Расчеты в технологии керамики, стекла и вяжущих материалов. Учебное пособие
.pdfn(СаO) = |
|
0,79 |
|
|
= 0,0141 |
, |
|||
|
|
|
|
|
|||||
56,0794 |
|
|
|
|
|||||
n(MgO) = |
0,45 |
|
|
= 0,0436 |
, |
||||
40,3114 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|||||
n(К2O) = |
3,12 |
|
|
= 0,0331 |
, |
||||
94,2034 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
n(Na2O) = |
|
1,16 |
|
|
= 0,0187 |
, |
|||
61,9790 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|||||
в) расчет химического состава глины, выраженный в мольных до- |
|||||||||
лях по формуле (1.4): |
|
|
|
|
|
|
|||
x(SiO2 ) = |
0,9407 ×100 |
= 66,13 мол. %. |
|||||||
|
|||||||||
1,4226 |
|
|
|
|
|||||
Аналогично для других оксидов: |
|
|
|||||||
Х(TiO2) = 1,11 мол. %; |
Х(K2O) = 2,33 мол. %; |
||||||||
Х(Al2O3) = 24,67 мол. %; Х(Na2O) = 1,31 мол. %; |
|||||||||
Х(CaO) = 0,99 мол. %; |
Х(Fe2O3) = 0,40 мол. %; |
||||||||
Х(MgO) = 3,06 мол. %. |
|
|
|
|
|
|
|||
Содержание красящего оксида Fe2O3 |
в огнеупорной глине |
||||||||
в пересчете на прокаленное вещество составляет 0,91 %. |
|||||||||
Присутствие данного оксида в глинистом сырье в количестве до 1 % обусловливает почти белый цвет глины после обжига. Однако в присутствии в глинах примеси TiO2 в процессе обжига в результате реакции с оксидами железа образуются следующие красящие соединения:
Fe2O3 + TiO2 = Fe2O3∙TiO2– темно-серый цвет, FeO + TiO2 = FeO∙TiO2 – черный цвет,
FeO + TiO2 = FeO∙Ti2O3 – черный цвет,
2 FeO + TiO2 = 2 FeO∙TiO2– светло-серый цвет.
Темная окраска образующихся соединений обеспечивает окраску глины в серый цвет. Поэтому в сырьевых материалах необходимо ограничивать содержание TiO2.
11
1.3.4. Расчет химического состава керамических масс
Для того чтобы рассчитать химический состав керамической массы необходимо иметь шихтовой состав массы и химический состав каждого компонента в шихте.
Пример решения задачи
Рассчитать химический состав фарфоровой массы, если известен компонентный состав фарфоровой массы и химический состав сырьевых компонентов (табл. 1.4).
Шихтовой состав фарфоровой массы (масс.%): пегматит –50, глина – 12, каолин – 30,
фарфоровый череп – 8, Итого – 100 .
Таблица 1.4
Химический состав сырьевых материалов, %
Ком- |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
K2O |
Na2O |
mпрк. |
сумма |
понент |
|
|
|||||||
Пегма- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тит |
74,96 |
15,40 |
0,36 |
0,80 |
0,11 |
4,30 |
3,76 |
0,28 |
99,97 |
Глина |
54,25 |
32,43 |
1,08 |
0,31 |
0,81 |
2,96 |
0,28 |
8,50 |
100,6 |
Каолин |
45,93 |
33,82 |
0,51 |
1,26 |
0,16 |
- |
- |
13,31 |
94,98 |
Череп |
65,43 |
27,40 |
0,60 |
0,79 |
0,21 |
0,33 |
0,33 |
0,03 |
95,12 |
Решение:
а) приводим химический состав каждого сырьевого компонента к 100 % (формула (1.2)). Полученные результаты представляем в табл. 1.5;
12
Таблица 1.5
Химический состав сырьевых материалов, %,
приведенный к 100 %
Ком- |
|
|
|
|
|
|
|
mпрк. |
Сум- |
понент |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
K2O |
Na2O |
ма |
|
Пегма- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тит |
74,98 |
15,40 |
0,36 |
0,80 |
0,11 |
4,30 |
3,76 |
0,28 |
100 |
Глина |
53,92 |
32,23 |
1,07 |
0,31 |
0,81 |
2,94 |
0,28 |
8,45 |
100 |
Каолин |
48,35 |
35,60 |
0,54 |
1,33 |
0,17 |
- |
- |
14,01 |
100 |
Череп |
68,79 |
28,81 |
0,63 |
0,83 |
0,22 |
0,35 |
0,35 |
0,03 |
100 |
б) расчет химического состава фарфоровой массы в оксидном выражении (масс.%). Содержание каждого оксида в химическом составе фарфоровой массы (или глазури) определяется как произведение содержания данного оксида в каждом сырьевом компоненте на массовую долю данного компонента в шихтовом составе фарфоровой массы (или глазури).
