Химическая технология керамики и огнеупоров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОУ ВПРО Белгородский государственный технологический университет нм. В.Г. Шухова

Кафедра «Технологии стекла и керамики»

Контрольная работа

по предмету: Химическая технология керамики и огнеупоров

Выполнила:

Клюева Олеся Викторовна

Белгород 2015г



Содержание

Введение

1. Определение термина «керамика». Керамические материалы и их классификация

2. Кремний. Распространение в природе и использование в современной технике. Важнейшие соединения кремния: оксиды и силикаты

3. Сырье для производства периклазовых огнеупоров. Виды магнезиального сырья

4. Расчетна часть

Список использованной литературы



Введение

Курс "Химическая технология керамики и огнеупоров" является завершающим этапом теоретической подготовки студентов, а, следовательно, и важнейшим в формировании высококвалифицированных специалистов для цементной, керамической, огнеупорной и стекольной промышленности.

В курсе излагаются физико-химические основы технологии производства изделий строительной керамики (стеновых, фасадных, плиток для полов и химстойкого каменного товара); огнеупоров (шамотных, высокоглиноземистых, динасовых, магнезиальных, бакоровых и др.);огнупорных бетонов;тонкой керамики (фарфор и фаянс); специальных видов керамических и высокоогнеупорных материалов. Свойства исходного сырья для указанных выше видов керамики и огнеупоров, а также свойства готовой продукции. строительство керамика кремний магнезиальный

При изучении курса рассматривается роль отечественных ученых в развитии физико-химических основ технологии керамики и огнеупоров и создании новых видов технологии и материалов; новейшие достижения науки и техники в области технологии керамики и огнеупоров как у нас в России, так и за рубежом. При изучении того или иного раздела курса основное внимание студент должен обращать на механизм происходящих технологических процессов с тем, чтобы проанализировать и усвоить физико-химические основы этих процессов, так как только глубокое знание происходящих процессов может быть базой для дальнейшей интенсификации и оптимизации технологии производства. Цель выполнения контрольныхъ работ - закрепить знания, приобретенные студентами на лекциях по основам физико-химических процессов получения керамики и огнеупоров, исходя из закономерных взаимосвязей между составом сырья, структурой и свойствами готового продукта.



1. Определение термина «керамика». Керамические материалы и их классификация

Керамика, керамические материалы - это поликристаллические материалы, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также спеканием оксидов и других тугоплавких соединений

Первоначально термином «керамика» (от греческого «керамос» - глина, гончарное искусство) называли изделия, изготовленные из природных глин. Это определение не отвечает современным представлениям и может считаться лишь одним из частных случаев.

В настоящее время керамику можно определить как совокупность изделий, обладающих общими признаками. Керамические изделия (см.рис.) изготовляют из одного либо нескольких природных или техногенных неорганических неметаллических материалов путем их предварительного дробления, измельчения и перемешивания с добавлением при необходимости связующих и иных компонентов. Далее следуют формование полуфабриката из полученных масс (порошкообразных, тестообразных или жидкотекучих) и завершающая термическая обработка, обеспечивающая получение готовых изделий с заданной структурой, фазовым составом и свойствами.

Классификация керамических изделий.

Керамику принято подразделять, независимо от ее химического и фазового состава, по характеру структуры на два больших класса: грубую и тонкую, а по областям применения - на строительную, хозяйственно-бытовую, техническую, огнеупоры. При этом строительная керамика и огнеупоры относятся преимущественно к классу грубых изделий, хозяйственно-бытовая и техническая -- к классу тонких изделий.

Строительная керамика включает производство как грубозернистых (кирпич, черепица, канализационные и дренажные трубы), так и тонкозернистых (глазурованные плитки, плитки для полов, санитарные изделия) изделий.

Изготовление строительной керамики -- это многотоннажное производство, в котором используют исключительно природное сырье -- глины, кварцевый песок и др., а в последнее время также шлаки, золы и другие отходы промышленности.

