Общая технология силикатов

  СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ






                Л.М. СУЛИМЕНКО





ОБЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СИЛИКАТОВ



            УЧЕБНИК



Допущен
           Государственным комитетом Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному комплексу в качестве учебника для студентов средних специальных учебных заведений, обучающихся по специальности
            18.02.05 «Производство тугоплавких неметаллических и силикатных материалов и изделий»






znanium.com
Москва ИНФРА-М 2020

УДК 546.284(075.32)
ББК 35.41я723
      С89



       Р е ц е н з е н т ы:
       И.Я. Гузман, профессор кафедры «Химическая технология керамики и огнеупоров» Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, доктор технических наук;
       В.К. Ларионов, технический директор ОАО «Щуровский цемент», кандидат технических наук;
       Н.И. Ермолаев, директор Лобненского техникума строительной индустрии и предпринимательства



          Сулименко Л.М.
C89      Общая технология силикатов : учебник / Л.М. Сулименко. — Москва :

       ИНФРА-М, 2020. — 336 с. — (Среднее профессиональное образование).

       ISBN 978-5-16-009741-1 (print)
       ISBN 978-5-16-101147-8 (online)


          Рассмотрены основы кристаллографии, минералогии и петрографии, виды сырья, используемого в различных отраслях силикатной технологии, и общие теоретические положения производства силикатных материалов и изделий. Изложены основы технологии вяжущих материалов, керамики и огнеупоров, стекла, показаны особенности их структуры и свойств. Описана технология производства изделий на основе минеральных вяжущих материалов, керамических масс, расплавленной стекломассы. Приведены сведения по технике безопасности и охране труда при производстве силикатных материалов и изделий, охране окружающей среды.
          Учебник предназначен для студентов средних специальных учебных заведений, обучающихся по специальности 18.02.05 «Производство тугоплавких неметаллических и силикатных материалов и изделий».


УДК 546.284(075.32)
ББК 35.41я723












ISBN 978-5-16-009741-1 (print)
ISBN 978-5-16-101147-8 (online)

© Сулименко Л.М., 2004

            ОГЛАВЛЕНИЕ



Предисловие..............................................5
Введение.................................................6
1. Основы кристаллографии, минералогии и петрографии.. 10
2. Сырье и теоретические основы производства силикатных материалов и изделий..................................26
   2.1. Сырье для производства силикатных материалов и изделий..........................................26
   2.2. Теоретические основы технологии силикатных материалов.........................................36
3. Основы технологии вяжущих материалов.................70
   3.1. История вяжущих материалов......................70
   3.2. Производство гипсовых вяжущих материалов........73
   3.3. Производство известковых вяжущих материалов.....88
   3.4. Производство портландцемента и его разновидностей ... 100
   3.5. Производство глиноземистого и расширяющихся цементов..........................................145
4. Технология производства изделий на основе минеральных вяжущих материалов.....................................151
   4.1. Строительные растворы, бетон и железобетон — как композиционные материалы..........................151
   4.2. Производство изделий на основе гипсовых растворов и бетонов.........................................157
   4.3. Производство силикатных бетонов и изделий..... 162
   4.4. Производство асбестоцементных изделий......... 166
5. Основы технологии керамики и огнеупоров.............180
   5.1. Классификация керамических материалов..........180
   5.2. Сырье для производства керамических материалов.182
   5.3. Технология производства строительной керамики..185
   5.4. Производство теплоизоляционных материалов......201

3

   5.5. Производство керамических труб и химически стойкой керамики...................................205
   5.6. Производство огнеупорных материалов и изделий.209
   5.7. Производство изделий тонкой строительной керамики..........................................218
   5.8. Производства санитарно-технических и бытовых изделий из тонкой керамики..............227
   5.9. Технология производства технической керамики.235
6. Основы технологии стекла и изделий из него.........248
   6.1. Стеклообразное состояние и свойства стекол....248
   6.2. Сырьевые материалы и приготовление стекольных шихт...............................................264
   6.3. Варка стекла. Теоретические основы стекловарения .... 271
   6.4. Теоретические основы формования и дополнительной тепловой обработки стеклоизделий..................281
   6.5. Производство строительного стекла............285
      6.5.1. Производство листового стекла...........285
      6.5.2. Производство архитектурно-строительного стекла.........................................292
   6.6. Производство полого стекла...................300
   6.7. Производство технического стекла.............309
   6.8. Производство ситаллов и шлакоситаллов........320
7. Техника безопасности и охрана труда при производстве силикатных материалов и изделий......................327
8. Защита окружающей среды в технологии силикатных материалов и изделий.................................330
9. Литература........................................335

