ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д. Серикбаева
А.
СВС технологии в порошковой металлургии
Методические указания к практическим занятиям для докторантов специальности 6D070900 «Металлургия»
Усть-Каменогорск
2013
УДК 621.762
А. СВС технологии в порошковой металлургии: Методические указания к практическим занятиям для докторантов специальности 6D070900 «Металлургия» / ВКГТУ. – Усть-Каменогорск, 2013. – 21с.
Методические указания содержат перечень практических работ с конкретно поставленной целью и задачами, также предложена последовательность выполнения работ.
Одобрено методическим советом горно-металлургического факультета
Протокол № ___ от «____»__________2013 г.
ã Восточно-Казахстанский
государственный
технический университет
2013
СОДЕРЖАНИЕ
Введение | 4 |
1 Приведение химического состава материалов к стопроцентному | 5 |
2 Пересчет количества влажного материала на сухое вещество | 6 |
3 Пересчет количества сухого вещества на влажный материал | 8 |
4 Пересчет материала с одной влажности на другую | 9 |
5 Расчет содержания сухого вещества в шликере и его влажности по методу удельных весов | 10 |
6 Пересчет химического состава материала на прокаленное вещество | 12 |
7 Пересчет химического состава вещества с весовых процентов на молекулярный состав | 14 |
8 Расчет рационального состава сырьевых материалов и масс | 15 |
9 Определение шихтового состава по ее рациональному составу | 17 |
10 Расчет шихтового состава массы по ее химическому составу | 18 |
Список литературы | 20 |
ВВЕДЕНИЕ
Настоящие методические указания включают себя расчеты по технологии технической керамики, которые необходимы для работы на производстве керамической продукции.
Цель практических занятий - освоение методов расчета необходимого объема исходных материалов и полуфабрикатов при производстве керамических изделий по всем технологическим переделам.
Практические работы являются одной из важнейших составных частей курса «СВС технологии в порошковой металлургии».
1 ПРИВЕДЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА МАТЕРИАЛОВ К СТОПРОЦЕНТНОМУ
Химический состав изходных материалов, керамических масс и глазурей, выраженный в процентах, полученный методом химического анализа, в большинстве случаев не составляет 100%. Поэтому состав пересчитывают 100% по формуле:
(1)
где аi - содержание отдельной составной части по данным анализа, %;
b - общая сумма составных частей (Σаi), %;
х - содержание каждой составной части в составе, приведенном к 100%, %.
Пример.
Известен химический состав фарфоровой массы в % по данным анализа: SiO2 - 64,03; Al2O3 - 24,27; TiO2 - 0,06; Fe2O3 - 00,79; CaO - 0,91; MgO - 0,25; K2O+Na2O - 4,03, потери при прокаливании - 5, сумма 99,34. Необходимо пересчитать этот состав к стопроцентному.
Решение.
Подставляя соответствующие значения содержания оксидов в формулу (1), получаем состав (в %): SiO2 - 64,46; Al2O3 - 24,43; TiO2 - 0,06; Fe2O3 - 00,80; CaO - 0,91; MgO - 0,25; K2O+Na2O - 4,06, п. п.п. - 5,03.
2 ПЕРЕСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ВЛАЖНОГО МАТЕРИАЛА НА СУХОЕ ВЕЩЕСТВО
При расчете количества влажного материала используют такие характеристики, как абсолютная и относительная влажность.
Абсолютная влажность Wa в % и влажность, отнесенную к высушенной до постоянного веса навески вещества, находят по формуле:
(2)
где g0 - вес влажного вещества, г;
g1 - вес материала, высушенного до постоянного веса, г.
Относительная влажность или влажность, отнесенную к весу влажного материала, определяют по следующей формуле:
(3)
Соотношение между абсолютной и относительной влажностью выражается зависимостью:
(4)
(5)
В дальнейшем изложении относительную влажность материала будем называть просто его влажностью.
На практике все технологические расчеты удобнее и проще производить с материалами, состав которых заранее пересчитан на сухое вещество, т. е. на продукт, не содержащий механически связанной воды. Пересчет ведут по следующей формуле:
(6)
где х - искомый вес сухого материала;
g - исходный вес материала.
