Продукты силикатной промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРОДУКТЫ СИЛИКАТНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ



1. Сырье, типовые процессы и применение изделий силикатной промышленности

Силикатная промышленность разделяется на ряд самостоятельных отраслей, главными из которых являются производство керамики и огнеупоров, производство вяжущих веществ и производство стекла.

Задачей технологии силикатов является получение искусственным путем различных минералов или их смесей и изделий из них, а также стекол и изделий из них. Свойства большинства силикатов обусловлены строением их молекул, основным структурным элементом которых является тетраэдрическая группа [SiO₄]^4-. Для этой структуры характерна высокая прочность связи между ионами Si⁴⁺ и O^2-, благодаря которой большинство силикатов обладает высокой твердостью и тугоплавкостью. Кроме того, общими свойствами для силикатов являются химическая устойчивость, огнеупорность, а также сравнительная дешевизна благодаря доступности сырья.

Сырье для силикатной промышленности широко распространено в природе. Это - глины, мергели (осадочные горные породы, переходные от известняков к глинам и содержащие 50-80 % карбонатов кальция и магния и 20-50 % глинисто-песчаного материала), известняки, мел, доломит, кварцевый песок, туф, кварцит, полевой шпат и т. д. Как сырье также могут быть использованы отходы черной и цветной металлургии и ряда химических заводов - доменный шлак, сланцевая зола, нефелиновый шлам глиноземного производства и т. п.

Большинство этих сырьевых материалов и вырабатываемых силикатной промышленностью изделий содержат силикаты, алюмосиликаты или другие соли кремневой кислоты.

Необходимо отметить, что в настоящее время технология силикатов включает получение многих минералов и изделий, не содержащих кремнезем и его соединения, например, получение высокоогнеупорных оксидов (Al₂O₃,MgO, CaO, ZrO₂,BeO) и специальных изделий из них - керметов (керамических материалов, включающих металлы и высокоогнеупорные оксиды).

Производство этих материалов и изделий условно относят к технологии силикатов благодаря сходству применяемых методов производства.

Силикатные материалы насчитывают большое количество различных видов, представляют крупномасштабный продукт химического производства и используются во многих областях народного хозяйства.

Рисунок 11.1 Классификация силикатов

Типовые процессы технологии силикатов

Технологические схемы производства различных силикатов (керамических изделий, огнеупоров, вяжущих веществ), как правило, складываются из однотипных процессов и операций. Это чисто механические операции - дробление, размол, смешение твердых материалов при подготовке сырьевой смеси - и физико-химические процессы, происходящие при высокотемпературной обработке шихты с образованием тех или иных минералов или их смесей.

В самом общем виде производство любого силикатного материала состоит из следующих последовательных стадий (рис. 11.2.):



Рисунок 11.2 Принципиальная схема производства силикатных материалов

Подготовка сырьевой смеси в производстве силикатов имеет целью обеспечить высокую интенсивность последующих высокотемпературных процессов. Для этого производятся тонкое измельчение твердых сырьевых материалов, расчет и дозировка их, перемешивание шихты, ее увлажнение, брикетирование (или формование) и сушка отформованных изделий, способствующая сохранению однородности шихты, а также формы изделия при обжиге (производство керамики).

Центральной стадией производства всех силикатов является высокотемпературная обработка шихты, при которой происходит синтез минералов. В качестве кислотных оксидов наиболее часто применяются SiO₂, Al₂O₃, B₂O₃, Fe₂O₃, а в качестве основных оксидов - Na₂O, K₂O, CaO, MgO и др. При нагревании силикатной шихты, включающей эти оксиды (в виде карбонатов, алюмосиликатов, гидратов), последовательно происходят следующие элементарные процессы:

удаление физической и гидратной влаги;

кальцинация (удаление конституционной воды и углекислого газа);

разрыхление кристаллических решеток, их перестройка вследствие полиморфных превращений;

диффузия реагентов, образование твердых растворов;

спекание, плавление, кристаллизация из расплавов, возгонка;

образование новых химических соединений.

Продукция силикатной промышленности - различные строительные материалы (цемент, стекло, кирпич, черепица, облицовочные плиты); огнеупоры, электро-, тепло- и звукоизоляционные материалы, химически стойкие материалы, а также изделия для электро-, радио-, телевизионной и оптической промышленности, химическая и хозяйственная посуда, тара, художественные изделия, предметы домашнего обихода. Все это имеет огромное значение для народного хозяйства.

2. Производство керамических материалов

Керамикой называют изделия, изготовленные из керамических масс формованием или отливкой с последующей сушкой и обжигом до спекания.

Керамические массы - смеси различной влажности, как правило, включающие глину.

Керамические материалы и изделия можно разделить на следующие основные группы в соответствии с областями их применения:

Строительная керамика - изделия, предназначенные главным образом для кладки зданий и сооружений: строительный кирпич (обычный и пустотелый), кирпичные блоки, кровельная черепица, каменный товар (клинкерный кирпич, керамические плитки для полов, канализационные трубы и т. п.).

Облицовочные материалы - изделия, предназначенные для внутренней и наружной отделки зданий: облицовочные кирпич и плитка.

