Силикатными материалами называются материалы из смесей или сплавов силикатов, полисиликатов и алюмосиликатов. Силикаты – это соединения различных элементов с кремнеземом(оксидом кремния), в которых он играет роль кислоты. Структурным элементом силикатов является тетраэдрическая ортогруппа -4 c атомом кремния Si +4 и атомами кислорода О -2 в вершинах тетраэдра, с ребрами длиной 0,26нм. Тетраэдры в силикатах соединены через общие кислородные вершины в кремнекислородные комплексы в виде замкнутых колец, цепочек, сеток и слоев. В алюмосиликатах, помимо силикатных тетраэдров, содержатся тетраэдры [ AlO 4 ] -5 c ат.Al +3 .

В состав сложных силикатов входят еще катионы:Na+,K+.Ca++,Mg++,Mn++,B +3 ,Cr +3 ,Fe +3 ,Al +3 ,Ti +4 и анионы: O 2 –2, OH-,F-,Cl-,SO 4 – 2 , а так же вода.

Большинство силикатов отличаются тугоплавкостью и огнеупорностью, температура плавления их колеблется от 770 до 2130 0 С. Хим. Состав силикатовов принято выражать в виде формул,сост. Из символов их молекул, составленных в порядке возрастания их валентности, или из формул их оксидов:полевой шпат K 2 Al 2 Si 6 O 16 .

Все силикаты подразделяются на природные(минералы) и синтетические(силикатные материалы) Синтетические делятся на: вяжущие вещества, керамику, бессиликатные материалы, стекла, ситаллы. Природные силикаты исп. В разл. Областях народного хозяйства: В технологических процессах, основанных на обжиге и плавке(глина, кварцит, полевой шпат и др.); в процессах гидротермальной обработки(асбест, слюда и т. д.); в строительсрве; в металлургических процессах.

Сырьем для производства силикатных материалов служат природные минералы(кварцевый песок, глины, полевой шпат, известняк), промышленные продукты(карбонат натрия, бура, оксиды и соли разл. Металлов) и отходы(шлаки, Шламы, зола).

В производстве силикатных материалов используются типовые технологические процессы, что обусловлено близостью физико-математических основ их получения. Схема стадий:

Сырье- подготовка шихты- формирование изделия из шихты-сушка изд. – высоко темпер. Обработка – материал.

Подготовка шихты нужна нужна для обеспечения высокой эффективности последующих процессов высокотемпературной подготовки и состоит из обычных механических операций подготовки твердого сырья: измельчения, классификации, сушки, смешения компонентов.

Операция формования должна обеспечить изготовление изделия данной формы и размеров, с учетом изменения их в последующих операциях сушки и высокотемпературной обработки. Формование включает увлажнение шихты, придание материалу определенной формы.

Сушка проводится для сохранения изделием приданной ему формы перед и во время время операции высокотемпературной обработки., которая является заключительной стадией производства силикатных материалов. Высокотемпературная обработка заключается в обжиге или варке шихты(изделия). Процессы высокомолекулярной обработки: 1) удаление воды, сперва физической, затем кристаллизационной;2)кальцинирование, т. е выделение из компанентов шихты воды иCO 2 .;3) компаненты шихты- карбонаты металлов, гидроксиды металлов и алюмосиликаты превращаются в кислотные оксиды:SiO2,B2O3mAl2O3,Fe2O3 и основные оксиды:Na 2 O,K 2 O,CaO,MgO, вступающие в реакцию друг сдругом; 4)спекание компанентов шихты. Оно может протекать в тв. Фазе, при температуре ниже температуры плавления, или в жидкой фазе, при температуре выше температуры плавления. Во втором случае, вследствие процесса диффузии скорость процесса выше; 5)охлаждение массы с образованием кристаллической и аморфной фаз.

Производство керамики.Керамические материалы – поликристаллические материалы и изделия из них, полученые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также оксидов металлов и других тугоплавких соединений. Классификация: По составу- кислородосодержащие(силикатные), бескислородные(карбидные, нитридные, боридные, силицидные); По применению: строительные, огнеупоры, тонкая керамика, спец. Керамика; по степени спекания- пористые(кирпич, огнеупоры,санфаянс), спекшиеся(фарфор, специальная керамика); по состоянию поверхности- глазурованные и неглазурованные. Сырье для производства должно обладать свойством спекаемости- свойство порошкообразного материала образовывать при нагревании поликристаллическое тело- черепок. Сырье- глины.кварцевый песок, карбонаты кальция и магния.

Технологический процессп производства кирпича- 2 варианта: пластический метод и полусухой. Шихта, содержащая 40-50% глины, 50% песка и до 5% оксида железа, поступает на прессование в ленточный пресс(пластич. метод) или в механический пресс, работ. под давлением 10-25 мПа(полусухой метод.). Сформированный кирпич направляют на сушку в туннельную сушилку и затем на обжиг при температуре 900-1000 0 С.

Формование пластическим способом проводят на ленточном прессе.Он состоит из 1.загрузочной воронки; 2. вальцев; 3.шнек;. При продвижении массы к мундштуку 4. пресса происходит ее дополнительное перемешивание и уплотнение. Из увлажнителя 5. для смачивания мундштука подают воду, играющую роль смазки. Глинистую массу в виде ленты 6. режут на кирпичи с помощью резательной машины. 7. опорные ролики.

Схема производства кирпича полусухим способом:

Огнеупорами называют неметаллические материалы, характеризующиеся повышенной огнеупорностью, тоесть способностью противопостоять воздействию высоких температур.Огнеупоры делят:1.алюмосиликатные; 2. Динасовые огнеупоры- сост. Не менее, чем на 95% из оксида кремния; 3. полукислые- до 70-80% оксида кремния и 15-25% оксида алюминия. 3.Шамотные огнеупоры- до 50-70%оксида кремния и до 46% оксида алюминия. Огнеупорны до 1750 0 С.

Схема и уровнение.

4.Высокоглиноземистые огнеупоры – более 45% оксида алюминия.

5. магнезитовые- в качестве основы оксид магния. Огнеупорны до 2500 0 С.

