Силікатна промисловість. 
Виробництво керамічних виробів

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України Сумський державний педагогічний університет ім. А. С. Макаренка

ІНДЗ на тему Силікатна промисловість. Виробництво керамічних виробів Підготувала студентка 641 (2) групи Алхімова Олена Суми — 2013р.

Вступ Технологія силікатів розглядає виробництва, пов’язані з переробкою піску, вапняку, глини, різних гірських порід і шлаків на керамічні вироби, будівельні, електроізоляційні, вогнетривкі і хімічностійкі матеріали, різний хімічний і господарський посуд, абразивні матеріали, азбоцементні вироби та інші матеріали, які мають величезне значення в усіх галузях народного господарства та в побуті.

Силікатна промисловість поділяється на ряд самостійних галузей, основними з яких є виробництво кераміки і вогнетривких матеріалів, виробництво в’яжучих речовин та виробництво скла. Матеріали і вироби силікатної промисловості мають дуже цінні технічні властивості, які обумовлені особливою будовою молекул силікатних мінералів, основним структурним елементом яких є тетраедрична група. Для цієї структури характерна висока міцність зв’язку між іонами і, завдяки чому більшість силікатів мають велику твердість і тугоплавкість.

Загальною властивістю більшості силікатів є також хімічна стійкість і вогнетривкість. Завдяки доступності сировини вироби і матеріали силікатної промисловості відносно дешеві.

Технологія силікатів Сировина для силікатної промисловості в природі дуже поширена у вигляді глини, кварцового піску, вапняку, крейди, доломіту, мергелів, польового шпату, нефеліну і т. д. Основною сировиною для силікатної промисловості є кремнезем, його природні гідрати, сполуки їх з окисами алюмінію, лужних і лужноземельних металів. Кремнезем зустрічається у кристалічному вигляді — кварцит, кварцовий пісок та гірський кришталь — і в аморфному — діатоміт, трепел.

Крім природної сировини у силікатній промисловості застосовуються різні штучні і синтетичні матеріали — сода, бура, сульфат натрію, окиси металів, відходи металургійних і хімічних виробництв (шлаки, сланцева зола, шлам глиноземного виробництва та ін.).

У виробництві в’яжучих матеріалів широко використовуються мергелі природні суміші вапняку і глини, склад яких близький до складу шихти, з якої виробляють цементи.

До силікатної промисловості належать виробництва спеціальних вогнетривких матеріалів, до складу яких входять вогнетривкі окиси металів і не входить кремнезем. Але за тотожністю методів виробництва їх відносять умовно до технології силікатів.

Найважливішою стадією виробництва силікатів є обробка шихти при високій температурі, коли відбувається утворення мінералів, що входять до складу кераміки, скла, цементного клінкеру. При утворенні силікатних мінералів беруть участь такі кислотні окисли, як Si02, А12О3, Fe2О3, В2О3 і основні оксиди — Na2О, K2О, CaO, MgO. Тому для виготовлення шихти беруть карбонати, алюмосилікати, гідрати, у вигляді яких ці окисли вносять.

При нагріванні силікатної шихти спочатку видаляється волога — фізична і гідратна, потім конституційна волога і двоокис вуглецю; при вищій температурі порушується щільність кристалічних решіток, відбувається перебудова їх, дифузія реагуючих компонентів, утворення твердих розчинів, спікання, плавлення і кристалізація з розплавів і, нарешті, — утворення евтектик і нових мінералів, які й є кінцевим продуктом.

Спікання — найважливіший процес, який відбувається при нагріванні твердих речовин. При виробленні кераміки, вогнетривких матеріалів, цементу — спікання є завершальним етапом, під час якого утворюється міцний керамічний черепок або мінерали цементного клінкеру.

При охолодженні матеріалу після спікання утворюються або такі самі, або нові кристалічні решітки. Після охолодження розплавлених силікатів утворюється аморфна речовина — скло.

Керамічні вироби Керамічні вироби виготовляються з різної мінеральної сировини, в основі якої є глина. До керамічних виробів належать передусім цегла будівельна і цегла з вогнетривкої, кислототривкої, лужнотривкої сировини, яка застосовується в металургії та хімічній промисловості, цегла і плитки для облицьовування будівель, вироби з тонкої кераміки — фарфорові і фаянсові, вироби з спеціальної кераміки, які застосовуються в радіоі автопромисловості, у приладобудуванні і т. д.

За властивостями черепка керамічні вироби поділяють на дві групи:

1. Вироби з пористим, непрозорим черепком, здатним поглинати воду, якщо не вкрити його поливою, і з неоднорідним землистого вигляду зламом. До них належить цегла, черепиця, гончарні вироби, вогнетривкі матеріали та ін.

