2. Розрахунок хімічного складу керамічної маси, глазурі, черепка та глазурного покриття

Для прогнозування багатьох властивостей керамічних матеріалів необхідно знати їх хімічний склад після випалу та втрати при прожарюванні.

Хімічний склад маси та випалених виробів розраховується виходячи із шихтового складу та складу кожного сировинного матеріалу.

Приклад розрахунку. За умовами технологічного процесу, при виготовленні санітарних виробів пропонується наступний склад маси (табл. 2.1).

Таблиця 2.1 – Шихтовий склад керамічної маси, мас.%

Найменування сировинних матеріалів	Вміст
Глина (марки ПЛГ-2, ЗАТ «Мінерал», Пологівське родовище, Запорізька обл.)	18,5
Суміш глин (марки DBX, ЗАТ «Керамічні маси Донбасу», Дружківське родовище, Донецька обл.)	6,5
Каолін (марки КФН – 2, ВАТ «Просянський ГЗК», Просянівське родовище, Дніпропетровська обл.)	18,5
Пісок кварцовий (марки ВС – 050 – 2, ВАТ «Кварц», Авдіївське родовище, Донецька обл.)	7,0
Череп - бій випалених виробів	5,0
Польовий шпат (марки ESF501SG, фірма «Eczacibaşi escan», Туреччина)	21,5
Каолін лужний (марки Е 2013, ВАТ «УкрРосКаолін», Катеринівське родовище, Донецька обл.)	23,0
Всього	100,0
Понад 100%
Сода кальцинована	0,4
Скло натрієве рідке	0,3

Перераховуємо шихтовий склад маси на 100 мас.%, без череп-бою, оскільки він за хімічним складом ідентичний складу маси, та з урахуванням добавок електролітів.

(100,0+0,4+0,3) - 5,0=95,8%

Для глини (ПЛГ-2), кількість у % складатиме:

=19,33 мас.%

Розрахунки для інших компонентів проводяться аналогічно.

В таблиці 2.2 приведено хімічний склад сировинних матеріалів, які вводяться до складу керамічної маси.

Таблиця 2.2 – Хімічний склад компонентів керамічної маси, мас.%

Матеріали	SiO2	Al2O3	Fe2O3	TiO2	CaO	MgO	K2O	Na2O	в.п.п.
Глина (ПЛГ-С)	53,62	33,56	1,02	0,66	0,35	0,59	0,70	0,4	9,10
Глина (DBX)	52,90	31,80	0,90	1,30	0,50	0,50	2,40	0,40	9,30
Каолін (КФН-2)	46,24	36,63	0,41	0,60	0,67	0,39	0,85	0,25	13,96
Пісок кварц. (С-070-2)	97,80	0,80	0,70	0,30	0	0	0	0	0,40
Польов. шпат (ЕSF501SG)	71,55	18,32	0,37	0,22	0,86	0,57	0,66	7,13	0,32
Каолін лужн. (Е 2013)	72,10	17,70	0,60	0,10	0,10	0,20	4,00	0,70	4,50
Сода	–	–	–	–	–	–	–	58,45	41,55
Скло натрієве рідке	33,20	0,25	–	–	0,20	–	–	12,3	54,05

Визначаємо кількість оксидів, що вводяться до керамічної маси з глиною ПЛГ-С, мас.%:

SiO₂ = ; Al₂O₃ =; Fe₂O₃ = ; TiO₂ = ; CaO = ; MgO = ;

K₂O = ; Na₂O = ; в.п.п=

Таким же чином розраховуємо кількість оксидів, що вводяться в масу кожним сировинним матеріалом. Потім, сумуємо кількість кожного оксиду, що вводиться кожним сировинним матеріалом (сума по стовпчику) і отримуємо хімічний склад керамічної маси до випалу.

Результати розрахунків зводимо в табл. 2.3.

Таблиця 2.3 — Розрахунковий хімічний склад керамічної маси та випаленого черепку, мас.%

