МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИУКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНААКАДЕМІЯ УКРАЇНИ
Кафедра хімічної технологіїкераміки та вогнетривів
КУРСОВА РОБОТА
з дисципліни:
”Основи технологіїтугоплавких неметалевих і силікатних матеріалів”
на тему:
“Вибір оптимальнихтехнологічних параметрів виробництва шамотних вогнетривів і їх взаємозв’язок зосновними властивостями виробів”
Виконав: cтудент групиХС-05
Гавриленко К.О
Перевірив: доцент
Іващенко Л.В.
м. Дніпропетровськ, 2008 р.
Реферат
В даній курсовій работі були встановлені умовислужби шамотних вогнетривів для футеровки вагранок марки ШБВ і переліченівимоги, які пред’являються до якості виробів.
Встановлено, що визначальним показником для виробівмарки ШБВ для футеровки вагранок є границя міцності при стиску.
У даній роботі встановлені впливхіміко-мінералогічного та речовинного складу на властивості шамотних виробів,залежність щільності укладки при пресуванні від зернового складу, впливпараметрів пресування на ущільнення вогнетривких мас, описані особливостіпроцесів структурно-фазових перетворень при термічній обробці шамотнихвогнетривів, описані теоретичні аспекти границі міцності при стиску та іншівластивості для шамотних вогнетривів. Зроблений вибір оптимальних технологічнихпараметрів виготовлення шамотних вогнетривів для футеровки вагранок марки ШБВ.
ВАГРАНКА, ШАМОТНИЙ ВОГНЕТРИВ, ГЛИНА, КАОЛІН, ШАМОТ,ПЕРЕРВНИЙ СКЛАД, БЕЗПЕРЕРВНИЙ СКЛАД, ПОРИСТІСТЬ, ЩІЛЬНІСТЬ, ГРАНИЦЯ МІЦНОСТІПРИ СТИСКУ, РІВНЯННЯ БЕРЕЖНОГО
Зміст
Вступ
1. Аналіз умов служби шамотних вогнетривів дляфутеровки вагранок і вимоги, які пред’являються до якості виробів
2. Взаємозв’язок основних властивостей вогнетривів зпараметрами технології їх виготовлення
2.1 Вплив хіміко-мінералогічного та речовинного складуна властивості шамотних і багатошамотних виробів
2.2 Залежність щільності укладки при пресуванні відзернового складу вогнетривких порошків
2.3 Вплив параметрів пресування на ущільненнявогнетривких мас
2.4 Особливості процесів структурно-фазових перетвореньпри термічній обробці шамотних вогнетривів
2.5 Теоретичні аспекти границі міцності при стискушамотних вогнетривів для футеровки вагранок та інші властивості
3. Вибір оптимальних технологічних параметріввиготовлення шамотних вогнетривів для футеровки вагранок марки шбв
Висновки і рекомендації
Література
Вступ
Вогнетривами називаються неметалічні матеріали,призначені для використання в умовах високих температур у різних тепловихагрегатах, що мають вогнетривкість не нижче 1580 0С.
Вогнетриви можуть застосовуватися при високихтемпературах і як провідники електричного струму, і як електроізолятори.
Різноманіття умов служби обумовило необхідністьорганізації промисловості по виробництву вогнетривких матеріалів, створеннявеликого і безупинного асортимента вогнетривів з різними властивостями.
Вогнетриви,матеріали й вироби, виготовлені переважно на основі мінеральної сировини, щоволодіють вогнетривкістю не нижче 1580 °С. Виникнення виробництва вогнетривівісторично пов'язане з розвитком металургії, а в міру поширення тепловихагрегатів різного призначення виробництво вогнетривів стало однієї з важливихгалузей промисловості.
Вогнетривизастосовують при спорудженні теплових агрегатів, печей для одержання й плавкиметалів, нагрівання напівфабрикатів у металургійніх й машино-будівельнихвиробництвах, одержання коксу, випалу цементу, установок високотемпературниххімічних процесів, енергетичних і ін. установок. Основне призначеннявогнетривів — захист невогнетривких елементів конструкції, а також зовнішньогосередовища від впливу високих температур, розплавів, гарячих газів і т.п.
Більшучастину вогнетривів (близько 60%) споживає чорна й кольорова металургія.Загальне споживання вогнетривів, віднесене до 1 т виплавленої сталі,коливається в різних країнах від 25-30 до 65-100 кг.
Длярозплавлювання чавуну використовують такий агрегат – як вагранки.
Вагранкою називають невелику шахтну піч звичайнопризначену для розплавлювання чавуну. Продуктивність вагранок 0,5-30 т/год.
Мета даної роботи провести аналіз умов службивогнетривів для футеровки вагранок, встановити взаємозв’язок основнихвластивостей вогнетривів з параметрами технології їх виготовлення, а такожвибрати оптимальні технологічні параметри виготовлення вогнетривких виробів дляфутеровки вагранок.
1. Аналіз умов служби шамотних вогнетривів дляфутеровки вагранок і вимоги, які пред’являються до якості виробів
Вагранкою називають невелику шахтну піч (рис 1.1)звичайно призначену для розплавлення чавуну. Продуктивність вагранок 0,5-30т/год. У вагранках плавлять також кольорові метали, шлаки й мінерали длявиготовлення з них шлакової й мінеральної вати.
Умови служби вогнетривкої футеровки в різних зонахвагранки не однакові. Лещадь і горн вагранки випробовують вплив високоїтемператури (до 1450-1500°С), механічного навантаження рідкого чавуну й шихти,а також різких температурних коливань при задувці й видувці. В особливо важкихумовах служби перебуває вогнетривка кладка в зоні горіння й плавлення. Тут нанеї впливають висока температура (1600-1650°С), шлаки, які утрорюються і різкіколивання температури. Отже, для футеровки вагранок необхідно застосовувативогнетривкі вироби, що відрізняються високими термостійкістю, щільністю йміцністю, високою шлакостійкістю і невисокою вартістю. Підібрати вогнетриви, щозадовольняють усім цим вимогам одночасно, досить важко. Звичайно футеровкувагранок виконують із шамотного або напівкислого, а також нормальної шамотної йдоменної цегли, або ж із кварцеглинистої вогнетривкої набивної маси.