2. Вироби з щільним черепком, що спікся і не поглинає воду та має глянцевий злам. До цієї групи належать кислототривкі вироби, каналізаційні труби, метлаські плитки, фарфорові вироби та ін.

Сировиною для керамічних виробів є глина і різні гірські породи, що містять її. Чиста глина складається з мінералу каоліну А12О3 * 2SiО2 * 2Н2О. Різні види глини мають багато домішок кварцу, польового шпату, карбонатів кальцію і магнію, сполук заліза та ін.

За призначенням розрізняють глини фарфорові, вогнетривкі, теракотові, цегляні, черепичні, клінкерні та ін.

Найважливішою властивістю глини є її пластичність — здатність після замішування водою набувати різної форми, а також зберігати цю форму після сушіння і випалювання. Розрізняють високопластичні, середньопластичні, малопластичні і непластичні глини. Залежно від характеру глини і виду виробу іноді змішують різні гатунки глини або додають до високопластичних (жирних) глин різні домішки, які роблять її «пісною» (шамот, кварц, польовий шпат та ін). Збільшити пластичність глини можна вивітрюванням, вилежуванням, виморожуванням, додаванням лужних електролітів, органічних колоїдів чи високопластичної глини.

Для виготовлення виробів з щільним черепком до глин додають плавні польовий шпат, доломіт, магнезит та інші, з яких найбільше значення має калійний польовий шпат з температурою плавлення близько 1200° С. При випалюванні керамічних виробів калійний польовий шпат розплавляється, утворюючи склоподібну масу, яка заповнює проміжки між зернятами керамічної маси, завдяки чому після застигання утворюється монолітний матеріал. При виробництві фарфоро-фаянсових виробів, кислототривких матеріалів, метлаських і облицювальних плиток, каналізаційних труб, при виготовленні глазурі та емалі калійний польовий шпат є обов’язковим компонентом шихти.

Для виготовлення керамічних виробів застосовують або природні керамічні маси (оброблену одну яку-небудь гірську породу), або штучні керамічні маси, які утворюються внаслідок змішування кількох сировинних матеріалів. З природних керамічних мас виготовляють грубі керамічні вироби. Із штучних керамічних мас виробляють фарфорові і фаянсові вироби (тонку кераміку).

Сировину готують по-різному, залежно від її властивостей і характеру виробів. Насамперед сировину подрібнюють і змішують, причому змішують у певному процентному співвідношенні зерен різного розміру. Після цього керамічну масу підготовляють до формування. Цей процес залежно від способу формування здійснюється так:

1. При пластичному способі формування виробів подрібнені матеріали змішують, зволожують і розминають до тістоподібного стану.

2. При відливанні виробів — тонкоподрібнений матеріал розмішують у воді.

3. За напівсухим способом формування матеріал підсушують до 8—16% вологості. При сухому способі матеріал сушать до повного видалення вологи.

При сучасних способах формування вміст вологи у матеріалах буває від 4 до 40%. У виготовленні керамічної маси важливим процесом є перемішування і переминання керамічної маси до повної однорідності.

Формування виробів провадиться за допомогою формувальних пресів пластичним способом з тістоподібної маси вологістю 16— 25% (рис.).

Напівсухим способом керамічні маси з вологістю 8—16% формують у ящикових пресах спочатку під тиском 20—40 am, а при остаточному пресуванні — 100—500 am.

Сухий спосіб застосовують для формування непластичних керамічних мас з вологістю 4—8%. Формування провадиться під високим тиском, з додаванням у керамічну масу для міцності виробів зв’язуючих речовин — пластичних глин, гумусу, декстрину, цукрової патоки та ін.

Сформовані вироби сушать на повітрі або в спеціальних сушильних камерах. Сушать повільно, при певній температурі, щоб запобігти деформуванню виробів і появі тріщин. Сухі вироби надходять на випалювання.

Випалювання — найвідповідальніша операція при виготовленні керамічних виробів, при якій відбуваються складні фізичні і хімічні процеси, внаслідок чого керамічна маса перетворюється на твердий черепок. Щоб запобігти утворенню бульбашок, тріщин та інших порушень, для кожного виду керамічних виробів встановлюють відповідний режим нагрівання, охолодження і максимальну температуру випалювання. Випалювання провадять з такою швидкістю, щоб усі процеси, які відбуваються з виділенням газоподібних речовин, закінчувалися до закриття пор.

Керамічні вироби випалюють у камерних печах періодичної дії та в безперервно діючих кільцевих і тунельних печах.

Цеглу випалюють у кільцевих і тунельних печах. На рис. 97 наведена схема кільцевої печі, яка складається з. кільцевого каналу, розділеного на 16 камер, що обігріваються гарячими газами. Піч має три зони: підігрівання, випалювання і охолодження.

