Kémiai technológia I. Szilikátkémiai technológia

Szilikátiparok jelentősége Szilikátok A földkéreg fontos alkotói Ércként nem hasznosíthatók: stabilak, kémiailag nehezen bonthatók Átalakításukkal kapott termékeket hasznosítjuk: építőipar, gépipar, kohászat, elektronika Reakciók: ált. szilárd fázisban, magas hőmérsékleten Kémiai technológiájuk csoportjai: Kerámiaipar Építőipari kötőanyagok Üvegipar

Kerámiaipar Kerámiai anyagok alkalmazási területei: köznapi használati tárgy építőanyag hiradástechnika – szigetelőanyag kohászat, üvegipar, tüzeléstechnika - tűzálló anyag autóipar – gyújtógyertya, monolit katalizátorváz fémmegmunkálás – csiszolókorongok

Kerámiaipari nyersanyagok képlékeny nem képlékeny soványító ömlesztő adalékok plasztikusságot adó Agyag: Agyagásványokat tartalmazó, laza üledékes eredetű, törmelékes kőzet, rendszerint 2μm-nél kisebb szemcsemérettel Vízzel összegyúrva jól formázható, képlékeny; a kiformázott test száradás után az alakját megtartja;kiégetése során a képlékenységét elveszti és kemény, kőszerű kerámiai anyaggá alakul át Átlagos kémiai összetétel: Al2O3· (0,2 – 6) SiO2· (0,5-19) H2O Agyag + mészkő = márga

Kerámiaipari nyersanyagok Téglaagyag: homokkal és egyéb anyagokkal szennyezett, alacsony olvadáspontú agyagféleség. Vastag falú, nem tűzálló kerámiatermékek készítésére alkalmas. Gyakori káros szennyezője a mészkő és dolomit (mészkukac). Fazekas agyag: az előzőhöz hasonló, csak sokkal tisztább, meszet, homokot kisebb százalékban tartalmazó agyagféleség. Vékony falú kerámiák, fazekas termékek készítésére alkalmas. A jó minőségű fazekasagyag hazánkban ritka. Tűzálló agyag: döntően a kaolincsoportba tartozó agyagásványokat tartalmaz. Az előzőeknél világosabb, sárgás, fehéres színű agyagféleség. Tűzálló termékek, nagyszilárdságú téglák gyártására alkalmas. Olvadáspontja 1500 °C feletti. Magyarországon kevés helyen bányászható (Felsőpetény). Kaolin: szennyező anyagoktól mentes, fehérre égő nemes agyag. Különféle finomkerámiák gyártására alkalmas nyersanyag.

Kerámiaipari nyersanyagok A szükségesnél kövérebb agyagok soványító adalékok hozzáadásával kellő minőségűre alakíthatóak. Ilyenek lehetnek például a téglagyártásnál felhasznált kvarchomok, homokkő, téglatörmelék, pernye. Ennek ellentettjét érjük el igen nagy agyagásvány- tartalmú agyagok hozzáadásával, melyek az alapanyag plasztikusságát növelik. A kerámiatermékek végső tulajdonságukat égetéssel érik el. Az égetési hőmérséklet csökkentése érdekében ömlesztő adalékokat adunk az agyaghoz, mely szinte kivétel nélkül földpátokból áll, pl. ortoklász: K2O· Al2O3· 6 SiO2

Gyártástechnológia Nyersanyag őrlés Formázás: Szárítás Égetés Aprítás + keverés (nedves őrlés) Formázás: Nedves: korongozás, extrudálás, öntés Száraz: préselés (0,05 – 1 t/cm2) Szárítás Természetes (napenergia) Mesterséges Égetés Szilárd fázisú reakciók olvadékképződés, átkristályosodás Égetési hőmérséklet: tégla: 900 – 1000 °C meszes, földpátos kőedény: 1100 – 1250 °C kőagyag, keramit: 1200 – 1350 °C porcelán: 1250 – 1450 °C tűzálló anyagok 1300 – 1700 °C

Gyártástechnológia 150-200 °C : eltávozik a mechanikailag kötött víz, az agyag kiszárad 150-400 °C: kiégnek az agyagban található szerves szennyeződések, eltávozik az un. szerkezeti víz, az agyag elveszti képlékenységét 280 °C: az α-krisztobalit átalakulása β- krisztobalittá: térfogatváltozással járó folyamat, repedésveszély! 575 °C: az α-kvarc átalakulása β-kvarccá: térfogatváltozással járó folyamat, repedésveszély! 800 °C-tól: elbomlanak a karbonátok, a képződő CaO, MgO reagál az agyag szemcsékkel, megkezdődik az olvadás 870-1050 °C: Al2O3·2 SiO2·2 H2O → Al2O3·SiO2 + SiO2 + 2 H2O égetés 1050-1500 °C: 3 (Al2O3·SiO2) → 3 Al2O3·2 SiO2 + SiO2

