Keramikfliese

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Hintergrund

Wand- und Bodenfliesen, die für die Innen- und Außendekoration verwendet werden, gehören zu einer Klasse von Keramiken, die als Whitewares bekannt sind. Die Herstellung von Fliesen geht auf alte Zeiten und Völker zurück, darunter die Ägypter, Babylonier und Assyrer. Zum Beispiel die Stufenpyramide für den Pharao Djoser, die im alten Ägypten um 2600 v. Chr. erbaut wurde. , enthalten bunt glasierte Fliese. Später wurden Keramikfliesen in praktisch jedem größeren europäischen Land und in den Vereinigten Staaten hergestellt. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden Fliesen im industriellen Maßstab hergestellt. Die Erfindung des Tunnelofens um 1910 verstärkte die Automatisierung der Ziegelherstellung. Die Fliesenherstellung ist heute hochautomatisiert.

Das American National Standards Institute unterteilt Fliesen in mehrere Klassifikationen. Keramikmosaikfliesen können entweder aus Porzellan . sein oder aus einer natürlichen Tonzusammensetzung mit einer Größe von weniger als 39 cm2 (6 in.2). Dekorative Wandfliese ist eine glasierte Fliese mit einem dünnen Körper, die für die Innendekoration von Wohnwänden verwendet wird. Pflasterfliesen sind glasierte oder unglasierte Porzellan- oder Naturtonfliesen mit einer Größe von 39 cm2 (6 in.2) oder mehr. Porzellanfliesen sind keramische Mosaikfliesen oder Pflasterfliesen, die nach einer bestimmten Methode hergestellt werden, die als Trockenpressen bezeichnet wird. Bruchsteine ​​sind glasierte oder unglasierte Fliesen in der gleichen Größe wie Pflastersteine, die jedoch nach einem anderen Herstellungsverfahren hergestellt wurden.

Europa, Lateinamerika und der Ferne Osten sind die größten Fliesenproduzenten, wobei Italien mit 16,6 Mio. Brasilien und Deutschland (beide 11,2 Prozent) sowie die USA (4,5 Prozent). Der Gesamtmarkt für Boden- und Wandfliesen betrug 1990 einer Schätzung zufolge 2,4 Milliarden US-Dollar.

Die Vereinigten Staaten haben ungefähr 100 Fabriken, die Keramikfliesen herstellen, die 1990 nach Angaben des US-Handelsministeriums etwa 507 Millionen ft.2 ausgeliefert haben. Die US-Importe machten 1990 nach Volumen etwa 60 Prozent des Verbrauchs aus, im Wert von etwa 500 Millionen US-Dollar. Italien macht fast die Hälfte aller Importe aus, gefolgt von Mexiko und Spanien. Die US-Exporte haben ein gewisses Wachstum erfahren, von 12 Millionen US-Dollar im Jahr 1988 auf etwa 20 Millionen US-Dollar im Jahr 1990.

Da die Fliesenindustrie ein relativ reifer Markt ist und von der Bauindustrie abhängig ist, wird das Wachstum langsam sein. Das US-Handelsministerium schätzt, dass der Fliesenverbrauch in den nächsten fünf Jahren um drei bis vier Prozent steigen wird. Eine andere wirtschaftliche Analyse prognostiziert, dass 1992 494 Millionen ft.2 verschifft werden, ein Wachstum von etwa 4 Prozent gegenüber dem Vorjahr. Einige Fliesenhersteller sind etwas optimistischer; Eine Umfrage der American Ceramic Society ergab ein durchschnittliches Wachstum von rund 36 Prozent pro Hersteller in den nächsten fünf Jahren.

Rohstoffe

Die Rohstoffe für die Herstellung von Fliesen bestehen aus Tonmineralien, die aus der Erdkruste gewonnen werden, natürlichen Mineralien wie Feldspat, die zur Herabsetzung der Brenntemperatur verwendet werden, und chemischen Zusätzen, die für den Formgebungsprozess benötigt werden. Die Mineralien werden oft in der Nähe der Mine raffiniert oder aufbereitet, bevor sie an die Keramikfabrik geliefert werden.

