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
__________________________________________________________________________ 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 (Al2Si2O5(OH)4). Sőrősége 2,6 g/cm3, keménysége a Mohs-féle keménységi skála szerint 1-2 közötti.
1
A
többnyire
ásvány
világos,
triklin
fehér
színő
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)
1.
ábra. A kaolinit szerkezete
az
élelmiszeriparban is. Kvarc A kvarc (SiO2) a földkéreg egyik legelterjedtebb, legnagyobb mennyiségben elıforduló ásványa. Sőrősége 2,66 g/cm3, 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 pedig
hexagonális
kristályrendszerő
2. ábra. Kvarc
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):
Albit (Nátronföldpát; NaAlSi3O8) triklin kristályrendszerben kristályosodó nátriumaluminát-szilikát ásvány, melynek sőrősége 2,6-2,65 g/cm3, Mohs-féle keménysége 66,5.
Ortoklász (Káliföldpát; KAlSi3O8) monoklin kristályrendszerben kristályosodó kálium-aluminát-szilikát ásvány, melynek sőrősége 2,55-2,63 g/cm3, Mohs-féle keménysége 6.
Anortit (Kalciumföldpát; CaAl2Si2O8) triklin kristályrendszerben kristályosodó kalcium-aluminát-szilikát ásvány, melynek sőrősége 2,72-2,75 g/cm3, Mohs-féle keménysége 6.
Mindhárom ásványra jellemzı, hogy egy kitüntetett irányban nagyon jól hasíthatóak.
Albit
Ortoklász 3.
Anortit
ábra. Ásványi földpátok
Dolomit A dolomit üledékes kızet, melynek alkotó ásványa a dolomit (kalcium-magnéziumkarbonát,
CaMg(CO3)2).
A
karbonátok
osztályába
sorolható, trigonális romboéderes kristályrendszerben kristályosodik. Romboéder lapjai mentén kitőnıen hasítható.
Ipari
üveggyártásban csökkentı
felhasználása és
a
kohászatban
adalékanyagként;
építıkövek,
mőkövek,
alapanyagaiként,
valamint
használják.
Dolomitot
széleskörő:
az
az
olvadáspont építıiparban
nemesvakolatok utak
alkalmaznak
alapozásához 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.
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
SiO2
Al2O3
K2O
Fe2O3
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 adszorbeált1, illetve szerkezeti nedvességtartalmából, valamint az égetési veszteségbıl adódik. Elsı lépésként határozzuk meg, hogy a masszának milyen mennyiségben kell tartalmazni a megadott összetevıket: SiO2: 58 m/m%
→ 150 kg · 0,58= 87 kg
(1)
Al2O3: 26,1 m/m% → 150 kg · 0,261= 39,15 kg
(2)
K2O: 4,8 m/m%
(3)
→ 150 kg · 0,048= 7,2 kg
Tehát a massza az egyes oxidokból a következı mennyiségeket tartalmazza: 87 kg SiO2; 39,15 kg Al2O3; 7,2 kg K2O. 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
Moláris tömeg,
Oxidok moláris tömege, g/mol
g/mol
neve
képlete
K2O
Al2O3
SiO2
H2O
Földpát
K2O · Al2O3 · 6 SiO2
94,2
101,96
6 · 60,09
-
556,7
Kaolin
Al2O3 · 2 SiO2 · 2 H2O
-
101,96
2 · 60,09
2· 182
258,14
Kvarc
SiO2
-
-
60,09
-
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.
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 K2O lesz, melyet a földpáttal biztosítunk: K2O:
556,7 kg földpátban
94,2 kg K2O van3
x kg földpátban
7,2 kg K2O 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 K2O biztosításához. Ezzel azonban járulékosan Alés Si-oxidot is beviszünk, így a következı lépésben ezek mennyiségét kell meghatározni. A földpáttal bevitt Al2O3 mennyisége: Al2O3:
559,7 kg földpátban
101,96 kg Al2O3 van
42,55 kg földpátban
x kg Al2O3 van
x=101,96 kg · 42,55 kg/556,7 kg = 7,79 kg
(5)
A földpáttal bevitt SiO2 mennyisége: SiO2:
559,7 kg földpátban
360,54 kg SiO2 van
42,55 kg földpátban
x kg SiO2 van
x=360,54 kg · 42,55 kg/556,7 kg = 27,56 kg
(6)
Tehát ahhoz, hogy az öntımassza 7,2 kg K2O-ot tartalmazzon, 42,55 kg földpátra van szükség, amellyel járulékosan 7,79 kg Al2O3-ot és 27,56 kg SiO2-ot viszünk be.
A masszarecept alapján Al2O3-ra és SiO2-ra még szükség van. Ezek közül utóbbi a kaolinban és a kvarcban egyaránt megtalálható, így a számítást az Al2O3-dal folytatjuk. Ehhez elıször meghatározzuk, hogy mennyi szükséges még belıle: Al2O3:
39,15 kg – 7,79 kg = 31,36 kg massza
3
földpát
(7)
kaolin
A 2. Táblázatból láthatjuk, hogy 1 mol, vagyis 556,7 g földpát 94,2 g K2O -ot tartalmaz, így arányosan 556,7 kg földpátban 94,2 kg K2O van.
Tehát 31,36 kg Al2O3-ot kell a masszához adni. Ennek megfelelıen a szükséges kaolin mennyisége: Al2O3:
258,14 kg kaolinban
101,96 kg Al2O3 van
x kg kaolinban
31,36 kg Al2O3 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 Al2O3 biztosításához. Ezzel azonban SiO2-ot is beviszünk, ennek SiO2 mennyisége: SiO2:
258,14 kg kaolinban
120,18 kg SiO2 van
79,4 kg kaolinban
x kg SiO2 van
x=120,18 kg · 79,4 kg/258,14 kg = 36,96 kg
(9)
Tehát ahhoz, hogy a fennmaradó 31,36 kg Al2O3-ot biztosítsuk, 79,4 kg kaolinra van szükség, amellyel járulékosan 36,96 kg SiO2-ot viszünk be. Látható, hogy a masszánk megadott összetételéhez már csak a SiO2 pontos mennyisége hiányzik. Elsıként határozzuk meg a földpáttal és a kaolinnal eddig bevitt mennyiséget: SiO2:
87 kg – 27,56 kg – 36,96 kg = 22,48 kg massza földpát
(10)
kaolin
Mivel – a szennyezıktıl eltekintve – a kvarc tiszta SiO2–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
K2O
Al2O3
SiO2
Földpát
K2O · Al2O3 · 6 SiO2
7,2
7,79
27,56
42,55
Kaolin
Al2O3 · 2 SiO2 · 2 H2O
-
31,36
36,96
68,32
Kvarc
SiO2
-
-
22,48
22,48
Összesen, kg
7,2
39,15
87
144,43
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.
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., 1984. http://webmineral.com/data/Kaolinite.shtml http://webmineral.com/data/Dolomite.shtml http://www.webmineral.com/data/Albite.shtml http://www.webmineral.com/data/Orthoclase.shtml http://www.mineralworld.ca/wp-content/uploads/2011/05/Quartz-Crystal-Cluster1.jpg http://www.mine-engineer.com/mining/mineral/anorthite.htm
1. Melléklet. Az elemek periódusos rendszere
