طراحی کارخانه کاشی و سرامیک

کارخانه تولید کاشی و سرامیک

طبق تعاریف قدیم، یک فرآورده سرامیکی محصولی است از دوغاب (مخلوطی از خاک و آب) که در یک محیط گرم و خشک و در نهایت در آتش سخت می‌گردد.

مطابق تعاریف جدید سرامیک‌ها عبارتند از اشیاء جامدی که اجزاء اصلی تشکیل دهنده آنها مواد معدنی غیر فلزی بوده که ابتدا شکل گرفته و سپس در حرارت سخت می‌گردند.

کشور ایران با تاریخ و تمدن کهن در هنر و صنعت و برخورداری از ذخایر متنابهی از مواد اولیه از دیر باز با عنوان بستری مناسب برای صنعت کاشی و سرامیک مطرح بوده‌است. تولید کاشی سرامیکی در این سرزمین از مراحل بسیار اولیه و با روشهای ابتدایی از حدود ۱۲۵۰ سال قبل از میلاد مسیح با تولید انواع آجرهای لعابدار، کاشی‌های تزیینی و مینا آغاز شده‌است.

سرامیک‌ها در چهار خانواده بزرگ به شرح زیر طبقه بندی می‌شود:

:: فرآورده های ویژه و سرامیک‌های تکنیکی

:: دیر گدازها

:: فرآورده های زمخت

:: فرآورده های ظریف

خانواده فرآورده های ظریف به چهار دسته زیر تقسیم می‌شوند:

:: ظروف خانگی

:: سرامیک‌های بهداشتی

:: کاشی‌ها

:: مقرء ها و عایق‌های الکتریکی

دستگاه های درگیر در فرآیند تولید: ( اصلی)

۱- سنگ شکن

۲- باکسفیدر

۳- بالمیل دوغاب و لعاب

۴- اسپری درایر

۵- دستگاه پرس

۶- کوره های رولری و تونلی

۷- خط لعاب و دکور زنی

۸- بسته بندی و درجه بندی

۱- آماده سازی مواد اولیه بدنه کاشی‌ها:

مواد اولیه عمده بدنه کاشی‌ها خاک‌های مختلفی است که از معادن کشور تأمین می‌شود.

به طور کلی این مواد شامل سه دسته زیر می‌باشند که بر اساس نقش آنها در بدنه طبقه بندی گردیده‌اند:

:: مواد اولیه پلاستیک

:: پر کننده‌ها (فیلرها Fillers)

:: کمک ذوبها یا گداز آورها (Fluxes)

۱.۱. مواد پلاستیک

رس‌ها مهم‌ترین، پر مصرفترین و قدیمیترین مواد اولیه در صنعت سرامیک می‌باشند و اصولاً صنعت سرامیک حیات خود را مدیون رس می‌باشد. دلایل عمده استفاده از رس‌ها در این صنعت:

به علت وجود بنیان‌های مولکولی Sio2,Al203 در ساختمان رس‌ها بعد از پخت فازهای بسیار سخت سیلیکاتی را تولید نموده و موجب افزایش مقاومت در محصولات می‌گردند. کانی‌های رسی با سختی تقریباً یک موجب ورود این بنیان‌ها در فرمول بدنه می‌گردند. در حالی که اگر بخواهیم همین مواد را به طور خالص که بنام کوارتز و کراندم با سختی به ترتیب ۷ و ۹ می‌باشند در فرمول وارد کنیم سایش آنها تقریباً غیر ممکن و بسیار هزینه بر خواهد بود.بنابراین هزینه خریداری رس‌ها بسیار پایین‌تر از مواد دیگر است.همچنین رس‌ها به واسطه خاصیت پلاستیسیته موجبات شکل پذیری آسان‌تر محصول را فراهم می‌آورند و از طرفی به واسطه چسبندگی بالایی که دارند می‌توانند باعث افزایش استحکام خام و خشک و کاهش ضایعات گردند و این امکان را فراهم آورند که بر روی محصول دکورها و چاپ‌های مختلف اعمال گردد.