Огнеупоры - материалы, сохраняющие свои механические свойства при высоких температурах (выше 1000 ^оС) и предназначенные для постройки различных частей промышленных печей и аппаратов, работающих в условиях высокотемпературного нагрева.

Тонкая керамика - группа изделий, главным образом фарфоровых и фаянсовых, применяющихся в быту (хозяйственная посуда, раковины, художественные декоративные изделия), в лабораторной технике (химическая посуда и аппаратура), в электротехнике (электротехническая керамика) и т. д.

Специальная керамика - группа изделий со специальными свойствами, применяющихся в радио- и авиапромышленности, приборостроении т. п.

По характеру черепка, полученного при обжиге, керамические изделия принято подразделять:

на пористые изделия с непросвечивающимся черепком, дающие неоднородный по структуре тусклый излом, поглощающие воду (при отсутствии покрытия глазурью);

на изделия со спекшимся черепком, дающие блестящий твердый излом, не поглощающий воду.

В технологии керамических изделий различают грубую керамику, к которой относятся строительные материалы и огнеупоры, изготовленные из грубозернистых керамических масс, обладающие пористым черепком с неоднородной структурой, и тонкую керамику, к которой относятся спекшиеся или мелкопористые изделия с однородной структурой черепка - фарфор, фаянс, специальная керамика.

Сырье для производства керамики можно разделить на три основные группы:

пластичные материалы;

непластичные, или отощающие, добавки;

минерализаторы и плавни.

К пластичным материалам, т. е. таким, которым после замешивания с водой можно придавать любую форму, сохраняемую при сушке и обжиге изделия, относятся в основном глины.

Глины являются основным сырьем для керамики. Состав глин колеблется в широких пределах; они содержат алюмосиликаты, оксиды железа, кальция, магния, щелочных металлов, титана. Основным минералом, входящим в состав глин, является каолинит - Al₃O₂•2SiO₂ 2H2O.

Пластичность глины зависит от степени дисперсности частиц глинистого материала. Наиболее дисперсны и, следовательно, более пластичны так называемые «жирные» глины. Однако пластичный материал - глина редко применяется в чистом виде (без добавок), так как при сушке и обжиге она дает большую усадку.

Для уменьшения пластичности и усадки керамических масс к глине добавляют отощающие добавки. В качестве отощающих добавок применяются кремнеземистые материалы (кварц, песок) и брак керамических изделий.

К плавням (или минерализаторам) относятся вещества, добавление которых способствует появлению жидкой фазы и снижает температуру спекания керамической массы. Благодаря наличию жидкой фазы при обжиге увеличивается плотность черепка и улучшаются механические свойства изделия.

В качестве плавней в основном применяются легкоплавкий полевой шпат [(K₂O, Na₂O), Al₂O_3. 6 SiO₂] и карбонаты (CaCO₃, MgCO₃), которые обладают высокой температурой плавления, но образуют с компонентами керамической массы легкоплавкие соединения. Добавки плавней применяются главным образом при изготовлении изделий с плотным каменистым черепком - фарфора, фаянса, облицовочных плиток и т. д.

Производство керамических изделий включает такие операции:

приготовление керамической массы;

формование массы;

сушка;

обжиг;

глазурование и декорирование изделий.

1. Приготовление керамической массы производят смешением исходных материалов, прошедших предварительную подготовку. Подготовка сырья заключается в обогащении сырья, дроблении и тонком размоле компонентов смеси. Смешение производят с добавлением воды в различных количествах, в зависимости от способа формования, в шнеках-смесителях, мешалках.

2. Формование керамической массы производится несколькими методами в зависимости от количества добавляемой воды. Сухой или полусухой способ заключается в прессовании изделий в формах из порошкообразной массы, увлажненной до содержания воды 4-16 %, на механических или гидравлических прессах. Пластичный способ (влажность массы 16-25 %) заключается в формовании тестообразной массы машинным способом в шнековых и других прессах. Формование литьем осуществляют, применяя жидкую керамическую массу - шликер - суспензию, содержащую 30-35 % воды. Этим способом формуют в основном изделия тонкой и специальной керамики.

3. Сушку отформованного изделия осуществляют в камерных, туннельных сушилках.

4. Обжиг является самой ответственной стадией в производстве керамических изделий. При обжиге в результате сложных физико-химических превращений и химических реакций керамическая масса превращается в готовое изделие с твердым черепком.

Обжигаемое изделие проходит в печи ряд периодов в соответствии с изменением температуры:

подогрев, при котором удаляется механически связанная и гигроскопическая влага;

прогрев с удалением химически связанной, гидратной воды;

собственно обжиг, при котором происходит спекание и образуется камневидный черепок;

охлаждение обожженного изделия.

Максимальная температура обжига составляет, например: для обычного строительного кирпича - 1050-1100 °С, кислотоупорной керамики - 1250-1320 °С, огнеупоров - 1350-1650 °С.

Печи для обжига керамических изделий бывают периодического и непрерывного действия. Камерные печи периодического действия применяются для обжига изделий, вырабатываемых в небольших масштабах (специальная керамика, художественные изделия). А для обжига строительной, облицовочной, огнеупорной керамики применяются главным образом кольцевые и туннельные печи непрерывного действия.

