Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 9
1.1. Состояние вопроса и тенденции повышения качества футеровки 9
1.2. Применение промышленных отходов, как альтернатива дефицитным сырьевым материалам, в комплексной технологии получения отливок 15
1.3. Связующие, перспективные методы и технологии формирования спеченного слоя (синтеза) огнеупорных покрытий и кладочных растворов: с помощью обжига, химического отверждения 19
1.4. Параметры измельчения и современные методы получения прецизионных свойств с помощью активации огнеупорных наполнителей 29
Выводы по главе 1 38
2. Приборы и методы исследований 40
2.1. Характеристика исходных материалов 40
2.2. Другие материалы, средства измерений и вспомогательное оборудование 43
2.3. Методы исследований 44
3. Экспериментальные исследования по обоснованию выбора огнеупорной основы раствора 56
3.1. Определение и исследование химического состава отходов 57
3.2. Исследование фазового состава отходов 60
3.3. Микроскопические исследования отходов 65
3.4. Термические исследования отходов 72
3.5. Исследование гранулометрического состава отходов 83
3.6. Исследования площади удельной поверхности ИМ-2201 от 90
Выводы по главе 3 91
4. Экспериментальные исследования по выбору исходных материалов и технологии получения вяжущей системы растворов 92
4.1. Измельчение глин «сухим» способом 94
4.2. Измельчение глин с применением активных добавок (ПАВ) 96
4.3. Классификация глин по получению активности в ультрадисперсном интервале распределения размеров 99
Выводы по главе 4 120
5. Разработка составов огнеупорных растворов 121
5.1. Создание огнеупорных обжиговых растворов 122
5.2. Создание химически твердеющих растворов 145
Выводы по главе 5 155
Общие выводы по работе 157
Список используемой литературы 159
Приложения 172
- Связующие, перспективные методы и технологии формирования спеченного слоя (синтеза) огнеупорных покрытий и кладочных растворов: с помощью обжига, химического отверждения
- Микроскопические исследования отходов
- Классификация глин по получению активности в ультрадисперсном интервале распределения размеров
- Создание химически твердеющих растворов
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из важных задач литейного производства является увеличение срока эксплуатации раздаточных и разливочных ковшей и печей. Её решение в большей мере определяется качеством применяемых огнеупорных материалов (огнеупорность, прочность, термостойкость, устойчивость действшо шлака и др.), и также зависит от соблюдения технологий приготовления и нанесения огнеупорных материалов, что в совокупности влияет на себестоимость отливок.
В литейном производстве для транспортировки и литья стальных и чугунных отливок используются раздаточные и разливочные ковши с футеровкой шамотными кирпичами типа ША-5. Согласно технологии, кирпичи в ковше связаны огнеупорным раствором преимущественно на основе диоксида кремния (наполнитель) и огнеупорной глины с водой (связующий компонент). Многолетний опыт приготовления ковшей свидетельствует о том, что кладка кирпичей, огнеупорное покрытие и соединяющие их растворы претерпевают существенные изменения технологических и геометрических свойств ещё в процессе сушки и спекания их компонентов. Иными словами, еще до первой заливки расплава. В результате комплекс «сушка, спекание, синтез» не достигает необходимых требований по целому ряду ключевых свойств, что приводит к уменьшению полезного объёма ковшей за счет формирования и нарастания шлака, выгорания и разрушения швов между кирпичами и др. В результате стойкость футеровки ковшей составляет 1-7 дней.
В связи с этим актуальными представляются задачи и предложения по замене дорогих и дефицитных огнеупорных материалов на дешёвые промышленные отходы (отработанный катализатор ИМ-2201от, бой шамотного кирпича ША-5от), а также разработка и применение новых экологически безопасных технологических решений и способов получения прецизионных свойств огнеупорных материалов (включая ультрадисперсный уровень).
Цель работы - разработка составов огнеупорных покрытий и кладочных растворов на основе промышленных отходов, продлевающих межремонтный цикл литейных ковшей, обладающих повышенной прочностью, термостойкостью и химической стойкостью, по сравнению с традиционными растворами на основе кварцевого песка.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-
Изучение процесса спекания предлагаемых огнеупорных растворов, как центрального звена в формировании футеровки высокотемпературного оборудования.
-
Определение физико-химических свойств промышленных отходов ИМ-220ІОТ и ША-5от для объяснения причин повышения прочности, термостойкости, химической стойкости и других свойств предлагаемых огнеупорных композиций на основе данных отходов.
