Kerámiai iparok Fogyasztói: építőipar, híradástechnika, kohászat, fémmegmunkálás Aluminoszilikátok, több komponensű rendszerek Durva- (tégla, cserép), finomkerámia (porcelán), oxidkerámia (félvezetők, ferritek), fémkerámia Építőipari kötőanyagok Mész, cement, beton Üvegipar zománcipar Síküveg, öblösüveg, hőálló üveg, vegyipari készülékek Dr. Pátzay György 1 Csoport Jell. képviselő Tulajdonság, jellemző Felhasználás Szilikátok: Porcelán (kaolin, földpát, kvarc alkáli-alumínium-szilikát) hagyományos dísz és ipari kerámia, hálózati szigetelő Szteatit (magnézium-szilikát) nagyfrekv. szigetelő, ellenállás-hordozó Oxidkerámiák: Korund: Al 2 O 3 jó vill szigetelő, hőálló, jó hővezető, szövetbarát MCM hordozó, nagyfrekv. szigetelő, implantátum BeO: jó vill szigetelő, hőálló, nagyon jó hővezető nagyfrekv. szigetelő, hordozó ZrO 2 Hőálló, ionvezető tűzálló anyag, oxigén szenzor Titanátok: TiO 2 magas dielektromos állandó I. tip. kondenzátor BaTiO 3 nagyon magas dielektromos állandó, ferroelektromos, piezoelektromos II. tip. kondenzátor piezoelektromos elemek Nitridek: Si 3 N 4, AlN, BN jó vill szigetelő, hőálló, nagyon jó hővezető, jó mechanikai tul. nagyfrekv. szigetelő, hordozó, gyémánt helyettesítés Karbidok: SiC, jó mechanikai tul., félvezető, hőálló varisztor, kék LED, fűtőellenállás WC B 4 C jó mechanikai tul. atomreaktor Ferritek lágy és kemény mágnesek Szupravezetők YBa 2 Cu 3 O 7-x MgB 2 T c 100K Dr. Pátzay György 2 1
Szilikátipar alapanyagai Agyag (aluminoszilikát, <2mikrométer) - vízzel összegyúrva képlékeny, száradáskor és kiégetéskor alakját megtartja SOVÁNY AGYAG A képlékenységi tulajdonságokat javítani kell! Pl. keverés kövér agyaggal KÖVÉR AGYAG A zsugorodási tulajdonságokat javítani kell! Pl. soványítással (homok, tört kerámia, tört kőzet, pelyva, stb.) SiO 2 kvarchomok, homokkő (soványítja, képlékennyé teszi a kerámiát) Földpát (kálium-aluminoszilikát) - tömörré teszi a kerámiát Mészkő, márga, magnezit, dolomit - kalcium- és magnéziumkarbonátok - porozitást növelik (CO 2 gáz) Dr. Pátzay György 3 Agyag Szárazon kemény, repedezett, nedvesen jól gyúrható, formázható anyag. Jellemző tulajdonsága a nagyarányú vízfelvevő képesség. Egyes agyagok akár 300% vizet is képesek tárolni. Összetételükről elmondható, hogy 0,002 mm-nél kisebb kőzetmálladék alkotja, fizikai tulajdonságukat azonban döntően befolyásolják az agyagásványok (illit, montmorillonit, kaolinit). Térfogatváltozása (montmorillonit), képlékenységének mértéke (illit), vízáteresztő képessége az agyagásványok típusától, mennyiségétől valamint kicserélhető kationjaitól (pl.: a kálcium morzsalékossá, vízáteresztővé teszi az agyagot) függ. K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2 + 2H 2 O + CO 2 Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O + K 2 CO 2 + SiO 2 Földpát + víz + széndioxid agyagásvány + kálisó + kovasav keletkezés Dr. Pátzay György 4 2
Kaolinit szerkezete o Oxigén; " Hidroxil; o Tetraéderesen koordinált szilícium; Alumínium oktaéderesen koordinált Kaolinit SEM felvétele Dr. Pátzay György 5 A CaO-SiO 2 -Al 2 O 3 terner rendszer olvadáspont diagramja Dr. Pátzay György 6 3
