19

Лекция 11

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 [SiO₄]^-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 [А1О₄]^-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 SiO₄ принимают участие тетраэдры АlO₄.

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: О₂^-2, ОН^–, F^–, Сl^-, SO₄^2-, а также вода. Последняя может находиться в составе силикатов в виде конституционной, входящей в кристаллическую решетку в форме ОН^-, кристаллизационной Н₂О 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 K₂Al₂Si₆O₁₆ может быть представлен как KAlSi₃O₈ или К₂ОА1₂О₃6SiO₂.

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: SiO₂, B₂O₃, Al₂O₃, Fe₂O₃ и основные оксиды: Na₂O, K₂O, 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.