В том случае когда химический состав черепа (или боя изделий) неизвестен, при расчете химического состава фарфоровой массы (или любой другой керамической массы) необходимо исключить его содержание из шихтового состава фарфоровой массы, поскольку по химическому составу он идентичен составу рассчитываемого фарфора.
В этом случае состав шихты пересчитывается без учета содержания боя, и все дальнейшие расчеты проводятся по скорректированному составу шихты керамической массы:
Σm (SiO ) = 74,98 |
|
0,5 +53,92 |
|
0,12 + 48,35 |
|
0,30 + 68,79 |
|
0,08 = |
|||||||
= 63,97 2в.ч. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Σm (Al2O3) =15,40 |
|
0,50 + 32,23 |
|
0,12 + 35,60 |
|
0,30 + 28,81 |
|
0,08 = |
|||||||
= 24,56 в.ч. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Σm (K2O) = 4,30 |
0,5 + 2,94 |
0,12 + 0,35 |
0,08 = 2,53 в.ч. |
|
|
|
|||||||||
Σm (Na2O) = 3,76 |
|
0,5 +0,28 |
0,12 + 0,35 |
0,08 =1,94 в.ч. |
|
|
|
||||||||
13
Σm(CaO) = 0,80 |
|
0,5 + 0,31 0,12 + 1,33 |
|
0,30 + 0,83 |
|
|
0,08 = |
||||||||||||||
= 0,90 в.ч. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Σm(MgO)= 0,11 |
|
0,5 + 0,81 0,12 + 0,17 |
|
0,30 + 0,22 |
|
0,08 = |
|||||||||||||||
= 0,22 в.ч. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Σm (Fe O3) = 0,36 0,50 +1,07 |
0,12 + 0,54 |
0,30 + 0,63 |
0,08 = |
||||||||||||||||||
= 0,522в.ч. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ΣΔmпрк.= 0,28 |
0,50 + 8,45 |
0,12 +14,01 |
0,30 + 0,03 |
0,08 = |
|||||||||||||||||
= 5,36 в.ч. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Тогда полученный химический состав фарфоровой массы |
|||||||||||||||||||||
в оксидном выражении (масс.%) будет следующим: |
|
|
|
||||||||||||||||||
w (SiO2)= 63,97 %; |
|
|
|
w (CaO) = 0,90 %; |
|||||||||||||||||
w (Al2O3) = 24,56 %; |
|
|
w (MgO) = 0,22 %; |
||||||||||||||||||
w (K2O)= 2,53%; |
|
|
|
|
w (Fe2O3) = 0,52 %; |
||||||||||||||||
w (Na2O) = 1,94 %; |
|
|
|
w (∆mпрк.)= 5,36 %; |
|||||||||||||||||
в) пересчет химического состава фарфоровой массы в оксидном выражении в (масс. %) на прокаленное состояние по формуле
(1.5):
w (SiO2) = 67,59 %; |
w (CaO) = 0,95 %; |
w (Al2O3) = 25,95 %; |
w (MgO) = 0,23 %; |
w (K2O) = 2,67 %; |
w (Fe2O3) =0,55 %; |
w (Na2O) = 2,05 %;
г) расчет оксидного химического состава фарфоровой массы (моль) по формуле (1.3); д) расчет химического состава фарфоровой массы в оксидном вы-
ражении (мол.%) по формуле (1.4);
Σvi= 1,131 +0,255 + 0,028 + 0,033 + 0,017 + 0,006 + 0,003= 1,473.
