Общая химическая технология. В 2-х частях. Ч. II. Важнейшие химические производства. Изд. 3-е, перераб. и доп. - Мухленов И.П.
Скачать (прямая ссылка):
2. типовые процессы технологии силикатов
В технологии различных силикатных материалов имеется много общего, поскольку физико-химические основы большинства силикатных производств сходны. Технологические схемы производства различных силикатов (керамических изделий, огнеупоров, вяжущих веществ), как правило, складываются из однотипных процессов и операций. К ним относятся чисто механические операции: дробление, размол, смешение твердых материалов при подготовке сырьевой смеси и физико-химические процессы, происходящие при высокотемпературной обработке шихты, с образованием тех или иных минералов или их смесей. Подготовка сырьевой смеси в производстве силикатов должна обеспечить высокую интенсивность последующих высокотемпературных процессов обжига, спекания или плавления с получением материалов или изделий с заданными составом и свойствами. Для этого производятся тонкое измельчение твердых сырьевых материалов, точный расчет и дозировка их, тщательное перемешивание шихты, ее увлажнение и брикетирование или формование и сушка отформованных изделий, способствующая сохранению однородности шихты, а также формы изделия при обжиге (производство керамики).
Центральной стадией производства всех силикатов является высокотемпературная обработка шихты, при которой происходит синтез минералов и образование стекла (или стекловидной фазы в спекшемся материале). Поэтому для технологии силикатов особо важное значение имеет исследование физико-химических основ процессов, протекающих при нагревании силикатной шихты. В технологии силикатов в качестве кислотных, окислов наиболее часто применяются SiO2, Al2O3, B2O3, Fe2O3, а в качестве основных окислов — Na2O, K2O, CaO, MgO и др. При нагревании силикатной шихты, включающей эти окислы (в виде карбонатов, алюмосиликатов, гидроокисей), последовательно происходят следующие элементарные процессы: удаление влаги физической и гидратной, кальцинация (удаление конституционной воды и CO2), разрыхление кристаллических решеток, их перестройка вследствие полиморфных
превращений, диффузия реагентов, образование твердых растворов, спекание, плавление, кристаллизация из расплавов, возгонка и, наконец, образование эвтектик и новых химических соединений, сопровождающее многие из этих процессов.
Реакции в твердой фазе. Одним из этапов минералообразования при нагревании шихты являются процессы, протекающие в твердой фазе. Процессы получения многих керамических изделий, а также цементов происходят за счет взаимодействия между твердыми веществами при температурах ниже температуры появления заметных количеств расплава. При нагревании шихты в твердой фазе происходит изменение кристаллических решеток, образование твердых растворов, диффузия и химические реакции. При отсутствии жидкой или газовой фазы диффузия реагентов и химические реакции идут с очень малыми скоростями. Фактически в промышленных условиях реакции в кристаллических смесях происходят при участии жидких и газовых фаз, образовавшихся в небольших количествах в результате диссоциации, возгонки и плавления кристаллов. Плавление часто происходит благодаря присутствию в твердой смеси добавки или примеси плавня (минерализатора), образующего легкоплавкие эвтектики с компонентами смеси. При дальнейшем нагревании смеси твердых веществ появляются заметные количества жидкой фазы, в результате чего скорости диффузии и химических реакций возрастают. Окончательное формирование минералов заданного состава заканчивается при спекании или расплавлении нагреваемой смеси и охлаждении расплава.
Спекание — важнейший процесс, происходящий при нагревании смеси твердых веществ. В технологии силикатов оно служит завершающим этапом обжига керамики, огнеупоров и цемента; в результате спекания окончательно формируется прочный керамический черепок или минералы цементного клинкера.
Различают спекание в твердой фазе и жидкостное спекание с участием жидкой фазы. Сущность спекания в твердой фазе заключается в заполнении свободного пространства внутри зерен (пор) и между зернами веществом. Заполнение происходит в результате повышенной подвижности частиц в кристаллической решетке при высоких температурах. Одновременно происходит рекристаллизация зерен, т. е. рост одних кристаллов за счет других. Скорость твердофазного спекания зависит от величины зерен и степени совершенства кристаллической решетки и увеличивается с повышением степени измельчения и дефектности кристаллов. Спекание с участием жидкой фазы, наиболее характерное для промышленной практики, является диффузионным процессом и зависит от количества и свойств расплава, заполняющего пространство между зернами. Скорость спекания возрастает с уменьшением вязкости расплава и увеличением его смачивающей способности. При спекании в результате появления жидких фаз и взаимодействий между компонентами спека или расплава образуются новые химические соединения.
При охлаждении спекшихся материалов могут образоваться Режние или новые кристаллические решетки. Охлаждение распла-
bob в определенных условиях дает не кристаллическое, а аморфное вещество — стекло. Для многих готовых силикатных материалов или изделий характерно присутствие в них стеклообразной фазы.
