Ово поглавље покрива следеће секторе производа:

• стакло
• синтетичка стаклена влакна
• грнчарија
• керамичка плочица
• индустријска керамика
• цигла и цреп
• ватростални материјали
• синтетички драгуљи
• оптичка влакна.

 

Занимљиво је да не само да већина ових сектора вуче корене из антике, већ деле и низ заједничких општих процеса. На пример, сви су у основи засновани на употреби природних сировина у облику праха или финих честица које се топлотом трансформишу у жељене производе. Стога, упркос низу процеса и производа обухваћених овом групом, ови заједнички процеси омогућавају заједнички преглед потенцијалних здравствених опасности повезаних са овим индустријама. Пошто се различити производни сектори састоје од малих, фрагментираних сегмената (нпр. производња цигле) и великих, технички софистицираних производних погона који запошљавају хиљаде радника, сваки сектор је описан засебно.

Уобичајени процеси и опасности

У производњи производа у овим пословним секторима постоје уобичајени ризици по безбедност и здравље. О опасностима и мерама контроле се говори у другим одељцима Енциклопедија. Опасности специфичне за процесе разматрају се у појединачним одељцима овог поглавља.

Серијски процеси сировина

Већина индустријских производних процеса добија суве чврсте сировине у расутом облику или појединачним врећама. Чврсте сировине у расутом стању се истоварују из шинских вагона или друмских камиона у канте, резервоаре или мешалице гравитацијом, пнеуматским преносним линијама, пужним транспортерима, кашикама или другим механичким преносом. Палете упакираних сировина (20 до 50 кг) или велики контејнери за вреће од тканине за расути терет (0.5 до 1.0 тона) истоварују се из камионских приколица или шинских сандучића помоћу електричних индустријских камиона, дизалица или дизалица. Појединачне кесе или сировине се уклањају са палета ручно или помоћу помоћних средстава за подизање на електрични погон. Сировине у врећама се обично пуне у станицу за одлагање врећа или директно у резервоаре за складиштење или резервоаре за вагу.

Потенцијалне опасности по безбедност и здравље повезане са процесима истовара, руковања и преноса чврстих сировина укључују:

• излагања буци у опсегу од 85 до 100 дБА. Пнеуматски вибратори, компресори, актуатори вентила, мотори за мешање, дуваљке и сакупљачи прашине су неки од главних извора буке.

• изложености честицама које се могу удисати у ваздуху од преношења и мешања зрнастих чврстих сировина. Изложености зависе од састава сировина, али обично могу укључивати силицијум диоксид (СиО₂), глина, глиница, кречњак, алкална прашина, метални оксиди, тешки метали и честице сметњи.

• ергономске опасности повезано са ручним подизањем или руковањем врећама са сировинама, вибраторима или преносним линијама и активностима одржавања система

• физичке опасности од маневрисања шинских вагона или камиона, саобраћаја моторних индустријских камиона, рада на повишеним висинама, уласка у скучени простор и контакта са електричним, пнеуматским или механичким изворима енергије—нпр. тачке угриза, ротирајући делови, погонски зупчаници, вратила, каишеви и ременице.

 

Процеси печења или топљења

Производња производа у овим пословним секторима укључује процесе сушења, топљења или печења у пећима или пећима. Топлота за ове процесе се производи сагоревањем пропана, природног гаса (метана) или лож уља, топљењем електричног лука, микроталасном пећницом, диелектричним сушењем и/или отпорним загревањем електричном енергијом. Потенцијалне опасности од процеса печења или топљења укључују:

• изложености продуктима сагоревања као што су угљен моноксид, оксиди азота (НО_x) и сумпор диоксид

• испарења и честица од сировина у ваздуху (нпр. силицијум диоксид, метали, алкална прашина) или нуспроизвода (нпр. флуороводоник, кристобалит, испарења тешких метала)

• пожар или експлозија повезани са системима за гориво који се користе за процесну топлоту или гориво за камионе за подизање; потенцијалне опасности од пожара или експлозије повезане са резервоарима за складиштење запаљивог горива, системима за дистрибуцију цеви и испаривачима. Резервни или резервни системи за гориво који се ретко користе за смањење природног гаса могу представљати сличне проблеме са пожаром или експлозијом.

• излагање инфрацрвеном зрачењу од растопљеног материјала, што може повећати ризик од топлотне катаракте или опекотина коже

• енергија зрачења и топлотни стрес. Радно окружење око пећи или пећи може бити изузетно вруће. Значајни проблеми са топлотним стресом могу се јавити када се хитна поправка или рутинско одржавање изводе у близини или изнад процеса печења или топљења. Тешке термалне опекотине могу настати услед директног контакта коже са врућим површинама или растопљеним материјалима (погледајте слику 1).

 

Слика 1. Техничар за контролу квалитета

• опасности од електричне енергије. Директан контакт са високонапонском електричном енергијом која се користи за отпорно загревање за допуну процеса на гориво представља опасност од струјног удара и могућу здравствену забринутост због излагања електромагнетним пољима (ЕМФ). Јака магнетна и електрична поља могу потенцијално да ометају пејсмејкере и друге имплантиране медицинске уређаје.

• излагања буци изнад 85 до 90 дБА од дуваљки са сагоревањем, резервоара за шарже или мешалица, процеса довода и транспортера.

 

руковање у производњи, производњи, паковању и складиштењу

Процеси руковања материјалом, производње и паковања се у великој мери разликују у овом пословном сектору, као и величина, облик и тежина производа. Велика густина материјала у овом сектору или гломазне конфигурације представљају уобичајене опасности при руковању материјалом. Ручно подизање и руковање материјалом у производњи, производњи, паковању и складиштењу у овој индустрији узрокују многе инвалидне повреде. (Погледајте одељак „Профил повреда и болести“ у наставку.) Напори за смањење повреда се фокусирају на смањење ручног подизања и руковања материјалом. На пример, иновативни дизајни амбалаже, роботика за слагање и палетирање готових производа и аутоматска вођена транспортна возила за складиштење почињу да се користе у одабраним деловима овог пословног сектора како би се елиминисало ручно руковање материјалом и повезане повреде. Коришћење транспортера, асистенција за подизање са људском посадом (нпр. вакумске дизалице) и маказастих платформи за руковање и палетизацију производа су тренутно уобичајене праксе руковања материјалом (видети слику 2).

Слика 2. Користи се помоћ при подизању вакуума

Употреба роботике за елиминисање ручног руковања материјалом игра главну улогу у превенцији ергономских повреда. Роботика је смањила ергономско оптерећење и тешке повреде од раздеротина које су историјски биле повезане са руковањем материјалом (нпр. равно стакло) у радној снази у производњи (види слику 3). Међутим, повећано коришћење роботике и аутоматизације процеса доводи до опасности од покретних машина и електричне енергије, што трансформише врсте опасности и такође преноси ризике на друге раднике (од производње до радника на одржавању). Одговарајући дизајн електронских контрола и логичког редоследа, штитници машина, праксе потпуног блокаде енергије и успостављање безбедних процедура рада и одржавања су основни начини за контролу повреда радника на одржавању и производњи.

Слика 3. Роботика која се користи у стакленим плочама

Активности на обнови и реконструкцији

Бројне потенцијалне опасности по здравље и безбедност се сусрећу током периодичних великих реконструкција или хладних поправки пећи или пећи. Може се наићи на широк спектар опасности повезаних са грађевинским активностима. Примери укључују: ергономске опасности при руковању материјалом (нпр. ватросталне цигле); излагање силицијум диоксиду, азбесту, ватросталним керамичким влакнима или честицама које садрже тешке метале, током рушења, или нуспроизводима сечења и заваривања; топлотно оптерећење; топлотни удар; рад на повишеним висинама; опасности од клизања, спотакнућа или пада; опасности у затвореном простору (видети слику 4); и контакт са опасним изворима енергије.

Слика 4. Унос у ограниченом простору

стакло

Општи профил

Стакло је настало природним путем од уобичајених елемената у земљиној кори много пре него што је ико икада помислио да експериментише са његовим саставом, обликује његов облик или га стави у безброј намена у којима оно данас ужива. Обсидијан, на пример, је природна комбинација оксида спојених интензивном вулканском топлотом и остакљених (претворених у стакло) брзим хлађењем ваздухом. Његова непрозирна, црна боја потиче од релативно великих количина оксида гвожђа које садржи. Његова хемијска издржљивост и тврдоћа у поређењу са многим комерцијалним стаклима.

Технологија стакла је еволуирала 6,000 година, а неки савремени принципи датирају из античких времена. Порекло првих синтетичких наочара изгубљено је у антици и легенди. Фаиенце направили су Египћани, који су обликовали фигурице од песка (СиО₂), најпопуларнији оксид који ствара стакло. Био је обложен натроном, остатком који је оставила поплавна река Нил, која се састојала углавном од калцијум карбоната (ЦаЦО₃), сода сода (На₂CO₃), со (НаЦл) и бакар оксид (ЦуО). Загревање испод 1,000 °Ц производи стакласту превлаку дифузијом флукса, ЦаО и На₂О у песак и њихова накнадна реакција у чврстом стању са песком. Оксид бакра дао је артиклу привлачну плаву боју.

Према Моријиној дефиницији: „Стакло је неорганска супстанца у стању које је континуирано и аналогно течном стању те супстанце, али које је као резултат реверзибилне промене вискозитета током хлађења постигло толико висок степен вискозности да је, за све практичне сврхе, крут.” АСТМ дефинише стакло као „неоргански производ фузије који се охладио до крутог стања без кристализације“. И органски и неоргански материјали могу формирати стакла ако њихова структура није кристална — то јест, ако им недостаје редослед дугог домета.

Најважнији развој у технологији стакла била је употреба дувачке цеви (види слику 5), која је први пут употребљена отприлике 100 година пре нове ере. Од тада па надаље долази до наглог развоја технике израде стакла.

Слика 5. Дувачка цев

Прво стакло је обојено због присуства разних нечистоћа као што су оксиди гвожђа и хрома. Практично безбојно стакло је први пут направљено пре неких 1,500 година.

У то време развија се производња стакла у Риму, а одатле се сели у многе друге земље Европе. У Венецији је изграђено много стаклара и ту се десио важан развој. У 13. веку, многе фабрике стакла су премештене из Венеције на оближње острво Мурано. Мурано је и даље центар за производњу ручно рађеног стакла у Италији.

До 16. века стакло се производило широм Европе. Сада је Боемско стакло из Чешке Републике познато по својој лепоти, а стаклене фабрике у Уједињеном Краљевству и Ирској производе висококвалитетно посуђе од оловног кристалног стакла. Шведска је још једна земља у којој се производи уметничко стаклено посуђе.

У Северној Америци прва производна установа било које врсте била је фабрика стакла. Енглески досељеници почели су да производе стакло почетком 17. века у Џејмстауну у Вирџинији.

Данас се стакло производи у већини земаља широм света. Многи производи од стакла се производе у потпуно аутоматским линијама за обраду. Иако је стакло један од најстаријих материјала, његова својства су јединствена и још увек нису у потпуности схваћена.

Индустрија стакла данас се састоји од неколико великих тржишних сегмената, који укључују тржиште равног стакла, тржиште потрошачких посуђа, тржиште стаклених контејнера, индустрију оптичког стакла и тржишни сегмент научног стакла. Тржишта оптичког и научног стакла имају тенденцију да буду веома уређена и у њима доминирају један или два добављача у већини земаља. Ова тржишта су такође много мања по обиму од тржишта заснована на потрошачима. Свако од ових тржишта се годинама развијало иновацијама у специфичној технологији стакла или напретком у производњи. Индустрија контејнера, на пример, била је вођена развојем брзих машина за прављење флаша развијених почетком 1900-их. Индустрија равног стакла је значајно напредовала развојем процеса флоат стакла почетком 1960-их. Оба ова сегмента данас су предузећа вредна више милијарди долара.

Стаклени предмети спадају у четири опште категорије:

1. прибор за јело (укључујући прибор за јело, шоље и шоље)
2. посуђе за пиће
3. посуђе за печење (или посуђе за рерну)
4. посуђе на врху шпорета.

 

Иако је тешко добити процене широм света, само у Сједињеним Државама тржиште стаклених посуђа је несумњиво на нивоу од милијарду долара. У зависности од специфичне категорије, разни други материјали се такмиче за удео на тржишту, укључујући керамику, метале и пластику.

