Перспективы развития производства силикатных материалов



Силикатные материалы и изделия из них по объему производства и потребления в народном хозяйстве занимают первое место среди традиционных твердофазных материалов. В значительной степени это объясняется меньшей энергоемкостью и, следовательно, большей экономичностью их производства по сравнению с металлами и полимерными материалами, простотой и неограниченностью сырьевой базы. Так, если на производство стали затрачивается около 9·1011 кДж/м3, то на производство цемента всего 3· 1010 кДж/м3, то есть в тридцать раз меньше.

Поэтому развитие и совершенствование всех отраслей промышленности силикатных материалов имеет первостепенное значение.

Анализ прогнозируемых потребностей позволяет выделить следующие направления развития производства строительных конструкционных и специальных материалов.

1. Количественное увеличение масштабов производства и организация массового выпуска таких, относительно новых материалов и изделий, как асбоцементные детали, ячеистый бетон, быстротвердеющий, напрягающий и декоративный сорта цемента, жаропрочное стекло и др.

2. Разработка и внедрение новых энергосберегающих технологий, например, производство цемента сухим способом, высокотемпературная плавка стекломассы, двух стадийное формование стеклянной ленты, получение порошков для керамических изделий из твердых растворов и т. д.

3. Создание новых материалов, отвечающих потребностям таких отраслей промышленности как радиоэлектроника, авиационная, ракетная и космическая техника, атомная энергетика, химическое производство высокоактивных веществ, например, фтора, концентрированной перекиси водорода и подобных соединений.

В этом направлении ведущая роль принадлежит керамике и композиционным материалам (композитам) на основе керамических матриц. Перспективность керамики, как материала будущего, объясняется не только отмеченными выше доступностью сырья и низкими затратами на производства, но, также, ее многофункциональностью, безопасностью в эксплуатации и экологическими преимуществами производства.

В применении керамических материалов перспективными являются:

-разработка пластичной керамики на основе чистых тугоплавких оксидов металлов; для создания бронепокрытий, защитных покрытий ракет и других летательных аппаратов, которые обеспечивают защиту от коррозии в экстремальных условиях и от радиолокационного обнаружения;

- использование графитопластов в химической промышленности для изготовления теплообменной и иной аппаратуры, работающей в агрессивных средах;

- применение корундовой керамики с высокой, по сравнению с другими видами, теплопроводностью в ядерной технике;

- создание специальных видов керамики, таких как материалы на основе ферритов, используемых в технике высоких энергий, пьезо-керамические изделия для радиотехники, акустики и вычислительной техники, керамические твердые электролиты с различной проводимостью.

Создание композиционных материалов или композитов – важнейшее направление в разработке новых силикатных материалов. Композитами (от латинского compositio – сочетание) называются материалы, образованные в результате объемного сочетания химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. В результате этого, в композитах появляются свойства, которыми не обладает ни один из входящих в композит компонентов. Это позволяет получать материалы, сочетающие лучшие свойства составляющих их фаз: прочность, пластичность, износостойкость, малая плотность и т.п.

Композиты состоят из пластичной основы – матрицы, служащей связующим материалом, и различных компонентов в таком виде, который может обеспечить их совмещение с матрицей и последующее формование изделия.

По материалу матрицы композиты делятся на три группы: металлические, керамические и органические. Композиционные материалы с керамической матрицей (керметы) синтезируют методом порошковой металлургии на основе тугоплавких оксидов, боридов, карбидов и нитридов различных элементов и содержат такие тугоплавкие металлы как хром, молибден, вольфрам, тантал.

Керметы представляют собой гетерофазные композиции и обладают высокой износостойкостью, механической прочностью и термостойкостью. Введение в керметы армирующих волокон из прочных тугоплавких материалов повышает их механическую прочность.

Сочетание в керметах различных, часто противоположных, качеств обусловило использование их в качестве конструкционных материалов для ракетных двигателей, тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) и регулирующих стержней ядерных реакторов, деталей насосов и сопел аппаратов, работающих в агрессивных средах, теплозащитных элементов космической техники.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ТЕМЕ 11

11-1.Какие вещества называются силикатными материалами? Чем объясняются особые свойства большинства силикатов?

11-2. Укажите типовые процессы, используемые в производстве силикатов. В виде каких модификаций существуют оксид кремния(IV) и оксид алюминия(III)? От чего зависит устойчивость этих модификаций?

11-3. Какие силикаты относятся к вяжущим материалам и почему они так названы? Приведите состав гидравлического цемента и напишите реакции, лежащие в основе процесса его затвердевания.

11-4. Какие силикатные материалы называются стеклами? Укажите состав шихты, используемой при варке стекла и объясните назначение ее компонентов. Какие процессы протекают при варке стекломассы?