-
Установление эффективности применения в огнеупорных растворах ультрадисперсных частиц огнеупорных глин, полученных разными способами в механических мельницах.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является футеровка высокотемпературного оборудования: кладочные растворы и
огнеупорные покрытия раздаточных и разливочных ковшей литейных цехов. Предметом исследования являются свойства огнеупорных материалов, процесс их спекания и стойкость футеровочных масс. Научная новизна.
-
Вскрыт механизм поэтапного спекания предложенных огнеупорных футеровочных растворов при термоциклировании, заключающийся в образовании тугоплавкой муллитовой конструкции в первом цикле процесса из непрерывной жидкой фазы легкоплавких включений; и превращение её в композитную конструкцию из муллита, корунда и окиси хрома при более высоких температурах на последующих циклах. Поэтапное спекание сопровождается последовательным уменьшением усадки в каждом цикле и связано с последовательным удалением примесей и релаксацией дефектов структуры.
-
Экспериментально установлен фракционный характер распределения размеров частиц компонентов, входящих в состав промышленного отхода ИМ-2201, содержащего 4 ярко выраженные фракции со средним размером частиц 18 мкм (А1203), 6 мкм (Сг203), 3 мкм (Si02) и 1,4 мкм (RO, R20), причём количество фракций, их твердость и огнеупорность возрастают с увеличением размеров частиц, что объясняет поэтапный механизм спекания футеровочных растворов на основе промышленных отходов.
-
Экспериментально установлено, что применение огнеупорных глин с ультрадисперсными частицами, полученными в результате механохимической активации в составах огнеупорных растворах, способствует уплотнению структуры и увеличению физико-химических свойств.
Практическая и экономическая значимость.
-
Установлены причины поэтапного спекания многокомпонентных огнеупорных систем, на основании которых можно компоновать составы футеровочных растворов и моделировать режим их спекания.
-
Дополнены и экспериментально обоснованы способы подготовки огнеупорного сырья (огнеупорных и формовочных глин) на заключительном этапе перед смесеприготовительными устройствами, что позволяет получать повышенную прочность огнеупорных растворов и песчано-глинистых смесей в сыром состоянии, применяемых при производстве стальных и чугунных отливок.
-
Предложена новая классификация огнеупорных глин, основанная на признаке активности частиц в ультрадисперсном диапазоне размеров, образующихся в процессе их дезинтеграции в механических измельчителышх аппаратах. Установлена возможность получения формовочных и футеровочных материалов с повышенными ключевыми свойствами (в частности, с повышенной прочностью и термостойкостью).
-
Внедрение основных результатов работы в производство обеспечило 3-х кратное повышение срока службы раздаточных и разливочных ковшей ГЛЦЧ №2 АМО «ЗИЛ». Экономический эффект достигнут за счет увеличения межремонтных периодов.
5. Получен патент на основании заявки «огнеупорный кладочный раствор» №2009147344 от 22.12.2009 г.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в программе работы: Совместной международной научно-практической конференции ЮНЕСКО, МИЭМП и ГОУ МГИУ «Молодые учёные -промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения»; Международной научно-практической конференции «Инженерные системы», РУДН в 2009 и 2010 гг.; Научно-технических семинарах ГОУ МГИУ и НТЦ «Бакор».
В 2009-2010гг. материалы работы занимали 3-е и 2-е места на конкурсе научных работ студентов и аспирантов ГОУ МГИУ. В 2009 году на выставке научно - технического творчества молодёжи НТТМ-ЭКСПО материалы работы отмечены дипломом.
Публикации.
Основное содержание диссертации изложено в 8 работах. Из них 4 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 171 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков, 40 таблиц, список литературы из 112 наименований.
Связующие, перспективные методы и технологии формирования спеченного слоя (синтеза) огнеупорных покрытий и кладочных растворов: с помощью обжига, химического отверждения
«Спекание\.в\ технике, процесс получения; твёрдых иі пористых материалов , (изделий) из мелких порошкообразных илш пылевидных материалов! при- повышенных температурах; часто? при? спекании меняются? также физико-химические: свойствам и структура; материала. Спеканию подвергаются материалы, например; при агломерации, коксовании, при; подготовке слабоспекающихся углей к коксованию в производстве керамики, огнеупорных изделий» [19];
Операция спекания является основной завершающей стадией в технологии практически всех порошковых материалов. Этим объясняется; внимание науки и практических технологов к процессу спекания.; Главной? целью спекания на производстве является достижение определённого уровня требуемых (заданных) свойств[20].
