Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Основы технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов

Покупка
Артикул: 800222.01.99
Доступ онлайн
600 ₽
В корзину
Учебник содержит четыре главы, в которых изложены основные процессы силикатных технологий, основы технологий вяжущих материалов, стекла, керамики и огнеупорных (теплоизоляционных) материалов. Приведены основные понятия, классификация, способы получения тугоплавких неметаллических и силикатных материалов. Описаны основные требования к сырью, технологические стадии процесса производства и свойства готовых изделий. Учебник предназначен для студентов образовательных организаций, обучающихся по направлению «Химическая технология», специализирующихся в области технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, также может быть использован специалистами, работающими в области силикатных производств.
Павлова, И. А. Основы технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов : учебник / И. А. Павлова, К. Г. Земляной, Е. П. Фарафонтова ; Мин-во науки и высш. обр. РФ. - Екатеринбург : Изд-во Уральского ун-та, 2020. - 192 с. - ISBN 978-5-7996-3008-9. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1953595 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Министерство науки и высшего образования  
Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

И. А. Павлова, К. Г. Земляной, Е. П. Фарафонтова

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ  
ТУГОПЛАВКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ  
И СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ 

Уч е бн ик

Рекомендован методическим советом  
Уральского федерального университета  

для студентов вуза, по направлению подготовки

18.03.01 — Химическая технология

Екатеринбург 
Издательство Уральского университета 
2020 

УДК 54.01+541.7 
ББК 24.58+24.239 
          П12 
Серия «Учебник УрФУ» основана в 2017 году

Редакционная коллегия серии: 
канд. техн. наук, доц. Е. В. Вострецова; канд. техн. наук, доц. 

О. Ю. Корниенко; И. Ю. Плотникова (ответственный редактор серии)

Рецензенты:
лаборатория «Химии соединений редкоземельных элементов» 
Института химии твердого тела УрО РАН (канд. хим. наук, завлабо‑
раторией В. Д. Журавлев);

Э. Г. Вовкотруб, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник лаборатории 
твердооксидных топливных элементов Института высокотемператур‑
ной электрохимии УрО РАН;

В. И. Рогозин, исполнит. директор ЗАО «Компания «Пиастрелла», 
почетный строитель РФ

Научный редактор — д‑р. техн. наук, проф. И. Д. Кащеев 

На обложке использовано изображение с сайта http://kladempech.ru/mufelnaya-pech/

П12

Павлова, И. А.
Основы технологии тугоплавких неметаллических и сили‑

катных материалов : учебник / И. А. Павлова, К. Г. Земляной, 
Е. П. Фарафонтова ; Мин‑во науки и высш. обр. РФ. — Екате‑
ринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2020. — 192 с. — (Учебник УрФУ).

ISBN 978‑5‑7996‑3008‑9

Учебник содержит четыре главы, в которых изложены основные процессы си‑
ликатных технологий, основы технологий вяжущих материалов, стекла, керамики 
и огнеупорных (теплоизоляционных) материалов.

Приведены основные понятия, классификация, способы получения тугоплавких 

неметаллических и силикатных материалов. Описаны основные требования к сы‑
рью, технологические стадии процесса производства и свойства готовых изделий.

Учебник предназначен для студентов образовательных организаций, обучаю‑

щихся по направлению «Химическая технология», специализирующихся в области 
технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, также может 
быть использован специалистами, работающими в области силикатных производств.

Библиогр.: 39 назв. Рис. 59. Табл. 20.