5. Глазурование и декорирование изделий

Для придания водонепроницаемости и твердости, а также для декоративных целей фаянсовые и фарфоровые изделия, относящиеся к группе тонкой керамики (фарфор обладает твердым спекшимся черепком, непроницаемым для воды и газа; фаянс обладает более пористым черепком и пропускает воду), покрывают глазурью. Глазурь представляет собой прозрачную или окрашенную стеклообразную легкоплавкую массу. По химическому составу глазури являются щелочными, щелочноземельными или другими алюмосиликатами.

Производство строительного кирпича

Сырьем для производства строительного кирпича служат легкоплавкие (строительные) глины состава AlO2 • nSiO2 • mH₂O, песок и оксиды железа (III). Добавка кварцевого песка исключает появление трещин вследствие усадки материала, при сушке и обжиге и позволяет получить более качественную продукцию.

Технологический процесс производства кирпича может осуществляться в двух вариантах:

- пластическим методом, при котором смесь подготовленных компонентов сырья превращается в пластическую массу, содержащую до 25 % воды;

- полусухим методом, при котором компоненты сырья увлажняются паром (до 10 %), что обеспечивает необходимую пластичность массы.

Приготовленная тем или иным методом шихта, содержащая 40-45 % глины, до 50 % песка и до 5 % оксида железа, поступает на прессование в ленточный пресс (при пластическом методе) или в механический пресс, работающий под давлением 10-25 МПа (при полусухом методе). Сформованный кирпич направляется на сушку в туннельную сушилку непрерывного действия и затем - на обжиг при температуре 900-1100 °С. Для ускорения сушки в глину добавляют электролит (раствор солей).

На рисунке 11.3 приведена принципиальная схема производства строительного кирпича полусухим способом.

Рисунок 11.3 Принципиальная схема производства кирпича

Производство огнеупоров

Огнеупорными материалами (огнеупорами) называют неметаллические материалы, характеризующиеся повышенной огнеупорностью, то есть способностью противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. Огнеупоры применяются в промышленном строительстве для кладки металлургических печей, футеровки аппаратуры, работающей при высоких температурах, изготовления термостойких изделий и деталей (тигли, стержни поглотителей нейтронов в атомных реакторах, обтекатели ракет и т. п.).

К материалам, используемым в качестве огнеупоров, предъявляются следующие общие требования:

- термическая стойкость, то есть свойство сохранять механические характеристики и структуру при одно- и многократном термических воздействиях;

- малый коэффициент термического расширения;

- высокая механическая прочность при температуре эксплуатации;

- устойчивость к действию расплавленных сред (металлов, шлака).

323

Ассортимент огнеупоров весьма широк. В зависимости от состава они делятся на несколько групп. На рисунке 11.4 представлена классификация огнеупорных материалов по их составу.

Алюмосиликатные огнеупоры относятся к числу наиболее распространенных. В их основе лежит система «Аl₂O₃ - SiO₂» с различным соотношением оксидов алюминия и кремния, от чего в значительной степени зависят их свойства, в частности, стойкость к расплавам различной кислотности.

Рисунок 11.4 Классификация огнеупоров по их составу

Динасовые огнеупоры состоят не менее чем на 95 % из оксида кремния в модификации тридимита и кристабалита с примесью оксида кальция. Они стойки к кислым шлакам, огнеупорны до 1730 єС и применяются для кладки коксовых и стекловаренных печей. Получаются из кварцита и оксида кальция обжигом при 1500 єС.

Полукислые огнеупоры содержат до 70-80 % оксида кремния и 15- 25 % оксида алюминия. Они относительно стойки к кислым шлакам и силикатным расплавам и используются в металлургических печах и теплоэнергетических установках.

Шамотные огнеупоры содержат 50-70 % оксида кремния и до 46 % оксида алюминия. Они стойки к действию как кислых, так и основных шлаков, огнеупорны до 1750 °С и термически устойчивы. Получаются по такой схеме:

Высокоглиноземистые огнеупоры содержат более 45 % оксида алюминия. Они обладают повышенной механической прочностью при высоких температурах и огнеупорны до 1950 єС. Применяются для кладки сводов металлургических печей, в электрических, стекловаренных и туннельных печах обжига.

Магнезитовые огнеупоры содержат в качестве основы оксид магния. Например, доломитовые огнеупоры состоят из 30 % оксида магния, 45 % оксида кальция и 15 % оксида кремния. Все виды магнезитовых огнеупоров устойчивы к действию основных шлаков, огнеупорны до 2500 °С, однако термическая стойкость их невелика. Применяются для облицовки сталеплавильных конвертеров, в индукционных электрических и мартеновских печах. Получаются обжигом природных минералов, например, доломита.

Корундовые огнеупоры состоят из оксида алюминия в модификации корунда. Они огнеупорны до 2050 єС и применяются в устройствах для нагрева и плавления тугоплавких материалов в радиотехнике и квантовой электронике.

Карборундовые огнеупоры состоят из карбида кремния (карборунда) SiC. Они устойчивы к действию кислых шлаков, обладают высокой механической прочностью и термостойкостью. Применяются для футеровки металлургических печей, изготовления литейных форм, чехлов термопар.

