Διερεύνηση και αποτελεσματική χρήση στερεών προσμίξεων στην πρώτη ύλη για την ανάπτυξη κεραμικών προϊόντων της κεραμοποιίας με βελτιωμένες ιδιότητες: κατηγοριοποίηση ανάλογα με το είδος της πρόσμιξης, την τελική ποιότητα και την εφαρμογή

Abstract

The development and evolution of ceramic products in the ceramics industry is a vital sector of construction. Solid additives have played an important role in improving the properties of the raw material to produce ceramics. This research focuses on the effective use of solid additives in the development of ceramic products in the brick and tile industry, categorized according to the type of additive, final quality and application. Solid additives can be classified into organic and inorganic additives. Organic additives, such as rice husk ash and straw, have been used in the ceramic industry to enhance the plasticity of the clay material. These additives have been found to improve the plasticity of the clay material during the molding process, leading to improved quality of the final product. Inorganic additives, such as quartz sand and crushed fired bricks (grog), have been found to improve the stability and homogeneity of the final product. The quality of the final product can be categorized according to its strength, porosity, insulating properties and aesthetic properties. Solid additives have been found to improve these properties in ceramic products. The application of solid additives in the ceramic industry is varied. Solid additives have also been used to improve the aesthetic properties of ceramic products, such as color and texture. The use of additives in the ceramic body can enhance the production environment in a brick industry by improving workability, strength, durability, reducing shrinkage, and increasing energy efficiency. These benefits can lead to increased production efficiency, reduced costs, and lower environmental impact, making it a valuable practice in the industry. Looking internationally at all compatible, towards the ceramics industry solutions, solid additives were collected and incorporated into clay mass to create improved properties both in terms of production environment (industry) and product (market). Very important was the determination of the suitability which was examined in excel environment platform that was created within this thesis. The suitability of a clay mixes according to the platform, based on both the chemical and particle size composition of the mixes, is important for the ceramics industry because it provides a simple and efficient method to evaluate the properties of the raw materials used in production. This helps to ensure that the clay raw materials used in production are of high quality and will result in a finished product that meets the required standards, leading to improved profitability and industry satisfaction. As a reference soil, a clay soil was selected that is used at an industrial level to produce tiles in the Greek market. To ensure the validity of the clay soil research in terms of ceramic product types, 12 different clay mixtures used for the manufacture of specific product types in the international market were collected. These mixtures consisted of a single clay soil, and the manufacture of pressed compact samples was carried out, leading to different final products. The properties of these final products were evaluated and compared with the reference soil. Subsequently, 11 different additives were collected the costs of which are not very high and are abundantly available in the international market. These additives were characterized and mixed with the reference clay soil. A calculation methodology was constructed for the admixture percentage based on the desired final density of the product to be manufactured. All mixes with the admixtures gave the calculated density results except for the mix with the expanded perlite. For this reason, a new round of experimental tests was carried out concerning the influence of the production environment on the mixing of the clay soil with the expanded perlite. To determine the behavior of the expanded perlite, 2 mixtures were made with different proportions of expanded perlite in the ceramic mass, one with 20% and one with 30%. For each mixture 3 different values of clay body pressure during extrusion were used 0.5, 0.7 and 0.9 Kp/cm2. The results showed the influence of the molding on the final products. The experimental study followed the following steps: 1. Construction of a clay suitability program for different types of ceramic products, based on the chemical and granulometry results of the tested mixture. 2. Preparation and construction of mixtures from the collected clay soils. Evaluation of extrusion, drying and firing results at 900oC. 3. The development of a computational method for determining the optimal admixture rate of clay soil and additives, predicated on achieving a specified final density, is hereby proposed. 4. Preparation and construction of mixtures of reference clays and collected additives. Their evaluation is based on the results of forming, drying and annealing in a common production environment. 5. Construction of mixtures with expanded perlite under different extrusion conditions and evaluation of the final products in the production environment. The behavior of clay soils and their mixtures with additives of 3 different categories (aggregates, lightweight and industrial residues) was investigated in a laboratory production environment simulating the real industrial production line. The specimens manufactured specimens had dimensions of 120x20x20mm and 180x40x20mm, depending on the experimental test. The aim was to test the behavior of plasticity, the resistance of drying sensitivity of insulating properties and reduce production costs. The investigation and effective use of solid additives in the raw material for the development of ceramic products showed promising results. Through categorization according to additive type, final quality, and application, it was found that these additives can significantly improve the properties of ceramic products in the brick and tile industry. Firstly, the addition of organic additives can enhance the plasticity of the raw material, resulting in a more uniform and homogeneous product. Secondly, additives such as red mud and kaolin can improve the mechanical strength of the final product. Finally, the addition of inert additives, such as quartz and mica, can improve the production environment by increasing the production capacity of the ceramics industry. Moreover, the effectiveness of these additives is also influenced by the method of application. It was found that the use of homogeneous mixing techniques, such as ball milling and three-phase drying, can lead to better dispersion and uniformity of additives in the raw material, resulting in a more cohesive product with improved properties. On the other hand, the use of heterogeneous mixing techniques, such as extrusion and compression, can lead to an uneven distribution of additives, resulting in inconsistent product quality. Overall, the investigation and effective use of solid additives in the raw material for the development of ceramic products has shown significant potential for improving the properties and quality of ceramic products in the brick and tile industry. By understanding the types of additives and their applications, as well as how to apply them, ceramic manufacturers can produce ceramic products with improved properties, resulting in a more competitive and profitable industry.