Kerámia fajták Pórusos szövetű gyártm. Tömör szövetű gyártm. Az anyag sárga v. vörös Az anyag sárga v. vörös Az anyag fehér Az anyag nem fehér Az anyag nem fehér Az anyag fehér Máz nélkül Mázzal bevonva Átlátszó vagy színes máz Máz nélkül Mázzal bevonva Tégla, cserép Tűzálló építőanyag Kályhacsempe, majolika Kőedényfajansz Klinker, keramit, saválló burkoló Kőagyag csatornák porcelán Dr. Pátzay György 7 Kerámiák csoportosítása alapanyag és felhasználás szerint Tradicionális kerámiák Agyagtárgyak Fazekas termékek Fehér termékek Agyag, földpát és kvarc alapú kőedény üvegkerámia háztartási porcelán ipari porcelán műszaki kerámiák Korszerű kerámiák Elektromos szigetelők Mágneses ferritek Optikai, lámpák Kémiai célú edények, eszközök Hőálló alkatrészek Mechanikai, vágó, megmunkáló szerszámok Biológiai, implantátumok Nukleáris üzemanyag pasztillák Dr. Pátzay György 8 4
Leggyakoribb kerámia termékek Fali és padlócsempék Tégla és cserép Háztartási asztali és főzőedények Hőálló termékek Higiéniai termékek Technikai kerámiák Mázas kőagyag csövek Nagyméretű agyag termékek Szervetlen bevonatok Dr. Pátzay György 9 Mázak A kerámiák felületére adott esetben mázat visznek fel, aminek gyakorlati és esztétikai szerepe is lehet. Az ólommáz kvarc és ólomvegyületek összeolvasztásával készül, önmagában színtelen, de különböző anyagokkal színezhették. Az ónmáz egyrétegű fedőmáz. Az ónmázas kerámia neve majolika, illetve fajansz, utalva a leghíresebb készítési helyekre (Mallorca, illetve Faenza). A mázak sima, egyenletes felületet adnak, ami lehet matt vagy fényes, szerkezetüket tekintve az üvegre emlékeztetnek, de olvadt állapotban nagyobb viszkozitásúak. Erősen tapadnak a kerámia alaphoz. A mázok prekurzorait alkotórészeikből és vízből golyós malomban végzett őrléssel állítják elő, ekkor tejszerű homogén szuszpenziót kapnak, amit fel kell vinni a részlegesen kiégetett kerámia tárgyak felületére. A máz szuszpenziókat a kerámiákra bemerítéssel vagy szórással viszik fel. Kiégetésük 600-1500 o C között történhet, függően a készülő tárgy funkciójától és elvárt tulajdonságaitól. A mázakkal a felületet ellenállóvá tehetjük korrozív folyadékokkal szemben, kialakíthatók félvezető mázak is. A mázak alkotó anyagai: SiO 2, B 2 O 3, Al 2 O 3, ZnO, PbO, PbO 2, Na 2 O, CaO, MgO, BaO, SrO, K 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, Li 2 O. Dr. Pátzay György 10 5
Kerámiák gyártástechnológiája Aprítás, őrlés: szemcseméret csökkentése, homogenizálás Formázás: nedves és száraz sajtolás, korongozás Szárítás: természetes, mesterséges, hőigényes, közben zsugorodás Égetés: kémiai és fizikai folyamatok fontos paraméterek: felfűtés sebessége, égetés hőmérséklete, ideje, lehűtés módja, A kemencék lehetnek szakaszos és folytonos működésűek, gáz, olaj, fa tüzelésűek vagy elektromos fűtésűek. Égetési hőmérsékletek» tégla 920-1000 o C» kőedény 1100-1250 o C» kőagyag, keramit 1200-1350 o C» porcelán 1250-1450 o C» tűzálló anyagok 1300-1700 o C Dr. Pátzay György 11 Kerámiaipari műveletek hatása a szerkezetre Előkészítés, keverés formázás szárítás égetés Dr. Pátzay György 12 6
Aprító, törő szerkezetek Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György 13 Építőipari kötőanyagok A kötőanyagok kémiai és fizikai folyamatokban pépes vagy folyékony állapotból szilárd állapotúvá válnak és a beléjük kevert szilárd anyagokat összeragasztják. Csoportosítási lehetőségek: eredet szerint - természetes (agyag, bitumen) - mesterséges (cement, mész, gipsz) anyagi minőség szerint - ásványi (agyag, mész, cement) - szerves (bitumen, enyv, gyanta) halmazállapot szerint - folyékony (vízüveg) - szilárd (cement) kötés mechanizmus szerint - hidraulikus (cement)-víz alatt köt - nem hidraulikus (mész, gipsz)-víz alatt nem köt Dr. Pátzay György 14 7