Капитальное изучение спекания- началось в 20-е годы прошлого века. Появились работы Зауэрвальда (1929г.) а затем работы. Френкеля (1945-1946гг.), Пинеса (1946г.), Балыпина. До сих пор вопросы, связанные со спеканием являются важнейшими, обсуждаются на многих российских и международных конференциях. В реальных производственных условиях спекание г является наисложнейшим физико-химическим процессом, отражающим целый комплекс разнообразных явлений, протекающих последовательно или одновременно.
Некоторые процессы при спекании связаны так же с исправлением (устранением) дефектов кристаллического строения веществ [20], т. е. любого нарушения периодичности расположения структурных элементов (атомов) кристаллической решётки. Важнейшими видами таких дефектов является: узловые вакансии? (пустоты); дислокации — линейные (одномерные) дефекты; поверхностные (двумерные) дефекты; — границы зёрен; объёмные (трёхмерные) дефекты — поры, трещины и т. п..
Исследования» «ползучести» керамику при высокой? температуре службы, проводятся? в большом масштабе.- но они не; сфокусированы; на деформационном поведении многокомпонентных систем в? процессе обжига [21]. Между тем разнообразие составов и режимов обжига для спекания? материалов определяет существенные различия в их деформационном поведении [22].
Обжиг— высокотемпературная термическая обработка материалов или изделий с целью изменения, (стабилизации) их фазового и химического состава и/или повышения прочности и кажущейся плотности, снижения пористости [23]. Обжиг в литейном производстве — это завершающая стадия футеровочных ремонтно-подготовительных работ. При обжиге происходят разнообразные и сложные физико-химические управляемые и стохастйчные — негативные процессы.
Процессы при обжиге зависят от температуры обжига, продолжительности, скорости подъёма температуры (с учётом последующих многократных охлаждений), свойства обжигаемых материалов, условий обжига и др.
Физический смысл обжига футеровки в литейном производстве — отверждение пластичной огнеупорной массы; химическое назначение — синтез компонентов в процессе спекания.
Экономические аспекты выбора материалов, а затем и некоторые негативные физико-химические комплексные процессы технологии, происходящие во время обжига футеровки ковшей и дальнейшей эксплуатации — основное направление исследований инженеров-литейщиков на участках для ремонта высокотемпературного оборудования. Некоторые авторы описывают в своих работах свои решения данной проблемы:
С переводом цехов с коксового на природный газ авторами [24] были внедрены 5-рожковые горелки, разработанные ЦГЛ (центральной теплотехнической лабораторией) комбината (ОАО ЗСМК). Конструкция горелки, создавая, закрученный поток горелочного газа, обеспечивает более равномерный прогрев футеровки дна, и стен ковша. Для дальнейшего улучшения качества сушки стенды оборудовали крышками, футерованными огнеупорным фетром.
Использование этого новшества, как пишут авторы [24] позволило увеличить КПД установки с 10-12 до 25-35% и снизить в 1,5-3 раза расход природного газа на сушку в ККЦ-1 - со 140 до 90-110 м3/ч, ККЦ-2 - с 300-320 до 100-120 м3/ч.
Для подготовки сталелитейных ковшей к заливке и с целью экономичной работы конвекторов в ККЦ-2 этими же авторами [24] был изготовлен стенд высокотемпературного нагрева футеровки ковшей. По предложению специалистов ЦТЛ была создана конструкция газокислородной водоохлаждаемой горелки, обеспечивающей разогрев футеровки до 1100-1200 С.
Авторы [25] считают, что сушка и нагрев футеровки с технической точки зрения являются самыми- сложными технологическими процессами подготовки ковшей к заливке.
Приводят в пример разработанную монолитно-набивную футеровку, где сушку проводят с выдержкой 600 С. Рекомендуют сушить в течении 48 часов и перед каждой заливкой подогревать 1200 С. Футеровку ковшей советуют нагревать до температуры не менее 1200 С и по возможности не снижать ее ниже 1000 С в течение всего цикла работы.
В большинстве литейных цехов машиностроения температура сушки не достигает 1000С0, это необходимо учитывать в процессе проектирования требуемых свойств. Например, искать пути по снижению температуры. синтеза необходимых тугоплавких фаз при-спекании компонентов:
Как уже было сказано, единственной устойчивой к химическому высокотемпературному воздействию фазой у алюмосиликатных материалов является муллит.
