Учреждение образования
«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
УТВЕРЖДЕНА
Ректором БГТУ,
профессором И.М. Жарским
22 марта 2010 г.
Регистрационный № УД –273/баз.
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ КЕРАМИКИ
И ОГНЕУПОРОВ
Учебная программа для специальности 1-48 01 01 Химическая технология неорганических веществ, материалов и изделий для специализаций 1–48 01 01 09 Технология тонкой функциональной и строительной керамики, 1–48 01 01 11 Химическая технология огнеупорных материалов Минск УДК 666.3/7(075.8) ББК 35.41я Д Рекомендована к утверждению:Кафедрой технологии стекла и керамики учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет» (протокол № 12 от марта 2010 г.);
Научно-методическим советом учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет» (протокол № 3 от 18 марта 2010 г.).
Составители:
Дятлова Евгения Михайловна – доцент кафедры технологии стекла и керамики учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет», кандидат технических наук, доцент;
Бирюк Виктор Алексеевич – доцент кафедры технологии стекла и керамики учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет», кандидат технических наук, доцент Рецензенты:
Г.Т. Широкий – доцент кафедры технологии бетонов и строительных материалов Белорусского национального технического университета, кандидат технических наук, доцент;
А.А. Сакович – доцент кафедры химической технологии вяжущих материалов учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет», кандидат технических наук, доцент
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Дисциплина «Химическая технология керамики и огнеупоров» относится к блоку дисциплин специализации специальности 1-48 01 01 «Химическая технология неорганических веществ, материалов и изделий».Предметом дисциплины «Химическая технология керамики и огнеупоров» является изучение строения и свойств керамических материалов, а также современных процессов и методов керамической технологии.
Цель преподавания дисциплины – формирование инженерных знаний и обеспечение глубокой специальной подготовки студентов в области современного производства керамики.
Основными задачами при изучении дисциплины являются:
- ознакомление с ролью керамических и огнеупорных материалов в народном хозяйстве и дальнейшими перспективами развития керамической технологии в Республике Беларусь и за рубежом;
- формирование современных представлений о структуре керамики и важнейших свойствах керамических материалов во взаимосвязи с их строением;
- изучение основных сырьевых материалов в керамической технологии и оценка сырьевой базы Республики Беларусь;
- изучение теоретических основ и технологических аспектов важнейших процессов и методов керамической технологии;
- ознакомление с дополнительными процессами специфических и вспомогательных производств керамических материалов, а также покрытиями по керамике различного назначения;
- ознакомление с основными положениями охраны труда, противопожарной техники и охраны окружающей среды при производстве керамики.
В соответствии с учебным планом дисциплина «Химическая технология керамики и огнеупоров» изучается после дисциплин «Основы технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов» (используются знания о физико-химических и химических процессах, протекающих при изменении химического состава исходных веществ и материалов) и дисциплины «Физическая химия тугоплавких неметаллических и силикатных материалов» (рассматриваются вопросы строения и свойств твердых материалов, кристаллических, стеклообразных силикатов и силикатных расплавов, механизмы и последовательность протекания фазовых превращений на основе диаграмм состояния). Дисциплина «Химическая технология керамики и огнеупоров» связана с последующим курсовым и дипломным проектированием, включающим анализ составов сырьевых композиций и выбор рационального способа производства керамических материалов различного назначения.
Дисциплина «Химическая технология керамики и огнеупоров» обеспечивает знание:
- основных месторождений минерального сырья Республики Беларусь для керамической промышленности;
- основных положений физико-химии твердого состояния и строения керамики;
- влияния макро- и микроструктуры на свойства керамических материалов;
- основных диаграмм фазового состояния систем, имеющих значение для керамической технологии;
- основных процессов и методов керамической технологии;
- физико-химических основ переноса вещества при сушке и спекании реакции в твердых фазах.
Дисциплина «Химическая технология керамики и огнеупоров» обеспечивает умение:
- выбирать и использовать справочные данные, требования стандартов и ТУ на керамические изделия;
- подбирать минеральное сырье различных типов в производстве при условии обеспечения заданного химического состава масс и фазового состава керамики;
- прогнозировать составы керамических материалов с заданными свойствами и устанавливать зависимость «состав – свойство»;
- использовать методы анализа процессов технологии керамического производства, определения качественного и количественного фазового состава на основе фазовых диаграмм многокомпонентных систем;
- использовать основные методы исследования структуры и свойств материалов, химико-технологических процессов и обработки экспериментальных данных;
- разрабатывать рациональную технологическую схему подготовки сырьевых материалов, получения керамического полуфабриката и его термической обработки, рассчитывать материальный баланс производства;
- использовать основные требования безопасного ведения технологического процесса, включая технику безопасности и охрану окружающей среды.