Mész égetés CaCO 3 CaO + CO 2 oltás CaO + H 2 O Ca(OH) 2 kötés Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O Gipsz CaSO 4 2 H 2 O CaSO 4 anhidrit + 2 H 2 O 180-200 o C Cement Alapanyag: agyag és mészkő Műveletek: őrlés és égetés1100-1450 o C Szilárdulás, kötés: hidrolízis és hidratáció Beton: cement+kavics+acél nagy nyomószilárdság+ jó húzószilárdság Dr. Pátzay György 15 A mész, mészhabarcs Dr. Pátzay György 16 8
A kalciumkarbonát termikus bomlási reakciója Szemcseméret csökkenés a f Dr. Pátzay György 17 Párhuzamos áramlásos regeneratív kemence a) Tüzelőanyag; b) Égést tápláló levegő; c) Hűtő levegő; d) Lándzsák; e) Kereszt járat; f) 1. akna; g) 2. akna Dr. Pátzay György 18 9
Forgó mészégető kemence a) Égő; b) Levegő; c) Előmelegítő; d) Kemence; e) Hűtő A hőhasznosítás hatásfoka döntő a gazdaságosság szempontjából, hőcserélők beépítése Felhasználás: vas és acélgyártás, építés, talajjavítás, Ca-karbid előállítás Dr. Pátzay György 19 Égető kemence mozgatható kocsival Görgős égető kemence Dr. Pátzay György 20 10
Gipsz (CaSO 4 *2H 2 O) CaSO 4 *2H 2 O gipsz, CaSO 4 anhidrit 120 o C CaSO 4 *2H 2 O CaSO 4 *0,5H2O + 1,5H 2 O 180-200 o C CaSO 4 képződik oldódó anhidrit 400-750 o C CaSO 4 képződik nem oldódó anhidrit 800 o C CaSO 4 képződik oldódó anhidrit Esztrich gipsz Dr. Pátzay György 21 Építési gipsz felhasználása Gipszkarton gyártása (Esztrich gipszből) Gipszkarton típusok Dr. Pátzay György 22 11
Magnézia (Sorel) cement MgCl 2 Mg(OH) 2 MgO(OH)) sok kevés A kötés során eltérő összetételű MgO x Cl y keletkezik. Hiroszkópos! Töltőanyagokkal melegpadló készítésre használható. A felületetolajozással, parafinozással védeni kell! Dr. Pátzay György 23 Szilikát (portland) cement ~ 2/3 rész CaO ~ ¼ rész SiO 2 ~ 4-7% Al 2 O 3 ~ 2-4 % Fe 2 O 3 ~ 1% MgO elegye Nyersanyagok: agyag, mészkő, márgák, pirit, dolomit Előállítás: Hidraulikus kötőanyagok Bauxitcement (aluminátcement): Az 1930-as években gyártott cementféleséget sokáig a portlandcementtel azonos módon használták. E cement gyorsabb kötési ideje és nagyobb kezdeti szilárdsága miatt volt nagyon kedvelt. Azonban a megszilárdult bauxitcement szerkezete instabil, idővel átkristályosodik, szilárdsága lényegesen csökken. Bauxitbetonból készült épületeinkkel komoly statikai problémák léptek fel, olyannyira, hogy egyesek bontásra szorultak. Az ötvenes évek közepén a további problémák elkerülése végett a bauxitbeton alkalmazását rendeletileg tiltották meg. - előkészítés: őrlés, homogenizálás, vas adagolása - égetés ~ 1200 0 C - száradás - hidrátvíz elvesztés 500-700 0 C - CaCO3 bomlik 800-1100 0 C - a CaO reagál a SiO 2 -dal, Al 2 O 3 dal Fe 2 O 3 -dal 1100-1200 0 C - az agyag egy része olvad, dermedéskor magas CaO tartalmú szilikátelegy válik ki -- klinker - gipszkő agadolás ~ 1,5 % - őrlés, érlelés cement Dr. Pátzay György 24 12
Cement Dr. Pátzay György 25 A rendszerváltás után öt cementgyár üzemelt hazánkban. A lábatlani és a hejőcsabai a svájciaké, a beremendi és a Dunai Cement- és Mészmű váci üzeme a németeké lett (utóbbi kettő Duna-Dráva Cement Kft. néven egyesült), illetve 2011 júliusa óta működik Királyegyházán a Lafarge S.A. üzeme. Dr. Pátzay György 26 13