۱.۲. پرکننده‌ها:

مواد غیر پلاستیکی هستند که به بدنه اضافه می‌گردند و معمولاً دارای نقطه ذوب بالا و مقاومت شیمیایی خوبی بوده و مهم‌ترین وظیفه آنها جلوگیری از تغییر شکل بدنه در طول پخت، انبساط حرارتی مناسب و کنترل انقباض‌تر به خشک و خشک به پخت می‌باشد.

مهم‌ترین و رایج‌ترین پر کننده‌ها در صنعت سرامیک سیلیس و آلومین (کروندوم) می‌باشد. مهم‌ترین نقش سیلیس تشکیل فازهای سیلیکاتی سخت و حتی فلز مایع در حین پخت است که باعث چسبیدن ذرات دیگر می‌شود. مصرف آلومین علاوه بر نقش‌های مذکور باعث می‌شود که بتوان محصول نازک‌تر تولید نمود و نیز باعث کاهش تغییر شکل محصول در حین پخت و کاهش ترک‌های پخت و بهبود  رنگ فراورده و نیز افزایش مقاومت شیمیایی می‌گردد.

۱.۳. گدازآورها:

گدازآورها موادی هستند که به جهت کاهش نقطه ذوب بدنه و یا لعاب مصرف بالایی در این صنعت دارند. گدازآورها در هنگام پخت بدنه ذوب گردیده و در هنگام سرد شدن فاز شیشه ای را در بدنه به وجود می‌آوردند که کلیه بلورهای موجود در بدنه پخته در بر گرفته و بدین ترتیب موجب افزایش استحکام محصول نهایی می‌گردند.

مهم‌ترین گدازآورهای بدنه، اکسید های سدیم، پتاسیم، کلسیم و منیزیم می‌باشند که جهت تأمین آنها از فلدسپاتهای سدیک، پتاسیک و کلسیک استفاده می‌شود.

اما غیر از این مواد، موادی نظیر کربنات‌ها مثل کلیست و دولومیت نیز در بدنه کاشی‌های دیواری مصرف می‌شود که نقش تأمین جذب آب را در این کاشی‌ها ایفا می‌نماید.

۱.آماده سازی

منظور از آماده سازی مواد اولیه اعمالی است که بعد از ورود مواد اولیه به کارخانه و قبل از توزین و اختلاط آنها، انجام می‌گیرد این مرحله اولین مرحله در خط تولید کارخانجات بوده و به طور عمده شامل خرد کردن و آسیاب نمودن مواد است. آماده سازی مواد اولیه بسته به نوع مواد و اندازه آنها متفاوت است.

در مرحله خردایش که بیشتر در مورد مواد سخت و دانه درشت بکار می‌رود توسط یک سری از سنگ شکن‌های مختلف مواد درشت به مواد ریز تبدیل می‌گردد. سنگ شکن‌های مختلف رایج در صنعت سرامیک فکی، چکشی، مخروطی و غلطکی و دوار و…می‌باشد.

در مرحله آسیاب کردن عمدتاً از آسیاب‌های گلوله ای استفاده می‌شود. آسیاب‌های گلوله ای، استوانه های بزرگی از جنس فولاد هستند. ابعاد استوانه به نحوی است که تقریباً طول استوانه برابر قطر آن می‌باشد و جدارهای این آسیاب‌ها به وسیله آستری از جنس لاستیک یا جنس آجر های آلوبیتی پوشیده شده است. این استوانه‌ها حول محور خود که موازی سطح افق است گردش می‌نمایند. همچنان که از نام آسیاب گلوله ای نیز مشخص است در داخل این آسیاب‌های گلوله‌هایی وجود دارد که هنگام گردش آسیاب با مواد اولیه موجود در آن برخورد نموده و بدین وسیله باعث خرد شدن و سایش آنها می‌گردند.

 در آسیاب‌ها مواد به اضافه آب و مقادیر کمی روان ساز نظیر سیلیکات سدیم، تری پلی فسفات سدیم Tpp، کربنات سدیم و پس از مدتی سایش با دور مشخص و سرعت مشخص تبدیل به دوغ آب می‌گردد. مقادیر این مواد دقیقاً از قبل تست شده و مشخص شده می‌باشد.