Η ανάπτυξη και η εξέλιξη των κεραμικών προϊόντων στον κλάδο της κεραμοποιίας αποτελεί ζωτικό τομέα των κατασκευών. Τα στερεά πρόσθετα έχουν διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στη βελτίωση των ιδιοτήτων της πρώτης ύλης για την παραγωγή κεραμικών. Η παρούσα έρευνα επικεντρώνεται στην αποτελεσματική χρήση στερεών πρόσθετων στην ανάπτυξη κεραμικών προϊόντων της βιομηχανίας τούβλων και κεραμιδιών, κατηγοριοποιημένων ανάλογα με τον τύπο του πρόσθετου, την τελική ποιότητα και την εφαρμογή.Τα στερεά πρόσθετα μπορούν να ταξινομηθούν σε οργανικά και ανόργανα πρόσθετα. Τα οργανικά πρόσθετα, όπως τέφρα φλοιού ρυζιού και άχυρο, έχουν χρησιμοποιηθεί στην κεραμική βιομηχανία για την ενίσχυση της πλαστικότητας του αργιλικού υλικού. Έχει διαπιστωθεί ότι αυτά τα πρόσθετα βελτιώνουν την ευπλαστότητα του αργιλικού υλικού κατά τη διαδικασία μορφοποίησης, οδηγώντας σε βελτιωμένη ποιότητα του τελικού προϊόντος. Τα ανόργανα πρόσθετα, όπως η χαλαζιακή άμμος και τα τριμμένα ψημένα τούβλα (grog), έχουν βρεθεί ότι βελτιώνουν τη σταθερότητα και την ομοιογένεια του τελικού προϊόντος.Η ποιότητα του τελικού προϊόντος μπορεί να κατηγοριοποιηθεί ανάλογα με την αντοχή, τo πορώδες του, τις μονωτικές ιδιότητες και τις αισθητικές του ιδιότητες. Έχει διαπιστωθεί ότι τα στερεά πρόσθετα βελτιώνουν αυτές τις ιδιότητες στα κεραμικά προϊόντα. Η εφαρμογή των στερεών προσθέτων στην κεραμική βιομηχανία ποικίλει ανάλογα με το επιθυμητό τελικό προϊόν. Στερεά πρόσθετα έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση των αισθητικών ιδιοτήτων των κεραμικών προϊόντων, όπως το χρώμα και η υφή. H χρήση πρόσθετων στην κεραμική μάζα μπορεί να ενισχύσει το παραγωγικό περιβάλλον σε μια βιομηχανία τούβλων βελτιώνοντας την εργασιμότητα, την αντοχή, την ανθεκτικότητα, μειώνοντας τη συρρίκνωση, και αυξάνοντας την ενεργειακή απόδοση. Αυτά τα οφέλη μπορούν να οδηγήσουν σε αυξημένη αποδοτικότητα της παραγωγής, μειωμένο κόστος και μικρότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις, καθιστώντας την πολύτιμη πρακτική στη βιομηχανία. Εξετάζοντας διεθνώς όλες τις συμβατές, προς τον χώρο της κεραμοποιίας λύσεις, στερεά πρόσθετα συλλέχθηκαν και ενσωματώθηκαν σε αργιλική μάζα ώστε να δημιουργηθούν βελτιωμένες ιδιότητες τόσο ως προς παραγωγικό περιβάλλον (βιομηχανία) όσο και ως προς το τελικό προϊόν (αγορά). Πολύ σημαντικός ήταν ο προσδιορισμός της καταλληλότητας που εξετάσθηκε σε πλατφόρμα περιβάλλοντος excel που δημιουργήθηκε στα πλαίσια της συγκεκριμένης διατριβής. Η καταλληλότητα μιας αργιλικής μίξης σύμφωνα με την πλατφόρμα, που βασίζεται τόσο στην χημική όσο και στην κοκκομετρική σύσταση των μίξεων, είναι σημαντική για την κεραμοποιία, διότι παρέχει μια απλή και αποτελεσματική μέθοδο για την