Циркониевые и ториевые огнеупоры состоят соответственно из оксидов циркония ZrO₂ и тория ThO₂ и отличаются высокой огнеупорностью (до 2500 єС). Применяются для изготовления тиглей в цветной металлургии, футеровки соляных ванн для закалки стальных изделий, изготовления деталей печей и установок разливки стали.

Углеродистые огнеупоры содержат от 30 до 92 % углерода и изготавливаются:

- обжигом смеси графита, глины и шамота (графитовые огнеупорные материалы);

- обжигом смеси кокса, каменноугольного пека, антраценовой фракции каменноугольной смолы и битума (коксовые огнеупоры). Углеродистые огнеупоры применяют для выкладки горнов доменных печей, печей цветной металлургии, электролизеров, аппаратуры в производстве коррозионно-активных веществ.

3. Вяжущие вещества

Вяжущими называют порошкообразные минеральные вещества, образующие при смешении с водой пластичную, удобную для формования массу, которая со временем затвердевает в прочное, камневидное тело. По основному назначению и свойствам вяжущие вещества разделяются на три группы (рис. 11.5):

воздушные вяжущие,способны твердеть и сохранять прочность только на воздухе, используются для приготовления строительных и штукатурных растворов (воздушная известь), строительных и архитектурно-декоративных деталей (гипс);

гидравлические вяжущие (гидравлическая известь, цемент), способны твердеть и сохранять прочность на воздухе и в воде, конструкций надземных, подземных и гидротехнических сооружений;

* кислотоупорные вяжущие,после твердения устойчивы к действию минеральных кислот; различают кислотоупорные цементы, бетоны и замазки.

Рисунок 11.5 Классификация вяжущих материалов

В строительной практике вяжущие вещества применяются в виде строительных смесей нескольких типов:

- цементного теста - смесь вяжущего вещества с водой;

- строительного раствора - смесь вяжущего вещества, воды и мелкого наполнителя (песка);

- бетонной смеси - смеси вяжущего вещества, воды, мелкого и крупного наполнителей (песок, гравий, щебень). Отвердевшая бетонная смесь называется бетоном; бетон, армированный сталью, - железобетоном.

Сырьем для производства вяжущих веществ служат природные материалы и некоторые промышленные отходы. Из природных материалов используются гипсовые породы (гипс CaSO₄ •2H₂O, ангидрит CaSO₄), известковые породы (известняк, мел, доломит), глинистые породы - глины и мергели, кварцевый песок, бокситы. Из промышленных отходов для производства вяжущих материалов применяют металлургические шлаки, шлам производства едкого натра и глиноземного производства, содержащий карбонат кальция.

Для придания цементам заданных свойств и для их удешевления применяют различные добавки к вяжущим - гидравлические, содержащие активный кремнезем, повышающие водостойкость цементов и способствующие их твердению под водой; пластифицирующие поверхностно-активные вещества, повышающие эластичность цементного теста; инертные наполнители (песок, известняк, доломит), кислотостойкие (гранит) и т. д.

Производство портландцемента

Портландцемент занимает первое место среди всех вяжущих веществ по масштабам производства и потребления. Портландцемент изготовляется из сравнительно доступного и дешевого сырья; изделия из него обладают высокой механической прочностью, полной воздухоустойчивостью, высокой морозостойкостью.

Портландцемент представляет смесь следующих основных минералов - трехкальциевого силиката 3CaO • SiO₂ (37-60 %), двухкальциевого силиката 2CaO • SiO₂ (15-37 %), трехкальциевого алюмината 3CaO • Al₂O₃ (7-15 %), четырехкальциевого алюмоферрита 4CaO • Al₂O₃ • Fe₂O₃ (10-18 %).

Технологическая схема и оборудование производства портландцемента являются типичными для технологии большинства вяжущих материалов. Портландцемент получают обжигом до спекания (максимальная температура обжига 1400-1450 °С) точно дозированной смеси глины и карбоната кальция с последующим тонким измельчением полученной спекшейся массы, называемой клинкером. В заводской практике при расчете шихты исходят из заданных процентных соотношений главнейших окислов в клинкере.

Производство портландцемента состоит из двух самостоятельных процессов (рис. 11.6):

производства полуфабриката - клинкера, включающего подготовку сырьевой смеси и ее обжиг;

помола клинкера с добавками, складирования и упаковки портландцемента.



Рисунок 11.6 Принципиальная схема производства портландцемента

силикатный промышленность керамический портландцемент

Существуют два способа подготовки сырьевой смеси - мокрый и сухой. Мокрый способ наиболее распространен и заключается в подготовке материалов (глины и известняка) при наличии воды, а по сухому способу материалы размалывают и перемешивают в сухом виде.

