Materiały ogniotrwałe - materiały ceramiczne, których ogniotrwałość zwykła jest większa od 1580oC Prof.
Download ReportTranscript Materiały ogniotrwałe - materiały ceramiczne, których ogniotrwałość zwykła jest większa od 1580oC Prof.
Materiały ogniotrwałe
materiały ceramiczne, których ogniotrwałość zwykła jest większa od 1580 o C Prof. dr hab. M. Szafran
Ogniotrwałość zwykła
Ogniotrwałość pod obciążeniem
Ogniotrwałość pod obciążeniem
jest to temperatura, przy której próbka badanego równomiernie wzrastającej temperaturze przy stałym obciążeniu zaczyna mięknąć.
materiału poddana Do badania wycina się próbki walcowe o średnicy i wysokości 50 mm. Zasada oznaczenia polega na rejestracji zmian wysokości próbki stale obciążonej 0,2MPa pod wpływem równomiernie wzrastającej temperatury. Do ogrzewania próbki używa się pieca elektrycznego kryptolowego.
Na podstawie przeprowadzonego pomiaru sporządza się wykres, z którego odczytuje się trzy temperatury charakterystyczne: temperatura początku mięknięcia, w której próbka zostaje zgnieciona o 0,3 mm, - temperatura, w której próbka zostaje zgnieciona o 4% początkowej wysokości, temperatura, w której próbka zostaje zgnieciona o 10% początkowej wysokości.
Temperatury topnienia lub rozkładu związków wykorzystywanych w technologii materiałów ogniotrwałych
SiO 2 Al 2 O 3 BeO Cr 2 O 3 MgO ZrO 2
Tlenki
1750 o C 2050 o C 2580 o C 1990 o C 2825 o C 2700 o C SiC TiC ZrC HfC MgO W 2 C
Węgliki
2300 o C 3140 o C 3530 o C 1990 o C 4160 o C 2850 o C TiB 2 ZrB 2 HfB 2 MoB 2 WB
Borki
2670 o C 3040 o C 3060 o C 2200 o C 2900 o C Si 3 N 4 AlN Be 3 N 4 ZrN
Azotki
1900 o C 2200 o C 2200 o C 2982 o C
Spinele
MgAl 2 O 4 MgCr 2 O 4 2105 o C 2180 o C MoSi 2
Krzemki
2030 o C Al 4 Si 4 O 10 (OH) 8 Al 2 SiO 5 Mg 2 SiO 4
Krzemiany
kaolinit sylimanit forsteryt 1790 o C 1810 o C 1990 o C
Piramida tworzyw ogniotrwałych według Barthel’a
Kwaśne materiały ogniotrwałe
Typ wyrobów
Krzemionkowe Glinokrzemianowe
Grupy wyrobów krzemionkowe wiązane CaO – wypalane krzemionkowe z dodatkami kwarcowo-szamotowe Zawartość SiO 2 , % >93 > 85 >70
Obojętne materiały ogniotrwałe
Typ wyrobów
Glinokrzemianowe
Grupy wyrobów szamotowe szamotowe o zwiększone zawartości Al 2 O 3 wysokoglinowe korundowe Zawartość Al 2 O 3 % 20
45 45
72 72
90 >90
Zasadowe materiały ogniotrwałe
Typ wyrobów
Magnezjowe Magnezjowo wapniowe Magnezjowo spinelowe Magnezjowo krzemianowe
Grupy wyrobów magnezytowe magnezytowo-dolomitowe dolomitowe dolomitowo-wapniowe wapniowe magnezytowo-chromitowe chromitowe- magnezytowe chromitowe peryklazowo-spinelowe magnezytowo-forsterytowe forsterytowe forsterytow-chromitowe magnezytowo-alitowe Zawartość głównych składników, % MgO > 85 MgO >50 CaO > 10 MgO= 35
CaO = 45
50 60 CaO = 60
85 CaO > 85 MgO > 65 Cr 2 O 3 = 5
18 MgO=40
60 Cr 2 O 3 = 15
30 Cr 2 O 3 >25 MgO > 50 Al 2 O 3 > 5 MgO=65
80 SiO 2 > 7 MgO=50
65 SiO 2 > 30 MgO=45
60 SiO 2 Cr 2 O =20 3
30 =5
15 MgO=35
65 SiO 2 =6
15 CaO =15
40
Specjalne materiały ogniotrwałe
Typ wyrobów węglowe karborundowe cyrkonowe tlenkowe nietlenkowe Grupy wyrobów grafityzowane niegrafityzowane szamotowo-grafitowe rekrystalizowane wiązane baddeleyitowe baddeleyitowo korundowe cyrkonowe-wiązane ThO 2 , BeO węglikowe, azotkowe, borkowe ....