αξιολόγηση των ιδιοτήτων των πρώτων υλών που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή. Αυτό συμβάλλει στη διασφάλιση ότι οι αργιλικές πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή είναι υψηλής ποιότητας και θα οδηγήσουν σε ένα τελικό προϊόν που πληροί τα απαιτούμενα πρότυπα, οδηγώντας σε βελτιωμένη κερδοφορία και ικανοποίηση της βιομηχανίας. Ως αργιλικό εδαφικό υλικό αναφοράς επιλέχθηκε ένα αργιλικό χώμα που χρησιμοποιείται σε βιομηχανικό επίπεδο για τη δημιουργία κεραμιδιών στην ελληνική αγορά. Για να διασφαλιστεί η ορθότητα της έρευνας του αργιλοχώματος ως προς τους τύπους των κεραμικών προϊόντων, συλλέχθηκαν 12 διαφορετικά αργιλικά μίγματα που χρησιμοποιούνται για τη κατασκευή συγκεκριμένων τύπων προϊόντων στη διεθνή αγορά. Οι μίξεις αυτές αποτελούνταν από ένα και μόνο αργιλικό χώμα, και πραγματοποιήθηκε κατασκευή πρεσαριστών συμπαγών δοκιμίων που οδήγησαν σε διαφορετικά τελικά προϊόντα. Οι ιδιότητες των τελικών αυτών προϊόντων αξιολογήθηκαν και συγκρίθηκαν με το χώμα αναφοράς. Στη συνέχεια συλλέχθηκαν 11 διαφορετικά προσθετικά που αφορούν αδρανή υλικά, ελαφροβαρή υλικά και βιομηχανικά κατάλοιπα και το κόστος προσάρτησής τους δεν είναι ιδιαίτερα υψηλό ενώ βρίσκονται σε αφθονία στη διεθνή αγορά. Τα προσθετικά αυτά χαρακτηρίστηκαν και πραγματοποιήθηκε πρόσμιξή τους με το αργιλικό χώμα αναφοράς. Για το ποσοστό πρόσμιξης των προσθετικών κατασκευάστηκε μεθοδολογία υπολογισμού που βασίζεται στην επιθυμητή τελική πυκνότητα του προϊόντος που θα κατασκευαστεί. Όλες οι μίξεις με τα προσθετικά έδωσαν τα υπολογισθέντα αποτελέσματα πυκνότητας εκτός από την μίξη με τον διογκωμένο περλίτη. Για το λόγο αυτό πραγματοποιήθηκε νέος κύκλος πειραματικών δοκιμών που αφορούσε στην επίδραση του παραγωγικού περιβάλλοντος στη μίξη του αργιλοχώματος με τον διογκωμένο περλίτη. Για τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς του διογκωμένου περλίτη κατασκευάστηκαν 2 μίξεις με διαφορετικές αναλογίες διογκωμένου περλίτη στην κεραμική μάζα, μία με 20% και μία με 30%. Για κάθε μίξη χρησιμοποιήθηκαν 3 διαφορετικές τιμές πίεσης του αργιλικού σώματος κατά την εξώθηση, 0.5, 0.7 και 0.9 Kp/cm2. Από τα αποτελέσματα προέκυψε η επιρροή της μορφοποίησης ως προς τα τελικά προϊόντα. Η πειραματική μελέτη ακολούθησε τα εξής στάδια: 1. Κατασκευή προγράμματος καταλληλότητας για αργιλικές μίξεις προς κατασκευή κεραμικών προϊόντων βασιζόμενη στη χημική και κοκκομετρική σύσταση της μίξης. 2. Κατασκευή μίξεων από τα συλλεχθέντα αργιλοχώματα. Αξιολόγηση των αποτελεσμάτων εξώθησης, ξήρανσης και όπτησης στους 900oC. 3. Δημιουργία υπολογιστικής μεθόδου ποσοστού πρόσμιξης αργιλοχώματος και προσθετικών βασιζόμενο στην τελική επιθυμητή πυκνότητα. 