نکته قابل توجه اینکه در هر یک از مراحل آماده سازی بازرسی‌ها و کنترل‌های لازم جهت عدم عدول از استاندارد های کارخانه ای صورت می‌گیرد و کیفیت مواد ورودی، درصدهای اختلاط، مشخصه های محصول سنگ شکن و خصوصاً مشخصه های دوغاب پس از آسیاب نظیر دانسیته، ویسکوزیته و دانه بندی دقیقاً کنترل می‌شود.

۲- آماده سازی پودر:

جهت آماده سازی پودر از دوغاب از خشک کن‌های افشان یا پاشنده یا اسپری درایر استفاده می‌شود. دوغاب حاصل از آسیاب‌ها پس از دپو در مخازن دوغاب که موجب هموژن شدن دوغاب و بهبود خاصیت پلاستیسیته آن می‌گردد وارد مخازن دوغاب اسپری درایر می‌گردد. پمپ‌های پیستونی با فشار نسبتاً بالا دوغاب را به محفظه استوانه ای اسپری درایر که داغ می‌باشد اسپری نموده و دوغاب پس از برخورد با هوای داغ و تبخیر آب به پودر با رطوبت مشخص و دانه بندی مشخص تبدیل می‌شود. هوای محفظه و بخار آب پس از عبور از سلیکن ها و گردگیری از خروجی اسپری درایر خارج می‌شود و محصول آن که پودر می‌باشد بر روی نوار نقاله ریخته و در داخل سیلوهای پودر دپو می‌شود.

۳- مرحله شکل دهی یا پرس پودر:

اساس این روش به طور ساده بدین ترتیب است که مخلوط مواد اولیه به صورت پودر با دانه بندی مناسب در حفره های قالب قرار گرفته و تحت فشار قرار می‌گیرد. بدین ترتیب مواد اولیه شکل حفره را به خود می‌گیرد. رطوبت پودر مورد استفاده حدوداً پنج درصد و دانه بندی پودر مشخص و باید ثابت باشد. امروزه در صنایع تولید کاشی، پرس‌های بسیار مدرن و با توانمندی‌های بالا وجود دارد که حتی می‌توان طرح را در مرحله پرس کردن اعمال نماید . قسمت پرس در کارخانجات تولید کاشی به عنوان یکی از مهم‌ترین قسمت‌ها بوده و علت آن برمی گردد به اینکه در این قسمت کلاً ماده ای با یک ماهیت پودری به بدنه کاشی تبدیل می‌شود و این تغیر ماهیت با مشکلات زیادی همراه می‌باشد، نظیر:

:: دو پوست شدن محصول: به علت هوا گیری ناقص محصول که آن هم به ماهیت پودر و کیفیت پودر و حتی وضعیت قالب‌ها و سرعت‌های پرسینگ و خاک گیری و نیز فشارها و زمان‌های هواگیری بستگی دارد

:: ترک و شکستگی

:: لب ریختگی و گوشه پریدگی

:: تغیرات تراکم و در نهایت پس از پخت تغیرات ابعادی و نا گونیایی

نمایی از یک نمونه دستگاه پرس ساخت شرکت sacmi ایتالیا

۴- خشک کردن محصول :

خشک کن‌های جدید عمودی توانسته‌اند مشکل خشک کردن طولانی را در خشک کن‌های تونلی قدیمی که گاهی تا چند روز طول می‌کشیده به کوتاه‌ترین زمان ممکن و حدود ۲۰ دقیقه و حتی کمتر کاهش دهند.

ضایعات در خشک کن‌های تونلی که به صورت ترک و شکستگی خود را نشان می‌داده گاهی به دلایل مختلف خیلی بالا می‌رفته و مشکلات دیگری به علت سیستم پیل چینی کاشی‌های خام (روی هم قرار دادن کاشی‌ها) اثر برجستگی‌های پشت کاشی بر روی سطح کاشی‌های زیرین نقش می‌بسته و پس از لعاب خوردن و پختن‌ کاملاً روی سطح لعاب دیده می‌شده در حالی که این مشکلات در سیستم جدید خشک کردن تقریباً حذف شده است.