4

            ПРЕДИСЛОВИЕ



   Учебник «Общая технология силикатов» написан в соответствии с Государственным образовательным стандартом и программой по дисциплине «Общая технология силикатов» специальности 2508 «Производство тугоплавких неметаллических и силикатных материалов и изделий». Преподавание данного курса ведется в тесной взаимосвязи с другими общепрофессиональными и специальными дисциплинами.
   В учебнике рассмотрены основы кристаллографии, минералогии и петрографии различных видов силикатного сырья, теоретические положения производства силикатных материалов и изделий. Изложены основы технологии вяжущих материалов и изделий, керамики и стекла. При ограниченности объема учебника он достаточно информативен, а доступность изложения материала позволит пользоваться им и заводским работникам.
   Учебник написан доктором технических наук, профессором Л.М. Сулименко, глава 1 — кандидатом технических наук доцентом О.П. Бариновой.
   Авторы благодарят рецензентов И.Я. Гузмана, В.К. Ларионова, Н.И. Ермолаева за ценные замечания и рекомендации, способствовавшие повышению качества книги.

5

            ВВЕДЕНИЕ



   Производство изделий из керамики и стекла зародилось еще на заре цивилизации. Их изготовление тогда было сродни скорее искусству, чем технологии. Например, возраст изделий из обожженной глины, найденных в раскопках, датировался более 15000 лет, а первые промышленные изделия из керамики появились по всей видимости в Египте более 5000 лет назад. Стеклоделие возникло примерно в 3—4 тысячелетии до нашей эры (н. э.). По возрасту «моложе всех» технология производства вяжущих материалов — гипса позднее извести, но и ее корни уходят примерно за 2—3 тысячи лет до н. э.
   То, что жизнь людей тесно связана с силикатными материалами, неудивительно, так как в основе их получения лежит самое распространенное в природе сырье. Содержание в земной коре кремнезема SiO₂ — более 12%, кроме того, он входит в состав алюмосиликатов, составляющих в свою очередь еще 75% земной коры. В природе семейство силикатов насчитывает более 500 видов минералов. К этому перечню человек добавил существенное количество новых искусственно синтезированных материалов. Их основными структурными элементами наряду с SiO₂ служат оксиды алюминия, кальция, магния, натрия, калия, бора и других, а в качестве сопутствующих присутствуют почти все элементы таблицы Д.И.Менделеева. Содержание каждого оксида в отдельных материалах меняется от малых долей до нескольких десятков процентов (так, в кварцевом стекле содержание SiO₂ может достигать 99,9%).
   Общие свойства силикатных материалов — высокая механическая прочность, огнестойкость, химическая стойкость — объясняются высокой долей ковалентных связей и полимерным строением силикатов. Изменение химико-минералогического состава и условий термической обработки позволяют получать материалы с существенно отличающимися свойствами, и предназначенные для различных областей применения. Однако при всем многообразии состава и свойств силикатные материалы могут быть разделены на три большие группы: минеральные вяжущие вещества, керамика и стекло.
   Минеральными вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, образующие при смешении с водой пластичную,