Néhány jellemző klinerképződési reakció Dr. Pátzay György 27 Portlandcement főbb komponensei Komponens mennyiség megjegyzés C3S 50% nagyon reaktív, magas hidratációs hő, korai szilárdság C2S 25% kis hidratációs hő, lassú reakciók C3A 10% magas hidratációs hő, szulfát károsítja C4AF 10% Gipsz 5% a cement kötését szabályozza ASTM portland cement típusok I. Típus általános felhasználásra II. Típus közepes hidratációs hő, szulfátálló (C3A<8%), általános építés, tengervizes közegben III. Típus magas korai szilárdság (C3A<15%),biztonsági javításokhoz, téli építkezésekhez, előregyártott elemekhez IV. Típus alacsony hidratációs hő (C3S<35%, C3A<7%, C2S>40%), tömegfelhasználás V. Típus szulfátálló (C3A<5%) szulfátos talajokban, csatornákhoz Dr. Pátzay György 28 14
Portlandcement szilárdulási folyamata a) Porozitás; b) Kalcium szilikát hidrát, hosszú szálak; c) Kalcium szilikát hidrát, rövid szálak; d) Kalcium hidroxid; e) Kalcium aluminát hidrát, vas(iii)oxid tartalommal; f) Monoszulfát; g) Triszulfát Dr. Pátzay György 29 Dr. Pátzay György 30 15
Kristályos szilikát por Üvegszerű, ~70%-a a cementnek kristályos A cement egy kompozit anyag, üvegszerű és kristályos fázisok heterogén elegyben. Dr. Pátzay György 31 Portlandcementek szabványos jelölése (Dr. Révay Miklós ésurbán Ferenc nyomán) pl.: CEM II/A-S 32,5 N CEM jelölés utal az európai szabványok szerinti minőségű cementre, az ezt követő szám pedig összetételére: I. homogén cementek, amelyek gyakorlatilag teljes mennyiségben őrölt portlandcement klinkerből állnak. II. heterogén cementek, melyekben a portlandcement klinkeren kívül más a szilárdulás szempontjából hasznos anyag is található. A következő betű a cementbe a klinkeren kívül adagolt anyag mennyiségére utal: A 5-20 % B 20-35 % A kötőjel utáni betű ezen anyag fajtáját jelzi: S Kohósalak V Pernye P Trassz vagy puccolán L Mészkőliszt M Kompozit vagy multikompozit cement A CEM jelölés utáni további római számok az alábbi összetételt jelzik: III. Kohósalak cement A következő két betű a kohósalak mennyiségére utal: A 36-65 % B 66-80 % Dr. Pátzay György 32 16
IV. Puccolán cement A következő két betű a kiegészítő anyag (trasz, pernye) mennyiségére utal: A 11-35 % B 36-55 % V. Kompozit cementek A betűk után a cement három szilárdsági osztályára utaló szám következik. Végül az utolsó betű a szilárdulás ütemére utal. R gyorsan szilárduló rapid cement N normál szilárdulású cement Betonjelzések: C 12-32/FN C- normál beton (2001-2500 kg/m 3 ) 12- nyomószilárdság 12 N/mm 2 32- legnagyobb szemcsenagyság FN- földnedves Dr. Pátzay György 33 A szilárdságért felelős Különleges tulajdonságok Dr. Pátzay György 34 17
Dr. Pátzay György 35 Klinker kemence rácsos előmelegítő - hűtővel a) Tablettázó; b) Köztes porgyűjtő; c) Szárító kamra; d) Forró kamra; e) Rács; f) Forgó kemence; g) Égő; h) Rácsos hűtő; i) Klinker szalag Dr. Pátzay György 36 18
Cementgyártás folyamata Dr. Pátzay György 37 A fajlagos energiafogyasztás változása a cementgyártásban Németországban Dr. Pátzay György 38 19
Dr. Pátzay György 39 A bitumen az ásványolaj lepárlásából visszamaradó, nagy molekulatömegű, fekete színű, termoplasztikus kötőanyag. Melegre lágyul, illetve folyékonnyá válik. Kémiailag közömbös, víz, híg savak és lúgok szobahőmérsékleten nem oldják, a salétromsavval már szobahőmérsékleten is reakcióba lép. Szerves oldószerek (benzin, gázolaj, petróleum, benzol, stb.), állati és növényi zsírok viszont lágyulását okozhatják. A kátrány szén és fa lepárlása során keletkező fekete színű, erős szagú anyag. Az útépítésben és a szigetelésben ugyan az a szerepe mint a bitumennek. Az aszfalt adalékanyag és bitumen kötőanyagból készített