Kerámiatermékek közönséges tégla + tetőcserép formázás szárítás égetés Jellemzők: anyagi összetétel szilárdság porozitás, vízfelvevőképesség fagyállóság víztartó - vízáteresztőképesség

Alagútkemence A kemence egyenes égetőcsatorna, melyben a tűzzóna középen található. A fűtésre elsősorban földgázt használnak. Az árut kocsikon tolják át a kemencén, s az elvonuló füstgázok fokozatosan melegítik elő a tűzzónához közeledő árut, mely a tűzzónától távolodva fokozatosan hűl. A kocsikat, melyek felső lapja samot, alsórésze pedig a tűztől el van szigetelve, 1-2 órai időközökben tolják előre. A kemence hossza 50-80 méter. Építési költségük tetemes, azért csak értékesebb áruk égetésére használják. A durvább agyagárukat (téglafélék, fazekasáru, agyagcsövek, kôagyagáruk) úgy rakják be a kemencébe, hogy a láng, füstgázak, szállóhamu érintkezik a berakott áruval (szabadtûzben való égetés), míg a finomabb agyagárukat (kôedény, porcellán), amelyeken kényes máz és díszítés van, megvédik a lánggal, füstgázzal és hamuval való érintkezéstôl

A téglagyártás munkafázisai 1. Agyagkitermelés 2. Depónia készítés

A téglagyártás munkafázisai 3. Az elkészült agyagdepó 4. Az agyag és a fűrészpor a szekrényes adagolóba kerül

A téglagyártás munkafázisai 5. Az agyag és a fűrészpor őrlőgépeken halad keresztül 6. Az összeőrölt agyag és fűrészpor keverék a pihentetőben

A téglagyártás munkafázisai 7. Az összeörölt agyag és fűrészpor keveréket vedersoros kotró dolgozza össze 8. Az agyag a vákuumprésbe kerül

A téglagyártás munkafázisai 9. A szájnyíláson keresztül a formázott agyag kikerül a présből 10. A „téglakígyót” a daraboló megfelelő méretre vágja

A téglagyártás munkafázisai 11. A téglaformájú agyag a szárítókocsira kerül 12. A formázott agyagtermék a szárítón végighalad

A téglagyártás munkafázisai 13. A kiszárított agyag kijön a szárítóból 14. A kiszárított terméket a rakodó a kemencekocsira helyezi

A téglagyártás munkafázisai 15. A kiszárított tégla elkezdi az útját a kemencében 16. A kiégetett tégla kijön a kemencéből

A téglagyártás munkafázisai 17. Az ürítő rakodó gép a raklapra helyezi a téglát 18. A csomagológép a zsugorfóliát rámelegíti a rakatra

A téglagyártás munkafázisai 19. A rakatok kikerülnek a gyártócsarnokból 20. A villástargonca a tárolóterületre hordja a rakatokat

Tűzálló anyagok Kazánok, égető- vagy olvasztókemencék, kohók és más nagy hőmérsékletnek kitett építmények belső falazatának építőelemei 1600 °C-ig: samott, szillimanit (Al2SiO5) 1800 °C-ig: szilikatégla, magnezit mullit (3Al2O3·SiO2) 2100 °C-ig: karborundum, korund 2100 °C-tól: grafit

Porcelán Tömörre égetett fehér kerámiai termék. Kínában már évezredekkel ezelőtt készítettek porcelánárukat A porcelángyártás európai felfedezője az alkimista Böttger volt (1709) Összetétele: Plasztikus anyag ~ 50% kaolin Soványító anyag ~ 25% kvarchomok Ömlesztő adalék ~ 25% földpát MÁZ: ~ 50% földpát

Porcelángyártás A három alapanyagot vízzel elegyítik és úgynevezett dob- malomban, 63 mikron szemcseméret alá őrlik. A kapott iszapot szitákon vezetik át és szűrősajtolóval víztelenítik, majd az anyagot pihentetik A porcelánmasszából a tárgyakat gipszformák és sablonok segítségével fazekas korongon vagy öntéssel és sajtolással formálják

Porcelángyártás Formálás után az árukat megszárítják, majd égetőkemencében 900°C-on kiégetik (samott tok!) A terméket mázazzák. A máz lényegében az árunak egy üvegszerű szilikáttal való bevonata, amely a mázas égetés (1360-1380 °C-on) során tömörré, üvegszerűvé alakul. A minősített fehér porcelánokat ezután dekorálják. A díszítés anyagai a porcelán festékek, amelyek „alacsony„ olvadáspontú színezett üvegek. Végül a dekorált porcelánt 820-850 °C-os hőmérsékleten kiégetik.

