KERÁMIATAN I. MISKOLCI EGYETEM. Mőszaki Anyagtudományi Kar Kerámia-és Szilikátmérnöki Tanszék. gyakorlati segédlet

Átírás

1 MISKOLCI EGYETEM Mőszaki Anyagtudományi Kar Kerámia-és Szilikátmérnöki Tanszék KERÁMIATAN I. gyakorlati segédlet 1. gyakorlat: Porcelán öntımassza oxidos összetételének meghatározása Összeállította: Dr. Simon Andrea Géber Róbert

2 MISKOLCI EGYETEM KERÁMIATAN I. Műszaki Anyagtudományi Kar Gyakorlati útmutató Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék 1. gyakorlat 1. A gyakorlat célja A gyakorlat során a hallgatók több lépésben ismerik meg a finomkerámia-ipari termékek gyártástechnológiai folyamatát, és az ehhez kapcsolódó számítási feladatokat. Az elsı gyakorlaton az alapanyagok rövid áttekintése után az öntımassza oxidos összetételének számítását gyakorolják. Következı lépésként megtanulják, hogyan lehet adott összetételő, nedvességtartalmú massza nedvességét a gyártáshoz szükséges mennyiségre beállítani. A harmadik gyakorlaton a szárítás és égetés során lejátszódó folyamatokat, illetve az ezzel kapcsolatos számításokat, az égetési veszteség meghatározását ismerhetik meg. Végül a mázazás rövid elméleti hátterét, illetve adott összetételő máz lineáris hıtágulási együtthatójának meghatározását sajátítják el. A laborgyakorlat helye: a Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék Portechnológiai Laboratóriumának oktatóterme. A gyakorlathoz szükséges: számológép (nem telefon), periódusos rendszer, saját jegyzet. 2. Ajánlás A gyakorlat másodéves Anyagmérnök BSc képzésben résztvevı nappali hallgatók tantervében szerepel a Kerámiatan I. címő tantárgy keretein belül. A gyakorlat elvégzéséhez általános kémiai és matematikai ismeretek, továbbá a szilikátipari alapanyagok összetételének ismerete szükséges. 3. Elméleti alapok A számítási feladatok elvégzése elıtt az alábbiakban röviden jellemezzük a porcelánmasszák legfontosabb alapanyagait. Kaolin Porcelán termékek elıállításakor a földes szerkezető kaolint kvarccal, földpáttal és vízzel keverik össze, amelynek eredményeként egy sőrő, mégis jól önthetı, világos masszát kapnak. A kaolin fı alkotórésze az ún. kaolinit ásvány, amely egy alumínium-szilikát agyagásvány (Al 2Si 2O 5(OH) 4). Sőrősége 2,6 g/cm 3, keménysége a Mohs-féle keménységi skála szerint 1-2 közötti. 1

3 A többnyire világos, fehér színő ásvány triklin kristályrendszerben kristályosodik; ırlés, aprítás hatására tökéletesen hasad. A kaolinitásvány finom pikkelyekbıl áll (1. ábra). Ipari felhasználása sokrétő: a porcelángyártás mellett alkalmazzák még a festékiparban, papíriparban töltı-anyagként, valamint élelmiszeradalékként (E 559) az élelmiszeriparban is. 1. ábra. A kaolinit szerkezete Kvarc A kvarc (SiO 2) a földkéreg egyik legelterjedtebb, legnagyobb mennyiségben elıforduló ásványa. Sőrősége 2,66 g/cm 3, Mohs-keménysége 7. A tiszta kvarc színtelen, átlátszó ásvány, már kis mennyiségő szennyezıanyag is igen változatos színőre festheti. 573 C alatt trigonális kristályrendszerő α-kvarc, ezen hımérséklet felett 2. ábra. Kvarc pedig hexagonális kristályrendszerő β-kvarc keletkezik. Nem hasítható, töretfelülete kagylós. Elterjedten alkalmazzák alapanyagként az optikai és az elektrotechnikai iparban. Az aprított kvarchomokot az üvegipar, az építıipar, és a kohászat is alkalmazza. Megtalálható még alap-, és segédanyagok formájában a csiszolóanyag-iparban, valamint a tőzállóanyag-iparban is. A tiszta kvarchomokkı és kvarcit a fémszilícium gyártásának nyersanyaga is. A szennyezett (különbözı színő) kvarc változatait ékszerek készítésére használják. Földpát A földpátokat legtöbbször a finom agyagáruk, a kıedények és porcelánok gyártásánál használják. Az aránylag alacsony hıfokon olvadó földpát ezeket az agyagárukat keménnyé és tömörré teszi. Mivel a tiszta földpát drága, ezért helyette célszerően olyan részben elkaolinosodott földpáttartalmú kızeteket alkalmaznak, melyekben a földpáton kívül kvarc és agyagszubsztancia is van. Legismertebb ásványai (3. ábra):

