8. Высокотемпературный синтез в технологии тнсм.

Высокотемпературная обработка – важнейший этап технологии силикатных материалов. Называют этот этап по-разному: варка стекла, гипса, обжиг клинкера, извести, керамических изделий. Данный технологический предел отличается тем, что исходное сырьё меняет химический и фазовый состав, переходит в прочное камневидное состояние и приобретает свойства, соответствующие свойствам конечного продукта или полуфабриката. Так как составы сырьевых шихт для стекла, вяжущих и керамики существенно различаются, то и химизм высокотемпературных процессов для них также принципиально различен. Однако и всё многообразие конкретных химических реакций можно свести к нескольким типовым химическим и физико-химическим процессам, протекающим по мере увеличения температуры в определённых температурных интервалах.

8.1. Характеристика высокотемпературных процессов.

Последовательность химических и физико-химических процессов может быть представлена в виде следующего ряда:

ДЕГИДРАТАЦИЯ

ДИССОЦИАЦИЯ

ТВЁРДОФАЗОВЫЙ СИНТЕЗ И ТВЕРДОФАЗОВОЕ СПЕКАНИЕ

ЖИДКОФАЗОВЫЙ СИНТЕЗ И ЖИДКОФАЗОВОЕ СПЕКАНИЕ

РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

ПЛАВЛЕНИЕ

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ РАСПЛАВОВ (ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ)

8.1.1. Дегидратация

Это процесс термического разложения кристаллогидратов и гидроксидов, в результате чего из их структуры удаляется химически связанная вода.

В технологии НСМ процессы дегидратации играют решающую роль при производстве керамических изделий и портландцемента (дегидратация глинистых минералов),

каолинит метакаолинит

а также при производстве строительного гипса (дегидратация гипсового камня):

.

Температура дегидратации определяется природой минерала, т.е. структурой его кристаллической решетки, характером и силой химических связей.

Удаление воды из кристаллических решеток минералов сопровождается их расширением, резким ростом удельной поверхности зерен, ростом дефектности, а, следовательно, повышением химической активности. К процессам дегидратации относится также разложение борной кислоты в стекольной шихте на воду и борный ангидрит при температуре около 200:

2

8.1.2. Диссоциация

Диссоциация в технологии НСМ – это процессы разложения минералов с выделением газообразных продуктов (за исключением паров воды). Примерами диссоциации являются разложение карбонатов сульфатов с выделением соответственно.

Основной химический процесс получения извести и магнезиальных вяжущих заключается в термическом разложении карбонатных пород (известняк, мел), доломита или магнезита с образованием CaO, MgO и выделением .

При получении портландцементного клинкера процесс декарбонизации карбонатных пород в составе сырьевой шихты является одной из самых энергоемких стадий. В керамической технологии диссоциация является одним из элементов подготовительного этапа обжига. В стекольной шихте происходит диссоциация известняка или мела, сульфата натрия, доломита, соды, поташа с выделением большого объёма газообразных веществ (4-на 100 кг шихты). Процесс диссоциации имеет место и при получении высокообжиговых гипсовых вяжущих (эстрих-гипс), когда происходит частичное разложение сульфата кальция с образованиемCaO и .

Все реакции диссоциации – эндотермические и протекают с большими затратами теплоты. Они сопровождаются значительным уменьшением массы вещества (ППП CaC- 44%). Выделение большого объема газов при обжиге гранулированного материала или сформованных изделий может вызывать их растрескивание, что лимитирует скорость подъема температуры при обжиге. Диссоциация карбонатов и сульфатов обуславливает появление свободных нескомпенсированных связей на поверхности частиц, рост реакционной поверхности и химической активности. В большинстве рассматриваемых нами систем диссоциация – важнейший этап подготовки твердофазового синтеза, который и обеспечивает возможность протекания последнего. С дальнейшим увеличением температуры полученные в результате разложения оксиды уплотняются, а их активность заметно снижается.

Температура диссоциации различных соединений колеблется в широких пределах. На её значение помимо природы вещества влияет также размер зерен материала и наличие примесей. Для солей неметаллов II группы температура диссоциации колеблется от 600

(MgC) до 900(), для солей металловI группы она значительно выше – 1200-12200(), до 17500(. Однако наличие в шихте других соединений, дающих с этими солями легкоплавкие эвтектики, приводит к тому, что на практике они диссоциируют при более низкой температуре.