Хозяйственно-бытовая керамика включает разнообразные фарфоровые, фаянсовые, майоликовые, гончарные, тонкокерамические и другие изделия. Для производства большинства из них характерно применение природных материалов - глин, каолинов, кварца, полевого шпата, пегматита, некоторых искусственных плавней. Для их производства используют достаточно сложные многооперационные технологические схемы, включая двукратный, а в некоторых случаях и трехкратный обжиг, обусловленный необходимостью закрепления глазурей и декоров.

Техническая керамика наиболее разнообразна по своему составу, свойствам и применению. Это изделия электротехнического назначения (разнообразные изоляторы), для электронной техники (конденсаторы, вакуумплотная керамика для различных узлов приборов), конструкционного назначения (детали для эксплуатации в условиях воздействия высоких механических нагрузок, температуры, агрессивных сред). К технической относят также пьезо- и ферромагнитную керамику, оптически прозрачную керамику, твердые керамические электролиты, проводящую и сверхпроводящую керамику, биокерамику и некоторые другие.

Изделия технической керамики должны обладать точными размерами и комплексом разнообразных специфических свойств, что обеспечивается совершенством технологии и тщательностью контроля качества полуфабриката и готовой продукции.

Огнеупоры, выделяемые в некоторых странах в отдельный класс, по технологии, оборудованию, структуре практически являются также керамическими изделиями, предназначенными для использования при высоких температурах преимущественно в тепловых агрегатах. Поскольку условия их эксплуатации (температура, механические нагрузки, газовые среды) весьма различны, их состав отличается большим разнообразием, обусловленным главным образом видом и чистотой исходного сырья.

Для производства огнеупоров используют различные виды природного и искусственного сырья. Это огнеупорные глины и каолины, кварциты, магнезит, доломит, хромиты, а также искусственно полученное сырье -- глинозем, другие оксидные материалы, карбид и нитрид кремния и т. п.

Кроме штучных формованных изделий (кирпич, блоки, фасонные детали) производят также неформованные материалы для жаропрочных бетонов, обмазок, торкрет-масс, которые упрочняются и приобретают окончательные свойства непосредственно в ходе эксплуатации при высокой температуре, широко используют также пористые теплоизоляционные и высокоплотные плавленолитые огнеупоры. Последние изготовляют не обжигом, а плавлением соответствующей шихты с последующей кристаллизацией при охлаждении. Однако по своему строению, свойствам и применению они мало отличаются от огнеупоров, полученных спеканием при обжиге.

2. Кремний. Распространение в природе и использование в современной технике. Важнейшие соединения кремния: оксиды и силикаты

Кремний и его бескислородные соединения.

Кремний Si (до 1834 г. в России назывался "кремнеземий", за рубежом - "силиций"), элемент No 14, IУ группы Периодической системы Д.И. Менделеева. Кремний был получен из его фторида восстановлением калием в 1811 г. Н. Гей-Люссаком и Л. Тенаром, но идентифицирован в 1823 г. И. Берцелиусом. Известно 12 изотопов кремния от 25Si до 36Si, из которых лишь 3 стабильных (28Si, 29Si, 30Si).

Кремний синтезировался на конечной стадии Большого взрыва, приведшего к образованию метагалактики, а также в недрах массивных звезд (значительно больших, чем Солнце ) при температуре порядка 109К по реакции типа:

4He + 24Mg = 28Si + г- квант.

Кремнезем и силикаты, составляющие по массе более 90% земной коры, входят в состав поверхностных слоев Луны, Венеры, Меркурия, Марса, ряда спутников больших планет Солнечной системы, космической пыли. Кремний присутствует в атмосферах Солнца и звезд.

Пo распространенности в космосе и атмосферах звезд (включая и Солнце крайний занимает 8-е место, а в земной коре - 2-е (после кислорода). Плотность элементарного кремния кубической сингонии (структура типа алмаза, но твердость незначительна) - 2330 кг/м3.

