Основы технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов

Министерство науки и высшего образования  
Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

И. А. Павлова, К. Г. Земляной, Е. П. Фарафонтова

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ  
ТУГОПЛАВКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ  
И СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ 

Уч е бн ик

Рекомендован методическим советом  
Уральского федерального университета  

для студентов вуза, по направлению подготовки

18.03.01 — Химическая технология

Екатеринбург 
Издательство Уральского университета 
2020 

УДК 54.01+541.7 
ББК 24.58+24.239 
          П12 
Серия «Учебник УрФУ» основана в 2017 году

Редакционная коллегия серии: 
канд. техн. наук, доц. Е. В. Вострецова; канд. техн. наук, доц. 

О. Ю. Корниенко; И. Ю. Плотникова (ответственный редактор серии)

Рецензенты:
лаборатория «Химии соединений редкоземельных элементов» 
Института химии твердого тела УрО РАН (канд. хим. наук, завлабораторией В. Д. Журавлев);

Э. Г. Вовкотруб, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник лаборатории 
твердооксидных топливных элементов Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН;

В. И. Рогозин, исполнит. директор ЗАО «Компания «Пиастрелла», 
почетный строитель РФ

Научный редактор — д‑р. техн. наук, проф. И. Д. Кащеев 

На обложке использовано изображение с сайта http://kladempech.ru/mufelnaya-pech/

П12

Павлова, И. А.
Основы технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов : учебник / И. А. Павлова, К. Г. Земляной, 
Е. П. Фарафонтова ; Мин‑во науки и высш. обр. РФ. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2020. — 192 с. — (Учебник УрФУ).

ISBN 978‑5‑7996‑3008‑9

Учебник содержит четыре главы, в которых изложены основные процессы силикатных технологий, основы технологий вяжущих материалов, стекла, керамики 
и огнеупорных (теплоизоляционных) материалов.

Приведены основные понятия, классификация, способы получения тугоплавких 

неметаллических и силикатных материалов. Описаны основные требования к сырью, технологические стадии процесса производства и свойства готовых изделий.

Учебник предназначен для студентов образовательных организаций, обучающихся по направлению «Химическая технология», специализирующихся в области 
технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, также может 
быть использован специалистами, работающими в области силикатных производств.

Библиогр.: 39 назв. Рис. 59. Табл. 20.

УДК 54.01541.7 
ББК 24.58+24.239

ISBN 978‑5‑7996‑3008‑9
© Уральский федеральный 
     университет, 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение .......................................................................................................... 5
Глава 1. Основные процессы силикатных технологий .................................... 6
1.1. Характеристика зернистых материалов ............................................. 6
Форма частиц .......................................................................................... 7
Размер частиц  ........................................................................................ 7
Насыпная плотность и пористость ........................................................ 9
1.2. Подготовка исходных материалов ....................................................11
Измельчение ..........................................................................................11
Разделение по крупности порошков.....................................................15
Хранение порошков в бункерах ............................................................16
1.3. Дозирование .......................................................................................21
1.4. Смешение ...........................................................................................22
1.5. Прессование и формование изделий на основе  
порошкообразных масс ............................................................................24
1.6. Термическая обработка материалов ..................................................28
Сушка .....................................................................................................28
Обжиг .....................................................................................................31
1.7. Вопросы для самоконтроля ...............................................................36
Глава 2. Технология минеральных вяжущих веществ ....................................38
2.1. Воздушные вяжущие вещества ..........................................................38
Производство строительного гипса ......................................................38
Производство воздушной строительной извести .................................45
2.2. Гидравлические вяжущие вещества  .................................................51
Производство цемента  ..........................................................................52
2.3. Бетон ..................................................................................................72
Основные свойства бетона ....................................................................73
Коррозия бетона ....................................................................................74
2.4. Вопросы для самоконтроля ...............................................................75
Глава 3. Основы технологии стекла ...............................................................77
3.1. Строение стекол .................................................................................77
3.2. Свойства стекол в расплавленном состоянии ..................................79

Оглавление

3.3. Свойства стекол в твердом состоянии ..............................................83
3.4. Сырьевые материалы .........................................................................89
Сырьевые материалы для ввода оксидов‑стеклообразователей  .........90
Сырьевые материалы для ввода оксидов‑модификаторов ..................91
Сырьевые материалы для ввода промежуточных оксидов  ..................92
Использование горных пород и отходов производства  ......................94
Вспомогательные материалы  ...............................................................94
3.5. Производство стекла ..........................................................................96
Приготовление шихты...........................................................................96
Варка стекла .........................................................................................100
Формование стекла..............................................................................104
Отжиг стекла ........................................................................................108
3.6. Вопросы для самоконтроля .............................................................109