В качестве основных технологий обучения рекомендуются технологии разноуровнего обучения, преподавание с использованием традиционных методов обучения, таких как работа с доской на лекциях и выполнения экспериментальных лабораторных работ, использование компьютерных программ и презентаций, промежуточных контроль знаний с использованием тестовых заданий. Для повышения эффективности формирования навыков количественного определения и оценки свойств сырья и керамических материалов, а также диагностики компетентности студентов целесообразно использовать выполнение индивидуальных самостоятельных расчетных заданий по изучаемым разделам и итоговую контрольную работу по всему курсу.
Учебный план предусматривает для изучения дисциплины 354 часа, из них 170 аудиторных. Примерное распределение этих часов по видам занятий:
лекций 102, лабораторных 68. Завершающим этапом изучения дисциплины является курсовая работа.
2. ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
разде 1.3. Взаимосвязь фазового состава керамики с диаграммой состояния системы 1.4. Применение и информационность физико-химических переходов и структуры керамических материалов Свойства керамических материалов технологических свойств керамических масс Основные процессы и методы керамического полуфабрикатов Процессы и методы термической обработки керамических материалов и изделий Дополнительные технологические процессы в керамической технологии керамических материалов и изделий Покрытия по керамике 7.4. Металлизация и получение металлокерамических узлов3. СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА
Содержание, задачи и основные разделы дисциплины. Исторические сведения о керамике и керамической технологии. Классификация керамических материалов по эксплуатационному признаку, их роль и значение в народном хозяйстве. Задачи керамической промышленности и перспективы её развития в Республике Беларусь.Раздел 1. Строение керамических материалов 1.1. Структура керамики. Характеристика и роль структурных составляющих в керамике (кристаллическая, стекловидная и газовая фазы).
1.2. Текстура, макро- и микроструктура керамики. Количественное и пространственное распределение составляющих фаз. Монофазные и полифазные керамические материалы. Дефекты кристаллической решетки (объемные, поверхностные, линейные и точечные), их влияние на строение и свойства керамики.
1.3. Взаимосвязь фазового состава керамики с диаграммой состояния системы. Использование диаграмм фазового состояния для проектирования составов и определения температуры синтеза керамических материалов с требуемыми фазовым составом и свойствами.
1.4. Применение и информационность физико-химических методов для исследования фазового состава, фазовых переходов и структуры керамических материалов. Химический анализ, дифференциальнотермический, рентгено-фазовый, рентгено-структурный анализы, оптическая и электронная микроскопия, методы ИКС, КР, ЭПР, ЯМР).
Раздел 2. Свойства керамических материалов 2.1. Плотность, пористость и водопоглощение керамики. Классификация пор по виду и размерам, проницаемость системы. Влияние пористости на основные эксплуатационные свойства керамики. Экспериментальные и расчетные методы оценки пористости.
2.2. Механические и упругие свойства. Взаимосвязь механических свойств со строением кристаллической решетки. Методы оценки предела прочности керамических образцов при различных видах механических воздействий. Зависимость механических свойств керамики от температуры. Деформационные свойства керамики при нагрузках и высоких температурах.
Кратковременная прочность при высокой температуре, температура деформации под нагрузкой, явление ползучести, его механизм, способы оценки.
2.3. Теплофизические и термические свойства. Теплоемкость, теплопроводность, температурный коэффициент линейного расширения. Постоянство объема и массы при нагревании. Огнеупорность керамики. Термостойкость. Стадии термического разрушения. Расчетные и экспериментальные методы оценки и пути повышения термостойкости. Морозостойкость, факторы ее определяющие. Акустические свойства керамики.
2.4. Химическая стойкость керамики. Классификация видов химстойкости (к шлакам, расплавам, растворам, газовым средам). Процессы, происходящие при химической коррозии, в т.ч. высокотемпературной при взаимодействии с расплавами и факторы, влияющие на скорость процессов.
Методы оценки химической стойкости.
2.5. Электрофизические свойства. Электросопротивление, электропроводимость, ее механизм и зависимость от температуры. Кристаллохимические аспекты поляризации материалов, ее виды. Диэлектрическая проницаемость. Диэлектрические потери и их виды, взаимосвязь со структурой материала. Электрическая прочность керамики. Сегнето-, пьезоэлектрические и магнитные свойства керамики.
Раздел 3. Основные сырьевые материалы для производства керамики 3.1. Глинистые материалы. Определение, классификация, происхождение. Вещественный состав глин. Строение глинообразующих минералов, минеральный тип глин. Химический и гранулометрический состав глин.