Zawartość głównych składników, % C > 98 C > 85 C> 5 SiC > 85 SiC > 60 ZrO 2 >85 ZrO 2 Al 2 O 3 >30 > 60 zawartość podstawowego związku bliska 100
Mikrostruktura materiału ogniotrwalego
Zastosowanie materiałów ogniotrwałych:
Przemysł metalurgiczny
piece do granulacji i redukcji rud (materiały kwarcytowe lub mullitowo-korundowe) wielkie piece (bliki węglowe lub karborundowe w trzonie i garze, materiały szamotowe w szybie) nagrzewnice wielkich pieców (materiały szmotowe o zwiększonej zawartości Al 2 O 3 ) mieszalniki surówki (wymurówka z materiałów magnezytowych lub spinelowych, magnezytowo-chromitowych) kadzie do transportu (materiały glinowe lub glinowo karborundowe konwertory stalownicze (wymurówki zasadowe – dolomitowo-magnezytowe stalownicze piece łukowe (dennica i ściany – mat. chromitowo-magnezytowe, sklepienia mullitowe ciągłe odlewanie stali (kompozyty grafitowo-korundowe, topiona krzemionka, mat. z ZrO 2 )
Zastosowanie materiałów ogniotrwałych:
Przemysł ceramiczny
piece cementownicze (w strefie suszenia i podgrzewania: mat. szmotowe, w strefie spiekania: mat. wysokoglinowe lub zasadowe) piece wapiennicze (materialy szamotowe) piece szklarskie (wanny o pracy ciągłej: topione bloki mullitowo-cyrkonowe, korundowo badeleitowe, korundowe; kraty regeneratorów: szamotowe, forsterytowe, peryklazowe; piece donicowe: materiały szmotowe i wysokoglinowe) piece emalierskie (komory ogniowe: mat. krzemionkowe, ściany i sklepienia: szmotowe, płyty denne: betony ogniotrwałe, palniki i mufle: wyroby sylimanitowe, korundowe, karborundowo-korundowe) piece do wypalania wyrobów ceramicznych (szamotowe, wysokoglinowe)
szamotowe
sylimanit i mullit
SiC magnezjowe
piec obrotowy
Materiały ogniotrwałe do izolacji - włókna Al 2 O 3 tkaniny bloki papier moduły taśmy
Podział materiałów ogniotrwałych ze względu na sposób wytwarzania
1. Obrabiane – otrzymywane przez mechaniczne obrabianie występujących w przyrodzie skał, jak np. łupek kwarcytowy 2. Wypalane – otrzymywane przez formowanie z mas plastycznych, sypkich lub lejnych i wypalanie do temperatury zależnej od rodzaju wyrobów 3. Chemicznie wiązane – otrzymywane przez formowanie, analogicznie jak w punkcie 2, lecz z dodatkiem substancji wiążących bez wypalania 4. Topione – otrzymywane przez stopienie surowców i odlewanie
Typowe składy mas na niektóre wyroby ogniotrwałe i temperatury ich wypalania
Schemat produkcji materiałów ogniotrwałych szmotowych
Kielski
Nieformowane materiały ogniotrwałe 1. Zaprawy (łączenie kształtek ogniotrwałych) 2. Masy instalacyjne (do formowania obmurzy ogniotrwałych na miejscu instalacji): betony ogniotrwałe, masy do ubijania 3. Masy naprawcze 4. Powłoki ochronne
Betony ogniotrwałe
składnik ziarnisty ogniotrwały + drobno zmielony składnik wiążący o właściwościach wiązania i twardnienia hydraulicznego lub powietrznego w temperaturze otoczenia Wymagania stawiane betonom ogniotrwałym: 1.
