Keramische tegel
Achtergrond
Wand- en vloertegels die worden gebruikt voor binnen- en buitendecoratie behoren tot een klasse van keramiek die bekend staat als witgoed. De productie van tegels gaat terug tot de oudheid en volkeren, waaronder de Egyptenaren, de Babyloniërs en de Assyriërs. Bijvoorbeeld de trappenpiramide voor de farao Djoser, gebouwd in het oude Egypte rond 2600
Het American National Standards Institute verdeelt tegels in verschillende classificaties. Keramische mozaïektegel kan ofwel porselein . zijn of van een natuurlijke kleisamenstelling met een afmeting van minder dan 39 cm2 (6 in.2). Decoratieve wandtegel is een geglazuurde tegel met een dun lichaam dat wordt gebruikt voor de binnenhuisarchitectuur van woonmuren. Bestratingstegels zijn geglazuurde of ongeglazuurde porseleinen tegels of tegels van natuurlijke klei met een afmeting van 39 cm2 (6 in.2) of meer. Porseleinen tegels zijn keramische mozaïektegels of bestratingstegels die zijn gemaakt met een bepaalde methode die droogpersen wordt genoemd. Steengroevetegel is een geglazuurde of ongeglazuurde tegel van dezelfde grootte als een straatsteen, maar gemaakt door een andere vormmethode.
Europa, Latijns-Amerika en het Verre Oosten zijn de grootste producenten van tegels, met Italië de leider met 16,6 miljoen ft.2/dag vanaf 1989. Na Italië (met 24,6 procent van de wereldmarkt) zijn Spanje (12,6%), Brazilië en Duitsland (beiden met 11,2 procent) en de Verenigde Staten (4,5 procent). Volgens een schatting bedroeg de totale markt voor vloer- en wandtegels in 1990 $ 2,4 miljard.
De Verenigde Staten hebben ongeveer 100 fabrieken die keramische tegels produceren, die volgens het Amerikaanse ministerie van Handel in 1990 ongeveer 507 miljoen ft.2 hebben verscheept. De invoer uit de VS, uitgedrukt in volume, was goed voor ongeveer 60 procent van het verbruik in 1990, met een waarde van ongeveer $ 500 miljoen. Italië is goed voor bijna de helft van alle invoer, gevolgd door Mexico en Spanje. De Amerikaanse export is enigszins gegroeid, van $ 12 miljoen in 1988 tot ongeveer $ 20 miljoen in 1990.
Omdat de tegelindustrie een relatief volwassen markt is en afhankelijk is van de bouwsector, zal de groei traag verlopen. Het Amerikaanse ministerie van Handel schat dat het tegelverbruik de komende vijf jaar met drie tot vier procent zal toenemen. Een andere economische analyse voorspelt dat in 1992 494 miljoen ft.2 zal worden verscheept, een groei van ongeveer 4 procent ten opzichte van het voorgaande jaar. Sommige tegelfabrikanten zijn wat optimistischer; een onderzoek van de American Ceramic Society toonde een gemiddelde groei van ongeveer 36 procent per fabrikant in de komende vijf jaar.
Grondstoffen
De grondstoffen die worden gebruikt om tegels te vormen, bestaan uit kleimineralen die uit de aardkorst worden gewonnen, natuurlijke mineralen zoals veldspaat die worden gebruikt om de baktemperatuur te verlagen en chemische toevoegingen die nodig zijn voor het vormproces. De mineralen worden vaak in de buurt van de mijn geraffineerd of verwerkt voordat ze naar de keramische fabriek worden verzonden.
De grondstoffen moeten worden verpulverd en ingedeeld naar deeltjesgrootte. Primaire brekers worden gebruikt om grote brokken materiaal te verkleinen. Er wordt ofwel een kaakbreker of een ronddraaiende breker gebruikt, die werken met een horizontale 
De initiaal stap in de vervaardiging van keramische tegels omvat het mengen van de ingrediënten. Soms wordt dan water toegevoegd en worden de ingrediënten nat gemalen of gemalen in een kogelmolen. Bij nat malen wordt het overtollige water verwijderd door middel van filterpersen gevolgd door sproeidrogen. Het resulterende poeder wordt vervolgens in de gewenste tegellichaamsvorm geperst. knijpende beweging tussen stalen platen of roterende beweging tussen stalen kegels, respectievelijk.
Secundair breken reduceert kleinere brokken tot deeltjes. Hamer- of mullermolens worden vaak gebruikt. Een mullermolen gebruikt stalen wielen in een ondiepe roterende pan, terwijl een hamermolen snel bewegende stalen hamers gebruikt om het materiaal te verpletteren. Er kunnen ook wals- of kegelbrekers worden gebruikt.
