Керамическая плитка: производство, материалы и отраслевой аутлук

История развития

Настенные и напольные плитки — используемые в интерьере и экстерьере — относятся к керамическому семейству, известному как whitewares (белое керамическое изделие). Раннее документированное использование глазурованной плитки датируется Древним Египтом; Ступенчатая пирамида фараона Джосера (ок. 2600 г. до н.э.) украшала цветными глазурованными панелями. За столетия производство плитки распространилось по Средиземноморью, Европе и Америке, достигнув промышленного масштаба к началу XX века. Изобретение туннельной печи в 1910 г. драматически повысило автоматизацию, а сегодня производство высокомеханизировано.

Американский национальный институт стандартов (ANSI) классифицирует керамическую плитку на категории: фарфоровые мозаичные плитки (или натуральные глинистые плитки < 39 см²), декоративные настенные плитки (тонкостенные глазурованные плитки для жилых стен), брусчаточные плитки (глазурованные или неглазурованные фарфоровые или натуральные глинистые плитки ≥ 39 см²) и каменоломенные плитки (того же размера, что брусчаточные, но иным методом формовки). Фарфоровые плитки производят сухим прессованием; каменоломенные — иным процессом формовки.

Мировое производство концентрируется в Европе, Латинской Америке и Дальнем Востоке. Италия лидирует, производя 1,54 млн м² в день в 1989 г. — 24,6% мирового предложения — следом Испания (12,6%), Бразилия и Германия (по 11,2%), США (4,5%). В 1990 г. совокупный рынок напольной и настенной плитки оценивался в $2,4 млрд.

Производство плитки в США сосредоточено примерно в 100 заводах, отгрузивших 47,1 млн м² в 1990 г. Импорт составил ~60% внутреннего потребления, оцененного в $500 млн; Италия обеспечила почти половину импорта. Экспорт США вырос с $12 млн в 1988 г. до $20 млн в 1990 г.

Так как отрасль зрелая и привязана к строительной активности, рост скромен. Министерство торговли США прогнозирует 3–4% ежегодный рост потребления в ближайшие пять лет. Прогноз 1992 г. предсказывает отгрузку 45,9 млн м², на 4% выше 1991 г. Опрос Американского керамического общества оценивает средний рост на уровне производителя ~36% за пять лет.

Сырье

Основа плитки — глинистые минералы, добываемые из земной коры, фeldesпат (для снижения температуры обжига) и химические добавки, помогающие формовке. Минералы часто рафинируют у месторождения перед отгрузкой на завод.

Материалы пульверизуют и классифицируют по размеру частиц. Первичные дробилки — щековые или конусные — уменьшают крупные куски до управляемых размеров. Первый шаг производства плитки — дозирование ингредиентов. При влажном помоле добавляют воду, и смесь помолют в шаровой мельнице. Излишки влаги удаляют фильтр-прессованием с последующей распылительной сушкой, производя тонкую пудру, прессуемую в форму.

Вторичное дробление дальше уменьшает частицы молотковыми или муллеровскими мельницами; муллеровская использует стальные колеса в мелком вращающемся тазу, а молотковая — быстро движущиеся стальные молотки. Для более мелких размеров используют барабанные мельницы с помоловыми телами — чаще всего шаровые мельницы.

Сита разделяют частицы по размеру. Работающие под наклоном и вибрирующие механически или электромеханически, они классифицируются по номеру ячейки; более высокие номера — меньшие отверстия.

Глазурь — стекловидное покрытие, плавится на поверхности плитки при обжиге, затем затвердевает при остывании. Глазури дают влагостойкость и декоративные финиши, доступны в широкой гамме цветов и текстур.

Процесс производства

После подготовки сырья производственная последовательность — дозирование, смешивание, помол, распылительная сушка, формовка, сушка, глазирование и обжиг — продолжается в основном на автоматизированном оборудовании.

Дозирование

• Состав тела и цвет зависят от пропорций сырья. Точные расчеты дозирования учитывают физические и химические свойства. Взвешивание точных количеств обеспечивает желаемые характеристики плитки.

Смешивание и помол

• Ингредиенты загружают в оболочечный, ленточный или интенсивный миксер. Оболочечные кувыркаются в V-цилиндре; ленточные используют винтовые лопатки; интенсивные — быстрые плуги. Этот этап дальше помолает смесь, давая более мелкий размер частиц, улучшающий последующую формовку.
• При влажном помоле добавляют воду для создания суспензии или слайма. Слайм затем фильтр-прессуют (удаляя 40–50% влаги) и сухо помолют.