4 Albit (Nátronföldpát; NaAlSi 3O 8) triklin kristályrendszerben kristályosodó nátriumaluminát-szilikát ásvány, melynek sőrősége 2,6-2,65 g/cm 3, Mohs-féle keménysége 6-6,5. Ortoklász (Káliföldpát; KAlSi 3O 8) monoklin kristályrendszerben kristályosodó kálium-aluminát-szilikát ásvány, melynek sőrősége 2,55-2,63 g/cm 3, Mohs-féle keménysége 6. Anortit (Kalciumföldpát; CaAl 2Si 2O 8) triklin kristályrendszerben kristályosodó kalcium-aluminát-szilikát ásvány, melynek sőrősége 2,72-2,75 g/cm 3, Mohs-féle keménysége 6. Mindhárom ásványra jellemzı, hogy egy kitüntetett irányban nagyon jól hasíthatóak. Albit Ortoklász Anortit 3. ábra. Ásványi földpátok Dolomit A dolomit üledékes kızet, melynek alkotó ásványa a dolomit (kalcium-magnéziumkarbonát, CaMg(CO 3) 2). A karbonátok osztályába sorolható, trigonális romboéderes kristályrendszerben kristályosodik. Romboéder lapjai mentén kitőnıen hasítható. Ipari felhasználása széleskörő: az üveggyártásban és a kohászatban olvadáspont csökkentı adalékanyagként; az építıiparban építıkövek, mőkövek, nemesvakolatok alapanyagaiként, valamint utak alapozásához használják. Dolomitot alkalmaznak súrolóporok 4. ábra. Dolomit ásvány gyártásához és magnézium elıállításához is. A különbözı finomságú dolomitliszteket a mőanyagipar, a festékipar, valamint a gumiipar hasznosítja, sıt kozmetikumok elıállítására is alkalmas.

5 4. Az összetétel meghatározása számítással Készítsünk 150 kg, az 1. Táblázatban megadott összetételő öntımasszát. A rendelkezésre álló nyersanyagok: földpát, kaolin, kvarc. 1. Táblázat. A porcelánmassza oxidos összetétele Oxid SiO 2 Al 2O 3 K 2O Fe 2O 3 CaO MgO Összesen m/m% 58 26,1 4,8 0,85 0,13 0,08 89,96 A felhasznált alapanyagok leggyakoribb szennyezıi (mint az a fenti táblázatból is látható) a Fe(III)-, a Ca- és a Mg-oxid. Ezek együttes mennyisége ritkán haladja meg az 1 m/m%-ot, így a számítás során elhanyagolhatóak. A megadott oxidok együttes mennyisége <100 m/m%, a különbözet az alapanyagok adszorbeált 1, illetve szerkezeti nedvességtartalmából, valamint az égetési veszteségbıl adódik. Elsı lépésként határozzuk meg, hogy a masszának milyen mennyiségben kell tartalmazni a megadott összetevıket: SiO 2: 58 m/m% 150 kg 0,58= 87 kg (1) Al 2O 3: 26,1 m/m% 150 kg 0,261= 39,15 kg (2) K 2O: 4,8 m/m% 150 kg 0,048= 7,2 kg (3) Tehát a massza az egyes oxidokból a következı mennyiségeket tartalmazza: 87 kg SiO 2; 39,15 kg Al 2O 3; 7,2 kg K 2O. Mivel ezeket a megadott alapanyagokkal (földpátból, kaolinból, kvarcból) biztosítjuk, így célszerő rendszerbe foglalni, hogy ezek a nyersanyagok milyen arányban és mennyiségben tartalmazzák az összetevıket. Ehhez az alapanyagok molekulaképletét és az ebbıl meghatározható moláris tömegét fogjuk használni (2. Táblázat). 2. Táblázat. A számításhoz használt alapanyagok molekulaképlete és moláris tömege Alapanyag Oxidok moláris tömege, g/mol Moláris tömeg, g/mol neve képlete K 2O Al 2O 3 SiO 2 H 2O Földpát K 2O Al 2O 3 6 SiO 2 94,2 101, ,09-556,7 Kaolin Al 2O 3 2 SiO 2 2 H 2O - 101, , ,14 Kvarc SiO ,09-60,09 1 Adszorbeált = esetünkben a felületen gyengén (általában van der Waals-kötéssel) megkötött nedvesség. Nem összetévesztendı az abszorpció kifejezéssel, mely a gázok/ gızök atomjainak/molekuláinak elnyelıdését jelenti. 2 A számítás során a szennyezıkhöz hasonlóan ezt a mennyiséget is elhanyagolhatóan kicsinek tekintjük.

