2016.03.02.
• 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
Korund: Al2O3
jó vill szigetelő, hőálló, jó hővezető, szövetbarát
MCM hordozó, nagyfrekv. szigetelő, implantátum
BeO:
jó vill szigetelő, hőálló, nagyon jó hővezető
nagyfrekv. szigetelő, hordozó
ZrO2
Hőálló, ionvezető
tűzálló anyag, oxigén szenzor
TiO2
magas dielektromos állandó
I. tip. kondenzátor
BaTiO3
nagyon magas dielektromos állandó, ferroelektromos, piezoelektromos
II. tip. kondenzátor piezoelektromos elemek
Nitridek:
Si3N4, 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
jó mechanikai tul.
atomreaktor
Oxidkerámiák:
Titanátok:
WC
B4C
Ferritek Szupravezetők
lágy és kemény mágnesek YBa2Cu3O7-x MgB2
Tc 100K Dr. Pátzay György
2
1
2016.03.02.
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.)
• SiO2 kvarchomok, homokkő (soványítja, képlékennyé teszi a kerámiát) • Földpát (kálium-aluminoszilikát) - tömörré teszi a kerámiát
• Mészkő, márga, magnezit, dolomit - kalcium- és magnéziumkarbonátok - porozitást növelik (CO2 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. K2OAl2O36SiO2 + 2H2O + CO2 Al2O32SiO22H2O + K2CO2 + SiO2 Földpát + víz + széndioxid agyagásvány + kálisó + kovasav
Dr. Pátzay György
keletkezés
4
2
2016.03.02.
Kaolinit szerkezete o Oxigén; " Hidroxil; o Tetraéderesen koordinált szilícium; ● Alumínium oktaéderesen koordinált
Kaolinit SEM felvétele
Dr. Pátzay György
5
A CaO-SiO2-Al2O3 terner rendszer olvadáspont diagramja
Dr. Pátzay György
6
3
2016.03.02.
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
Korszerű kerámiák
Agyagtárgyak
Elektromos szigetelők
Fazekas termékek
Mágneses ferritek
Fehér termékek
Optikai, lámpák
Agyag, földpát és kvarc alapú
Kémiai célú edények, eszközök
kőedény
Hőálló alkatrészek
üvegkerámia
Mechanikai, vágó, megmunkáló szerszámok
háztartási porcelán
Biológiai, implantátumok
ipari porcelán
Nukleáris üzemanyag pasztillák
műszaki kerámiák
Dr. Pátzay György
8
4
2016.03.02.
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 600-1500oC 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: SiO2, B2O3, Al2O3, ZnO, PbO, PbO2, Na2O, CaO, MgO, BaO, SrO, K2O, Rb2O, Cs2O, Li2O. Dr. Pátzay György
10
5
2016.03.02.
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 920-1000oC kőedény 1100-1250oC kőagyag, keramit 1200-1350oC porcelán 1250-1450oC tűzálló anyagok 1300-1700oC Dr. Pátzay György
11
Kerámiaipari műveletek hatása a szerkezetre
Előkészítés, keverés
formázás
Dr. Pátzay György
szárítás
égetés
12
6
2016.03.02.
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
2016.03.02.
•
Mész
•
Gipsz CaSO4 2 H2O CaSO4 anhidrit + 2 H2O 180-200oC
•
Cement Alapanyag: agyag és mészkő Műveletek: őrlés és égetés1100-1450oC Szilárdulás, kötés: hidrolízis és hidratáció
•
Beton: cement+kavics+acél
égetés CaCO3 CaO + CO2 oltás CaO + H2O Ca(OH)2 kötés Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O
nagy nyomószilárdság+ jó húzószilárdság
Dr. Pátzay György
15
A mész, mészhabarcs
Dr. Pátzay György
16
8
2016.03.02.
A kalciumkarbonát termikus bomlási reakciója Szemcseméret csökkenés af
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
2016.03.02.
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
2016.03.02.
Gipsz (CaSO4*2H2O) 120 oC 180-200 oC 400-750 oC 800 oC
CaSO4*2H2O gipsz, CaSO4 anhidrit CaSO4*2H2O CaSO4*0,5H2O + 1,5H2O CaSO4 képződik oldódó anhidrit CaSO4 képződik nem oldódó anhidrit CaSO4 képződik oldódó anhidrit Esztrich gipsz
Dr. Pátzay György
21
Építési gipsz felhasználása
Gipszkarton gyártása (Esztrich gipszből)
Gipszkarton típusok
Dr. Pátzay György
22
11
2016.03.02.
Magnézia (Sorel) cement
MgCl2 sok
Mg(OH)2 MgO(OH)) kevés
A kötés során eltérő összetételű MgOxCly keletkezik. Hiroszkópos! Töltőanyagokkal melegpadló készítésre használható. A felületetolajozással, parafinozással védeni kell!
Dr. Pátzay György
23
Hidraulikus kötőanyagok Szilikát (portland) cement ~ 2/3 rész CaO ~ ¼ rész SiO2 ~ 4-7% Al2O3 ~ 2-4 % Fe2O3 ~ 1% MgO elegye
Nyersanyagok: agyag, mészkő, márgák, pirit, dolomit
Előállítás:
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 0C - száradás - hidrátvíz elvesztés 500-700 0C - CaCO3 bomlik 800-1100 0C - a CaO reagál a SiO2-dal, Al2O3 –dal Fe2O3-dal 1100-1200 0C - 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
2016.03.02.
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
2016.03.02.