Производни процеси

Стакло је неоргански производ фузије који се охладио до крутог стања без кристализације. Стакло је обично тврдо и крто и има конхоидални прелом. Стакло може бити произведено да буде обојено, провидно или непрозирно варирањем растворених аморфних или кристалних материјала који су присутни.

Када се стакло охлади из врућег растопљеног стања, постепено повећава вискозитет без кристализације у широком температурном опсегу, све док не поприми свој карактеристичан тврди, крхки облик. Хлађење се контролише како би се спречила кристализација или велика напрезања.

Док је свако једињење које има ова физичка својства теоретски стакло, већина комерцијалних чаша спада у три главна типа и имају широк спектар хемијских састава.

1. Сода-креч-силика чаше су најважнија стакла по количини произведене и разноврсности употребе, укључујући скоро сво равно стакло, контејнере, јефтину масовну производњу домаћег стакла и електричне сијалице.
2. Оловно-поташ-силицијумске чаше садрже различит, али често висок удео оловног оксида. Производња оптичког стакла користи висок индекс преламања овог типа стакла; ручно дувано домаће и декоративно стаклено посуђе користи своју лакоћу сечења и полирања; електричне и електронске апликације користе предности своје високе електричне отпорности и заштите од зрачења.
3. Боросиликатна стакла имају ниско термичко ширење и отпорни су на топлотни удар, што их чини идеалним за кућне пећнице и лабораторијско стаклено посуђе и за стаклена влакна за пластичну арматуру.

Комерцијална серија стакла састоји се од мешавине неколико састојака. Међутим, највећи део серије састоји се од 4 до 6 састојака, изабраних од материјала као што су песак, кречњак, доломит, сода пепео, боракс, борна киселина, фелдспатичне материје, једињења олова и баријума. Остатак серије састоји се од неколико додатних састојака, изабраних из групе од неких 15 до 20 материјала који се обично називају мањим састојцима. Ови последњи додаци се додају у циљу обезбеђивања неке специфичне функције или квалитета, као што је боја, која треба да се оствари током процеса припреме стакла.

Слика 6 илуструје основне принципе производње стакла. Сировине се извагају, мешају и након додавања ломљеног стакла (слоја) одводе у пећ на топљење. Мали лонци до 2 тоне капацитета се још увек користе за топљење стакла за ручно дувано кристално посуђе и специјалне чаше које су потребне у малим количинама. Неколико лонаца се загревају заједно у комори за сагоревање.

Слика 6. Укључени процеси и материјали

У најсавременијој производњи топљење се одвија у великим регенеративним, рекуперативним или електричним пећима изграђеним од ватросталног материјала и загреваним на нафту, природни гас или електричну енергију. Електрично појачавање и електрично топљење на хладном врху су комерцијализовани и постали су широко коришћени у касним 1960-им и 1970-им. Покретачка снага електричног топљења на хладном врху била је контрола емисије, док се електрично појачавање генерално користило како би се побољшао квалитет стакла и повећала пропусност.

Најзначајнији економски фактори који се тичу коришћења електричне енергије за топљење стаклених пећи односе се на трошкове фосилних горива, доступност различитих горива, трошкове електричне енергије, капиталне трошкове опреме и тако даље. Међутим, у многим случајевима главни разлог за коришћење електричног топљења или појачавања је контрола животне средине. Различите локације широм света или већ имају или се очекује да ће ускоро имати еколошке прописе који стриктно ограничавају испуштање различитих оксида или честица уопште. Стога се произвођачи на многим локацијама суочавају са могућношћу да или морају да смање проток топљења стакла, да инсталирају вреће или таложе како би руковали отпадним димним гасовима или да модификују процес топљења и укључују електрично топљење или појачање. Алтернатива таквој модификацији може у неким случајевима бити гашење постројења.

Најтоплији део пећи (надградња) може бити на 1,600 до 2,800°Ц. Контролисано хлађење смањује температуру стакла на 1,000 до 1,200°Ц на месту где стакло излази из пећи. Поред тога, све врсте стакла се подвргавају даљем контролисаном хлађењу (жарењу) у специјалној пећи или леру. Накнадна обрада зависиће од врсте производног процеса.

Аутоматско дување се користи на машинама за производњу флаша и сијалица поред традиционалног ручно дуваног стакла. Једноставни облици, као што су изолатори, стаклене цигле, празнине за сочива и тако даље, се притискају, а не дувају. Неки производни процеси користе комбинацију механичког дувања и пресовања. Жичано и фигурирано стакло је ваљано. Лимасто стакло се извлачи из пећи вертикалним поступком који му даје површину обрађену ватром. Због комбинованих ефеката цртежа и гравитације, нека мања изобличења су неизбежна.

Плочасто стакло пролази кроз водено хлађене ваљке на лехр за жарење. Без изобличења. Површинска оштећења могу се уклонити брушењем и полирањем након израде. Овај процес је у великој мери замењен поступком флоат стакла, који је уведен последњих година (види слику 7). Флоат процес је омогућио производњу стакла које комбинује предности лима и плоче. Флоат стакло има површину обрађену ватром и нема изобличења.

Слика 7. Континуирани процес плутања

У процесу плутања, континуирана трака од стакла излази из пећи за топљење и лебди дуж површине купке од растопљеног калаја. Стакло одговара савршеној површини растопљеног калаја. Приликом његовог проласка преко лима, температура се смањује све док стакло не постане довољно тврдо да се нанесе на ваљке лера за жарење без обележавања његове доње површине. Инертна атмосфера у кади спречава оксидацију калаја. Стакло, након жарења, не захтева даљу обраду и може се даље обрадити аутоматским резањем и паковањем (види слику 8).

Слика 8. Трака од флоат стакла која излази из лера

Тренд у новој стамбеној и пословној архитектури ка укључивању већег броја застакљених површина и потреба да се смањи потрошња енергије, ставили су све већи нагласак на побољшање енергетске ефикасности прозора. Танки филмови нанесени на површину стакла обезбеђују ниску емисивност или својства сунчеве контроле. Комерцијализација таквих производа обложених робом захтева јефтину технологију наношења велике површине. Као резултат, све већи број производних линија флоат стакла опремљен је софистицираним он-лине процесима премазивања.

У уобичајено коришћеним процесима хемијског таложења паре (ЦВД), сложена смеша гаса се доводи у контакт са врућом подлогом, где пиролитички реагује да би се формирао премаз на површини стакла. Генерално, опрема за премазивање се састоји од термички контролисаних структура које су окачене преко ширине стаклене траке. Могу се налазити у лименој кади, лехр процепу или лехр-у. Функција уређаја за премазивање је да равномерно испоручују гасове прекурсора преко ширине траке на начин контролисан температуром и да безбедно екстрахују нуспроизводе издувних гасова из региона таложења. За више слојева премаза, вишеструки премази се користе у серији дуж стаклене траке.

За третман нуспроизвода издувних гасова који настају таквим процесима великих размера, обично су довољне технике мокрог прочишћавања са конвенционалном филтер пресом. Када се отпадни гасови не реагују лако или навлаже воденим растворима, инсинерација је примарна опција.

Нека оптичка стакла су хемијски ојачана процесима који укључују потапање стакла на неколико сати у високотемпературне купке које садрже растопљене соли, типично, литијум нитрата и калијум нитрата.

Непробојно стакло је два главна типа:

1. Ојачано стакло израђује се преднапрезањем загревањем и потом брзим хлађењем комада равног стакла жељеног облика и величине у специјалним пећима.
2. Ламинатед гласс настаје спајањем пластичне плоче (обично поливинил бутирала) између два танка листа равног стакла.

 

Синтетичка стаклена влакна

Општи профил

Синтетичка стаклена влакна се производе од широког спектра материјала. Они су аморфни силикати произведени од стакла, камена, шљаке или других минерала. Произведена влакна су и континуална и дисконтинуална влакна. Генерално, непрекидна влакна су стаклена влакна која се провлаче кроз млазнице и користе за ојачавање других материјала, као што је пластика, за производњу композитних материјала са јединственим својствима. Дисконтинуирана влакна (опште позната као вуна) се користе у многе сврхе, најчешће за топлотну и акустичку изолацију. Синтетичка стаклена влакна, за потребе ове дискусије, подељена су на непрекидна стаклена влакна, са изолационим вунама од стаклених, камених или шљак влакана, и ватростална керамичка влакна, која су углавном алуминијум силикати.

Могућност увлачења топлотно омекшаног стакла у фина влакна била је позната стакларима у антици и заправо је старија од технике дувања стакла. Многе ране египатске посуде направљене су намотавањем грубих стаклених влакана на глинену трну одговарајућег облика, затим загревањем склопа све док стаклена влакна не пређу једно у друго и, након хлађења, уклањањем глиненог језгра. Чак и након појаве дувања стакла у 1. веку нове ере, техника стаклених влакана је и даље коришћена. Венецијански стаклари у 16. и 17. веку користили су је за украшавање стакленог посуђа. У овом случају, снопови непрозирних белих влакана били су намотани на површину обичне прозирне посуде од дуваног стакла (нпр. пехар) и затим у њу утопљени загревањем.

Упркос дугој историји опште декоративне или уметничке употребе стаклених влакана, распрострањена употреба се поново појавила тек у 20. веку. Почетна комерцијална производња стаклених влакана у Сједињеним Државама догодила се 1930-их, док се у Европи почетна употреба догодила неколико година раније. Камена и шљака вуна су произведене неколико година раније од тога.

Производња и употреба синтетичких стаклених влакана је глобална индустрија вредна више милијарди долара јер су ови корисни материјали постали важна компонента модерног друштва. Њихова употреба као изолације довела је до огромног смањења енергетских потреба за грејање и хлађење зграда, а ова уштеда енергије је резултирала значајним смањењем глобалног загађења повезаног са производњом енергије. Број примена непрекидних стаклених филамената као ојачања за мноштво производа, од спортске опреме преко компјутерских чипова до примене у ваздухопловству, процењује се на више од 30,000. Развој и широка комерцијализација ватросталних керамичких влакана десили су се 1970-их, а ова влакна и даље играју важну улогу у заштити радника и опреме у различитим производним процесима на високим температурама.

Производни процеси

Непрекидне стаклене филаменте

Стаклени филаменти се формирају провлачењем растопљеног стакла кроз чауре од племенитих метала у фине филаменте скоро униформног пречника. Због физичких захтева за влакна када се користе као ојачања, њихови пречници су релативно велики у поређењу са онима у изолационим вунама. Скоро сви непрекидни стаклени филаменти имају пречнике од 5 до 15 μм или више. Ови велики пречници, заједно са уским опсегом пречника произведених током производње, елиминишу све потенцијалне хроничне респираторне ефекте, пошто су влакна превелика да би се удахнула у доњи респираторни тракт.

Континуирана стаклена влакна се праве брзим слабљењем капљица растопљеног стакла које излучују кроз млазнице под гравитацијом и суспендоване су из њих. Динамичка равнотежа између сила површинског напона и механичког слабљења доводи до тога да капљица стакла поприма облик менискуса који се држи на прстенастом отвору млазнице и сужава се до пречника влакна које се извлачи. Да би извлачење влакана било успешно, стакло мора бити у уском опсегу вискозитета (тј. између 500 и 1,000 поиса). При нижим вискозитетима, стакло је превише течно и пада од млазница као капи; у овом случају доминира површински напон. При већим вискозитетима, напетост у влакну током слабљења је превисока. Брзина протока стакла кроз млазницу такође може постати прениска за одржавање менискуса.

Функција чауре је да обезбеди плочу која садржи неколико стотина млазница на уједначеној температури и да кондиционира стакло на ову уједначену температуру тако да извучена влакна буду уједначеног пречника. Слика 9 приказује шематски дијаграм главних карактеристика директно топљене чауре причвршћене на предњи део из којег узима довод растопљеног стакла који је веома близу температуре на којој ће стакло проћи кроз млазнице; у овом случају, дакле, основна функција чауре је и њена једина функција.

Слика 9. Шема директно топљене чауре

У случају чауре која ради од мермера, потребна је друга функција — наиме, да се прво растопи мермер пре него што се стакло кондиционира на исправну температуру за извлачење влакана. Типична мермерна чаура је приказана на слици 10. Испрекидана линија унутар чауре је перфорирана плоча која задржава неотопљене мермере.