pályaszerkezeti réteg. Aszfaltbeton, a kötőanyag a levegő oxigénjének hatására (főképpen ha napsütés is éri az aszfaltot) a bitumen felső rétege lassan megkeményedik, öregedik. A bitumen összetétele: kolloid diszperz rendszer A rendszer folyékony része a telített aromás, gyantás maltén, melyben finom frakciójú aszfaltén diszpergálódott. Az aszfaltén a bitumen váza. Kátrány, szurok, kőszénkátrány A kátrány egy folyékony, vagy félszilárd, mélyfekete vagy barna termék, amely kőszén, barnaszén, fa, tőzeg és más fosszilis tüzelőanyag szárazpárlásával keletkezik és első sorban szénhidrogén keverékekből áll. A vegyi összetétel a származási fajtától függően eltérő (pl. kőszén-kátrány).a szurok a kátrány desztillációjának maradványából, vagy a szerves anyagok (pl. kőszén, barnaszén, fa) desztillációja során közvetlenül nyert félszilárd maradvány. Dr. Pátzay György 40 20
A bitumen legfőbb fizikai tulajdonságai Lágyuláspont: az a hőmérséklet amelyen a bitumen nyomószilárdsága egy meghatározott érték alá csökken. Győrűs-golyós módszerrel határozzák meg. Penetráció: a bitumen konzisztenciáját jellemző tulajdonság. Mérőszáma 25 C-on egy 100 g tömegő fém tű 5 s időtartam alatt, a bitumenbe történı behatolásának mélysége 0,1 mm-ben kifejezve. Töréspont: a bitumen hideggel szembeni viselkedését jellemzi. Gyakorlatilag azt fejezi ki, hogy a bitumen milyen hőmérsékleten válik rideggé. Duktilitás (nyújthatóság): a bitumen 25 C-on mért nyújthatóságát kifejezı viszonyszám. Sűrűség: a bitumen sűrűsége 25 C-on 1 t/m 3 Tapadás: a bitumen adalékanyagokhoz történő tapadási képességét jellemző érték. Vizes és poros felületek csökkentik a tapadási képességet. Dr. Pátzay György 41 Tégla gyártás Durva és finomkerámiai anyagok Agyag + soványító anyag (homok, kőzettörmelék) Nedves formázás Szárítás Égetés 950-1000 o C-on A 19. század utolsó éveiben csak Budapesten 12 téglagyár működött. Emléküket őrzi Feneketlen-tó, amely eredetileg egy téglagyár anyaggödre volt. Napjainkban is számos téglagyár működik hazánkban. Dr. Pátzay György 42 21
Kőagyag Égetés 1300-1400 o C-on Máza sómáz (NaCl szórás magas hőmérsékleten) Csatornacsövek, burkolólapokm vegyészeti kerámiák Kőedény más néven porcelán-fajansz vagy fehércserép Finom agyag, kvarc, mészpát, földpát Égetés 1100-1300 o C-on Máza ólom-, bórtartalmú (második égetés 1000-1200 oc-on) Falburkoló csempe, egészségügyi berendezések, háztartási árúk. Porcelán Kaolin Magas hőmérsékletű égetés miatt zsugorodik, tömörödik Máza földpátból, mészpátból, kaolinból és kvarcból Ütésre cseng, kemény, részben hőálló Csak HF, meleg tömény H 3 PO 4, meleg tömény lúgok támadják meg Dr. Pátzay György 43 Wartha Vince (1844-1914) Kémiai Technológia Tanszék EOZIN Összetétele sokáig ismeretlen, illetve az olaszországi Gubbióban gyártott kerámiák titka volt. Magyarországon először úgy állították elő, hogy Wartha Vince elemezte a gubbiói Giorgio Andreoli egyik tálát bevonó mázat, majd Zsolnay Vilmossal a pécsi gyárban visszaállították az anyagot és a folyamatot. Az első ilyen termékeket 1891-ben, a Budapesti Agyagipari Tárlaton mutatták be, majd 1893-tól gyártották üzemszerűen elsősorban a szecessziós stílusú kerámiák bevonataként. A Zsolnay porcelángyárban először lemázazzák a porcelánt egy türkizkék színű, átlátszó, ólommentes mázzal, majd kiégetik. Erre kerül a titkos összetételű, sötét massza, ami kétféle anyagot tartalmaz: színes- és nemesfémek keverékét, valamint ennek vivőanyagát. Kiszárítják, reduktív légkörben égetik, majd lemossák róla a masszát. Így válik láthatóvá a jellegzetes eozin máz. A végén tehát az eozint létrehozó anyag nincs rajta a kész kerámián. A kerámián csak egy különleges fizikai hatás miatt létrejött, nagyon vékony színréteg van, az ún. fizikai szín. Ez a színes szappanbuborékhoz vagy olajfolthoz hasonló jelenség (vékony réteg interferencia). A réteg vastagsága a fény hullámhosszával vethető össze. 22
