Расчеты в технологии керамики, стекла и вяжущих материалов. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ФГБОУ ВО

“ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ”

С. И. НИФТАЛИЕВ, И. В. КУЗНЕЦОВА, Л. В. ЛЫГИНА, Е. М. ГОРБУНОВА

РАСЧЕТЫ В ТЕХНОЛОГИИ КЕРАМИКИ, СТЕКЛА

И ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ВОРОНЕЖ

2019

УДК 546 (075) ББК Л41/45 я7 Р24

Научный редактор профессор С. И. НИФТАЛИЕВ

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра общей и неорганической химии Воронежского государственного университета;

д-р хим. наук О.Б. РУДАКОВ (Воронежский государственный технический университет)

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Воронежского государственного университета инженерных технологий

Расчеты в технологии керамики, стекла и вяжущих

Р24 материалов [Текст] : учеб. пособие / С.И. Нифталиев, И.В. Кузнецова, Л.В. Лыгина, Е.М. Горбунова; Воронеж. гос. ун-т инж. технол. – Воронеж : ВГУИТ, 2019. – 51 с.

ISBN 978-5-00032-426-4

Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями ФГОС ВО подготовки обучающихся по направлению подготовки бакалавриата 18.03.01 - Химическая технология очной и заочной формы обучения. В учебном пособии содержатся примеры расчетов в химической технологии керамики, стекла и вяжущих материалов. Пособие закрепляет теоретические знания модуля дисциплины цикла Б1.

Лыгина Л.В., Горбунова Е.М., 2019 Ó ФГБОУ ВО «Воронеж. гос.

ун-т инж. технол.», 2019

Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.

От авторов

Модуль «Технология керамики, стекла и вяжущих материалов» входит в состав дисциплины«Химическая технология неорганических веществ», которая является курсом по выбору вариативной части дисциплин блока Б1 рабочего учебного плана направления подготовки бакалавров 18.03.01 - Химическая технология. Теоретический материал химической технологии неорганических веществ изучается студентами в течение четырех семестров и состоит из четырех частей: «Основы химической технологии. Основной неорганический синтез»; «Технология подготовки сырья для неорганических производств»; «Технология керамики, стекла и вяжущих материалов»; «Технология минеральных удобрений. Технология солей и щелочей». Овладение физи- ко-химическими основами технологии керамики, стекла и вяжущих материалов требует от выпускника направления подготовки бакалавриата 18.03.01 определенных практических навыков проведения некоторых химико-технологических расчетов и анализа их результатов, а также исследования поведения технологических масс в определенных физико-химических системах. Учебная нагрузка обучающихся по модулю«Технология керамики, стекла и вяжущих материалов» предполагает контактную работу в форме лекций, лабораторных работ и самостоятельную работу обучающихся, как обязательный вид подготовки выпускников. Для того чтобы организовать систематическое изучение студентами определенных разделов и тем модуля в течение семестра, закрепление и углубление полученных знаний, навыков и компетенций, подготовку к предстоящим занятиям, а также формирование культуры умственного труда и самостоятельности в усвоении новых знаний, необходимо разработать методическое обеспечение модуля с детальной проработкой алгоритма проведения расчетов в технологии керамики, стекла и вяжущих материалов. Изучение физикохимических основ технологии керамических и вяжущих материалов требует от выпускника не только определенных практических навыков проведения химико-технологических расчетов, но и анализа их результатов, а также исследования поведения материалов в определенных физико-химических системах.

3

Глава 1. Расчеты в технологии керамики

1.1. Пересчет количества материала с одной влажности на другую

При составлении керамических масс часто приходится иметь дело с материалами, влажность которых в процессе технологической обработки (увлажнение или обезвоживание) изменяется в широких пределах, например, при распускании глины, сушке ее в том или ином сушиле, переработке шликера на фильтрпрессах. Для определения потребного количества материала в подобных случаях применяют пересчетную формулу:

где mx - масса материала с заданной влажностью, г; W0 - влажность материала до переработки, масс. %; Wx - влажность материала после переработки, масс. %; m0 - исходная масса материала, г.

1.2. Пересчет количества влажного материала на сухое вещество

В керамической технологии для выражения влажности материалов применяют различные характеристики, из которых наиболее распространенными являются: влажность массовая (абсолютная и относительная) и влажность объемная.

Абсолютная влажность Wабс. соответствует количеству воды в материале, отнесенному к массе материала, высушенного до постоянной массы:

Wабс. = mх - m0 ×100 ,

m0

где mx - масса влажного материала, кг;

m0 - масса материала, высушенного до постоянной массы, кг.

4

Относительная влажность Wотн. соответствует количеству воды в материале, отнесенному к массе влажного материала,

Wотн. = mх - m0 ×100 .

mх

В керамической технологии относительную влажность часто называют просто влажностью и обозначаютW.

Под объемной влажностью(Wоб.) понимают количество воды, отнесенное к единице объема материала, в котором она содержится. Между массовой и объемной влажностью существует следующие соотношения:

(100 -Wмас. ) ×rж +Wмас. × rм

Или, если принять для воды ρж=1, будем иметь

На практике все технологические расчеты удобнее и проще производить с материалами, состав которых заранее пересчитан на сухое вещество. Пересчет ведут по следующей формуле:

где m0-масса сухого материала, кг; mx- масса влажного материала, кг.