Обжиг сырьевой смеси производят в барабанных вращающихся печах, отапливаемых угольной пылью, газообразным топливом или мазутом, причем топливо сжигается внутри печи. Сырьевой шлам движется противотоком горячим топочным газам. При этом последовательно происходят испарение воды, дегидратация минералов, диссоциация известняка и химические реакции между образующимся основным окислом CaO и составляющими глиняного компонента SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃. В зоне спекания при 1450 °С происходит окончательное формирование цементного клинкера. Полученный клинкер охлаждается холодным воздухом до 50-60 °С в колосниковых холодильниках, расположенных под печами, и подается на склад, где вылеживается некоторое время для гашения (гидратации) свободной извести. Вылежавшийся клинкер совместно с гидравлическими или инертными добавками и добавкой гипса, регулирующей сроки схватывания, размалывают в трубных цементных мельницах.

Цемент хранится в железобетонных силосах, снабженных аэрирующими днищами, через которые в период разгрузки силоса нагнетается воздух, разрыхляющий цемент.

Основная масса портландцемента используется для изготовления бетона и изделий из него. Бетоном называется искусственный камень, получаемый при затвердевании затворенной водой смеси цемента, песка и заполнителя.

В качестве заполнителей используют:

- в обыкновенных бетонах - песок, гравий, щебень;

- в легких бетонах - различные пористые материалы (пемза, шлак);

- в ячеистых бетонах - замкнутые поры, образующиеся при разложении вводимых в бетонную смесь газо- и пенообразователей;

- в огнеупорных бетонах - шамотовый порошок;

- в железобетоне - металлическую арматуру.

Производство воздушной извести

Воздушной, или строительной, известью называется бессиликатный вяжущий материал на основе оксида и гидроксида кальция. Различают три вида воздушной извести:

- кипелку (негашеная известь) - оксид кальция СаО;

- пушонку (гашеная известь) - гидроксид кальция Са(ОН)₂;

- известковое тесто, получаемое гашением пушонки избытком воды, состава Са(ОН)₂•nН₂О.

Помимо строительства кипелка и пушонка используются в производстве хлорной извести, для умягчения воды и очистки продукции в сахарном производстве.

Схватывание и затвердевание известкового теста (раствора) состоит из двух одновременно протекающих процессов: испарения воды и кристаллизации гидроксида кальция с образованием сростков кристаллов и карбонизации гидроксида кальция до карбоната кальция:

Са(ОН)₂ + СO₂ = СаСО₃ + Н₂O.

Скорость реакции карбонизации возрастает при повышении концентрации оксида углерода (IV) в воздухе, что используется на практике для ускорения процесса схватывания известкового раствора. Схватывание в обычных условиях протекает весьма медленно, так как образующийся на поверхности слой карбоната кальция препятствует диффузии воздуха.

Сырьем для производства воздушной извести служат кальциево-магниевые карбонатные породы: мел, известняк, доломит. Технологический процесс производства извести состоит из операций обжига сырья, гашения продукта обжига (кипелки) и утилизации выделяющегося при обжиге оксида углерода (IV).

1. Обжиг карбонатного сырья представляет обратимый гетерогенный эндотермический процесс термической диссоциации карбоната кальция, описываемый уравнением

СаСОз - СаО + СO₂ + ?H, где ?Н = 177,9 кДж.

Скорость процесса диссоциации и состояние равновесия в системе зависят от температуры, парциального давления оксида углерода (IV), интенсивности передачи тепла к поверхности обжигаемого материала и скорости диффузии газообразных продуктов из зоны реакции. Парциальное давление оксида углерода (IV) становится равным атмосферному при 900 °С. На практике для ускорения процесса обжиг проводят при температуре около 1200 °С.

Для обжига карбонатного сырья используют печи различной конструкции: шахтные, в которых сырье смешивается с твердым топливом (кокс), вращающиеся трубчатые, циклонно-вихревые и кипящего слоя, обогреваемые сжиганием газообразного топлива. Максимальной производительностью обладают трубчатые (1000 т/сутки) и шахтные (600 т/сутки).

2. Гашение кипелки (оксида кальция) представляет гетеро-
генный экзотермическмй процесс, протекающий по уравнению

СаО + nН₂O = Са(ОН)₂(n - 1)Н₂O - ? Н.

В зависимости от соотношения оксида кальция и воды могут быть получены два продукта гашения:

- при п=1 - гидроксид кальция (пушонка),

- при п >1 - известковое тесто.

Тепловой эффект реакции гашения до пушонки составляет 53,2 кДж. Для гашения извести используются в этом случае известегасильные агрегаты - гидрататоры барабанного типа периодического и непрерывного действий.

3. Утилизация оксида углерода (IV) в производстве воздушной извести экономически целесообразна потому, что газ обжиговых печей содержит до 30 % оксида углерода, что при значительном объеме производства воздушной извести позволяет получить значительное количество ценного побочного продукта. Для этой цели обжиговый газ после очистки обрабатывают раствором карбоната калия, поглощающим оксид углерода:

СO₂ + К₂СO₃ + Н₂O = 2КНСO₃.

Образовавшийся гидрокарбонат калия разлагают нагреванием до температуры 80 °С:

2КНСO₃ = К₂СO₃ + СO₂ + Н₂O.

Выделившийся оксид углерода (IV) сушат и используют в газообразном, жидком или твердом состояниях, а регенерированный раствор карбоната калия вновь направляют на хемосорбцию оксида углерода.