CaCO 3 +MgCO 3 = MgO+CaO+ 2CO 2

6.корундовые огнеупоры;7.Карборундовые- сост. Из карбида кремния;7. циркониевые и ториевые;8.углеродистые.

АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ

7.1 Общие сведения и классификация

Силикатными называются искусственные каменные материалы и изделия, получаемые из извести, кремнеземистых составляющих и воды, затвердевших в результате автоклавной тепловлажностной обработки. Сущность автоклавного твердения состоит в следующем. Изделия на основе извести в нормальных условиях имеют небольшую прочность. Набор ее происходит исключительно за счет твердения извести. В среде насыщенного пара при температуре 174,5–200 °С и давлении 0,8–1,5 МПа кремнезем приобретает активность и взаимодействует с известью по схеме

Ca (OH) 2 SiO 2 + (n – 1) H 2 O → CaO SiO 2 n H 2 O.

Образуется гидросиликат кальция – вещество высокой прочности и водостойкости. Запаривание изделий выполняется в автоклавах.

Способ изготовления мелких камней из известково-песчаной смеси с последующей автоклавной обработкой был предложен немецким ученым В. Михаэлисом в 1880 г. Большой вклад в разработку технологии изготовления и применения силикатных материалов внесли П. И. Боженов, А. В. Волженский и другие ученые.

К группе силикатных материалов и изделий относят бетоны и изделия из них, кирпич и камни силикатные.

7.2 Силикатные бетоны и изделия из них

Силикатные бетоны подразделяются на плотные и легкие ячеистые. Основным сырьем для плотных бетонов служат известь и кварцевый песок. Рекомендуется применять быстрогасящуюся кальциевую известь с активностью более 70 %. Лучшим является песок с шероховатой поверхностью.

Для повышения прочности бетона применяют известково-кре-мнеземистое вяжущее, получаемое совместным помолом негашеной извести и кварцевого песка до удельной поверхности 3000–5000 см²/г, взятых в соотношении от 30: 70 до 50: 50 %.

Тонкомолотый песок оказывает большое влияние на свойства бетонов. С возрастанием его дисперсности повышаются прочность, морозостойкость изделий.

В качестве кремнеземистого компонента вместо кварцевого песка могут применяться кварцево-полевошпатовые пески, металлургические шлаки, золы ТЭС, нефелиновый шлам, отходы производства аглопорита, керамзита.

Вода не должна содержать вредных примесей.

Силикатные бетоны могут изготавливаться мелкозернистыми только на природных и дробленых песках и с применением крупных плотных или пористых заполнителей с размером зерен не более 20 мм.

В качестве заполнителей рекомендуется применять щебень из доменного шлака, щебень и песок аглопоритовые, гравий и песок керамзитовые, щебень и песок пористый из металлургического шлака. К заполнителям предъявляются те же требования, что и для цементного бетона.

Изделия из силикатного бетона изготавливаются чаще всего на оборудовании для изготовления изделий на цементах.

Производство изделий включает следующие технологические операции: приготовление известково-кремнеземистого вяжущего, силикатобетонной смеси, формование изделий и тепловлажностную их обработку в автоклавах.

Измельчение извести с песком до необходимой дисперсности, т.е. получение известково-кремнеземистого вяжущего, производится в шаровых мельницах. Приготавливают смесь в бетоносмесителях принудительного смешивания. Основной способ формования изделий – вибрирование. Тепловлажностную обработку силикатных изделий выполняют в автоклавах, которые представляют собой цилиндрические горизонтальные сосуды диаметром 2,0–3,6 и длиной 19–40 метров, закрываемые герметически крышками. По длине автоклава проложены рельсы, по которым загружаются вагонетки с изделиями. Автоклав оборудован магистралями для впуска и выпуска насыщенного пара. После загрузки автоклава крышки закрывают и впускают пар по определенному режиму. Температура пропаривания составляет 174,5–200 °С, давление, как правило, – 0,8–1,3 МПа. Общее время тепловлажностной обработки – 8–17 часов.

Плотные силикатные бетоны по прочности на сжатие подразделяются на классы от В5 до В60; на марки: по морозостойкости от F35 до F600, по водонепроницаемости от W2 до W10, по средней плотности от Пл 1000 до Пл 2400.

Из плотного силикатного бетона изготавливают железобетонные плиты для покрытия городских дорог, трамвайных путей, тротуарные плитки, бортовые камни, несущие армированные конструкции для промышленного и гражданского строительства, которые успешно заменяют конструкции из цементного железобетона. Имеется опыт применения тяжелых силикатных бетонов для изготовления шпал с предварительно напряженной арматурой, тюбингов для тоннелей.

Арматурная сталь в конструкциях, эксплуатируемых при относительной влажности воздуха до 60 % , не корродирует. При повышенной влажности среды арматуру необходимо защищать от коррозии.

Силикатные бетоны на пористых заполнителях – керамзите, аглопорите, шлаковой пемзе и других применяются для изготовления ограждающих конструкций зданий.

Классификация силикатных материалов

Классификация силикатных материалов представлена на схеме 1:

Схема 1. Классификация силикатных материалов

Из природных силикатных материалов изготавливают облицовочную плитку и строительные блоки.

Искусственные силикатные материалы - гораздо более распространенные строительные материалы. Сырьем для производства искусственных силикатных материалов служат такие природные минералы, как кварцевый песок, глина, полевой шпат, известняк. Также в качестве сырья используют и отходы различных производств (рис. 2):

Рис. 2. Сырье для производства силикатных материалов

Производство силикатных материалов составляют силикатную промышленность. Рассмотрим сущность производства цемента, керамики и стекла.

Производство цемента

Силикатным вяжущим средством является портландцемент, который в быту называют просто цементом. Состав цемента можно отразить с помощью следующей формулы: .

Производство цемента включает две основные стадии: 1. производство клинкера; 2. измельчение клинкера. Основным сырьем для производства цемента являются глина, известняк и мел.

