Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Одно из основних направлений химизации металлургии связано с разливкой металла, термической обработкой стального проката и с радом других ответственных операций металлургического цикла, при которых возмогно сваривание, пригорание и эрозия контактирувянх горячих металлических поверхностей. Для предотвращения этих явлениЛ поверхности разделяет теркозацнтни-мн слоями. Поскольку получение, возобновление или удаление таких слоев додано бить легко виполшшо. стремятся использовать в качестве исходного сырья гидросуспензии на основе порошков термостойких материалов, как правило, оксидов металлов. Доступность оксидов кремния, алпминия, магния и ряда других металлов, а такає разнообразие свойств и полнфункциональность соответствующих гидросуспензий позволяет расчитывать на их эффективность при решении следующих задач черной металлургии и мавиностроения: предохранение стального проката от сваривания в пачках или в рулонах на стадии высокотемпературного отшига; предотвращение приваривания слитка к поверхности излояниц, поддонов и прибыльных надставок прн разливке стали: сниаение интенсивности образования па иеталле "сетки разгара": обеспечение грунтообразования: улучшение условий труда и сниїєниє трудоемкости работ по обслушива-нив сталеразливочной оснастки, прокатного и другого металлургического оборудования. При сучествувцей ситуации териозацита на металлургических и машиностроительных предприятиях страны осуществляется как правило неудовлетворительно; в частности, удается обеспечить эффективную зачиту только 52 сталеразливочной оснастки, а для получения качественных покрытий электротехнических сталей порошковий материал (оксид магния) завозят из-за рубеїа. Поэтому понятна необходимость проведения специального исследования в области получения гидросуспензий и покрытий из них для те-рыозаииты металлов. Слои покрытий долшны обладать требуемым набором свойств (термостоякостьи, низким коэффициентом термического расширения, адгезией к заминаемой поверхности и т.д.), обеспечить которые ношо, изучив химические закономерности и механизм Формирования этих слоев и гидросуспензий как материалов для их получения, способных легко растекаться по металлической поверхности и при сушке образовывать плотные дисперсноупрочненнне покрытия. Вяіумне суспензии на основе многокомпонентных порошков
- 2 -или традиционных связупяих добавок, как правило, непригодны для терыозаяиты металлов: покрытия из таких суспензий при сумке и прокалке выделяет компоненты, загрязнявшие металл или окруїав-шув среду и растрескивается. Поэтому предпочтительно при приготовлении суспензий использовать только два компонента - воду и чистый оксид металла, тогда как известные твердевшие (вяяушие) суспензии, кераыические яликера и цементные пасты многокомпонентны и при том нередко иыевт ниэкув текучесть, продолжительное время затвердевания или содержат выгоравшие при нагревании добавки.
ЦЕЛЫ) РАБОТЫ являлось создание химических основ получения и применения для термозамиты металлов водно-оксидных суспензий, обеспечивавших высокие свойства металлических поверхностей и не ухудшавших условий производства. Поскольку в системе вода--оксид могут быть продукты гидратации, испытывавшие различные коллоидно-химические превращения, значимые для достияения поставленной цели, то потребовалось решение ряда задач, основными из которых является следившие.
- разработка составов и реяимов применения гидрозолей и золь-
содершаших гидросуспензий для получения тонких однородных дис-
персноупрочненных покрытий металлов с учетом обнаруяенных в ра
боте закономерностей золь-гель пер хода при быстрой сушке золя
в слое на подлояке.
создание способов синтеза суспензий на основе оксидов металлов и воды, обладавших вяяушими свойствами, но не содершаших связувших добавок,
разработка методов регулирования скорости образования дис-персноупрочненных слоев из суспензий на подлояке путем изучения кинетических закономерностей процессов дисперсного структурооб-разования и их практического применения,
создание теоретических основ получения слоев гидросуспензий на металле и концепции аппаратурно-технологичесюго оформления атого процесса, ооеспечивавшего однородность формирующегося слоя по химическим и физическим показателям,
изучение возмошного химического твердофазного взаимодействия компонентов покрытия и металлической матр; да. развития процессов грунтообраэования и их влияния на свойства металла с це-
- 3 -_ лыз подавления или усиления этих процессов путем управления со-ставоц и свойствами суспензий.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые установлено образование неанурной (плотноунакованной) сетки геля при быстрой суаке золя в слое на подловке; виясненн хииические особенности гелкрования в этих условиях гидрозоля кремнезема и развита теоретическая модель золь-гель перехода, закладывавшая основы получения термозацит-ных кремнеземных покрытий металлов из зольсодеріадих гидросус-пекзии плавленного кварца. Найдены закономерности влияния концентрационных и термических факторов на характеристики покрытии и выявлены условия формирования плотных равнотол«инных спловных кремнеземных слоев покрытий металлов по золь-гель технологии.
Впервые показана способность механически активированных ги-дросуспенэий на основе оксидов кремния, алюминия и магния без связувцих добавок образовывать дисперсноупрочненные слои покрытия. Развиты теоретические основы возникновения при механической обработке суспензий высоких механических напряаений, стиму-лируицих гидратации и приводяцих к образованию в системе коллоидно-химического компонента, эффективность которого в качестве связки на порядок выве эффективности золей. Изучены особенности коллоидного компонента ыехактивированных гидросуспензий и обна-рувено явление "внутреннего гидролиза", способствующего процессу полимеризации по механизму образования оловых мостиков.