Примеси в глинах. Система глинавода. Свойства глин (водные, механические, сушильные, термические, технологические). Связь между составом, свойствами глин и областями их использования (диаграмма А.И. Августинника). Основные месторождения глин и каолинов, сырьевая база Республики Беларусь.
3.2. Непластичные материалы. Их классификация по назначению.
Природные и искусственные отощители. Назначение, свойства, получение.
Плавни (флюсующие материалы), их виды, химический и фазовый составы, свойства. Выбор плавней для различных видов керамики. Выгорающие и поризующие компоненты, их назначение, виды. Основные требования к материалам, применяемым для производства огнеупоров и технической керамики.
Использование отходов промышленности в качестве вторичного сырья в производстве керамических изделий. Охрана труда при использовании отходов.
3.3. Специальные материалы для регулирования технологических свойств керамических масс. Технологические связки, пластификаторы, их назначение. Требования, предъявляемые к связкам, их составам и реологическим свойствам. Виды связок и способы их введения в керамические массы.
Физико-химический механизм взаимодействия связки с керамической массой. Электролиты, стабилизаторы, коагуляторы, поверхностно-активные вещества, их назначение и виды.
Раздел 4. Основные процессы и методы керамического производства 4.1. Подготовка сырья и керамических масс. Общая последовательность технологических процессов, их краткая характеристика.
Основные способы обогащения керамического сырья, хранение, транспортировка и предварительная подготовка материалов. Получение компонентов в измельченном состоянии. Зерновой состав материалов, способы его выражения и определения. Основные типы зерновых составов для различных вариантов керамической технологии. Энергетика, кинетика и интенсификация тонкого измельчения. Основные мероприятия по охране труда и защите окружающей среды при процессах измельчения.
Смешивание материалов и подготовка масс. Методы оценки однородности керамических масс. Основные схемы подготовки грубозернистых (полусухих и пластичных) и тонкозернистых масс (полусухих, пластичных и шликеров). Процессы обезвоживания шликеров при мокром способе подготовки массы (фильтрование, электрофорез, распылительная сушка). Вакуумирование и вылеживание пластичных масс, назначение и режимы этих процессов.
Химические методы получения особооднородных смесей и нанопорошков. Классификация методов. Получение порошков в жидкой фазе (химическое осаждение в водных и неводных средах, геторофазный синтез, золь-гель, криохимический и гидротермальный методы, осаждение из расплава). Получение порошков в газовой фазе. Получение порошков с участием плазмы, лазерного луча и электроэрозионным методом.
4.2. Процессы и методы формования керамических полуфабрикатов. Общие характеристики формовочных смесей, их классификация по дисперсности и содержанию связки. Прессование порошкообразных масс.
Структура и свойства пресс-порошков. Последовательность процессов, происходящих при прессовании. Причины неравноплотности прессовок и пути ее устранения. Специальные виды прессования (изостатическое, квазиизостатическое, вибропрессование, вибротрамбование, горячее прессование и др.), их отличительные особенности.
Формование пластических масс. Основные понятия теории пластичности дисперсных систем. Важнейшие характеристики керамических масс в пластическом состоянии. Процесс развития и виды деформаций при пластическом формовании. Способы пластического формования (выдавливание или протяжка через профильные мундштуки, допрессовка или прессштамповка, раскатка в тела вращения). Особенности подготовки и формования безглинистых пластических масс.
Литье керамических полуфабрикатов из жидкотекучих масс. Классификация методов литья и их теоретические основы, общие требования к шликерам. Литье из водных шликеров в пористые формы. Регулирование реологических свойств водных глинистых и неглинистых шликеров. Физикохимическая роль электролитов в разжижении шликеров. Виды электролитов и подбор их оптимального количества. Основные особенности горячего литья из шликеров на термопластическом связующем. Литье тонких керамических пленок из шликеров на полимерных связках. Основные мероприятия при работе с легковоспламеняющимися и взрывоопасными растворителями и связками.
Раздел 5. Процессы и методы термической обработки керамических материалов и изделий 5.1. Сушка керамических полуфабрикатов. Стадии процесса сушки.
Способы регулирования внутренней и внешней диффузии влаги. Факторы, определяющие допустимую скорость удаления влаги при сушке. Методы и режимы сушки в керамической технологии для различных видов изделий.
Пути интенсификации процессов сушки. Способы и режимы удаления органических пластификаторов из полуфабрикатов.