В состав известняка и мела входит карбонат кальция (СаСО3). Глина - это алюмосиликат. При обжиге смеси мела, известняка и глины сначала происходит испарение воды, затем разлагаются карбонат кальция и примеси:

На заключительной стадии происходит спекание оксидов кальция, алюминия и кремния, образуется однородная твердая масса - клинкер. При измельчении клинкера получается порошок, который и называется портландцементом.

Процесс затвердевания цемента объясняется тем, что алюмосиликаты, входящие в его состав, реагируют с водой с образованием каменистой массы.

При смешивании цемента с водой и речным песком получается цементный раствор. Смесь цементного раствора с гравием образует бетон. Бетонные сооружения получаются еще более прочными, если в бетон закладывают каркас из железных стержней. Такой строительный материал называется железобетоном.

Производство керамики

Основным сырьем для производства керамических изделий является глина. Изготовление этих изделий основано на свойстве глины при смешивании ее с небольшим количеством воды образовывать пластичную массу. Этой массе можно придать любую форму, которая сохраняется после ее высыхания и закрепляется посредством обжига при высокой температуре.

Керамические изделия подразделяются на пористые - фаянс, кирпич, огнеупоры - и спекшиеся - фарфор. Изделия из фаянса и фарфора специально покрывают глазурью. Для этого после обжига на поверхность изделия наносят смесь кварцевого песка и полевого шпата, после чего проводят повторный обжиг. Часто перед покрытием глазурью на посуду наносят рисунок.

Производство стекла

Сырьем для производства обычного стекла служат чистый кварцевый песок, сода и известняк. Эти вещества тщательно перемешивают и подвергают сильному нагреванию (до 1500 °С). Образовавшиеся силикаты натрия и кальция спекают с избытком речного песка:

Стекло не является индивидуальным веществом, это сплав нескольких веществ. Примерный состав обычного стекла можно выразить формулой . Если карбонат натрия заменить карбонатом калия, то получится более тугоплавкое стекло (химическое).

Если в качестве сырья берут поташ (карбонат калия), оксид свинца (II) и речной песок, то получают хрустальное стекло. Это стекло сильно преломляет свет и поэтому применяется в оптике для линз и призм. Из него изготовляют также хрустальную посуду.

Для получения цветных стекол к сырью добавляют оксиды различных металлов. При добавлении оксида кобальта (II) получают синее стекло. Оксид хрома (III) придает стеклу зеленый цвет, оксид меди (II) - сине-зеленый.

Список литературы

По газодинамическим параметрам различаютламинарное и турбулентное пламя.

Ламинарным (от лат. lamina - слой, пластина)называется спокойное, безвихревое пламя устойчивой геометрической формы.

Турбулентным (от лат. turbulenze - вихрь)называется беспокойное, закрученное вихрями пламя постоянно меняющейся формы.

Оба эти режима все вы неоднократно наблюдали. Вспомните обычную зажигалку: когда установлен маленький расход газа, пламя спокойное, как пламя свечи, это – ламинарное пламя, при увеличении расхода, пламя меняет свою форму и становится беспокойным, закрученным вихрями, постоянно меняющейся формы, это – турбулентное пламя.

Такое поведение пламени при турбулентном режиме объясняется тем, что в зону горения начинает поступает гораздо большее количество горючего газа, то есть в момент времени должно окисляться все больше и больше горючего, что приводит к увеличению размеров пламени и дальнейшей его турбулизации.

Газодинамический режим горения зависит от линейной скорости горючего вещества или смеси и характеризуетсякритерием Рейнольдса (мера отношения сил инерции и внутреннего трения в потоке):

× (для запоминания:"ведро молока")

где v - линейная скорость газового потока, м/с;

d - характерный размер потока, м;

r - плотность газа, кг/м 3 ;

m - динамический коэффициент вязкости, Н×с/м 2

Ламинарный режим наблюдается при Re < 2300, при 2300 < Re < 10000 режим переходный, а при Re > 10000 - турбулентный. Во всех случаях толщина d зоны горения (фронта) пламени d лам < d п epex < d т yp .

Из-за ограничений, налагаемых скоростью диффузии, горючие газы и пары зачастую не успевают прореагировать с кислородом воздуха полностью и продукты горения помимо летучих газов и паров содержат мелкие раскаленные конденсированные частички несгоревшего углерода органических веществ в виде сажи, которые излучают свет и тепло.

Излучение пламени определяется излучением продуктов горения в различном агрегатном состоянии.

Структура пламени

Пламя имеет свою структуру, знание которой крайне необходимо для понимания процесса горения в целом.

Непосредственно химическая окислительно-восстановительная реакция протекает в тонком поверхностном слое, ограничивающем пламя, называемом фронтом пламени .

Фронт пламени – тонкий поверхностный слой, ограничивающий пламя, непосредственно в котором протекают окислительно-восстановительные реакции.

Толщина фронта пламени невелика, она зависит от газодинамических параметров и механизма распространения пламени (дефлаграционный или детонационный) и может составлять от десятых долей миллиметра до нескольких сантиметров. Внутри пламени практически весь объем занимают горючие газы (ГГ) и пары. Во фронте пламени находятся продукты горения (ПГ). В окружающей среде находится окислитель.

Схема диффузионного пламени газовой горелки и изменение концентраций горючих веществ, окислителя и продуктов горения по сечению пламени приведены на рис. 1.2.

Толщина фронта пламени разнообразных газовых смесей в ламинарном режиме составляет 0,5 – 10 -3 см. Среднее время полного превращения топлива в продукты горения в этой узкой зоне составляет 10 -3 –10 -6 с.

Зона максимальных температур расположена на 5-10 мм выше светящегося конуса пламени и для пропан-воздушной смеси составляет порядка 1600 К.

Диффузионное пламя возникает при горении, когда процессы горения и смешения протекают одновременно.

Как отмечалось ранее, главное отличие диффузионного горения от горения заранее перемешанных горючих смесей состоит в том, что скорость химического превращения при диффузионном горении лимитируется процессом смешения окислителя и горючего, даже если скорость химической реакции очень велика, интенсивность горения ограничена условиями смешения.

