Производство и применение ситаллов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Историческая справка

2. Классификация

3. Сырьевые материалы

4. Основные технологические процессы и оборудование

5. Основные свойства продукции

6. Технико-экономические показатели

Заключение

Список используемых источников

Введение

Последние годы ассортимент строительных материалов претерпел существенное изменения как за счет импортных материалов, так и за счет освоения производства новых материалов отечественными предприятиями. Одновременно с индустриальным городским строительством получает развитие малоэтажное, в том числе индивидуальное, поселковое и сельское строительство. Для его обеспечения требуется увеличение выпуска традиционных материалов: кирпича, лесоматериалов и т.д.

Материалы из каменного расплава обладают высокой прочностью, износостойкостью и стойкостью в химически агрессивных средах. Это позволяет применять изделия для облицовки технологических аппаратов и узлов, работающих в наиболее тяжелых условиях, заменяя другие дорогостоящие материалы, в частности металлы.

В этой работе будут подробно рассмотрены строительные материалы и изделия из каменного литья, а также ситаллы.

1. Историческая справка

Технология производства каменного литья зародилась в 20-е гг. 20 в. в СССР, Франции и Германии и включает: приготовление расплава в пламенных или электрических печах при температуре 1350-1450°С; студку и подготовку расплава (предкристаллизационный период); отливку (формовку) изделий из расплава; кристаллизацию и отжиг изделий в термических печах.

Впервые поликристаллическое «фарфоровое» изделие, способное без деформаций выдерживать высокие температуры, получил при кристаллизации стекла французский химик Р. Реомюр в 1739. Вновь эта идея возродилась лишь в конце 20-х гг. ХХ века, когда в ряде стран были созданы стеклокристаллические материалы с ценными техническими свойствами. В СССР наиболее интенсивно исследования в этой области проводились в Московском химико-технологическом институте им. Д. И. Менделеева. В конце 1950-х гг. в США был открыт способ стимулирования процесса кристаллизации стекла с целью получения новых ценных материалов из «расстеклованной массы». С этого времени процесс кристаллизации стекла, известный как самопроизвольный (или спонтанный) и приносивший большие потери на производстве, стало возможно контролировать. Первое официальное сообщение о создании новой отрасли по превращению стекла в тонкокристаллическую «стеклокерамику» было сделано в США в 1957. Новый материал, названный «пирокерам», представлял собой кристаллический материал, полученный из незакристаллизованного стекла. В ходе первых работ по стеклокристаллическим материалам многие исследователи давали им свои названия. Были выпущены модификации «пирокерама» под названиями «пирофлам», «центура», «фотокерам» и др. В Англии использовались названия «пиросил», «слагцерам». В Польше в зависимости от технологии изготовления -- «силитал», «квазикерам», «шлаковый квазикерам». В СССР подобные силикатные поликристаллические материалы получили названия «ситаллы» или «шлакоситаллы». Помимо общности технологий производства, эти материалы объединяло еще и особое сочетание стеклообразной и кристаллической фаз, а также химическая кремнекислородная природа. С 1960-х гг., когда начались интенсивные поиски наиболее рациональных способов изготовления нового материала, ситаллы стали широко использовать в промышленных масштабах.

2. Классификация

Изделия из каменных расплавов подразделяются на плотные, ячеистые и волокнистые.

Плотные литые каменные изделия имеют: плотность 2900-3000 кг/м³, высокую морозостойкость, прочность при сжатии 200-240 МПа и при растяжении 20-30 МПа; истираемость до 5 раз меньше, чем у гранита, базальта и диабаза; высокую химическую стойкость, в том числе к воздействию концентрированных серной и соляной кислот.

Термозит (шлаковая пемза) - ячеистый материал, получаемый в результате вспучивания расплава шлака при быстром его охлаждении струей воды.

Минеральная вата и изделия из нее представляют собой волокнистые материалы, полученные из расплава горных пород или металлургических шлаков. Вату из расплава горных пород называют горной, а из расплава шлаков - шлаковой.