۵- اعمال لعاب و دکور :

در کاشی‌های تک پخت نظیر کاشی‌های دیواری منوپروزآ، پس از مرحله خشک شدن کاشی‌ها وارد خط آبی می‌شوند و پس از اعمال انگوب (لعاب آستری) و لعاب و چاپ‌های مختلف توسط دستگاه‌های چاپ مختلف، پخت صورت می‌گیرد. هر رنگ چاپ را باید توسط یک دستگاه چاپ اعمال نمود و تعدد چاپ‌ها عمدتاً بستگی به استحکام خشک کاشی‌ها نوع دستگاه های چاپ و طول خط لعاب دارد.

لعاب لایه نازکی است که سطح روی کاشی را پوشانده و به وسیله ذوب مواد معدنی در سطح بدنه به وجود می‌آید و هدف از پوشاندن سطح بدنه به وسیله لعاب به طور عمده زیباتر نمودن محصول، افزایش مقاومت شیمیایی و مکانیکی آنها، غیر قابل نفوذ نمودن بدنه های متخلخل و بالاخره بهداشتی نمودن سطح فراورده می‌باشد لعاب‌ها با توجه به ساختمان آنها جزئی از انواع شیشه‌ها می‌باشند.

انگوب نیز نوعی لعاب با نقطه ذوب بالاتر می‌باشد که وظیفه آن پوشاندن رنگ بدنه و نیز اتصال قوی‌تر لایه لعاب اصلی با بدنه می‌باشد.

بسته به نوع محصول کاشی (دیواری یا کف، پرسلان و…) دستگاه‌های اعمال لعاب متفاوت است. مهم‌ترین روش‌های اعمال لعاب اسپری کردن و اعمال لعاب به روش آبشاری ریزشی می‌باشد.

۶- پخت:

پس از اعمال لعاب و دکور کاشی‌ها باید پخته شوند. البته در ابتدای بعضی از کوره های امروزی یک منطقه خشک کردن و حتی یک کوره خشک کن افقی رولری وجود دارد که خود موجب ارتقاء کیفیت محصول شود.

مرحله پخت نیز یکی از مراحل بسیار ظریف تولید کاشی می‌باشد. منحنی پخت کاشی که به صورت منحنی زمان-دما تعریف می‌شود اساس پخت را تشکیل می‌دهد. نوع منحنی پخت برای محصولات مختلف و کاشی‌های مختلف متفاوت است. منحنی پخت بر اساس دما های مختلف کوره که توسط ثبات‌های متصل به ترموکوپل‌های موجود در دیواره‌ها یا سقف کوره ثبت می‌شوند رسم می‌شود. دیاگرام دارای جزئیات زیادی از جمله تعداد ترموکوپل‌های موجود در کوره می‌باشد.  راندمان پخت به مقداری انرژی گرمایی جذب شده توسط محصول بستگی دارد.

در کوره های قدیمی که از نوع تونلی بوده به علت کم بودن مقدار انرژی جذب شده توسط کاشی‌ها مشکلات زیادی وجود داشته از جمله :یکنواخت نبودن هوا، مصرف زیاد انرژی، هزینه زیاد و نگهداری، مشکلات مکانیکی، دامنه متغیر ابعاد و مقادیر کم محصولات درجه یک. اما در کوره های امروزی که از نوع رولری می‌باشد این مشکل تا حد زیادی کم شده است.

کوره رولر شامل یک ساختار فولادی است که تکیه گاه کف، دیواره‌ها و سقف آن از مواد مختلفی مانند دیر گداز، عایق و سرامیک ساخته شده‌اند. عایق بودن بالا و مقاومت بسیار خوب در برابر شوک حرارتی از ویژگی‌های این کوره‌ها می‌باشد. تمامی این‌ها اینرسی گرمایی کوره را به حد اقل رسانده و موجب کاهش تغیرات منحنی پخت می‌شود و سرعت گرم شدن و سرد شدن کوره را تسهیل می‌نماید. سیستم محرکه و گرداننده رولری های کوره که شامل موتورهای که سرعت آنها قابل تنظیم بوده و بهره برداری بهینه از منحنی پخت را امکان پذیر می‌سازد؛ و امکان تنظیم سرعت موتورها که هر یک به مجموعه ای از رولرها متصل می‌باشد تنظیم سرعت رولرها و در نهایت کاشی را ممکن می‌سازد. سرعت موتورها دائماً توسط کامپیوتر کنترل می‌شود.