УДК 54.01541.7 
ББК 24.58+24.239

ISBN 978‑5‑7996‑3008‑9
© Уральский федеральный 
     университет, 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение .......................................................................................................... 5
Глава 1. Основные процессы силикатных технологий .................................... 6
1.1. Характеристика зернистых материалов ............................................. 6
Форма частиц .......................................................................................... 7
Размер частиц  ........................................................................................ 7
Насыпная плотность и пористость ........................................................ 9
1.2. Подготовка исходных материалов ....................................................11
Измельчение ..........................................................................................11
Разделение по крупности порошков.....................................................15
Хранение порошков в бункерах ............................................................16
1.3. Дозирование .......................................................................................21
1.4. Смешение ...........................................................................................22
1.5. Прессование и формование изделий на основе  
порошкообразных масс ............................................................................24
1.6. Термическая обработка материалов ..................................................28
Сушка .....................................................................................................28
Обжиг .....................................................................................................31
1.7. Вопросы для самоконтроля ...............................................................36
Глава 2. Технология минеральных вяжущих веществ ....................................38
2.1. Воздушные вяжущие вещества ..........................................................38
Производство строительного гипса ......................................................38
Производство воздушной строительной извести .................................45
2.2. Гидравлические вяжущие вещества  .................................................51
Производство цемента  ..........................................................................52
2.3. Бетон ..................................................................................................72
Основные свойства бетона ....................................................................73
Коррозия бетона ....................................................................................74
2.4. Вопросы для самоконтроля ...............................................................75
Глава 3. Основы технологии стекла ...............................................................77
3.1. Строение стекол .................................................................................77
3.2. Свойства стекол в расплавленном состоянии ..................................79

Оглавление

3.3. Свойства стекол в твердом состоянии ..............................................83
3.4. Сырьевые материалы .........................................................................89
Сырьевые материалы для ввода оксидов‑стеклообразователей  .........90
Сырьевые материалы для ввода оксидов‑модификаторов ..................91
Сырьевые материалы для ввода промежуточных оксидов  ..................92
Использование горных пород и отходов производства  ......................94
Вспомогательные материалы  ...............................................................94
3.5. Производство стекла ..........................................................................96
Приготовление шихты...........................................................................96
Варка стекла .........................................................................................100
Формование стекла..............................................................................104
Отжиг стекла ........................................................................................108
3.6. Вопросы для самоконтроля .............................................................109

Глава 4. Технология керамики и огнеупоров ................................................110
4.1. Классификация ................................................................................110
4.2. Сырьевые материалы для производства керамических  
изделий ...................................................................................................111
Пластичные материалы .......................................................................111
Непластичные (отощающие) материалы ............................................126
Плавни .................................................................................................127
4.3. Технология производства строительного кирпича ........................127
Пластический способ ..........................................................................128
Полусухое прессование  ......................................................................131
4.4. Технология производства тонкой керамики  ..................................133
Сырьевые материалы для производства тонкой керамики................135
Технология приготовления керамических масс .................................136
Производство фарфоровых изделий ...................................................137
Производство керамических плиток ..................................................140
4.5. Технология огнеупорных материалов .............................................144
Классификация огнеупоров ................................................................145
Природное сырье огнеупорной промышленности ............................146
Основные свойства огнеупоров ..........................................................148
Кремнеземистые огнеупоры ...............................................................154
Алюмосиликатные огнеупоры ............................................................161
Магнезиальные огнеупоры .................................................................172
Теплоизоляционные огнеупорные материалы ...................................180
4.6. Вопросы для самоконтроля .............................................................186
Библиографический список ..........................................................................188

ВВЕДЕНИЕ

П

роизводство изделий из керамики и стекла зародилось еще 
на заре цивилизации. Это было больше искусство, чем техноло‑
гия. Возраст изделий из обожженной глины, найденных в рас‑

копках, — более 15 тыс. лет. Первые промышленные изделия из кера‑
мики появились, по мнению историков, в Египте более пяти тыс. лет 
назад. Стеклоделие возникло примерно в III–IV тысячелетии до н. э. 
Технология вяжущих материалов — гипса, а затем извести — датиру‑
ется II–III тысячелетием до н. э.

Жизнь людей тесно связана с силикатными материалами, в осно‑

ве их получения лежит самое распространенное сырье в природе. Со‑
держание в земной коре кремнезема SiO2 более 12 %, также он входит 
в состав алюмосиликатов, составляющих 75 % земной коры.

В природе насчитывается более 500 видов силикатов. Человек син‑
тезировал большое количество искусственных материалов. Основны‑
ми структурными элементами силикатов, кроме SiO2, являются окси‑
ды алюминия, кальция, магния, натрия, калия, бора и др., в качестве 
сопутствующих — почти все элементы таблицы Менделеева. Содер‑
жание оксидов в силикатах варьируется от долей до десятков процен‑
тов (так, в кварцевом стекле может быть до 99,9 % SiO2).
Общие свойства силикатных материалов: высокая механическая 

прочность, огнестойкость, химическая стойкость — объясняются вы‑
сокой долей ковалентных связей и полимерным строением.

