Физико-химические основы производства керамического кирпича

Федеральное агентство по образованию РФ

Федеральное государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования 

Ивановский  государственный химико-технологический  университет

Кафедра химической технологии тугоплавких  неметаллических и силикатных материалов 
 
 
 

Расчетно-пояснительная  записка 

к курсовой работе по ТМ и П

на тему: «Физико-химические основы производства керамического кирпича». 
 
 
 
 
 

                                                                           Проектант: студ. гр. 4/12

Макогонюк О.В.

                                                                                  Проверил: Овчинников Н.Л. 
 
 
 
 

Иваново 2008

Аннотация  

      В данной курсовой работе, выполненной на тему: «Физико-химические основы производства керамического кирпича», приведено описание химико-минералогического состава сырьевых компонентов, а также физико-химические основы процессов измельчения, формования, сушки, обжига и спекания.

      Расчетно-пояснительная  записка к работе содержит:

                       страниц – 45

                       рисунков – 15

                       использованных источников литературы – 8   

                       

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание

Введение……………………………………………………………………4

1. Химико–минералогический состав сырьевых материалов ………….6  

2. Физико- химические основы процессов измельчения……………….17

3. Физико–химические основы процесса формования………………….24

4. Физико–химические основы процесса сушки………………………..30

5. Физико–химические основы процесса обжига……………………….34

Заключение………………………………………………………………...44

Список  используемой литературы……………………………………….45 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

   В последние годы все сильнее возрастает потребность, не только, в больших  объемах выпускаемой продукции, но еще и в увеличении ее качества. Чтобы выдержать конкуренцию заводы вынуждены постоянно совершенствовать свои технологии. Их задачей является повышение таких качеств изделия, как: прочность, морозостойкость, износостойкость и др. Кроме того, изделие должно иметь хороший внешний вид без дефектов. Но при всем при этом необходимо обеспечить высокую производительность и, как можно, более низкие затраты на производство и сырьевые материалы.

   Добиться  выполнения всех этих условий стало возможным, в последнее время, благодаря быстрому развитию соответствующей научной базы - теоретическим и экспериментальным исследованиям в области физикохимии силикатов и других тугоплавких неметаллических соединений /5/.

   В частности при изготовлении керамического кирпича учитывается химический и минералогический состав глин, полевых шпатов, кварцевого песка. Стараются подбирать сырье, которое может обеспечить заданный, на производстве, состав керамической массы. Но далеко не всегда, какое-то конкретное месторождение может обеспечить этот состав. Кроме того, некоторые сырьевые материалы приходится завозить издалека, а это дополнительные затраты. Поэтому сырье, с разных месторождений, смешивают в определенных пропорциях, добиваясь, тем самым, нужного состава. Это позволяет компенсировать стоимость дорогого (завозимого издалека) сырья стоимостью дешевого (местного) сырья.

   Помимо  знаний о химическом и минералогическом составе массы необходимо еще  и правильно подобрать технологию, по которой будет изготавливаться керамический кирпич. А для этого, необходимо знать, какие процессы происходят на разных стадиях производства изделия. Если это помол, то необходимо знать, какие нужно вводить добавки, и в какой среде проводить, чтобы его интенсифицировать. Если это сушка, то необходимо подобрать ту сушилку, которая обеспечит наилучший гранулометрический и фракционный состав. При прессовании необходимо добиться, как можно более однородной по плотности структуры сформованного изделия. Сушку спрессованного кирпича производят таким образом, чтобы не произошло никаких деформаций, трещин, вспучиваний. Дефектов можно избежать, зная,  какие химические и физические процессы происходят на разных стадиях обжига. Также эти знания позволяют в значительной степени сокращать время обжига.

   Данная  работа направлена на то, чтобы показать как влияют физико-химические процессы, протекающие при производстве керамического кирпича  на свойства получаемой продукции. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Химико–минералогический состав сырьевых материалов

      Для правильного построения технологического процесса производства и для получения изделий высокого качества к глинистому сырью предъявляют определенные требования. При этом качество глины оценивают по химико-минералогическому составу. Химико-минералогический состав фаз оказывает большое влияние на процессы, протекающие в данном производстве.

      Рассмотрим  основные слагающие глины минералы.

Каолинит  Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈.

     Каолинит, диккит, накрит- Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈. названные минералы представляют собой полиморфные модификации, среди которых наиболее распространенным является каолинит.

Химический состав: Al₂O₃-39.5% ; SiO₂- 46.5%;  H₂O- 14.0%.

Кристаллографическая  характеристика. Сингония моноклинная. Параметры элементарной ячейки каолинита: а₀=5.14; b₀=8.93; с₀=7.37; β=100⁰12'; z =1.

Кристаллическая структура каолинита (рис.1), диккита, и накрита состоит из двухслойных пакетов, содержащих один кремнекислородный тетраэдрический слой состава [Si_2nO_5n]^2n- и один алюмокислородногидроксильный октаэдрический слой состава [Al_2n(OH)_4n]²ⁿ⁺. Оба слоя объединяются в пакет с помощью общих кислородов кремнекислородного слоя. 

                            

                  Рис.1.Идеальное строение листа каолинита.

Агрегаты. Каолинит встречается в скрытокристаллических, а диккит и накрит – микрокристаллических скоплениях.

Физические  свойства. Отдельные чешуйки каолинита бесцветны, сплошные массы белые. Блеск чешуек и пластинок перламутровый, сплошных скоплений - матовый. Спайность весьма совершенная по (001). Твердость 2.5-3. Плотность 2.58 - 2.63 г/см³. Под микроскопом все три минерала наблюдаются в виде гексагональных табличек и чешуек.