В связи с использованием кремния в качестве полупроводника и в металлургии, в том числе и в виде сплавов о алюминием (силикоалюминий), кальцием, магнием, железом (ферросилиций), марганцем и другими металлами его значимость резко возрастает. Для массовой продукции металлургического назначения получают 5 марок кремния с количеством примесей 1-4%. При этом может быть использована реакция, протекающая при 1900°С:

SiO2 + 2С = Si + 2CO^

Карбид кремния SiС (карборунд) относится к числу его наиболее важных бескислородных соединений и может быть получен, например при 2200°С, по реакции:

SiO2 + 3С = SiC + 2CO^

Карбид кремния обладает плотностью 3226 кг/м3, плавится инконгруэнтно при 2830°С. Это соединение отличается исключительно высокой твердостью (9,5 по шкале Мооса). Электрическая проводимость его при 1300°С около 10-3 Ом-1Чм-1; теплопроводность около 10 Вт/(мЧК), коэффициент линейного теплового расширения 5,7Ч10-6К-1 . В связи с этим SiC является важным материалом для изготовления абразивов, электронагревателей ("cилитовые" стержни), теплопередающих устройств.

Нитрид кремния Si3N4. С азотом кремний образует несколько соединений, из которых наиболее устойчив нитрид Si3N4 , получающийся, например, по реакции

3SiO2 +2N2 + 6С = Si3N4 + 6CO^

Изделия из нитрида кремния обладают значительной тепло- и абразивной устойчивостью, в связи с чем это соединение, а также оксинитрид синоит Si2N2O2 используют для изготовления деталей газовых турбин, чехлов термопар погружения, в реактивной технике, а в настоящее время и в машиностроении.

Силициды. Соединения кремния с металлами - силициды - имеют весьма большое значение для техники. Силициды магния и кальция используются для синтеза различных сложных кремнийорганических соединений и как сильные восстановители.

B системе Si - O образуется 2 соединения: Si0 - устойчивое в газовой фазе, метастабильное в твердой (кубической сингонии) плотность 2150 кг/м3, N= 1.975), используется в полупроводниковой технике и SiO2 - диоксид кремния, устойчивый в конденсированном состоянии (твердая фаза, расплав) и более чем на 90% разлагающийся в газообразной фазе.

Диоксид кремния (кремнезем) SiO2, M = 60,08 - один из самых распространенных оксидов в межзвездной пыли, коре и мантии Земли, а также породах поверхности Марса, Венеры, Меркурия и Луны. В земной коре SiO2, более 60%, в том числе в свободном состоянии 12% (обычно в виде кварца).

В природе наиболее широко распространен кварц, образующий мелкие (до 2 мм) кристаллы, но иногда находящийся и в виде огромных масс.

3. Сырье для производства периклазовых огнеупоров. Виды магнезиального сырья

Магнезиальными (периклазовыми) называют огнеупоры, содержащие не менее 85% MgO. Их используют для кладки различных печей, футеровка которых контактирует с расплавами металлов и основных шлаков. Магнезитовые порошки применяют для набивки пода металлургических печей, торкретирования их футеровки, в качестве заполнителей бетонов; они являются также сырьем для производства периклазсодержащих изделий.

Сырьем для производства периклазовых огнеупоров является магнезит, состоящий в основном из карбоната магния. В России месторождения магнезита имеются на Урале (г. Сатка) и в Сибири. В странах, где нет крупных залежей магнезита, оксид магния получают из морской воды, в которой содержится до 1,5--2% солей магния. Такой оксид магния отличается высокой чистотой и содержит более 98% MgO.

Природный магнезит содержит около 9% примесей, в том числе 2-2,5% СаО, 2-2,5% SiО2, около 3% Fе2О3 и 1% AI2O3, которые существенно влияют на фазовый состав и свойства огнеупоров.

Природный магнезит подвергают предварительному обжигу при 1750°С во вращающихся печах для разложения карбонатов и спекания оксида магния. Магнезит поступает на обжиг в виде кусков размерами 20-30 мм, более мелкие фракции целесообразно обжигать после специальной подготовки, во избежание сильного пылеуноса.

фазовый состав природного обожженного магнезита оказывается весьма сложным и включает соединения с различной температурой плавления. Наиболее легкоплавкими являются монтичеллит и мервинит, имеющие температуры плавления соответственно 1492 и 1575°С. Остальные соединения являются достаточно тугоплавкими: магнезиоферрит - 1773°С, форстерит - 1890°С, шпинель -- 2130°С, ортосиликат кальция -- 2130°С.

