4.3.2.3. Химически стойкие изделия на основе керамики

Химически стойкие керамические изделия отличаются способностью противостоять длительному воздействию различных химических агентов в жидкой и газообразной фазе, а также переменным воздействиям нагрева и охлаждения. Такие изделия характеризуются повышенной плотностью черепка, которая обеспечивает высокую механическую прочность и непроницаемость изделий для жидкостей и газов [21].

Основным сырьем для изготовления керамических кислотоупоров служат спекающиеся тугоплавкие и огнеупорные глины. Для фарфоровых масс и для регулирования свойств керамических кислотоупорных масс применяют также каолин.

В качестве добавок, регулирующих реологические свойства масс, используют плавни (полевые шпаты, пегматит, нефелин-сиенит, отходы полевошпатных пород), отощители (шамот, бой кислотоупорных и фарфоровых изделий) и др.

В качестве материалов, повышающих механическую прочность и теплопроводность изделий, применяют глинозем, карборунд, электрокорунд. Повышение термических свойств достигается введением в массу талька, дунита и карборунда.

Большинство керамических химически стойких изделий хорошо противостоит действию неорганических и органических кислот (кроме фтористоводородной и горячей фосфорной) и значительно хуже растворов щелочей.

Керамические химически стойкие изделия по структуре черепка подразделяются на две основные группы:

• с грубозернистым черепком (кислотоупорные кирпичи и плитки, термокислотоупорные плитки и др.);

• с тонкозернистым черепком (кислотоупорные трубы и фасонные части к ним, различная аппаратура и ее детали – сосуды, насосы, сифоны).

Качество керамических кислотоупорных изделий во многом определяется правильной дозировкой исходных компонентов и тщательным их смешением. Приготовленная масса должна быть однородной с равномерным распределением отощающих материалов и плавней между частицами глинистых компонентов, а также должна иметь одинаковую влажность во всех своих частях.

В зависимости от вида и состава шихты, а также метода их формования в производстве кислотоупоров применяют следующие способы приготовления массы: пластический, полусухой и шликерный.

Пластический способ приготовления масс имеет самое широкое распространение. Этот метод применяют при производстве кирпича, плиток и многих видов керамической химической аппаратуры. Способом полусухого прессования изготавливают кислотоупорные кирпичи и плитки. Для изготовления химической аппаратуры повышенной плотности применяют шликерный способ подготовки.

В зависимости от вида химически стойких изделий и способа подготовки массы формование осуществляется следующими способами:

• пластическим формованием на вакуум-прессах без последующей допрессовки или с допрессовкой на механических прессах (кирпичи, плитки, трубы, заготовки для формования химической аппаратуры);

• полусухим прессованием на механических прессах (кирпичи, плитки);

• литьем в гипсовые формы (химическая аппаратура из фарфоровых масс).

Отформованные керамические химически стойкие изделия подвергают сушке в сушилках камерного и туннельного типа, в которых в качестве теплоносителя используются нагретые газы или горячий воздух. Получила широкое распространение радиационная сушка лампами инфракрасного излучения.

Обжигают химически стойкие изделия в основном в печах туннельного типа. Для керамических кислотоупоров температура обжига составляет 1180…1280 ⁰С, для фарфоровых изделий – 1320…1410 ⁰С.

Свойства кислотоупорных керамических изделий приведены в табл. 4.19.

Таблица 4.19

Основные свойства химически стойких изделий

Свойства	Керамические изделия
	с грубозернистым черепком	с тонкозернистым черепком	из твердого фарфора
Водопоглощение, %	2…10	0,2…3,0	0…0,2
Средняя плотность, кг/м3	2000…2170	2100…2250	2300…2400
Предел прочности, МПа: при сжатии при изгибе при растяжении	30…90 10…20 6…10	80…150 25…70 15…25	400…500 - 25…30
Кислотостойкость, %	95…98	97…99,5	99,5…99,7
Термостойкость (количество теплосмен)	2…20	2…30	Более 15
Коэффициент термического расширения, 10-6	2,5…5,5	2,5…6,0	4,0…6,0
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·0С)	0,8…1,16	1,4…2,8	-

Кислотоупорный кирпич изготавливается четырех форм: прямой размером 230×113×65 мм, клиновой (торцовый и ребровый) размером 230×113×65×55 мм, радиальный (поперечный и продольный) и фасонный.

Основным сырьем для изготовления кислотоупорного кирпича служат спекающиеся при 1100…1250 ⁰С тугоплавкие и огнеупорные глины. Обычно такие глины являются средне- или умереннопластичными, поэтому в зависимости от их пластичности, величины воздушной и огневой усадки в массу вводят 20…40 % шамота.