11-5. Что такое ситаллы? Чем ситаллы отличаются от стекол?

ЗАДАЧИ К ТЕМЕ 11

11-1.В процессе обогащения угля образуется большая масса алюмосиликатных отходов, которые составляют до 70 мас. % от шихты, и могут использоваться для получения строительного кирпича. Определите экономию природных материалов при производстве 1 млн. штук кирпичей, если для получения 1000 кирпичей расходуется 2.3 м3 глины, 0.8 м3 древесных опилок и 245 кг топлива; при использовании углеотходов надобность в опилках отпадает и расход топлива снижается на 10 % (по массе).

11-2.Рассчитайте состав шихты (по SiО2 и СаО) для производства 2000 т портландцемента, если по результатам анализа известны массовые доли компонентов известняка: 93.2 % СаСО3; 2.1 % МgСО3 и 4.7 % прочих примесей; глины: 46.4 % SiО2; 35 % Аl2О3; 6.6 % Fе2О3; 12 % Н2О, полученного клинкера: 66 % СаО; 23 % SiO2; 6 % Аl2О3; 2.5 % Fе2О3; 1 % MgO и других 1.5 % (по массе).

11-3.В составе портландцемента (масс. %): алита 55, белита 20, трехкльциевого алюмината 15, четырехкальциевого алюмоферрита 10. Определите силикатный и глиноземный модуль цемента.

11-4.Вычислите коэффициент насыщения по следующим данным состава цемента (масс. %): 3CaO·SiO2 53; 2CaO·SiО2 17; 3СаО· Аl2О3 12; 4СаО ·Аl2О3· Fе2О3  13; свободный кремнезем 4; свободный СаО 0.47; SО3 0.53.

11-5.Определите выход цементного клинкера из 5000 м3 исходного шлама, плотность которого 1680 кг/м3, влажность 36 %, унос пыли 7 % от сухого вещества в массе. Печь работает на газовом топливе.

11-6.Цементный завод имел три вращающиеся печи, производительностью 236000 т в год каждая. В результате реконструкции с 1 апреля демонтировали первую печь и вновь ввели в строй с 1 июля четвертую печь, а с 1 августа – пятую печь, производительностью 570000 т в год каждая. Определите массу клинкера, полученную предприятием в год реконструкции.

11-7.Сколько воды потребуется для гидролиза и гидратации трех важнейших минералов 200 кг цемента, в составе которого 50 % C3S, 20 % C2S и 12 % С3Аl (по массе), если уравнения реакций имеют следующий вид:

3СаО·SiO2 + 5 Н2О=2СаО·SiO2·4 Н2О + Са(ОН)2

2СаО·SiO2 + 4 H2О=2СаО·SiO2·4Н2О

3СаО· Аl2О3 + 6 Н2О=3СаО· Аl2О3·6Н2О

Сколько свободной щелочи образуется при этом?

11-8.Определите содержание воды и сульфата кальция в гипсе.

11-9.Для получения 1000 м3 керамзитобетона необходимо 250 т цемента, 680 т керамзитового гравия, 150 кг перлитового песка и 336 м3 воды. Определите плотность полученного бетона, если 25 % воды испаряется в процессе созревания. К какой группе (по плотности) относится подобный бетон?

11-10.При производстве газобетона в качестве газообразователя применяют алюминиевую пудру. В бетонной смеси при этом происходит следующая реакция:

3 Са(ОН)2 + 2 АI + 6 H2О = 3CaO· Аl2О3 ·6H2О + 3 H2

Определите примерную пористость бетонной массы при расходе 270 г алюминия на 1 м3 газобетона.

11-11.Для получения 1 т стекла расходуется 650 кг песка, 185 кг соды, 109 кг сульфата натрия, 68 кг известняка, 165 кг доломита, 103 кг пигмента и 15 кг угля. Определите общую массу сырья для суточной работы печи, которая производит 200 т стекломассы, причем 20 % продукта (по массе) наваривается из обратного стеклобоя. Какай объем занимает шихта, если плотность (кг/м3): песка 1800, соды 900, сульфата натрия 1000, известняка 1700, доломита 1700, пигмента 1800 и угля 400?

11-12.Для удешевления производства тарного стекла вместо соды используют смесь минерала мирабилита с углем. Вычислите расходные коэффициенты для сырьевых материалов с учетом вышеуказанной замены для получения 1 т стекла следующего состава (масс. %): SiО2 72; Na2O 16; СаО 5.2; Аl2О3 3.5 и MgO 3.3.