Важным следствием этого представления является тот факт, что во фронте пламени горючее и окислитель находятся в стехиометрическом соотношении. В каких соотношениях не находились бы подаваемые раздельно потоки окислителя и горючего, фронт пламени всегда устанавливается в таком положении, чтобы поступление реагентов происходило в стехиометрических соотношениях. Это подтверждено многими экспериментами.

Движущей силой диффузии кислорода в зону горения является разность его концентраций внутри пламени (С О = 0) и в окружающем воздухе (начальная С О = 21%). С уменьшением этой разности скорость диффузии кислорода уменьшается и при определенных концентрациях кислорода в окружающем воздухе – ниже 14-16 %, горение прекращается. Такое явление самопроизвольного затухания (самозатухания) наблюдается при горении в замкнутых объемах.

Каждое пламя занимает в пространстве определенный объем, внешние границы которого могут быть четко или нечетко ограничены. При горении газов форма и размеры образующегося пламени зависят от характера исходной смеси, формы горелки и стабилизирующих устройств. Влияние состава горючего на форму пламени определяется его влиянием на скорость горения.

Высота пламени является одной из основных характеристик размера пламени. Это особенно важно при рассмотрении горения и тушения газовых фонтанов, горения нефтепродуктов в открытых резервуарах.

Высота пламени тем больше, чем больше диаметр трубы и больше скорость истечения, и тем меньше, чем больше нормальная скорость распространения пламени.

Для заданной смеси горючего и окислителя высота пламени пропорциональна скорости потока и квадрату диаметра струи:

где - скорость потока;

Диаметр струи;

Коэффициент диффузии.

Но при этом форма пламени остается неизвестной и зависит от естественной конвекции и распределения температур во фронте пламени.

Эта зависимость сохраняется до определенного значения скорости потока. При возрастании скорости потока пламя турбулизируется, после чего прекращается дальнейшее увеличение его высоты. Этот переход совершается, как уже отмечалось, при определенных значениях критерия Рейнольдса.

Для пламен, когда происходит значительное выделение несгоревших частиц в виде дыма, понятие высота пламени теряет свою определенность, т.к. трудно определить границу сгорания газообразных продуктов в вершине пламени.

Кроме того, в пламенах, содержащих твердые частицы, по сравнению с пламенами, содержащими только газообразные продукты сгорания, значительно возрастает излучение.

Химические и физические процессы в пламени

В пламени одновременно протекают химические и физические процессы, между которыми существуют определенные причинно-следственные связи.

К химическим процессам в пламени относятся:

на подходе к зоне горения:

Термическое разложение исходных веществ с образованием более легких продуктов (водорода, оксидов углерода, простейших углеводородов, воды и т.д.);

во фронте пламени:

Термоокислительные превращения с выделением теплоты и образованием продуктов полного (диоксида углерода и воды) и неполного горения (оксида углерода, сажи, копоти, смол и др.);

Диссоциация продуктов горения,

Ионизация продуктов горения.

К физическим процессам в пламени относятся:

Тепломассоперенос во фронте пламени;

Процессы, связанные с испарением и доставкой летучих горючих веществ в зону горения.

Скорость переноса (диффузии) веществ имеет решающее значение, например, в неоднородных системах, где она гораздо меньше скорости химических реакций окисления. Соотношение скорости химических превращений и физических процессов определяет режим процесса горения.

Распространение пламени в пространстве

Возникновение горения или зажигание - только начальная стадия процесса горения, его инициирование. Данная стадия, безусловно, важна с точки зрения профилактики пожаров и взрывов. Но предотвратить их не всегда удается, поэтому для практических работников пожарной охраны большое значение имеет возможность прогнозирования динамики развития горения, а именно, в каком режиме и с какими параметрами будет развиваться пожар или взрыв на реальных объектах. Кроме того, в практической деятельности приходится сталкиваться с необходимостью реставрации картины развития уже происшедших пожаров и взрывов. Для этого необходимо знать основные закономерности процессов распространения, развития горения. Эти сведения необходимы также для правильного выбора наиболее эффективного вида и способа применения огнетушащего средства в конкретных условиях.

Наиболее простая схема горения – горение газов и паров. Смешиваясь с окислителем (в большинстве случаев кислородом воздуха), они образуют горючую смесь. Как было сказано выше, горение может быть диффузионным и кинетическим.

При диффузионном горении газов распространение пламени происходит по мере смешивания горючего с окислителем, это мы разбирали выше.

При кинетическом горении газов, распространение пламени может происходить по механизму дефлаграции (нормальное горение) и детонации.

Нормальное или дефлаграционное горение - это распространение пламени по однородной горючей среде, при котором фронт пламени движется вследствие ее послойного разогрева по механизму теплопроводности.

Дефлаграционное пламя распространяется с небольшой скоростью, порядка нескольких метров или десятков метров в секунду. Передача теплоты в этом случае осуществляется послойно по механизму теплопроводности.

При дефлаграционном горении пламя распространяется со скоростью, называемой нормальной скоростью распространения пламени.

Сущность механизма теплового распространения пламени, как было установлено выше, заключается в передаче теплоты из зоны горения теплопроводностью и разогрев прилегающего слоя свежей горючей смеси до температуры самовоспламенения.

Опасность дефлаграционного горения, помимо упомянутого выше, заключается еще и в том, что при определенных условиях дефлаграция может перейти в детонацию.

Детонация – это режим горения, при котором фронт пламени распространяется за счет самовоспламенения горючей смеси во фронте бегущей впереди ударной волной.

Скорость распространения пламени при детонации целиком и полностью определяется скоростью распространения ударной волны.

Скорость детонации в реальных горючих газовых системах значительно выше, чем дефлаграции. Она может достигать 3 км/с. Это обуславливает большую разрушительную способность и опасность детонационной волны.

Огромный профессиональный интерес для пожарных специалистов представляет явление самопроизвольного возникновения детонационного режима горения. Оно довольно часто наблюдается при горении однородных паро- и газо-воздушных смесей в трубопроводах, различных узостях между оборудованием, в кабельных тоннелях, емкостях и т.п. В этих местах нормальный, дефлаграционный режим горения может перейти в детонационный.