Слика 10. Шема мермерне чауре

Дизајн чаура је углавном емпиријски. Из разлога отпорности на напад растопљеног стакла и стабилности на температурама потребним за извлачење влакана, чауре се израђују од легура платине; користе се и 10% родијум-платина и 20% родијум-платина, при чему је ова друга отпорнија на изобличење на повишеним температурама.

Пре него што се појединачна влакна која се извлаче из чауре скупе и консолидују у прамен, или више нити, облажу се влакном величине. Ове величине влакана су у основи две врсте:

1. величине скробног уља које се обично примењују на влакна намењена за ткање у фине тканине или сличне операције
2. средство за причвршћивање плус величине за формирање филма нанети на влакна намењена директном ојачавању пластике и гуме.

 

Након што се влакно формира, на апликатор се наноси заштитни премаз органске величине и континуални филаменти се скупљају у вишефиламентни низ (види слику 11) пре него што се омотају на цев за намотавање. Апликатори функционишу тако што омогућавају да лепеза влакана, када је широка око 25 до 45 мм и на путу до ципела испод апликатора, прође преко покретне површине прекривене филмом величине влакана.

Слика 11. Текстилни стаклени филаменти

У основи постоје две врсте апликација:

1. ваљкасти апликатори, направљени од гуме, керамике или графита, код којих влакно прелази преко површине ваљка обложеног филмом величине влакана
2. апликатори каиша, код којих на једном крају каиш пролази преко покретаног ваљка који умочи појас у величину влакана, а на другом крају пролази преко фиксне шипке од тврдог хрома од челика у којој позицији влакна додирују појас да би покупили величину.

 

Заштитни премаз и процес прикупљања влакана могу се разликовати у зависности од врсте текстила или влакана за ојачање која се производи. Основни циљ је да се влакна обложе величином, скупе у прамен и лоцирају на уклоњивој цеви на стезној чаури уз минималну потребну напетост.

На слици 12 приказан је процес континуиране производње стакла.

Слика 12. Континуирана производња филаментног стакла

Производња изолационе вуне

За разлику од непрекидних филамената, влакна изолационе вуне и ватросталних керамичких влакана се праве у процесима веома високе енергије у којима се растопљени материјал убацује у дискове који се окрећу или серију ротирајућих точкова. Ове методе резултирају производњом влакана са опсегом пречника много ширим него што се види код континуалних филамената. Дакле, све изолационе вуне и керамичка влакна садрже део влакана пречника мањег од 3.0 μм; они би могли да постану респиративни ако се разбију на релативно кратке дужине (мање од 200 до 250 μм). Доступни су опсежни подаци о изложености удишућим синтетичким стакленим влакнима на радном месту.

За производњу се користи неколико процеса стаклена вуна, укључујући процес дувања паром и процес дувања пламеном; али најпопуларнији је процес ротационог формирања развијен средином 1950-их. Ротациони процеси су у великој мери заменили процесе директног дувања за комерцијалну производњу изолационих производа од стаклених влакана. Сви ови ротациони процеси користе шупљи бубањ, или спинер, монтиран са вертикалном осом. Вертикални зид спинера је перфориран са неколико хиљада рупа равномерно распоређених по обиму. Омогућено је да растопљено стакло падне контролисаном брзином у центар центрифуге, одакле га неки одговарајући дистрибутер гура у унутрашњост вертикалног перфорираног зида. Из тог положаја центрифугална сила покреће стакло радијално ка споља у облику дискретних стаклених филамената који излазе из сваке перфорације. Даље пригушивање ових примарних филамената се постиже одговарајућим дувачким флуидом који излази из млазнице или млазница које су распоређене около и концентрично са спинером. Нето резултат је производња влакана са средњим пречником влакана од 6 до 7 мм. Течност за удувавање делује у правцу надоле и тако, поред обезбеђивања коначног пригушења, такође одбацује влакна ка сабирној површини која се налази испод центрифуге. На путу до ове сабирне површине, влакна се попрскају одговарајућим везивом пре него што се равномерно распореде по сабирној површини (видети слику 13).

Слика 13. Ротациони процес израде стаклене вуне

У ротационом процесу, влакна стаклене вуне се праве тако што се дозвољава да растопљено стакло прође кроз низ малих отвора који се налазе у окретном спинеру, а затим пригушују примарни филамент дувањем ваздуха или паре.

Минерална вуна, међутим, не може се производити у процесу ротационог центрифугирања и историјски је произведен у процесу са серијом хоризонталних трна за предење. Процес минералне вуне састоји се од скупа ротора (трнова) постављених у каскадно формирање и који се врло брзо ротирају (види слику 14). Струја растопљеног камена се непрекидно преноси на један од горњих ротора и из овог ротора се дистрибуира на други и тако даље. Растлина се равномерно распоређује по спољашњој површини свих ротора. Из ротора се капљице избацују центрифугалном силом. Капљице су причвршћене за површину ротора издуженим вратовима који се под даљим издужењем и истовременом хлађењем развијају у влакна. Издужење је, наравно, праћено смањењем пречника, што заузврат изазива убрзано хлађење. Дакле, постоји доња граница за пречник између влакана произведених у овом процесу. Стога се не очекује нормална расподела пречника влакана око средње вредности.

Слика 14. Процес минералне вуне (камена и шљака)

Ватростална керамичка влакна

Керамичка влакна се првенствено производе дувањем и предењем методама сличним онима описаним за изолационе вуне. У процесу дувања паром, сировине као што су глиница и силицијум се стапају у електричној пећи, а растопљени материјал се извлачи и дува паром под притиском или другим врућим гасом. Произведена влакна се затим сакупљају на сито.

Слично процесу предења за камена и шљака влакна, они за керамичка влакна производе висок удео дугих свиленкастих влакана. У овој методи, млаз растопљеног материјала се испушта на дискове који се брзо окрећу и одбацују тангенцијално да би се формирала влакна.

Поттери Индустри

Општи профил

Израда грнчарије је један од најстаријих људских заната. Током векова у различитим деловима света развили су се различити стилови и технике. У 18. веку, индустрија у процвату у многим деловима Европе била је под јаким утицајем увоза фине и веома украшене робе са Далеког истока. Јапан је научио керамичку уметност од Кине око 400 година раније. Са индустријском револуцијом и општом променом услова у Западној Европи, производња је брзо расла. Тренутно, скоро свака земља производи неку робу за домаћу употребу, а грнчарија је важан извоз из неких земаља. Производња је сада у фабричким размерама у многим деловима света. Иако се основни принципи производње нису променили, дошло је до значајног напретка у начину на који се производња одвија. Ово се посебно односи на формирање или обликовање посуђа, на његово печење и на технике украшавања које се користе. Све већа употреба микропроцесора и робота резултира увођењем високог нивоа аутоматизације у производне области. Међутим, и даље свуда постоји много малих занатских грнчарија.

Методе формирања

Најранији начин израде грнчарије укључивао је ручни начин градње. Колути глине су намотани, један на други, и слепљени притискањем рукама. Глина се прво претвара у меко стање радњом са водом. Предмет се затим обликује и обликује ручно, када се завојнице залепе.

Грнчарски точак је постао оруђе за стварање грнчарије. Овим начином формирања, гомила глине се поставља на окретну кружну плочу и обликује је влажним рукама грнчара. Вода спречава грнчареве руке да се залепе за глину и одржава глину влажном и обрадивом. Дршке, изливи и други избочини од глине за предење постављају се непосредно пре печења предмета.

Ливење се данас често користи када се жели квалитетна грнчарија и када зидови посуде буду веома танки. Мешавина глине и воде, која се зове слип, сипа се у париски гипсани калуп. Гипс упија воду, узрокујући да се танак слој глине нанесе свуда око унутрашњости калупа. Када је наслага глине довољно густа да формира зидове вазе, остатак клизања се излије, остављајући мокар комад посуђа на унутрашњој страни форме. Како се ово суши, помало се скупља и може се уклонити из калупа. Обично су калупи тако конструисани да се могу раставити.

Када се комад потпуно осуши, заглађује се и припрема за процес печења. Ставља се у шамотну кутију која се зове а саггер, који комад штити од пламена и гасова који се емитују током процеса, као што би рерна заштитила векну хлеба која се пече. Саггерс се постављају један на други у а пећи. Пећ је велика конструкција која је изграђена од ватросталне цигле и окружена је димњацима тако да пламен ватре може у потпуности да окружи посуђе, а да заправо никада не дође у контакт са њим. Дим би променио боју комада да нису заштићени на такав начин.

Већина комада се испаљује најмање два пута. Први пут кроз пећ се зове бискуе печење, а комад грнчарије назива се а бисквит or бискуе комад. Након печења, посуда од кекса се глазира. Глазура је стаклени, сјајни премаз који чини грнчарију привлачнијом и употребљивом. Глазуре садрже силицијум диоксид, флукс за снижавање температуре топљења (олово, баријум и тако даље) и металне оксиде као боје. Када се глазура нанесе на грнчарију и потпуно осуши, поново се враћа у пећ и пече на толико високој температури да се глазура топи и покрије целу површину грнчарије.

Врсте грнчарије

• Стоневаре је грнчарија направљена од светле или тамне глине. Застакљује се на несагореном телу или пре постављања у пећ или помоћу соли током процеса сагоревања и спаљује се до густог, тврдог стања.

• Порцелан је бела, витрификована роба. Прозиран је. У порцелану се тело и глазура доводе до завршетка и зрелости при једном истом сагоревању, које се одвија на веома високој температури.

• Кина је посуђе слично порцелану. Тело и глазура се доводе до завршетка и зрелости при истом печењу, на изузетно високим температурама.

• Боне цхина је врста порцулана у којој се као састојак користи спаљена кост, која чини око 40% масе.

• Земљано посуђе има бело или скоро бело тело. Произведен је са два печења, као порцулан, али његово тело остаје порозно. Глазура је слична оној у порцулану, али је направљена од јефтинијег материјала.

• Фаиенце је фино застакљено земљано посуђе које се користи у украсне и декоративне сврхе. Обично се не покушава произвести бело тело, а глазуре су често обојене.

 

Производни процеси

Физичка својства грнчарије варирају у зависности од састава тела и услова печења. Тело за било коју посебну употребу се бира углавном због његових физичких својстава, али се бела тела најчешће бирају за посуђе.

Индустријски производи (нпр. ватростални материјали, електрични изолатори, носачи катализатора и тако даље) имају широк спектар својстава у зависности од њихове евентуалне употребе.

Сировине. Основни састојци грнчарског тела приказани су у табели 1, која такође указује на типичне пропорције у типовима тела узорака.

Табела 1. Типични састојци тела (%)

 

Нефелин-сиенит се понекад користи као флукс, а глиница може заменити део или цео кварцни пунилац у неким телима типа порцелана. Кристобалит (калцинисани песак) се користи као пунило у неким грнчарским телима, посебно у индустрији зидних плочица.

Састав тела је делом одређен захтеваним особинама крајњег производа, а делом начином производње. Пластична основа је неопходна за посуђе које се обликује док је влажно, али не и за процесе формирања без пластике, као што је пресовање прашине. Пластична подлога није неопходна, иако је глина и даље главни састојак већине керамичких производа, укључујући и оне припремљене пресовањем прашине.

Индустријска керамика није приказана у табели 1, јер се њен састав креће од свих кугличних или шамотних глина, без додатног флукса или пунила, до скоро свих глиница, са минималном количином глине и без додавања флукса.

Током печења, флукс се топи у стакло како би се састојци повезали. Како се количина флукса повећава, температура витрификације се снижава. Пунила утичу на механичку чврстоћу посуђа пре и током печења; у изради посуђа традиционално се користи кварц (као песак или калцинисани кремен), осим што се коштани пепео користи у изради коштаног порцулана. Примена глинице или других не-силицијумских пунила, који се већ користе у производњи индустријске керамике, проширује се и на израду друге робе, укључујући и домаће производе.

Обрада. Основни процеси у производњи грнчарије укључују:

• припрема састојака тела

• формирање и обликовање

• печење кекса

• наношење глазуре

• испаљивање сјаја

• декорација.

 

Припремни процеси калцинације, дробљења и млевења кремена или камена могу се обављати у посебном објекту, али је уобичајено да се сви наредни процеси одвијају у истој фабрици. У слип кући, састојци за тело се мешају у води; пластична глина се затим производи филтрирањем и чепљењем; клизач за ливење се затим припрема замућењем до кремасте конзистенције. Прашина за пресовање се припрема сушењем и млевењем.

