1 / 40

Chemické a mineralogické vlastnosti keramických materiálov

Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a. Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece. Chemické a mineralogické vlastnosti keramických materiálov. doc. Ing. Gabriel Sučik, PhD. spracované podľa: G. Sučik: Možnosti spracovania serpentinitu

sydnee
Download Presentation

Chemické a mineralogické vlastnosti keramických materiálov

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické a mineralogické vlastnosti keramických materiálov doc. Ing. Gabriel Sučik, PhD. spracované podľa: G. Sučik: Možnosti spracovania serpentinitu J. Staroň a F. Tomšů: Žiaruvzdorné materiály – výroba, vlastnosti a použitie

  2. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Viaczložková sústava 6 základných oxidov a uhlík Prímesi = + MgO, CaO, Al2O3, Cr2O3, ZrO2, SiO2 a C FeO, Fe2O3, ZnO, Na2O... Nositelia žiaruvzdornosti Zhoršujú žiaruvzdornosť

  3. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov • Chemické zloženie stanovujeme analytickými metódami založenými na selektívnom správaní sa sledovaných prvkov • Výber vhodnej analytickej metódy ovplyvňuje hlavne: • selektivita alebo vzájomné ovplyvňovanie (interferencie) prvkov • koncentrácia (ppb, ppm alebo % ?) • stav vzorky – analytu (tuhá, kvapalná alebo plynná ?) • požadovaná presnosť (semikvantita alebo stopová analýza ?) • rýchlosť analýzy (koľko vzoriek za deň ?) • náklady na jeden prvok, resp. vzorku 3

  4. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Správny odber vzorky je kľúčom k spoľahlivej chemickej analýze KVARTOVANIE je jednoduchý a spoľahlivý laboratórny postup pre získanie potrebného množstva analytickej vzorky reprezentatívneho zloženia. • Vzorku vysypeme na kvartovací stôl a podľa šablóny oddelíme vrch kužeľa • Rozdelíme na kvadranty • II. a IV. kvadrant odstránime • Zmiešame I. a III. kvadrant • Opakujeme až dostaneme požadované množstvo vzorky pre analýzu I. IV. II. III. 4

  5. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Automatické deliče vzoriek

  6. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Chemická analýza je časovo aj materiálne náročná operácia, preto je výhodné ako prvú vykonať semikvantitatívnu kvalitatívnu EDX analýzu Koncentračná mapa rozloženia kovových prvkov (zlúčenín) v keramickom materiáli Prvky sú viazané v zlúčeninách (mineráloch) periklas, chromit, magnetit, magnoferit a pod. Rozdielny acidobázický charakter vyžaduje špecifické metodiky prípravy vzoriek a analytických metód a postupov Pre presné a komplexné analýzy sa využívajú prevažne deštruktívne metódy chemického rozpúšťania

  7. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Chemická analýza poskytuje informáciu len o priemernom zložení analyzovanej vzorky. Nedáva informáciu o rozložení zložiek v objeme. Príklad Výber relevantných prvkov Väčšinou sa stanovujú ako katióny a následne sa prepočítajú na oxidickú formu, čo je obvyklé vyjadrenie zloženia Kyslé rozpúšťanie v HCl, alkalické zrážanie NH4OH Alkalické tavenie s Na2S2O5 alebo Na2CO3 Chemické zloženie železitej magnézie MgO 87.3 % CaO 3.3 % Fe2O3 7.2 % Cr2O3 0.2 % Al2O3 0.3 % SiO2 0.7 % 7

  8. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Mokré metódy chemickej analýzy – vážková, titračná a fotometrická analýza • Postup: • príprava analytu • kyslé rozpúšťanie (v kyselinách (HCl, HNO3...), tavenie s alkalickými soľami (Na2CO3, Na2S2O5...) • pre titračné/komplexometrické metódy úprava pH a pre prístrojové metódy úprava koncentrácie a farbenie • stanovenie koncentrácie katiónov • na základe spotreby reagentov podľa kalibračnej priamky • spotreba vs. koncentrácia, absorbancia alebo hmotnosť tuhého produktu • vyhodnotenie • prepočet medzivýsledkov na koncentráciu v mg/l alebo %

  9. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Prístrojové metódy chemickej analýzy Plameňová AAS – Flame Atomic Absorption Spectrometry 9