6

удобоукладываемую массу, затвердевающую со временем в прочное камневидное тело.
   Получают их тепловой обработкой определенных видов сырья с последующим тонким помолом продукта обжига. Вяжущие свойства (способность к гидравлическому твердению ) объясняются присутствием либо оксидов кальция и магния, либо более сложных соединений — силикатов, алюминатов кальция и др. По существу вяжущее вещество — это полуфабрикат. Главная его ценность в том, что тесто на его основе способно со временем склеивать в монолит зерна заполнителя. На этом основано получение бетонов и строительных растворов и практически все современное строительство.
   Керамика. Первоначально под термином «керамика» (от греческого «керамос» — глина, гончарное искусство) называли изделия, изготовленные из природных глин. В наши дни границы этого понятия значительно расширились. В современном понимании «керамика» — это изделия и материалы с камнеподобными свойствами, которые они приобретают в процессе технологической переработки минерального сырья (как глинистого, так и других видов) путем формования, сушки и спекания при высоких температурах.
   Ценные физико-технические свойства керамики обеспечиваются высокой плотностью камня, в котором стекловидная фаза склеивает в монолит высокопрочные кристаллы силикатов, алюминатов, алюмосиликатов кальция, магния и других соединений.
   Стеклом называют все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплавов независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел; при этом процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное обратим.
   Расплавы стекол затвердевают, не кристаллизуясь, и без выделения скрытой теплоты кристаллизации. Их температура понижается непрерывно, а вязкость постепенно нарастает до такой величины, при которой стекла приобретают механические свойства твердых тел, оставаясь при этом аморфными.
   В отличие от кристаллических веществ, стекла не обладают строго упорядоченной, геометрически симметричной структурой — кристаллической решеткой т.д. В стекломассе ионы не успевают перегруппироваться в правильную кристаллическую решетку, они строятся лишь в отдельные внутренние группы, обладающие ближним порядком. Эти группы несимметрично связаны между собой в разветвленный каркас, что и определяет специфику свойств стекла.

7

Общая классификация силикатных материалов

8

   Без силикатных материалов невозможно представить нашу жизнь. Распространенность сырья, относительная простота технологии в сочетании с высокими физико-техническими свойствами получаемых изделий — механической прочностью, тугоплавкостью, термостойкостью — обеспечили ведущее место силикатных материалов не только в быту и строительстве, как это было тысячи лет назад, но и в самых современных областях техники: авиации, космонавтике, электронике, радиотехнике, атомной энергетике и др. Широту спектра использования силикатных материалов наглядно характеризует их общая классификация.
   В последние годы в промышленности строительных материалов наблюдается стабильный рост по всем основным видам продукции. В 2002 г. по сравнению с 1999 г. производство керамической плитки для внутренней облицовки стен возросло на 62%, санитарных керамических изделий — на 33%, цемента — на 32%, сборного железобетона на 14%, асбестоцементных изделий — на 12%, листового стекла — на 16%.

9

            1. ОСНОВЫ КРИСТАЛЛОГРАФИИ, МИНЕРАЛОГИИ И ПЕТРОГРАФИИ



        ОСНОВЫ КРИСТАЛЛОГРАФИИ

   В зависимости от внутреннего строения различают кристаллические и аморфные твердые тела.
   Кристаллическими называют твердые вещества, образованные из геометрически правильно расположенных в пространстве материальных частиц — ионов, атомов или молекул. Упорядоченное, закономерное их расположение образует в пространстве кристаллическую решетку — бесконечное трехмерное периодическое образование. В ней выделяют узлы (отдельные точки, центры тяжести атомов и ионов), ряды (совокупность узлов, лежащих на одной прямой) и плоские сетки (плоскости, проходящие через любые три узла). Геометрически правильная форма кристаллов обусловлена прежде всего их строго закономерным внутренним строением. Сетки кристаллической решетки соответствуют граням реального кристалла, места пересечения сеток — ряды — ребрам кристаллов, а места пересечения ребер — вершинам кристаллов. Большинство известных минералов и горных пород, в том числе и каменные строительные материалы, представляют собой кристаллические твердые тела.
   Все кристаллы имеют ряд общих основных свойств.
   Однородность строения — одинаковость узора взаимного расположения атомов во всех частях объема его кристаллической решетки.
   Анизотропность — различие физических свойств кристаллов (теплопроводность, твердость, упругость и другие) по параллельным и непараллельным направлениям кристаллической решетки. Свойства кристаллов одинаковы по параллельным направлениям, но неодинаковы по непараллельным.
   Способность самоограняться, т.е. принимать форму правильного многогранника при свободном росте кристаллов.
   Симметричность — возможность совмещения кристалла или его частей определенными симметрическими преобразованиями, соответствующими симметрии их пространственных решеток.



10