Основными свойствами кирпича являются кислотостойкость (не менее 96…98,5 %), прочность при сжатии (35…60 МПа) и термическая стойкость (5…25 теплосмен).

Применяют кислотоупорный кирпич для футеровки аппаратов больших размеров (башни, резервуары), желобов, газоходов на химических заводах, а также для кладки фундаментов аппаратов, колонок, выкладки решеток в нижней части башен.

Кислотоупорные плитки получают из кислотоупорных масс, в которые вводят шамот размером 2…3 мм. В некоторые массы с целью получения заданной плотности и прочности вводят пирофиллит, пегматит и другие компоненты.

Кислотоупорные плитки производятся шести марок: кислотоупорные фарфоровые – КФ, термокислотоупорные дунитовые – ТКД, термокислотоупорные для гидролизной промышленности – ТКГ, кислотоупорные для строительных конструкций – КС, кислотоупорные шамотные – КШ и термокислотоупорные шамотные – КШ. В табл. 4.20 приведены составы плиточных масс.

Таблица 4.20

Составы масс для изготовления кислотоупорных плиток

Компоненты	Содержание компонентов, %
	для кислотоупорных плиток			для термокислотоупорных плиток
Глина Пирофиллит Пегматит Шамот Тальк Каолин	52…80 - - 20…43 - -	70 - 10 20 - -	50 20 - 30 - -	48 - - 40 12 -	42 - - 40 8 10

По форме плитки бывают: квадратные плоские, квадратные радиальные, прямоугольные, клиновые и спаренные. С одной стороны плитки имеют ребристую поверхность, обеспечивающую лучшее сцепление с футеруемой конструкцией. Размеры плиток меняются в пределах: длина и ширина – 50…200 мм, толщина – 10…50 мм.

Основные свойства плиток различных марок приведены в табл. 4.21.

Таблица 4.21

Технические требования к кислотоупорным плиткам

Основные свойства	Плитки
	кислотоупорные К	термокислото- упорные ТК	для гидролизной промышленности
Кислотостойкость, % не менее, для плиток толщиной, мм: до 10 от 10 до 30 свыше 30	98 97 96	- 97 96	- - 97
Водопоглощение, % не более, для плиток толщиной, мм: до 30 30 35 50	6 7 - -	7 9 - -	- - 6 8
Предел прочности, МПа, не менее: при сжатии при изгибе	30 15	30 15	30 -
Термическая стойкость (количество теплосмен), не менее	2	8	10

Помимо свойств, перечисленных в табл. 4.21, плитки должны иметь правильную форму, четкие грани. Рабочая сторона должна быть гладкая, без впадин, выпуклостей. В изломе плитки должны иметь мелкозернистое строение, без пустот, трещин и посечек.

Кислотоупорные плитки применяют для футеровки аппаратов, работающих без резких температурных перепадов, различных емкостей, а также для покрытия полов, облицовки стен, желобов и др.

Термокислотоупорные плитки применяют для футеровки варочных котлов сульфатцеллюлозной и гидролизной промышленности и некоторых других аппаратов, работающих при переменном температурном режиме.

Изделия для химической аппаратуры в зависимости от вида и назначения изготавливают из тонкозернистых шамотированных масс с добавкой плавней для повышения их плотности, прочности и кислотоустойчивости.

В зависимости от размеров и формы изделия формуют следующими способами:

1) пластическим формованием на вакуум-прессах;

2) формованием в гипсовых формах;

3) формованием в вакуум-прессах с доформовкой в гипсовых формах или обточкой на токарных станках;

4) литьем в гипсовые формы.

Изделия химической аппаратуры по конструкции и условиям эксплуатации подразделяются на два типа:

- аппараты без движущихся частей (различные емкости, башни, теплообменники и др.);

- аппараты с движущимися частями (реакционные аппараты с мешалками, насосы, эксгаустеры и др.).

К аппаратам без движущихся частей относятся аппараты открытого и закрытого типа, аппараты, работающие под давлением или вакуумом, теплообменная аппаратура, трубы и арматура. К аппаратам открытого типа относятся различные сосуды, котлы, ванны и др. (рис. 4.2).

Сосуды цилиндрические и конические применяют для хранения агрессивных жидкостей. Их изготавливают различных емкостей – от 5 до 200 л. Ванны керамические применяют для отстоя, кристаллизации, приготовления растворов в различных химических и других производствах. Для выпаривания, концентрирования растворов и кристаллизации солей изготовляют выпарные чаши и котлы различных форм и размеров (см. рис. 4.2). Такие чаши и котлы большей частью изготовляют из фарфора. Они получили широкое применение в производстве химико-фармацевтических препаратов, чистых реактивов и в пищевой промышленности. Чаши фарфоровые выпускают емкостью от 10 до 150 л, котлы – от 15 до 150 л, керамические котлы – от 25 до 600 л.