  10. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Prístrojové metódy chemickej analýzy Elektrotermická AAS – Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry 10

  11. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Prístrojové metódy chemickej analýzy Detekčný limit 0.1-10ppb, resp. 0.01-1ppb, dynamický rozsah 103, resp. 102 salinita pri AAS < 5%, pri ETAAS do 20% (aj rmut alebo tuhá vzorka) 11

  12. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Prístrojové metódy chemickej analýzy Atómová emisná spektrometria v indukčne viazanej plazme – ICP-OES 12

  13. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Prístrojové metódy chemickej analýzy Detekčný limit 0.1-10ppb, dynamický rozsah 106, salinita do 20% 13

  14. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Prístrojové metódy chemickej analýzy Hmotnostná spektrometria indukčne viazanej plazmy – ICP-MS 14

  15. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Prístrojové metódy chemickej analýzy Detekčný limit <0.1 ppt, dynamický rozsah 108, salinita <0.2 % 15

  16. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Prístrojové metódy chemickej analýzy Elementárna analýza – EA (síra, dusík, chlór, uhlík, celkový uhlík TOC) 16

  17. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Prístrojové metódy chemickej analýzy Detekčný limit 10 ppb – 1 ppm, dynamický rozsah 106, vzorka s/l/g 17

  18. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Prístrojové metódy chemickej analýzy Röntgen florescenčná metóda XRF – X-Ray Florescence 18

  19. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Prístrojové metódy chemickej analýzy Detekčný limit 1-10 ppm, dynamický rozsah 106, vzorka l/s 19

  20. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Prístrojové metódy chemickej analýzy Optická emisná spektrometria - OES 20

  21. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Prístrojové metódy chemickej analýzy Detekčný limit 10 ppb – 1ppm, dynamický rozsah 106, tuhá vzorka 21

  22. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Prístrojové metódy chemickej analýzy 22

  23. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Prístrojové metódy AAS a ICP-OES • Postup: • príprava kvapalného analytu • kyslé rozpúšťanie (v kyselinách (HCl, HNO3...), tavenie s alkalickými soľami (Na2CO3, Na2S2O5...) • úprava koncentrácie a farbenie • stanovenie koncentrácie katiónov • na základe kalibračnej priamky intenzita vs. koncentrácia • vyhodnotenie • prepočet medzivýsledkov na koncentráciu v mg/l, ppm alebo %

  24. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

  25. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Chemické zloženie keramických materiálov Elektrónový skenovací mikroskop neposkytuje len pohľad na morfológiu častíc ale v spojení s energio-disperzným RTG mikroanalyzátorom dokáže určiť zastúpenie prvkov ako aj ich rozloženie

  26. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Fázové a mineralogické zloženie keramických materiálov Práškovou difrakčnou analýzou určujeme kryštalické fázy v polykryštalickom materiáli, čo je veľmi dôležité z hľadiska technológie RTG difraktogram MgO získaného z odpadného azbestu - serpentinitu

  27. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Termická analýza keramických materiálov Diferenčnou termickou analýzou určujeme zloženie na základe tepelného zafarbenia chemických reakcií v skúmanej vzorke a prípadné zmeny jej hmotnosti účinkom monotónne rastúcej teploty. Artinit – MgCO3.Mg(OH)2.3H2O Hydromagnezit – 4MgCO3.Mg(OH)2.4H2O Pokrovskit – 4MgCO3.2Mg(OH)2.H2O Georgiosit – 4MgCO3.Mg(OH)2.5H2O Dypingit – 4MgCO3.Mg(OH)2.5(H2O)

  28. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Termická analýza vápenca z lomu Drienov

  29. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Termická analýza dolomitu z lomu Trebejov

  30. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Termická analýza magnezitu zo SMZ a.s. Jelšava

  31. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Termická analýza keramických materiálov Dilatometrickou analýzou určujeme teplotnú rozťažnosť skúmanej vzorky účinkom monotónne rastúcej teploty.