Матеріали	Склад масі	SiO2	Al2O3	Fe2O3	TiO2	CaO	MgO	K2O	Na2O	в.п.п
Глина ПЛГ-2	19,33	10,36	6,49	0,20	0,13	0,07	0,11	0,13	0,08	1,76
Глина DBX	6,79	3,59	2,16	0,06	0,09	0,04	0,04	0,16	0,03	0,63
Каолін	19,33	8,94	7,08	0,08	0,12	0,13	0,07	0,16	0,05	2,70
Пісок кварц.	7,32	7,16	0,06	0,05	0,02	-	-	-	-	0,03
Польов. шпат	22,47	16,08	4,12	0,08	0,05	0,19	0,13	0,15	1,6	0,07
Каолін лужн.	24,03	17,33	4,25	0,15	0,02	0,2	0,05	0,96	0,17	1,08
Сода	0,42	-	-	-	-	-	-	-	0,25	0,17
Скло натрієве рідке	0,31	0,10	0,01	-	-	0,01	-	-	0,04	0,17
Всього на непрожарену речовину,%	100,0	63,56	24,16	0,62	0,43	0,45	0,4	1,56	2,22	6,61
Всього на прожарену речовину,%	100,0	68,07	25,87	0,66	0,46	0,48	0,42	1,67	2,37	-

Перерахунок на прожарену речовину здійснюємо шляхом перемноження кількості кожного оксиду, що вміщується в сирій керамічній масі (в не прожареній речовині), на коефіцієнт К:

К = (2.1)

К =

За умовами технологічного процесу, для глазурування санітарних виробів пропонується наступний склад глазурі (табл. 2.5); хімічний склад сировинних матеріалів приведений в табл. 2.6.

Таблиця 2.5 – Матеріальний склад глазурі, мас.%

Найменування сировини і матеріалів	Вміст
Польовий шпат (марки ESF501SG, фірма «Eczacibaşi escan», Туреччина)	34,5
Пісок кварцовий (марки ВС – 050 – 1, ВАТ «Кварц», Малишевське родовище, Україна)	24,8
Каолін (марки КФН – 2, ВАТ «Просянський ГЗК», Просянівське родовище, Україна)	5,0
Крейда хімічно осаджена (Слов'янське родовище)	11,9
Білила цинкові (технічні, марки А, Україна)	1,5
Мікротальк (марки ТМК – 24, Італія)	2,5
Барій вуглекислий (технічний)	2,0
Концентрат цирконовий (Малишевське родовище, Вільногірськ, Дніпропетровська область)	14,0
Доломіт (марки ДК – 19 – 0,05, Боснінське родовище, Північно – Осетинська АР, Росія)	3,8
Всього	100
Понад 100%
Скло натрієве рідке	0,12
Натрій-карбоксиметилцелюлоза (КМЦ)	0,09
Реактив кобальту сірчанокислий 7-водний	0,01

Аналогічно розраховуємо хімічний склад сирої глазурі та глазурного покриття після випалу (табл. 2.7).

Одним з важливіших показників глазурі і керамічної маси є їх температурний коефіцієнт лінійного розширення, ТКЛР 10. Він залежить від структури, фазового складу, температури випалу та значною мірою визначає термостійкість виробів.

Таблиця 2.6 – Хімічний склад компонентів глазурі, мас.%

Материал	SiO2	Al2O3	Fe2O3	TiO2	CaO	MgO	ВаО	ZnO	CoO	ZrO2	K2O	Na2O	впп
Пісок кварцовий	99,50	0,30	0,02	0,02	-	-	-	-	-	-	-	0,06	0,10
Каолін	46,21	36,63	0,41	0,60	0,70	0,39	-	-	-	-	0,85	0,25	13,96
Польовий шпат	71,51	18,32	0,37	0,22	0,90	0,57	-	-	-	-	0,66	7,13	0,32
Крейда	-	1,12	0,04	0,09	53,94	0,19	-	-	-	-	0,39	0,31	43,92
Мікротальк	59,27	0,98	0,25	0,05	3,90	27,6	-	-	-	-	0,19	0,06	7,70
Барій вуглекислий	-	-	-	-	-	-	64,00	-	-	-	-	-	46,00
Концентрат цирконовий	32,54	1,80	0,09	0,30	0,05	0,05	-	-	-	65,17	-	-	-
Доломіт	-	2,31	0,33	-	34,43	13,08	-	-	-		0,25	-	49,60
Білила цинкові	-	-	-	-	-	-	-	100,0	-	-	-	-	-
Скло натрієве рідке	33,20	0,25	-	-	0,20	-	-	-	-	-	-	12,3	54,05
Натрійкарбокси-метилцелюлоза	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	100,0
Реактив кобальту сірчанокислий 7-водний	-	-	-	-	-	-	-	-	28,47	-	-	-	71,53