Néhány jellemző klinerképződési reakció
Dr. Pátzay György
27
Portlandcement főbb komponensei Komponens C3S
mennyiség megjegyzés 50% nagyon reaktív, magas hidratációs hő, korai szilárdság
C2S
25% kis hidratációs hő, lassú reakciók
C3A
10% magas hidratációs hő, szulfát károsítja
C4AF Gipsz
10% 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
2016.03.02.
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
Dr. Pátzay György
29
30
15
2016.03.02.
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 és Urbán 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
2016.03.02.
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/m3) 12- nyomószilárdság 12 N/mm2 32- legnagyobb szemcsenagyság FN- földnedves
Dr. Pátzay György
33
A szilárdságért felelős
Különleges tulajdonságok
Dr. Pátzay György
34
17
2016.03.02.
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
2016.03.02.
Cementgyártás folyamata
Dr. Pátzay György
37
A fajlagos energiafogyasztás változása a cementgyártásban Németországban
Dr. Pátzay György
38
19
2016.03.02.
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
2016.03.02.
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/m3 Tapadás: a bitumen adalékanyagokhoz történő tapadási képességét jellemző érték. Vizes és poros felületek csökkentik a tapadási képességet.
Dr. Pátzay György
41
Durva és finomkerámiai anyagok Tégla gyártás • • • •
Agyag + soványító anyag (homok, kőzettörmelék) Nedves formázás Szárítás Égetés 950-1000 oC-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
2016.03.02.
Kőagyag Égetés 1300-1400 oC-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 oC-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 H3PO4, 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
2016.03.02.
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
2016.03.02.
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
2016.03.02.
Üvegipar Üveg olyan anyag, aminek energiatartalma a folyadék és kristályos állapot között van. Üveg közelítő összetétele: R2O*R’O*6SiO2 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 • SiO2, B2O3, P2O5, stb. 2. Ömlesztő anyagok: csökkentik az olvadási hőmérsékletet • Na2O, PbO, K2O, Li2O, stb.. 3. Tulajdonság módosítók: módosítják a vegyszerállóságot, hőtágulást, viszkozitást stb. • CaO, Al2O3, stb. 4. Színezékek: oxidok 3d, 4f elektron szerkezettel; alkomponensek(<1 m%) 5. Tisztítóanyagok: alkomponensek (<1 m%) a buborékok eltávozását segítik elő • As-, Sb-oxidok, KNO3, NaNO3, 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 cm3 CaO22,400 Ncm3 CO2 • 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
2016.03.02.
3. Az olvadt komponensek elgőzölgése • Oxid (foly.) → Oxid (gáz) • Alkáli oxidok (Li
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
2016.03.02.
Üveggyártás
Dr. Pátzay György
Dr. Pátzay György
53
54
27
2016.03.02.
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
2016.03.02.
Üvegtermékek kialakítása
Centrifugálással
Préseléssel
Préseléssel és fújással Dr. Pátzay György
57
A Danner eljárás üvegcső előállítására
Dr. Pátzay György
58
29
2016.03.02.
Üvegszövet gyártása a) Olvasztó tartály; b) Centrifúga fúvókákkal; c) Kötőanyag befújása; d) Üvegszövedék; e) Kötésképző kemence; f) Bárd; g) Termék
Dr. Pátzay György
Dr. Pátzay György
59
60
30
2016.03.02.
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
2016.03.02.
Az üvegek színezésére használt fémvegyületek Elem
Ion
Szín
Réz
Cu2+
világoskék
Króm
Cr3+
zöld
Cr6+
sárga
Mangán
Mn3+
ibolya
Vas
Fe3+
sárgás-barna
Fe2+
kékes-zöld
Co2+
intenzív kék, borátüvegben rózsaszín
Co3+
zöld
Nikkel
Ni2+
szürkés-barna, sárga, zöld, kék, ibolya az üvegtől függően
Vanádium
V3+
zöld szilikát üvegben, barna borátüvegben
Titán
Ti3+
ibolya redukáló körülmények között olvasztva
Neodímium
Nd3+
vöröses ibolya
Szelén
Se0
rózsaszín
Kobalt
Prazeodímium Pr3+
világos zöld Dr. Pátzay György
63
Üvegfelhasználások megoszlása
Dr. Pátzay György
64
32
2016.03.02.
Zománcok Kémiailag ellenálló üvegszerű bevonat. Alapanyagok: • Bórsav, bórax, földpát, szóda, salétrom, kvarc, folypát, kriolit, báriumkarbonát, agyag, kaolin • Színező pigmentek • Homályosító, átlátszatlanná tevő adalékok (fémoxidok, Sb2O3, TiO2, SnO2, CeO2, 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 1900oC hőmérsékleten.
SiO2 + C → Si + CO2. SiO2 + 2C → Si + 2CO. A folyékony szilícium összegyűlik a kemence alján, ez 98% tisztaságú. A benne lévő szilíciumkarbid a következő reakcióval tüntethető el:
2 SiC + SiO2 → 3 Si + 2 CO.
2005-ben ennek a kohászati minőségű szilíciumnak $1.70/kg volt az ára.
Dr. Pátzay György
66
33
2016.03.02.
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 :
2SiO2(l) + 3C(s) Si(l) + 2CO2(g) + SiC(s) 2SiC(s) + SiO2(l) 3Si(l) + 2CO(g)
34
2016.03.02.
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 HSiCl3 → Si + 2 HCl + SiCl4 Ez polikristályos Si, szennyezéseket ppb szinten tartalmaz. 2006-ban az REC beindított egy fluid ágyas technológiával működő üzemet ami szilánnal működik: 3SiCl4 + Si + 2H2 → 4HSiCl3 4HSiCl3 → 3SiCl4 + SiH4 SiH4 → Si + 2H2
Dr. Pátzay György
70
35
2016.03.02.
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
Szilícium előállítása Tisztítás:
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