  32. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Termochemické a termofyzikálne vlastnosti keramických materiálov Rýchlosť koróznych procesov ovplyvňuje najpomalší s dejov. Vo viskóznych (hustých) taveninách býva riadiacim dejom transport hmoty na reakčné rozhranie – difúzia a odvod produktov do okolia – prúdenie. • Podľa dynamiky prostredia rozlišujeme • transport reakčných zložiek k rozhraniu • reakcia na fázovom rozhraní • transport reakčného produktu do kvapalnej fázy troska tavenina penetrovaná tavenina žiaruvzdorný materiál

  33. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Termochemické a termofyzikálne vlastnosti keramických materiálov Žiaruvzdorné materiály sú navrhované tak, aby čo najlepšie odolávali škodlivým vplyvom vysokoteplotných technologických procesov. Erózia (konvektívna) • Mechanické pôsobenie prúdiacej tekutiny na fázovom rozhraní • Tekutina prúdi rovnobežne s povrchom, čím sa obnovuje hnací gradient korózie • Gradient korózie závisí od hustoty, viskozity a povrchového napätia

  34. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Termochemické a termofyzikálne vlastnosti keramických materiálov Žiaruvzdorné materiály sú navrhované tak, aby čo najlepšie odolávali škodlivým vplyvom vysokoteplotných technologických procesov. • Korózia ŽM je zložitý termochemický a termofyzikálny proces. Zahŕňa termodynamicky relevantné termochemické reakcie, ktorých hnacou silou je dosiahnutie ich rovnovážny stav. Ku kinetike týchto reakcií prispievajú dynamické termofyzikálne procesy – prúdenie. • vysokoteplotná reakcia medzi žiaruvzdorným materiálom a vsádzkou (kov, troska, sklovina, spaliny a pod.) • Väčšinou sa jedná o vznik kvapalnej fázy z ľahkotaviteľných zlúčenín, ktorá v sebe rozpúšťa žiaruvzdorný materiál • Skladá sa z troch častí: • transport reakčných zložiek k rozhraniu • reakcia na fázovom rozhraní • transport reakčného produktu do kvapalnej fázy Korózia (molekulárna)

  35. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Rýchlosť rozpúšťania je daná veľkosťou koncentračného gradientu Efektívna hrúbka difúznej vrstvy Reynoldsovo (Re) a Schmidtovo (Sc) kritérium w – rýchlosť prúdenia tekutiny [m.s-1] l – charakteristická dĺžka závislá od tvaru a rzmerov obtekaného telesa [m]  - kinematická viskozita [m2.s-1] D – difúzny koeficient [m2.s-1]

  36. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Rýchlosť rozpúšťania je daná veľkosťou koncentračného gradientu závislosť od koncentrácie a efektívnej hrúbky koncentračný gradient Rýchlosť rozpúšťania závislosť od teploty j – symbol vyjadrujúci difúzny tok C – zmena koncentrácie, koncentračný rozdiel Viskozita En – aktivačná energia viskózneho toku B – konštanta 36

  37. plyn l-g s-g  kvapalina s-l tuhá látka Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Povrchové napätie  je definovaná ako práca potrebná na zmenu veľkosti povrchu kvapaliny. Uhol zmáčania je uhol, ktorý zviera ležiaca kvapka kvapaliny na fázovom rozhraní Zmáčavosť ak je uhol <90°, potom je materiál zmáčavý ak je uhol >90°, potom je materiál nezmáčavý

  38. l-g plyn kvapalina s-g  s-l tuhá látka Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Povrchové napätie  je definovaná ako práca potrebná na zmenu veľkosti povrchu kvapaliny. Uhol zmáčania je uhol, ktorý zviera ležiaca kvapka kvapaliny na fázovom rozhraní Zmáčavosť ak je uhol <90°, potom je materiál zmáčavý ak je uhol >90°, potom je materiál nezmáčavý

  39. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Dihedrálny uhol je uhol pod akým vniká tavenina do miest styku dvoch tuhých častíc. l-g plyn kvapalina s-g  s-l zrno zrno s-s tuhá látka

  40. Teplota taveniny Teplotný spád Teplota steny tavenina vymurovka zóna poškodenia Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Zonárna štruktúra vzniká difúziou taveniny na hraniciach zŕn v stavivách smerom k chladnejším miestam, kde jej viskozita rastie až do konečného stuhnutia sprevádzaného zväčšením objemu a rozšírením trhlín. • Faktory ovplyvňujúce prienik taveniny: • chemická odolnosť • zmáčavosť žiaruvzdorného materiálu • hutnosť • viskozita taveniny • teplotný spád • tlak taveniny

More Related