Die Rohstoffe müssen pulverisiert und nach Korngröße klassiert werden. Vorbrecher werden verwendet, um große Materialklumpen zu zerkleinern. Es kommt entweder ein Backenbrecher oder ein Kreiselbrecher zum Einsatz, die mit einem horizontalen Die Initiale Schritt bei der Herstellung von Keramikfliesen beinhaltet das Mischen der Zutaten. Manchmal wird dann Wasser hinzugefügt und die Zutaten werden nass gemahlen oder in einer Kugelmühle gemahlen. Beim Nassmahlen wird das überschüssige Wasser durch Filterpressen und anschließende Sprühtrocknung entfernt. Das resultierende Pulver wird dann in die gewünschte Fliesenkörperform gepresst. Quetschbewegung zwischen Stahlplatten bzw. Drehbewegung zwischen Stahlkegeln.

Sekundärzerkleinerung zerkleinert kleinere Klumpen zu Partikeln. Häufig werden Hammer- oder Müllermühlen verwendet. Eine Muller-Mühle verwendet Stahlräder in einer flachen rotierenden Pfanne, während eine Hammermühle schnell bewegliche Stahlhämmer verwendet, um das Material zu zerkleinern. Es können auch Walzen- oder Kegelbrecher verwendet werden.

Ein dritter Schritt zur Verringerung der Teilchengröße kann erforderlich sein. Trommelmühlen werden in Kombination mit Mahlkörpern verwendet. Eine der gebräuchlichsten Arten solcher Mühlen ist die Kugelmühle, die aus großen rotierenden Zylindern besteht, die teilweise mit kugelförmigen Mahlkörpern gefüllt sind.

Siebe dienen zur Abscheidung von Partikeln in einem bestimmten Größenbereich. Sie arbeiten in Schräglage und werden mechanisch oder elektromechanisch vibriert, um den Materialfluss zu verbessern. Siebe werden nach der Maschenzahl klassifiziert, die die Anzahl der Öffnungen pro linearem Zoll der Sieboberfläche ist. Je höher die Maschenzahl, desto kleiner die Öffnungsgröße.

Eine Glasur ist ein Glasmaterial, das dazu bestimmt ist, beim Brennen auf der Oberfläche der Fliese aufzuschmelzen und dann beim Abkühlen an der Fliesenoberfläche haftet. Glasuren werden verwendet, um Feuchtigkeitsbeständigkeit und Dekoration zu verleihen, da sie eingefärbt werden können oder spezielle Texturen erzeugen können.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Nachdem die Rohstoffe verarbeitet sind, erfolgen eine Reihe von Schritten, um das fertige Produkt zu erhalten. Diese Schritte umfassen Batching, Mischen und Mahlen, Sprühtrocknen, Formen, Trocknen, Glasieren und Brennen. Viele dieser Schritte werden jetzt unter Verwendung automatisierter Geräte durchgeführt.

Stapelverarbeitung

• 1 Bei vielen Keramikprodukten, einschließlich Fliesen, wird die Körperzusammensetzung durch die Menge und Art der Rohstoffe bestimmt. Die Rohstoffe bestimmen auch die Farbe des Fliesenkörpers, die je nach Menge der eingesetzten eisenhaltigen Rohstoffe rot oder weiß sein kann. Daher ist es wichtig, die richtigen Mengen miteinander zu mischen, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Daher sind Chargenberechnungen erforderlich, die sowohl physikalische Eigenschaften als auch chemische Zusammensetzungen der Rohstoffe berücksichtigen müssen. Sobald das geeignete Gewicht jedes Rohstoffs bestimmt ist, müssen die Rohstoffe miteinander vermischt werden.

Mischen und Mahlen

• 2 Nach dem Wiegen der Zutaten werden sie zusammen in einen Schalenmischer, Bandmischer oder Intensivmischer gegeben. Ein Schalenmischer besteht aus zwei zu einem V verbundenen Zylindern, die sich drehen, um das Material zu taumeln und zu mischen. Ein Bandmischer verwendet spiralförmige Schaufeln und ein Intensivmischer verwendet schnell drehende Pflüge. In diesem Schritt werden die Zutaten weiter gemahlen, was zu einer feineren Partikelgröße führt, die den nachfolgenden Formprozess verbessert (siehe Schritt 4 unten).