Csiszolókorongok Normál elektorkorund ~ 95-96% Al2O3 Nemes elektorkorund ~ 99,5% Al2O3 + kötőanyag

Építőipari kötőanyagok Azok az anyagok, amelyek – kémiai és fizikai folyamatok hatására – képesek folyékony vagy pépszerű állapotukból szilárd állapotúvá átalakulni, szilárdságukat az idők folyamán általában fokozni, s ez által a hozzájuk kevert szilárd anyagokat is összeragasztani

Mész Nyersanyaga: mészkő A mészkövet „kiégetik” vagyis addig melegítik, míg a megkötött szén- dioxid "elillan" belőle és keletkezik "égetett mész" (kalcium-oxid): CaCO3 = CaO + CO2 „Mészoltásnál” az égetett mészből (kalcium-oxid) vízzel „oltott mész” (kalcium-hidroxid - Ca(OH)2) keletkezik CaO + H2O = Ca(OH)2 Ebből készül a habarcs. A falazásnál használt oltott mész idővel a levegőből felvett szén- dioxiddal visszaalakul mészkővé (kalcium-karbonát), amiből kiindultunk. Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O

Gipsz CaSO4· 2 H2O: gipsz CaSO4· 1/2 H2O: hemihidrát: 120°C felett CaSO4: anhidrit: 200°C felett

Portlandcement Hidraulikus kötőanyag Összetételük szerint: Szilkátcementek Aluminátcementek Nyersanyagok: Agyag Mészkő vagy márga CaCO3 tartalom kb 76-78% Technológia: Őrlés Égetés (1450°C), Klinkergyártás Pihentetés Finomörlés

A cement előállítása A kitermelt anyagokat több fokozatban aprítják A kívánt vegyi összetételnek megfelelően mesterségesen állítják elő a keveréket Az előkészített anyagokat őrléssel, homogenizálással készítik elő (nyersliszt)

A cement előállítása Klinkerégetés Az égetés a forgókemencében zajlik, amely 3-4% lejtésű, tűzálló béléssel kifalazott acélhenger. Hossza több mint 100 m, átmérője kb. 5 m. Itt megy végbe a zsugorítással történő klinkerégetés: azaz a klinker (nagy kalcium-oxid tartalú ásványok) képződése. Ez a folyamat 1450 –1500 °C hőmérsékleten történik. Fontos folyamat a klinker hűtése. A hűtés tulajdonképpen a végbement kémiai folyamatok befagyasztását, a képződött klinkerfázisok megőrzését, és kezelhető hőmérsékletű klinker előállítását szolgálja.

A cement előállítása Cementőrlés A lehűtött klinkert 1-2 hétig tárolják Az örlés célja a megfelelő szemcseméretű cement előállítása A klinkerhez – finomra örlés előtt – a kötési idő szabályozása céljából néhány százalék gipszet adnak (meghosszabítja a kötésidőt)

A cement előállítása

A cementek vegyi összetétele Klinkerásványok alit - trikálcium-szilikát belit - dikálcium-szilikát Jellemzők: modulusok

A cement kötése és szilárdulása Hidrolízis Hidratáció Hidrolízis: Hidratáció:

Üvegipar Üveg: Termék Állapot: a molekulák izotrop rendezetlenségű szilárd halmazt képeznek Melegítésre az üveg újra meglágyul és viszkozitása a hőmérséklet emelésével fokozatosan csökken. Olvadáspontja az üvegnek nincs. Üvegalkotó oxidok:

Üvegek összetétele

Az üveggyártás technológiája Alapanyagok: kvarchomok, szóda (és/vagy K2CO3, Na2SO4), mészkő, timföldhidrát, dolomit, bórax, mínium Technológia: alapanyag őrlés, keverés, olvasztás ( ~ 1450°C), formázás, hőkezelés Olvasztás részfolyamatai: szilikátképződés, üvegesedés, tisztulás, homogenizálódás

Termékek A feldolgozás főbb ágazatai: Öblös üvegeket cső vagy „pipa” segítségével fúvással készítenek vagy úgy, hogy formába fújják az üveget, vagy forma nélkül alakítják. Tömegcikkek, pl. folyadéküvegek izzólámpaburák stb. gyártására körforgó automaták szolgálnak, melyek formába fújják a megfelelő mennyiségű üvegömledéket. Vastag falú üvegtárgyakat sajtolással állítanak elő. Táblaüveget úgy gyártanak, hogy kb. 1100°C –os hőmérsékletű ömledéket egy, az üvegtábla szélességének megfelelő hosszúságú vízszintes résen át lemez alakban felhúzzák és kb. 500°C-ra lehűtve hengerpárokból álló függőleges hengersoron vezetik át. A hengersor végén már teljesen megszilárdult az üvegszalag, amit géppel a kívánt hosszúságú darabokra vágnak. Vastagabb üvegtáblákat öntéssel gyártanak úgy, hogy vízszintes hengersorra folyatják az üvegtörmeléket. Az üvegcsöveket géppel gyártják húzás útján.