Растворы солей магния, содержащиеся в морской воде, озерах, в отходах при производстве солей калия, все больше вытесняют естественные магнезиты в качестве сырья для получения периклаза высокой чистоты, особенно в тех странах, где запасы природного магнезита малы или отсутствуют. В морской воде содержатся соли MgSO4 и MgCl2, которые и являются основными исходными компонентами для получения MgO.

4. Расчетная часть

Химический состав глинистого сырья

Вариант	Глина	Важность, %	Содержание оксидов, мас.%	ппп, %	Сумма, %
			SiO2	Al2O3	TiO2	Fe2O3	CaO	MgO	K2O
1	Просяновский каолин	7,34	47,06	36,67	0,24	0,59	0,73	0,50	0,43	13,41	99,63

1) Приведение химического состава сырья к 100%

Суммарное содержание оксидов в просяновском каолине не превышает 100% и составляет 99,63%. Приведем состав глины к 100,00%, воспользовавшись формулой (1), а результат округляем до второго знака после запятой:

SiO₂ = 47,06 Ч (100 / 99,63) = 47,23

Al₂O₃ = 36,67 Ч (100 / 99,63) = 36,82

TiO₂ = 0,24 Ч (100 / 99,63) = 0,24

Fe₂O₃ = 0,59 Ч (100 / 99,63) = 0,59

CaO = 0,73 Ч (100 / 99,63) = 0,73

MgO = 0,50 Ч (100 / 99,63) = 0,50

K₂O = 0,43 Ч (100 / 99,63) = 0,43

п.п.п. = 13,41 Ч (100 / 99,63) = 13,46

У = 100,00 мас.%

2) Расчет рационального состава сырья по его химическому составу

Исходя из приведенного к 100% химического состава Балаковской глины определим ее рациональный состав.

1) Вначале определяем содержание полевых шпатов ( ортоклаза и альбита) по количеству оксидов K2O. Для этого вначале необходимо вычислить молекулярные массы оксидов и соединений. Количество ортоклаза K2O Ч Al2O3 Ч SiO2 в 100 мас.ч. глины вычисляем из пропорции:

94 г/моль K2O содержится в 556 г/моль ортоклаза

0,43 мас. ч. K2O содержится в Х мас. ч. ортоклаза

Откуда, Х = (556 Ч 0,43) / 94 = 2,54 мас. ч. ортоклаза

2) Далее определяем количество Al2O3 и SiO2, содержащихся в вычесленных выше количествах полевых шпатов. В соответствии с молекулярной массой ортоклаза (556 г/моль)

102 г/моль Al2O3 содержится в 556 г/моль ортоклаза

Х1 мас. ч. Al2O3 содержится в 2,54 мас. ч. ортоклаза

Откуда, Х1 = (2,54 Ч 102) / 556 = 0,47 мас. ч. Al2O3

360 г/моль SiO2 содержится в 556 г/моль ортоклаза

Х2 мас. ч. SiO2 содержится в 2,24 мас. ч. ортоклаза

Откуда, Х2 = (2,24 Ч 360) / 556 = 1,6 мас. ч. SiO2

Al2O3 = Х1 = 0,47 мас. ч.

SiO2 = Х2 = 1,6 мас. ч.

Отсюда можно сделать вывод, что в составе каолинита Al2O3 содержится в следующем количестве:

36,82 - 0,47 = 36,35 мас. ч. Al2O3.

3) Расчитываем содержание каолинита Al2O3ЧSiO2Ч2H2O 100 мас. ч. глины по количеству Al2O3. В соответствии с молекулярной массой каолинита (258 г/моль),

102 г/моль Al2O3 содержится в 258 г/моль каолинита

36,35 мас. ч. Al2O3 содержится в Х мас. ч. каолинита

Находим, Х = (36,35 Ч 258) / 102 = 92,0 мас. ч. каолинита.

4) Количество SiO2 связанное с расчитанным количеством каолинита вычисляем исходя из пропорции:

120 г/моль SiO2 содержится в 258 г/моль каолинита

Х мас. ч. SiO2 содержится в 92,0 мас. ч. каолинита

Откуда, Х = (120 Ч 92,0) / 258 = 42,8 мас. ч. SiO2.

