Технология керамики. Курс лекций. Учебное пособие

УДК 546 (075)

ББК Г 1 я7

Н69

Научный редактор профессор С. И. НИФТАЛИЕВ

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра физики и химии Воронежского государственного архитектурно-строительного

университета;

д-р хим. наук В. В. КОТОВ (Воронежский государственный аграрный университет)

Нифталиев, С.И.

Технология керамики. Курс лекций [Текст] : учеб. пособие / Н69 С. И. Нифталиев, И. В. Кузнецова; Воронеж. гос. ун-т инж. технол.

– Воронеж : ВГУИТ, 2014. –52 с. ISBN 978-5-00032-046-4

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС ВПО подготовки выпускников по направлению 240100.62 – «Химическая технология». Оно предназначено для закрепления теоретических знаний дисциплины «Технология керамики» цикла Б3. В пособии представлен теоретический материал по основам технологии производства керамических изделий.

ББК Г 1 я7

ISBN 978-5-00032-046-4

© Нифталиев С.И., Кузнецова И.В., 2014

© ФГБОУ ВПО «Воронеж. гос. ун-т инж. технол.», 2014

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

2

ОТ АВТОРОВ

Цель изучения дисциплины «Технология керамики» - получение знаний о путях, способах моделирования оксидных и неметаллических материалов для улучшения характеристик используемых материалов и решения задач создания новой керамики с необходимыми функциональными свойствами, а также прогнозирование свойств материалов по исходным данным используемого сырья.

Изучение дисциплины направлено на формирование следующих компетенций:

(ПК-2) - способности использовать знания о современной физической картине мира, пространственно-временных закономерностях, строении вещества для понимания окружающего мира и явлений природы;

(ПК-3) - способности использовать знания о строении вещества, природе химической связи в различных классах химических соединений для понимания свойств материалов и механизма химических процессов, протекающих в окружающем мире;

(ПК-7) - способности осуществлять технологический процесс в соответствии с регламентом и использовать технические средства для измерения основных параметров технологического процесса, свойств сырья и продукции.

3

Глава 1.

КЛАССИФИКАЦИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ. СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМИКИ

Производство керамики насчитывает многие тысячи лет. Уникальные свойства глины – пластичность и плохая водопронецаемость - известны уже на заре существования человечества. Однако обжиг, придавший глиняной массе камневидность, водо - и огнеустойчивость, стали применять лишь около 5 тысячелетия до н. э. С тех пор керамические изделия используют во всех областях жизни – в быту (утварь, художественные изделия), строительстве (кирпич, черепица, плитки), металлургии (всевозможные виды огнеупоров) и других областях техники (электротехника, радиотехника, электроника, машиностроение, химия, авиация, атомная энергетика).

1.1. Классификация керамических изделий

Керамику принято подразделять, независимо от ее химического и фазового состава, по характеру структуры на два больших класса: грубую и тонкую, а по областям применения – на строительную, хозяйственно-бытовую, техническую, огнеупоры.

Строительная керамика включает производство как грубозернистых (кирпич, черепица, канализационные и дренажные трубы), так и тонкозернистых (глазурованные плитки, плитки для полов) изделий. Изготовление строительной керамики – это многотонажное производство, в котором используют исключительно природное сырье – глину, кварцевый песок, а в последнее время также шлаки, золу и другие отходы промышленности.

Хозяйственно-бытовая керамика включает разнообразные фарфоровые, фаянсовые, майоликовые, гончарные, тонкокерамические изделия. Для производства большинства из них характерно применение природных материалов – глины, каолинов, кварца, полевого шпата.

Техническая керамика – это изделия электротехнического назначения (изоляторы), электронной техники (конденсаторы, ва- куум-плотная керамика для различных узлов), конструкционного назначения (детали для эксплуатации в условиях воздействия высоких механических нагрузок, температуры, агрессивных сред).

4

К технической также относят пьезо - и ферромагнитную керамику, оптически прозрачную керамику, твердые керамические электролиты, проводящую и сверхпроводящую керамику, вязкую керамику, биокерамику и др.

Огнеупоры, выделяемые в некоторых странах в отдельный класс, по технологии, оборудованию, структуре практически являются также керамическими изделиями, предназначенными для использования при высоких температурах преимущественно в тепловых агрегатах. Поскольку условия их эксплуатации различны (температура, газовые среды, механические нагрузки), их состав отличается большим разнообразием.

1.2. Сырье для производства керамики

Сырье для производства керамики условно подразделяют на основное и вспомогательное. Основное преобладает по содержанию и определяет технологические свойства перерабатываемой массы, внешний вид и технические данные готового изделия. Вспомогательное регулирует отдельные свойства исходных масс. Например, глина является основным компонентом в производстве строительного кирпича, в то же время глину используют как добавку (в качестве вспомогательного сырья) в производстве карбидокремниевых огнеупоров.

По происхождению сырье для производства керамики можно разделить на три группы: природное, искусственное и техногенное.