Известно, что в.двухкомпонентной системе А12Оз — Si02 муллит при стандартных условиях формируется при температурах не ниже 1300 С и при молярном соотношении А12Оз / Si02 1,5.
Согласно [26,27] область твёрдых растворов распространяется от состава, соответствующего муллиту ЗА12Оз 28Ю2, до состава 2Al203#Si02. Наибольшее разупрочнение характерно для материалов, в которых образуется меньшее количество муллита [28].
Вызывает интерес работа о синтезе муллита в присутствии нано-дисперсного металлического алюминия [29].
Авторы пишут, что нано дисперсные порошки металлов в силу повышенной реакционной способности могут использоваться не только как компоненты металлокерамической композиции, но и как активный компонент шихты, участвующий в твердофазном процессе синтеза новых фаз. Авторами установлено, что наибольшее количество муллита получено при введении 3% нано дисперсного алюминия, следовательно, авторы заключили, что на результативность синтеза влияет дисперсность материалов. Образованный на основе нано дисперсного металла оксид значительно мельче обычного и более активен в процессе синтеза.
Увеличение интенсивности образования муллита, как пишут авторы, вероятно, связано с обогащением пространства между зернами мелкодисперсной фазой образованного оксида алюминия (из металла) и, уменьшением доли расплава, растворяющие кристаллы муллита. В трехкомпонентных системах (и с большим числом компонентов), содержащих К203, Na20, СаО, ,Fe203 (FeO) или ТЮ2, температура образования муллита, а значит и температура обжига, снижается вследствие ускорения реакций из-за жидкой фазы, появляющейся при относительно низких температурах. Это следует учитывать при использовании некоторых. вторичных ресурсов, т. к. они часто имеют разнообразный химический» состав.
Поэтому необходимо контролировать новые решения по снижения температуры синтеза тугоплавких включений, применять, в том числе и технологические методы подготовки наполнителей.
При применении химически твердеющих связующих можно избежать высокого расхода топлива вследствие обжига, а так же вовсе исключить обжиг или свести температуру обжига до температуры сутки — инициирования реакций схватывания в пределах 20 — 300С.
К фосфатным связкам относятся [8]: ортофосфорная кислота, фосфаты натрия, алюмохромофосфаты [СгпА1(4-п)-(Н2Р04)і2]п=і,2,з3 глинисто-фосфатные связки, алюмофосфаты и др.
В смесях фосфатных связок с кремнезёмсодержащими материалами происходит частичное замещение группы [SiO ] на группу [POJ , в которой мостиковые кислороды =Р- 0-Р= имеют большую силу связи, чем в = Si-O-Si =, а в целом группа [РОд]3" более склонна к полимеризации, чем кремнекислородные тетраэдры.
Алюмофосфатные связки — это коллоидные растворы алюмофосфатов, полученные при взаимодействии гидрата технического глинозёма с разбавленной ортофосфорной кислотой.
Микроскопические исследования отходов
Для определения внешней конфигурации зёрен применяемых промышленных отходов использовали целый ряд вспомогательных средств и оборудования (см. методику исследований гл. 2).
Рассмотрим внешний вид применяемых отходов на макро уровне Рис.12. - ИМ-2201 и Рис 13 - шамотный бой Ша-5от.
Из Рис 12. видно, что ИМ-2201 - это мелкодисперсный порошок светло-зеленого цвета, что подтверждает наличие в нём в достаточно большом количестве хромовой зелени СГ2О3. Данное увеличение не позволяет понять истинного гранулометрического состава, формы частиц и распределения элементов в частицах.
Бой шамотных изделий - гораздо более крупный порошок белого цвета с коричневыми пятнами (Рис.13.). Форма частиц угловато-осколочная, с гранулометрическим составом крупной фракции до 2,5 мм, мелкую фракцию необходимо определять другими способами (см. далее).
В предыдущих пунктах (3.1. и 3.2.) данной главы было установлено, что промышленный отход ИМ-2201 имеет достаточно сложный многокомпонентный состав искусственного происхождения.
С целью формирования в будущем оптимальных огнеупорных композитов необходимо определить данные о распределении соединений на поверхности зерен ИМ-2201 и шамотного порошка (Ша-5от) [83].