5) Наконец, определяем содержание свободного SiO2 ( в виде кварца) в 100 мас. ч. глины, вычитая от содержания SiO2 в сухой глине количества SiO2, содержащегося в полевых шпатах и каолините:

51,35 - (1,6 + 4,49 + 42,8) = 2,6 мас. ч. SiO2.

Таким образом, рациональный состав Балаковской глины представлен следующим количеством минералов, мас. ч.:

ортоклаз = 2,54

каолинит = 92,0

кварц = 2,6

У = 97,14 мас.%

Химический состав глазури и молекулярная масса оксидов

Показатели	Содержание оксидов, мас.%	Сумма, %
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O
Хим. состав	71,50	2,00	0,50	8,0	3,00	15,00	100,0
Молек. Масса, а.е.	60,1	102,0	159,7	56,1	40,0	62,0	-

1) Перерасчет химического состава из массовых процентов в молярные

Расчитываем число молей всех оксидов без учета потерь при прокаливании (п.п.п.) по формуле (4):

SiO2 = 71,50 / 60,1 = 1,1897

Al2O3 = 2 / 102,0 = 0,0196

Fe2O3 = 0,50 / 159,7 = 0,0031

CaO = 8,0 / 56,1 = 0,1426

MgO = 3,00 / 40,0 = 0,0750

Na2O = 15 / 62,0 = 0,2419

У = 1,6719

Далее вычисляем содержание оксидов в молярных процентах по формуле (2), а результат округляем до второго знака после запятой:

SiO2 = 1.1897 Ч (100 / 1,6719) = 71,16

Al2O3 = 0,0196 Ч (100 / 1.6719) = 1,17

Fe2O3 = 0,0031 Ч (100 / 1,6719) = 0,19

CaO = 0,1426 Ч (100 / 1,6719) = 8,53

MgO = 0,0750 Ч (100 / 1,6719) = 4,48

Na2O = 0,2419 Ч (100 / 1,6719) = 14,47

УNi = 100,00 мол.%

2) Перерасчет химического состава из молярных процентов в массовые

Выполняем проверку путем решения обратной задачи, то есть перерасчет состава с молярных процентов в массовые. Вначале находим массовое содержание оксидов в материале по формуле (6):

SiO2 = 60,1 Ч 71,16 = 4276,72

Al2O3 = 102 Ч 1,17 = 119,34

Fe2O3 = 159,7 Ч 0,19 = 30,34

CaO = 56,1 Ч 8,53 = 478,53

MgO = 40,0 Ч 4,48 = 179,20

Na2O = 62,0 Ч 14,47 = 897,14

Уpi = 5981,26

Сейчас определяем содержание оксидов в массовых процентах по формуле (7), а результат округляем до второго знака после запятой:

SiO2 = 4276,72 Ч (100 / 5981,26) = 71,70

Al2O3 = 119,34 Ч (100 / 5981,26) = 2,03

Fe2O3 = 30,34 Ч (100 / 5981,26) = 0,52

CaO = 478,53 Ч (100 / 5981,26) = 8,14

MgO = 179,20 Ч (100 / 5981,26) = 3,05

Na2O = 897,14 Ч (100 / 5981,26) = 14,56

УPi = 100,00 мас.%

3) Представление состава материала в виде формулы Зегера

Для представления состава материала в ввиде формулы Зегера воспользуемся расчитанными в п.1 (Часть 2) числами молей оксидов: SiO2 - 1,1897; Al2O3 - 0,0196; Fe2O3 - 0.0031; CaO - 0,1426; MgO - 0,0750; Na2O - 0,2419. Из полученных мольных чисел оксидов приводим предварительную формулу:

0,1426 CaO
0,0750 MgO	0,0196 Al2O3	1,1897 SiO 2
0,2419 Na2O	0,0031 Fe2O3
У = 0,4595

Теперь число молей каждого оксида необходимо разделить на сумму мольных чисел (R2O + RO), которая равна 0,4595 ( округление выполнить до второго знака после запятой):