2.
3.
Zdolność do wystarczająco szybkiego wiązania w warunkach atmosferycznych i osiaganiu wystarczającej spoistości po związaniu, przy małej skurczliwości po wysuszeniu.
Wystarczająca ogniotrwałość i stałość objętości w temperaturach roboczych.
Odporność na działania niszczące środowiska roboczego: korozję chemiczną, wstrząsy cieplne i uszkodzenia mechaniczne.
• • Podział betonów ogniotrwałych: • żaroodporne (ogniotrwałość poniżej 1580 o C) ogniotrwałe (1580-1770 o C) wysokoogniotrwałe (powyżej 1770 o C)
Porcelana
Tworzywo lub wyrób ceramiczny Najczęściej szkliwiona O silnie spieczonym czerepie O nasiąkliwości < 0,2% Przeświecalna w cienkiej warstwie (do 2,5 mm) O dużej wytrzymałości mechanicznej i elektrycznej Wypalana: Dwukrotnie – • na biskwit • „na ostro” - po uprzednim zdobieniu farbami podszkliwnymi i szkliwieniu Trzykrotnie – • na biskwit • „na ostro” - po uprzednim szkliwieniu • po zdobieniu farbami naszkliwnymi lub wszkliwnymi
Porcelana Twarda Miękka
(skaleniowa)
Stołowa Artystyczna Techniczna Kostna Frytowa Parian Vitreous china
Klasyczny skład masy to:
50% kaolinu szlamowanego
25% kwarcu
25% skalenia
Wypalanie
Na biskwit w temp. 900 – 1000°C
Na „ostro” w temp. 1380 – 1460°C
elektrotechniczna radiotechniczna
Klasyczny skład masy
25% kaolinu szlamowanego
30% kwarcu
45% skalenia
Wypalanie
Na biskwit w temp. 900 – 1000°C
Na „ostro” w temp. 1200 – 1300°C
Porcelana
Wyrób ceramiki klasycznej (właściwej) Tworzywo o określonym kształcie uzyskiwane przez wypalenie lub spiekanie surowców ilastych lub mas plastycznych zawierających surowiec ilasty jako środek spajający Wyrób o czerepie spieczonym Otrzymywany z mas ceramicznych przez ogrzanie do wysokiej temperatury aż do spieczenia (zagęszczenia przy udziale fazy ciekłej) ich składników Odznacza się litym przełamem i małą porowatością Może być produkowany z mas, dla których przedział między temperaturą spiekania i mięknięcia jest dostatecznie duży (po przekroczeniu temp. mięknięcia następuje deformacja wyrobu)
Cechy wyróżniające porcelanę
Biały kolor
Brak porowatości
Trwałość
Odporność na nagłe zmiany temperatury
Odporność chemiczna
Nieprzepuszczalność dla gazów i cieczy
Przeświecalność
Porównanie porcelany twardej i miękkiej
Porcelana Twarda Miękka Masa ceramiczna Orientacyjny skład / % wag
Kaolin szlamowany Skaleń Kwarc Zasobna w materiały ilaste 40 - 65 20 - 30 20 - 30
Temperatury wypalania / °C
Na biskwit „ Na ostro ” Po zdobieniu 900 - 1000 1380 – 1460 ok. 800 Zasobna w składniki skaleniowe 20 - 40 25 - 45 25 - 45 900 - 1000 1200 - 1300 -
H I S T O R I A
Protoporcelana
Chiny
Wytwarzana z kaolinu i szpatu polnego (pai-tun-tzŭ) Wyroby z pai-tun-tzŭ jako szkliwo pokrywające szarawy czerep wypalany w dużym ogniu Produkowana już na początku dynastii Han (II wiek p.n.e.) co potwierdza odnalezienie takich wyrobów w grobowcach tej dynastii
Dynastia Ming (1368-1644)