Как и дефлаграция, детонация газовых систем возможна только в определенной области концентраций горючего и окислителя.

Производство силикатных материалов

Силикатными материалами называются материалы из смесей или сплавов силикатов, полисиликатов и алюмосиликатов. Это твердые кристаллические или аморфные материалы, и к силикатам иногда относятся материалы, не содержащие в своем составе оксидов кремния.

Силикаты - это соединения различных элементов с кремнеземом (оксидом кремния), в которых он играет роль кислоты. Структурным элементом силикатов является тетраэдрическая ортогруппа -4 с атомом кремния Si +4 в центре и атомами кислорода O -2 в вершинах тетраэдра. Тетраэдры в силикатах соединены через общие кислородные вершины в кремнекислородные комплексы различной сложности в виде замкнутых колец, цепочек, сеток и слоев. В алюмосиликатах, помимо силикатных тетраэдров, содержатся тетраэдры состава [А1О 4 ] -5 с атомами алюминия А1 +3 , образующие с силикатными тетраэдрами алюминий-кремнийкислородные комплексы.

Цепи, ленты и слои связаны между собой расположенными между ними катионами. В зависимости от типа оксосиликатных анионов силикаты имеют волокнистую (асбест), слоистую (слюда) структуру.

Кроме силикатов в природе широко распространены алюмосиликаты , в образовании которых наряду с тетраэдрами SiO 4 принимают участие тетраэдры АlO 4 .

В состав сложных силикатов помимо иона Si +4 входят:

катионы : Na + , K + , Са ++ , Mg ++ , Mn ++ , В +3 , Сг +3 , Fe +3 , A1+ 3 , Ti +4 и анионы : О 2 -2 , ОН – , F – , Сl - , SO 4 2- , а также вода. Последняя может находиться в составе силикатов в виде конституционной, входящей в кристаллическую решетку в форме ОН - , кристаллизационной Н 2 О и физической, абсорбированной силикатом.

Свойства силикатов зависят от их состава, строения кристаллической решетки, природы сил, действующих между ионами, и, в значительной степени определяются высоким значением энергии связи между атомами кремния и кислорода, которая составляет 450-490 кДж/моль. (Для связи С-O энергия составляет 314 кДж/моль). Большинство силикатов отличаются тугоплавкостью и огнеупорностью, температура плавления их колеблется от 770 до 2130 °С. Твердость силикатов лежит в пределах от 1 до 6-7 ед. по шкале Мооса. Большинство силикатов малогигроскопичны и стойки к кислотам, что широко используется в различных областях техники и строительства.

Химический состав силикатов принято выражать в виде формул, составленных из символов элементов в порядке возрастания их валентности, или из формул их оксидов в том же порядке. Например, полевой шпат K 2 Al 2 Si 6 O 16 может быть представлен как KAlSi 3 O 8 или К 2 О×А1 2 О 3 ×6SiO 2 .

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

На рис. 11.1 приведена классификация силикатов .

Рис. 11.1. Производство силикатных материалов

Все силикаты подразделяются на природные (минералы) и синтетические (силикатные материалы). Силикаты - самые распространенные химические соединения в коре и мантии Земли, составляя 82% их массы , а также в лунных породах и метеоритах. Общее число природных известных силикатов превышает 1500. По происхождению они делятся на кристаллизационные (изверженные) породы и осадочные породы. Природные силикаты используются как сырье в различных областях народного хозяйства:

В технологических процессах, основанных на обжиге и плавке (глины, кварцит, полевой шпат и др.);

В процессах гидротермальной обработки (асбест, слюда и др.);

В строительстве;

В металлургических процессах.

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

Сырьём для их производства служат:

– природные минералы (кварцевый песок, глины, полевой шпат, известняк),

– промышленные продукты (карбонат натрия, бура, сульфат натрия, оксиды и соли различных металлов)

– отходы (шлаки, шламы, зола).

По масштабам производства силикатные материалы занимают одно из первых мест.

11.1 Типовые процессы технологии силикатных материалов

В производстве силикатных материалов используются типовые технологические процессы, что обусловлено близостью физико-химических основ их получения.

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

Рис. 11.2. Принципиальная схема производства силикатных материалов

Первая стадия – подготовка шихты.

Эта стадия включает в себя механические операции подготовки твёрдого сырья: измельчения, (иногда - фракционирование), сушки, смешения компонентов.

Вторая стадия – стадия формования.

Операция формования должна обеспечить изготовление изделия заданной формы и размеров, с учётом изменения их на последующих операциях сушки и высокотемпературной обработки.

Формование включает:

а) увлажнение материала (шихты);

б) брикетирование или придания материалу определённой формы в зависимости от назначения изделия.

Третья стадия – сушка изделия.

Сушка изделия проводится для сохранения изделием приданной ему формы перед и во время операции высокотемпературной обработки.

Четвёртая стадия - высокотемпературная обработка изделия или шихты.

1) На этой стадии происходит синтез из компонентов шихты минералов определённой природы и состава.

2) В зависимости от назначения и свойств получаемого материала высокотемпературная обработка заключается в обжиге изделия или варке шихты.

В процессе высокотемпературной обработки в шихте при повышении температуры последовательно протекают следующие процессы:

Удаление воды, сначала физической, затем кристаллизационной;

Кальцинация компонентов шихты, т.е. выделение из них конституционной воды (входящей в кристаллическую решётку в виде ионов OH -) и оксида углерода (IV);

Полимерные превращения в компонентах шихты и перестройка их кристаллической решётки;

Образование новых химических соединений в виде твёрдых растворов.

На этой стадии компоненты шихты - карбонаты металлов, гидроксиды металлов и алюмосиликаты превращаются в кислотные оксиды: SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 и основные оксиды: Na 2 O, K 2 O, CaO, MgO, которые вступают в реакцию с друг с другом;

Спекание компонентов шихты.

Спекание может протекать:

в твёрдой фазе при температуре ниже температуры плавления компонентов;

или в жидкой фазе, при температуре выше их плавления.