В зависимости от используемого сырья каменное литье бывает темного и светлого цвета. Для получения изделий темного цвета применяются магматические горные породы - базальты и диабазы. Для получения светлого каменного литья используют осадочные горные породы - доломит, известняк, мрамор и кварцевый песок.

Стеклокристаллические материалы разделяют на ряд видов, важнейшими из которых являются ситаллы, получаемые из технически чистых материалов, и шлакоситаллы, получаемые на основе дешевого сырья --металлургических шлаков. Технология шлакоситалла была разработана в Советском Союзе. В основе всех работ в этом направлении лежат исследования профессора И. И. Китайгородского, впервые введшего в обиход само слово «ситалл» и разработавшего концепцию использования отходов различных производств, включая доменные шлаки, для получения нового вида материала из стекла. Первые шлакоситаллы в зависимости от чистоты шлакового сырья и его состава получались серых, коричневых, зеленовато-бурых тонов. Их применяли в основном в технике и строительстве (например, в виде листов и плиток для настила полов в химических цехах, гражданских сооружениях). Чтобы получить из них декоративные материалы, необходимо было расширить цветовую гамму. Любые цветные материалы можно создать на основе белого с использованием красителей. Выпуск белой разновидности шлакоситаллов был налажен в 1970. Панели и плиты из этого материала с цветовыми добавками стали применять при облицовке фасадов.

3. Сырьевые материалы

Камнелитные изделия получают путем расплавления предварительно подготовленной шихты из горных пород и соответствующих добавок к ним, отливки расплава в формы, кристаллизации изделий, их отжига и охлаждения. Сырьем для производства темноокрашенных изделий служат диабазы и базальты, а для светлоокрашенных изделий - доломит, мел, известняк, мрамор, кварцевый песок. По своему химическому состоянию базальты более постоянны, а каменное литье из них обладает высокой химической стойкостью и прочностью на истирание. В качестве сырья для получения светлого каменного литья используют 45% кварцевого песка, 34% доломита, 21% мела или мрамора. Кроме основных материалов в шихту для снижения температуры плавления добавляют 3% плавикового шпата и 0,8% оксида цинка для отбеливания расплава. Перед загрузкой в печь сырьевые материалы измельчают в заданном соотношении. Введением добавок и регулированием температуры в процессе изготовления камнелитных изделий можно управлять степенью их кристаллизации. Основные минералы, входящие состав камнелитных изделий: пироксены, плагиоклазы, оливин, магнетит и др. Они имеют высокую морозостойкость и химическую стойкость и эксплуатируются в особо тяжелых условиях, например плитки для полов используют в цехах с агрессивными средами, в дорожном строительстве, изделия из каменного литья применяют для футеровки бункеров, течек и т.п.

Сырьем для получения ситаллов служат те же природные материалы, что и для стекла, а также ряд специальных добавок (например, соединения лития). К чистоте сырья предъявляют очень высокие требования. Ситаллы получают методом вытягивания, выдувания, прокатки и прессования, добавляя к стеклянным расплавам специальные добавки (минерализующие катализаторы), улучшающие кристаллизацию. По сравнению с производством изделий из стекла получение ситаллов требует дополнительной термической обработки, в процессе которой происходит превращение стекла стеклокристаллическое состояние. В качестве катализаторов кристаллизации применяют соединения фторидов или фосфатов щелочных или щелочноземельных металлов, способных легко кристаллизоваться из расплавов.

4. Основные технологические процессы и оборудование

Для плавки шихты применяют шахтные, ванные, вращающиеся электрические печи. Наиболее распространены ванные печи, работающие с небольшой примесью измельченных материалов. Плавку в ванных печах производят при температуре 1450°С. Охлаждение расплава перед заливкой благоприятно сказывается на структуре отливаемых изделий и уменьшает количество усадочных дефектов (трещин, раковин). Для заливки расплава применяют формы (кокили) из чугуна или жароупорной стали (постоянные формы), из силикатных материалов (временные формы) и земляные (одноразовые формы).