Когда необходимо пересчитать на сухое вещество процентный состав материала, содержащего несколько компонентов, пользуются следующими формулами:
- если заданный для пересчета на сухое вещество процентный состав материала не приведен к 100%
(7)
где аi - процентное содержание отдельной составной части материала по рецепту, %;
b - общая сумма составных частей по рецепту, %;
х - искомая величина для каждой составной части состава, приведенного к 100%;
W - влажность, %.
- если заданный для пересчета на сухое вещество состав материала приведен к 100%
(8)
3 ПЕРЕСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА СУХОГО ВЕЩЕСТВА НА ВЛАЖНЫЙ МАТЕРИАЛ
Во многих случаях при технологических расчетах приходится пересчитывать количества сухого вещества на влажный материал, учитывая в каждом отдельном случае определенную величину его влажности.
Пересчет ведут по следующей формуле:
(9)
где x - искомый вес влажности материала;
g - вес исходного сухого материала;
W - влажность материала, %.
Иногда на практике пересчеты сухого материала на влажный проводят, принимая вес сухого материала за 100%, по формуле:
(10)
4 ПЕРЕСЧЕТ МАТЕРИАЛА С ОДНОЙ ВЛАЖНОСТИ НА ДРУГУЮ
Часто приходится определять количество материала при изменении его влажности, например, при распускании глины, сушке ее в той или иной сушилке, переработке шликера на фильтр-прессах и др. Этот пересчет ведут по следующей формуле:
(11)
где x - искомый вес материала с новой влажностью;
g - вес материала с исходной влажностью;
W - исходная влажность материала, %;
W1 - влажность материала после его обработки, %.
Пример.
Материал с влажностью 10 % весит 100 кг. Необходимо определить его вес после увлажнения до 20 %.
кг
Количество воды, необходимое для доувлажнения материала с влажностью 10 % до влажности 20 % составит 112,5-100=12,5 кг.
5 РАСЧЕТ СОДЕРЖАНИЯ СУХОГО ВЕЩЕСТВА В ШЛИКЕРЕ И ЕГО ВЛАЖНОСТИ ПО МЕТОДУ УДЕЛЬНЫХ ВЕСОВ
На керамических заводах готовящих массу шликерным способом приходится часто определять количество сухого вещества в шликере. Это определение обычным путем, т. е. высушиванием шликера и последующим взвешиванием сухого остатка, достаточно длительно. Для более быстрого определения сухого вещества в шликере удобно пользоваться методом удельных весов.
Метод заключается в следующем. Измерительным сосудом объемом V, обычно равным 100 см3, отбирают из сборника или мешалки объемом V0 пробу шликера, взвешивают её и по разности весов сосуда со шликером и пустого сосуда получают вес шликера g в заранее известном объеме. Этот вес равен суммарному весу обоих составных частей: сухого вещества g1 и воды g2. Вес последней равен весу воды в объёме измерительного сосуда за вычетом веса воды, вытесненной сухим веществом g3.
(12)
где d – удельный вес сухого вещества.
Вес воды в измерительном сосуде, численно равный её объёму, за исключением веса воды, вытесненной сухим веществом, равен:
(13)
Содержание сухого вещества в шликере составит:
g=g1+g2 или g=g1+
(14)
Преобразуя выражение (14), находим:
(15)
Уравнение (15) позволяет установить вес сухого вещества в сборнике или мешалке, пользуясь полученными данными.
Отношение весов сухого вещества находящегося в сосуде g1 и в сборнике или мешалке g0, должно быть равным отношению между ёмкостями обоих сосудов, т. е.:
Подставив вместо g, его значение из уравнения (15), получим:
(16)
Чтобы избежать даже такого простого расчета, при котором все же иногда возможны ошибки, чтобы значительно ускорить определение, рекомендуется составить таблицу по которой можно найти вес сухого вещества в шликере, если определен вес шликера в объёме измерительного сосуда и удельный вес сухого вещества d.
Таблица 1 – Определение влажности
Вес 100 см3 шликера, г | Вес сухого остатка, г | Влажность шликера, % |
153 | 86 | 43,7 |
153,5 | 86,8 | 43,4 |
154 | 87,7 | 43 |
154,5 | 88,7 | 42,7 |
155 | 89,5 | 42,3 |
155,5 | 90,2 | 42 |
156 | 91 | 41,6 |
156,5 | 91,9 | 41,3 |
157 | 92,5 | 41,1 |
6 ПЕРЕСЧЕТ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА МАТЕРИАЛА НА ПРОКАЛЕННОЕ ВЕЩЕСТВО
При таком пересчете могут встретиться два случая: заданный для пересчета химический состав приведен к 100%; заданный для пересчета химический состав не приведен к 100%. В первом случае расчет ведут по формуле:
(17)
где х - содержание компонента в прокаленном веществе, %;
ai - содержание компонента в данном материале до прокаливания, %;
δ - потери при прокаливании, %.