Тонкувогнетривку футеровку товщиною 115 мм застосовують лише у вагранках малоїпродуктивності. Доцільніше в цих випадках використовувати футеровку товщиною175 мм. Найбільша товщина футеровки вагранок складає ~275 мм. Застосування дляукладання футеровки вагранок великої кількості фасонів штучних вогнетривкихвиробів різних розмірів робить кладку дорогокоштуючою, але дозволяє підвищититермін служби футеровки. При високих температурах у вагранці відбуваєтьсярозм'якшення вогнетривкої кладки, зниження її механічної міцності й підвищенняшлакороз’їдання. Ваграночні шлаки утворюються в результаті взаємодії міжскладовими частинами шихти, що завантажується у вагранку. До них відносятьсявапно, зола коксу, пісок, різні домішки, що перебувають у шихті, щозавантажується, а також, поступово утворюючи оксиди заліза. Завдяки тому, щоіснує багато варіантів умов плавки у вагранках, і відмінностей в складізавантажувальних вихідних матеріалів, хімічний склад ваграночних шлаківзмінюється в широких межах, %: кремнезему 40-50; оксиду кальцію 15-40;глинозему 10-18; окиси заліза 1 -10; оксиду магнію 0-15; оксиду марганцю 1-5.
/>
Рисунок 3.1 – Вагранка з копильником
Отже,шлаки, що утворюються при експлуатації вагранок, можуть бути кислими абоосновними.
Приосновних шлаках можна застосовувати набивну футеровку з намертво обпаленогоспеченого доломіту оптимального гранулометричного складу на зв'язці зі смоли, ав якості флюсів слід застосовувати доломіт або вапняк. Крім вапна й доломіту,до складу флюсів іноді вводять плавиковий шпат і т.д. При цьому сильнознижується температура плавлення шлаків, і їх в'язкість і різко збільшуєтьсяїхня роз'їдаюча дія на вогнетривку кладку.
Шихта,що опускається, виявляє стираючу дію на вогнетривку футеровку вагранки, щоперебуває в піропластичному стані й внаслідок температурних коливань можевідбуватися її розтріскування.
Дляфутеровки зони плавлення звичайно застосовують високоякісну шамотну цеглу, адля ремонту футеровки рядову шамотну цеглу. Спеціально обпалена шамотна цеглавідрізняється підвищеним опором стиранню й кращою шлакостійкістю, але черезбільш високу вартість його застосовують рідше. По цій же причині обмеженаможливість застосування высокостійких мулітових виробів для кладки футеровкивагранок.
Підвищенустійкість при службі у вагранках мають шамотні вироби, отримані по способунапівсухого пресування, внаслідок їхньої більшої щільності, підвищеноїстійкості до стирання, більшої точності розмірів і правильності форми, а такожпідвищеної термічної стійкості. Усі ці позитивні якості дозволяютьрекомендувати шамотні вогнетриви, які одержані по способу напівсухогопресування, для кладки зони плавлення вагранок.
Особливуувагу слід звертати на стан швів вогнетривкої кладки, тому що по них починаєвідбуватися процес шлакороз'їдання. Тому необхідно для футеровки ваграноквикористовувати такі вогнетриви, які дають мінімальну додаткову усадку, ізастосовувати при кладці розчин, який характеризується високою вогнетривкістю йіншими позитивними рабочими властивостями: гарною сталістю об’єму,шлакостійкістю й т.д. Для футеровки зони плавлення вагранок можливезастосування набивних вогнетривких мас, що складаються із суміші дробленогошамоту або кварцу з вогнетривкою глиною, що дає наступні переваги: відсутністьшвів; збільшення термінів служби, можливе зниження трудових витрат. Однакнабивна футеровка вагранок має наступні недоліки: поганий опір стиранню, деяканерівномірність щільності й необхідність повільного й поступового сушіння.
Після проведення плавок уфутеровці вагранок, особливо в зоні плавлення, утворюється розпал, що надаєфутеровці (рис. 1.2) форму заплічок.
/>
Рисунок1.2 – Розріз відробленої футеровки вагранки
Ремонтфутеровки вагранок можна здійснювати наступними методами:
а)застосовуючикладку із шамотної цегли;
б)використовуючимонолітну футеровку із пластичних вогнетривких мас, виготовлених на основішамоту, сухарних глин і вогнетривкої глини й води.
Терміни служби вогнетривкоїфутеровки вагранок можна збільшити, установивши водяні холодильники уплавильній зоні, а також забезпечивши більш інтенсивну десульфурацію металу, щодосягається застосуванням основної футеровки, тому що при цьому зменшуєтьсязагальна тривалість плавки.
Існуєдосвід застосування футеровки вагранок продуктивністю 2 т/год із доломітовоїцегли, що має внутрішній діаметр ~700, а зовнішній 900 мм. При цьому зовнішнійшар футеровки, що прилягає до кожуха вагранки, викладають із доломітової цегли230X113X25 мм, а в зоні фурм футеровку виконують із набивної маси, щоскладається з обпаленого доломіту, змішаного з 6% води й 1% силікату натрію.Футеровку сушать протягом 10 год, поступово піднімаючи температуру до 400° С.
Після кожної плавки в плавильній зоні виконуютьремонт разгарів, зашпаровуючи їх масою, що складається з меленогостабілізованого (водостійкого) доломітового клінкера з 12%-ою добавкою води, уякого оксид кальцію зв'язаний переважно в ЗСаО-SiО2 а присутній2СаО-SiО2 стабілізований фосфоритом. Отриману масу слідзастосовувати для ремонту негайно, тому що вона може схоплюватися.
Упорівнянні з доломітом і магнезитом, хромомагнезит має кращі робочі властивості:високу вогнетривкість (до~ 1900° С) і досить високу термічну стійкість.
Отже,при кладці футеровки вагранки необхідно дотримувати наступних умов:
а)виконувати кладку з мінімальним числом швів, що можна здійснити застосуваннямфасонних штучних вогнетривів великих розмірів;
б)витрачати мінімальну кількість вогнетривкого мертеля для заповнення швів, щодосягається старанністю кладки з товщиною швів, що не перевищує 1 мм;
в)створювати такі умови експлуатації вагранки, при яких шов швидко покриваєтьсязахисним шаром глазурі, що охороняють його від агресивної дії розплавленихшлаків і металу.
Процесшлакоутворення у вагранці складний і, отже, процес шлакоро'їдання вогнетривівтакож складний.