Глава 4. Технология керамики и огнеупоров ................................................110
4.1. Классификация ................................................................................110
4.2. Сырьевые материалы для производства керамических  
изделий ...................................................................................................111
Пластичные материалы .......................................................................111
Непластичные (отощающие) материалы ............................................126
Плавни .................................................................................................127
4.3. Технология производства строительного кирпича ........................127
Пластический способ ..........................................................................128
Полусухое прессование  ......................................................................131
4.4. Технология производства тонкой керамики  ..................................133
Сырьевые материалы для производства тонкой керамики................135
Технология приготовления керамических масс .................................136
Производство фарфоровых изделий ...................................................137
Производство керамических плиток ..................................................140
4.5. Технология огнеупорных материалов .............................................144
Классификация огнеупоров ................................................................145
Природное сырье огнеупорной промышленности ............................146
Основные свойства огнеупоров ..........................................................148
Кремнеземистые огнеупоры ...............................................................154
Алюмосиликатные огнеупоры ............................................................161
Магнезиальные огнеупоры .................................................................172
Теплоизоляционные огнеупорные материалы ...................................180
4.6. Вопросы для самоконтроля .............................................................186
Библиографический список ..........................................................................188

ВВЕДЕНИЕ

П

роизводство изделий из керамики и стекла зародилось еще 
на заре цивилизации. Это было больше искусство, чем технология. Возраст изделий из обожженной глины, найденных в раскопках, — более 15 тыс. лет. Первые промышленные изделия из керамики появились, по мнению историков, в Египте более пяти тыс. лет 
назад. Стеклоделие возникло примерно в III–IV тысячелетии до н. э. 
Технология вяжущих материалов — гипса, а затем извести — датируется II–III тысячелетием до н. э.

Жизнь людей тесно связана с силикатными материалами, в основе их получения лежит самое распространенное сырье в природе. Содержание в земной коре кремнезема SiO2 более 12 %, также он входит 
в состав алюмосиликатов, составляющих 75 % земной коры.

В природе насчитывается более 500 видов силикатов. Человек синтезировал большое количество искусственных материалов. Основными структурными элементами силикатов, кроме SiO2, являются оксиды алюминия, кальция, магния, натрия, калия, бора и др., в качестве 
сопутствующих — почти все элементы таблицы Менделеева. Содержание оксидов в силикатах варьируется от долей до десятков процентов (так, в кварцевом стекле может быть до 99,9 % SiO2).
Общие свойства силикатных материалов: высокая механическая 

прочность, огнестойкость, химическая стойкость — объясняются высокой долей ковалентных связей и полимерным строением.

Силикатные материалы подразделяются на три большие группы: 

минеральные вяжущие вещества, керамика и стекло.

Без силикатных материалов невозможно представить нашу жизнь. 

Они занимают ведущее место в быту и строительстве, в самых разных 
областях техники. Производство силикатных материалов с каждым 
годом совершенствуется и развивается.

Глава 1. Основные процессы  силикатных технологий

ГЛАВА 1. Основные процессы  
силикатных технологий

О

сновными задачами совершенствования любой технологии являются:
- снижение материалоемкости;

- внедрение энергосберегающих технологий;
- снижение затрат ручного труда, автоматизация, механизация;
- применение безотходных технологий, исключающих загрязнение окружающей среды.
Общая технологическая схема производства силикатных материалов включает следующие процессы:
подготовка исходных материалов 
↓ 

измельчение, классификация и хранение порошков 

↓ 

дозирование и смешение порошков 

↓ 

формование изделий из порошкообразных масс 

↓ 

термообработка (сушка и обжиг) 

↓ 
упаковка, хранение, транспортирование 

1.1. Характеристика зернистых материалов

Зернистые материалы — дисперсная система, в которой твердые частицы соприкасаются между собой по незначительной части поверхности. Зернистые материалы в свободном состоянии образуют твер

1.1. Характеристика зернистых материалов

дые тела (конус) под действием силы тяжести. Признаком твердого 
тела является способность сохранять свою форму.

К основным свойствам зернистых материалов относят размер и форму частиц, гранулометрический состав, насыпную плотность, пористость, угол естественного откоса, удельную поверхность, поверхность 
контакта, гигроскопичность, склонность к слеживанию, электропроводность, реакционную способность.

Форма час тиц

Продукты измельчения в зависимости от свойств материалов и типа 

агрегата для измельчения могут иметь различную форму, например, 
при измельчении стекла истиранием получают пластинчатые частицы, а при раздавливании — игольчатые.

Волокнистыми, или игольчатыми, частицами считают те частицы, 

у которых длина во много раз превосходит ширину и толщину. К плоским частицам относятся пластинки, листочки, таблички. У них значение толщины и длины превышает значение ширины. Изометричными считаются частицы с приблизительно одинаковыми значениями 
размерных параметров.

Размер частиц 

Частицы зернистого материала имеют неправильную геометрическую форму, и их размеры не могут быть точно определены. Для характеристики размера частиц используют понятие эквивалентного 
диаметра dэкв (среднеарифметическое или среднегеометрическое трех 
размеров):

 
d
l
b
h

экв =
+
+

3
 или d
lbh
экв = 3
.

Точность таких расчетов зависит от отношения d
d

max

min

.

В случае, если d
d

max

min
,
Ј1 5, эквивалентный диаметр определяется 

по формуле Андреасена как d
d
d
d
d

э =
Ч
+
2
2
2

3
max
min

max
min

.