Во втором случае расчет ведут по формуле:
(18)
где b = Σ ai - сумма по данным анализа, %.
Пример.
Пересчитать приведенный в таблице 2 химический состав материала в % на прокаленное вещество.
Таблица 2 - Химический состав сырья
Материал | Содержание, % | ||||||
SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | п. п.п. | Сумма | |
Каолин | 43,5 | 39,61 | 0,57 | 1,49 | 0,61 | 14,22 | 100 |
Мел | 0,89 | 0,47 | 0,06 | 55,59 | 0,13 | 42,86 | 100 |
Глина | 73,76 | 14,69 | 2,86 | 1,53 | 0,48 | 6,68 | 100 |
Магнезит | - | 0,31 | 0,05 | - | 61,66 | 38,38 | 100 |
Подставляя соответствующие значения для каждого материала в формулу (18), получим состав материалов на прокаленное вещество.
Таблица 3 - Химический состав сырья на прокаленное вещество
Материал | Содержание, % | |||||
SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | Сумма | |
Каолин | 51,21 | 45,67 | 0,67 | 1,74 | 0,71 | 100 |
Мел | 1,57 | 0,83 | 0,11 | 97,26 | 0,22 | 100 |
Глина | 79,04 | 15,74 | 3,07 | 1,64 | 0,51 | 100 |
Магнезит | - | 0,51 | 0,08 | - | 99,41 | 100 |
7 ПЕРЕСЧЕТ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВЕЩЕСТВА С ВЕСОВЫХ ПРОЦЕНТОВ НА МОЛЕКУЛЯРНЫЙ СОСТАВ
При определении минерального состава сырья, расчетах керамических масс, глазурей и красок, стекольных и эмалевых шихт и т. д. пользоваться их весовым химическим составом в процентах бывает затруднительно. Поэтому необходимо знать молекулярные соотношения между оксидами, входящими в состав веществ. Переход от процентного содержания к молекулярным соотношениям очень прост. Для этого процентное содержание вещества достаточно разделить на его молекулярный вес. Например, 55,8% кремнезема соответствует:
моля SiO2.
Имеются таблицы перевода процентного содержания на количество вещества.
8 РАСЧЕТ РАЦИОНАЛЬНОГО СОСТАВА СЫРЬЕВЫХ
МАТЕРИАЛОВ И МАСС
Сырьё, используемое в керамической промышленности, как правило, является полиминеральным, даже лучшие разновидности каолинов и огнеупорных глин наряду с глинистыми веществами (каолинитом Al2O3·2SiO2·2H2O и др.) содержат примеси полевого шпата, кварца SiO2 и в небольшом количестве Fe2O3 и др.
Пегматиты состоят из собственного полевого шпата, кварца и в небольшом количестве содержат слюды (вещества по химическому составу сходные с глинистыми).
Полевые шпаты также полиминеральны и состоят из калиевого полевого шпата - микроклина К2O·Al2O3·6SiO2, натриевого полевого шпата Na2O·Al2O3·6SiO2 и примеси кальциевого полевого шпата - анортита CaO·Al2O3·2SiO2.
Пример.
Определить рациональный состав глины по её химическому анализу: химический состав глины, %: SiO2 - 51,11; Al2O3+TiO2 - 33,72; CaO - 0,55; MgO - 0,6; Fe2O3 - 1,16; Na2O - 0,82; K2O - 0,95; п. п.п. - 10,81. Требуется определить содержание альбита и ортоклаза в глине по содержанию в ней Na2O и K2O.
Находим молекулярные веса:
- альбита Na2O·Al2O3·6SiO2 - 524;
- ортоклаза К2O·Al2O3·6SiO2 - 556;
- Na2O - 62;
- K2O - 94.
Количество ортоклаза в 100 весовых частях глины определяют из соотношения:
94:556=0,95:х, откуда х=5,6 вес. ч.