Витрата вогнетривів сильнозалежить від складу шлаку, що утворюється. Якщо витрата вогнетривів при плавціна одному вапняку прийняти за одиницю, то при плавці на мартенівському шлакувін складе 1.4, а при плавці на суміші мартенівського шлаку і плавикового шпату1.64. Можна виконувати набивну футеровку вагранок, що полягає, наприклад, з75-78% кварцового піску й 22-25% сухої глини. До цієї маси додають необхіднукількість розчину рідкого скла. На Челябінському тракторному заводі вагранки знабивною кварцеглинистою футеровкою працювали по дві зміни.
Водянеохолодження кожуха вагранки підвищує тривалість її кампанії. Футеровкастаціонарних копильников для вагранок перебуває у важких умовах служби, тому щов копильниках при 1350-1400° С зосереджена велика кількість рідкого металу.Створюється комбінація інтенсивного теплового впливу, що й розмиває, рідкогометалу на вогнетривку кладку, зменшити яке важко, тому що копильник служить длянагромадження рідкого металу і рівень у ньому не може бути постійним.
Вимоги, які пред’являються до якості шамотнихвиробів для футеровки вагранок марки ШБВ – по ГОСТ 3272 – 71 представлені втаблиці 1.1
Таблиця 1.1 — Вимоги, які пред’являються до якостішамотних виробів марки ШБВ
Масова доля Al2O3,%, не нижче 28
Вогнетривкість, 0С, не нижче 1670 Відкрита пористість, %, не нижче 22
Границя міцності при стиску, Н/мм2, не нижче 15
Додаткова усадка при 1400 0С, %, не вище 0,5
З вище перерахованих вимог до якості вогнетриву таумов служби ми можемо стверджувати що визначальним показником є границяміцності при стиску.
2. Взаємозв'язок основних властивостей вогнетривівз параметрами технології їх виготовлення
2.1 Вплив хіміко-мінералогічного та речовинного складуна властивості шамотних і багатошамотних виробів
Увиробництві шамотних вогнетривів шихту складають з пластичної глини і шамотуабо іншого безусадочного матеріалу. Кількістю шамота і розміром його частинокрегулюють не тільки усадку, а й такі властивості як міцність, пористість,розмір пор, текстуру, термічну стійкість та інше.
Шамот– це штучний матеріал, який одержаний в результаті випалу глин та каолінів вобертових або шамотних печах до втрати пластичності, усадки матеріалу тапевного ступеня спікання.
Вогнетривкіглини – це землисті облом очні гірські породи осадженого походження, які восновному складаються з високодисперсних гідроалюмосилікатів, домішок таорганічних речовин.
Глинистіпороди володіють рядом властивостей та однак, вони можуть розмокати у воді, увологому стані їде притаманна пластичність – здатність під впливом зовнішніхдій набувати різноманітну форму. Глини мають здатність поглинати воду і зарахунок цього збільшуватися в об’ємі, мають зв’язуючу здатність, а такожадсорбційні властивості.
Розрізняютьмономінеральні та полімінеральні глини.
Мономінеральні– це глини які переважно складаються з одного мінералу. Характерніпредставники: каолінові, монтморилонітові, гідрослюдисті глини.
До полімінеральнихглин відносять породи, в яких найбільш суттєву роль відіграють такі мінерали яккаолініт, галуазит, монотерміт.
Уприродних глинах окрім каолініту звичайно присутні інші глинисті мінерали: такіяк галуазит(Al2O3•2SiO2•4H2O),пірофіліт(Al2O3•4SiO2•H2O),монтморилоніт(Al2O3•4SiO2•nH2O),алофан (nAl2O3•nSiO2•pH2O),монотерміт (0.2MeO•Al2O3•3SiO2•1.5H2O).каолінові глини мають міцну кристалічну решітку, яка не розширюється призволоженні, тому вони слабо набухають. Властивість глин спікатись при певнихтемпературах випалу з них вироби з необхідною пористістю і міцністю.
Властивостішамотних виробів в значній мірі залежать від вибору глини призначеної на зв’язку,і глини позначеної на шамот. У якості зв’язки краще вибирати глини яківолодіють слідуючими властивостями: високою зв’язуючою здатністю, меншимикоефіцієнтами чутливості до сушки і пружним розширенням при пресуванні, більшвисоким вмістом глинозему, але з меншим виходом муліту.
Муліт – це вогнетривкаоснова шамоту. Найчастіше муліт зустрічається в двох кристалічних формах:голчатий та призматичний. Голчатий муліт армірує скловидну фазу, томувогнетривкість матеріалу, який містить голчатий муліт, вища вогнетривкостіматеріалу який містить коротко призматичний муліт, при однаковому хімічномускладі.
Великезначення має розміщення глинозему в готових виробах між круглими зернами ізв’язкою. Шлак, проникаючі у вогнетрив або розчинюючи його в першу чергу взаємодієз матеріалом який прямує до поверхні пор, і з дрібними зернами. Якщо зерновий іречовинний склади шихти підбирати так, що мілкі зерна(зв’язка) будуть міситибільше глинозему, то кількість утворившогося розплаву зміниться. Це означає, щомає значення не тільки загальний вміст глинозему, скільки вміст його узв’язці(тонкої частини шихти).
Окрім глиноютворюючихмінералів у глинах містяться домішки. До основних домішок відносять вільнийкремнезем та глинозем, колоїдний кремнезем, лужні та лужноземельні оксиди,сполуки заліза, титану та інших металів, органічні домішки. Усі домішки можнарозділити на корисні та шкідливі. Корисні вважають, в помірній кількості,польові шпати або світлі слюди, знижаючи температуру випалу глин; глиноземистімінерали у вигляді гіпсу або діаспора, підвищуючи вогнетривкість, термічнустійкість та інші цінні властивості глин. До шкідливих домішок відносятьзалізисті мінерали – гідроксиди заліза, пірит, сидерит, карбонати і сульфатикальцію.
Вмісткварциту у вогнетривких глинах до 70% і більше. Кремнезем знижує пластичність івогнетривкість, підвищує температуру спікання, обсусловлює в деяких випадкахрозпушування глин при випалі. Карбонати кальцію і магнію розподілені у глинах увигляді дрібних і крупних зерен і в тонко дисперсному стані являються сильнимиплавнями. У процесі випалу виробів при температурах 1000°С на короткій ділянцітемператур швидко розвивається скловидна фаза, яка викликає деформацію виробів.Також шкідливими домішками в глинах являються розчинні солі та хлориди, якізнижують вогнетривкість.