Een derde stap van het verkleinen van de deeltjesgrootte kan nodig zijn. Tuimelende soorten molens worden gebruikt in combinatie met maalmedia. Een van de meest voorkomende typen van dergelijke molens is de kogelmolen, die bestaat uit grote roterende cilinders die gedeeltelijk zijn gevuld met sferische maalmedia.
Schermen worden gebruikt om deeltjes in een bepaald groottebereik te scheiden. Ze werken in een schuine positie en worden mechanisch of elektromechanisch getrild om de materiaalstroom te verbeteren. Schermen worden geclassificeerd op maasnummer, dat is het aantal openingen per lineaire inch schermoppervlak. Hoe hoger het maasnummer, hoe kleiner de opening.
Een glazuur is een glasmateriaal dat is ontworpen om tijdens het bakken op het oppervlak van de tegel te smelten en dat vervolgens tijdens het afkoelen aan het tegeloppervlak hecht. Glazuren worden gebruikt om vochtbestendigheid en decoratie te bieden, omdat ze kunnen worden gekleurd of speciale texturen kunnen produceren.
Het fabricageproces
Nadat de grondstoffen zijn verwerkt, vinden er een aantal stappen plaats om tot het eindproduct te komen. Deze stappen omvatten batchen, mengen en malen, sproeidrogen, vormen, drogen, glaceren en bakken. Veel van deze stappen worden nu uitgevoerd met behulp van geautomatiseerde apparatuur.
Baten
- 1 Voor veel keramische producten, waaronder tegels, wordt de lichaamssamenstelling bepaald door de hoeveelheid en soort grondstoffen. De grondstoffen bepalen ook de kleur van het tegellichaam, deze kan rood of wit van kleur zijn, afhankelijk van de hoeveelheid gebruikte ijzerhoudende grondstoffen. Daarom is het belangrijk om de juiste hoeveelheden met elkaar te mengen om de gewenste eigenschappen te bereiken. Er zijn dus batchberekeningen nodig, waarbij rekening moet worden gehouden met zowel de fysieke eigenschappen als de chemische samenstelling van de grondstoffen. Zodra het juiste gewicht van elke grondstof is bepaald, moeten de grondstoffen met elkaar worden gemengd.
Mengen en malen
- 2 Nadat de ingrediënten zijn afgewogen, worden ze bij elkaar gevoegd in een schelpenmixer, lintmixer of intensieve mixer. Een schaalmenger bestaat uit twee cilinders die zijn samengevoegd tot een V, die roteert om te tuimelen en het materiaal te mengen. Een lintmixer gebruikt spiraalvormige schoepen en een intensieve mixer gebruikt snel draaiende ploegen. Deze stap vermaalt de ingrediënten verder, wat resulteert in een fijnere deeltjesgrootte die het daaropvolgende vormingsproces verbetert (zie stap #4 hieronder).
Soms is het nodig om water toe te voegen om het mengen van een batch met meerdere ingrediënten te verbeteren en om een fijne maling te bereiken. Dit proces wordt nat malen genoemd en wordt vaak uitgevoerd met behulp van een kogelmolen. Het resulterende met water gevulde mengsel wordt een slurry of slip genoemd. Het water wordt vervolgens uit de slurry verwijderd door filterpersen (waardoor 40-50 procent van het vocht wordt verwijderd), gevolgd door droog malen.
Sproeidrogen
- 3 Als eerst nat gemalen wordt, wordt het overtollige water meestal via sproeidrogen verwijderd. Hierbij wordt de slurry naar een verstuiver gepompt die bestaat uit een snel roterende schijf of mondstuk. Druppels van de slip worden gedroogd terwijl ze worden verwarmd door een stijgende hete luchtkolom, waarbij kleine, vrij vloeiende korrels worden gevormd die resulteren in een poeder dat geschikt is om te vormen.
Tegellichamen kunnen ook worden bereid door droog malen gevolgd door granuleren. Granulatie maakt gebruik van een machine waarin het mengsel van eerder drooggemalen materiaal wordt gemengd met water om de deeltjes tot korrels te vormen, die opnieuw een poeder vormen dat klaar is om te vormen.
Vormen
- 4 De meeste tegels worden gevormd door droogpersen. Bij deze methode stroomt het vrij stromende poeder, dat een organisch bindmiddel of een laag vochtpercentage bevat, vanuit een trechter in de vormmatrijs. Het materiaal wordt samengeperst in een stalen holte door stalen plunjers en wordt vervolgens uitgeworpen door de onderste plunjer. Er worden geautomatiseerde persen gebruikt met werkdrukken tot wel 2.500 ton.