4. Производство стекла

Общими свойствами стекол являются оптические характеристики (прозрачность, однородность оптических показателей в больших кусках и неизменность их во времени, возможность путем изменения химического состава получать стекла с заданными оптическими свойствами), высокая химическая устойчивость к действию кислот, солевых растворов, высокая твердость, низкая теплопроводность. Недостатками стекла как конструктивного материала являются хрупкость и плохая термическая стойкость.

Стекла классифицируют по их применению и по химическому составу. Подавляющее большинство стекол является многокомпонентным. Однокомпонентным стеклом, состоящим только из кремнезема, является кварцевое. Непрозрачное кварцевое стекло получают из кварцевого песка (содержащего 99,5 % SiO₂), прозрачное - из горного хрусталя (99,9 % SiO₂) путем плавления в электропечах.

Сырьевые материалы для производства стекла должны содержать кислотные, щелочные, щелочноземельные и другие оксиды, из которых образуется стекломасса и получаются стекла с заданными свойствами. Такими материалами являются кварцевый песок, борная кислота и бура, сода, сульфат натрия или поташ (K₂CO₃), известняк или мел, магнезит, барит (BaSO₄) или витерит (BaCO₃), каолин (Al₂O₃ • 2SiO₂ • 2H₂O), сурик (Pb₃O₄) или свинцовый глет (PbO), углекислый цинк, нефелин [(Na, K)₂O • Al₂O₃^. 2 SiO₂], полевые шпаты (алюмосиликаты натрия, калия, кальция), а также стекольный бой и отходы других производств, например доменные шлаки.

Кроме того, в производстве стекла применяют осветлители для удаления газовых включений из стекломассы (NaNO₃, As₂O_3,NH₄CI), обесцвечиватели (NiO, Se, соединения кобальта и марганца), глушители для получения матовых, молочных, опаловых стекол и эмалей (фосфорнокислые соли, соли фтора), красители, образующие в стекле истинные и коллоидные растворы, восстановители и т. д.

Таблица 11.1

Примерный состав некоторых бытовых и промышленных стекол

Виды стекла	Основные компоненты, входящие в состав стекла, %
	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	Na2O	K2O	PbO	B2O3
Листовое оконное	70-73	1,5-2	8-10	3-4	14-15	-	-	-
Бутылочное белое	69-72	3-4	9-10	2-4	15-16	-	-	-
Сортовое посудное	73-75	-	6-10	0-3	15-16	0-3	-	0-1
Хрусталь	55-77	-	-	-	-	10-13	30-35	-
Химически стойкое	68-70	3-5	6-8	1-2	8-10	5-6	-	2-3
Оптическое	47-65	-	-	-	-	6	45	-
Светотехническое (рассеивающее)	69-73	4-6	4-5	-	11-16	2-6	-	-
Электровакуумное	69-70	-	5-6	3-4	12-13	4	-	-
Стеклянное волокно	48-56	10-18	5-16	0-8	0,5-2	-	-	6-13

Технологический процесс получения стекла состоит из:

подготовки сырья;

варки стекла в стекловаренных печах;

изготовления изделий из стекла.

Процесс производства стеклянных изделий показан на рис. 11.7.

Рисунок 11.7 Принципиальная схема производства стеклянных изделий

Подготовка сырья состоит в механическом или химическом обогащении основного сырьевого компонента кварцевого песка, в сушке материалов, их дроблении и тонком измельчении и приготовлении стекольной шихты по заданному рецепту. Для ускорения варки шихту тщательно перемешивают и иногда брикетируют.

Варка стекла - высокотемпературный процесс, состоящий из нескольких стадий: силикатообразования, образования стекломассы (расплава), дегазации, гомогенизации и студки стекломассы.

Стадия силикатообразования заканчивается при температуре 900-1000 °С. К концу стадии в шихте не остается индивидуальных компонентов. Основная масса газов, образовавшихся при диссоциации известняка, барита или других исходных материалов, улетучивается и образуется спекшаяся масса силикатов (силикатов кальция, магния, натрия, калия или других металлов) и зерен избыточного свободного кремнезема.

Стадия образования стекломассы происходит в интервале 1000-1200 °С и заключается в растворении избыточных зерен кварца и силикатов в щелочном силикатном расплаве. Этот процесс требует больше времени, чем силикатообразование. К концу процесса стекломасса становится жидкой, прозрачной, но она еще неоднородна, т. е. содержит большое количество газовых включений.

Дегазация и гомогенизация проводятся при температуре 1450-1500 °С. При минимальной вязкости стекломассы происходит удаление видимых газовых включений (дегазация, или осветление) и достижение полной однородности (гомогенизация).

Студка, или охлаждение, стекломассы до 1050-1250 °С сопровождается постепенным повышением вязкости расплава до вязкости, допускающей формование изделия (рабочая вязкость).

Скорость процесса варки стекла зависит от множества факторов. Важную роль играет повышение температуры в период осветления и гомогенизации стекломассы. Ускорению варки способствуют и увеличение содержания в шихте легкоплавких компонентов, введение в шихту ускорителей варки - фтористых соединений, борного ангидрида, мышьяковистого ангидрида в смеси с нитратами натрия или калия. Ускорители снижают температуру плавления жидкой фазы, увеличивают реакционную способность шихты, разрушая кристаллические решетки компонентов, способствуют растворению газов в расплаве, ускоряя провар и осветление стекломассы.