Дужеважливе значення для характеристики та технічної оцінки вогнетривких глин маєгранулометричний склад.
Глинивідносять до напівдисперсних матеріалів. Вони не однорідні за своїм складом,тому зерновий склад одного і того ж типу характеризується значнимивідхиленнями.
Привиробництві багатошамотних виробів звичайно використовують шамот двох, рідшетрьох фракцій; при виробництві нормальних шамотних виробів шамот нефракціонують. У двохфракційному шамоті розмір крупної фракції повинен бути покрайній мірі більше дрібної у 10-20 разів. Розмір крупних частинок береться вмежах 2-3 мм, так як фракція >3 мм не забезпечує отримання чітких ребер ікутів виробів.
Формовочназдатність маси зменшується із збільшенням в ній вмісту шамота. Покращенняформовочної здатності шамотних мас може бути досягнуто вилежуванням.
Привиготовленні виробів з напівкислих глин, які мають не велику усадку, кількістьопіснювача може бути зменшено або його зовсім виключають. Якщо напівкислі глиниопріснювати не шамотним, а кварцовим піском, кварцовими відходами, отриманимипри відходженні каоліну, кварцитами і іншими, то усадку напівкислих виробів привипалі можливо повністю усунути і навіть отримати ріст.
2.2 Залежність щільності укладки при пресуваннівід зернового складу вогнетривких порошків
Щільністьукладки залежить від розміру, форми, стану поверхні і структури частиноксипучого матеріалу.
Чимбільше фракцій, тим більше щільність упаковки (але це не завжди технологічно).Встановлено, що для щільної упаковки необхідно брати:
— крупної фракції — 80%;
— середньої — 5%;
— тонкої — 15%.
Крупніфракції утворюють кістяк, пустоти якого заповнюють менші фракції. Такий складназивається безперервний зерновий склад, але він у ряді випадків являється нетехнологічним:
1. Звичайно фракція 3мм укількості 80% не дозволяє при пресуванні одержати вироби з чіткими кутами іребрами, тому крупної фракції беруть менше.
2. Важко від дозувати і рівномірно змішати середню фракцію 5%, так якїї мало. Збільшення середньої фракції викликає розсунення крупних зерен, азменшення супроводжується переміщенням дрібних фракцій із однієї пори у другу,що також веде до розсунення упаковки.
Томудля одержання щільної упаковки зерновий склад вихідного порошку повинен бутиперервним, з відношенням розмірів крупної фракції і тонкої приблизно 100:1.
Такимчином розрізняють два основні принципи підбора укладок, які ефективно знижуютьпустотність:
Безперервніукладки, тобто такі які основані на заповненні об’єму усіх розмірів, віддеяких верхніх до мінімальних (близьких нулю).
Перервніукладки, такі при яких між зернами заданних фракцій, зерна проміжних(середніх) фракцій відсутні.
Щободержати щільну упаковку заповнювача у бетонах використовують формулу Фуллєра,згідно якої розраховують кількість відповідних фракцій заповнювача.
/>,
де dі– розмір будь-якої заданої проміжної фракції суміші, мм;
D –розмір самої крупної фракції, мм;
Уі –кількість фракцій яка проходить через сито з чарункою розміру.
Отжепористість зразків знижується зі збільшенням тонкомолотого компоненту. Вмісттонкомеленого компонента в шихті чинить більший вплив на пористість ніжзерновий склад зернистої частини.
Приоптимальному місті тонкомеленої фракції пористість сирцю зумовлена пористістюсамих крупних зерен. Укрупнення зернового складу підвищує термостійкість, алепідвищує і пористість. Мінімальній пористості відповідає максимальна щільність.
2.3 Вплив параметрів пресування на ущільненнявогнетривких мас
Оптимальнийзерновий склад сам по собі ще не забезпечує одержання щільних пресовок.
Тискпресування і вологість маси – це параметри які в значній мірі впливають наущільнення.
Щоботримати гарну щільність потрібно правильно підібрати зв’язку. В’яжуче повинно:
— надавативисоку міцність сирцю;
— легко розкладатися і видалятися при випалі при відносно низьких температурах;
— неприлипати до поверхні прес-форми і пуансонів;
— добрерозчинятися у вогнетривкій масі та ін.
Упроцесі стиснення керамічного порошку беруть участь усі три складові частинисистеми, яка пресується:
1. мінеральна частина (тверда фаза);
2. технологічна зв’язка (рідка фаза);
3. повітря (газоподібна фаза).
Напочатку стиснення відбувається переміщення твердих частинок, пресуванняпроходить при невисокому тиску.
Напочатковій стадії стиснення іде зростання щільності, стійке положенняструктурних елементів, при відносно невеликому збільшенні поверхні контактів.
Подальшестиснення порошку стає неможливим без суттєвої деформації структурних елементів.
Водаабо інша рідина яка виконує роль тимчасової технологічної зв’язки знаходиться увихідному порошку:
- на поверхнічастинок;
- у прошарках міжчастинками;
- у капілярах.
Упроцесі стиснення рідка фаза чинить пластифікуючи дію, яка заклечається уполегшенні ковзання частинок, що приводить до більш інтенсивного ущільнення. Ав області більш високого тиску інтенсифікує ущільнення внаслідок зниженнятвердості і міцності частинок (ефект Ребіндера).
Такимчином рідка технологічна зв’язка зменшує тверді частинки, утворює вологіконтакти між ними, підвищує пластичність і знижує сили тертя при пресуванні,чинить кращу і рівномірну пропресовку по законам капілярних сил стягуваннячастинок порошку, збільшує сили Ван-дер-Ваальса які притягують частинки одну доодної. У цьому полягає позитивний ефект рідкої фази.
Алепереміщення рідини у стискуючому порошку дає деякий негативний ефект.
