Технология производства неорганических пористых материалов Составитель: д.т.н. И.А.Христофорова ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ Вопросы 1. Введение 2. Классификация пористой керамики 3. Методы получения пористой керамики

Классификация пористой керамики По виду основного сырья и фазовому составу: - кремнеземистая; - алюмосиликатная; - магнезиальная; - оксидная; - бескислородная.

Классификация пористой керамики По методу порообразования: - подбор зернового состава узкофракционированного наполнителя; узкофракционированного наполнителя; - введение и последующее удаление добавок, оставляющих поры; добавок, оставляющих поры; - введение отдельно приготовленной пены; - газооборазование при химическом взаимодействии компонентов; взаимодействии компонентов;

Классификация пористой керамики По методу порообразования: - формирование волокнистых материалов со связующим; со связующим; - вспучивание массы в ходе термообработки; - введение органического удаляемого при обжиге ячеистого носителя. обжиге ячеистого носителя.

Классификация пористой керамики По строению: - изделия с зернами заполнителя; - ячеистые; - волокнистые

Классификация пористой керамики По внешнему виду: - изделия формованные штучные; - изделия неформованные.

Классификация пористой керамики По пористости и плотности: - низкоплотные (30-45 % пористости); - легковесы (45-75 % пористости); - ультралегковесы (> 75 %). По огнеупорности: По огнеупорности: - неогнеупорные (< 1580 ºС); - огнеупорные (1580 – 1770 ºС); - огнеупорные (1580 – 1770 ºС); - высокоогнеупорные (1770 – 2000 ºС); - высшей огнеупорности (> 2000 ºС).

Классификация пористой керамики По назначению: - теплоизоляционные; - теплозащитные; - проницаемые. По месторасположению в кладке тепловых агрегатов: По месторасположению в кладке тепловых агрегатов: - открытая изоляция; - защищенная изоляция.

Методы получения пористой керамики Использование узкофракционированных зерен заполнителя Введение и последующее удаление добавки Использование волокнистых материалов Вспучивание в ходе термической обработки Степень вспучивания: Степень вспучивания: К В = V 2 /V 1 = ρ 1 (1 - а/100) / ρ 2

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ

Вопросы 1. Пенометод 2. Физико-химические основы формирования пены 3. Технологические режимы формирования пенокерамики 4. Химическое пенообразование 5. Использование полимерного ячеистого носителя

Г = (С/RT) (dσ/dС), где Г – показатель адсорбции; С – концентрация; С – концентрация; σ – поверхностное натяжение. σ – поверхностное натяжение. Образование устойчивой пены: dσ/dС – отрицательная величина. - dσ/dС – поверхностная активность Уравнение Гиббса

Скорость роста пузырька: dr/dτ = 3(Pr - 2σ)/8η, где Р – давление в элементарном пузырьке; η – вязкость вспениваемой массы; η – вязкость вспениваемой массы; σ – поверхностное натяжение; σ – поверхностное натяжение; τ – время; τ – время; r – радиус пузырька. r – радиус пузырька. Условие роста пузырька Р>2σ/r.

Зависимость плотности пеномассы от влажности исходной суспензии 1 – 5 – условные объемы пены на 100 гр. порошка

Химическое порообразование 1. Реакции между карбонатами и кислотами: CaMg(CO 3 ) 2 + 2H 2 SO 4 = CaSO 4 + MgSO 3 + 2H 2 O + 2CO 2 ; 3CaMg(CO 3 ) 2 + 4H 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4 ) 2 + Mg 3 (PO 4 ) 2 + 6H 2 O+ 6CO 2 3CaMg(CO 3 ) 2 + 4H 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4 ) 2 + Mg 3 (PO 4 ) 2 + 6H 2 O+ 6CO 2 2. Реакции между некоторыми металлами и кислотами или основаниями с выделением водорода: 2Al + 2NaOH + 2H 2 O = Na 2 O + Al 2 O 3 + 3H 2 ; Al + 3Ca(OH) 2 + 6H 2 O = 3 CaO + Al 2 O 3 + 3H 2 ; Al + 3HCl = AlCl H 2 Al + 3HCl = AlCl H 2

Требования, предъявляемые к газооборазователям равномерное выделение возможно большего объема газа в нужном температурном интервале; химическая стойкость при хранении; отсутствие токсичности; доступность и дешевизна.

СТРУКТУРА ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ

Вопросы 1. Характеристика пористой структуры 2. Влияние различных факторов на пористую структуру керамики 3. Влияние состава шихты на пористую структуру 4. Виды структуры, объемно-сетчатая модель

Общая (истинная) пористость: - закрытая пористость; - закрытая пористость; - открытая пористость: - открытая пористость: а) сквозная (эффективная, проницаемая) а) сквозная (эффективная, проницаемая) пористость; пористость; б) несквозная (непроницаемая) пористость. б) несквозная (непроницаемая) пористость. 2. Проницаемость. 3. Величина пор и их распределение по размерам. 4. Форма пор. 5. Удельная поверхность. 6. Степень анизотропности. Характеристики поровой структуры

Форма пор в пористых изделиях 1 – закрытые поры; 2 – открытые проницаемые поры; 3 – открытые тупиковые поры

Факторы, влияющие на пористую структуру Метод изготовления. Консолидация. Размер и форма зерен наполнителя. Наличие органического пластификатора. Условия термообработки.