14
1.3.5. Расчет молярной формулы керамической массы и глазури по их химическому составу (по правилу Зегера)
Для того чтобы наглядно показать сложные составы глазурей и керамических масс и быстро установить отношение -ки слотных оксидов к основным, формулы силикатов записываются развернуто в виде оксидов. Так, например, ортоклаз K2Al2Si6O16 имеет формулу K·2O·Al2O3·SiO2; известково-глиноземистый гра-
нат Ca3Al2Si3O12 – формулу 3СaO·Al2О3·3SiO2; лейцит K2Al2Si4O16
формулу K2O·Al2O3·4SiO2. Использование молекулярных формул керамических масс и глазурей облегчает ряд технологических расчетов.
n(SiO 2 ) = |
|
67,59 |
|
= 1,131 ; |
n(SiO2 ) = |
1,31 |
×100 = 76,78 % ; |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
60,0848 |
|
|
|
|
|
|
|
1,473 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
n(Al O ) = |
|
25,95 |
|
|
= 0,255 ; |
n(Al |
O |
|
) = |
|
0,255 |
×100 =17,31% ; |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
2 |
3 |
|
101,9612 |
2 |
|
1,473 |
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
n(Fe2O3 ) = |
|
0,055 |
|
|
|
= 0,003 ; |
n(Fe2O3 ) = |
0,003 |
×100 = 0,21% ; |
||||||||||||||||||||
159,6922 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1,473 |
|
|
|
||||||||||||||||||
n (СаO) = |
0,95 |
|
= 0,017 ; |
n(СаO) = |
0,017 |
×100 =1,15 % ; |
|||||||||||||||||||||||
56,0794 |
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,473 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
n(MgO) = |
|
0,23 |
|
= 0,006 ; |
n(MgO) = |
0,006 |
×100 = 0,41% ; |
||||||||||||||||||||||
40,3114 |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,473 |
|
|
|
|
|||||||||||||||
n(К2O) = |
|
|
2,67 |
|
= 0,028 ; |
n(К2O) = |
0,028 |
×100 =1,90 % ; |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
94,2034 |
|
|
|
|
|
|
|
1,473 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
n(Na2O) = |
|
2,05 |
|
|
= 0,033 ; |
n(Na2O) = |
0,0033 |
×100 = 2,24 % . |
|||||||||||||||||||||
61,9790 |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,473 |
|
|||||||||||||||||||
При составлении формул по Зегеру сумму содержащихся в массе или глазури основных оксидовR2O (K2O, Na2O, Li2O и др.) и RO (CaO, MgO, SrO и др.) приравнивают к единице и вычисляют приходящиеся на 1 моль R2O + RO число молей полуторных оксидов типа R2O3 (Al2O3, Fe2O3, Cr2O3 и др.) и кислотных оксидов
15
RO2 (SiO2, TiO2, B2O3 и др.). Следовательно, каждый силикат должен отвечать формуле: (R2O+RO) m·R2O3·n RO2.
Пример решения задачи
Дан химический состав фарфоровой массы, выраженный в количествах вещества (моль): (см. предыдущий пример):
ν(SiO2) = 1,131 моль; |
ν(Al2O3) = 0,255 моль; |
ν(Fe2O3) = 0,003 моль; |
ν(CaO) = 0,017 моль; |
ν(MgO)= 0,006 моль; |
ν(K2O)= 0,028 моль; ν(Na2O)= 0,033 |
моль. Рассчитать молярную формулу керамической массы.
Решение:
а) по Зегеру приравниваем сумму количеств веществ оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов к единице.
Σν(K2O+Na2O+CaO+MgO) = 0,028 + 0,033 + 0,017 + 0,006 = =0,085 моль;
б) определяем количества веществ оксидов, слагающих химический состав керамической массы, после приведения суммы количеств веществ оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов к единице:
К = |
n i |
, |
ån i |
где, К - количество вещества соответствующего оксида;
Vi - количество вещества данного оксида до приведения к 1;
∑Vi - сумма молей (K2O, Na2O, CaO, MgO).