Примеры решения задач

1. Рассчитать массу керамического материала после -ув лажнения его до 45 % при условии, что начальная масса его была 500 кг и влажность 18 %.

5

Решение: масса керамического материала после его - ув лажнения до 45%

mx= 100 -18 × 500 = 745 ,5 кг. 100 - 45

2. Рассчитать массу керамического порошка влажностью

8 %, полученного обезвоживанием в распылительном сушиле

1000 кг шликера влажностью 54 %.

Решение: масса пресспорошка после обезвоживания керамического шликера

3. Определить массу керамических «коржей» влажностью 22 %, полученных фильтр-прессованием 1000 кг шликера влажностью 50 %.

Решение: масса пластичных «коржей»

(масс.%): глина – 15, каолин – 35, кварц – 25, полевой шпат – 1. Исходные материалы имеют влажность: глина – 18 , каолин – 16 , кварц – 0,5 , полевой шпат – 1. Рассчитать необходимое количество сырьевых материалов и воды для получения 100 кг массы с влажностью 22 %.

Решение: определяем количество влажных сырьевых материалов, необходимое для обеспечения их содержания в сухом состоянии, используя уравнение (1.1).

Например, для глины:

100 - 22

15= 100 -18 × m0 ,

m0 = 14,3 в.ч.

Аналогично определяем количество других сырьевых ма-

6

териалов: каолина просяновского -32,4; полевого шпата - 19,6; кварца - 19,7; воды - 14.

1.3.Способы выражения химического состава исходных сырьевых материалов, керамических масс и глазурей

1.3.1. Приведение химического состава исходного материа-

ла к 100 %

Как правило, состав материала (химический, минералогический и т.д.), полученный в результате химического анализа, отличается от 100 %. Это в значительной мере затрудняет проведение необходимых расчетов. С целью устранения указанного недостатка необходимо проведение пересчета по следующей формуле:

100× mi

x = åm = K × mi , (1.2)

i

где x - содержание отдельных компонентов в составе материала, приведенном к 100 %;

mi - содержание компонента в составе материала, найденное экспериментально, масс. %;

∑ mi - общее содержание составных частей состава материала (валовый состав), масс. %; К - переводной коэффициент;

K = 100 . mi

1.3.2.Выражение химического состава материала в мольных долях

При определении минерального состава керамических масс, глазурей и красок пользоваться химическим составом не всегда удобно. Часто необходимо знать молярные соотношения между оксидными компонентами, входящими в состав вещества.

7

Пересчет химического состава материала с массовых -до лей (%) на мольные (%) осуществляется следующим образом:

а) рассчитывают количества вещества каждого компонента (υi) путем деления процентного содержания компонента (mk) на его молекулярную массу (Mk):

ni = mk ; (1.3)

Mk

б) рассчитывают мольную долю (%) каждого компонента по формуле:

1.3.3. Пересчет химического состава материала на прокаленное вещество

При пересчете химического состава материла на прокаленное вещество учитывают величину потерь массы при прокаливании (mпрк.). В процессе расчета могут встречаться два случая:

-начальный состав материала приведен к 100 %;

-начальный состав материала не приведен к 100 %. В первом случае расчет ведет по формуле:

100 - mпрк.

- определяемое содержание компонента в прокаленном веществе, в.ч. или масс. %;

m0 - содержание материала до прокаливания, в.ч. или масс.%; mпрк.- величина потерь массы при прокаливании, в.ч. или масс.%;

Во втором случае пересчетная формула имеет вид:

где ∑ mi - общее содержание составных частей состава материала, в.ч. или масс. %;

8

Примеры решения задач

1. Привести химический состав каолина, полученный по данным химического анализа (табл.1.1), к 100 %.

Таблица 1.1

Химический состав каолина, %

m (Al2O3 )= 36,93 · 1,039 = 38,37 в.ч., m (TiO2 )= 0,05 · 1,039 = 0,05 в.ч.,

m (Fe2O3) = 0,32 · 1,039 = 0,33 в.ч., m (CaO )= 0,15 · 1,039 = 0,16 в.ч., m (MgO) = 0,04 · 1,039 = 0,04 в.ч, m (K2O )= 0,10 · 1,039 = 0,10 в.ч., m (Na2O )= 0,02 · 1,039 = 0,02 в.ч., m (K2O )= 0,10 · 1,039 = 0,10 в.ч,

mпрк.= 13,06· 1,039 = 13,56 в.ч.

Сумма равна 100 в.ч.

2. Определить молекулярный состав огнеупорной глины по ее химическому составу(табл.1.2). Установить окраску глины по содержанию красящих оксидов в валовом химическом составе глины.

9

Решение:

а) пересчет состава глины на прокаленное вещество ведем по формуле (1.5), т.к. начальный оксидный состав приведен к 100 %:

m(SiO2 ) = 100 × 51.50 = 56.5251 в.ч. 100 - 8.89

Аналогично расчет ведется и для других оксидов. В результате

Сумма весовых частей оксидов в прокаленной глине составляет 100, т.е. переводной коэффициент К = 1, (табл.1.3):

б) расчет химического состава глины, выраженный в количествах веществ (моль) слагающих оксидов (формула (1.3)):

10