Verschillende andere methoden worden ook gebruikt wanneer het tegellichaam zich in een nattere, meer vormbare vorm bevindt. Extrusie plus ponsen wordt gebruikt om onregelmatig gevormde tegels en dunnere tegels sneller en goedkoper te produceren. Dit houdt in dat een plastic massa in een hogedrukcilinder wordt samengeperst en het materiaal wordt gedwongen uit de cilinder te stromen in korte slakken. Deze slugs worden vervolgens met hydraulische of pneumatische ponsmachines tot één of meerdere tegels geponst.
Rampersen wordt vaak toegepast bij sterk geprofileerde tegels. Bij deze methode worden geëxtrudeerde slakken van het tegellichaam tussen twee helften van een harde of poreuze mal geperst die in een hydraulische pers is gemonteerd. Het gevormde deel wordt verwijderd door eerst vacuüm aan te brengen op de bovenste helft van de mal om het deel van de onderste helft te bevrijden, gevolgd door lucht door de bovenste helft te persen om het bovenste deel vrij te maken. Overtollig materiaal moet van het onderdeel worden verwijderd en er kan extra afwerking nodig zijn.
Een ander proces, drukbeglazing genaamd, is recentelijk ontwikkeld. Dit proces combineert glazuren en vormen tegelijkertijd door het glazuur (in gesproeidroogde poedervorm) direct in de matrijs gevuld met het tegellichaampoeder te persen. Voordelen zijn onder meer de eliminatie van beglazingslijnen, evenals het beglazingsafvalmateriaal (sludge genaamd) dat met de conventionele methode wordt geproduceerd.
Drogen
- 5 Keramische tegels moeten meestal na het vormen worden gedroogd (bij hoge relatieve vochtigheid), vooral als er een natte methode wordt gebruikt. Door het drogen, dat enkele dagen kan duren, wordt het water langzaam genoeg verwijderd om krimpscheuren te voorkomen. Er worden continu- of tunneldrogers gebruikt die worden verwarmd met gas of olie, infraroodlampen of microgolfenergie. Infrarooddrogen is beter geschikt voor dunne tegels, terwijl drogen in de magnetron beter werkt voor dikkere tegels. Een andere methode, impulsdrogen, maakt gebruik van pulsen van hete lucht die in dwarsrichting stromen in plaats van continu in de materiaalstroomrichting.
Beglazing
- 6 Om het glazuur voor te bereiden, worden vergelijkbare methoden gebruikt als voor het tegellichaam. Nadat een batchformulering is berekend, worden de grondstoffen gewogen, gemengd en droog of nat gemalen. De gefreesde glazuren worden vervolgens aangebracht met behulp van een van de vele beschikbare methoden. Bij centrifugale beglazing of schijfvorming wordt het glazuur door een roterende schijf gevoerd die het glazuur op de tegel gooit of gooit. Bij de bel/watervalmethode valt een stroom glazuur op de tegel terwijl deze op een transportband eronder loopt. Soms wordt het glazuur er gewoon op gespoten. Voor meervoudige glazuurtoepassingen wordt zeefdruk gebruikt op, onder of tussen tegels die nat geglazuurd zijn. Bij dit proces wordt glazuur door een zeef gedrukt door een rubberen rakel of een ander apparaat.
Er wordt ook gebruik gemaakt van droge beglazing. Dit omvat het aanbrengen van poeders, gemalen frits (glasmaterialen) en gegranuleerde glazuren op een natgeglazuurd tegeloppervlak. Na het bakken smelten de glazuurdeeltjes in elkaar en ontstaat er een oppervlak als graniet.
Vuren
- 7 Na het glazuren moet de tegel intensief verhit worden om hem te verstevigen en de gewenste porositeit te geven. Twee soorten ovens, of
Na het vormen wordt de vijl langzaam (gedurende enkele dagen) en bij een hoge luchtvochtigheid gedroogd om barsten en krimpen te voorkomen . Vervolgens wordt het glazuur aangebracht en vervolgens wordt de tegel gebakken in een oven of oven. Hoewel sommige soorten tegels een bakproces in twee stappen vereisen, worden natgemalen tegels slechts één keer gebakken, bij temperaturen van 2000 graden Fahrenheit of meer. Na het bakken wordt de tegel verpakt en verzonden. ovens, worden gebruikt voor het bakken van tegels. Wandtegels, of tegels die zijn voorbereid door droog slijpen in plaats van nat frezen (zie #2 en #3 hierboven), vereisen meestal een proces in twee stappen. In dit proces gaat de tegel door een bakproces bij lage temperatuur, bisque-bakken genoemd, voordat het wordt geglazuurd. Deze stap verwijdert de vluchtige stoffen uit het materiaal en de meeste of alle krimp. Het lichaam en het glazuur worden vervolgens samen gebakken in een proces dat glost-vuren wordt genoemd. Beide bakprocessen vinden plaats in een tunnel of continue oven, die bestaat uit een kamer waardoor het waren langzaam wordt bewogen op een transportband op vuurvaste matten - planken gemaakt van materialen die bestand zijn tegen hoge temperaturen - of in containers die saggers worden genoemd. Het bakken in een tunneloven kan twee tot drie dagen duren, met baktemperaturen rond de 2.372 graden Fahrenheit (1300 graden Celsius). Voor tegels waarvoor slechts één keer bakken nodig is - meestal tegels die worden voorbereid door nat frezen - worden over het algemeen rolovens gebruikt. Deze ovens verplaatsen de waren op een rollenbaan en vereisen geen ovenmeubels zoals matten of saggers. Baktijden in rolovens kunnen zo laag zijn als 60 minuten, met baktemperaturen rond 2.102 graden Fahrenheit (1150 graden Celsius) of meer.