Стекловаренные печи разделяются на горшковые печи периодического действия небольшой производительности, применяющиеся для варки некоторых специальных сортов стекла - оптического, хрустального, художественного, и ванные печи непрерывного действия, применяющиеся для варки большинства стекол.

Изготовление изделий из стекла состоит из двух стадий.

Первая стадия (выработка) заключается в получении изделия из расплавленной стекломассы, имеющей температуру около 1200 °С, разнообразными приемами формования - выдуванием полых изделий, вытягиванием в листы, трубки и длинные нити, прокаткой между вальцами подобно металлу, прессованием.

Важнейшими методами формования изделий являются следующие:

- вытягивание на автоматических машинах лодочного и безлодочного типов со скоростью от 80 до 110 м/ч (листовое стекло, трубы);

- выдувание и пресс-выдувание на пресс-выдувочных машинах (тарная и химическая посуда, колбы электроламп);

- прессование на автоматических прессах (линзы, стеклянные блоки, бытовые изделия);

- отливка в формы (архитектурно-строительные детали, художественные изделия);

- прокат с одновременным отжигом для снятия напряжений и шлифовкой (толстое листовое стекло).

Вторая стадия (обработка) заключается в придании изделию окончательной формы, совершенствовании его поверхности (шлифование, полировка), отделке, украшении.

Между этими двумя стадиями осуществляют отжиг, т. е. нагрев отформованного изделия до температуры в пределах 500-560 °С, при которой исчезают остаточные напряжения в изделии без его деформации.

Стекло, применяемое как конструктивный материал в химической технике, должно обладать химической и термической устойчивостью. Из химически стойких стекол изготовляют разнообразные химические аппараты для лабораторных и полузаводских установок, а также части для промышленных аппаратов. Большое применение в химической технике имеет кварцевое стекло, обладающее высокой термической стойкостью, огнеупорностью до 1000 °С и высокой химической устойчивостью к действию кислот.

Из специальных видов стеклянных изделий широко применяются следующие:

- закаленное (небьющееся) стекло, получаемое термической обработкой в печах обычного стекла с последующим охлаждением его обдувкой воздухом;

- пеностекло (пористое стекло), получаемое сплавлением стеклянного порошка с порообразователями (МnО₂, СаСО₃, кокс) при 800 °С и используемое в качестве конструкционного тепло- и звукоизоляционного материала;

- стеклянное волокно (текстильное и теплоизоляционное), получаемое продавливанием стекломассы через фильтры или методом дутья путем расчленения струек стекломассы паром на отдельные волокна.

Стеклянное волокно применяется для изготовления тканей (фильтры, электроизоляция) и теплоизоляции (вата, войлок).

5. Производство ситаллов

Ситаллами (силикат + кристалл) называются материалы из полностью или частично равномерно закристаллизованного стекла или шлака (шлакоситаллы). Термин предложен И. И. Китайгородским и происходит от сочетания слов «стекло (силикат)» и «кристалл». Ситаллы относятся к новым материалам и применяются в промышленных масштабах с начала 60-х годов XX столетия.

Ситаллы имеют мелкокристаллическую структуру с размерами кристаллов менее 1 мкм. Содержание кристаллической фазы в них достигает 96 %, а аморфной фазы - не более 50 %. Состав ситаллов весьма разнообразен: наиболее распространены литиевые ситаллы: Li₂О - Al₂O₃ - SiО₂, отличающиеся высокой термостойкостью и малым коэффициентом термического расширения; магниевые ситаллы: MgO - Al₂O₃ - SiO₂, обладающие, помимо этих свойств, оптической и радиопрозрачностью, кальциевые, цинковые, кадмиевые и марганцевые ситаллы состава MeO - Аl₂O₃ - SiO₂, где Me = Ca, Zn, Cd, Mn, характеризующиеся высокой диэлектрической постоянной, термостойкостью и прозрачностью для видимого и инфракрасного излучения.

Для всех ситаллов характерны высокая (до 1450 єС) температура плавления, малая пористость и газонепроницаемость, химическая и термическая стойкость, высокая твердость и механическая прочность, по которой некоторые образцы («пирокам») в девять раз превосходят стекла, малый коэффициент термического расширения, износоустойчивость.

Ситаллы и шлакоситаллы применяют для изготовления строительных деталей (плитки, ступени, подоконники), труб, подшипников, работающих без смазки до 500 °С, поршней и цилиндров двигателей внутреннего сгорания, режущих элементов буров, обкладки шаровых мельниц, обтекателей ракет. Получают их теми же методами, что и стекло. Ситаллы (шлакоситаллы) получают регулируемой принудительной кристаллизацией стекла или шлакомассы путем внесения в расплав катализаторов кристаллизации. Катализаторы создают во всем объеме стекломассы центры кристаллизации и вызывают интенсивный и равномерный рост кристаллов в аморфной стекломассе. В качестве катализаторов кристаллизации используются металлы в коллоидном состоянии (золото, медь, серебро, платина), фториды и фосфаты некоторых металлов, оксид титана (IV).