Охлаждения массы с образованием жидкой и аморфной фаз.

11.2 Керамические изделия

Керамическими материалами или керамикой называют поликристаллические материалы и изделия из них, полученные спеканием природных глин и их смесей с минеральными добавками, а также оксидов металлов и других тугоплавких соединений.

Керамические изделия весьма разнообразны и могут быть классифицированы по нескольким признакам.

По применению:

Строительные (кирпич, черепица);

Огнеупоры;

Тонкая керамика (фарфор, фаянс);

Специальная керамика.

По структуре и степени спекания: - пористые или грубозернистые (кирпич, огнеупоры, фаянс);

Спекшиеся или мелкозернистые (фарфор, специальная керамика).

По состоянию поверхности: глазурованные и неглазурованные.

11.2.1 Сырьё

В качестве сырья для производства силикатных керамических материалов используют вещества, обладающие свойством спекаемости.

Спекаемость – свойство свободно насыпанного или уплотнённого (сформованного в изделие) порошкообразного материала образовывать при нагревании до определенной температуры поликристаллическое тело – черепок.

Таким сырьём являются:

Пластичные материалы (глины);

Непластичные и отощающие добавки (кварцевый песок);

Плавни и минерализаторы (карбонаты кальция и магния).

Наиболее важными и крупнотоннажными керамическими материалами являются: строительный кирпич и огнеупоры.

11.2.2 Производство строительного кирпича

Сырьё. Сырьём для производства строительного кирпича служат легкоплавкие глины состава Al 2 O 3 ∙nSiO 2 ∙mH 2 O, 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.

Фактически, оба метода отличаются по количеству воды и методом подачи воды.

Технологическая схема производства строительного кирпича

1) Подготовленная тем или иным методом шихта, содержащая
40 – 45% глины, до 50% песка и до 5% оксида железа, поступает на прессование в ленточный пресс при пластичном методе, или и механический пресс, работающий под давлением 10-25 МПа при полусухом методе. На рис. 11.3 приведена принципиальная схема производства строительного кирпича полусухим способом.

Рис. 11.3. Ленточный пресс: 1 - загрузочная воронка; 2 – вальцы; 3 – шнек; 4- мундштук пресса; 5 – увлажнитель; 6 – глинистая масса в виде ленты; 7 – опорные ролики.

2) Сформованный кирпич отправляется на сушку в туннельную сушилку непрерывного действия и затем на обжиг при температуре 900 - 1100 ºС. Для ускорения сушки в глину добавляют электролит.

11.2.3. Производство огнеупоров

Огнеупорными материалами (огнеупорами) называют неметаллические материалы, характеризующиеся повышенной огнеупорностью, то есть способностью противостоять, не расплываясь, воздействию высоких температур.

Область применения.

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).

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

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

Малый коэффициент термического расширения;

Высокая механическая прочность при температурной эксплуатации;

Устойчивость к действию расплавленных сред (металлов, шлака).

Ассортимент огнеупоров весьма широк. В зависимости от состава они делятся на несколько групп.

На рис. 11.4 представлена классификация огнеупорных материалов по их составу:

Рис. 11.4. Классификация огнеупоров по составу

1. Алюмосиликатные огнеупоры – относятся к числу наиболее распространенных огнеупоров.

В их основе лежит система «Al 2 O 3 -SiO 2 » с различным соотношением оксидов алюминия и кремния, от чего в значительной степени зависят их свойства, в частности, стойкость к расплавам различной кислотности.

2. Динасовые огнеупоры содержат 95 % оксида кремния с примесью оксида кальция. Они стойки к кислым шлакам, огнеупорны до 1730 ºС.

Применяются для коксовых и стекловаренных печей. Получаются из кварцита и оксида кальция обжигом при 1500 ºС.

3. Полукислые огнеупоры содержат до 70-80 % оксида кремния и 15-20 % оксида алюминия. Они относительно стойкие к кислым шлакам и силикатным расплавам и используются в металлургических печах и теплоэнергетических установках.

4. Шамотные огнеупоры содержат 50-70 % оксида кремния и до 45 % оксида алюминия. Они стойки к действию как основных так и кислых шлаков, огнеупорны до 1750 ºС и термически устойчивы. Получаются по схеме (рис. 11.5):

Рис. 11.5. Получение шамотных огнеупоров.

При обжиге каолина протекают реакции:

Al 2 O 3 ∙2SiO 2 ∙2H 2 O = Al 2 O 3 ∙2 SiO 2 + 2H 2 O

3(Al 2 O 3 ∙2SiO 2) = 3Al 2 O 3 ∙2SiO 2 + 4SiO 2 ∙

5. Магнезитовые огнеупоры содержат в качестве основы оксид магния. Например, доломитовые огнеупоры состоят из 30% оксида магния, 45% оксида кальция и 15% оксидов кремния.

Все виды магнезитовых огнеупоров устойчивы к действию основных шлаков, огнеупорны до 2500 ºС, однако термическая стойкость их невелика.

Применяются для облицовки сталеплавильных конвертеров, в электрических индукционных и мартеновских печах.

Получаются обжигом природных минералов, например, доломита:

CaCO 3 ∙MgCO 3 = MgO + CaO + CO 2 ; (MgO + CaO – огнеупор).

6. Корундовые огнеупоры состоят в основном из оксида алюминия. Они огнеупорны до 2050 ºС и применяются в устройствах для нагрева и плавления тугоплавких материалов в радиотехнике и квантовой электронике.

7. 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.

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

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

Обжигом смеси кокса, каменноугольного пёка, антраценовой фракции каменноугольной смолы и битума (коксовые огнеупоры).

Углеродистые огнеупоры применяются для облицовки горнов доменных печей, печей цветной металлургии, электролизёров, аппаратуры в производстве коррозионно-активных веществ.

11.3. Производство вяжущих материалов

Вяжущими материалами называются одно- и многокомпонентные порошкообразные минеральные вещества, образующие при смешении с водой пластичную формующуюся массу, затвердевающую при выдержке в прочное камневидное тело.