Силикатные материалы подразделяются на три большие группы: 

минеральные вяжущие вещества, керамика и стекло.

Без силикатных материалов невозможно представить нашу жизнь. 

Они занимают ведущее место в быту и строительстве, в самых разных 
областях техники. Производство силикатных материалов с каждым 
годом совершенствуется и развивается.

Глава 1. Основные процессы  силикатных технологий

ГЛАВА 1. Основные процессы  
силикатных технологий

О

сновными задачами совершенствования любой технологии яв‑
ляются:
- снижение материалоемкости;

- внедрение энергосберегающих технологий;
- снижение затрат ручного труда, автоматизация, механизация;
- применение безотходных технологий, исключающих загрязне‑
ние окружающей среды.
Общая технологическая схема производства силикатных материа‑
лов включает следующие процессы:
подготовка исходных материалов 
↓ 

измельчение, классификация и хранение порошков 

↓ 

дозирование и смешение порошков 

↓ 

формование изделий из порошкообразных масс 

↓ 

термообработка (сушка и обжиг) 

↓ 
упаковка, хранение, транспортирование 

1.1. Характеристика зернистых материалов

Зернистые материалы — дисперсная система, в которой твердые ча‑

стицы соприкасаются между собой по незначительной части поверх‑
ности. Зернистые материалы в свободном состоянии образуют твер‑

1.1. Характеристика зернистых материалов

дые тела (конус) под действием силы тяжести. Признаком твердого 
тела является способность сохранять свою форму.

К основным свойствам зернистых материалов относят размер и фор‑
му частиц, гранулометрический состав, насыпную плотность, пори‑
стость, угол естественного откоса, удельную поверхность, поверхность 
контакта, гигроскопичность, склонность к слеживанию, электропро‑
водность, реакционную способность.

Форма час тиц

Продукты измельчения в зависимости от свойств материалов и типа 

агрегата для измельчения могут иметь различную форму, например, 
при измельчении стекла истиранием получают пластинчатые части‑
цы, а при раздавливании — игольчатые.

Волокнистыми, или игольчатыми, частицами считают те частицы, 

у которых длина во много раз превосходит ширину и толщину. К пло‑
ским частицам относятся пластинки, листочки, таблички. У них зна‑
чение толщины и длины превышает значение ширины. Изометрич‑
ными считаются частицы с приблизительно одинаковыми значениями 
размерных параметров.

Размер частиц 

Частицы зернистого материала имеют неправильную геометриче‑

скую форму, и их размеры не могут быть точно определены. Для ха‑
рактеристики размера частиц используют понятие эквивалентного 
диаметра dэкв (среднеарифметическое или среднегеометрическое трех 
размеров):

 
d
l
b
h

экв =
+
+

3
 или d
lbh
экв = 3
.

Точность таких расчетов зависит от отношения d
d

max

min

.

В случае, если d
d

max

min
,
Ј1 5, эквивалентный диаметр определяется 

по формуле Андреасена как d
d
d
d
d

э =
Ч
+
2
2
2

3
max
min

max
min

.

Глава 1. Основные процессы силикатных технологий 

При отношении диаметров d
d

max

min
,
>1 5 значение dэкв определяют стати‑

стическим методом. Составляют дискретный ряд фракций d d d
di
1
2
3
,
,
...
, 

им соответствуют определенные вероятности p p
p
pi
1
2
3
,
,
...
. Если эта 

разница слишком велика, тогда этот ряд фракций заменяют рядом 

классов x x
x
xi
1
2
3
,
,
...
. Тогда x
d
d
d
=
+
+
1
2
3

3
.

На практике размер частиц всех форм принимают по размеру отвер‑

стия сита, через которые проходят порошки. С помощью сит выделя‑
ют порошок, частицы которого имеют известные пределы крупности 
(верхний и нижний). Такой порошок называют фракцией (например, 
фракция 1,0–0,5 мм). Иногда фракцию характеризуют верхним или 
нижним пределом (например, более 2,0 мм или менее 0,5 мм).