Количество альбита:
62:524=0,82:х, отсюда х=6,9 вес. ч.
Зная молекулярный состав альбита и ортоклаза, определяют количество Al2O3 и SiO2 в вес. ч. (их молекулярные веса 102 и 60, соответственно), входящих с полевым шпатом в состав сырья.
Al2O3 в ортоклазе: 556:102=5,6:х х=1,0
Al2O3 в альбите: 524:102=6,9:х х=1,3
SiO2 в альбите: 524:360=6,9:х х=4,7
SiO2 в ортоклазе: 556:360=5,6:х х=3,6
Таким образом, с ортоклазом и альбитом связано 1+1,3=2,3 вес. ч. Al2O3. Всего в глине, по данным химического анализа, 33,7 вес. ч. Al2O3, следовательно 33,7-2,3=31,4 вес. ч. Al2O3 связано в каолините. Исходя из молекулярной формулы каолинита Al2O3·2SiO2·2Н2О (молекулярный вес 258) и содержания в нем Al2O3, рассчитывают количество каолинита в глине:
100:258=31,4:х х=79,4 вес. ч.
С этим количеством каолинита связано следующее количество SiO2:
258:120=79,4:х х=36,9 вес. ч.
Несвязанный кремнезем (свободный кварц) определяют по разности между общим количеством кремнезёма в глине (по данным анализа - 51,5) и количеством кремнезёма, связанного в альбите, ортоклазе и каолините:
51,5-(3,6+4,7+36,9)=5,9 вес. ч
В сырье, содержащем небольшие количества других оксидов (CaO, MgO, Fe2O3 и др.), количество минералов, содержащих указанные оксиды, не рассчитывается. При незначительном по сравнению с К2О содержании в полевом шпате Na2O количество этих оксидов суммируется и определяется количество ортоклаза. Химический состав сырьевых материалов, используемых в керамической промышленности, обычно приводится в справочных таблицах.
9 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИХТОВОГО СОСТАВА МАССЫ ПО ЕЕ РАЦИОНАЛЬНОМУ СОСТАВУ
Пример.
По рациональному составу фарфоровой массы определить её шихтовый состав. Рациональный состав массы (в вес. ч.): глинистые материалы - 50; полевой шпат - 25; кварц - 25.
Принимаем, что в 15 вес. ч. глинистого вещества, исходя из технологических свойств сырья, вводится в виде каолина, а 35 вес. ч. - огнеупорной глины. Для простоты считаем, что каолин представлен каолинитом, а глина содержит 70 % каолинита, 28 % кварца и 2 % полевого шпата.
Количество глины, необходимое для введения 35 вес. ч. глинистого вещества равно:
100 вес. ч глины содержит 70 % глинистого вещества;
х вес. ч. глины содержат 35 % глинистого вещества.
вес. ч. глинистого вещества.
Количество кварца, вводимого с глиной равно:
100 вес. ч глины содержат 28 % кварца;
50 вес. ч. глины содержат х % кварца.
вес. ч. кварца.
Количество шпата вводимого с глиной равно:
100 вес. ч глины содержат 2% полевого шпата;
50 вес. ч. глины содержат х % полевого шпата.
вес. ч. полевого шпата.
Следовательно, шихтовый состав массы, вес. ч.:
- каолин 50-35=15;
- глина 50;
- кварц 25-14=11;
- шпат 25-1=24.
10 РАСЧЕТ ШИХТОВОГО СОСТАВА МАССЫ ПО ЕЕ ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ
Пример.
По химическому составу массы рассчитать ее шихтовый состав.
Химический состав массы, %: SiO2 - 58,69; Al2O3 - 29,39; CaO - 0,13; MgO - 0,08; Fe2O3 - 0,85; К2O - 3,18; п. п.п. - 7,71.
Для упрощения расчета принимаем, что исходные материалы имеют теоретический состав, сведенный в таблицу 4.
Таблица 4- Теоретический состав исходных материалов
Материал | Формула | Молек. масса | Состав, вес. ч. | |||
К2O | Al2O3 | SiO2 | Н2O | |||
Полевой шпат | К2O·Al2O3·6SiO2 | 556,70 | 94,2 | 101,96 | 360,54 | - |
Каолин | Al2O3·2SiO2·2H2O | 258,13 | - | 101,96 | 120,18 | 36 |
Кварц | SiO2 | 60,09 | - | - | 60,09 | - |
CaO, MgO и Fe2O3 рассматриваются как примеси к каолину. Пользуясь формулой полевого шпата, определяют его содержание по К2O, исходя из пропорции:
556,7 вес. ч. полевого шпата содержат 94,2 вес. ч. К2O;
х вес. ч. полевого шпата содержат 3,18 вес. ч. К2O.