Традиционалне класификације процеса обликовања приказане су у табели 2. Код ливења, водена суспензија тела се сипа у упијајући калуп и одливак се уклања након делимичног сушења. Обликовање пластичне глине бацањем је сада ретко у индустријској производњи; механичко наношење преко или у гипсани калуп (јиггеринг анд јолли) са одвајањем од калупа након сушења је скоро универзално у изради стоног посуђа. Пресовање пластичне глине или екструзија углавном је ограничено на индустријску керамику. Пресовани производи се производе сабијањем претходно осушене прашине за тело ручним или механичким пресовањем.

Табела 2. Процеси производње

 

Након обликовања, посуђе се може осушити и дорадити чепањем, вучом или сунђером. Тада је спреман за печење кекса.

Након печења кекса, глазура се наноси потапањем или прскањем; потапање може бити ручно или механизовано. Застакљена посуда се затим поново пече. Понекад се, као и код санитарне беле посуде, глазура наноси на осушени глинени предмет и постоји само једно печење.

Декорација се може наносити испод или преко глазуре и може бити ручно фарбање, машинско штампање или трансфер; декорација преко глазуре укључује треће печење; а понекад су неопходна и одвојена печења за различите боје.

У завршној фази, роба се сортира и пакује за отпрему. На слици 15 су идентификовани различити путеви којима су се кретале различите врсте грнчарије и керамике током њихове производње.

Слика 15. Дијаграм тока према врсти керамике

Керамичка плочица

Општи профил

Керамичка је термин који се некада сматрао да се односи само на уметност или технику производње грнчарских предмета. Етимологија појма показује да потиче од грчког керамос, што значи „грнчар” или „грнчарија”. Међутим, грчка реч је повезана са старијим кореном на санскриту, што значи „горети“; како су га користили сами Грци, његово примарно значење било је једноставно „спаљена ствар” или „спаљена земља”. Основни концепт садржан у термину био је производ добијен дејством ватре на земљане материјале.

Традиционална керамика, у контексту овог чланка, односи се на производе који се обично користе као грађевински материјали или у кући и индустрији. Иако постоји тенденција да се традиционална керамика изједначи са ниском технологијом, у овој индустрији се често користе напредне производне технологије. Оштра конкуренција међу произвођачима довела је до тога да технологија постане ефикаснија и исплативија коришћењем сложених алата и машина, заједно са компјутерски потпомогнутом контролом процеса.

Најстарији керамички производи настали су од материјала који садрже глину. Рани грнчари су открили да је пластична природа глине корисна у обликовању облика. Због своје тенденције да испољи велику количину скупљања, глинена тела су модификована додавањем крупног песка и камена, што је смањило скупљање и пуцање. У модерним телима на бази глине, типични додаци који нису глине су силицијумово брашно и алкални минерали који се додају као флуксови. У традиционалним керамичким формулацијама, глина делује као пластификатор и везиво за друге састојке.

Развој индустрије

Производња сушених и печених глинених плочица има веома древно порекло које датира још од становништва Блиског истока. Индустрија беле керамике се значајно развила у Европи, а до почетка 20. века производња подних и зидних плочица достигла је индустријске размере. Даљи развој у овој области догодио се након Другог светског рата. Европа (посебно Италија и Шпанија), Латинска Америка и Далеки исток су сада најважније области индустријске производње плочица.

Сектор подних и зидних плочица у индустрији белог прибора је доживео велики развој од средине 1980-их увођењем нових технологија, аутоматизацијом и интеграцијом производног тока у производни процес. Након тога је повећана продуктивност и ефикасност, док су потрошња енергије и трошкови смањени. Производња плочица је сада континуирана у мокрој и сувој производњи плочица, а многе фабрике данас имају скоро 100% аутоматизацију. Главне иновације у индустрији плочица током последње деценије укључују мокро брушење, сушење распршивањем, суво пресовање под високим притиском, сушење на ваљцима и технологије брзог печења.

Вредност понуде на тржишту керамичких плочица у САД (фабричке испоруке плус увоз) порасла је за 9.2% на годишњем нивоу између 1992. и 1994. Процењује се да је продаја у доларима достигла 1.3 милијарде долара у 1994. У исто време, обим продаје је порастао за 11.9 % се повећава годишње на 1.3 милијарде квадратних стопа. Ово се пореди са стопом раста тржишта од 7.6% на основу продаје у доларима и 6.9% на основу обимне продаје између 1982. и 1992. године.

Класификације керамичких плочица

Редваре и вхитеваре

На тржишту су доступне многе врсте керамичких плочица. Разликују се према стању површине, боји каросерије (бела или црвена), технологији производње, сировинама и крајњој употреби. Разлика између „црвених“ и „белих“ плочица лежи у количини минерала гвожђа садржаних у телу. Реагујући са осталим компонентама тела, они могу дати више или мање боје и модификовати понашање тела током пуцања.

Потпуна и исцрпна класификација је веома тешка због екстремне хетерогености производа од плочица, њихове обраде и каснијих карактеристика. У овом поглављу разматрају се европски (ЕН) и АСТМ стандарди.

ЕН стандарди искључиво класификују керамичке плочице у функцији упијања воде (која је у директној корелацији са порозношћу) и метода обликовања (екструзија или пресовање). Методе обликовања су класификоване као:

• процес обликовања А (екструдиране подне плочице). Овај процес укључује подељене плочице и појединачно екструдиране плочице.

• процес обликовања Б (суво пресоване подне и зидне плочице).

 

Европски стандард ЕН 87, одобрен у новембру 1981., прецизира да су „керамичке зидне и подне плочице грађевински материјали који су генерално дизајнирани за употребу као подне и зидне облоге, како у затвореном тако и на отвореном, без обзира на облик и величину“.

Спецификација америчког националног института за стандарде (АНСИ) за керамичке плочице (АНСИ А 137.1) садржи следеће дефиниције:

• Керамичке мозаик плочице формира се или прашином или пластичном методом, обично дебљине 6.4 до 9.5 мм (1/4 до 1/8 ин.) и има површину лица мању од 39 цм² (6 ин² ). Керамичке мозаик плочице могу бити или порцеланске или природне глине, и могу бити обичне или са абразивном мешавином.

• Декоративна зидна плочица је застакљена плочица са танким телом које обично није стаклено и погодно за унутрашњу употребу у декоративним стамбеним зидовима где отпорност на ломљење није услов.

• Плочица за поплочавање је глазирана или неглазирана порцеланска или природна глинена плочица формирана прашином пресованом методом од 39 цм² (6 ин² ) или више подручја лица.

• Порцеланска плочица је керамичка мозаик плочица или плочица за поплочавање која се углавном израђује методом прашно пресована са резултујућом композицијом плочица која је густа, непропусна, фино зрнаста и глатка, са оштро обликованим лицем.

• Плочице за каменолом је глазирана или неглазирана плочица, направљена поступком екструзије од природне глине или шкриљаца, обично има 39 цм² (6 ин²) или више подручја лица.

• Зидна плочица је глазирана плочица са телом које је погодно за унутрашњу употребу и обично без стакла и није потребно да издржи претеране ударе или да буде подложно условима смрзавања и одмрзавања.

• Појединачне класе беле керамике укључују неглазиране плочице (керамичке мозаик плочице, плочице за каменолом, плочице за поплочавање) и глазиране плочице (глазиране зидне плочице, глазиране керамичке мозаик плочице, глазиране плочице за каменолом, глазиране плочице за поплочавање) (АНСИ 1988).

 

Плочице се производе стандардним керамичким процесима. Керамичке зидне и подне плочице се припремају од мешавине кугличне глине, песка, флукса, средстава за бојење и других минералних сировина и подвргавају се преради као што је млевење, просијавање, мешање и влажење. Обликују се пресовањем, екструзијом, ливењем или другим поступком, обично на собној температури, а затим се суше и коначно пеку на високој температури. Плочице могу бити глазиране, неглазиране или енгобиране. Глазуре су непропусни премази налик стаклу, а енгоби су мат премази на бази глине који такође могу бити порозни. Застакљене зидне и подне плочице се производе једностепеним или двостепеним печењем.

Традиционална керамичка тела се формирају у облике користећи много различитих техника. Специфичан процес обликовања је диктиран бројним факторима, укључујући карактеристике материјала, величину и облик дела, спецификације делова, принос производње и прихваћене праксе у географском региону.

Тела на бази глине су хетерогене мешавине једне или више глине и једног или више неглинених прахова. Пре него што добију коначан облик, ови прахови пролазе кроз низ јединичних операција, операција испаљивања и операција после паљења (видети слику 17).

За већину традиционалних тела, технике формирања могу се класификовати као формирање меке пластике, обликовање круте пластике, пресовање и ливење.

Примењени притисак се користи за преуређивање и редистрибуцију сировина у боље упаковану конфигурацију. Реолошко понашање тела на бази глине је резултат интеракције минерала глине са водом, што даје пластичност шаржи. У неглиненим телима, овај исти тип понашања се може постићи додавањем пластификатора.

Индустриал Церамицс

Општи профил

Керамика се од осталих инжењерских материјала (метала, пластике, производа од дрвета, текстила) разликује по низу појединачних својстава. Можда је најизразитија разлика за дизајнера или потенцијалног корисника керамичког посуђа јединствени облик и величина сваког појединачног керамичког комада. Керамика се не обликује или обрађује након печења, осим веома скупим брушењем; сходно томе, они се обично морају користити онаквима какви јесу. Осим неких једноставних облика плочица, шипки и цеви ограничених величина, керамика се не може пласирати на тржиште или у дворишту, нити сећи да стане на посао.

Сва корисна својства, укључујући облик и величину, морају бити обезбеђена унапред, почевши од раних фаза обраде керамике. Структурни интегритет сваког комада мора бити очуван кроз различите изложености термичком и механичком напрезању током обраде и све док се комад коначно не инсталира и користи. Ако керамика не функционише као резултат различитих узрока (крхки лом при удару, топлотни удар, квар диелектрика, абразија или корозија шљаке која се топљења), није вероватно да ће се моћи поправити и обично се мора заменити.

Остварен је значајан напредак у фундаменталном разумевању и технолошкој контроли особина керамике, као иу њеној употреби у многим новим, захтевним, високо техничким применама. Индустрија уопште, а посебно њени технички и електронски керамички делови, осмислили су технике производње и контроле за масовну производњу сложених облика у телима која имају пажљиво контролисане електричне, магнетне и/или механичке особине уз одржавање толеранција димензија које су довољно добре да се омогућавају релативно лако склапање са другим компонентама.

Многе керамике се производе у великим количинама као стандардни артикли. Ватросталне цигле и облици, лонци, пригушивачи, цеви за пећи, изолатори, заштитне цеви за термоелементе, кондензаторски диелектрици, херметичке заптивке и плоче од влакана рутински се налазе у залихама бројних произвођача керамике у различитим саставима и величинама. Обично је брже и јефтиније користити артикле на залихама кад год је то могуће. Када артикли на залихама не задовоље потребе, већина произвођача је спремна да производи артикле по мери. Што су строжи захтеви за дату особину керамике или што су рестриктивнији захтеви за специфичне комбинације својстава, величина и облика, то су ограниченији прихваћени композициони, микроструктурни и конфигурациони параметри за керамику. Због тога су трошкови и тешкоћа производње већи. Већина произвођача керамике има искусне инжењере и дизајнере који су добро квалификовани да раде са потенцијалним купцима на детаљима дизајна керамичког посуђа.

tržišta

Главно тржиште за најсавременију керамику је било и биће и даље у електроници, али енергични истраживачки и развојни програми широм света непрестано траже нове примене и идентификују начине за побољшање својстава керамике тако да се може приступити новим тржиштима.

Напредна керамика се производи у Јапану, Сједињеним Државама и Западној Европи. Сировине које се користе у индустрији се тргују на међународној основи, углавном у облику праха, али постоји и значајна количина унутрашње прераде.

Главне примене индустријске керамике су:

• Оксиди. Главни оксидни материјали који се данас користе су глиница у свећицама, подлогама и апликацијама за хабање; цирконијум (ЗрО₂) у сензорима кисеоника, као компонента у пиезоелектрицима олово-цирконијум-титанат (ПЗТ), апликацијама за хабање и термичким баријерама; титанати у кондензаторима баријум титаната и ПЗТ пиезоелектрицима; и ферити у перманентним магнетима, магнетним главама за снимање, меморијским уређајима, температурним сензорима и деловима електромотора.