В зависимости от состава и свойств вяжущие вещества подразделяются на три группы (рис. 11.6):

Рис. 11.6. Классификация вяжущих материалов

1. Воздушными вяжущими материалами называют материалы, которые после смешивания с водой (затворения) твердеют и длительное время сохраняют прочность только на воздухе.

2. Гидравлическими вяжущими материалами называют материалы, которые после затворения водой и предварительного затвердевания на воздухе продолжают твердеть в воде. Другими словами, сохраняют прочность как на воздухе, так и в воде.

3. К кислотостойким вяжущим материалам относятся такие, которые после затвердевания на воздухе сохраняют прочность при воздействии на них минеральных кислот.

Это достигается тем, что для их затворения используют водные растворы силиката натрия, а в массу материала вводят кислостойкие наполнители (диабаз, андезит и др.).

Сырьём для производства силикатных материалов, используемых в качестве вяжущих, служат:

Природные материалы – гипсовыё камень, известняк, мел, глины, кварцевый песок;

Промышленные отходы – металлургические шлаки, огарок колчедана, шламы переработки нефелина.

Применение. Вяжущие материалы в строительстве применяются в форме:

Цементного теста (вяжущий материал + вода);

Строительного раствора (вяжущий материал + песок + вода).

Действие вяжущего материала может быть разбито на три последовательные стадии:

Затворение (добавление воды) или образование пластической массы в виде теста или раствора смешением вяжущего вещества с соответствующим количеством воды или силикатного раствора;

Схватывание или первоначальное загустевание и уплотнение теста с потерей текучести и переходом в плотное, но непрочное соединение;

Твердение или постепенное увеличение механической прочности в процессе образования камневидного тела.

Важнейшими видами вяжущих материалов являются: портландцемент (гидравлический цемент) и воздушная (строительная) известь.

11.3.1 Производство портланд-цемента

Портландцементом называется гидравлический вяжущий материал, состоящий из силикатов и алюмосиликатов кальция разного состава .

Основными компонентами портландцемента являются следующие соединения:

- алит (трикальцийсиликат ) 3CaO∙SiO 2 ,

- белит (дикальцийсиликат ) 2CaO∙SiO 2 ,

- трикальцийалюминат 3CaO∙Al 2 O 3 .

Характеристикой портландцемента является «марка».

Маркой цемента называется предел прочности на сжатие образца цемента после затвердевания его в течение 28 суток, выражаемый в кг/см 2 . Чем больше марка цемента, тем выше его качество .

Существуют марки 400, 500 и 600 .

Производство портландцемента складывается из двух стадий: получения клинкера и его измельчения.

11.3.1.1 Получение клинкера

Получение клинкера может осуществляться двумя способами – мокрым и сухим , которые различаются методом приготовления сырьевой смеси для обжига .

Мокрый метод. По мокрому методу сырьё измельчают в присутствии большого количества воды. При этом образуется пульпа , содержащая до 45% воды.

В этом методе обеспечивается :

высокая однородность смеси;

снижается запыленность;

но увеличиваются затраты энергии на испарение воды.

Сухой метод. По сухому методу компоненты сырья сушат, измельчают и смешивают в сухом виде.

Такая технология является энергосберегающей , поэтому удельный вес производства цемента по сухому методу непрерывно возрастает .

На рис. 11.7 представлена схема производства портландцемента мокрым способом :

Рис. 11.7. Принципиальная схема производства портланд-цемента.

Производство клинкера включает операции :

- дробления, размола, корректировки состава сырья ;

- последующую высокотемпературную обработку полученной шихты – обжиг.

Сырьё. Сырьём в производстве портландцемента служат:

Различные известковые породы – известняк, мел, доломит;

Мергели – представляющие собой однородные тонкодисперсные смеси известняка и глины .

При обжиге шихты последовательно протекают следующие процессы:

- испарение воды (100 ºС);

- дегидратация кристаллогидратов и выгорание органических веществ:

MeO∙nH 2 O = nMeO + nH 2 O (500 ºС);

термическая диссоциация карбонатов:

CaCO 3 = CaO + CO 2 (900- 1200 ºС);

Взаимодействие основных и кислотных оксидов с образованием силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция :

CaO + SiO 2 = 2CaO∙SiO 2 (белит)

2CaO∙SiO 2 + CaO = 3CaO∙SiO 2 (алит)

3CaO + Al 2 O 3 = CaO∙Al 2 O 3 (трикальцийалюминат)

Процесс заканчивается при температуре 1450ºС, после чего клинкер поступает на охлаждение.

Состав образовавшегося после обжига продукта следующий: алит
40-60 %; белит 15-30 %; трикальцийалюминат 5-14 % .

Для обжига шихты используются барабанные вращающиеся печи диаметром 3,5-5,0 м и длиной до 185 м (рис. 11.8):

Рис. 11.8. Вращающаяся печь для получения цементного клинкера:
1 – вращающая печь; 2 – бандажи; 3 – опорные ролики; 4 – электромоторы;
5 – шестерни; 6 – шнековый питатель; 7 - холодильник; 8 - дымоход

Компоненты сырья, поступающие в печь, последовательно проходят в ней зоны сушки, подогрева, кальцинации, экзотермических реакций образования силикатов, спекания и охлаждения.

Выходящий из печи клинкер охлаждается в барабанных холодильниках, а нагретый воздух используют для нагрева воздуха и газообразного топлива, поступающего в печь.

11.3.1.2 Измельчение клинкера

Для измельчения охлаждённый клинкер :

- выдерживается на складе в течение 10-15 суток для гидратации свободного оксида кальция влагой воздуха;

- смешивается с добавками и измельчается в дробилках и многокамерных мельницах до частиц 0,1 мм и меньше.

Затвердевание портландцемента основано на реакциях гидратации , входящих в его состав силикатов и алюмосиликатов , образованием кристаллогидратов различного состава :

3CaO∙SiO 2 + (n+1) H 2 O = 2CaO∙SiO 2 ∙nH 2 O + Ca(OH) 2

2CaO∙SiO 2 + nH 2 O = 2CaO∙SiO 2 ∙nH 2 O,

3CaO∙Al 2 O 3 + 6H 2 O = 3CaO∙Al 2 O 3 6H 2 O

При смешении порошка цемента с водой (затворении ) масса затвердевает.