Тунельна піч (рис. являє собою суцільний канал, у якому вироби, що випалюються, пересуваються на вагонетках. У цій печі також три зони: підігрівання, випалювання і охолодження. У зону випалювання подаються гарячі гази або газоподібне чи рідке паливо, яке спалюється безпосередньо в самому робочому просторі.

Вироби на вагонетках 3 подаються в піч у зону підігрівання. Платформи вагонеток щільно притулені одна до одної так, що утворюється суцільний під печі. Краї вагонеток мають металеві щітки, які пересуваються в піску, внаслідок чого утворюється затвор 4, що відгороджує верх платформи від коліс, осі вагонеток і рейок, щоб захистити їх від дії високої температури. Крім того, вони ще охолоджуються повітрям, яке подається трубопроводом, розміщеним між рейками.

Через певні проміжки часу (від З0 хв до 3 год) вагонетки проштовхуються вперед, кожного разу на одну вагонетку. При цьому в зоні підігрівання вивільняється місце для однієї вагонетки, а з зони охолодження виходить вагонетка з готовою продукцією.

Тунельні печі мають ряд переваг порівняно з кільцевими. У них набагато зручніше завантажувати і вивантажувати вироби, менше потрібно палива і кращі умови праці.

Щоб надати поверхні деяких керамічних виробів твердости блиску, газоі водонепроникності та хімічної стійкості, їх покривають тонким шаром поливи, яка складається з каоліну, кварцу і польового шпату. Деякі види кераміки покривають соляною поливою. Для цього в піч перед кінцем випалювання вносять кухонну сіль.

Сіль випаровується і реагує з сполуками кремнію та алюмінію, які входять до складу черепка. На поверхні виробів утворюється тонкий шар легкоплавких сполук — силікатів і алюмосилікатів натрію.

Різними способами — найчастіше декалькоманією або фотокерамікою наносять на випалену поверхню керамічного виробу малюнки. Декалькоманія полягає в тому, що відбитий на гумованому папері керамічними фарбами малюнок переносять на поверхню виробу так, як наприклад, дитячі перебивні картинки. Після закріплення малюнка виріб сушать і знову випалюють. Для керамічного фарбування застосовують окиси різних металів та їхні солі.

Виробництво будівельної цегли Будівельна цегла належить до групи грубої кераміки з пористим черепком. До цієї групи можна віднести також звичайну червону глиняну цеглу, силікатну цеглу, порожнисту пористу цеглу, які застосовуються для кладки стін і різного будівництва.

Сировиною для виготовлення будівельної цегли є глини з добавками піску, шамоту, а іноді органічних добавок, щоб утворювались пори при їх вигорянні. Цеглу формують головним чином у глином’ялках з мундштуком або в пресах. Перед випалюванням цеглу підсушують, а потім випалюють при температурі 900— 1000° С — у разі пластичного формування — і при 950—1100° С, якщо формування було сухим.

Розміри звичайної будівельної цегли стандартні — 250×120 X X 65 мм, вона повинна витримувати при випробуваннях 15-разове поперемінне заморожування і розморожування без якихось помітних змін.

Білу силікатну цеглу виготовляють без випалювання, звичайним пресуванням суміші піску і вапна. Після пресування цеглу обробляють водяною парою під тиском до 10 am протягом 8—14 год. Таким же чином виготовляють цеглу з доменних шлаків.

Для будівництва печей у металургійній, силікатній, коксохімічній та інших галузях промисловості, де застосовуються високі температури, потрібні вогнетривкі матеріали: цегла, балки, різні форменні вироби тощо. Керамічні вироби вважаються вогнетривкими, якщо вони зберігають свої механічні властивості при високих температурах і не руйнуються під впливом різних газів, розплавлених металів, шлаків і т. п.

Вогнетривкі властивості характеризуються температурою зм’якшення керамічного виробу, яка не має певної величини, а вимірюється іноді сотнею градусів.

Вогнетривкі матеріали повинні мати температуру зм’якшення не нижче 1580° С, високовогнетривкі — не нижче 1770° С, а вироби найвищої вогнетривкості — не нижче 2000° С.

За хімічним складом вогнетривкі матеріали поділяються на кислі, основні і нейтральні. Найважливіші з них шамотні вироби, які бувають кислі, основні і нейтральні; динасові вироби — кислі й магнезитові—основні.

Шамотну цеглу виготовляють із суміші шамоту і глини у співвідношенні від 1: 1 до 1: 3. Шамот — це прожарена і подрібнена вогнетривка глина. При виготовленні суміші шамоту і глини суворо дотримуються їх визначеного гранулометричного складу, який впливає на механічні і вогнетривкі властивості шамотних виробів. Після змішування шамоту з глиною суміш зволожують, пластичну масу формують і відформовані вироби сушать 10— 20 діб. Випалювання провадиться при температурі 1300—1425° С.