Рідинаяка знаходиться у прошарках між частинками може вижиматися у більш крупні порисистеми. По мірі стиску і зменшенню загального об’єму пор частка рідини у цьомуоб’ємі пор зростає і якщо задана кількість рідини достатньо велика, то її об’ємможе бути рівним начальному об’єму пор: система переходить з трьохфазної удвофазну. У цьому випадку спостерігається граничне ущільнення систем абокритична щільність «тиск при якому наступає явище називається»критичним". При переході в критичний тиск подальше стиснення системипереходить цілком до оборотної пружної деформації, яка не бажана.
Надлишокрідкої фази шкідливий. Він збільшує пружне розширення, сприяє утворенню тріщинрозшарування, а при наявності великої кількості тонкозернистої фракції викликаєгрудкування маси і перешкоджає рівномірному розподілу тонких фракцій в об’ємі,взагалі переміщенню частинок.
Томукількість технологічної зв’язки повинно бути оптимальним. При напівсухомупресуванні вміст зв’язки складає звичайно від 2-3 до 9-12%, в окремих випадкахпідвищується до15%.
Повітряяке знаходиться при пресуванні у порошці у всіх випадках відіграє негативнуроль:
— ускладнює засипку;
— знижує початкову щільність укладки частинок і перешкоджає рівномірності їхрозпоідлу
— створює нерівномірну щільність пресовки
— підвищує залишкові і пружні деформації.
Існуєпрямо пропорційна залежність тиску пресування і щільності пре совки. Чимбільший тиск пресування, тим вища його щільність.
РівнянняБережного – це рівняння впливу тиску пресування на щільність пре совки взалежності від властивостей преспорошку
ε= a- b·lgP,%
де a,b – постійні для даної маси; a – характеризує пористість маси передпресуванням; b – відображає здатність маси до ущільнення.
Р –зусилля пресування;
ε– істина пористість, %
Зметою одержання сирцю з мінімальною пористістю при даному тиску знаходятьдослідним шляхом такий склад маси і спосіб її переробки при якому значеннявідношення а:b буде мінімальним. Рівняння Бережного використовують для описаннязакономірностей пресування вогнетривів з мало пластичних мас, а також можна длябільш пластичних глинистих мас, високодисперсних, гранульованих без глинистихпорошків.
2.4 Особливості процесів структурно-фазових перетвореньпри термічній обробці шамотних вогнетривів
Випал– це завершальна стадія технологічного виробництва вогнетривів. У процесівипалу відбувається спікання.
Зтехнологічної точки зору спікання – це процес одержання міцного мало пористогоабо без пористого камнеподібного тіла з вільно насипаної і спресованоїпорошкової маси під дією високих температур.
Основніознаки спікання: зниження пустот, при цьому спостерігається усадка, зниженняпористості.
Приспіканні можливі слідуючи внутрішні процеси: зміна кількості, розмірів, і формипор; ріст зерен; зниження і вирівнювання залишкових після пресування напруг; утвореннярідкої фази; перерозподіл фаз, зміна концентрації дефектів у кристалічнихфазах: хімічні реакції; поліморфічні перетворення; утворення нових сполук ітвердих розчинів.
Розм’якшенняшамотних вогнетривів протікає слідуючим чином: вогнетривка глина, з якоївиготовляють шамотні вироби, при випалі притерпівають ряд перетворень врезультаті яких утворюється близько 50% кристалічного муліту 3Al2O3•2SiO2 (71/8% Al2O3 і 28.2% SiO2),а останнє представляє собою кремнеземисту (аморфну) скловидну речовину високоїв’язкості:
При випалі в глинах і каолінах відбуваються складніі глибокі зміни: виявляється вогнева усадка, змінюється мінералогічний склад,при нагріванні до 400°С поступово видаляється слабо зв'язана вода зкристалічних ґрат каолініту.
В інтервалі 450 — 600°С видаляється хімічнозв'язана вода внаслідок розкладання каолініту по реакції:
А12О3 2 SiO2 2 Н2О→[А12О3 + 2 SіО2] + 2 Н2О.
Реакція йде з поглинанням тепла (ендотермічнийефект). [А12О3 + 2 SiO2] -аморфний продукт, щопредставляє собою не механічну, а більш тісну суміш глинозему і кремнезему звзаємним проникненням компонентів і частковим збереженням структурикаолінітової ґрати. Аморфний лтродукт складу [А12О3•2SіО2]називають метакаолінітом. Каолініт, позбавлений хімічно зв'язаної вологи,необоротно втрачає пластичність.
При 900°С відбувається кристалізація муліту.
При 1100 — 1250°С йде перехід у кристобалітаморфного кремнезему, що лишився після розпаду каолініту.
При 400 — 1000°С карбонати дисоціюють з виділеннямвуглекислоти, сульфіди окисляються з утворенням сірчистого газу, органічнідомішки вигорають. Перераховані процеси супроводжуються значною втратою маси,деяким збільшенням пористості і зменшенням об'єму. Механічна міцність при цьомуне зменшується, а збільшується. При температурі 1100°С з виділенням тепламетакаолініт перебудовується з утворенням у кінцевій стадії муліту, ЗА12О3-2 SiO2:
3 [А12О32 SiO2] →ЗА12О32 SiO2 + 4SiO2.
З ростом температури кількість муліту безупиннозбільшується і досягає максимуму при 1250 — 1350°С. Тривала витримка притемпературах понад 1200°С не впливає на збільшення виходу муліту, але сприяєросту його кристалів. Одночасно з утворенням муліту йде процес спікання.Температура початку гання відповідає різкій зміні усадки. За температурузакінчення спікання 'иймають ту, при якій усадка практично припиняється, аводопоглинання іеченої глини буде близько 2%.
Температура початку і закінчення спікання залежитьне від вогнетривкості глин, а від їхньої хімічної і мінералогічної сполук ідисперсності.
При випалі глин і каолінів у них одночасно змулітом і кристобалітом утвориться аморфна частина і рідка фаза (післяохолодження — склофаза). Луги сильно />взаємодіють з кристобалітом і, переводять його врідку фазу, кількість якої безпосередньо залежить від змісту лугів валюмосилікатах.
Склоподібна частина утвориться в результатіплавлення домішок і частково розчинення кристобаліта в його метастабільноїсубмікроскопічної формі. Хімічний склад склоподібної частини залежить відзагального складу глини чи каоліну до випалу і кількості утворившогося муліту.