Doprowadzenie do opracowanych technik perfekcji wcześniej Założenie w Zhushan pierwszej manufaktury, produkującej na dwór cesarski Tworzenie nowych wzorów Dążenie do osiągnięcia jak najwyższej klasy wyrobów
Europa
Wieści o chińskiej porcelanie do Europy przywiózł Marko Polo w 1298 roku W swoim pamiętniku użył nazwy „porcelana” na określenie wyrobów, które zobaczył, gdyż najprawdopodobniej skojarzyły mu się one z muszlami genus porcellana, mającymi połyskującą, ubarwioną powierzchnię silnie Dzięki odkryciu przez Vasco da Gama’e morskiej drogi do Indii możliwy stał się import porcelany, jak i jedwabiu czy przypraw korzennych Porcelana była towarem ekskluzywnym i stać na nią było tylko najbogatszych Zainteresowanie porcelaną z Dalekiego Wschodu stało się przyczyną usilnych prób odkrycia sekretu wytworzenia masy porcelanowej
Porcelana twarda typu misieńskiego
Skład opracował w Dreźnie w 1709 roku Jan Fryderyk Boettger (zajmował się alchemią i próbował przemienić pospolite metale w złoto ) Odkrył on, że do wyrobu twardej porcelany niezbędny jest kaolin, kwarc i skaleń W 1710 roku król August Mocny wybudował w Miśni pierwszą europejską manufakturę porcelany Stosowano do wyrobu mocno dekorowanych serwisów stołowych, które świadczyły o zamożności domu Początkowo malowana kolorowymi a w 1725 r. uzyskano błękity podszkliwne emaliami, W latach 1735 - 1737 wykonano pierwszy wielki serwis stołowy dla hrabiego Sułkowskiego W latach 1737 – 1742 zrobiono dla hrabiego von Bruhla serwis zwany łabędzim, złożony z 2200 sztuk porcelany
Nie udało się jednak utrzymać w tajemnicy składu i w kolejnych latach powstały takie manufaktury jak: • 1718 r. – Wiedeń (Austria) • 1740 r. – Berlin (Niemcy) • 1744 r. – Petersburg (Rosja) • 1756 r. – Sevres (Francja) • 1775 r. – Kopenhaga (Dania) • 1790 r. - Ćmielów (najstarsza fabryka w Polsce)
Porcelana kostna
(bone china)
Skład opracował Thomas Frye w 1748 roku W tym samym roku założono Royal Crown Derby ( obecne Royal Doulton) Szkliwiony czerep odznacza się dużym stopniem białości i przeświecalności Skład masy • Kaolin 35 % wag • Kamień kornwalijski 30 % wag • Popiół z kości bydła 35 % wag Wypalana dwukrotnie • Na biskwit w temp.1200 – 1300°C • Po szkliwieniu w temp. 1120 - 1180°C
Jak rozpoznać pierwszy „sort”
Na wewnętrznych ściankach nie może być tzw. muszek czyli ciemnych kropeczek. Jeśli są oznacza to, że do produkcji użyto surowców gorszej jakości Brzegi filiżanki pierwszego gatunku powinny być idealnie okrągłe i gładkie Zewnętrzne i wewnętrzne ścianki filiżanki powinny być przejrzyste i gładkie, bez zgrubień, przebarwień i zacieków Najwyższej jakości porcelana jest malowana ręcznie. Często uszlachetnia się ją złotem lub platyną
Produkcja porcelany
Projektowanie
Proces produkcji porcelany rozpoczyna się w modelarni, gdzie pomysły projektantów przemieniane są przez modelarzy w formę przestrzenną.