Таблиця 2.7 - Розрахунковий хімічний склад глазурі та глазурного покриття, мас.%

Матеріали	Склад глазурі	SiO2	Al2O3	Fe2O3	TiO2	CaO	MgO	BaO	ZnO	СоО	ZrO2	K2O	Na2O	Впп
Пісок кварцовий	24,75	24,64	0,07	0,005	0,005	-	-	-	-	-	-	-	0,01	0,02
Каолін	4,99	2,31	1,83	0,02	0,03	0,03	0,02	-	-	-	-	0,04	0,01	0,70
Польовий шпат	34,42	24,61	6,31	0,13	0,08	0,31	0,20	-	-	-	-	0,23	2,45	0,11
Крейда	11,87	-	0,13	0,005	0,01	6,40	0,02	-	-	-	-	0,05	0,04	5,21
Мікротальк	2,49	1,48	0,02	0,006	0,001	0,097	0,69	-	-	-	-	0,005	0,001	0,19
Вуглекислий барій	2,00	-	-	-	-	-	-	1,55	-	-	-	-	-	0,45
Концентрат цирконовий	13,97	4,55	0,25	0,01	0,04	0,007	0,007	-	-	-	9,10	-	-	-
Доломіт	3,79	-	0,09	0,01	-	1,30	0,50	-	-	-	-	0,01	-	1,88
Білила цинкові	1,49	-	-	-	-	-	-	-	1,48	-	-	-	-	0,015
Скло натрієве рідке	0,12	0,04	0,0003	-	-	0,002	-	-	-	-	-	-	0,01	0,06
Натрійкарбокси-метилцелюлоза	0,09	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	0,09
Реактив кобальту сірчанокислий 7-водний	0,01	-	-	-	-	-	-	-	-	0,003	-	-	-	0,007
Разом на не прожарену речовину	100	57,62	8,70	0,19	0,16	8,16	1,43	1,55	1,49	0,003	9,10	0,33	2,53	8,73
Разом на прожарену речовину	100	63,13	9,54	0,21	0,19	8,94	1,56	1,70	1,63	0,003	9,97	0,36	2,77	-

Саме порівняння ТКЛР керамічної маси та глазурі дозволяє прогнозувати їх погодженість, а отже й знизити можливі дефекти при цьому:

● якщо ТКЛР глазурі більше ТКЛР черепка, то в момент охолодження в глазурному покрові, який міцно зв’язаний з черепком контактним шаром, виникають напруги розтягнення. Розриви, що виникають у вигляді сітки крупних чи дрібних тріщин (цек) вказують на те, що напруга, яка виникла, перевищує міцність на розтягнення глазурного шару;

● якщо ТКЛР глазурі менше ТКЛР черепка, то при охолодженні в глазурному покрові виникають напруги стиску, які можуть викликати відшарування покриття. Невеликі ж стискаючі напруги в глазурному шарі чинять зміцнюючу дію на черепок, оскільки здатність склоподібного матеріалу витримувати напруги стиску приблизно у 15 разів більша, ніж здатність витримувати напруги розтягнення. Оптимальною є різниця 5-10%.

Розрахунок ТКЛР () можна виконати за методом Вінкельмана-Шотта, який заснований на адитивній залежності ТКЛР від оксидного складу керамічної маси та глазурі:

=Pi ∙ Xi (2.2)

де Pi – вміст оксидів в масі, мас %;

Xi – емпіричні числові фактори, що характеризують розширення оксидів (довідникові величини – табл. 2.8).

Таблиця 2.8 - Емпіричні числові фактори за Вінкельманом-Шоттом, _і·10⁶ град^-1 [31]

SiO2	Al2O3	Fe2O3, FeO	TiO2	CaO	MgO
0,027	0,167	0,137	0,137	0,167	0,003
BaO	ZnO	ZrO2	Na2O	K2O	В2О3
0,100	0,060	0,083	0,333	0,283	0,003
PbO	P2O5
0,100	0,067

Для керамічної маси, отримуємо:

α=(68,07 · 0,027+ 25,87 · 0,167 + 0,66 · 0,137 + 0,46 · 0,137 + 0,48 · 0,167·+ 0,42 · 0,003 + 1,67 · 0,283 + 2,37 · 0,333)·10^-6= 7,653·10^-6 град^-1

Для глазурі отримуємо:

α=(63,13·0,027+9,54·0,167+0,21·0,137+0,19·0,137+8,94·0,167+1,56·0,003+1,70·0,100+1,63·0,060+9,97·0,083+2,77·0,333+0,36·0,283)·10^-6=7,14·10^-6 =1/град^-1

Розраховуємо різницю:

%

Таким чином, глазур до даної керамічної маси підібрана правильно.

При необхідності (у випадку непогодження з конкретною керамічною масою), ТКЛР можна коректувати зміненням хімічного складу глазурі: наприклад збільшення кількості оксиду натрію буде призводити до підвищення показника, збільшення оксиду алюмінію – до зниження і т.д.