Распылительная сушка

• Излишки воды от влажного помола удаляют распылительной сушкой: слайм распыляют в капли, сушащиеся в столбе горячего воздуха, образуя свободно сыпучие гранулы, подходящие для формовки.
• Альтернативно, сухой помол может следовать гранулированию: сухой материал смешивают с водой для образования гранул, которые затем сушат.

Формовка

• Большинство плиток делают сухим прессованием. Пудра — часто с низким процентом влаги или органическим связующим — течет из бункера в формовочную матрицу, где стальные плунжеры сжимают её до 2500 тонн. Автоматизированный пресс затем извлекает плитку.
• Другие методы: экструзия-с-пробойкой для нерегулярных форм и более тонких плиток, рам-прессинг для сильно профилированных плиток, и давление глазирования, объединяющее глазирование и формовку в одной матрице, устраняющее линии глазури и отходы-ил.

Сушка

• Влажно-произведенные плитки требуют сушки для предотвращения усадочных трещин. Непрерывные или туннельные сушики — на газе, масле, ИК-лампах или микроволновой энергии — медленно удаляют влагу. ИК-сушка подходит для тонких плиток; микроволновая — лучше для толстых. Импульсная сушка подает горячие воздушные импульсы поперек.

Глазирование

• Глазурь готовят теми же дозированием, смешиванием и помолом, что и тело. Наносят центрифугальным глазированием, колокольно-водопадным распылением или простым распылением. Для многослойных глазурей используют шелкографию с резиновым ракелем.
• Сухое глазирование — нанесение порошковых фритов или гранулированных глазурей на влажно-глазурированную поверхность — после обжига дает гранитоподобный финиш.

Обжиг

• Плитки обжигают в туннельных или непрерывных печах, движущихся на конвейере или в саггерах. Настенные плитки (сухой помол) обычно проходят двухступенчатый процесс: низкотемпературный бисквит-обжиг для удаления летучих, затем глазурированный обжиг тела и глазури. Каждый цикл 2–3 дня при ~1300 °C.
• Влажно-произведенные плитки требуют только одинарного обжига, обычно в роликовой печи. Время обжига может быть всего 60 минут при ~1150 °C или выше.
• После обжига плитки инспектируют, упаковывают и отгружают.

Побочные продукты

Производство плитки генерирует разные загрязнители, требующие контроля для соответствия стандартам качества воздуха. Фтористые и свинцовые соединения возникают при обжиге и глазировании. Свинцовые выбросы резко упали благодаря безсвинцовым или низкосвинцовым глазурям. Фтор можно улавливать скрабберами, распыляющими воду в выхлопные газы, или сухими фильтрами с известью — эту известь позже можно рециклировать как сырье.

Заводы также разрабатывают процессы рециклинга сточных вод и осадков. Излишки пудры от сухого прессования, оверспрей глазирования и бракованные плитки реинтегрируют в цикл подготовки тела, снижая отходы.

Контроль качества

Статистический процессный контроль (SPC) мониторит каждый производственный шаг — от размера частиц и времени помола до температуры сушки, давления уплотнения, размеров, плотности и профиля обжига. SPC-карты флагуют проблемы оборудования и out-of-spec условия, позволяя ранние улучшения выхода.

Готовые продукты должны соответствовать стандартам ASTM по механической прочности, абразивной стойкости, химической стойкости, водопоглощению, размерной стабильности, морозостойкости и линейному термическому расширению. Противоскольжение — измеряемое коэффициентом трения — набирает важность, хотя универсального стандарта пока нет.

Будущее

Для устойчивого роста производители фокусируются на новых линейках: модульные и облицовочные плитки, более крупные форматы, противоскользящие и абразивностойкие поверхности, полированные финиши, имитирующие гранит или мрамор. Усовершенствования в телесовых формулировках, химии глазури и техниках нанесения — в комбинации с передовой обработкой оборудования — движут инновации.

Автоматизация останется ключевой для повышения выхода, снижения затрат и улучшения качества. Экологические и энергоэффективностные соображения продолжат формировать производственные технологии, поощряя принятие более чистых процессов и ресурсосберегающих практик.