• Карбиди и нитриди. Карбиди (углавном силицијум карбид и бор карбид) се користе у апликацијама на хабање, док се нитриди (углавном силицијум нитрид и Сиалон) користе за хабање и алате за сечење. Алуминијум нитрид, са својом високом топлотном проводљивошћу, је примарни материјал који се бори за део тржишта електронских супстрата којим тренутно доминира глиница.

• Мешовита оксидна керамика. Напори истраживања и развоја керамике су фокусирани на бројне нове апликације за керамику које све имају огроман потенцијал. Три значајне примене су: (1) керамички суперпроводници, (2) керамика за горивне ћелије са чврстим оксидом и (3) керамичке компоненте за топлотне моторе.

 

Керамички суперпроводници су засновани на бројним мешовитим оксидним системима који укључују итријум, баријум, бакар, стронцијум и бакар (ИБа₂Cu₃O_7-8, Би₂Sr₂ЦаЦу₂O₈, Би₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀) стабилизовано оловним оксидом. Керамика горивих ћелија од чврстог оксида је заснована на јонским проводницима у којима је стабилизовани цирконијум високе чистоће тренутно материјал избора. Керамичке компоненте топлотног мотора које се истражују су састављене од силицијум карбида, сиалона и цирконија, било као једнофазна керамика, керамичко-керамички композити или композити металне матрице (ММЦ).

Производни процеси

Развој технологије производње

Обрада иновација. Истраживачко-развојна делатност је генерисање нових технологија за производњу керамичких материјала. Процењено је да је керамика добијена од прекурсора 2. године имала тржишну вредност од 1989 милиона америчких долара, од чега је највећи део био у ЦВД-у (86% укупне тржишне вредности). Остали сегменти овог растућег тржишта укључују хемијску инфилтрацију паре (ЦВИ), сол-гел и полимерну пиролизу. Производи који се успешно производе на овај начин укључују континуирана керамичка влакна, композите, мембране и прахове ултра високе чистоће/високе активности.

Процеси који се користе за претварање ових сировина у готове производе укључују додатну обраду праха (нпр. млевење и сушење распршивањем) пре формирања зелених облика који се затим пече у контролисаним условима. Процеси формирања укључују пресовање, изостатичко пресовање, ливење клизним слојем, ливење траке, екструзију, бризгање, топло пресовање, топло изостатичко пресовање (ХИП), ЦВД и тако даље.

Хемијски адитиви за помоћ при обради керамике. Сваки корак у производном процесу захтева пажљиву контролу тако да се својства крајњег производа добију уз максималну ефикасност производње и да се хемикалије са кључним ефектом користе за оптимизацију обраде праха и зеленог обликовања. Хемикалије које делују укључују помоћна средства за млевење, флокуланте и везива, мазива која утичу на ослобађање производа током пресовања и минимизирају хабање делова калупа, и пластификаторе који помажу екструзији и бризгању. Списак таквих хемикалија је приказан у табели 3. Иако ови материјали играју важну економску улогу у производњи, они сагоревају током печења и немају никакву улогу у хемији финалног производа. Процес сагоревања се мора пажљиво контролисати како би се избегао преостали угљеник у готовим производима, а истраживање и развој процеса континуирано истражују начине за минимизирање нивоа коришћених хемикалија са ефектом.

Табела 3. Одабрани хемијски адитиви који се користе за оптимизацију прашкастог третмана и зеленог обликовања керамике

 

Поред стварања керамичких производа и технологија производње керамике за нове примене, не треба занемарити утицај напредне керамичке индустрије на традиционалну индустрију керамике. Очекује се да ће многи високотехнолошки материјали и процеси наћи примену у традиционалној керамичкој индустрији јер ова потоња настоји да смањи трошкове производње, побољша квалитет и пружи бољу вредност услуге крајњем кориснику.

Сировине

Постоје одређени кључни материјали који се или директно користе у керамичкој индустрији или који представљају полазну тачку за производњу материјала са додатном вредношћу:

• силицијум-диоксид

• глине

• глиница

• магнезија

• титанија

• гвожђе оксид

• циркон/цирконијум.

 

Ова дискусија ће се фокусирати на својства силицијум диоксида, глинице и циркон/цирконијум.

Силицијум-диоксид, поред употребе у ватросталним материјалима и белим предметима, такође је полазна тачка у производњи елементарног силицијума, силицијум карбида и силицијум тетрахлорида. Силицијум је, заузврат, полазна тачка за силицијум нитрид, а силицијум тетрахлорид је прекурсор за широк спектар силицијумских органских материја које се могу пиролизирати под контролисаним условима у висококвалитетни силицијум карбид и силицијум нитрид.

Силицијум нитрид и његови Сиалон деривати, као и силицијум карбид, упркос њиховој тенденцији да оксидирају, имају потенцијал да испуне многе од имовинских циљева које је поставило тржиште топлотних мотора. Карактеристика силицијум диоксида и керамичких материјала који се добијају од силицијум диоксида је да су сви елементи лако доступни у земљиној кори. У том погледу, ови материјали нуде потенцијал лакоће снабдевања у свим деловима света. У пракси, међутим, постоји значајан унос енергије потребан за производњу силицијума и силицијум карбида. Сходно томе, производња ових материјала је углавном ограничена на земље са јефтином и лако доступном електричном енергијом.

Алумина налази се у земљиној кори као компонента у алуминосиликатним минералима. Економија налаже да се глиница екстрахује из боксита коришћењем Баиеровог процеса. Боксит је распрострањен у екваторијалном појасу у различитим стањима чистоће и подељен је у две класификације: руда ватросталног квалитета и руда металуршке руде.

Ватростални боксит испоручују Кина и Гвајана као калцин на високој температури природног минерала: дијаспора (Ал₂O₃· Х₂О) у Кини и гибсите (Ал₂O₃· КСНУМКСХ₂О) у Гвајани. Током калцинације, сложено фазно склапање корунда (Ал₂O₃), формира се мулит, силицијум стакло и мањи нивои алуминијум титаната. Потрошња ватросталног боксита премашује 700,000 тона годишње на светској основи.

Боксит металуршког квалитета се копа у Аустралији, Јамајци и западној Африци и има променљиве нивое глинице у комбинацији са главним нечистоћама као што су оксид гвожђа и силицијум диоксид. Алуминијум у металуршким рудама се екстрахује из руде када се раствори натријум хидроксидом, при чему се добија раствор натријум алумината који се одваја од оксида гвожђа и силицијум диоксида, који се одбацују као отпадни производ у облику црвеног муља. У суштини, чисти алуминијум хидроксид се преципитира из натријум алумината, а затим калцинише до више врста глинице.

Глиница високе чистоће која се користи у керамичкој индустрији и добијена Бајеровим поступком класификована је као табела алуминијума, фузионисана глиница или специјално калцинисана глиница.

Таблична глиница се производи високотемпературним (~2,000°Ц или 3,630°Ф) ​​калцинацијом нискотемпературне калцинисане глинице у великим ротационим пећима на уљу. Стопљена глиница се производи електричним топљењем калцинисане глинице. Таблична и топљена глиница се продају ватросталној индустрији у здробљеном и класификованом облику за употребу у широком спектру висококвалитетних производа, као што су ватростални материјали за континуирано ливење (нпр. једноивични зарези или СЕН/клизне капије), монолитни ватростални материјали за примену у високим пећима и петрохемијској индустрији.

Специјални калцинисани прах глинице су главне сировине које се користе у напредној керамичкој индустрији за електронске и инжењерске апликације. Прахови се производе у широком спектру класа према прецизним спецификацијама хемије, величине честица и типа кристала, како би одговарали широком спектру апликација крајњег производа.

Постоји успостављена међународна трговина висококвалитетном глиницом. Многи произвођачи керамике имају сопствене објекте за млевење и сушење распршивањем. Јасно је да постоји ограничење за раст понуде система сушених распршивањем и стална потреба за снабдевањем глинице која одговара постројењима потрошача, тако да се употреба потоњих може оптимизовати по прихватљивој цени. Алуминијум је значајан керамички материјал који је доступан у високом степену чистоће. Доминантна позиција глинице као керамичке сировине настаје јер има пожељна својства уз релативно ниску цену. Ова исплативост се може приписати робној природи пословања која произилази из велике потражње за алуминијумском оксидом у индустрији алуминијума.

Циркон и цирконијум. Примарни извор цирконија је минерал циркон (ЗрО₂  СиО₂), који постоји у песку на плажи углавном у Аустралији, Јужној Африци и Сједињеним Државама. Циркон екстрахован из песка на плажи садржи око 2% хафнијум оксида и трагове Ал₂O₃ (0.5%), Фе₂O₃ (0.1%) и ТиО₂ (0.1%). Поред тога, сви циркони садрже трагове уранијума и торијума. Циркон се прерађује финим млевењем како би се произвео низ млевених производа дефинисане величине честица. Ови производи су нашли примену у ливењу по инвестиционој маси, ливницама, ватросталним производима и као средство за затамњење у глазурама за белу технику.

Циркон је такође главни извор цирконија. Циркон се може хлорисати у присуству угљеника да би се добили цирконијум и силицијум тетрахлориди који се затим одвајају дестилацијом. Произведени цирконијум тетрахлорид може се користити за директну припрему цирконијума или као сировина за друге хемикалије цирконијума. Синтеровање са алкалним или земноалкалним оксидима се такође користи за разлагање циркона. Силицијум диоксид се излужи из производа распадања водом, остављајући цирконијум хидроксид да се даље пречисти растварањем у киселини и реталожењем. Цирконијум се затим добија калцинацијом хидроксида. Циркон се такође претвара у цирконијум и силицијум диоксид у плазми на 1,800°Ц (3,270°Ф) уз брзо хлађење да би се спречила реасоцијација. Слободни силицијум се уклања растварањем у натријум хидроксиду. Таљени цирконијум се производи у електричним лучним пећима од бадделеиита или циркон/угљеника. У последњем процесу, компонента силицијум диоксида циркона се карботермички редукује у силицијум моноксид, који испари пре фузије заосталог цирконија.

резиме

Индустријска керамичка индустрија је веома разнолика и има много унутрашње обраде. Многе од завршних производних операција су у атмосфери ливничког типа. Системи за руковање материјалом у овим операцијама преносе фине сировине где прашина може бити проблем. Материјали се затим подижу на веома високе температуре и топе или спајају у облике потребне за завршне делове. Стога, многа безбедносна питања која постоје у било којој индустрији високе температуре постоје иу индустрији индустријске керамике.

Цигла и плочице

Општи профил

Опеке и плочице од глине коришћене су као грађевински материјал од најранијих времена у многим деловима света. Када су правилно направљени и печени, издржљивији су од неког камења, отпорни на временске прилике и велике промене температуре и влаге. Цигла је правоугаоник стандардне величине, који се незнатно разликује од региона до региона, али је у суштини погодан за руковање једном руком од стране зидара; кровне плочице су танке плоче, равне или закривљене; глинене плочице се такође могу користити за подове.

Индустрија цигле је веома фрагментирана. Постоји много малих добављача који се налазе широм света. Производња цигле обично укључује локалне добављаче и локална тржишта због трошкова транспорта готовог производа. Године 1994. постојало је 218 фабрика за производњу цигле у Сједињеним Државама, а 1992. године број произвођача конструкцијских производа од глине у Великој Британији је, на пример, наведен на 182. Произвођачи опеке се углавном налазе у близини лежишта глине како би смањили трошкове транспорта сировина.

У Сједињеним Државама, цигла се првенствено користи у стамбеној изградњи или као носиви материјал или као материјал за фасаду. Пошто је индустрија цигле тако уско повезана са индустријом становања, производна активност је у великој мери зависна од индустрије стамбене изградње и скоро потпуно зависна од комбиноване индустрије стамбене и нестамбене изградње.

Производни процеси

Материјали и обрада

Основни материјал је глина разних врста са мешавинама иловаче, шкриљаца и песка, према локалном снабдевању и потребама, да би се дала потребна својства текстуре, пластичности, правилности и скупљања и боје.

Екстракција глине је сада често потпуно механизована; производња се обично одвија уз рупу за екстракцију, али у великим радовима глина се понекад преноси у клизама на жичарима. Накнадна обрада глине варира у зависности од њеног састава и крајњег производа, али генерално укључује дробљење, млевење, просијавање и мешање. Погледајте слику 16 за типичну операцију производње цигле.