Содержание в порошке различных фракций называют зерновым, или 
гранулометрическим, составом. Такой состав представляется в виде та‑
блицы или суммарной кривой распределения, табл. 1.
Зерновой, или гранулометрический, состав продукта помола при‑
нято характеризовать помольной характеристикой. Суммарный выход 
продукта — это сумма всех фракций выше (крупнее) заданной, рис. 1.

Таблица 1 
Гранулометрический состав материала 

Фракция, мм
более 5
5–3
3–1
1–0,5
0,5–0,2
менее 0,2
Количество 
фракции, %
4,0
8,3
10,2
36,5
17,2
23,8

Суммарный 
выход верхнего 
продукта, %

4,0
12,3
22,5
59,0
76,2
100,0

Размер зерен, мм
0
1
2
3
4
5

20

40

60

80

100

верхнего продукта, %
Суммарный выход 

 

Рис. 1. Кривая распределения материала по размеру зерен 

1.1. Характеристика зернистых материалов

Насыпная плотность и пористость

Насыпная плотность — масса зернистого материала в единице за‑
нимаемого объема. Насыпная плотность, как правило, уменьшается 
по мере измельчения частиц.

Безразмерная величина, характеризующая объемную долю, заня‑
тую твердой фазой, называется коэффициентом упаковки, или отно-
сительной плотностью. Определить коэффициент упаковки можно 
по формуле 

 
К
W
уп
нас

ист

=
-
r
r
(
)
1
, 

где W — влажность, в долях единицы.

Поры находятся между частицами, сообщаются между собой и вы‑

ходят на поверхность. Поры бывают открытые и закрытые. Общую по‑
ристость материала можно определить по формуле 

 
П
= (1
) 100 %
общ
уп
-
Ч
K
.

Угол естественного откоса — внутренний угол конуса, образуемый 

линией естественного откоса с горизонтальной плоскостью, рис. 2.

 

Рис. 2. Угол естественного откоса 

Угол естественного откоса зависит от сил трения, возникающих при 

перемещении частиц относительно друг друга, и сил сцепления меж‑
ду ними. С уменьшением размера частиц и увеличением сил сцепле‑
ния угол естественного откоса увеличивается.
Удельная поверхность — поверхность всех частиц материала в еди‑
нице объема (SV) или массы (Sg). Эти величины связаны между собой 
выражением 

 
S
S
V
g
=
каж
r
Ч
.

Единицей измерения Sg является см 2/г или м 2/г, а SV — см 2/см 3.

Глава 1. Основные процессы силикатных технологий 

Удельная поверхность может быть измерена прямым методом или 

рассчитана на основе данных о гранулометрическом составе по формуле 

 
S
Q
d
d

d
=
е
600
r
D

cp
min

max

, 

где Q — содержание частиц ( %); 

ρ — плотность материала (г/см 3); 
d — размер фракции (мкм); 
S — удельная поверхность (см 2/г). 
При этом принимают, что все частицы имеют форму шара.
Различают два вида удельной поверхности пористых и порошко‑

вых тел: внешнюю и полную. Под внешней понимают суммарную по‑
верхность частиц, а под полной — внешнюю и поверхность открытых 
пор внутри частиц.

Между расчетными величинами удельной поверхности и средне‑
поверхностного размера (диаметра) существует зависимость (для мо‑
нофракционных порошков — внешняя удельная поверхность), см 2/г:

 
S
l
g =
Ч
6
r
, 

где ρ — плотность, г/см 3; 
 l — длина ребра куба (размер частицы порошка), см.
Для изделий внешняя поверхность пор (при условии цилиндриче‑
ской модели пор) составляет:

 
S
r

V = 2µ , 

где ε — пористость в долях единицы; 

 r — размер пор.
Удельную поверхность определяют с помощью приборов, измеряю‑
щих воздухопроницаемость порошков или количество вещества (обыч‑
но азота), адсорбированного на поверхности твердых частиц в виде 
мономолекулярного слоя. Методом воздухопроницаемости опреде‑
ляют только внешнюю поверхность частиц без учета «микрошерохо‑
ватости» поверхности внутричастичных открытых пор.
Внешнюю удельную поверхность определяют методом воздухопро‑

ницаемости слоя уплотненного порошка на пневматических поверх‑
ностемерах. Метод основан на законе Пуазейля, согласно которому 
объем жидкости или газа V, проходящий через капилляр радиусом r 

1.2. Подготовка исходных материалов

и длиной l, при перепаде давления Н (обусловленном сопротивлени‑
ем среды) за время τ зависит от вязкости газа η (или жидкости) 

 
V
r H
l
= p
t

h

4

8
.