Данные исследования опираются на результаты рентгеноспектрального микроанализа, показанные на Рис.14., Табл.10. иРис 15., Табл.11.
При рассмотрении фотографий на (Рис.14.) и (Рис.15.) видно, что частички ИМ-2201 имеют округлую форму, а частички Ша5-от осколочную.
Полученные данные рентгеноспектрального микроанализа подтверждают, что анализируемые частички и их скопления представляют собой смесь оксидов А1, Сг и Si.
По данным двух проб каждого из анализов двух отходов можно утверждать, что содержание Al, Cr, Si на их поверхности находится практически в постоянных количественных соотношениях.
Результаты исследований микроструктуры на микро и нано уровне представлены микрофотографиями зёрен ИМ-2201 (Рис.16, и Рис.17.) при увеличениях от - 500 раз до 100000 раз [84].
На фотографиях {Рис.16, и Рис.17.) видно, что поверхность зерен ИМ-2201 покрыта овальными включениями, размер которых колеблется от 0,001 до 1 мкм.
Обнаруженные включения на зернах ИМ-2201, скорее всего, представляют собой агрегаты кристаллов примесей, т. е. продуктов окисления [76], позаимствованных при инициировании реакций дегидрирования изобутана в изобутилен в псевдоожиженном слое алюмохромового катализатора, циркулирующего в реакторно-регенераторном блоке промышленной установки [77].
Результаты исследований микроструктуры на микро и нано уровне шамотного боя Ша-5от показаны на фотографиях (Рис18. и Рис19.)
Результаты исследования микроструктуры Ша-5от позволяют говорить о высокой прочности частиц, армированных между собой монолитными связями муллита.
Т. о. установлено, что бой шамотных изделий Ша-5от может применяться при создании армирующего каркаса крупного наполнителя формованных и неформованных огнеупоров.
Огнеупорность алюмохромового порошка составляет 1900 - 1950 С. Это позволяет отнести ИМ-2201 к группе высокоогнеупорных наполнителей.
Классификация глин по получению активности в ультрадисперсном интервале распределения размеров
В этом разделе главы предложена к рассмотрению классификация глин некоторых месторождений России и Украины на основании получения активности в ультрадисперсном (нано-микронном) интервале распределения размеров.
Работы по определению/ гранулометрических составов глин при одинаковых условиях воздействия (режимах) легли в основу обоснования выбора глины как вяжущего компонента обжиговых и химически твердеющих растворов.
Результаты было решено зафиксировать в виде таблицы, отражающей классификацию огнеупорных глин по получению активности в ультрадисперсном интервале распределения размеров.
Были представлены к рассмотрению огнеупорные глины латненского, веселовского, новорайского (дружковская глина) и печорского месторождения и болгарский бентонит [100].
Классификация на основе полученных данных по измерению размеров частиц глин измельчённых «всухую», бьша отклонена, т. к. разница размеров частиц, рассматриваемых глин практически неощутима и не затрагивает ультрадисперсный уровень {Рис 35., Табл.18.).
При измельчении известными натрий содержащими добавками по режиму, описанному в предыдущем разделе, также не удалось получить истинной картины, отражающей реальную разницу между размерами частиц глин.
Все измерения, глин с данными добавками варьировались в диапазоне получения ультрадисперсного состава1 в, интервале не более 5... 10%. Отбирать лучшую глину с данной задачей эксперимента на основе такого плотного промежутка распределения - некорректно. Это связано не только с узким интервалом распределения частиц (гранулометрические кривые глин практически совпадали), но и с неоднородными показателями свойств данных активных добавок и, видимо, с непостоянным химическим составом.
При измельчении одной и той же глины в присутствии одинаковой добавки, например, Ка5РзОю , при одинаковых режимах механического воздействия результат был не всегда одинаковым. Поэтому, данные результаты сравнения размеров так же, как и при сухом измельчении, были отклонены.
Как уже было сказано, при измельчении любых материалов, независимо от среды помола, происходят естественные процессы, связанные с накоплением поверхностной и объёмной энергии в частицах обрабатываемой смеси, что приводит к вторичной агрегации активных частиц на некотором этапе измельчения.
Учитывая все эти обстоятельства, задача исследования на данном этапе свелась к поиску путей расширения данного минимального диапазона полученных субмикронных размеров.
В результате, в качестве активной добавки было решено использовать этиловый спирт, 95%; был подобран оптимальный режим исследования. процесса измельчения:
Режим активации глины (на примере латненской):
- время активации — 20 - 40сек при г)сопя=2200 об/мин;
- 45 - бисек при uconst=l 820 об/мин.