سیستم احتراق که شامل مشعل‌های مختلفی است که با گاز و دمیده شدن هوا کار می‌کند نیز توسط کامپیوتر کنترل می‌گردد.

چنانچه مراحل مختلف پخت و حتی مراحل قبلی تولید و مواد اولیه تحت کنترل نباشد عیوب مختلف در محصول می‌تواند ایجاد شود از جمله:

:: دفرمگی تابدار شدن کاشی‌ها و سایر موارد مربوط به مسطح بودن

:: خراب شدن کیفیت سطح لعاب و ایجاد سوراخ‌های سوزنی

:: لعاب نگرفتگی و لعاب پریدگی

:: ترک‌های مویی لعاب ترک‌های مکانیکی و شکستگی و گوشه پریدگی

:: نقاط سیاه و Black core

:: کثیفی‌های سطح لعاب

:: نا گونیایی و اختلاف سایز

:: تغیر طیف چاپ و زمینه

:: شفافیت و موارد مربوط به درخشندگی سطح بیشتر در مورد لعاب‌های تراس و اپک

:: استحکام کم و ترد و شکننده بودن

۷- پولیش:

این مرحله تنها در مورد کاشی‌های گرانیتی بدون لعاب اعمال می‌شود.

مشکلی که جذب آب (تخلخل باز) در کاشی‌های گرانیتی خصوصاً کاشی پولیش خورده ایجاد می‌نماید لک پذیری کاشی‌هاست.

تفاوت نسبت کاشی‌های گرانیتی با کاشی‌های دیگر بدون لعاب بودن این کاشی‌هاست که همین موضوع باعث شده که تمیز کردن این کاشی‌ها نسبت به کاشی‌های لعاب دار کمی مشکل‌تر باشد و حتماً باید از محلول‌های شوینده در بر طرف کردن بعضی از لکه‌ها استفاده نمود.

۸.درجه بندی و سورتینگ

درجه بندی و سورتینگ در تولید کاشی و سرامیک

درجه بندی:

چون در هنگام پخت ممکن است اشکالات و عیوب زیادی برای لعاب پیش آید نیاز است که کاشی‌ها قبل از بسته‌بندی از نظر کیفیت ظاهری درجه‌بندی شوند. کلاً کاشی‌ها براساس ظاهر سطح، تاب و سایز درجه‌بندی می‌شوند این عمل توسط اپراتور و با چشم صورت می‌گیرد، اپراتورها براساس عیوب وجود در کاشی مثل لعاب برگشتی، ترک، جوش، کیفیت چاپ، رنگ، لب پریدگی و غیره کاشی‌ها را درجه‌بندی می‌کنند.
اپراتور درجه کاشی‌ها را با دست و به وسیله ماژیک فسفری خاصی درجه آن را مشخص می‌کنند. در خط تولید این کارخانه کاشی‌ها در ۵ کلاس درجه بندی می‌شوند که درجه یک تا سه قابل عرضه در بازار و درجه چهار و پنج استوک (stock) یا به عبارتی دور ریز است.

دسته بندی (Sorting):

بعد از این قسمت کاشی به بخش سورتینگ منتقل می‌شود، در این بخش دو عدد سنسور مادون قرمز علامت روی کاشی را می خواند و آنها را به سمت استیکرها هدایت می کند، در این بخش ۱۲ عدد استیکر (STAKER) وجود دارد که کاشی‌های درجات مختلف جدا را از هم می‌کند.
کاشی‌های هم علامت به وسیله استیکر‌ها مرتب شده و روی هم قرار می‌گیرند. تعداد کاشی‌هایی بر روی هم قرار می‌گیرند بر اساس متراژ تعیین می‌شود و سعی بر این است که هر دسته کاشی به اندازه یک متر مربع باشد. در خط ساحل که اندازه کاشی‌ها ۴۰×۲۵ است، کاشی‌ها را به صورت ۱۰ تایی روی هم می‌چینند و به سمت قسمت بسته بندی هدایت می‌کنند.