Зависимость размера пор от исходных технологических параметров Соотношение зерен заполнителя и связки: 1) 50:50; 2) 60:40; 3) 70:30; 4) 80:20; 5) 90:10.

Строение пористой керамики а) прессованная керамика; б) керамика с выгорающими добавками; в) пенокерамика. а)б) в)

Виды структуры при введении волокон с хаотическим (неупорядочным) расположением волокон; с упорядочным расположением волокон; с комбинированным расположением слоев и волокон

ПОРИСТАЯ КЕРАМИКА ЗЕРНИСТОГО СТРОЕНИЯ

Вопросы 1. Пористая керамика зернистого строения 2. Ячеистая керамика со спекшимся каркасом 3. Ячеистая керамика, не имеющая спекшегося каркаса 4. Свойства пористой керамики

Пористая керамика зернистого строения обладает каркасом, создаваемым зернами наполнителя, сцементированного связкой. Пористая керамика зернистого строения обладает каркасом, создаваемым зернами наполнителя, сцементированного связкой. Характеризуется: Характеризуется: - порами неправильной формы; - отсутствием закрытых пор. Непрерывной является газовая фаза, прерывистой – твердая фаза. Непрерывной является газовая фаза, прерывистой – твердая фаза.

Ячеистая керамика со спекшимся каркасом характеризуется наличием плотных спекшихся перемычек и сферических пустот. Керамика обладает следующими характеристиками: - высокой пористостью; - высокой прочностью; - повышенной теплопроводностью; - невысокой термической прочностью; - низкой газопроницаемостью.

Ячеистая керамика, не имеющая спекшегося каркаса, обладает частично спекшимися пористыми перемычками и сферическими пустотами. Характеризуется: - высокой и сверхвысокой пористостью; - невысокой прочностью; - умеренной проницаемостью; - пониженной теплопроводностью; - высокой термостойкостью.

Свойства пористой керамики Свойства зависят от следующих факторов: 1) минерального состава керамики; 2) пористости; 3) строения. Свойства: 1) истинная плотность; 2) огнеупорность; 3) ТКЛР; 4) общая пористость; 5) проницаемость; 6) прочность; 7) ползучесть; 8) теплоемкость.

Теплофизические свойства пористой керамики Вопросы: 1. Теплопроводность. 2. Термическая стойкость и термостабильность.

Теплопроводность важнейшее свойство пористой керамики, характеризующее эффектив- ность ее использования в качестве теплоизоляции и теплозащиты. Теплопроводность для данной твердой фазы целиком определяется порис- тостью и строением тела. Теплопроводность важнейшее свойство пористой керамики, характеризующее эффектив- ность ее использования в качестве теплоизоляции и теплозащиты. Теплопроводность для данной твердой фазы целиком определяется порис- тостью и строением тела.

На теплопроводность пористой керамики оказывают влияние следующие факторы: На теплопроводность пористой керамики оказывают влияние следующие факторы: вид твердой фазы, пористость,строение,температура, вид заполняющего поры газа.

Рис. 1. Зависимость теплопровод- ности пеноке- рамики от при- роды твердой фазы и темпе- ратуры (пористость керамики около 60%)

Рис.2 Зависимость теплопровод- ности от по- ристости (средняя температура образцов 800 ºС).

Имеются теоретически рассчитанные и эмпирические выражения, связывающие теплопроводность и пористость. К сожалению, основанные на идеализиро- ванных схемах структуры керамики расчетные уравнения типа Имеются теоретически рассчитанные и эмпирические выражения, связывающие теплопроводность и пористость. К сожалению, основанные на идеализиро- ванных схемах структуры керамики расчетные уравнения типа λ = λ 1 – (1,7 – ρ/ρ 1 ) ( λ 1 λ 2 ), λ = λ 1 – (1,7 – ρ/ρ 1 ) ( λ 1 λ 2 ), где λ, λ 1, λ 2 коэффициенты теплопровод- ности соответственно пористого тела, компактного тела и воздуха; ρ и ρ 1 плотности пористого и компактного тел недостаточно согласуются с экспери- ментальными данными и поэтому ограниченно пригодны. где λ, λ 1, λ 2 коэффициенты теплопровод- ности соответственно пористого тела, компактного тела и воздуха; ρ и ρ 1 плотности пористого и компактного тел недостаточно согласуются с экспери- ментальными данными и поэтому ограниченно пригодны.