Для уменьшения внутренних напряжений, возникающих при охлаждении, отливки подвергают кристаллизации и отжигу. Степень кристаллизации расплава изменяется в зависимости от свойств расплава и размеров изделий. Кристаллизацию и отжиг производят в специальных печах (муфельных, туннельных или камерных) при температуре 800-900°С, затем изделия перемещают в зону отжига, а оттуда на склад готовой продукции.

Ситаллы получают путем направленной кристаллизации стекол или расплавов различных составов, протекающей во всем объеме отформованного изделия. Микроструктура ситаллов характеризуется наличием мелких кристаллов, равномерно распределенных в стекле. Средний размер кристаллов в ситаллах - 1-2 мкм, в то время как толщина прослойки из стекла не превышает десятых долей микрона. Отдельные кристаллы сами по себе обладают неодинаковыми свойствами в разных кристаллографических направлениях, однако благодаря их беспорядочной ориентации анизотропия в ситаллах отсутствует.

Для изготовления ситаллов используют те же исходные компоненты, что и для стекла, а также специальные добавки - катализаторы кристаллизации (соединения титана, лития, циркония и др.). Однако при производстве ситаллов предъявляются повышенные требования в отношении чистоты сырья и соблюдения установленного технологического режима.

Получение ситаллов включает следующие технологические операции. Шихта, содержащая катализатор, подвергается плавлению, при этом катализатор кристаллизации растворяется в расплавленном стекле. Из расплава формуется изделие теми же методами, что и при производстве стекла. Затем изделие охлаждается до температуры выделения микроскопических частиц катализатора, которая обычно на 50°С превышает температуру отжига стекла. На этой стадии производится выдержка в течение 1ч для образования максимального количества частиц катализатора. На следующей стадии термообработки изделие нагревают до температуры, соответствующей максимальной скорости образования и роста кристаллов ситалла и выдерживают при этой температуре до возможно более полного завершения кристаллизации. Наконец, ситалловое изделие охлаждают до комнатной температуры. Регулируя режимы термообработки, можно изменить степень кристаллизации, размеры кристаллов, что отражается на свойствах изделия.

Рис. 1. Производство каменного литья

Рис. 2. Схема кристаллизации стекла

Рис. 3. Технология получения ситаллов из доменных шлаков

5. Основные свойства продукции

Таблица 1. Свойства каменного литья

Высокая износостойкость, устойчивость к щелочам, кислотам и температурному воздействию. Это позволяет использовать каменное литье при воздействии агрессивных сред, абразивном воздействии, повышенной температуре, влажности, запылённости, механических нагрузках. Каменное литье более работоспособно и долговечно, чем изделия из таких традиционных материалов, как сталь, чугун, железобетон, огнеупоры.

Основные физико-механические свойства каменного литья в сравнении с серым чугуном, шамотным кирпичом и огнеупорным бетоном выше по следующим показателям. Коэффициент истираемости, стойкость к кислотам, твердость и поглощение воды. По шкале твердости Мооса каменное литье имеет 7ч8-ю группу, уступая лишь алмазу и корунду.

Показателем, снижающем эксплуатационные возможности каменного литья, является повышенная хрупкость (низкая ударная вязкость).