Zsolnay Vilmos (1828-1900) A Zsolnay üzem megalakulásának idején mázatlan terrakottát, vékony átmérőjű vízvezetékcsöveket, virágcserepet ólommázas tányérokat, tálakat és korsókat gyártott. Zsolnay Vilmos a kezdetektől kísérletezett mázas és mázatlan kerámiák javításával, új technológiák, a mázak esetében új paletták kifejlesztésével. Deck volt talán a legnagyobb hatással Zsolnay Vilmos kísérleteire. 1874-ben mutatta be a fajanszra alkalmazott email cloisonné technikát, amely minden bizonnyal inspirálta Zsolnay Magastüzű mázzal folytatott kísérleteit. Irizáló lüszterrel végzett kísérletei közvetett hatással voltak Zsolnay eosin technikájának kidolgozására. A XIX. században a legérdekesebb majolika hazánkban a pécsi Zsolnay gyár különleges, fémoxidos színezésű termékcsaládja volt. Ehhez hasonló jellegű kerámia dísztárgyakat már a perzsák és a mórok is készítettek, ám a kerámia alapra felhordott mélytüzű fényében ezüstre, aranyra, rézre emlékeztető fém lüszter készítésének módja évszázadokra feledésbe ment. Az ún. porcelánfajanszhoz kapcsolódó különleges technikák mellett a Zsolnay gyár 1896-ban mutatta be teljesen kifejlesztett formájában az eozin elnevezésű lüsztertechnikát, amelyet pirográniton is alkalmaztak. E lüszter-technikára Magyarországon Petrik Lajos figyelt fel korábban, és alkalmazására valamint ólomtalan mázakkal való kísérletezésre ő hívta fel rá a Zsolnay Vilmos figyelmét, majd Wartha Vince dolgozta ki a gyár sajátos mázainak technológiáját. Az épületkerámiák alkalmazása terén Ybl Miklós nyitott új korszakot, aki az 1870-es években a Várbazár majolikamennyezetének elkészítésével bízta meg Zsolnay Vilmost 23
Üvegablakok a Charles katedrálisból Fáraó fej, üvegbe öntve Dr. Pátzay György 47 Mi az üveg? Az üveg megszilárdult folyadék, aminek nem állt elegendő idő arra, hogy kristályosodjon lehűtés közben. Dr. Pátzay György 48 24
Üvegipar Üveg olyan anyag, aminek energiatartalma a folyadék és kristályos állapot között van. Üveg közelítő összetétele: R 2 O*R O*6SiO 2 ahol R és R lehet Ca, Mg, Al, B, Na, K, Fe, Pb, Mn Nyersanyagok: kvarchomok, szóda, mészkőliszt, ólomoxid, bórsav, dolomit, timföld. Üveggyártás folyamatai: keverés, olvasztás, formálás, hűtés, megmunkálás, hőkezelésfeszültségmentesítés Formálás: fúvás, húzás, öntés, hengerlés, sajtolás. A magyarországi üveggyártás termékszerkezete az elmúlt években jelentősen átalakult, bár a legnagyobb volument képviselő termékcsoport az import behozatallal együtt változatlanul a síküveg. Építőipari síküveg gyártás lényegében csak a Guardian Orosháza Kft-nél, Orosházán zajlik. A gyár termelése megközelíti a 2,3 millió tonnát. A GUARDIAN Orosháza Kft. termelésében a magyar piac részesedése 30 %, a többi üveget külföldön értékesíti. A gyár a környező országokba szállítja a termelés 45 %-át, 25 %-a pedig nyugat-európai piacra kerül. Dr. Pátzay György 49 Adalékanyagok 1. Üvegképző oxidok: főkomponensek SiO 2, B 2 O 3, P 2 O 5, stb. 2. Ömlesztő anyagok: csökkentik az olvadási hőmérsékletet Na 2 O, PbO, K 2 O, Li 2 O, stb.. 3. Tulajdonság módosítók: módosítják a vegyszerállóságot, hőtágulást, viszkozitást stb. CaO, Al 2 O 3, stb. 4. Színezékek: oxidok 3d, 4f elektron szerkezettel; alkomponensek(<1 m%) 5. Tisztítóanyagok: alkomponensek (<1 m%) a buborékok eltávozását segítik elő As-, Sb-oxidok, KNO 3, NaNO 3, NaCl, fluoridok, szulfátok. Hatásuk kicsi a termék föbb jellemzőire, de elősegítik a tömeggyártást. Batch olvadási folyamatok 1. Gázok kibocsátása CaCO3 CaO + CO2 1 mol mészkőből: 37 cm 3 CaO 22,400 Ncm 3 CO 2 keverő, homogenizáló hatásuk van 2. Folyadékfázis képződése a batch komponensek közvetlen olvadása az eutektikus komponensek olvadása az üvegtörmelék olvadása (meggyorsítja az olvadást) Dr. Pátzay György 50 25
3. Az olvadt komponensek elgőzölgése Oxid (foly.) Oxid (gáz) Alkáli oxidok (Li<Na<K<Rb<Cs Pb, B, P, halidoknakrelatiíve magas a gőznyomásuk 4. Tisztító reakciók: buborékok eltávolítása a) Felúszással b) Vegyi úton gázfejlesztő reakciókkalt Arzén, antimon oxidok hatékonyak 0.1-1.0 m% As 2 O 3, Sb 2 O 3 ; sorozatreakciók: 4KNO 3 + 2 As 2 O 3 K 2 O + 2 As 2 O 5 + 4NO + O 2 (a keletkezett nagy gázbuborékok magukkal ragadják a kicsiket) Növelve a hőmérsékletet redukció lép föl: As 2 O 5 As 2 O 3 + O 2 több buborék Csökkentve a hőmérsékletet fordított lesz a reakció: As 2 O 3 + O 2 As 2 O 5 : az oxigén távozik Mivel az As, Sb mérgező, egyéb hőfokfüggőtisztító reakciókat is alkalmaznak: szulfitokat: 2SO 3 2SO 2 + O 2 Cérium-oxidot: 4CeO 2 2Ce 2 O 3 + O 2 Dr. Pátzay György 51 Adalékanyagok Olvasztást könnyítő: fluor, bór, arzénvegyületek Tisztulás segítés: arzén-trioxid, nitrátok Fizikai tulajdonság, szín: PbO, CoO, F2O3, stb. Színkialakítás oxidatív vagy reduktív viszonyok között Színtelenítő anyagok: mangán-, szelénvegyületek Nagy törésmutató: ólomüveg Opalizáló anyagok: fluor- és foszforvegyületek Dr. Pátzay György 52 26
Üveggyártás Dr. Pátzay György 53 Dr. Pátzay György 54 27
Sorg LoNOx olvasztókemence palacküveg előállításhoz Dr. Pátzay György 55 Palackfújás folyamata a) Beadagolás; b) Lefújás c) Ellenfújás; d) Átbillentés talpára; e) Újrahevítés; f) Végső fújás belső hűtéssel; g) Kivétel Dr. Pátzay György 56 28
Üvegtermékek kialakítása Centrifugálással Préseléssel Préseléssel és fújással Dr. Pátzay György 57 A Danner eljárás üvegcső előállítására Dr. Pátzay György 58 29
Üvegszövet gyártása a) Olvasztó tartály; b) Centrifúga fúvókákkal; c) Kötőanyag befújása; d) Üvegszövedék; e) Kötésképző kemence; f) Bárd; g) Termék Dr. Pátzay György 59 Dr. Pátzay György 60 30
A Pilkington síküveg gyártási eljárás a) Kemence; b) Olvasztott ón; c) Síkfürdő; d) Nitrogén-hidrogén elegy az ón oxidációjának megakadályozására; e) Kivezető nyílás; f) Hengerek Dr. Pátzay György 61 Táblaüveggyártás műveletei Dr. Pátzay György 62 31
Az üvegek színezésére használt fémvegyületek Elem Ion Szín Réz Cu 2+ világoskék Króm Cr 3+ zöld Cr 6+ sárga Mangán Mn 3+ ibolya Vas Fe 3+ sárgás-barna Fe 2+ kékes-zöld Kobalt Co 2+ intenzív kék, borátüvegben rózsaszín Co 3+ zöld Nikkel Ni 2+ szürkés-barna, sárga, zöld, kék, ibolya az üvegtől függően Vanádium V 3+ zöld szilikát üvegben, barna borátüvegben Titán Ti 3+ ibolya redukáló körülmények között olvasztva Neodímium Nd 3+ vöröses ibolya Szelén Se 0 rózsaszín Prazeodímium Pr 3+ világos zöld Dr. Pátzay György 63 Üvegfelhasználások megoszlása Dr. Pátzay György 64 32