1.2.1. Природное сырье

Глина - тонкодисперсная осадочная горная порода, состоящая в основном из гидроалюмосиликатных минералов и способная при замачивании водой образовывать легко деформируемую пластичную массу, которая при высыхании сохраняет приданную ей форму, а после обжига приобретает камнеподобное состояние. Среди глинистых минералов наиболее распространены каолинит (Al2O3 ∙2SiO2 ∙2H2O), галлуазит (Al2O3 ∙2SiO2 ∙ 4H2O),

гидрослюды, хлорит (Mg6-x-y Fe2+y AlxSi4-xO10 (OH)8), монтмориллонит. Кристалличность минералов глин колеблется от совершен-

5

ных кристаллов до структурно неупорядоченных фаз, вплоть до аморфных (аллофан).

Кристаллическая решетка каолинита (Al2O3 ∙2SiO2 ∙2H2O) характеризуется относительно плотным строением с наименьшим расстоянием между закономерно повторяющимися группами ионов (пакетами, плоскостями) и неподвижна. Поэтому каолинит не способен присоединять и прочно удерживать большое количество воды. При сушке он сравнительно свободно отдает присоединенную воду. Размеры частиц каолинита от 1 до 3 мк.

В состав монтмориллонита кроме Al2O3 , SiO2 , H2O входят также MgO, Fe2O3, Na2O. Кристаллическая решетка монтмориллонита имеет слоистое строение, отдельные слои в ней могут раздвигаться под воздействием вклинивающихся молекул воды. В связи с этим монтмориллонит способен интенсивно поглощать довольно большое количество воды и трудно отдавать при сушке.

Иллит (гидрослюда) является продуктом многолетней гидратации слюды, в состав входят Al2O3 , SiO2 , H2O, а также MgО и К2О. Кристаллическая решетка у этого минерала не разбухающая. По интенсивности связи с водой он занимает среднее положение между каолинитом и монтмориллонитом.

Примеси в глинах могут быть тонкодисперсными и в виде грубых включений (зерно крупнее 2 мм). В качестве примесей присутствуют кварц, полевые шпаты, карбонаты кальция и магния, железистые минералы, гипс, растворимые – сульфаты и хлориды, органические вещества.

Кварц – входит в состав в количестве от нескольких процентов до 60 % и более. По количеству свободного кварца глинистое сырье делят на группы: с низким (до 10 %), средним (10-25 %) и высоким (свыше 25 %) содержанием. Кварцевые примеси уменьшают пластичность и связующую способность глин, ухудшая тем самым формовочные свойства. При 1200 оС и выше кварц, растворяясь в силикатных расплавах, повышает их вязкость, тугоплавкость, снижает термическое расширение.

Полевошпатовые материалы содержатся в глинах сравнительно редко, ведут себя как отощители при сушке, способствуют спекаемости глин, снижая температуру обжига и повышая плотность и прочность изделий.

6

Растворимые соли (сульфаты, хлориды, карбонаты натрия, кальция, калия и магния – до 3 %), мигрируя при сушке изделия на его поверхность, после обжига образуют выцветы – белесые трудно удаляемые неравномерные разводы и пятна, ухудшающие не только внешний вид изделия, но и сцепление поверхности со строительными растворами. Соединения натрия и калия являются плавнями, снижающими огнеупорность и температуру спекания глины.

Органические вещества присутствуют в виде гумусовых соединений, торфа, обугленной древесины и придают им окраску от серого до черного цвета. При обжиге выгорают, незначительно повышая пористость изделий, а при быстром подъеме температуры способствуют образованию прыщей и наколов в глазури, а также вспучиванию, что благоприятно только при производстве керамзита.

Зерновой состав глины наряду с минеральным и химическим является одной из важных характеристик. По дисперсности глинистого сырья ориентировочно оценивают его водозатворение, пластичность, связность, спекаемость. Чем больше частиц менее 1 мкм содержится в глинистом сырье, тем оно пластичнее, обладает большим затворением, связностью и лучше спекается. Глину, содержащую свыше 85 % частиц менее 10 мкм, в том числе свыше 60 % частиц менее 1 мкм, считают высокодисперсной. К грубодисперсной относят глину, имеющую указанные фракции ме-

нее 30 и 15 %.

Таким образом, минеральный, химический, зерновой состав, определяющий свойства глины, играет главную роль при ее выборе для конкретного производства (табл. 1).

Таблица 1

Химический состав лианозовской глины (иллит, монтмориллонит, каолинит), % мас.

7

Кремнеземное сырье

Основными разновидностями природного кремнеземного сырья являются кварцит, кварц жильный, кварцевый песок, диатомит, трепел, маршаллит. Кремнезем является самым распространенным веществом в природе. Он служит скелетообразующим компонентом в структурах силикатных расплавов и стекол, образующихся при обжиге керамических изделий. При использовании кремнеземного сырья особенности производства связывают, прежде всего, с полиморфными превращениями кремнезема.

Кварцевый песок — основной компонент стекольной шихты и известково-кремнеземистых вяжущих, как добавка вводится в керамические массы и в цементные сырьевые смеси. Это продукт разрушения горных пород, состоящих в основном из зерен кварца, отличающийся высоким содержанием SiO2, малым количеством примесей и мелкозернистостью. Примесями в песках часто являются Fe2O3, CaO, MgO и другие. Предельное содержание красящих примесей в песке определяется видом изделий. Песок состоит из зерен размером 0,1—2 мм.