Удельное объемное электрическое сопротивление - 1,7-3,0 105 ·ОМ·м

Электрическая прочность - 0,8-3,0 кВ/мм

Диэлектрическая проницаемость, при f=50 Гц - 0,095-0,13

Свойства ситаллов

В отличие от обычных стекол, свойства которых определяются в основном их химическим составом, для ситаллов решающее значение имеют структура и фазовый состав. Причина ценных свойств ситаллов заключается в их исключительной мелкозернистости, почти идеальной поликристаллической структуре, что обусловливает сочетание высокой твердости и механической прочности с отличными электроизоляционными свойствами, высокой температурой размягчения, хорошей термической и химической стойкостью. Свойства ситаллов изотропны. В них совершенно отсутствует вязкая пористость. Усадка материала при его переработке незначительна. Большая абразивная стойкость делает их малочувствительными к поверхностным дефектам. Плотность ситаллов лежит в пределах 2400-2950 кг/куб.м, прочность при изгибе - 70-350 МПа, временное сопротивление - 112-161 МПа, сопротивление сжатию - 7000-2000 МПа. Модуль упругости 84-141Гпа. Прочность ситаллов зависит от температуры. Твердость их близка к твердости закаленной стали (V = 7000-10500 МПа). Они весьма износостойки (f_тр = 0,07-0,19). Коэффициент линейного расширения лежит в пределах (7- 300)10^-7 с^-1. Ситаллы с маленьким коэффициентом линейного расширения весьма нагревостойки. По теплопроводности ситаллы в результате повышенной плотности превосходят стекла. Термостойкость в интервале температур 150-1200 °С. Термическая устойчивость ситаллов обеспечивается очень небольшими, а иногда и отрицательными (от -7^.10^-7 до +3^.10^-7) коэффициентами термического расширения. Удельное объемное сопротивление 10⁸-10¹²Ом.м, электрическая прочность 25-75 МВ/м, тангенс угла диэлектрических потерь при 10⁶Гц (10-800).10^-4. Многие ситаллы обладают высокой химической стойкостью к действию сильных кислот (кроме плавкиковой) и щелочей.

Оптическое кварцевое стекло может быть заменено прозрачными ситаллами, которые имеют перед ним то преимущество, что в силу малых коэффициентов теплового расширения они нечувствительны к тепловым ударам. Прозрачность связана с размером кристаллов, меньшим длины полуволны видимого света и близостью показателей их преломления к стекловидной фазе.

6. Технико-экономические показатели

Показатели каменного литья

Изделия из каменного литья применяют для защиты сооружений и оборудования на предприятиях добывающих отраслей, металлургии, а также других отраслей промышленности, где оборудование подвергается абразивному износу, воздействию агрессивных сред и повышенных температур. Рекомендуется применять каменное литье для защиты оборудования и сооружений, работающих при давлениях 5 МПа и выше. Так как прочностные характеристики каменного литья значительно превышают этот показатель.

Преимущества использования каменного литья:

- Использование каменного литья позволяет увеличить срок службы оборудования и сооружений в 10 раз. Срок службы металлического оборудования 1 - 2 года, а футерованного каменным литьем 10 - 20 лет. В одинаковых условиях эксплуатации каменное литье изнашивается на 1 миллиметр в год, а метал на 10 миллиметров в год.

- Футеровка оборудования каменным литьем снижает время на ремонт оборудования примерно в 10 раз.

- Камнелитая футеровка позволяет снизить затраты на замену изношенного оборудования в 5 раз.

- Использование термостойкой камнелитой футеровки рампы и шламовых ям коксовой батареи, фактический не имеет альтернативы. Любые другие материалы в условиях высоких температур и абразивной нагрузки служат не более 8 месяцев, что не позволяет проводить плановые ремонты с периодичностью один раз в год. Термостойкое каменное литье в условиях высоких температур и абразивной нагрузки работает от 5 до 7 лет.

В промышленности строительных материалов наибольшее применение нашли трубы и фитинги (отводы, тройники, крестовины) наружным диаметром от 100 до 375 мм. Футерованные изнутри камнелитыми вкладышами, они используются в системах пневматической подачи (в основном цемента, стекла или их составляющих). Такие трубопроводы не изнашиваются длительное время, не образуют свищей, а значит, не создают запыленности в производственных помещениях. В целях более длительной эксплуатации каменным литьем футеруют циклоны, газоходы, элементы очистки воздуха.