Слика 16. Производња цигле и плочица

Глина за жичане цигле се разбија ваљцима; вода се додаје у миксер; смеша се поново ваља, а затим убацује кроз хоризонтални млин. Екструдирана пластична глина се затим сече на величину на столу за сечење жице. Полусув и чврст пластични материјал се производи ваљањем и просејавањем, а затим се убацује у механичке пресе. Неке цигле су још увек ручно обликоване.

Када се користи пластични материјал, цигле се морају сушити или на сунцу и ваздуху, или чешће у регулисаним пећима, пре печења; цигле направљене од полусуве или круте пластике могу се одмах пећи. Печење се може одвијати у прстенастим пећима, често напајаним ручно, или у тунелским пећима са механичким напајањем. Горива која се користе ће варирати у зависности од локалне доступности. Завршна глазура се наноси на неке декоративне цигле.

Ватросталне куће

Општи профил

Ватростални материјали се традиционално сматрају неметалицима који су отпорни на деградацију корозивним гасовима, течностима или чврстим материјама на повишеним температурама. Ови материјали морају да издрже топлотни удар изазван брзим загревањем или хлађењем, квар који се може приписати топлотном напрезању, механички замор због другог материјала који долази у контакт са самим ватросталним материјалом и хемијски напад који активира окружење високе температуре. Ови материјали су потребни за производњу већине керамичких производа и посебно су потребни у пећницама, сушарама, пећима и деловима мотора са високим температурама.

Ватростални материјали су остали скоро искључиво на минералној бази све до 20. века. Ипак, технолози који су били вешти у минералогији обраћали су пажњу. Металурзи су експериментисали са киселином и основним методама шљаке још од средњег века и каталогизирали неке од предности сваког од њих. Ватростални занатлије су сходно томе експериментисали са ганистером, са другим скоро чистим минералима силицијум диоксида и са магнезитом, претежно МгЦО₃ минерал који је калцинисан у МгО. Када је Бессемеров конвертор за производњу челика измишљен 1856. године, комбинујући радне температуре од преко 1,600ºЦ са корозивним киселим троском, „кисели” ватростални материјали од силицијум диоксида били су готово спремни. Када је уследила Сименсова пећ са отвореним ложиштем 1857. године на још вишим температурама, а производња челика је у оба случаја прешла на корозивно основно шљаку, убрзо су уведене „основне“ облоге од магнезита. Основни ватростални материјали направљени од доломита (МгО-ЦаО) развијени су током Првог светског рата, када је европско снабдевање магнезитом прекинуто од савезника. Касније, са развојем других минералних ресурса широм света, магнезит се поново афирмирао.

Табела 4. Употреба ватросталних материјала по индустрији у Сједињеним Државама

 

У међувремену, везане угљеничне цигле су се производиле у Уједињеном Краљевству почевши од 1863. године и на крају су нашле свој пут у високој пећи за топљење гвожђа јер су њене радне температуре биле још више. Такође су брзо отишли ​​у ћелије Халл-Хероулта за производњу алуминијума (1886).

Креч се правио око 5,000 година користећи пећи од глине, а затим од шамотне опеке. Производња портланд цемента је први пут захтевала иновативни ватростални материјал када су ротационе пећи уведене после 1877. Прве отпорне облоге биле су направљене од цементног клинкера везаног за цемент. Касније су се трајнији комерцијални ватростални материјали вратили овој индустрији.

Рекуперативне и регенеративне пећи, настале у тек рођеној производњи челика 1850-их, уведене су у обојену металургију и производњу стакла крајем 19. века. И ту су морали бити замењени шамотни ватростални материјали. Магнезитне облоге су коришћене у бакарним претварачима од 1909. године, а у првим модерним стакленим резервоарима око 10 година касније. Електричне лучне пећи су први пут испробане за производњу челика 1853. и постале су уобичајене након 1990. Јединица од отприлике 100 тона инсталирана у Сједињеним Државама 1927. користила је облогу од магнезита.

Трофазне лучне пећи су постојале пре 1950. године; тек тада су се јавили озбиљни захтеви за софистициранијим ватросталним материјалима. У истом временском оквиру, дување кисеоником је уведено у Бесемерове пећи и пећи на отвореном ложишту 1940-их. Основна пећ за кисеоник (БОФ) је буквално преузела производњу челика касних 1950-их. Удувавање кисеоником је, због своје економске важности, по први пут нагнало индустрију ватросталних материјала да уведе синтетичке материјале у своје производе у значајном обиму.

Други фактор који је од суштинског значаја за разумевање перформанси ватросталног материјала је стабилност димензија. Током индустријске употребе, ватростални материјали су подвргнути циклусима загревања/хлађења, што узрокује да се ватросталне јединице или шире или скупљају. Велике промене у димензијама ће смањити стабилност и на крају могу довести до квара структуре на бази ватросталног материјала.

Сродни феномен који се обично примећује код ватросталних материјала је љуштење. Ломљење се генерално сматра ломљењем, цепањем или љуштењем ватросталног материјала, што резултира излагањем унутрашње масе материјала. Љуштење је обично узроковано температурним градијентом унутар материјала, компресијом у структури због наелектрисања велике запремине и варијацијама коефицијента топлотног ширења унутар цигле. У производњи ватросталних материјала улажу се сви напори да се избегне ломљење јер то смањује ефикасност ватросталног материјала.

Ватростални материјали имају примену у широком спектру индустријских примена у распону од широке употребе у индустрији гвожђа и челика до употребе малих количина у цементној и комуналним индустријама. У основи, ватростални материјали се користе у било којој индустрији где се високе температуре користе за загревање и сушење или спаљивање материјала. Табела 4 даје тренутни преглед према индустрији употребе ватросталних материјала у Сједињеним Државама.

Као што је приказано у табели 4, индустрија челика је област у којој се користи преко 50% ватросталног материјала произведеног у САД. Због тога су потребе индустрије челика у великој мери покренуле ватростални развој који је настао.

---

Савремени ватростални материјали

Керамика је значајно порасла од заната до примењене науке. Америчко керамичко друштво је основано 1899. године, Британско керамичко друштво 1901. Фазни дијаграми оксида почели су да се појављују у литератури 1920-их. Технике петрографије су биле добро развијене, а детаљни механизми деградације и хабања ватросталних материјала почели су да се разумеју. Амерички произвођачи ватросталних материјала постали су у великој мери реорганизовани, консолидовани и способни да обављају сопствена истраживања. И алати ватросталне синтезе и инструменти истраживања били су у порасту.

Синтетички индустријски угљеници, наравно, нису били нови. Кокс је први пут комерцијално направљен од угља 1860-их, а убрзо након тога од нафте. Синтетички графит и силицијум карбид појавили су се скоро истовремено на прелазу векова, након Ацхесоновог проналаска електричне пећи са самоотпорним загревањем 1896. Ови производи, који су имали својства сасвим другачија од оксида, брзо су стимулисали сопствену употребу и тржишта.

Синтетичка глиница, Ал₂O₃, био је доступан откако је Бајеров процес почео да покреће производњу алуминијума око 1888. Синтетички магнезијум (МгО) је први пут направљен од морске воде у Уједињеном Краљевству 1937. и у Сједињеним Државама 1942. године, подстакнут ратним потребама за магнезијумом. Цирконијум је постао доступан, такође подстакнут од стране војске. Креч је годинама био главна роба. Мноштво других хемикалија је било при руци за разматрање као ватросталне компоненте или као мањи адитиви и везивни агенси. Једина важна компонента оксидних ватросталних материјала која је углавном отпорна на замјену синтетиком је силицијум диоксид (СиО₂) Силицијумске стене и песак високе чистоће су у изобиљу и користе се у овој индустрији, као иу формулацији стакла.

Употреба синтетике у производњи ватросталних материјала била је од огромне помоћи; али минералне сировине никако нису измештене. Синтетика кошта више и тај трошак мора бити оправдан. Неки синтетички материјали стварају озбиљне проблеме у обради ватросталних материјала и морају се пронаћи нови начини за њихово превазилажење. Оптимални резултати се често постижу комбинацијама синтетичких и минералних сировина, уз креативне инпуте у њихову прераду.

Мешавине глине са угљеником коришћене су за облагање лонаца и кутлача откако је гвожђе прво сипано; а силицијумске цигле које садрже угљеник направљене су у Француској 1860-их. Од 1960. и технике и композиције су се драматично промениле. Употреба ватросталних материјала који садрже угљеник оксид се повећала, почевши од МгО+Ц. Први прави подстицај је можда дао БОФ; али данас једва да постоји напредни оксидни ватростални тип који се не може имати са или без доданог угљеника или прекурсора угљеника за супериорне перформансе у специфичним применама.

Ватростална зрна или агрегат топљени луком су се правили од раних 1900-их, а фузионисане ватросталне цигле неколико састава уследиле су двадесетих и тридесетих година, посебно од мулита, глинице, магнезијума-алуминијум-силицијум-диоксида и алуминијум-цирконијум-силицијум диоксида. Често су ови производи у потпуности направљени од минералних сировина.

У ствари, ватростални материјали на бази свих минерала и данас остају важна компонента менија производа. Они су у целини јефтинији, често се одлично понашају и још увек има много примена мање потражње, као и оних са критичном потражњом за највишим нивоима ватросталности и отпорности на корозију.

Ватростална индустрија

Ватростални материјали ће се наћи у употреби у многим индустријама за облагање котлова, пећи и пећи свих врста, али највећи проценат се користи у производњи метала. У индустрији челика, типична висока пећ или пећ са отвореним ложиштем може да користи много различитих типова ватросталних материјала, неке направљене од силицијум диоксида, неке од хрома и/или магнезита, а друге од ватросталне глине.

Много мање количине се такође користе у следећим индустријама: гас, кокс и нуспроизводи; постројења за производњу електричне енергије; хемикалије; пећи пећи и пећи; цемент и креч; керамика; стакло; емајли и глазуре; локомотиве и бродови; нуклеарни реактори; рафинерије нафте; одлагање отпада (спалионице).

Производни процеси

Тип ватросталног материјала који се користи у било којој одређеној примени зависи од критичних захтева процеса. На пример, процеси који захтевају отпорност на гасовиту или течну корозију захтевају ниску порозност, високу физичку чврстоћу и отпорност на хабање. Услови који захтевају ниску топлотну проводљивост могу захтевати потпуно различите ватросталне материјале. Заиста, углавном се користе комбинације неколико ватросталних материјала. Не постоји добро успостављена линија разграничења између оних материјала који јесу и оних који нису ватростални, иако је способност да издрже температуре изнад 1,100°Ц без омекшавања наведена као практичан захтев индустријских ватросталних материјала.

Технички циљеви производње датог ватросталног материјала су оличени у његовим својствима и перформансама у предвиђеној примени. Алати за производњу састоје се од избора између сировина и метода и параметара обраде. Захтеви производње имају везе са карактеристикама фазног састава и микроструктуре – које се заједнички називају карактер материјала – које се развијају обрадом и које су саме одговорне за својства и понашање производа.

Сировине

У прошлости су ватросталне сировине биране из разних расположивих лежишта и коришћене као минерали. Селективним експлоатацијом се добијају материјали жељених својстава, а само у случајевима скупих сировина, као што је магнезит, био је потребан процес обогаћивања. Данас су, међутим, све траженије природне сировине високе чистоће, као и синтетички припремљена ватростална житарица направљена од комбинације сировина високе чистоће и бенефицираних. Материјал који се производи печењем сирових минерала или синтетичких мешавина назива се зрно, клинкер, ко-клинкер или грог.

Ватростални материјали се обично класификују у четири типа: алуминосиликат, силицијум (или кисели), базични и разни.