Кварциты используются в керамических массах, для изготовления огнеупоров, фарфора и фаянса. Это плотные горные породы, сложенные преимущественно из округлых зерен кварца, сросшихся между собой (кристаллические кварциты) или сцементированных аморфной кремнекислотой (цементные кварциты). Высокая плотность породы уменьшает в ней количество примесей. Диатомит, трепел применяются как активные минеральные добавки к цементу и извести. Это осадочные горные породы, сложенные в основном опалом, представляющим собой водную аморфную кремнекислоту. Содержание SiO2 в среднем 70-85 %,

но может достигать 98 %; А12О3 — 5-13 %, СаО — 2-6 %, MgO —

до 3 %, содержание оксида железа колеблется от долей процента до 5-10 %, содержание воды — 3-13 %. Эти породы, как правило, рыхлые, обладают малой плотностью и высокой пористостью. Они состоят либо из органических остатков (диатомит), либо из глобул неорганического происхождения (трепел, опока). Диато-

8

мит на 70-98 % состоит из опала, в трепеле наряду с опалом присутствует халцедон, а опока представляет собой продукт перекристаллизации диатомита и трепела и отличается повышенной плотностью.

Полевошпатовое сырье

Земная кора более чем наполовину состоит из полевошпатных пород, однако месторождения (Карелия и Кольский полуостров) для промышленной разработки из-за присутствия нежелательных примесей очень малочисленны и в значительной степени исчерпаны. Полевые шпаты – калиевый (К2О ∙ Al2O3 ∙6SiO2), натриевый (Na2О ∙ Al2O3 ∙6SiO2 ), кальциевый (СаО ∙ Al2O3 ∙2SiO2 ) в виде чистых минералов встречаются редко. Для фарфорового производства наилучшим сырьем являются калиево-натриевые шпаты (отношение К2О : Na2О не менее 2), т. к. они наряду с невысокой температурой плавления характеризуются широким интервалом размягчения. Натриево-кальциевые полевые шпаты малопригодны из-за короткого интервала и высокой температуры плавления. Кальциевый полевой шпат в расплавленном состоянии обладает большей вязкостью, чем натриевый, что снижает деформируемость керамических изделий при обжиге.

Карбонаты кальция, магния, стронция и бария

В производстве керамики широко применяются карбонатные породы – мел, мрамор, известняк, доломит, магнезит – в качестве плавней в плиточных массах и составе глазурей, а также в составе огнеупоров. Известняки – осадочные горные породы белого или светло-серого цвета, состоящие в основном из кальцита (СаСО3) и некоторых примесей (доломит, кварц, глинистые минералы, оксиды и другие соединения железа, марганца; гипс, фосфаты, органические вещества). Стронцианит (SrСО3) образует удлиненные кристаллы, плавится при 1497 оС. Используется в производстве глазурей, титаната стронция. В природе встречается

9

редко в жилах вместе с кальцитом и баритом в осадочных породах (Карелия, Крым, Урал).Другие природные материалы

Тальк (3MgO ∙ 4SiO2 ∙ H2O) – минерал, в котором часть ионов может быть изоморфно замещена Fe2+, Fe3+, Mn2+, Ni2+, Cr3+.

При нагревании тальк легко отдает конституционную воду при 900-1100 оС и переходит в метасиликат магния с выделением избытка кремнезема. Умеренные добавки талька в керамические массы для облицовочных плиток, электроизоляционного фарфора, технической и бытовой посуды способствуют повышению термостойкости изделий. Пирофиллит (Al2O3∙ 4SiO2 ∙ H2O) структурно подобен тальку. "Пирос" - по-гречески - огонь, "филлон" - лист. Название дано вследствие способности этого минерала расщепляться на тонкие листочки перед паяльной трубкой при прокаливании. Выделение конституционной воды происходит при 600-700 оС. Пирофиллит используется в производстве высокоогнеупорных керамических изделий. Волластонит (CaSiO3) добавляют в состав фарфоровых масс для производства столовой посуды, художественных изделий. Главная технологическая ценность состоит в его способности уменьшать влажностное расширение фаянсовых масс после обжига. Кроме того, добавка волластонита уменьшает усадку при спекании и увеличивает прочность изделий, что связывают с реакцией:

Al2O3∙ 2SiO2 + CaO ∙ 2SiO2→ CaO ∙ Al2O3 ∙2SiO2 + SiO2.

1.2.2. Искусственное сырье

Оксиды металлов

Оксид алюминия, выпускаемый промышленностью в виде технического глинозема и электрокорунда – основное сырье для производства корундовой и высокоглиноземистой керамики. Оксид алюминия имеет три основных кристаллических модификации. В природе встречается только α-форма в виде минералов корунда, рубина, сапфира. При термической обработке гидроксидов алюминия образуется γ-форма. При 1100 -1200 оС γ- Al2O3 начи-

10