Например, в случае определения количества вещества оксида калия K2O в приведенном составе:
К(К2О) = 0,028 = 0,329 . 0,085
16
Аналогичные расчеты проводятся по всем остальным оксидам, входящим в химический состав керамической массы.
ν (CaO)= 0,200 моль; ν(SiO2)=13,306 моль; ν(Na2O)= 0,388 моль; ν(Al2O3)= 3,000 моль; ν(MgO)= 0,071 моль; ν(Fe2O3)= 0,035 моль.
1.3.6. Расчет шихтового состава массы при частичной или полной замене одного из сырьевых материалов
В целях импортозамещения возникает необходимость полной или частичной замены одного из компонентов керамической массы другим.
Пример решения задачи:
Дан шихтовой состав керамической массы (масс.%): глина - 30, каолин - 40,6; полевой шпат - 13,7; кварцевый песок - 15,7. Требуется заменить применяемую глину новой, химический состав которой приведен в табл.1.6.
Таблица1.6
Химический состав сырьевых компонентов, %
Компонент |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
TiO2 |
CaO |
MgO |
K2O |
Na2O |
∆mпрк. |
Сумма |
|
Глина |
57,09 |
27,20 |
2,21 |
1,14 |
0,36 |
0,37 |
0,68 |
0,19 |
10,76 |
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Каолин |
55,10 |
32,07 |
0,52 |
0,79 |
- |
0,13 |
0,20 |
0,08 |
11,11 |
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Полевой |
67,51 |
18,71 |
0,16 |
- |
0,28 |
0,32 |
2,96 |
9,67 |
0,53 |
100 |
|
шпат |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кварцевый |
96,36 |
3,05 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
0,59 |
100 |
|
песок |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Новая глина |
50,70 |
32,09 |
1,40 |
- |
1,40 |
- |
- |
- |
14,50 |
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
17
Решение: при расчете исходят из условия, что при замене одного из компонентов сырья другим рациональный состав массы не должен изменяться. Поэтому для обеспечения данного условия необходимо рассчитать рациональный состав новой глины. Поскольку щелочных оксидов в новой глине не обнаружено, полевого шпата в глине нет, главными составляющими минералогического состава новой глины будут каолинит и кварц.
а) определяем количество каолинита в новой глине (расчет ведем по содержанию Al2O3 в химическом составе новой глины):
258 в.ч. каолинита содержат 102 в.ч. Al2O3
xв.ч. каолинита связывают 32,09 в.ч. Al2O3, отсюда:
х = 258×32,09 = 81,17 в.ч. каолинита содержится в
102
минералогическом составе новой глины;
б) определяем количество SiO2, связанного каолинитом, в новой глине:
258 в.ч. каолинита содержат 120 в.ч. SiO2 81,17 в.ч. каолинита связывают х в.ч. SiO2, отсюда:
х = 81,17 ×120 = 37,75 в.ч.SiO2, связанного каолинитом;
258
в) определяем количество свободного кварцаSiO2в новой глине
(%):
50,70 – 37,75 = 12,95;
г) определяем содержание карбонатов в новой глине(расчет вести по содержанию СаО в химическом составе новой, глины предполагая, что карбонаты представлены кальцитом СаСО3):
100 в.ч. кальцита содержат 56 в.ч. СаО xв.ч.кальцита связывают1,40 в.ч. СаО,
отсюда:
х = 1,40×100 = 2,50 в.ч. кальцита содержится в
56
минералогическом составе новой глины;
18
д) рассчитываем рациональный (минералогический) состав новой глины (%):
каолинит |
|
– 81,17 |
кварц свободный |
|
– 12,95 |
известняк |
|
– 2,50 |
железистые примеси |
– 1,40 |
|
Итого: |
|
98,02 |
Выполнив |
пересчет |
состава 100,на получим |
рациональный состав новой глины (%): |
||
каолинит |
|
–82,8 |
кварц свободный |
|
–13,2 |
известняк |
|
– 2,6 |
железистые примеси |
– 1,4 |
|
Для определения рационального состава керамической массы необходимо аналогично вышеприведенному способу рассчитать
рациональный состав отдельных компонентов. |
|