Материјали који се генерално користе у четири типа ватросталних материјала укључују:

1. Алуминосиликатни ватростални материјали. Шамот се састоји углавном од минерала каолинита [ЦАС 1318-74-7] (Ал₂0₃  2СиО₂ 2H₂О) са малим количинама других минерала глине, кварцита, оксида гвожђа, титана и алкалних примеса. Глине се могу користити у сировом стању или након калцинације. Сирова глина може бити крупно или фино самлевена за уградњу у ватросталну мешавину. Неки каолини високе чистоће се муљају, класификују, суше и лебде на ваздуху да би се постигао конзистентан, висок квалитет. Класификоване глине се такође могу мешати и екструдирати или пелетизирати, а затим калцинисати да би се добио спаљени синтетички каолинитни грог, или грубо здробљен сирови каолинит може бити спаљен да би се добио грог. Након калцинације или сагоревања, каолинит се разлаже у мулит и силицијумско стакло које садржи минералне нечистоће повезане са наслагама глине (нпр. кварцит, оксид гвожђа, титан и алкалије) и консолидује се у густ, чврст грануларни грог на високим температурама.
2. Силицијум или кисели ватростални материјал користе углавном силицијум диоксид у облику уситњеног и млевеног кварцита (ганистер) (92 до 98%), коме се додаје одговарајућа везивна материја, као што је креч (ЦаО). Силицијумске цигле се углавном загревају два пута јер се при загревању шире (шамотне цигле се скупљају), а пожељно је да се експанзија заврши пре него што се изгради зид или облога.
3. Основни ватростални материјали користите доломит, магнезит (МгО), хром оксид, гвожђе и алуминијум.
4. Разни ватростални материјали. Од великог броја материјала који се сада користе, чешћи су карбиди као што су силицијум карбид, графит, глиница, берилијум, торија, уранијум оксид, азбест и цирконијум оксид.

 

Десило се неколико револуција у индустрији. У ове револуције укључене су даље механизоване методе руковања чврстим материјама, повећане могућности и аутоматизација опреме за обраду и технике за брзо прикупљање и анализу контролних података у процесу. Овај напредак је трансформисао праксу производње ватросталних материјала.

Слика 17 илуструје како се праве различите врсте ватросталних материјала. Фигура је нацртана у стилу „дрвета одлука“ са дивергентним гранама означеним бројевима за идентификацију. Постоје различити путеви, од којих сваки производи одређену врсту ватросталног производа.

Слика 17. Дијаграм тока производње ватросталних материјала

Ови генерички дијаграми тока представљају хиљаде специфичних процеса, диференцираних, на пример, по њиховим листама сировина, начину припреме и димензионисању и дозирању (значи одмерене количине) сваког, редоследу и начину мешања и тако даље. Дозвољени су пропусти — на пример, неки неформирани ватростални материјали се мешају суво и никада се не кваше до уградње.

Ватростални материјали или производи се могу претходно формирати (обликовати) или формирати и инсталирати на лицу места, али генерално се испоручују у следећим облицима:

Цигла. Стандардне димензије ватросталне цигле су 23 цм дужине, 11.4 цм ширине и 6.4 цм дебљине (равна цигла). Опеке могу бити екструдиране или суво пресоване на механичким или хидрауличним пресама. Формирани облици могу бити спаљени пре употребе или, у случају смоле, смоле или хемијски везаних опека (очврснути).

Фусион ливени облици. Ватросталне композиције се тапе у луку и изливају у облике (нпр. блокови флукса стаклених резервоара величине 0.33, 0.66, 1.33 м). Након ливења и жарења, блокови се прецизно брусе како би се обезбедило прецизно пристајање.

Ливени и ручно ливени ватростални материјали. Велики облици, као што су блокови горионика и блокови флукса, и замршени облици, као што су делови за убацивање стакла, сагери и слично, производе се клизним или хидрауличним ливењем цемента или техникама ручног обликовања. Пошто су ове технике радно интензивне, резервисане су за артикле који се не могу на задовољавајући начин формирати на друге начине.

Изолациони ватростални материјали. Изолациони ватростални материјали у облику опеке су много лакши од конвенционалне цигле истог састава због порозности цигле.

Мешавине за ливење и топовање. Лијеви се састоје од ватросталних зрна којима се додаје хидраулично везиво. Након мешања са водом, хидраулично средство реагује и везује масу заједно. Мешавине су дизајниране да се прскају кроз млазницу под притиском воде и ваздуха. Смеша се може размутити пре него што се испуца кроз пиштољ или помешати са водом на млазници.

Пластични ватростални материјали и мешавине за набијање. Пластични ватростални материјали су мешавине ватросталних зрна и пластичне глине или пластификатора са водом. Мешавине за набијање могу или не морају да садрже глину и углавном се користе са формама. Количина воде која се користи са овим производима варира, али је сведена на минимум.

Опасности на раду и мере предострожности

Табела 5 пружа информације о многим потенцијалним опасностима у овом индустријском сектору.

Табела 5. Потенцијалне опасности по здравље и безбедност пронађене током производње стакла, керамике и сродних материјала

 

Безбедносни и здравствени проблеми и обрасци болести

Овај одељак пружа преглед документованих или сумњивих безбедносних и здравствених проблема у целој индустрији. Међународни подаци о повредама и обољењима у овом пословном сектору нису пронађени у претраживању литературе и претрагама на интернету (1997. године). Информације које су прикупили Америчко министарство за рад, безбедност и здравље на раду (ОСХА) и Биро за статистику рада (БЛС) коришћене су за идентификацију уобичајених опасности на радном месту и за описивање карактеристика повреда и болести. Ови подаци би требало да буду репрезентативни за ситуацију широм света.

Опасности откривене током инспекције

Инспекције усклађености са прописима предузећа у производњи производа од камена, глине, стакла и бетона (Стандард Индустриал Цлассифицатион (СИЦ) Цоде 32, еквивалентно ИСИЦ коду 36) откривају неке од уобичајених опасности у овом сектору. Наводи о усклађености са прописима које је издао ОСХА указују на то да се уобичајени здравствени и безбедносни проблеми могу груписати на следећи начин:

• комуникација опасности физичких и здравствених штетности хемијских материја на радном месту

• контрола опасне енергије—процедуре закључавања и означавања за контролу активности око машина или опреме где неочекивано напајање или ослобађање ускладиштене енергије може изазвати повреду. Опасна енергија обухвата електрична, механичка, хидраулична, пнеуматска, хемијска, топлотна зрачења и друге изворе.

• електрична безбедност, укључујући дизајн електричне опреме или система, методе ожичења, безбедне радне праксе и обуку

• потребна дозвола за улазак у скучени простор—процедуре идентификације, евалуације и безбедног уласка

• лична заштитна опрема—процена, избор и употреба заштите за очи, лице, руке, стопала и главу

• чување машина, опреме и алата да заштити оператере и суседне раднике од опасности на месту рада, улазних тачака угриза и од ротирајућих делова, летећих струготина или варница; укључује фиксне машине, преносиве машине и преносиве електричне алате, и подешавање штитника и радних ослонца на машинама за брушење точкова (брусилице) (види слику 18)

 

Слика 18. Заштита машине штити руковаоце

• Заштита дисајних органа—избор, употреба, одржавање, обука, медицинско одобрење и тестирање респиратора

• изложеност професионалној буци—контрола изложености инжењерском, административном или заштитом слуха и спровођење програма за очување слуха

• спречавање пожара и приправност и реаговање у ванредним ситуацијама, укључујући апарате за гашење пожара, путеве за евакуацију, планове и складиштење или употребу запаљивих/запаљивих материјала

• пешачке и радне површине, укључујући заштиту подних и зидних отвора и рупа; домаћинство; и одржавање пролаза и пролаза слободнима од услова који представљају опасност од клизања, саплитања или пада (видети слику 19)

 

Слика 19. Опасности од саплитања и клизања

• погонски индустријски камиони— дизајн, одржавање, коришћење и други безбедносни захтеви за виљушкаре, камионе са платформом, тракторе, моторизоване ручне камионе или друге специјализоване индустријске камионе које покрећу електрични мотори или мотори са унутрашњим сагоревањем

• фиксне и преносиве мердевине, степеништа и скеле—дизајн, инспекција или одржавање и безбедна употреба

• заштита од пада—употреба средстава за заустављање пада и опреме за заустављање за рад на повишеном

• сечење и заваривање— безбедна употреба и процедуре за кисеоник/ацетилен или гориви гас или опрему за сечење лука или заваривање

• опрема за руковање материјалом— укључујући мостне и порталне дизалице, дизалице, ланце и привезнице

• контрола изложености токсичним или опасним материјама, укључујући загађиваче ваздуха или посебно регулисане хемикалије (нпр. силицијум диоксид, олово, азбест, формалдехид, кадмијум или арсен).

 

Профил повреда и болести

Стопе инциденције обољења од повреда

На основу евиденције Министарства рада САД, произвођачи производа од камена, глине и стакла (СИЦ 32) имају укупну „записљиву“ стопу инциденције нефаталних професионалних повреда и болести од 13.2 случаја на 100 радника са пуним радним временом годишње. Ова стопа инциденције је виша од одговарајућих стопа за сву производњу (12.2) и сву приватну индустрију (8.4). Око 51% случајева „забележених повреда“ у сектору производње производа од камена, глине и стакла не резултира изгубљеним радним данима (време одсуства са посла).

Стопе инциденције „укупних изгубљених радних дана“ засноване на броју повреда или болести које су довеле до тога да радник пропусти дане са посла на 100 радника са пуним радним временом такође су доступне од Министарства рада САД. Укупна стопа инциденције изгубљених радних дана укључује случајеве када су радни дани изгубљени, а радник није способан да обавља пун обим посла (ограничена или лака дужност). Произвођачи производа од камена, глине и стакла имају укупну стопу инциденције изгубљених радних дана од 6.5 случајева на 100 радника годишње. Ово је више од одговарајућих стопа за сву производњу (5.5) и за сву приватну индустрију (3.8). Око 93% изгубљених радних дана у сектору производње производа од камена, глине и стакла је резултат повреда, а не професионалних болести.

Табела 6 представља детаљније информације о стопама инциденције повреда и болести (комбиновано) или повреда (самих) за различите врсте производних процеса у сектору производње камена, глине и стаклених производа (СИЦ код 32). Стопе инциденције и демографија можда нису репрезентативне за глобалне информације, али су најпотпуније доступне информације.

 

---

Табела 6. Стопе инциденције нефаталних повреда на раду и болести¹ на 100 радника са пуним радним временом за америчке компаније у СИЦ Цоде 32, приватна индустрија и производња, 1994.

 

дн = није класификовано на другом месту
- = подаци нису доступни

¹ Стопе инциденције представљају број повреда и болести на 100 радника са пуним радним временом и израчунате су као број повреда и болести подељен са радним сатима свих запослених у календарској години пута 200,000 (основни еквивалент за 100 радника на 40 сати недељно). 52 недеље годишње).

² Приручник за стандардну индустријску класификацију 1987. издање.

³ Запосленост је изражена као годишњи просек и изведена је првенствено из БЛС програма државне статистике о тренутном запошљавању.

⁴ Укупни случајеви обухватају случајеве који се односе само на ограничену радну активност, као и случајеве дане без посла са или без ограничене радне активности.

⁵ Случајеви одсуства са посла обухватају случајеве који су резултат дана одсуства са посла, са или без ограничене радне активности.

Извор = Извор: На основу националног истраживања повреда на раду и болести у приватној индустрији од стране америчког Министарства рада, Бироа за статистику рада.

---

 

Демографија повреда и случајева болести

Радници старости од 25 до 44 године чинили су око 59% од 23,203 изгубљених случајева повреда или болести у америчком сектору производње камена, глине и стаклених производа. Следећа највише погођена група су радници старости од 45 до 54 године, који су имали 18% случајева повреда или болести изгубљеног времена (види слику 20).

Слика 20. Изгубљене повреде и болести према старости; САД

Око 85% случајева повреда и болести изгубљеног времена у СИЦ коду 32 били су мушкарци. У 24% случајева изгубљеног радног времена (оба пола), радници су имали мање од годину дана радног стажа. Радници са 1 до 1 година радног стажа чинили су 5% случајева. Искусни запослени са више од 32 година радног стажа чинили су 5% случајева изгубљеног времена.

Природа. Анализа профила инцидената изгубљеног времена карактерише природу инвалидних повреда и болести и помаже да се објасне узрочници или фактори који доприносе. Уганућа и истегнућа су водећа природа повреда и болести у сектору производње производа од камена, глине и стакла. Као што је приказано на слици 23, деформације и уганућа чине око 42% свих случајева изгубљеног времена. Посекотине и убоде (10%) били су друга најчешћа природа онеспособљавајућих повреда или болести. Друге главне категорије повреда биле су модрице (9%), преломи (7%) и болови у леђима/други (5%). Топлотне опекотине, хемијске опекотине и ампутације биле су ређе (1% или мање).