Surowce
Do produkcji porcelany używa się następujących skał: kaolin kwarc skaleń Surowce te należy dokładnie rozdrobnić, a następnie połączyć w odpowiednich proporcjach dodając wody.
Formowanie
• • •
Toczenie
półprodukty formowane przez maszyny stosuje się masy plastyczne produkcja m.in. talerzy, kubków czy filiżanek • • •
Odlewanie
półprodukty odlewane w formach gipsowych stosuje się masy lejne produkcja wyrobów cienkościennych np. wazy, dzbany, figury (odlewanie jednostronne) grubościennych np.
(odlewanie dwustronne) wyroby sanitarne • •
Prasowanie
stosuje się masy półsuche produkcja drobnych wyrobów technicznych np. dla przemysłu elektrotechnicznego czy tkackiego
Suszenie
Wypał biskwitowy
Uzyskanie półfabrykatu bardziej wytrzymałego można szkliwić i wykańczać mechanicznie bez obawy uszkodzenia Prowadzony tunelowych w piecach Zapewnia uzyskanie pewnej wytrzymałości mechanicznej Zmniejsza zawartość wilgoci w wyrobach Przeprowadzane w suszarniach powietrznych lub w pobliżu pieców ( T <100°C) Wilgoć zawarta w wyrobie może być przyczyną pęknięć podczas wypalania
Szkliwienie
Szkliwo
Ca, Fe, Al
–
cienka warstwa szklista na powierzchni wyrobu ceramicznego, złożona z tlenków metali i niemetali, a także związków takich pierwiastków jak Pb, B, Sn, • Zapewnia szczelność • Zwiększa wytrzymałość • Nadaje gładkość • Nadaje obojętność chemiczną • Zmniejsza nasiąkliwość • Pełni funkcje i estetyczne dekoracyjne
Szkliwienie
może odbywać się przez: • Zanurzenie • Polewanie • Rozpryskiwanie na powierzchni wyrobów
Wypał „na ostro”
Szkliwo topi się i nadaje porcelanie połysk i gładkość Porcelana uzyskuje swoje charakterystyczne właściwości Otrzymujemy białą, twardą i błyszczącą porcelanę
Dekoracja
Dekorowanie kalką ceramiczną Ręczne zdobienie za pomocą złota lub platyny
Wypał dekawy
850°C • Otrzymujemy dekoracje naszkliwną • Wyczuwalna pod palcem 1250°C • Otrzymujemy dekorację wszkliwną • Całkowicie wtopiona w szkliwo • Można myć w zmywarkach i używać w kuchenkach mikrofalowych
Porcelana techniczna
Cechy: Twardość Wytrzymałość na ściskanie Wysoka temperatura topnienia Własności dielektryczne Odporność na działanie czynników klimatycznych i chemicznych Wyroby:
Izolatory
• Liniowe • Stacyjne • Trakcyjne • Aparatowe
Inne wyroby
• Osłony elektrotechniczne • Wyroby oświetleniowe • Wyroby elektroinstalacyjne • Podokienniki porcelanowe
Tworzywa porcelanopodobne
Wykazują lepsze właściwości:
Mechaniczne – np. wytrzymałość na rozciąganie Termiczne – odporność na nagłe zmiany temperatury Chemiczne Magnetyczne Elektryczne – znaczna oporność elektryczna
Rodzaje:
Anortytowe – kalcyt, tlenek glinu, kwarc, kaolin Celsjanowe – witheryt, tlenek glinu, kwarc, kaolin Cyrkonowe – baddeleyit, kwarc, cyrkon Forsterytowe – magnezyt, kwarc Kordierytowe – magnezyt, tlenek glinu, kwarc, kaolin Korundowe – tlenek glinu Mullitowe – kaolin, tlenek glinu, sillimanit Peryklazowe – magnezyt, tlenek magnezu Steatytowe – talk, witheryt, magnezyt, kwarc Wollastonitowe – wollastonit, kwarc, kalcyt