2.5 Теоретичні аспекти границіміцності при стиску шамотних вогнетривів для футеровки вагранок та шляхи їїполіпшення
Згідно з умовами служби шамотних виробів дляфутеровеи вагранок марки ШБВ вони повинні мати слідуючи властивості:
1.Границя міцності при стиску
Міцність твердих тіл характеризується силамивзаємодії між атомами або іонами, які складають тіло. Міцність залежить нетільки від хімічного складу речовини, але і від виду напруженого стану (розтяг,стиск, вигин та ін.), від умов експлуатації (температура, швидкістьнавантаження, вплив навколишнього середовища та ін.), а також від структури.
Вогнетриви при кімнатній температурі характеризуютьсякрихким
руйнуванням, яке звичайно наступає після незначної0,01-0,02% оборотної (пружної) деформації і невеликої по величині пластичної(необоротної), яка зумовлюється мікроруйнуванням. Загальна деформація увогнетривів доходить до 0,3-0,7%.
В межах пружної деформації до вогнетривів можназастосувати закон Гука, відповідно якому в невеликому інтервалі деформацій
σ /ε =Е; σ = ε · Е
де Е — модуль пружності, Н/мм2; ε — відносна деформація; σ — напруга, Н/мм2.
Модуль пружності Е (модуль Юнга) — це фізичнавеличина, яка характеризує властивості матеріалу, а саме у кристалаххарактеризує силу хімічного зв'язку структурних елементів у ґратках.
Пружнадеформація зв'язана із збільшенням відстані між атомами речовини приприкладенні навантаження і залежить від енергії кристалічних ґраток. Пружнадеформація зв'язана із збільшенням відстані між атомами речовини приприкладенні навантаження і залежить від енергії кристалічних ґраток. Цейзв'язок виражається залежністю модуля пружності від температури плавлення.Підрахована теоретична міцність (σт) міжатомного зв'язкукристалів оксидів і оксидних стекол, яка визначається модулем пружності Е,поверхневою енергією твердого тіла σ1 і, параметром ґратокλ
σт=√2Еσ1/ λ
іскладає 104 Н/мм2 (Е ≈105Н/мм2).
Увогнетривів звичайно спостерігається відхилення від лінійної залежностіσ=f(ε), не зв'язане з енергією ґраток, а зв'язане зі структуроюматеріалу. У зв'язку з цим пружність вогнетривів характеризується двомамодулями: дотичним модулем Юнга Е = tg λ і січним V = tgβ, абомодулем деформації (рис.2.1).
/>
Рис.2.1.Схематичне зображення деформації вогнетривів:
а — крива деформації; б — точка руйнування; σст — границя міцностіпри руйнуванні (стиску); εn, — деформація
Модульдеформації не має фізичного смислу і залежить від умов дослідження, алевідношення Е/V є показником однорідності структури. Якщо lim (Е/V) -» 1, тоструктура прямує до однорідності. Чим нижчі значення модулей Е і V, тим більшевиражена тенденція вогнетривів до деформації і остаточного руйнування і тимменша можливість руйнування в службі.
Механічнаміцність вогнетривів при нормальній температурі характеризується границеюміцності при стиску (σст.), вигину (σвиг),розтягу (σроз). Для рядових вогнетривів σстскладає 20-50 Н/мм2, а для щільних 50-100 Н/мм. σстхарактеризує стійкість вогнетривів у стіновій кладці. Міцність вогнетривів придеформаціях вигину і розтягу орієнтовно визначається:
σвиг.= (0,3-0,2)σст.
σроз=(016 ÷ 0,12) σст
σвигхарактеризує стійкість вогнетривів у кладці склепіння, кільцевій та іншихкриволінійних кладках.
Високаміцність вогнетривів характеризується зерновим складом вихідних матеріалів,якістю обробки маси, пресуванням, випалом (ступенем спікання маси) і восновному визначається однорідністю будови або структурою. Міцність залежить нетільки від пористості, а і від розміру пор: крупні пори більш низько знижуютьміцність при підвищенні пористості, ніж дрібні. Крім розміру пор і зеренсуттєве значення на міцність чинить рівномірність розподілу пор та їх форма.Пори, які знаходяться в зернах, менше знижують міцність, ніж пори зв'язки іпори, що знаходяться між крупними зернами і зв'язкою. Щодо форми пор особливонебезпечними є відкриті тріщини з гострими кінцями. Зменшення розміру пор,регулювання їх розподілу і форми є перспективними способами міцностівогнетривів.
Суттєварізниця між теоретичною і практичною міцністю з'ясовується в теоріях Гриффітса,Вейбулла, Журкова та ін.
Потеорії Гриффітса реальні тіла мають численні тріщини (тріщини Гриффітса). Цейдефект являється концентратором напруг, а тому в області, яка приля-
гаєдо кінчика тріщини, напруги можуть досягати критичних значень, близьких абоперевищуючих значення теоретичної міцності. Напруга на кінці гострої тріщинидорівнює
σmax=2σср√l/r
деσср — середня напруга в матеріалі;
l — довжинатріщини (близько 10-4 см);
r-радіускривизни кінчика тріщини (дорівнює приблизно міжатомній відстані 0,1-0,4 нм).
Виходячиз даних значень l і r (l/r)≈ 102, тобто σmaxна два порядка більша σср Таким чином, при порівняно незначнійвеличині середньої напруги (σср) в матеріалі на кінчику тріщинивиникає значна локальна напруга, яка приводить до росту тріщини (рис.2.2).Розтягуюча напруга направлена перпендикулярно до тріщини. Цифри на кривихпостійної напруги показують, у скільки разів місцева напруга більша середньої.Пори не тільки концентрують напруги, але і екранують частину матеріалу віднапруг. Матеріал, який знаходиться над порою і під порою, сприймає значно меншунапругу, а матеріал між порами при цьому буде сприймати значно більшу напругу,ніж решта матеріалу. Екранування напруг в більшій мірі проявляється крупнимипорами. Оскільки міцність залежить від імовірності знаходження тріщини узразку, то вона також носить імовірний (статистичний) характер.
/>
Рис.2.2.Концентраціянапруг поблизу кінчика еліптичної тріщини
Показник міцності при нормальній температурізберігається при нагріванні виробів до 1000-1300°С. Для оцінки міцностівогнетривів при високих температурах служби користуються показникамитемператури деформації під навантаженням і повзучості.