Слика 21. Повреде и болести на раду

Догађаји или изложености. Слика 22 показује да пренапрезање током подизања доводи до свих других дога аја повреда или излагања онеспособљавању. Прекомерни напор током дизања био је узрочни фактор у око 17% случајева онеспособљења; понављајући покрет је био изложеност у додатних 5% случајева онеспособљавања. Следећи најчешћи догађај је био удар у неки предмет, који је довео до 16% случајева. Догађаји „Ударени против објекта“ изазвали су 10% случајева. Остали важни догађаји су ухваћени у објекту (9%), падови на истом нивоу (9%), падови на нижи ниво (6%) и оклизнуће/слетови без пада (6%). Изложеност штетним материјама или животној средини је била узрочни фактор у само 5% случајева.

Слика 22. Догађај или изложеност повредама на раду

Део тела. Најчешће захваћен део тела су леђа (24% случајева) (види слику 23). Повреде горњих екстремитета (прст, шака, зглоб и рука комбиновано) су се јавиле у 23% случајева, а повреда прста у 7% случајева. Повреде доњих екстремитета биле су сличне (22% случајева), при чему је колено захваћено у 9% случајева.

Слика 23. Део тела захваћен повредом изгубљеног радног дана

Извори. Најчешћи извори онеспособљавајућих случајева повреда или болести били су: делови и материјали (20%); положај или кретање радника (16%); подови, стазе или површине тла (15%); контејнери (10%); машинерије (9%); возила (9%); ручни алат (4%); намештај и опрема (2%); и хемикалије и хемијски производи (2%) (види слику 24).

Слика 24. Извори повреда на раду

Превенција и контрола болести

Кумулативна траума повезана са покретима који се понављају, пренапрезањем и прекомерним силама уобичајен је налаз у овом производном сектору. Роботски уређаји су доступни у неким случајевима, али ручне праксе и даље доминирају. Компресори, дуваљке, центрифуге, пнеуматски вибратори и опрема за паковање могу да створе буку већу од 90 до 95 дБА. Заштита слуха и програм за очување слуха ће спречити трајне промене у слуху.

Ова индустрија троши велике количине кристалног силицијум диоксида. Излагање мора бити ограничено током руковања, одржавања и чишћења. Добро одржавање куће са одговарајућим системом усисавања или методама мокрог чишћења ће смањити потенцијалну изложеност. Периодични скрининг треба да се спроводи коришћењем тестова плућне функције и филмова грудног коша ако је дошло до прекомерног излагања силицијум диоксиду. Такође треба свести на минимум изложеност тешким металима који се налазе као сировине, глазура или пигменти. Коришћење замена за тешке метале који се налазе у глазурама такође ће елиминисати здравствене проблеме у вези са испирањем метала у храну или пиће. За спречавање штетних ефеката користе се добре кућне праксе и заштита дисајних органа. Може бити неопходан медицински надзор који укључује биолошко праћење.

Употреба везива која садрже формалдехид, епоксиде и силане је уобичајена у производњи стаклених влакана. Морају се предузети кораци да се минимизира иритација коже и респираторних органа. Формалдехид је у многим земљама регулисан као канцероген. Респирабилна влакна се производе током производње, производње, сечења и уградње производа од стакла, камена, шљаке и ватросталних керамичких влакана. Иако је изложеност влакнима која се преносе ваздухом генерално била прилично ниска (мање од 1 влакна по кубном центиметру) за већину ових материјала, апликације за дување са лабавим пуњењем имају тенденцију да буду много веће.

Камен, шљака и стакло су међу најопсежније проучаваним комерцијалним изолационим производима који се данас користе. Епидемиолошке студије су откриле да пушење цигарета има велики утицај на смртност од рака плућа међу запосленима у производњи. Добро спроведене студије пресека нису показале да влакна производе вишак плућног морталитета или морбидитета. Недавне хроничне студије инхалације код пацова су показале да је издржљивост стакластих влакана критична детерминанта биолошког потенцијала ових влакана. Састав, који одређује трајност ових влакана, може значајно да варира. Да би се избегла забринутост за јавно здравље, Технички комитет Европске комисије недавно је предложио да се био-постојаност стаклених влакана тестира краткотрајним удисањем. Као референтно влакно предлаже се састав изолационе вуне која је темељно тестирана на максимално толерантној дози хроничним удисањем код пацова и за коју је утврђено да не изазива иреверзибилну болест.

Питања животне средине и јавног здравља

Примарни загађивач ваздуха који се емитује током производње стакла, керамике, грнчарије и цигле су честице. Максимално остварива контролна технологија која се састоји од врећа и влажних електростатичких филтера је доступна за смањење емисија када је то потребно. Опасни загађивачи ваздуха који настају током процеса мешања везива, наношења и очвршћавања су под лупом. Ове супстанце укључују стирен, силане и епоксиде који се користе на континуираним стакленим филаментима, и формалдехид, метанол и фенол који се користе током производње камена, шљаке и стакла. Формалдехид је опасан загађивач ваздуха који покреће стандарде контроле за последње производне линије. Тешки метали опасни загађивачи ваздуха, као што је хром, покрећу стандарде пећи за топљење стакла, док НЕ_x и тако_x остају проблеми у неким земљама. Емисије флуора и бора представљају забринутост у континуираној производњи стаклених филамената. Бор такође може постати еколошки проблем ако су у неким земљама потребна високо растворљива стаклена влакна стаклене вуне.

Због велике запремине излазног ваздуха и природе формирања и топљења стакла, индустрија испарава знатне количине воде. Многи објекти, као, на пример, у Сједињеним Државама, немају испуштање отпадних вода. Рециклирана отпадна вода која садржи органски материјал може створити биолошке опасности на радном месту ако се третман не спроводи како би се спречио биолошки раст (видети слику 25). Отпад који генерише овај индустријски сектор укључује тешке метале, корозивне супстанце, нека везива и истрошене раствараче. Индустрија стаклених влакана постала је главна тачка за рециклажу стаклених боца и стаклених плоча. На пример, садашњи производи од стаклене вуне садрже 30 до 60% рециклираног стакла. Истрошени ватростални материјали се такође обнављају и корисно поново користе.

Слика 25. Аеросоли поново коришћених отпадних вода

Захвале: Посебно се захваљујемо Дену Димасу, ЦСП, Либбеи-Овенс-Форд, за пружање фотографија, и Мицхел Соубеиранду, Либбеи-Овенс-Форд, за пружање информација о хемијском таложењу паре за одељак о стаклу.

 

Назад

Оптичка влакна су танке нити стакла које су дизајниране да преносе светлосне зраке дуж своје осе. Диоде које емитују светлост (ЛЕД) or ласерске диоде претварају електричне сигнале у оптичке сигнале који се преносе кроз унутрашње цилиндрично језгро кабла са оптичким влакнима. Нижа рефракциона својства спољашње облоге омогућавају ширење светлосних сигнала унутрашњом рефлексијом дуж унутрашњег цилиндричног језгра. Оптичка влакна су дизајнирана и произведена да се шире или као један светлосни сноп или као више светлосних снопова који се истовремено преносе дуж језгра. (Погледајте слику 1.)

Слика 1. Једномодна и вишемодна оптичка влакна

Једномодно влакно се првенствено користи за телефонију, апликације кабловске телевизије и окоснице кампуса. Вишемодно влакно се обично користи за комуникацију података и у локалним мрежама.

Производња оптичких влакана

Посебни материјали и процеси су потребни за производњу оптичких влакана која испуњавају основне критеријуме дизајна: (1) језгро са високим индексом преламања и омотач са ниским индексом преламања, (2) ниско слабљење сигнала или губитак снаге и (3) мала дисперзија или проширење светлосног снопа.

Силицијумско стакло високе чистоће са другим стакленим материјалима (тј. стакла са флуором од тешких метала, халкогенидна стакла) су примарни материјали који се тренутно користе за производњу оптичких влакана. Такође се користе поликристални материјали, монокристални материјали, шупљи таласоводи и полимерни пластични материјали. Сировине морају бити релативно чисте са веома ниским концентрацијама прелазних метала и група које формирају хидроксил (испод нивоа делова на милијарду). Методе обраде морају заштитити стакло за формирање од нечистоћа у производном окружењу.

Оптичка влакна се производе коришћењем неконвенционалне припреме у парној фази стаклене предформе која се затим увлачи у влакно. Испарљива једињења силицијум диоксида се претварају у СиО₂ хидролизом пламена, хемијским таложењем из паре (ЦВД) или оксидацијом на високим температурама. Друге додатке се затим додају у стакло да би се променила својства стакла. Варијације у процесу таложења паре почињу са истим материјалом, али се разликују у методи која се користи за претварање овог материјала у силицијум диоксид.

За производњу оптичких влакана на бази силицијум-диоксида користи се једна од следећих метода таложења у парној фази: (1) модификовано хемијско таложење паре (МЦВД), (2) плазма хемијско таложење паре (ПЦВД), (3) спољашње таложење паре (ОВД), и (4) аксијално таложење у парној фази (ВАД) (види слику 2). Силицијум тетрахлорид (СиЦИ₄), германијум тетрахлорид (ГеЦИ₄) или други испарљиви течни халогениди се претварају у гас када се благо загреју због високог притиска паре. Гасни халогенид се испоручује у реакциону зону и претвара у стаклене честице (видети такође поглавље Микроелектроника и полупроводници.)

Слика 2. Дијаграм тока производње оптичких влакана

МЦВД ПЦВД Процеси. Висококвалитетна цев од топљеног силицијум-диоксида је причвршћена на струг са стаклом који је опремљен водоничним/кисеоничким пламеником који прелази његову дужину. Довод халогеног материјала је причвршћен на један крај стаклене цеви, а чистач на супротном крају да би се уклонио вишак халогеног материјала. Површина стаклене цеви се прво чисти ватром полирања док горионик прелази дужину цеви. У парни систем се додају различити реагенси у зависности од производа који се производи. До хемијске реакције долази када халогениди пролазе кроз део цеви који се загрева. Халогениди се претварају у честице "чађи" силицијум диоксида које се таложе на унутрашњем зиду стаклене цеви низводно од бакље. Таложене честице се синтерују у стаклени слој. ПЦВД процес је сличан МЦВД-у, осим што се халогениди напајају путем система за балонирање, а микроталаси се користе уместо бакље за претварање халогеног материјала у стакло.

ОВД и ВАД Процеси. У првој фази процеса производње влакана, језгро облога стакла се пара таложе око ротирајуће циљне шипке да би се формирала "чађава" предформа. Прво се депонује материјал језгра, а затим облагање. Целокупна предформа мора бити изузетно чиста, пошто се и језгро и облога депонују паром. Геометрија влакана се одређује током фазе израде. Након што је циљна шипка уклоњена, предформа се ставља у пећ, где се консолидује у чврсто, прозирно стакло, а централна рупа се затвара. Гас се пропушта кроз предформу да би се уклонила заостала влага која негативно утиче на слабљење влакна (губитак оптичког сигнала како се светлост преноси дуж осе влакна). Предформе се затим перу флуороводоничном киселином да би се обезбедила чистоћа стакла и уклонили загађивачи.

Консолидована стаклена предформа се поставља у вучни торањ да би се формирала непрекидна нити од стаклених влакана. Прво се предформа убацује у врх пећи за извлачење. Затим се врх предформе загрева и комад растопљеног стакла почиње да пада. Како се овај комад извлачи (вуче), он пролази кроз инлине монитор пречника како би се осигурало да влакно испуњава тачан специфицирани пречник (обично се мери у микронима.) Пречник омотача влакна мора да буде у складу са тачним спецификацијама како би губитак сигнала био низак на конекцијама . Спољни пречник омотача се користи као водич за поравнавање језгара влакана током крајње употребе. Језгра се морају поравнати тако да се пренос светлости одвија ефикасно.

Акрилатни полимер или други премази се наносе и очвршћавају ултраљубичастим лампама. Премази су намењени заштити оптичког влакна од околине током крајње употребе. Оптичка влакна су тестирана како би се осигурала усклађеност са стандардима производње за снагу, слабљење и геометрију. Одређене дужине влакана су намотане на колутове према спецификацијама купца.

Током производње оптичких влакана наилази се на бројне потенцијалне опасности. То укључује: (1) излагање флуороводоничној киселини (приликом чишћења стаклених предформи), (2) енергију зрачења и топлотни стрес повезан са радним окружењем у близини стругова и процесима таложења паром, (3) директан контакт са врућим површинама или растопљеним материјалом (стаклене преформе). ), (4) излагање премазима од акрилатног полимера (сензибилизатори коже), (5) убоде коже и раздеротине током руковања влакнима и (6) разне физичке опасности које су претходно описане.

 

Назад