4. Κατασκευή μίξεων αργιλοχώματος αναφοράς και των προσθετικών που συλλέχθηκαν. Αξιολόγησή τους βάσει των αποτελεσμάτων μορφοποίησης, ξήρανσης και όπτησής τους σε κοινό περιβάλλον παραγωγής. 5. Κατασκευή μίξεων με διογκωμένο περλίτη σε διαφορετικές συνθήκες εξώθησης και αξιολόγηση των τελικών προϊόντων κατά το παραγωγικό περιβάλλον. Διερευνήθηκε η συμπεριφορά αργιλοχωμάτων και μίξεών τους με προσθετικά 3 διαφορετικών κατηγοριών (αδρανή, ελαφροβαρή και βιομηχανικά κατάλοιπα) σε εργαστηριακό παραγωγικό περιβάλλον που προσομοίωσε την πραγματική παραγωγική γραμμή βιομηχανίας. Τα δείγματα που κατασκευάστηκαν είχαν διαστάσεις 120x20x20mm και 180x40x20mm, ανάλογα με την πειραματική δοκιμή. Στόχος ήταν ο έλεγχος της συμπεριφοράς της πλαστικότητας, αντοχής ευαισθησίας ξήρανσης μονωτικών ιδιοτήτων και μείωση κόστους παραγωγής. Η διερεύνηση και η αποτελεσματική χρήση στερεών πρόσθετων στην πρώτη ύλη για την ανάπτυξη κεραμικών προϊόντων έδειξε πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα. Μέσω της κατηγοριοποίησης ανάλογα με τον τύπο του πρόσθετου, την τελική ποιότητα και την εφαρμογή, διαπιστώθηκε ότι τα εν λόγω πρόσθετα μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά τις ιδιότητες των κεραμικών προϊόντων στη βιομηχανία τούβλων και κεραμιδιών. Πρώτον, η προσθήκη οργανικών προσθέτων μπορεί να ενισχύσει την πλαστικότητα της πρώτης ύλης, με αποτέλεσμα ένα πιο ομοιόμορφο και ομοιογενές προϊόν. Δεύτερον, πρόσθετα, όπως η ερυθρά ιλύς και ο καολίνης, μπορούν να βελτιώσουν τη μηχανική αντοχή του τελικού προϊόντος. Τέλος, η προσθήκη αδρανών προσθέτων, όπως ο χαλαζίας και ο μαρμαρυγίας, μπορεί να βελτιώσει το παραγωγικό περιβάλλον αυξάνοντας την παραγωγική ικανότητα της κεραμοποιίας. Επιπλέον, η αποτελεσματικότητα αυτών των προσθέτων επηρεάζεταικαι από τη μέθοδο εφαρμογής. Διαπιστώθηκε ότι η χρήση τεχνικών ομοιογενούς ανάμιξης, όπως η άλεση από σφυρόμυλους και η ξήρανση με τρεις φάσεις, μπορεί να οδηγήσει σε καλύτερη διασπορά και ομοιομορφία των προσθέτων στην πρώτη ύλη, με αποτέλεσμα ένα πιο συνεκτικό προϊόν με βελτιωμένες ιδιότητες. Από την άλλη πλευρά, η χρήση ετερογενών τεχνικών ανάμιξης, όπως η εξώθηση και η συμπίεση, μπορεί να οδηγήσει σε ανομοιόμορφη κατανομή των προσθέτων, οδηγώντας σε ασυνεπή ποιότητα του προϊόντος. Συνολικά, η διερεύνηση και η αποτελεσματική χρήση στερεών πρόσθετων στην πρώτη ύλη για την ανάπτυξη κεραμικών προϊόντων παρουσίασε σημαντικές δυνατότητες για τη βελτίωση των ιδιοτήτων και της ποιότητας των κεραμικών προϊόντων στη βιομηχανία τούβλων και κεραμιδιών. Με την κατανόηση των τύπων των προσθέτων και των εφαρμογών τους, καθώς και του τρόπου εφαρμογής, οι κεραμοποιίες μπορούν να παράξουν κεραμικά προϊόντα με βελτιωμένες ιδιότητες, με αποτέλεσμα μια πιο ανταγωνιστική και κερδοφόρα βιομηχανία.