Таблица 1 Влияние метода изготовления на теплопроводность керамики

Чем ближе строение тела к идеальной модели с непрерывной газовой фазой, тем ниже теплопроводность и меньше ее зависимость от химичес- кой природы материала. Особенно четко это наблюдается в порошко- образной теплоизоляции, где спечен- ные контакты зерен вообще отсут- ствуют. Чем ближе строение тела к идеальной модели с непрерывной газовой фазой, тем ниже теплопроводность и меньше ее зависимость от химичес- кой природы материала. Особенно четко это наблюдается в порошко- образной теплоизоляции, где спечен- ные контакты зерен вообще отсут- ствуют.

Из термических свойств, зависящих от пористости, наиболее важными представ- ляются термическая стойкость и посто- янство в службе при высоких темпера- турах. Из термических свойств, зависящих от пористости, наиболее важными представ- ляются термическая стойкость и посто- янство в службе при высоких темпера- турах. Высокопористая керамика весьма чув- ствительна к термическим ударам, что связано с ее низкой теплопроводностью и малой прочностью по сравнению с плот- ными изделиями при равном значении ТКЛР. Высокопористая керамика весьма чув- ствительна к термическим ударам, что связано с ее низкой теплопроводностью и малой прочностью по сравнению с плот- ными изделиями при равном значении ТКЛР.

Таблица 2 Взаимосвязь термостойкости с некоторы- ми параметрами высокопористой пенокерамики

Радикальным средством повышения термостойкости является изменение строения пористого изделия введением зернистого наполнителя. Радикальным средством повышения термостойкости является изменение строения пористого изделия введением зернистого наполнителя. Например, бадделеитовая пенокера- мика разрушается при первой же теплосмене, а зернистая керамика с выгорающими добавками при такой же пористости выдерживает до 15 циклов нагревания и охлаждения. Например, бадделеитовая пенокера- мика разрушается при первой же теплосмене, а зернистая керамика с выгорающими добавками при такой же пористости выдерживает до 15 циклов нагревания и охлаждения.

Комплекс изменений, происходящих Комплекс изменений, происходящих с пористыми материалами при их эксплуатации называется старением, для разных по природе изделий может вклю- чать: 1) рекристаллизацию, 2) потерю массы вследствие испарения или разло- жения, 3) изменение фазового состава за счет окисления или других видов взаимо- действия с газовой атмосферой. с пористыми материалами при их эксплуатации называется старением, для разных по природе изделий может вклю- чать: 1) рекристаллизацию, 2) потерю массы вследствие испарения или разло- жения, 3) изменение фазового состава за счет окисления или других видов взаимо- действия с газовой атмосферой. Эти изменения оказывают заметное влияние на другие рабочие характерис- тики керамики прочность, теплопро- водность и т. п. Эти изменения оказывают заметное влияние на другие рабочие характерис- тики керамики прочность, теплопро- водность и т. п.

Изготовление пористой керамики

Вопросы: 1. Операции технологического процесса изготовления. 2. Технология производства шамотных теплоизоляционных изделий при введении выгорающих добавок. 3. Производство пеношамотных изделий

Этапы изготовления пористых керамических изделий 1) первичная переработка и под­готовка основного сырья тонких фракций используемых матери­алов; зернистых заполнителей желаемых размеров; волокнистых материалов; улучшающих и регулирующих спекание добавок, если таковые используются; 2) выбор и подготовка порообразователей - выгорающих добавок, пено- и газообразователей, а также стаби­ лизаторов ячеистой структуры; 3) дозировка исходных компонентов по заданной рецептуре; 4) приготовление масс, соответствующих выбранному методу формования пресс-порошков, шликеров, ячеистых и волокнистых композиций;

Этапы изготовления пористых керамических изделий 5) формование заготовок задан­ных размеров и конфигураций, включая разливку в формы ячеистых масс, в том числе вспучиваемых химическим путем непосредствен­но в формах; 6) сушка и переворачивание ячеистых заготовок; 7) термическая обработка по принятому для каждого конкретного из­делия режиму; 8) механическая обработка (резка, шлифовка) в тех случаях, когда это необходимо; 9) сортировка и упаковка.

Перечень литературы, использованной при подготовке материала 1. Технология строительной керамики: Учебное пособие:/ И.И. Мороз. – М.: Эколит, – 384 с. 2. Химическая технология керамики / Под ред. проф. И.Я. Гузмана. М.: ООО РИФ «Стройматериалы», с. 3. Онацкий С.П. Производство керамзита. М.: Стройиздат, Каленов Е.М. Повышение качества керамзита. Киев: Высшая школа, Нехорошев А.В. и др. Ресурсосберегающие технологии керамики, силикатов и бетонов. Структурообразование и тепловая обработка. М.: Стройиздат, Беркман А.С., Мельникова И.Г. Пористая проницаемая керамика. Л.: Госстройиздат, с. 2. Гузман И.Я. Высокоогнеупорная пористая керамика. М.: Металлургия, 1971.

3. Бурлаков Г.С. Основы технологии керамики и искусственных пористых заполнителей. М.: Высшая школа, Смирнова К.А. Пористая керамика для фильтрации и аэрации. М.: Стройиздат, Электронные ресурсы. 1. Журнал «Огнеупоры и техническая керамика». 2. Журнал «Стекло и керамика».