Технологический процесс получения ситаллов (шлакоситаллов) из стекла или шлака состоит из пяти последовательных операций.

6. Перспективы развития производства силикатных материалов

Силикатные материалы и изделия из них по объему производства и потребления в народном хозяйстве занимают первое место среди традиционных твердофазных материалов. В значительной степени это объясняется меньшей энергоемкостью и, следовательно, большей экономичностью их производства по сравнению с металлами и полимерными материалами и простотой и неограниченностью сырьевой базы. Так, если на производство стали затрачивается около 9 • 10¹¹ кДж/м³, то на производство цемента всего 3 • 10¹⁰ кДж/м³, то есть в тридцать раз меньше.

Поэтому развитие и совершенствование всех отраслей промышленности силикатных материалов имеет важное значение.

Анализ прогнозируемых потребностей позволяет выделить следующие направления развития производства строительных, конструкционных и специальных материалов.

Количественное увеличение масштабов производства и организация массового выпуска таких, относительно новых материалов и изделий, как асбоцементные детали, ячеистый бетон, быстротвердеющий, напрягающий и декоративный сорта цемента, жаропрочное стекло и др.

Разработка и внедрение новых энергосберегающих технологий, например, производство цемента сухим способом, высокотемпературная плавка стекломассы, двухстадийное формование стеклянной ленты, получение порошков для керамических изделий из твердых растворов и т. д.

Создание новых материалов, отвечающих потребностям таких отраслей промышленности, как радиоэлектроника, авиационная, ракетная и космическая техника, атомная энергетика, химическое производство высокоактивных веществ, например, фтора, концентрированной перекиси водорода и подобных соединений.

В этом направлении ведущая роль принадлежит керамике и композиционным материалам (композитам) на основе керамических матриц. Перспективность керамики как материала будущего объясняется не только отмеченными выше доступностью сырья и низкими затратами на производства, но также ее многофункциональностью, безопасностью в эксплуатации и экологическими преимуществами производства.

В применении керамических материалов перспективными являются:

- разработка пластичной керамики на основе чистых тугоплавких оксидов металлов; для создания бронепокрытий, защитных покрытий ракет и других летательных аппаратов, которые обеспечивают защиту от коррозии в экстремальных условиях и от радиолокационного обнаружения;

- использование графитопластов в химической промышленности для изготовления теплообменной и иной аппаратуры, работающей в агрессивных средах;

- применение корундовой керамики с высокой по сравнению с другими видами теплопроводностью в ядерной технике;

- создание специальных видов керамики, таких, как материалы на основе ферритов, используемых в технике высоких энергий, для радиотехники, акустики и вычислительной техники, керамические твердые электролиты с различной проводимостью.

Создание композиционных материалов, или композитов, - важнейшее направление в разработке новых силикатных материалов. Композитами (от латинского compositio - сочетание) называются материалы, образованные в результате объемного сочетания химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. В результате этого в композитах появляются свойства, которыми не обладает ни один из входящих в композит компонентов. Это позволяет получать материалы, сочетающие лучшие свойства составляющих их фаз: прочность, пластичность, износостойкость, малую плотность.

Композиты состоят из пластичной основы - матрицы, служащей связующим материалом, и различных компонентов в таком виде, который может обеспечить их совмещение с матрицей и последующее формование изделия.

По материалу матрицы композиты делятся на три группы: металлические, керамические и органические. Композиционные материалы с керамической матрицей, или керметы, синтезируют методом порошковой металлургии на основе тугоплавких оксидов, боридов, карбидов и нитридов различных элементов и содержат такие тугоплавкие металлы, как хром, молибден, вольфрам, тантал.

Керметы представляют собой гетерофазные композиции и обладают высокой износостойкостью, механической прочностью и термостойкостью. Введение в керметы армирующих волокон из прочных тугоплавких материалов повышает их механическую прочность. Сочетание в керметах различных, часто противоположных, качеств обусловило использование их в качестве конструкционных материалов для ракетных двигателей, тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) и регулирующих стержней ядерных реакторов, деталей насосов и сопел аппаратов, работающих в агрессивных средах, теплозащитных элементов космической техники.

Контрольные вопросы

1. Какие вещества называются силикатными материалами (силикатами)?

2. Чем объясняются особые свойства большинства силикатов?

3. Укажите типовые процессы, используемые в производстве силикатов.

4. В виде каких модификаций существуют оксид кремния (IV) и оксид алюминия (III)? От чего зависит устойчивость этих модификаций?

5. Какие силикаты относятся к вяжущим материалам и почему они так названы?

6. Приведите состав гидравлического цемента и напишите реакции, лежащие в основе процесса его затвердевания.

7. Какие силикатные материалы называются стеклами?

8. Укажите состав шихты, используемой при варке стекла, и объясните назначение ее компонентов.

9. Какие процессы протекают при варке стекломассы?

10. Что такое ситаллы? Чем ситаллы отличаются от стекол?

11. Какие материалы называются огнеупорами? Дайте их классификацию.

Размещено на Allbest.ru