1.2. Подготовка исходных материалов

Все операции, связанные с добычей полезных ископаемых, назы‑

ваются горными работами. Производятся они открытым и подземным 
способом, в силикатных технологиях добыча идет обычно открытым 
способом. Керамические и цементные заводы располагают, как пра‑
вило, около месторождений, а стекольные — ближе к потребителю. 
Для доставки сырья используют автомобильный (в условиях сложно‑
го рельефа, небольших объемов перевозок, на небольшие расстояния), 
железнодорожный (когда расстояния и объемы перевозок значитель‑
ны), воздушно‑канатные дороги (в условиях пересеченной местно‑
сти), ленточные транспортеры и гидротранспорт.

Подготовка сырья включает усреднение, обогащение и иногда тер‑
мообработку. Предприятиям, производящим силикатные материалы, 
выгодно приобретать сырье с постоянным химическим, минераль‑
ным, гранулометрическим составом. Целесообразно готовить сырье 
на специализированных предприятиях — дробильно‑обогатительных 
фабриках.

Измельчение

В технологическом процессе задача измельчения состоит в том, 

чтобы превратить крупные куски исходного или обожженного сырья 
в мелкие и в весьма мелкие зерна. Способность материала к измельче‑
нию оценивается коэффициентом размолоспособности Кразм, который 
определяется опытным путем. Этот показатель позволяет определить 
производительность помольной машины при измельчении различных 
по свойствам материалов. Коэффициент размолоспособности зависит 
не только от прочности и твердости, но и от однородности, вязкости, 
трещиноватости, пластичности и других параметров.

Глава 1. Основные процессы силикатных технологий 

Степень измельчения n, т. е. средний диаметр частиц до измельче‑ 
ния (D) к диаметру частиц после измельчения (d), можно определить 

по формуле п
D
d
=
.

Поскольку разным степеням измельчения соответствуют различ‑

ные условия процесса измельчения, то требуются и различные маши‑
ны для измельчения. Измельчение материалов рационально произво‑
дить по стадиям (табл. 2).

Таблица 2 
Условия процесса измельчения 

Показатель 
Стадия измельчения
Крупное  
дробление
Среднее  
дробление
Средний  
помол
Тонкий  
помол
Размер кусков, мм
1000–100
150–10
10–0,1
Менее 0,1
Степень измельчения
10
15
30–100
Более 100

Дробление и помол осуществляются путем раздавливания, удара, 

изгиба, истирания, раскалывания, разрезания или комбинацией этих 
способов.

Для прочных и хрупких материалов при крупном и среднем дробле‑

нии эффективны раздавливание, изгиб, раскалывание и удар (дробил‑
ки), для вязких и пластичных — разрезание (стругачи, валки, тонвольфы).

При тонком помоле для прочных и хрупких материалов эффектив‑

ны удар в сочетании с истиранием (шаровая мельница), а для мягких 
и вязких — удар (молотковая дробилка).

Сущность процесса измельчения заключается в разрыве поверх‑
ностного слоя материала, связь частиц которого определяется по‑
верхностной энергией, и в разъединении внутренних частиц, свя‑
занных между собой объемными силами сцепления. В зависимости  
от условий измельчения экспериментально подтверждается справед‑
ливость уравнения Риттенгера для случаев более тонкого измельче‑
ния, уравнения Кирпичева — Кика для случая более крупного измель‑ 
чения.
Работа А, затрачиваемая на измельчение материала при крупном 

и среднем дроблении, равна 

 
А
F
f
=
Ч
2
, 

Доступ онлайн
600 ₽
В корзину