Деформацію зразків вогнетривких виробів при високихтемпературах визначають стандартним методом під навантаженням 0,2 Н/мм2(МПа). Це відповідає середньому тиску, який сприймає вогнетрив у нижній частиніфутеровки стіни від своєї маси, висотою 10 м при об'ємній масі виробу 2 г/см3.
Привипробуванні реєструють температуру початку деформації (розм'якшування) зразка,при 0,6% стиску – t0.6р; при 4% стиску —t4p;при 40% стиску –t40p або температуру руйнування — tр.
Деформаціявогнетривів при високих температурах визначається, в основному,хіміко-мінералогічним складом, кількістю твердої і рідкої фаз, їх розподілом,в'язкістю розплаву. Певне значення має також текстура вогнетриву: характер йогозернового складу, кількість і розподіл пор. Більш щільний вогнетрив приоднаковому складі має більш високу температуру початку руйнування піднавантаженням. Розрізняють три характерних види кривих деформації вогнетривівпри високих температурах:
— крива деформації вогнетриву, у якого вогнетривка складова частина утворюєдостатню міцний кристалічний зросток, який незначно розчиняється у рідкій фазі.Звичайно динас містить 10-15% скла і 90-85% кристалічної речовини (тридиміту,кристобаліту, кварцу). Тридиміт утворює кристалічний зросток (каркас), якийслабо розчиняється в рідкій фазі. Тому температура деформації динасу висока — 1660-1670°С. Руйнується динас тільки тоді, коли починає плавитися тридиміт.Інтервал деформації невеликий — 10-15°С і, як правило, супроводжуєтьсяруйнуванням зразка. Високій температурі деформації динасу сприяє також доситьповільне наростання рідкої фази і велика в'язкість розплаву;
-кривадеформації вогнетриву, яка складається з кристалів, що не утворюють зростка, маютьневогнетривку зв'язку, в якій кристали основної фази мало розчиняються(периклазовий вогнетрив). У периклазових вогнетривах кристали МgО не утворюютьзростка, вони зцементовані невогнетривкого монти-челітовою зв'язкою (СаО • МgО• SіО2, tпл. = 1450-1550°С). Кристалів МgОрозчиняється в ній дуже мало, тому вогнетривкість зв'язки з підвищеннямтемператури не збільшується, а в'язкість значно знижується. Цим і пояснюєтьсявелика різниця між вогнетривкістю периклазових виробів і їх температурою деформації.Інтервал деформації також невеликий;
— крива деформації вогнетриву, який має зернисту основу і велику кількість(близько половини) скловидної фази, яка зв'язує зернисту основу (шамотнівироби). З підвищенням температури безперервно збільшується кількість рідкоїфази і її в'язкість внаслідок розчинення в ній SiO2 і А12О3.Тому їх деформація при високих температурах (1400-1600°С) має плавнийпластичний характер, зразок не руйнується, а лише приймає бочкоподібну форму.Температурний інтервал деформації складає 150-250°С.
Такимчином, деформація під навантаженням при високих температурах визначається нестільки кількістю рідкої фази, скільки її розподілом. Температура деформаціїпідвищується, коли кристали мають прямий зв'язок(утворюють каркас) ізнижується, коли між кристалами є прошарки рідкої фази.
Потемпературі деформації під навантаженням можна орієнтовно оцінити температурузастосування вогнетривів. Особливо велике значення має цей показник при службівиробів в розпірних склепіннях високотемпературних печей і топок, у нижнійчастині вертикальних стін та ін. Так, для підвищення стійкості сво-довихпериклазошпінелідних вогнетривів необхідно одержати вироби з прямим зв'язкомкристалів (периклаз-периклаз, периклаз-пшінелід-периклаз). Для цього: вихіднісировинні матеріали повинні мати високу ступінь чистоти (мінімальний вміст SіО2і СаО), високу щільність спечених і плавлених матеріалів, стабільність позерновому складу; вироби пресують при високому тиску -170 Н/мм2;температура випалу — 1900-2000°С.
Високоякісніосновні вироби з прямим зв'язком можна одержати за допомогою клінкерноїтехнології.
Повзучістюназивають необоротну пластичну деформацію матеріалу (безперервну зміну розмірівтіла) під впливом постійно діючих напруг (нижче границі міцності) при постійнихтемпературах (нижче температури плавлення). Повзучість є технічною властивістюі відноситься до непружної деформації. На рис.2.3 зображена крива деформації(текучості), знята в ізобарно-ізотермічних умовах в залежності від часу.
/>
час
Рис.2.3.Кривадеформації вогнетривів при нагріванні в залежності від часу
Накривій спостерігається три періоди:
ε0-ε1 — нестала або перша повзучість;
ε1-ε2 — період сталої, постійної швидкості повзучості або друга повзучість;
ε2-εр — період короткочасної, третьої повзучості (руйнування).
Розподілна періоди умовний, так як повзучість є безперервним процесом під дієюпостійних напруг. Стала повзучість є рівноважним станом процесу. Повзучістьвогнетривів виражають в одиницях швидкості деформації ε, мм/(мм.год)(відносна зміна розмірів зразка в мм за час в год)
ε= (⌂l/l)1/τ
де ⌂l- лінійна зміна зразка, мм;
l — початковадовжина зразка, мм;
τ- час, год.
Привизначенні повзучості при стиску нестала повзучість (ε0-ε1)характеризується взаємодією зерен з порами. Зерна ніби входять в пори (і всклофазу), різко скорочується кількість крупних пор, потім середніх. В періодсталої повзучості (ε1-ε2) розміри пор іпористість залишаються приблизно постійними.
Вогнетривиодночасно можуть мати аморфні і кристалічні конденсовані фази, тому повзучістьв більшій мірі визначається співвідношенням між аморфною і кристалічною фазами,ступенем зв'язності кристалічного каркасу, складом і щільністю зв'язки.
Такяк в'язкість аморфних тіл порівняно низька, то текучість (повзучість) аморфнихтіл велика.
Повзучістьчисто кристалічних тіл залежить від наявності двох видів дефектів укристалічних ґратках; точкових дефектів — вакансій, які зумовлюють дифу-зійно-пластичнутечію кристалу і лінійних дефектів — дислокацій, які визиваютьдеформацію внаслідок дифузійного переміщення дислокацій.