Найдены закономерности влияния механической "бработки на химические характеристики суспензий и выявлены условия формирования в этих системах на основе оксидов кремния, алюминия и магния вяауцих свойств, обеспечивающих получение терыоэав,итных покрытий.
На основе выполненных теоретических исследований найдены кинетические закономерности превращения иехактивированных суспензий в дисперсноупрочненные твердые тела и предложена концепция управления скорость» структурообравования; использование найденных закономерностей позволило синтезировать новые материалы - "иехактивированные суспензии на золе", отличавииеся способностью к быстрому структурообразованив, необходимому для получения термозацитных слоев при іироком диапазоне температур
- 4 -подложки. Выявлены условия формирования эффективных термозажит-нах покрытий из гидросуспензий на основе оксидов кремния, алюминия и магния, а также грунта как продукта твердофазного взаимодействия в системе покрытие-металл в зависимости от содержания в оксиде ОН-групп; найдены закономерности грунтообразова-ния, значимые с точки зрения управления абразивными и другими эксплуатационники свойствами металлического проката.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. В результате проведенных исследований созданы основы технологии гидросуспензий для термозамиты металлов, реализованной при промышленном производстве стальных отливок и ленточной электротехнической стали. При этом:
созданная технология вяжужих суспензий плавленного кварца на гидрозоле кремнезеца внедрена для зажиты поддонов и изложниц на Череповецком металлургическом комбинате.
технология гидросуспензий на основе Мцй с оптимальным содержанием продуктов гидратации внедрена в производство грунто-образувмих покрытий анизотропной электротехнической стали с пониженными удельными магнитными потерями на Берх-Исетском металлургическом заводе,
технология гидросуспензий на основе оксидов алюминия и кальция с пониженной грунтообразущей активностью внедрена в производство малоабразивных трансформаторных салей на Новолипецком металлургическом комбинате и Верх-Исетском металлургическом заводе.
Предложена концепция получения тонкого жидкого слоя на ленте, на основе чего разработана технологическая схема и реализовано в цехе холодного проката Верх-Исетского металлургического завода аппаратурное оформление узлов нанесения гидросуспензий на ленту металла в виде тонкого, однородного по своим химическим и механическим свойствам слоя,обеспечивавшего товарное качество металлургической продукции.
На основании выполненных исследований разработали теоретические положения и осуществлено ревение технической проблемы производства н применения для териозажиты металлов оксидных гидросуспензий; сумма достигнутого экономического эффекта эквивалентна миллиону долларов СНА ежегодно.
АПРОППІЩ РАВОТЬІ. Основные результаты диссертации были до-лозены и обсу. дены на О-й Всесоюзной конференции но киллоидноя химии и физико-химической механике (Таакеит, 1963); Всесовзной конференции "Физико-химические аспекти прочности «аростояких неорганических материалов" (Запоровье, І986); 8-й Вспсовзной конференции по поверхностны:; слоим (Москва. 1985); 7-й Всесо-ялиой конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (Минск. 1977); 4-м Всесоюзной совещании по гидратации и твердению цементов (Львов, 1981); 1-й Уральской конференции "Поверхность и новые материалы" (Свердловск, 1384); 1-м Всесоюзной совеі;аііии "Физико-химия и технология высокотемпературных сверхпроводящих материалов" (Москва, 1989); Всесовзном симпозиуме по магнитному резонансу (Пермь. 1979); lG-ом зональном семинаре преподавателей физики ВЗЗов Нрала (Свердловск, 1978); Всесоюзном совещании "Термодинамика и строение растворов" (Иваново, 1977); Совещании "Физико-химическая механика дисперсных систем и материалов" (Киев, 1984); Всесовзном совещании "Поверхностные явления в гидкостях" (Ленинград, 1975); 13-м Всесовзном совещании по їлростойкии покрытиям (Ленинград, 1907); Научно-технической конференции "Физика и техника материалов для ма-гнитапроводов" (Свердловск, 1307); Всесовзном совещании "Синтез жаропрочных керамических материалов из природного сырья и отходов" (Новосибирск. 1987); втором Всесовзном совещании по хииин твердого тела (Свердловск. 1978); Всесовзном ссекании "Реальная структура неорганических даропрочных сплавов" (Первоуральск, 1979); Всесоюзной конференции "Композиционные покрытия" (Яитомир, 1381); 6-м Всесовзном совеваник по физике и металловедению электротехнических сталей (Ама. 1981); 2-й Республиканской конференции "Физико-химическая механика дисперсных систем и материалов" (Киев, 1983); 7-м Всесовзном совещании но физике металлов и электротехнических сталей и сплавов (Суздаль, 1984); 10-ом юбилейном Всесовзном симпозиуме по механохиаин и иеханоэмиссии твердых тел (Ростов на Дону, 198G); 1-м Всесовзном совещании по высокотемпературной сверхпроводииости (Харьков. 1988); Всесоюзной конференции "Физико-химические основ.ы переработки природного сырья" (Сыктывкар, 1389); 11-ом Всесовзном Симпозиуме по мехаиояниссии и механохимии твердых тел (Чернигов,
- є -
1990); Всесоюзной научно-технической конференции "Механохимичес-кнй синтез" (Владивосток, 1990); Всесовзной научно-технической конференции "Исследование и применение вяжущих для изготовления огнеупоров" (Свердловск. 1990).
ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований, изложенных в диссертации, опубликовано ?6 работ, в том числе 1 монография и получено 14 авторских свидетельств на изобретения.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и приложений. Работа изложена на 311 страницах, содержит 145 рисунков и 34 таблицы; библиография включает 356 наименований.