і магнію. Карбонат кальцію інтенсивно дисоціює в керамічних масах при температурі 900-950°C, видаляючи при цьому вуглекислий газ.
Серністі сполуки заліза, які зустрічаються у вогнетривких глинах дають виплавки на випалених виробах.
Спечення глин може відбуватися внаслідок стягування і склеювання твердих частинок рідкою фазою - силікатними розплавами, що утворюються при випалі глини (рідкісне спікання) внаслідок рекристалізації мінералів, що складають керамічну масу і завдяки реакціям у твердій фазі поміж окремими компонентами глини чи продуктами їх розкладання (твердофазне спечення). У результаті процесу спікання випалюємий матеріал ущільнюється, і як наслідок, його відкрита пористість зменшується. При інших рівних умовах, чим триваліший вплив високих температур, при яких утворюється скловидні роз-плави і кристалізуються новоутворення, тим щільніше протікає спечення.
До основних деструктивних явищ можна віднести видалення залишкової вологи (після сушіння), дегідратацію глинистих мінералів, видалення летучих газоутворюючих речовин, модифікаційні перетворення, термічні напруги на межах розподілу окремих фаз і термічні напруги внаслідок неоднорідного температурного поля у виробі, що нагрівається або охолоджується.
Сирець напівфабрикат у вигляді сформованого виробу завантажують у піч після сушіння з деякою залишковою вологістю. Форсування випаровування залишкової вологи, особливо характерно для швидкісних режимів випалу, призводить до ситуації, коли швидкість утворення водяних парів випереджає швидкість їх фільтрації крізь шар тіла, що випалюється. В цьому випадку всередині виробу, що нагрівається виникає надлишковий тиск водяних парів, які досягнувши практичної величини, руйнують вироб з вибуховим ефектом. Тому у швидкісні щелеві печі завантажують керамічну плитку з надлишковою вологістю не вище 0,5%. Цей норматив знижується по мірі збільшення товщини виробу, що випалюється.
У результаті випалу утворюється керамічний черепок. Властивості цього черепка відрізняються від сировини, з якої виготовлений черепок. Керамічний черепок утворюється внаслідок відбування при великих температурах плавлення компонентів керамічної маси. Утворення рідкої фази і спечення керамічної маси є формою ущільнення цієї маси. Зазначені явища відбуваються одночасно, вони взаємозв’язані. Якість керамічного черепка після його охолодження залежить від кількості утвореної при випалі рідкої фази і ступеня спечення маси [5,9].