Кислий шамот виготовляють з глини і частково (або повністю) замінюють у суміші випалену глину піском. Для виготовлення основного шамоту до вогнетривкої глини добавляють окис алюмінію. Нейтральний шамот виробляють із звичайної вогнетривкої глини.

Динасову цеглу застосовують для кладки мартенівських, скловарних, коксових, електроплавильних печей, бесемерів і т. п. Динасова маса містить не менш як 92% Si02, завдяки чому вона стійка проти дії кислот (крім плавикової) і витримує вищу температуру, ніж шамот, але руйнується окисами металів і основними силікатами.

Сировиною для виробництва динасової цегли є гірські породи — кварцити, які складаються переважно з кварцу. Для одержання високоякісного динасу кварцит повинен містити не менше 96% SiО2; динас, який застосовують для кладки електропечей добувають з кварциту, що містить не менше 97,5% SiО2.

Кварцит подрібнюють до розміру частинок не більше 3 мм. З різних сортів кварциту готують шихту, яку змішують з вапняним молоком або іншим в’яжучим матеріалом, добре перемішують на бігунах, після чого з неї формують вироби, які сушать при 120° С. Випалюють вироби при температурі 1500° С, застосовуючи суворий температурний режим.

Магнезитову цеглу виготовляють, в основному, з окису магнію. Вогнетривкі магнезитові вироби, які містять не менше 90% MgO, витримують температуру 1825—1850° С. Чистий окис магнію плавиться при температурі 2800 °C.

Для виготовлення магнезитових виробів випалений мінерал магнезит змішують з водою або органічним зв’язуючим матеріалом. З цієї маси підтиском до 4 am формують вироби, які сушать при 120° С і випалюють при 1600° С. Цегла і вироби з магнезиту витримують нагрівання до 1800° С.

Хромомагнезитову цеглу, яка належить до спеціальних вогнетривких матеріалів, широко використовують у металургії для кладки склепіння мартенівських печей, для футерування печей у зоні спікання матеріалу; оскільки ця цегла стійка проти дії і кислих, і лужних реагентів, то її використовують і при виплавленні металів з різних руд. Виробляють хромомагнезитову цеглу з хромистого залізняку, формуючи його з випаленим магнезитом. Сформовану цеглу випалюють при температурі 1500—1600 ° С.

Виготовлення фарфорових і фаянсових виробів Фарфор і фаянс належать до групи тонкої кераміки. Фарфор має непроникний водо-і газощільний черепок, фаянсовий черепок меншої щільності, пропускає воду.

Для виготовлення фаянсових виробів застосовують шихту, до складу якої входять у рівних пропорціях каолін, пластична глина і кварцовий пісок.

Фарфор і фаянс відзначаються білістю черепка, твердістю, термічною і хімічною стійкістю. Виготовляють їх з каоліну і вогнетривких глин, випалених до білого кольору, з добавкою кварцу, польового шпату, глинозему, тальку, окисів берилію, титану, цирконію і маси битих виробів. Виготовлення фарфору і фаянсу потребує старанної підготовки шихти, однорідності керамічної маси і чіткого дотримування режиму сушіння та випалювання виробів. Фарфорові вироби випалюють двічі; спочатку при температурі 900—1000° С, а після нанесення глазурі — при температурі 1320— 1350° С. Щоб фарфорові і фаянсові вироби були міцними, водонепроникними і привабливими на вигляд, їх покривають глазур’ю.

Фарфорові і фаянсові вироби широко застосовуються в побуті, в електротехніці, радіотехніці, санітарно-гігієнічному будівництві, а також як декоративні вироби.

силікат керамічний будівельний цегла

Висновок

? Технологія силікатів розглядає виробництва, пов’язані з переробкою піску, вапняку, глини, різних гірських порід і шлаків на керамічні вироби, будівельні, електроізоляційні, вогнетривкі і хімічностійкі матеріали

? Сировина для силікатної промисловості в природі дуже поширена у вигляді глини, кварцового піску, вапняку, крейди, доломіту та ін.

? Завдяки доступності сировини вироби силікатної промисловості відносно дешеві.

Список використаної літератури

1. Основы химической технологии. Гончаров А. И., Стеценко А. В. «Вища школа», 1971, 460 стр. (на украинском языке)

2. Бесков В. С., Сафронов В. С. Общая химическая технология и основы промышленной технологии. Москва «Химия», 1999

3.. Дудеров И. Г., Матвеев Г. М., Суханов В. Б. Общая технология силикатов.- М.: Стройиздат, 1987. — 560с.

4. Общая технология силикатов/Под ред. Пащенко А. А. — Киев: Вища школа, 1983. 408с.

5.. Бутт Ю. М., Тимашев В. В. Практикум по химической технологии вяжущих материалов.- М.: Высшая школа, 1983.

.ur