6 Mindezek ismeretében már kiszámítható, hogy az elıírt összetétel biztosításához, az egyes oxidok megfelelı mennyiségő beviteléhez az alapanyagok milyen arányban és mennyiségben szükségesek. A számítás menete hasonló lesz minden oxidnál: 1) meghatározzuk, hogy pontosan hány kg oxid szükséges (legyen ez x kg), 2) meghatározzuk, hogy az adott alapanyag milyen arányban tartalmazza ezt az oxidot, 3) ezek alapján kiszámoljuk, hogy az adott alapanyagból mennyi szükséges x kg oxid beviteléhez. Célszerő olyan oxiddal kezdeni a számítást, amely csak egy alapanyagban található meg, ez a K 2O lesz, melyet a földpáttal biztosítunk: K 2O: 556,7 kg földpátban 94,2 kg K 2O van 3 x kg földpátban 7,2 kg K 2O van x=556,7 kg 7,2 kg/94,2 kg = 42,55 kg (4) Tehát 42,55 kg földpát szükséges a 7,2 kg K 2O biztosításához. Ezzel azonban járulékosan Alés Si-oxidot is beviszünk, így a következı lépésben ezek mennyiségét kell meghatározni. A földpáttal bevitt Al 2O 3 mennyisége: Al 2O 3: 559,7 kg földpátban 101,96 kg Al 2O 3 van 42,55 kg földpátban x kg Al 2O 3 van x=101,96 kg 42,55 kg/556,7 kg = 7,79 kg (5) A földpáttal bevitt SiO 2 mennyisége: SiO 2: 559,7 kg földpátban 360,54 kg SiO 2 van 42,55 kg földpátban x kg SiO 2 van x=360,54 kg 42,55 kg/556,7 kg = 27,56 kg (6) Tehát ahhoz, hogy az öntımassza 7,2 kg K 2O-ot tartalmazzon, 42,55 kg földpátra van szükség, amellyel járulékosan 7,79 kg Al 2O 3-ot és 27,56 kg SiO 2-ot viszünk be. A masszarecept alapján Al 2O 3-ra és SiO 2-ra még szükség van. Ezek közül utóbbi a kaolinban és a kvarcban egyaránt megtalálható, így a számítást az Al 2O 3-dal folytatjuk. Ehhez elıször meghatározzuk, hogy mennyi szükséges még belıle: Al 2O 3: 39,15 kg 7,79 kg = 31,36 kg (7) massza földpát kaolin 3 A 2. Táblázatból láthatjuk, hogy 1 mol, vagyis 556,7 g földpát 94,2 g K 2O -ot tartalmaz, így arányosan 556,7 kg földpátban 94,2 kg K 2O van.

7 Tehát 31,36 kg Al 2O 3-ot kell a masszához adni. Ennek megfelelıen a szükséges kaolin mennyisége: Al 2O 3: 258,14 kg kaolinban 101,96 kg Al 2O 3 van x kg kaolinban 31,36 kg Al 2O 3 van x=258,14 kg 31,36 kg/101,96 kg = 79,40 kg (8) Tehát 79,4 kg kaolin szükséges a fennmaradó 31,36 kg Al 2O 3 biztosításához. Ezzel azonban SiO 2-ot is beviszünk, ennek SiO 2 mennyisége: SiO 2: 258,14 kg kaolinban 120,18 kg SiO 2 van 79,4 kg kaolinban x kg SiO 2 van x=120,18 kg 79,4 kg/258,14 kg = 36,96 kg (9) Tehát ahhoz, hogy a fennmaradó 31,36 kg Al 2O 3-ot biztosítsuk, 79,4 kg kaolinra van szükség, amellyel járulékosan 36,96 kg SiO 2-ot viszünk be. Látható, hogy a masszánk megadott összetételéhez már csak a SiO 2 pontos mennyisége hiányzik. Elsıként határozzuk meg a földpáttal és a kaolinnal eddig bevitt mennyiséget: SiO 2: 87 kg 27,56 kg 36,96 kg = 22,48 kg (10) massza földpát kaolin Mivel a szennyezıktıl eltekintve a kvarc tiszta SiO 2 ból áll, így 22,48 kg kvarc szükséges a masszába. Összefoglalva eddigi számításainkat, a masszához szükséges alapanyagok mennyiségét a 3. Táblázat tartalmazza. 3. Táblázat. A számítási eredmények összefoglalása Alapanyag Oxidok mennyisége, kg Össztömeg, kg neve képlete K 2O Al 2O 3 SiO 2 Földpát K 2O Al 2O 3 6 SiO 2 7,2 7,79 27,56 42,55 Kaolin Al 2O 3 2 SiO 2 2 H 2O - 31,36 36,96 68,32 Kvarc SiO ,48 22,48 Összesen, kg 7,2 39, ,43 5. Jegyzıkönyv A kiadott adatok alapján határozza meg a porcelánmassza összetételét. A jegyzıkönyvben rögzítse a kiindulási adatokat (alapanyagok, összetétel), a számítás menetét és az eredményeket. Beadási határidı: a gyakorlat elvégzését követıen egy héten belül.

8 Irodalomjegyzék Mauritz B.; Vendl A.: Ásványtan Általános ásványtan, I. kötet; Budapest (1942) Pantó G.: Ásvány- és kızettan; Mőszaki Könyvkiadó, Budapest (1957) Pápay L.: Kristályok, ásványok, kızetek; JATEPress, Szeged (1998) Grofcsik J.: A kerámia; A kémia és vívmányai, I. rész, Kir. Magy. Természettudományi Társulat, Budapest (1940) Somodi Zs., Pálffy A., Dr. Kámory L.: Finomkerámiaipari technológia, Mőszaki könyvkiadó, Bp.,

9 1. Melléklet. Az elemek periódusos rendszere