        На кривых нагревания наблюдаются: 1. эндотермический эффект при температуре 500-600⁰С; 2. два экзотермических эффекта при температуре 950-1000⁰С и 1200⁰С. Эндотермический эффект при 500-600⁰С возникает в результате потери гидроксильных ионов и амортизации минерала. Первая экзотермическая реакция при 900-1000⁰С вызвана началом кристаллизации муллита, а иногда γ- Al₂O₃ , вторая же – образованием кристобалита. На кривой нагревания диккита эндотермическая реакция фиксируется при более высокой температуре( 600-700⁰С).

      Искусственное  получение. Каолинит, диккит и накрит получены при действии СО₂, НF и других соединений на некоторые алюмосиликаты.

      Образование и месторождения. Каолинит возникает преимущественно экзогенным путем при выветривании разных алюмосиликатов в кислой среде. Он входит в состав глин, мергелей и глинистых сланцев. Процесс образования каолинита может быть изображен в виде такой схемы:

      4K[AlSi₃O₈]+4H₂O+2CO₂=Al₄(OH)₈[Si₄O₁₀]+8SiO₂+2K₂CO₃.

      Диккит и накрит могут возникать в гидротермальных условиях, однако при этом не образуют больших скоплений. При метаморфизме каолинит муллитизируется или превращается в дистен и силлиманит по такой реакции:

      Al₄(OH)₈[Si₄O₁₀]=2Al₂O[SiO₄]+4H₂O+2SiO₂.

Вода, выделяющаяся при этом, играет важную роль в гидротермальных процессах. Среди месторождений каолинита различают первичные и вторичные. Первичные месторождения представляют собой продукт разрушения алюмосиликатных пород, которые остались на месте залегания материнской породы, образуя так называемые первичные каолины. Здесь каолинит находится в ассоциации с кварцем и окислами железа. Первичные каолины, подвергаясь перемыву, отмучиваются. Отмучивание заключается в том, что водой захватываются и переносятся тонкие чешуйки каолинита, которые затем отлагаются в пониженных слоях рельефа. Так возникают месторождения вторичного каолинита, уже свободного от примесей кварца и окислов железа.

Гидрослюды

      Гидрослюды, или иллиты, представляют собой слюдистые минералы, являющиеся переходными между собственно слюдами и глинистыми минералами. В химическом отношении они отличаются от слюд меньшим содержанием щелочи и увеличением количества воды, а также изменением соотношения алюминия и кремния в тетраэдрической координации в определенных пределах. Главные представители группы: иллит (K,H₂O)Al₂[(Al,Si)Si₃O₁₀](OH)₂ и глауконит (K,H₂O)(Fe,Mg,Al)₂[(Al,Si)

Si₃O₁₀](OH)_2. 

     Минералы  этой группы различаются главным  образом по кривым ДТА и рентгеновскому анализу. 
 

Рис.2. Гидрослюда

      Иллит- типичный продукт выветривания и главный минерал многих глинистых осадков. Он микро- и скрытокристаллический, слюдоподобный, размер частиц 200-2000⁰А, т.е. меньше, чем аналогичных кристаллов каолинита, размер которых обычно превышает 5000⁰А.

Формула. (K,H₂O)Al₂[(Al,Si)Si₃O₁₀](OH)₂.

Химический состав иллита: 47-51% SiO₂, 18-26% Al₂O₃, 5-8% Fe₂O₃, 3% MgO, 5-6%K₂O, 7.16% H₂O.

Агрегаты. Мелко – до тонкочешуйчатых агрегаты, коллоидно-дисперсные частицы, под электронным микроскопом с неправильными очертаниями, напоминающими частицы монтмориллонита, редко с хорошо выраженными кристаллическими формами, слагающие главную массу некоторых глин.

Физические  свойства. В мелко- и тонкочешуйчатых агрегатах цвет слегка желтоватый, зеленоватый, белый. Блеск перламутровый. Спайность весьма совершенная по (001), листочки слабо упруги. Твердость 1-2.

Монтмориллонит

  Монтмориллонит - (Al, Mg)₂(OH)₂[Si₄O₁₀]·nH₂0. Содержание воды в этом минерале непостоянно и зависит от упругости водяных паров в окружающей атмосфере. Большая часть воды удаляется при температуре до 200 °С, остаточная вода - при 400-450 °С. Монтмориллонит всегда содержит некоторое количество MgO (от 3 до 10%) и несколько меньшее количество СаО; поэтому иногда формулу монтмориллонита пишут так: (Mg, Са)О·А1₂Оз·4 SiO₂·nН₂О.

  При частичном или полном замещении  глинозема окисью железа получаются железистые разновидности монтмориллонита, известные под названием нонтронитов.

  Сингония  - ромбическая. Кристаллы - псевдогексагональные (ромбические) тончайшие листочки. При больших увеличениях микроскопа распознается сложная структура монтмориллонитовых кристалликов, состоящих из тончайших удлиненных призмочек и волоконец. Обычно монтмориллонит встречается в виде пластинчатых агрегатов и землистых сплошных масс. Цвет - белый с сероватым, иногда синеватым оттенком, розовый, розово-красный, иногда - зеленый. Блеск - в сухом состоянии матовый. Твердость очень небольшая - около 1. Жирный на ощупь. Спайность чешуек - совершенная по (001). Удельный вес - непостоянный (от 1,65 до 2).