Аппаратами закрытого типа (рис. 4.3) являются баллоны и сосуды для хранения и транспортирования кислот [21].

Для процессов, в которых необходимо обеспечить тесный контакт между агрессивными газом и жидкостью (сушка и очистка газов, адсорбция, концентрация и др.), используют керамические башни. Такие башни являются основными аппаратами, применяемыми при конденсации соляной и органических кислот (уксусная, муравьиная и др.), а также для осушки хлора и сернистого газа.

В качестве теплообменных керамических аппаратов наибольшее применение получили змеевики-холодильники. Их используют для конденсации агрессивных паров и газов, охлаждения, подогрева и других целей.

Для химических процессов, требующих смешения компонентов применяют реакционные аппараты с мешалками. Реакционный аппарат представляет сосуд с крышкой. Через отверстие в крышке проходит керамический вал с лопастями. Для подогрева и охлаждения корпус аппарата помещают в стальную рубашку, в которой имеется змеевик. Выгрузка продуктов из аппарата осуществляется с помощью сифона либо через специальный штуцер в дне.

Для перекачивания растворов кислот (кроме плавиковой и фосфорной) с температурой до 80 ⁰С, а также холодных растворов щелочей применяют различные типы насосов. Рабочие элементы насосов изготавливают из керамической массы, содержащей корунд, или из твердого фарфора; корпус – из спекшейся керамической массы или твердого фарфора. Все остальные детали изготовляют из стали и чугуна, покрытые кислотостойкой эмалевой краской.

Для отсасывания и транспортирования агрессивных паров и газов изготавливают керамические эксгаустеры, которые в зависимости от расположения всасывающего и выхлопного патрубков, направления паров и газов подразделяют на угловые и горизонтальные аппараты.

Для транспортирования агрессивных жидкостей и газов применяют керамические трубопроводы, монтируемые из кислотоупорных труб, которые по способу их соединения изготовляют двух типов: раструбные и с коническими фланцами. Наибольшее распространение при изготовлении трубопроводов имеют трубы с коническими фланцами, которые соединяют с помощью металлических хомутов, обеспечивающих герметичность стыка. Такие трубопроводы используют при работе под некоторым давлением или вакуумом. В трубопроводах, работающих без давления или вакуума, используют раструбные трубы, которые стыкуют, уплотняя места соединения конца ствола одной трубы в раструбе второй асбестовым шнуром с битумом, гудроном или замазками.

Кислотоупорные трубы обоих типов производят диаметром от 25 до 300 мм и длиной 300, 500, 700 и 1000 мм. Помимо прямых труб выпускают фасонные части, позволяющие менять направление трубопровода, а также регулировать количество транспортируемых жидкостей и газов.

Для регулирования и отключения подачи жидкостей или газов в трубопроводах и аппаратах применяют керамические спускные, проходные и трехходовые краны диаметром от 10 до 150 мм.

Независимо от вида продукции завершающей стадией производства изделий химической аппаратуры является механическая обработка. От качества механической обработки зависят точность сочленения и герметичность соединений отдельных деталей, а также точность монтажа аппаратов и коммуникационных линий. Основными видами механической обработки изделий являются:

- шлифование;

- обточка;

- притирка.

Трубы и фасонные части к ним, детали запорной арматуры и другие изделия подвергают шлифованию. Обточкой обрабатывают некоторые детали насосов, эксгаустеров и других изделий со сложной конфигурацией, а притиркой – детали кранов, вентилей и др.

Процесс механической обработки керамической и фарфоровой аппаратуры, которая характеризуется высокой твердостью, абразивностью и хрупкостью, является весьма сложным и трудным процессом, требующим применения соответствующего оборудования, инструментов, абразивных материалов.

Механическую обработку изделий керамической и фарфоровой аппаратуры осуществляют на различных типах шлифовальных и токарных станков, которые используются для обработки металлов. Режущим инструментом в таких станках служат шлифовальные круги и резцы из твердых сплавов.

Кроме того, применяется ультразвуковой способ обработки керамических деталей. Он используется для обработки глухих и сплошных отверстий различной конфигурации (шпоночных и шлицевых пазов, узких щелей, квадратов, срезов и др.). Ультразвуковой обработкой можно получить 8…10 класс чистоты поверхности и высокую точность (до 0,01 мм).