- 8 Na het bakken en testen is de tegel klaar om verpakt en verzonden te worden.
Bijproducten
Tijdens de verschillende fabricagestappen wordt een verscheidenheid aan verontreinigende stoffen gegenereerd; deze emissies moeten worden gecontroleerd om te voldoen aan de luchtcontrolenormen. Tot de verontreinigende stoffen die bij de tegelproductie worden geproduceerd, behoren fluor- en loodverbindingen, die worden geproduceerd tijdens het bakken en glazuren. Loodverbindingen zijn aanzienlijk verminderd met de recente ontwikkeling van loodvrije of loodarme glazuren. Fluoremissies kunnen worden gecontroleerd met scrubbers, apparaten die de gassen in feite met water besproeien om schadelijke verontreinigende stoffen te verwijderen. Ze kunnen ook worden gecontroleerd met droge processen, zoals met kalk gecoate doekfilters. Deze kalk kan vervolgens worden hergebruikt als grondstof voor toekomstige tegels.
De tegelindustrie ontwikkelt ook processen voor het recyclen van afvalwater en slib dat vrijkomt bij het malen, glazuren en sproeidrogen. Sommige fabrieken recyclen al het overtollige poeder dat ontstaat tijdens het droogpersen en de overspray die tijdens het glazuren ontstaat. Afvalglazuur en afgekeurde tegels worden ook teruggestuurd naar het carrosserievoorbereidingsproces voor hergebruik.
Kwaliteitscontrole
De meeste tegelfabrikanten gebruiken nu statistische procescontrole (SPC) voor elke stap van het productieproces. Velen werken ook nauw samen met hun grondstofleveranciers om ervoor te zorgen dat aan de specificaties wordt voldaan voordat het materiaal wordt gebruikt. Statistische procescontrole bestaat uit grafieken die worden gebruikt om verschillende verwerkingsparameters te bewaken, zoals deeltjesgrootte, maaltijd, droogtemperatuur en -tijd, verdichtingsdruk, afmetingen na het persen, dichtheid, baktemperatuur en -tijd, en dergelijke. Deze grafieken identificeren problemen met apparatuur, buiten de specificaties vallende omstandigheden, en helpen de opbrengsten te verbeteren voordat het eindproduct klaar is.
Het eindproduct moet voldoen aan bepaalde specificaties met betrekking tot fysische en chemische eigenschappen. Deze eigenschappen worden bepaald door standaardtests die zijn opgesteld door de American Society of Testing and Materials (ASTM). Gemeten eigenschappen omvatten mechanische sterkte, slijtvastheid, chemische weerstand, waterabsorptie, maatvastheid, vorstbestendigheid en lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt. Meer recentelijk is de slipweerstand, die kan worden bepaald door de wrijvingscoëfficiënt te meten, een punt van zorg geworden. Er is echter nog geen norm vastgesteld omdat andere factoren (zoals een goed ontwerp en onderhoud van de vloer) resultaten zinloos kunnen maken.
De Toekomst
Om de marktgroei te behouden, zullen tegelfabrikanten zich concentreren op het ontwikkelen en promoten van nieuwe tegelproducten, waaronder modulaire tegels of bekledingstegels, grotere tegels, slip- en slijtvaste tegels en tegels met een gepolijste, granieten of marmeren afwerking. Dit wordt bereikt door de ontwikkeling van verschillende lichaamsformuleringen, nieuwe glazuren en glazuurtoepassingen, en door nieuwe en verbeterde verwerkingsapparatuur en -technieken. Automatisering zal een belangrijke rol blijven spelen in een poging om de productie te verhogen, de kosten te verlagen en de kwaliteit te verbeteren. Bovendien zullen veranderingen in productietechnologie als gevolg van milieu- en energiebronnenkwesties doorgaan.
Productieproces