11-13.Для получения жидкого стекла используют так называемую силикат-глыбу общего состава R2O · nRO2, где n колеблется от 2.65 до 4. Определите расходные коэффициенты карбоната натрия и кремнезема для получения 1 т силикат-глыбы с n = 3.

11-14.Печь для варки стекла, производящая в сутки 300 т стекломассы, имеет ванну, длина которой 60 м, ширина 10 м и глубина 1.5 м. Определите: а) годовую производительность, если 15 суток в году печь находится в ремонте; б) интенсивность печи за сутки работы (в т/м2 пода); в) сколько листов оконного стекла, которое можно получить за год работы печи, если стандартный размер листа 1250 х 700 х 2 мм, а плотность 2500 кг/м3.

11-15.Для получения шлакоситаллов была использована шихта, в составе которой 60 % доменного шлака, 20 % кварцевого песка, 6 % глины, 4 % сульфата натрия и 10 % каталитических добавок (сульфидов и фторидов марганца и железа) по массе. Выразите в виде оксидов примерный качественный состав шлакоситаллов. Определите массовые доли СаО, SiО2, Аl2О3 в 1 т продукта, если в составе шлака 10 % Аl2О3, 40 % СаО и 35 % SiO2, а в глине 50 % SiO2, 20 % Аl2О3 и 1.5 % СаО (по массе). Производственные потери не учитываются.

11-16.Рассчитайте необходимые массы кремнезема, карбоната натрия и карбоната кальция для приготовления оконного стекла массой 250 кг следующего состава: 6.813SiO2∙CaO∙1.535Na2O.

11-17.Для получения цветных стекол в исходную шихту добавляют оксиды переходных металлов. Добавка какого оксида определяет: а) синий, б) фиолетовый, в) изумрудно-зеленый цвет стекла?

11-18.Повышенной термической и химической стойкостью обладает силикатное стекло с добавкой буры. Такое стекло называется пирексом. Его примерный состав (% по массе): SiO2 81.0, CaO 0.5, Na2O 4.5, Al2O3 2.0, B2O3 12.0 . Выразите химический состав пирекса через входящие в него оксиды.

11-19.Рассчитайте расход кальцинированной соды, мела и кварцевого песка для приготовления  125 кг оконного стекла состава Na2O·СaO·6 SiO2, если потери каждого вида исходного сырья составляют по 1 %.

11-20.Определите выход цементного клинкера из 2500 м3 исходного шлама, плотность которого 1760 кг/м3, влажность 28 %, унос пыли 5 % от сухого вещества. Печь работает на газовом топливе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абалонин, Б.Е. Основы химических производств /Б.Е.Абалонин, И.М.Кузнецова, Х.Э.Харлампиди. М., 2001.

2. Бесков, В. С. Общая химическая технология / В. С. Бесков. М., 2005.

3. Блинов, Л. Н. Основы экологической химии / Л. Н. Блинов, Т. Н. Оркина, Н. П. Танцура. СПб., 2000.

4. Игнатенков, В. И. Примеры и задачи по общей химической технологии / В. И. Игнатенков, В. С. Бесков. М., 2005.

5. Кондаурова, Б. П. Общая химическая технология: учебное пособие / Б. П. Кондауров, В. И. Александров, А. В. Артемов. М., 2005.

6. Кутепов, А. М. Общая химическая технология: учеб. для вузов / А. М. Кутепов, Т. И. Бондарева, М. Г. Беренгартен. М., 2007.

7. Нифантьев, Э. Е. Основы прикладной химии / Э. Е. Нифантьев, Н. Г. Парамонова. М., 2002.

8. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. / В.И.Ксензенко, И.М.Кувшинников, В.С.Скоробогатов; Под ред. В.И.Ксензенко. М., 2003.

9. Половецкая, О. С. Лабораторный практикум по прикладной химии: учебно-методическое пособие / О. С. Половецкая. Тула., 2007.

10. Соколов, Р.С. Практические работы по химической технологии: учебное пособие для вузов / Р.С. Соколов. М., 2004.

11. Соколов, Р. С. Химическая технология: в 2т. Т. 1. Химическое производство в антропогенной деятельности. Основные вопросы химической технологии. Производство неорганических веществ / Р. С. Соколов. М., 2003.

12. Соколов, Р. С. Химическая технология: В 2т. Т. 2. Металлургические процессы. Переработка химического топлива. Производство органических веществ и полимерных материалов / Р. С. Соколов. М., 2003.

13. Успехи в нефтехимическом синтезе полифункциональных ароматических соединений. М., 2005.

14. Химическая технология неорганических веществ: В 2 кн. Кн. 2. / Т. Г. Ахметов, Р. Т. Порфирьева, Л. Г. Гайсин и др.; под ред. Т. Г. Ахметова. М., 2002.


Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 739;