  Manchmal ist es notwendig, Wasser zuzugeben, um die Durchmischung einer Charge mit mehreren Zutaten zu verbessern sowie um eine feine Vermahlung zu erreichen. Dieses Verfahren wird Nassmahlen genannt und wird oft mit einer Kugelmühle durchgeführt. Die resultierende wassergefüllte Mischung wird als Aufschlämmung oder Schlicker bezeichnet. Das Wasser wird dann durch Filterpressen (das 40-50 Prozent der Feuchtigkeit entfernt) aus der Aufschlämmung entfernt, gefolgt von Trockenmahlen.

Sprühtrocknung

• 3 Beim ersten Nassmahlen wird das überschüssige Wasser in der Regel durch Sprühtrocknung entfernt. Dabei wird die Aufschlämmung zu einem Zerstäuber gepumpt, der aus einer schnell rotierenden Scheibe oder Düse besteht. Tröpfchen des Schlickers werden getrocknet, während sie durch eine aufsteigende Heißluftsäule erhitzt werden, und bilden kleine, frei fließende Körnchen, die ein zum Formen geeignetes Pulver ergeben.

  Fliesenkörper können auch durch Trockenschleifen mit anschließender Granulierung hergestellt werden. Die Granulierung verwendet eine Maschine, in der die Mischung aus zuvor trocken gemahlenem Material mit Wasser vermischt wird, um die Partikel zu Granulaten zu formen, die wiederum ein zum Formen bereites Pulver bilden.

Formen

• 4 Die meisten Fliesen werden durch Trockenpressen geformt. Bei diesem Verfahren fließt das rieselfähige Pulver – das organisches Bindemittel oder einen geringen Feuchtigkeitsanteil enthält – aus einem Trichter in das Formwerkzeug. Das Material wird in einem Stahlhohlraum durch Stahlkolben komprimiert und dann durch den unteren Kolben ausgestoßen. Bei einem Betriebsdruck von bis zu 2.500 Tonnen werden automatisierte Pressen eingesetzt.

  Es werden auch mehrere andere Verfahren verwendet, bei denen der Fliesenkörper in einer feuchteren, formbareren Form vorliegt. Extrusion plus Stanzen wird verwendet, um unregelmäßig geformte Fliesen und dünnere Fliesen schneller und wirtschaftlicher herzustellen. Dabei wird eine Kunststoffmasse in einem Hochdruckzylinder verdichtet und das Material gezwungen, aus dem Zylinder in kurze Butzen zu fließen. Diese Rohlinge werden dann mit hydraulischen oder pneumatischen Stanzpressen zu einem oder mehreren Ziegeln gestanzt.

  Bei stark profilierten Fliesen wird häufig Rampressen verwendet. Bei diesem Verfahren werden extrudierte Rohlinge des Fliesenkörpers zwischen zwei Hälften einer harten oder porösen Form gepresst, die in einer hydraulischen Presse montiert ist. Das geformte Teil wird entfernt, indem zuerst ein Vakuum an die obere Hälfte der Form angelegt wird, um das Teil von der unteren Hälfte zu lösen, gefolgt von Drücken von Luft durch die obere Hälfte, um das obere Teil zu befreien. Überschüssiges Material muss vom Teil entfernt werden und es kann eine zusätzliche Nachbearbeitung erforderlich sein.

  Kürzlich wurde ein anderes Verfahren entwickelt, das als Druckverglasung bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren werden Glasieren und Formen gleichzeitig kombiniert, indem die Glasur (in sprühgetrockneter Pulverform) direkt in die mit dem Fliesenkörperpulver gefüllte Matrize gepresst wird. Zu den Vorteilen zählen der Wegfall von Glasurlinien sowie des Glasurabfalls (sogenannter Schlamm), der bei der herkömmlichen Methode anfällt.

Trocknen

• 5 Keramikfliesen müssen nach dem Formen normalerweise (bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit) getrocknet werden, insbesondere wenn ein Nassverfahren verwendet wird. Durch das Trocknen, das mehrere Tage dauern kann, wird das Wasser langsam genug entfernt, um Schrumpfrisse zu vermeiden. Zum Einsatz kommen Durchlauf- oder Tunneltrockner, die mit Gas oder Öl, Infrarotlampen oder Mikrowellenenergie beheizt werden. Die Infrarottrocknung eignet sich besser für dünne Fliesen, während die Mikrowellentrocknung für dickere Fliesen besser geeignet ist. Ein anderes Verfahren, die Impulstrocknung, verwendet pulsierende Heißluftströme in Querrichtung statt kontinuierlich in Materialflussrichtung.