|
|
||||
После |
|
установления |
минералогического |
состава |
|||
отдельных сырьевых компонентов с учетом их содержания в |
|||||||
компонентном |
|
составе |
шихты, необходимо |
определить |
|||
минералогический |
состав |
керамической |
массы. Результаты |
||||
приведенных расчетов сводятся в табл. 1.7. |
|
|
|
||||
Расчет |
компонентного |
|
состава |
новой |
шихты(после |
||
замены первоначальной глины на новую глину) ведется по |
|||||||
содержанию |
каолинита в |
минералогическом |
составе |
.массы |
|||
Вчастности, содержание каолинита, вносимого с глиной,
составляет |
20,60 % |
(табл. 1.7). Отсюда |
|
проводим |
расчет |
|||||||
количества новой глины в составе новой шихты для получения |
||||||||||||
керамической массы неизменного рационального состава; |
|
|||||||||||
|
100 в.ч. новой глины содержат 82,80 в.ч. каолинита |
|
||||||||||
в |
х в.ч. новой глины должны |
внести в |
массу |
20,60 |
в.ч. |
|||||||
x = |
|
, |
|
= 24,88 |
|
|
|
|
|
|
||
каолинита, отсюда: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
, |
|
∙ |
|
|
в.ч. новой глины необходимо ввести |
|||||
|
шихтовой состав массы. |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Корректировка |
содержания |
кварца |
в |
компонентном |
|||||||
составе новой шихты. Новая глина содержит свободный кварц, |
||||||||||||
содержание которого составляет: |
|
|
|
|
|
|||||||
13 ,2 × 0 ,2488 |
= |
|
3,28 в.ч. кварца вносится в массу с новой глиной. |
|||||||||
19
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1.7 |
|
Компонентный и рациональный состав керамической массы |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
Минералогический состав керамической |
||||||
Компонент |
Содержание |
|
|
|
массы, % |
|
|
|
||||
масс., % |
|
Каолинит |
|
Полевой |
|
|
Кварц |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
шпат |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Глина |
|
30,0 |
|
|
20,60 |
|
1,70 |
|
|
7,60 |
|
|
Каолин |
|
40,6 |
|
|
32,00 |
|
0,68 |
|
|
7,10 |
|
|
Полевой |
|
13,7 |
|
|
- |
|
13,6 |
|
|
- |
|
|
шпат |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Кварцевый |
|
15,7 |
|
|
1,21 |
|
- |
|
|
14,50 |
|
|
песок |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Поскольку с ранее применяемой глиной вводилось7,6% |
||||||||||||
свободного |
|
кварца, |
для |
обеспечения |
заданного |
|||||||
минералогического состава массы недостающее число кварца |
||||||||||||
составит: |
|
7,60 - 3,28 = 4,32 % . |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Поскольку |
|
в |
кварцевом |
песке |
содержится93,4% |
|||||||
собственно кварца, в массу необходимо дополнительно ввести |
||||||||||||
песка: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100 в.ч. песка содержат 93,4 в.ч. кварца |
|
|
|
|||||||||
х в.ч. песка вносят 4,32 в.ч. кварца |
|
|
|
|
|
|||||||
х = |
4,32 ×100 |
= 4,63 в.ч. кварцевого песка |
|
необходимо |
||||||||
|
|
|||||||||||
|
|
93,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дополнительно ввести в состав новой шихты.
Отсюда всего в состав новой шихты должно быть введено
15,7 +4,63 = 20,30 % кварцевого песка. |
|
|
|
Корректировка |
содержания |
полевых |
шпатов |
компонентном составе новой шихты. Ранее применяемая глина содержала полевой шпат, и введенное с ней количество полевого шпата составляло: 5,7 × 0,30 = 1,7 в.ч. полевого шпата (см. табл. 1.7).
Аналогичное количество полевого шпата необходимо дополнительно ввести в массу непосредственно с полевым шпатом, поскольку в рациональном составе новой глины его нет.
Тогда общее количество полевого шпата в массе составит:
20