SiO2 = 1,1897 / 0,4595 = 2,59

Al2O3 = 0,0196 / 0,4595 = 0,04

Fe2O3 = 0,0031 / 0,4595 = 0,01

CaO 0,1426 / 0,4595 = 0,31

MgO 0,0750 / 0,4595 = 0,16

Na2O = 0,2419 / 0,4595 = 0,53

Таким образом, состав данной глазури по молекулярной формуле Зегера имеет вид:

0,31 CaO } 0,04 Al2O3} 2,59 SiO 2

0,16 MgO 0,01 Fe2O3

0,53 Na2O

У = 1,00

У = 0,05

У = 2,59

Или запишем иначе:

1(R2O + RO) Ч 0,05(Al2O3 + Fe2O3) Ч 2,59SiO2 .

С целью проверки расчетов и решения обратной задачи необходимо перети к массовым частям оксидов, содержащихся в материале. Для этого необходимо умножить коэффициенты при оксидах в формуле Зегера на их молекулярную массу:

SiO2 = 2,59 Ч 60,1 = 155,66 мас. ч.

Al2O3 = 0,04 Ч 102,0 = 4,08 мас. ч.

Fe2O3 = 0,01 Ч 159,7 = 1,60 мас. ч.

CaO = 0,31 Ч 56,1 = 17,39 мас. ч.

MgO = 0,16 Ч 94,0 = 15,04 мас. ч.

Na2O = 0,53 Ч 62,0 = 32,86 мас. ч.

У = 226,63 мас.ч.

Далее определим количество оксидов в составе материала в массовых процентах. Расчет аналогичен приведению состава к 100% ( результаты могут отличаться от начального состава на 0,1 - 0,2 мас.%:

SiO2 = 155,66 Ч (100 / 226,63) = 68,64

Al2O3 = 4,08 Ч (100 / 226,63) = 1,86

Fe2O3 = 1,60 Ч (100 / 226,63) = 0,71

CaO = 17,39 Ч (100 / 226,63) = 7,67

MgO = 15,04 Ч (100 / 226,63) = 6,63

Na2O = 32,86 Ч (100 / 226,63) = 14,49

У = 100,00 мас.%



Список литературы

1. Химическая технология керамики: Учеб. пособие для вузов / Под ред. проф. И.Я. Гузмана.- М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2012.- 496 с., ил.

2. Химическая технология керамики и огнеупоров / под ред. П.П. Будникова и Д.Н. Полубояринова. - М.: Стройиздат, 1972. - 552 с.

3. Августинник, А.И. Керамика / А.И. Августинник.- Л.: Стройиздат, 1975,- 592с.

4. Кащеев, И.Д. Химическая технология огнеупоров: учебное пособие/ И.Д. Кащеев, К.К.Стрелов, П.С. Мамыкин. - М.: Интермет Инжиниринг, 2007. - 752 с.

5. Стрелов, К.К. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов / К.К. Стрелов, И.Д. Кащеев.- М.: Металлургия, 1996. - 608с.

6. Стрелов, К.К. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов / К.К. Стрелов, И.Д. Кащеев.- М.: Металлургия, 1985. - 480с.

7. Бережной, А.С. Многокомпонентные щелочные оксидные системы / А.С. Бережной.- Киев : Наукова думка, 1988. - 196 с.

8.Куколев, Г.В. Химия кремния и физическая химия силикатов / Г.В. Куколев. - М.: Высшая школа, 1966. - 463с

9. Куколев, Г.В. Задачник по химии кремния и физической химии силикатов / Г.В. Куколев, И.Я. Пивень. - М.: Высшая школа, 1971. - 240 с.

10. Дудеров, Ю.Г. Расчеты по технологии керамики / Ю.Г. Дудеров, И. Г. Дудеров - М.: Стройиздат, 1973. - 80 с.

11. Масленникова, Г.Н. Основы расчетов составов масс и глазурей в электрокерамике / Г.Н. Масленникова, Ф.Я. Харитонов - М.: Энергия, 1978. - 144 с.

Размещено на Allbest.ru

...