- массовое соотношение глина : мелющие тела— 1:3.
- добавка этанола вводилась в кол-ве 5%.
Т. о. установлено, что закономерность получения активности в ультрадисперсном диапазоне размеров более очевидна при ультразвуковом диспергировании шихты, полученной до этого в мельнице, в присутствии этилового спирта 95% (С2Н5ОН) {Рис.36., Табл.19., Табл.20.).
ЭТО связано, по-видимому, со снижением поверхностного натяжения частиц и образованием алкоголятов, полученных при взаимодействии минералов и других составляющих с этиловым спиртом.
Процесс галопировало механическое воздействие высокоэнергетического аппарата АГО-2С.
Рассмотрим, процесс измельчения латненской глины представленный, интегральными и дифференциальными кривыми на Рис:, 36. со средними значениями в Табл.19.
Расшифровка кривых распределения размеров показывает существенную динамику изменения в. сторону измельчения частиц после циклического диспергирования ультразвуком одной пробы с заданным режимом 30-60 сек. в количестве 4...5-й и более раз (см. Рис 36.).
Нижний предел размера частиц, установленный с помощью интегральной кривой, находящейся левее других (см. Рис.36.), является максимально конечным. Значения крайней левой интегральной кривой можно считать наиболее эффективными и максимально возможными для получения ультрадисперсных частиц в механических планетарных аппаратах (Табл.20.).
Данная тенденция сохраняется у всех глин, измельчённых по режиму, описанному выше, в присутствии этанола.
Поэтому, проведённые аналогичные исследования по измельчению других огнеупорных глин, наиболее часто встречающихся в европейской части РФ, привели к решению о необходимости создания классификации по получению активности в ультрадисперсном диапазоне распределения размеров (с Рис.37., Рис 38. по Рис 44. и Табл.21., Табл.22, по Табл.32.).
Все измерения размеров приведённых выше глин проводились не позднее суток после их измельчения, независимо от среды помола. Так же была проведена статистическая обработка с целью выявления брака (гранулометрической кривой и кривых между собой) в экспериментах, где выявлялся ультрадисперсный состав глин [101].
На основании полученных данных по получению активности в ультрадисперсном диапазоне предлагается классифицировать глины по классам: до 10% - 3 класс, от 10% до 20% — 2 класс, от 20% до 30% - 1 класс (Табл.33.).
Из Табл.33, видно, что наибольшей активностью обладают дружковская и латненская глина, а так же болгарский бентонит.
Дружковская глина и болгарский бентонит находятся на значительном расстоянии от московского региона, поэтому для дальнейшего использования в работе (и на АМО «ЗИЛ») выбираем латненскую глину, т. к. одними из самых больших расходов на производстве являются транспортные расходы.
В результате каждодневного контроля размеров частиц данных глин установлена тенденция к «затуханию» ультрадисперсной активности и, в конечном счете, её исчезновение.
Минимальное количество нано частиц латненской глины было обнаружено на 21 день после измельчения с этиловым спиртом. (Рис.45., Табл.34.)
Создание химически твердеющих растворов
Одной из основных проблем, связанных со стойкостью футеровки раздаточных ковшей барабанного типа (КБТ) (Рис.61.), являются комплексные циклические нагрузки, влияющие на прочность спечённого слоя.;
Падающая струя жидкого металла (чугун) с высоты 1 5 м при заливке из, печи-миксера "ASEA" вымывает со временем цилиндрическую поверхность КБТ, образуя в месте падения размыв в виде эллипса, глубиной до 30 мм зачастую уже к третьей смене интенсивного использования, что приводит к досрочному ремонту футеровки.
На второй неделе работы на незапшакованном ковше заметно выгорание швов между кирпичами (Рис62.), образующее в разрезе эффект синусоидальности, где max- середина кирпича, min - середина шва.
Следующая, не менее важная проблема — так называемая химическая стойкость — способность сохранять свои эксплуатационные свойства, не образуя монолит при взаимодействии с металлом и шлаком.
В ковшах такой конструкции происходит нарастание шлака на вертикальных круглых стенках сверху вниз, от верхнего свода к оси цилиндра. Это объясняется физико-химическим взаимодействием шлака с кислой футеровкой и трудностью его удаления с поверхности (Рис.63.).