Показатели ситаллов

Ситаллы благодаря высоким физико-механическим показателям широко применяют главным образом в специальных отраслях техники (машиностроении, приборостроении, радиоэлектронике и др.), а также для получения различных клеев для склеивания металла, стекла и керамики. В промышленном и гражданском строительстве ситаллы применяют в качестве конструктивных и отделочных материалов. Крупным достижением отечественной стекольной промышленности является разработка теоретических основ и освоение промышленного производства шлакоситалла -- стеклокристаллического материала, получаемого направленной кристаллизацией шлаковых расплавов. Шлакоситаллы отличаются мелкокристаллическим строением (размеры кристаллов -- несколько микрон), очень плотной структурой (2,6--2,8 т/м3, водопоглощение 0 %), высокой прочностью при сжатии (700--900 МПа) и изгибе (90--130 МПа). Твердость их по шкале Мооса составляет 5,7--7,5 МПа, микротвердость до 810-- 840 МПа, модуль упругости 11-Ю4 МПа, рабочая температура до 750°С, температура начала размягчения около 950 "С. Шлакоситаллы отличаются высокой износостойкостью и химической стойкостью.

Так как синтез ситаллов может быть осуществлен с учетом заранее заданных требований, ситаллы могут отличаться каким-либо одним главным свойством, например, механической или термической прочностью, химической устойчивостью, износостойкостью, прозрачностью, или обладать комплексом необходимых свойств. Это предопределило широкий спектр использования этих кристаллических материалов. Высокие эксплуатационные характеристики ситалловых изделий (прочность и износостойкость, химическая стойкость, способность выдерживать высокие температурные перепады) обеспечивают этому классу материалов возможность широкого применения в строительстве в качестве облицовочного материала, элементов слоистых панелей в конструкциях промышленных зданий. Шлакоситалл хорошо зарекомендовал себя в качестве материала для настила полов промышленных и гражданских зданий, для облицовки наружных и внутренних стен, для футеровки строительных конструкций, подверженных химическим воздействиям и абразивному износу. Для расширения цветовой гаммы шлакоситалла его поверхность можно декорировать силикатными эмалями.

Очень большое распространение в химическом машиностроении получили стеклокристаллические покрытия, наносимые на поверхность различных металлов для защиты их от коррозии, окисления и износа при обычных и повышенных температурах. Все шире области применения ситаллов в электронной промышленности. Их используют в качестве диэлектрической изоляции микросхем и межслойной изоляции печатных схем на керамических и других подложках. Ситаллы на основе горных пород (перлита и доломита) рекомендуются для изготовления высоковольтных стержневых и штыревых электроизоляторов. В быту из ситаллов изготавливают жаропрочную хозяйственную посуду -- кастрюли, жаровни, сотейники.

Заключение

Каменное литье - производство материалов и изделий из расплавов горных пород и некоторых видов промышленных отходов(шлак, зола) методом литья. Изделия из каменного литья довольно широко используются в промышленности (в частности добывающей и металлургической, угольной и др.). В строительстве литые каменные изделия используют в особо тяжелых условиях эксплуатации (полы промышленных предприятий, плитки и другие изделия для облицовки ответственных частей зданий и антикоррозионных покрытий, камни и плиты для дорог, трубы и облицовка химической аппаратуры и мельниц). Стоимость каменного литья, особенно светлого, как и ситаллов, сравнительно высока, но с учетом долговечности их применение экономически выгодно.

Ситаллы - стеклокристаллические (микрокристаллические) материалы, состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных в стекловидной фазе. Главная особенность ситаллов -- тонкозернистая равномерная стеклокристаллическая структура. От неорганических стекол они отличаются кристаллическим строением, а от керамических материалов - более зернистой и однородной микрокристаллической структурой. Сочетание физико-механических свойств шлакоситаллов обуславливают возможность их широкого использования в строительстве. Все большее развитие получают пеношлакоситалловые конструкции, трубы и другие изделия.

каменный ситалл шлак шихта

Список использованных источников

1. Микульский В.Г., Сахаров Г.П. и др. Строительные материалы (Материаловедение. Технология конструкционных материалов). Учебное издание. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2007.

2. Комар А.Г. Строительные материалы и изделия: Учеб. для инж.-экон. спец. строит. вузов. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш.шк., 1988.

3. Рыбьев И.А. Строительное материаловедение: Учеб. пособие для строит. спец. вузов - 2-е изд., испр. - М.: Высшая школа, 2004.

Размещено на Allbest.ru