вес. ч. полевого шпата
Количество глинозема и кремнезема, введенных с полевым шпатом, рассчитывают исходя из следующих пропорций:
556,7 вес. ч. полевого шпата содержат 101,96 вес. ч. Al2O3;
18,79 вес. ч. полевого шпата содержат х вес. ч. Al2O3.
вес. ч. Al2O3
556,7 вес. ч. полевого шпата содержат 360,54 вес. ч. SiO2;
18,79 вес. ч. полевого шпата содержат у вес. ч. SiO2.
вес. ч. SiO2
Уставливаем содержание каолина:
С каолином введено 29,39-3,41=25,98 вес. ч. Al2O3
258,13 вес. ч. каолина содержат 101,96 вес. ч. Al2O3;
х вес. ч. каолина содержат 25,98 вес. ч. Al2O3.
вес. ч. каолина
Количество кремнезема, вводимого с каолином, можно определить, пользуясь пропорцией:
258,13 вес. ч. каолина содержат 120,18 вес. ч. SiO2;
65,7 вес. ч. каолина содержат у вес. ч. SiO2.
вес. ч. SiO2.
Прибавив кремнезема, находящийся в полевом шпате и отняв полученную суммму от общего количества кремнезема по данным анализа, определяют количество несвязанного (свободного) кварца:
58,69-(12,17+30,58)=15,94 вес. ч. кварца
Небольшие количества оксидов железа, кальция, магния являются постоянными примесями глинистых материалов. Поэтому в данном случае можно прибавить их к полученному расчетом количеству каолина:
65,7+0,13+0,08+0,85=66,76 вес. ч. каолина
Шихтовый состав массы (в вес. ч.) будет:
- каолин - 66,76;
- кварц - 15,94;
- полевой шпат - 18,79.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 А., С., И., П. Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. – М.: Издательство БИНОМ, 1999
2 А., А., В. Макрокинетика и механизм СВС-процесса в системах на основе титан-углерод. Физика горения и взрыва, 1991, том 27, №1, стр. 88-97
3 А., П., В., Г.. А. Закономерности структурообразования СВС-композиции TiC-TiB2. Черная металлургия, 1991, №3, стр. 82-86
4 В., А., Н. Влияние особенностей процесса СВС на структуру компактного карбида титана. Порошковая металлургия, 1991, №7, стр. 76-78
5 А., П., В. Керметные СВС-композиции в системе диборида титана-сталь Гатфильда. Черная металлургия, 1993, №1, стр. 62-66
6 Г., А., А., Д., Н., П., Г. Некоторые аспекты получения методом СВС сверхпроводящей иттриевой керамики. Физика горения и взрыва, 1993, том 29, №2, стр. 62-67
7 В., А., В., Н., Технологические аспекты получения компактного диборида титана методом СВС. Черная металлургия, 1994, №3, стр. 51-55
8 А., В., Л., В., Г. Структура и свойства нового дисперсионно-твердеющего сплава на основе карбида титана, полученного методом СВС. Физика металлов и металловедение, 1994, т.77, выпуск 2, стр. 118-124
9 Б., Г., А. Получение методом СВС-компактирования NiAl с Y2O3, NbC и TiN. Физика и химия обработки материалов, 1994, №4-5, стр. 135-143
10 А., А., М., Н. Особенности капиллярного массопереноса в волне горения многокомпонентных гетерогенных систем. Физика горения и взрыва, 1988, том 24, №2, стр. 73-77
11 А., А., М., Н. Горение многокомпонентных систем в ультразвуковом поле. Физика горения и взрыва, 1987, том 23, №6, стр. 65-69
12 Г., П., И., И. Научные принципы материалов. – М.: Наука, 1981
13 Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Новые проблемы. – М.: Химия, 1983
14 И., С. Высокотемпературный синтез интерметаллических соединений. – Томск, 1989
15 Франк- А. Диффузия и теплоперенос в химической кинетике. – М.: Наука, 1987
Основные порталы (построено редакторами)