Это приводит к значительному уменьшению полезного объёма ковша и "загрязнению" сплава. Процесс ремонта данного КБТ очень трудоёмок и предполагает использование дополнительного оборудования: «болгарки» для среза болтов, отбойного молотка, погрузчика или крана.
Коррозионная стойкость кладочного раствора (состав №3 и №4) была получена и доказана в предыдущем разделе множеством лабораторных и полупромышленных исследований (см. приложения).
Для падающей струи расплава, действующей ударно-истирающим образом на рабочую поверхность КБТ, необходимо другое решение формирования спеченного слоя защитного покрытия.
Поэтому, из-за недостаточной прочности футеровки КБТ (1-7 дней), было предложено использовать принципиально другую технологию формирования спеченного слоя — технологию химического отверждения раствора, образующего огнеупорное покрытие.
Кладочный раствор, разработанный в предыдущем разделе, получающий свои эксплуатационные свойства с помощью термического воздействия (обжиг), решено применять и для КБТ, т. е. оставить без изменения.
Данное совмещение технологий лишь на первый взгляд усложняет процесс выполнения футеровки КБТ, однако ведёт к существенной экономии связующего (фосфатной связки), снижению загрузки вспомогательного оборудования (возможность применения плужкового смесителя малой ёмкости периодического действия) и снижает возможное вредное токсичное воздействие на организм рабочих футеровщиков.
Был проведён обширный анализ литературных источников по этой проблеме [112], в результате которого предложена технология по созданию химически твердеющих растворов, обеспечивающих необходимую прочность и термостойкость.
Известно, что при взаимодействии А1203 с фосфатными связующими, например, Н3РО4, АХФС и АФС, происходит связывание оксида фосфора в различные химические соединения и образование прочного монолита.
После проведения экспериментов с целью выявления оптимального связующего установлено, что состав на АХФС более эффективен, чем другие фосфаты, и характеризуется огнеупорностью более 1750С и температурой деформации под нагрузкой 1430С. Взаимодействие протекает быстрее с АХФС, медленнее - с АФС, хуже всего взаимодействие протекает с Н3РО4. Данный порядок подтверждается в многочисленных литературных источниках ведущими учёными в данной области [112].
Для обеспечения более высокой прочности поверхностного слоя футеровки было принято решение по армированию фосфатного огнеупорного покрытия более крупнозернистым материалом — отходом шамотных изделий (Ша-5от). Физико-химические исследования Ша-5от были показаны в гл. 3 работы.
Зерновой состав смесей выбирали с наиболее плотной укладкой частиц [33]. Для этого брали три наполнителя:
- Ша-5от с гранулометрическим составом: проход через сетку №3,2 — 100%, №2,0 - 99,1 %, №0,5 - 59,5%.
- ИМ-2201 с гранулометрическим составом от 0,5 до 30 мкм;
- Латненская глина ЛТ-1 с гранулометрическим составом от 0,01 до 20 мкм.
Установлено, что наибольшей насыпной массой обладает состав с содержанием 65% Ша-5от, 30% ИМ-2201, 5% латненской глины.
К данной полученной композиции добавляли АХФС до получения пластично-вязкой обмазки.
Элементный состав наблюдаемых выделений (Рис.66., Табл.39.) показал, что основными элементами данного образца (№3) являются алюминий и кислород, однако к привычным примесям, Сг, Si, Са, К, добавился фосфор Р в соединении AIPO4, образовавшемся в результате реакции с АХФС.
Для определения адгезионной прочности предложенного фосфатного раствора проводили испытания на разрыв. Разрушение соединения происходило по материалу склеиваемых образцов, т. е. прочность клеевого шва оказалась выше прочности склеиваемого материала Рис67..
Это говорит о том, что данный раствор может применяться для кладки изделий, как и ранее предложенный обжиговый, и в перспективе для создания формованных огнеупорных изделий и бетонов для высокотемпературного плавильного оборудования для плавки чугуна и стали (в настоящее время ведутся испытания по этому вопросу).
Разработанное огнеупорное покрытие обеспечивает увеличение межремонтного цикла КБТ. Размыв в виде эллипса в месте падения струи больше не наблюдался. Этот факт был подтвержден комиссией в составе ведущих специалистов завода АМО «ЗИЛ» (см. приложение).
Похожие диссертации на Разработка огнеупорных покрытий и кладочных растворов футеровки ковшей литейного производства с применением промышленных отходов