Verglasung

• 6 Zur Vorbereitung der Glasur werden ähnliche Verfahren wie für den Fliesenkörper verwendet. Nach der Berechnung einer Chargenformulierung werden die Rohstoffe gewogen, gemischt und trocken oder nass gemahlen. Die gemahlenen Glasuren werden dann mit einer der vielen zur Verfügung stehenden Methoden aufgetragen. Bei der Schleuderverglasung oder -scheibe wird die Glasur durch eine rotierende Scheibe geführt, die die Glasur auf die Fliese schleudert oder schleudert. Bei der Glocken-Wasserfall-Methode fällt ein Glasurstrom auf die Fliese, wenn sie auf einem darunter liegenden Förderband passiert. Manchmal wird die Glasur einfach aufgesprüht. Für Mehrfachglasuranwendungen wird Siebdruck auf, unter oder zwischen nass glasierten Fliesen verwendet. Bei diesem Verfahren wird die Glasur mit einem Gummirakel oder einem anderen Gerät durch ein Sieb gedrückt.

  Auch Trockenverglasungen kommen zum Einsatz. Dies beinhaltet die Anwendung von Pulvern, zerkleinerten Fritten (Glasmaterialien) und granulierte Glasuren auf eine nassglasierte Fliesenoberfläche. Nach dem Brennen verschmelzen die Glasurpartikel zu einer granitähnlichen Oberfläche.

Schießen

• 7 Nach dem Glasieren muss die Fliese intensiv erhitzt werden, um sie zu festigen und ihr die gewünschte Porosität zu verleihen. Zwei Arten von Öfen, oder Nach dem Formen wird die Feile langsam (mehrere Tage) und bei hoher Luftfeuchtigkeit getrocknet, um Risse und Schrumpfen zu vermeiden . Als nächstes wird die Glasur aufgetragen und dann wird die Fliese in einem Ofen oder Ofen gebrannt. Obwohl einige Arten von Fliesen einen zweistufigen Brennprozess erfordern, werden nassgefräste Fliesen nur einmal bei Temperaturen von 2.000 Grad Fahrenheit oder mehr gebrannt. Nach dem Brennen wird die Fliese verpackt und versendet. Brennöfen, werden zum Brennen von Fliesen verwendet. Wandfliesen oder Fliese, die durch Trockenschleifen statt Nassfräsen hergestellt werden (siehe Nr. 2 und Nr. 3 oben), erfordern normalerweise einen zweistufigen Prozess. Bei diesem Verfahren durchläuft die Fliese vor dem Glasieren einen Niedertemperaturbrand, den sogenannten Biskuitbrand. Dieser Schritt entfernt die flüchtigen Stoffe aus dem Material und den größten Teil oder die gesamte Schrumpfung. Körper und Glasur werden dann gemeinsam in einem sogenannten Glanzbrand gebrannt. Beide Brennprozesse finden in einem Tunnel- oder Durchlaufofen statt, der aus einer Kammer besteht, durch die die Ware auf einem Förderband auf feuerfesten Matten – Regalen aus hochtemperaturbeständigen Materialien – oder in Behältern, sogenannten Saggern, langsam bewegt wird. Das Brennen in einem Tunnelofen kann zwei bis drei Tage dauern, bei Brenntemperaturen um 2.372 Grad Fahrenheit (1.300 Grad Celsius).

  Für Fliesen, die nur einen einzigen Brand erfordern – in der Regel Fliesen, die durch Nassfräsen vorbereitet werden – werden im Allgemeinen Rollenöfen verwendet. Diese Öfen bewegen die Ware auf einer Rollenbahn und kommen ohne Brennhilfsmittel wie Matten oder Sagger aus. Die Brenndauer in Rollenöfen kann bis zu 60 Minuten betragen, bei Brenntemperaturen um 2.102 Grad Fahrenheit (1.150 Grad Celsius) oder mehr.