Для придания цементу определённых свойств в него вводят добавки:

- гидравлические , повышающие водостойкость за счёт связывания содержащегося в цементе гидроксида кальция:

Ca(OH) 2 + SiO 2 = CaSiO 3 + H 2 O;

- пластифицирующие , повышающие эластичность массы;

- кислотостойкие , придающие цементу коррозийную стойкость к кислым средам (гранит );

- инертные , для удешевления продукции (песок );

- регулирующие время схватывания массы (гипс ).

Основная масса портландцемента используется для изготовления бетона и изделий из него.

Бетоном называется искусственный камень, получаемый при затвердевании затворённой 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 в бетоне при разложении вводимых в бетонную смесь газо- и пенообразователей ;

В огнеупорных бетонах – шамотовый порошок;

В железобетоне – металлическая арматура .

11.3.2 Производство воздушной извести

Воздушной или строительной известью называется бессиликатный вяжущий материал, на основе оксида и гидроксида кальция.

Различают три вида воздушной извести:

- кипелка (негашёная известь) – оксид кальция CaO ;

- пушонка (гашёная известь) – гидроксид кальция Ca(OH) 2 ;

К силикатным материалам автоклавного твердения относятся материалы, получение которых основано на гидротермальном синтезе минеральной смеси (основное сырье, вяжущее вещество и заполнители), осуществляемом при повышенных значениях давления (до 1,5 МПа) и температуры (174...200 °С) водяного пара.

В качестве основных сырьевых компонентов для материалов автоклавного твердения применяют преимущественно известково-песчаные смеси и промышленные отходы - доменные шлаки, топливные золы, нефелиновый шлам и др. Наиболее распространены известково-песчаные {силикатные) материалы.

Основным вяжущим компонентом материалов автоклавного твердения является известь. Для производства силикатных изделий рекомендуется применение быстрогасящейся извести с суммарным содержанием активных оксидов кальция и магния более 70%. При этом содержание MgO должно быть не более 5%. Наряду с известью возможно применение портландцемента, в частности в производстве ячеистых бетонов. Применение портландцемента способствует повышению морозостойкости изделий.

Наиболее распространенный заполнитель силикатных материалов - кварцевые пески. При применении полевошпатовых и карбонатных песков физико-механические свойства изделий ухудшаются.

При тепловой обработке основных сырьевых компонентов в автоклавах идет взаимодействие между гидрооксидом кальция, кремнеземом и водой, сопровождающееся образованием труднорастворимых продуктов реакции - гидросиликатов кальция:

а Са(ОН) 2 + Si0 2 + (n-а )Н 2 0 → a CaO . Si0 2 . n H20,

причем величина коэффициента а определяется соотношением концентраций СаО и Si0 2 в жидкой фазе.

Высокую реакционную способность при автоклавной обра­ботке имеют аморфные и стеклообразные сырьевые материалы. К ним относятся вулканические эффузивные горные породы, гранули­рованные шлаки, топливные золы и др.

Интенсификация твердения и улучшение основных свойств ав­токлавных материалов достигаются применением высокодисперсных сырьевых материалов. При изготовлении высокопрочных известково-песчаных изделий негашеную известь размалывают с песком до удельной поверхности 3000...5000 см 2 /г и используют как вяжущее.

По назначению изделия из силикатных материалов различают­ся на конструкционные и теплоизоляционные изделия, а по форме изго­товления - на штучные и крупноразмерные изделия.

По объему выпуска изделий из материалов автоклавного твер­дения ведущее место занимает силикатный кирпич, а за ним - стено­вые изделия из плотного и ячеистого бетонов.

Силикатный кирпич представляет собой искусственный безоб­жиговый стеновой строительный материал, изготовленный прессова­нием из смеси кварцевого песка (90...92 %) и гашеной извести (8... 10 %) с последующим твердением в автоклаве.

В составе сырьевой смеси для получения силикатного кирпича содержание извести колеблется от 7 до 10 % в пересчете на активную роль СаО. Для повышения прочности силикатного кирпича в качест­ва вяжущего компонента применяют тонкомолотые известково-кремнеземистые, известково-шлаковые и известково-зольные смеси.

При производстве силикатного кирпича наиболее желательны кваревые пески с зернами размером 0,2...2 мм, имеющие минималь­ное количество пустот. Содержание глинистых примесей допускается не более 10 %, так как при большем содержании глинистых увеличивается водопоглощение, снижается прочность и морозостойкость кирпича. Наличие органических примесей в сырьевой смеси для про­изводства кирпича снижает его прочность и может привести к обра­зованию трещин за счет выделения газов при автоклавном твердении.

Силикатный кирпич применяют наряду с керамическим кирпичом для кладки каменных и армировано-каменных наружных и внутренних конструкций в надземной части зданий с нормальным и влажным режимом эксплуатации. Вследствие более низкой стойкости к воде и к растворенным в ней веществам силикатный кирпич в отличие от керамического нельзя применять для кладки фундаментов и цоколей зданий ниже гидроизоляционного слоя. Не допускается использовать силикатный кирпич для стен зданий с мокрым режимом эксплуатации (бань, прачечных и др.) без специальных мер защиты стен от увлажнения. Не разрешается использовать для кладки печей, труб, т.к. он не выдерживает длительного воздействия высокой температуры.

Силикатным бетоном называют затвердевшую в автоклаве уплотненную смесь, состоящую из кварцевого песка (70…80%), молотого песка (8…15%) и молотой негашеной извести (6…10%). Для него характерна более низкая коррозионная стойкость арматуры, что обусловлено слабой щелочностью среды. Стойкость арматуры надежно обеспечивается при влажности воздуха 60%. Как и цементные, силикатные бетоны классифицируются в зависимости от плотности, особенностей структуры, максимальной крупности и вида заполнителей, а также области применения.