5.2. Процессы спекания и обжиг керамики. Определение и критерии процесса спекания. Термодинамическое описание процессов, протекающих при обжиге. Движущая сила процесса спекания. Классификация процессов по структурным составляющим, определяющим явление спекания и механизм переноса вещества.
Жидкостное спекание. Процесс уплотнения, определяемый вязким течением жидкости и физико-химическим взаимодействием твердой и жидкой фаз. Влияние свойств и строения расплава на процессы массопереноса при спекании. Регулирование и интенсификация процесса жидкофазного спекания.
Твердофазовое спекание. Механизмы переноса вещества: пластическая деформация зерен, испарение-конденсация, поверхностная и объемная диффузия. Процесс рекристаллизации при спекании. Методы интенсификации процесса твердофазового спекания. Роль минерализаторов при спекании.
Спекание под давлением (горячее прессование). Реакционное спекание при взаимодействии с газовой средой обжига.
Обжиг керамических изделий. Факторы, определяющие выбор режима обжига изделий (температура, скорость подъема температуры, изотермическая выдержка, скорость охлаждения). Роль термических напряжений и процессов массообмена при подборе температурно-временных параметров. Мероприятия по охране труда и окружающей среды, осуществляемые на предприятиях при обжиге керамических изделий.
Раздел 6. Дополнительные технологические процессы в керамической 6.1. Получение пористых керамических структур. Типы пористых структур, их назначение и основные характеристики. Методы поризации структуры (введение выгорающих добавок, пенообразователей в концентрированную суспензию, газообразование за счет химических реакций в керамической массе, использование полых микросфер). Особенности получения пористой керамики с высокой проницаемостью для фильтрации жидких и газообразных сред.
6.2. Получение минеральных волокон и их применение в керамической технологии. Требования к волокнам. Основные сырьевые материалы.
Получение минеральных расплавов и типы применяемых установок. Способы волокнообразования (дутьевой горизонтальный и вертикальный, центробежный и центробежно-дутьевой).
6.3. Получение безобжиговых и неформованных керамических материалов и изделий. Наполнители и их назначение. Влияние зернового состава наполнителя на плотность изделий. Связующие материалы (цементы, фосфатные и силикатные связки и др.). Процессы упрочнения безобжиговых материалов.
6.4. Механическая обработка керамики. Назначение процесса и исходные механические характеристики керамики. Виды обработки (резание, шлифование, обработка ультразвуком). Характер разрушения керамики при шлифовании. Применяемые абразивные материалы и их свойства. Шлифовальные порошки, пасты, суспензии.
6.5. Изготовление гипсовых форм. Требования к формовочному гипсу и гипсовым формам. Приготовление и процесс твердения гипсового раствора. Последовательность изготовления форм для литья и пластического формования. Недостатки гипсовых форм. Использование других пористых материалов (металлокерамических и полимерных композиции) для изготовления форм.
7.1. Ангобирование керамических изделий. Ангобы и их назначение.
Составы и применяемые сырьевые материалы. Способы приготовления и нанесения ангобов на поверхность изделий.
7.2. Глазурование керамики. Типы глазурей и их свойства. Составы и методы расчета глазурей. Сырьевые материалы и методы приготовления фриттованных и сырых глазурей. Основные критерии подбора глазурей к керамическому черепку. Способы нанесения глазурей на поверхность изделий.
Дефекты глазурных покрытий, их причины и способы устранения.
7.3. Декорирование керамических изделий. Материалы, применяемые для декорирования. Керамические пигменты, классификация, исходные материалы, технология получения. Керамические краски, надглазурные и подглазурные. Технология их приготовления. Препараты благородных металлов, люстры. Методы декорирования (ручная живопись, декалькомания, аэрография и др.). Закрепительный обжиг декора.
7.4. Металлизация и получение металлокерамических узлов. Назначение металлизации. Требования к металлическим покрытиям по керамике различного назначения. Используемые металлы и металлосодержащие пасты.
Варианты технологии металлизации (метод вжигания металла или соли металла; пламенное, плазменное и вакуумно-плазменное напыления; термокомпрессионная и диффузионная сварка керамики и металла).
4. ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1. Примерная тематика лабораторных работ 1. Приготовление формовочных масс и получение керамических образцов различными методами формования (полусухого прессования, пластического формования, литья).2. Определение пластичности, связующей способности и формовочной влажности глин.
3. Определение воздушной усадки и коэффициента чувствительности глин к сушке (по З.А. Носовой и А.Ф. Чижскому).
4. Изучение процесса влагоотдачи керамических образцов при различных методах сушки (конвекция, радиация, СВЧ).
5. Определение зернового состава порошков ситовым методом с построением интегральных и дифференциальных кривых.
«