۹. بسته بندی

بسته بندی در تولید کاشی و سرامیک: در این قسمت کاشی‌های جدا شده برای کارتن شدن منتقل می‌شود. در دستگاه بسته بندی کاشی‌ها توسط چند بازو به صورت مرتب و در یک ردیف قرار می‌گیرند بعد کارتن‌ها به وسیله مکش باد به داخل دستگاه ورودی داده می‌شود و دور کاشی‌ها قرار داده شده و چسب زده می‌شوند.
کارتن‌ها بعد از دستگاه شیرینگ برداشته شده و هر کارتن براساس درجه خورده شده روی یک پالت چوبی یا فلزی گذاشته شده و با دستگاه دیگری دور آن نایلون استرچ پیچیده می‌شود. بعد پالت ها توسط ماشین (لیفتراک) به قسمت انبار فرستاده می‌شوند تا از آنجا به بازار مصرف حمل شوند.

کاربرد سرامیک ها:
استفاده از سرامیک در کف سازی و نماسازی یا در تولیدات وسایل بهداشتی و مصالح ساختمانی نظیر انواع آجر سفال های تزئینی داخل و خارج ساختمان سفال های بام ساختمان، کانال های فاضلابی، سفال های ضد اسیدی همه از سرامیک هایی است که از دیرباز تهیه و مصرف می شده همچنین کاربرد سرامیک در صنایع مختلف نظیر تهیه وسایل مقاوم در برابر حرارت و الکتریسیته، فیوزهای الکتریکی، شمع اتومبیل، ریخته گری، تهیه المان های حرارتی بسیار دقیق، وسایل فضایی، سمباده، براده برداری، تراشکاری ها و ریخته گری فوق دقیق، آجرهای نسوز، مقره های الکتریکی، المان های تصفیه آب، پوسته موتور، گرافیت، بتن، مواد نسوز، بدنه سفینه های فضایی، انواع سیمان ها، محصولات شیشه ای و هزاران کاربرد دیگر که روز به روز بر اهمیت سرامیک می افزاید.کاشی و کاربرد آن:
کاشی یکی دیگر از محصولات سفالین و سرامیکی است که بویژه در ساختمان کاربرد و اهمیت ویژه ای دارد.
کاشی برای تزئینات داخل و خارج ساختمان و همچنین برای بهداشت و عایق رطوبت به کار می رود . کاشی تزئینی خارج ساختمان را به ویژه در اماکن مذهبی به کار می برند.
کاشی را در ابعاد و اندازه های گوناگون تولید می کنند. کاشی کف و دیواری را در ابعاد زیر ۲×۲ و ۲×۱ تا پنجاه در پنجاه سانتیمتر تولید می کنند که با رنگ های گوناگون می تواند یک نقاشی را در محل نصب نیز نشان دهد. کیفیت کاشی باید به نحوی باشد که تغییرات ناگهانی درجه حرارت ۱۰۰ ـ ۲۰ درجه سانتیگراد را به خوبی تحمل کرده و هیچ گونه آثار ترک در بدنه و یا لعاب آن ظاهر نشود. کاشی دیواری را برای حفظ بهداشت و رطوبت در آشپزخانه، محیط های بهداشتی، حمام و دستشویی استفاده می کنند. کاشی کف را نیز به علت ضد سایش بودن و مقاومت حرارتی و الکتریکی بالا، در آشپزخانه ها، حمام ها، آزمایشگاه ها، رختشوی خانه ها و کارخانجات شیمیایی به کار می برند. همچنین کاشی باید دارای ابعاد صاف و گوشه های تیز باشد.
تولیدی کاشی و سرامیک در ایران
در سال های اخیر کارخانجات تولید کاشی و سرامیک دیوار و کف زیادی در ایران ایجاد شده اند و تحول بزرگی در این صنعت به وجود آمده است و همچنین در مورد تولید وسایل بهداشتی و ظروف چینی و کارخانه مقره سازی که در ایران فعال می باشند و توانسته اند ظرف سی سال اخیر تولید کاشی و سرامیک را ازتولید کم و سنتی و نیمه صنعتی به حدود ۷۰ میلیون متر مربع برسانند.