Глава 1. Основные процессы силикатных технологий 

При отношении диаметров d
d

max

min
,
>1 5 значение dэкв определяют статистическим методом. Составляют дискретный ряд фракций d d d
di
1
2
3
,
,
...
, 

им соответствуют определенные вероятности p p
p
pi
1
2
3
,
,
...
. Если эта 

разница слишком велика, тогда этот ряд фракций заменяют рядом 

классов x x
x
xi
1
2
3
,
,
...
. Тогда x
d
d
d
=
+
+
1
2
3

3
.

На практике размер частиц всех форм принимают по размеру отверстия сита, через которые проходят порошки. С помощью сит выделяют порошок, частицы которого имеют известные пределы крупности 
(верхний и нижний). Такой порошок называют фракцией (например, 
фракция 1,0–0,5 мм). Иногда фракцию характеризуют верхним или 
нижним пределом (например, более 2,0 мм или менее 0,5 мм).

Содержание в порошке различных фракций называют зерновым, или 
гранулометрическим, составом. Такой состав представляется в виде таблицы или суммарной кривой распределения, табл. 1.
Зерновой, или гранулометрический, состав продукта помола принято характеризовать помольной характеристикой. Суммарный выход 
продукта — это сумма всех фракций выше (крупнее) заданной, рис. 1.

Таблица 1 
Гранулометрический состав материала 

Фракция, мм
более 5
5–3
3–1
1–0,5
0,5–0,2
менее 0,2
Количество 
фракции, %
4,0
8,3
10,2
36,5
17,2
23,8

Суммарный 
выход верхнего 
продукта, %

4,0
12,3
22,5
59,0
76,2
100,0

Размер зерен, мм
0
1
2
3
4
5

20

40

60

80

100

верхнего продукта, %
Суммарный выход 

 

Рис. 1. Кривая распределения материала по размеру зерен 

1.1. Характеристика зернистых материалов

Насыпная плотность и пористость

Насыпная плотность — масса зернистого материала в единице занимаемого объема. Насыпная плотность, как правило, уменьшается 
по мере измельчения частиц.

Безразмерная величина, характеризующая объемную долю, занятую твердой фазой, называется коэффициентом упаковки, или относительной плотностью. Определить коэффициент упаковки можно 
по формуле 

 
К
W
уп
нас

ист

=
r
r
(
)
1
, 

где W — влажность, в долях единицы.

Поры находятся между частицами, сообщаются между собой и выходят на поверхность. Поры бывают открытые и закрытые. Общую пористость материала можно определить по формуле 

 
П
= (1
) 100 %
общ
уп
Ч
K
.

Угол естественного откоса — внутренний угол конуса, образуемый 

линией естественного откоса с горизонтальной плоскостью, рис. 2.

 

Рис. 2. Угол естественного откоса 

Угол естественного откоса зависит от сил трения, возникающих при 

перемещении частиц относительно друг друга, и сил сцепления между ними. С уменьшением размера частиц и увеличением сил сцепления угол естественного откоса увеличивается.
Удельная поверхность — поверхность всех частиц материала в единице объема (SV) или массы (Sg). Эти величины связаны между собой 
выражением 

 
S
S
V
g
=
каж
r
Ч
.

Единицей измерения Sg является см 2/г или м 2/г, а SV — см 2/см 3.

Глава 1. Основные процессы силикатных технологий 

Удельная поверхность может быть измерена прямым методом или 

рассчитана на основе данных о гранулометрическом составе по формуле 

 
S
Q
d
d

d
=
е
600
r
D

cp
min

max

, 

где Q — содержание частиц ( %); 

ρ — плотность материала (г/см 3); 
d — размер фракции (мкм); 
S — удельная поверхность (см 2/г). 
При этом принимают, что все частицы имеют форму шара.
Различают два вида удельной поверхности пористых и порошковых тел: внешнюю и полную. Под внешней понимают суммарную поверхность частиц, а под полной — внешнюю и поверхность открытых 
пор внутри частиц.

Между расчетными величинами удельной поверхности и среднеповерхностного размера (диаметра) существует зависимость (для монофракционных порошков — внешняя удельная поверхность), см 2/г:

 
S
l
g =
Ч
6
r
, 

где ρ — плотность, г/см 3; 
 l — длина ребра куба (размер частицы порошка), см.
Для изделий внешняя поверхность пор (при условии цилиндрической модели пор) составляет:

 
S
r

V = 2µ , 

где ε — пористость в долях единицы; 

 r — размер пор.
Удельную поверхность определяют с помощью приборов, измеряющих воздухопроницаемость порошков или количество вещества (обычно азота), адсорбированного на поверхности твердых частиц в виде 
мономолекулярного слоя. Методом воздухопроницаемости определяют только внешнюю поверхность частиц без учета «микрошероховатости» поверхности внутричастичных открытых пор.
Внешнюю удельную поверхность определяют методом воздухопроницаемости слоя уплотненного порошка на пневматических поверхностемерах. Метод основан на законе Пуазейля, согласно которому 
объем жидкости или газа V, проходящий через капилляр радиусом r