Zománcok Kémiailag ellenálló üvegszerű bevonat. Alapanyagok: Bórsav, bórax, földpát, szóda, salétrom, kvarc, folypát, kriolit, báriumkarbonát, agyag, kaolin Színező pigmentek Homályosító, átlátszatlanná tevő adalékok (fémoxidok, Sb 2 O 3, TiO 2, SnO 2, CeO 2, ZnO stb.) Alapanyag összeolvasztása után őrlés. Munkadarabra felvitel mártással (nedves szuszpenzió), vagy száraz szórással. Ráolvasztás két rétegben: alap, fedőzománc. Dr. Pátzay György 65 Félvezető anyagok előállítása: Si lapok A szilíciumot nagy tisztaságú kvarchomokból állítják elő szénelektródos ívkemencében szenet, aktívszenet vagy faszenet használva redukálószerként 1900 o C hőmérsékleten. SiO 2 + C Si + CO 2. SiO 2 + 2C Si + 2CO. A folyékony szilícium összegyűlik a kemence alján, ez 98% tisztaságú. A benne lévő szilíciumkarbid a következő reakcióval tüntethető el: 2 SiC + SiO 2 3 Si + 2 CO. 2005-ben ennek a kohászati minőségű szilíciumnak $1.70/kg volt az ára. Dr. Pátzay György 66 33
P- és n-típusú Si félvezető anyagok előállítása Szilícium előállítása Szilícium-dioxid (kvarchomok) redukciójával 96-99% tisztaság érhető el A redukció magas hőméársékletet igényel, mely elektromos ívkemencében érhető el. A redukciót szilícium-dioxid feleslegben végzik, hogy elkerüljék a szilícium-karbid (SiC) felhalmozódást : 2SiO 2 (l) + 3C(s) Si(l) + 2CO 2 (g) + SiC(s) 2SiC(s) + SiO 2 (l) 3Si(l) + 2CO(g) 34
Si tisztítása: zónás olvasztás A zónás olvasztás, amit zónás finomításnak is neveznek, volt az első ipari Si tisztítási módszer. A szilícium rudakat egyik végüknél kezdődően megolvasztják, ezután az olvasztókemence végighalad a rúd mentén úgy hogy mindig egy keskeny rész van olvadt állapotban, amit elhagyott, az a Si ismét megszilárdul. A szennyezések az olvadt régióban vannak végig, ily módon összegyűlnek a rúd azon végében, amit legutoljára olvasztanak meg. Ezt a részt levágják. Amennyiben a tisztaságot tovább kívánják növelni, ismételt zónaolvasztást végeznek. Dr. Pátzay György 69 A Si tisztítás kémiai eljárásai A Siemens eljárásban nagy tisztaságú Si rudakat triklórszilánnal reagáltatnak 1150 C-on. A triklórszilán elbomlik és lerakódik a rudakra: 2 HSiCl 3 Si + 2 HCl + SiCl 4 Ez polikristályos Si, szennyezéseket ppb szinten tartalmaz. 2006-ban az REC beindított egy fluid ágyas technológiával működő üzemet ami szilánnal működik: 3SiCl 4 + Si + 2H 2 4HSiCl 3 4HSiCl 3 3SiCl 4 + SiH 4 SiH 4 Si + 2H 2 Dr. Pátzay György 70 35
A Si kristályosítása A Czochralski eljárás szolgál félvezető egykristályok előállítására, a nagy tisztaságú Si olvadékból, amit kvarc tégelyben olvasztanak meg, oltókristállyal húznak felfelé megszilárduló Si rudat, amit közben még forgatnak is. A folyamtot inert atmoszférában végzik. A Si-hoz itt adhatják hozzá a B-t vagy P-t, ha n vagy p típusú félvezető alapot készítenek. Ily módon 200-300 mm átmérőjű és 1-2 m hosszú rudakat állítanak elő, amiből levágják a 0,2-0,75 mm vastag lapokat, amiket különböző célokra használnak (napelem, integrált áramkörök, processzorok). Dr. Pátzay György 71 Tisztítás: Szilícium előállítása A Czochralski eljárás Ultra-tiszta Si-ot (néhány ppm szennyezés) tégelyben megolvasztják. adalékolják(b vagy P) n-típusú vagy p-típusú szilícium). Oltókristályt illesztenek egy rúd végére és bemártják az olvadt szilíciumba, majd a rudat húzzák és forgatják A hőmérsékletgradiens és a húzási sebesség megfelelő szabályozásával nagy egykristályokat növesztenek. (egykristályhibamentes kristályszerkezet) 36