• 8 Nach dem Brennen und Testen kann die Fliese verpackt und versendet werden.

Nebenprodukte

Bei den verschiedenen Herstellungsschritten entstehen eine Vielzahl von Schadstoffen; diese Emissionen müssen kontrolliert werden, um die Luftkontrollstandards zu erfüllen. Zu den Schadstoffen, die bei der Fliesenherstellung entstehen, zählen Fluor- und Bleiverbindungen, die beim Brennen und Glasieren entstehen. Bleiverbindungen wurden mit der jüngsten Entwicklung von bleifreien oder bleiarmen Glasuren erheblich reduziert. Fluoremissionen können mit Wäschern kontrolliert werden, Geräten, die die Gase im Wesentlichen mit Wasser besprühen, um schädliche Schadstoffe zu entfernen. Sie können auch mit Trockenprozessen, wie zB mit Kalk beschichteten Gewebefiltern, kontrolliert werden. Dieser Kalk kann dann als Rohstoff für zukünftige Fliesen recycelt werden.

Die Fliesenindustrie entwickelt auch Verfahren zur Wiederverwendung von Abwässern und Schlämmen, die beim Fräsen, Glasieren und Sprühtrocknen anfallen. Bereits einige Anlagen recyceln den beim Trockenpressen anfallenden Pulverüberschuss sowie den beim Glasieren entstehenden Overspray. Auch Glasurabfälle und aussortierte Fliesen werden zur Wiederverwendung in den Karosserieaufbereitungsprozess zurückgeführt.

Qualitätskontrolle

Die meisten Fliesenhersteller verwenden heute die statistische Prozesskontrolle (SPC) für jeden Schritt des Herstellungsprozesses. Viele arbeiten auch eng mit ihren Rohstofflieferanten zusammen, um sicherzustellen, dass die Spezifikationen erfüllt werden, bevor das Material verwendet wird. Die statistische Prozesskontrolle besteht aus Diagrammen, mit denen verschiedene Verarbeitungsparameter überwacht werden, wie Partikelgröße, Mahldauer, Trocknungstemperatur und -zeit, Pressdruck, Abmessungen nach dem Pressen, Dichte, Brenntemperatur und -zeit und dergleichen. Diese Diagramme identifizieren Probleme mit der Ausrüstung, die nicht den Spezifikationen entsprechen, und helfen, die Erträge zu verbessern, bevor das Endprodukt fertiggestellt ist.

Das Endprodukt muss bestimmte Spezifikationen bezüglich physikalischer und chemischer Eigenschaften erfüllen. Diese Eigenschaften werden durch Standardtests der American Society of Testing and Materials (ASTM) bestimmt. Zu den gemessenen Eigenschaften gehören mechanische Festigkeit, Abriebfestigkeit, chemische Beständigkeit, Wasseraufnahme, Dimensionsstabilität, Frostbeständigkeit und linearer Wärmeausdehnungskoeffizient. In jüngerer Zeit ist die Rutschfestigkeit, die durch Messung des Reibungskoeffizienten bestimmt werden kann, ein Problem geworden. Es wurde jedoch noch kein Standard festgelegt, da andere Faktoren (wie die richtige Bodengestaltung und -pflege) die Ergebnisse bedeutungslos machen können.

Die Zukunft

Um das Marktwachstum aufrechtzuerhalten, werden sich Fliesenhersteller auf die Entwicklung und Förderung neuer Fliesenprodukte konzentrieren, darunter Modul- oder Fassadenfliesen, großformatige Fliesen, rutsch- und abriebfeste Fliesen und Fliesen mit polierter, Granit- oder Marmoroberfläche. Dies wird durch die Entwicklung verschiedener Körperformulierungen, neuer Glasuren und Glasuranwendungen sowie durch neue und verbesserte Verarbeitungsgeräte und -techniken erreicht. Die Automatisierung wird weiterhin eine wichtige Rolle spielen, um die Produktion zu steigern, Kosten zu senken und die Qualität zu verbessern. Darüber hinaus werden sich die Veränderungen in der Produktionstechnologie aufgrund von Umwelt- und Energieressourcenproblemen fortsetzen.