Але звогнетривами справа значно складніша. Великі швидкості повзучості вогнетривівзумовлюються не тільки дифузійними процесами на атомному рівні. По Вишневськомуповзучість вогнетривів здійснюється механізмом макроскопічного переміщеннязерен і агрегатів відносно один одного. Пластична деформація вогнетривівзумовлена головним чином в'язкою течією міжкристалічної речовини. Міжкристалітнековзання з часом приводить до створення деформаційно-стійкого каркасу зарахунок заклинювання зерен або значної рекристалізації. На такій стадіїповзучості проковзування буде скрутним і подальша повзучість буде іти у режиміпластичної течії.
Механізмдеформації заключається у взаємному зміщенні зерен і їх агрегатів під впливомнапруги в результаті зниження в'язкості міжкристалітного прошарку. — Накриптостійкість впливають слідуючі фактори.
Впливдомішок. Сама низька швидкість деформації у чистих зразків. Очевидно,це зв'язано із збільшенням швидкості дифузійних процесів при утворенні твердихрозчинів з домішками. Так, при введенні в корунд декілька відсотків силікатівкрип катастрофічно зростає в 104 разів.
Впливрозміру зерна. При збільшенні зерна в 3 рази повзучість зменшу
єтьсяприблизно в 10 разів. Отже, процеси рекристалізації сприяють підвищенню опоруповзучості.
Впливпористості. Швидкість деформування полікристалічних матеріалів при іншиходнакових умовах підвищується із зростанням пористості. Із збільшеннямсереднього розміру пор руйнування зразка проходить при більш низькійпористості. Мікротріщинувата структура, яка зумовлює підвищення термостійкості,одночасно підвищує повзучість, тому високі значення криптостійкості ітермостійкості не сумісні в одному виробі.
ВпливнапругиВ області низьких напруг σ
Приумовах, які відповідають дислокаційній повзучості σ
Повзучістьу деяких випадках зумовлює вибір відповідного вогнетриву. На повзучістьвпливають тиск, окисно-відновний характер газового середовища. Правильний вибіртехнологічних параметрів виробництва може значно зменшити швидкість крипу:підвищення чистоти матеріалу, розміру зерна, температури випалу виробів,утворення «прямого зв'язку» кристалів, зниження пористості.
ПоГОСТу границя міцності при стиску для вогнетривів для футеровки вагранок марки ШБВповинна складати не нижче 15 МПа.
2.Пористість
Пористість- це основна характеристика структури і визначає стійкість вогнетривів дорізних кородієнтів, ступінь механічних напруг, схильність до деформації та ін.
Великачастина пор у вогнетривах сполучається між собою і виходить на поверхню виробіві може бути заповнено водою – це відкриті пори. Невелика кількість порізольована, недоступна для заповнення водою – це закриті пори.
Узв’язку з цим розрізняють істинну або загальну пористість, яку складаютьзакриті пори і відкриті, і уявну пористість, яку складають тільки відкритіпори.
ПоГОСТу відкрита пористість для вогнетривів для футеровки вагранок марки ШБВповинна складати не менше 22%.
3.Постійність об’єму при високих температурах
Вогнетривиу службі піддаються дії високих температур ніж температури їх випалу. Тому що вних пордовжуються фізико-хімічні процеси, які розпочалисяпід час випалу. Врезультаті таких процесів виникає необоротна зміна об’єму виробів – цедодаткова усадка або ріст.
Якусадка так і ріст вогнетривких виробів у службі знижують будівельну міцністькладки печі. Внаслідок цього може виникнути вспучування стін і сводів або їхповне руйнування.
ПоГОСТу додаткова усадка для вогнетривів для футеровки вагранок марки ШБВ притемпературі1400 0С повинна складати небільше 0,5%
4.Вогнетривкість
Вогнетривкість– це здатність матеріалу протистояти, не розплавляючись, дії високихтемператур.
Вогнетривкістьхарактеризує чистоту сировини, яка використовується для виробництвавогнетривких виробів. Величина вогнетривкості може залежати від структуривиробів і їх технодогічних параметрів(ступеню випалу, зернового складу шихтиі.т.д). Вироби з тонкодисперсної шихти менш вогнетривкі ніж виготовлені згрубодисперстного матеріалу.
Вогнетривкістьнавіть для чистих речовин відрізняється від температури плавлення; звичайнозначення вогнетривкості вище значень точок плавлення. Значення вогнетривкостіне визначає температуру застосування
ПоГОСТу вогнетривкість для футеровки вагранок марки ШБВ не нижче 16700С.
Згідно з викладеним вище матеріалом складаєморезультуючу таблицю впливу технологічних факторів на властивості шамотнихвогнетривів.
Таблиця 2.1- Вплив технологічних факторів навластивості шамотних вогнетривів
Властивості
Фактори
Пори-
стість
Розмір
пор
Мех.
міцність
Деформ.
під навантаж.
Вог-нет-
ривкість
Фазовий
склад
Шлако-
стійкість
Термості-
йкість Хімічний склад сировинров матеріалів Водовбирання шамоту Зерновий склад шихти Вологість маси Пресове зусилля Температура випалу
3. Вибір оптимальних технологічних параметрів воготовленняшамотних вогнетривів для футеровки вагранок марки ШБВ
Згідно з аналізом умов служби шамотних вогнетривівдля футеровки вагранок були встановлені взаємозв’язані визначальні показникивластивостей цих виробів: границя міцності при стиску і відкрита пористість,які обумовлюють експлуатаційні властивості шамотних вогнетривів для футеровкивагранок.
Для вибору оптимальних технологічних параметріввиготовлення шамотних вогнетривів для футеровки вагранок з відкритою пористістю21,7% було реалізовано експеримент з виготовлення шамотних вогнетривів занаступними параметрами:
Речовинний склад шихти:
— безперервний тип укладки зерен:
шамот фр. 3-0 мм – 85%,
глина фр. 2-0 мм – 15%;
— перервний тип укладки зерен:
шамот фр. 3-0,5 мм – 65%,
суміш сумісного помелу – ССП (шамот – 70%, глина –30%)
фр.
— вологість маси – 5% і 7,5%;
— тиск пресування – 20 Н/мм2 і 100 Н/мм2;
— максимальна температура випалу виробів – 14500С.
Результати визначення показників властивостейшамотних виробів для футеровки вагранок наведено в таблиці 3.1.
Таблиця 3.1 – Вихідні дані і показники властивостейвиробівПринцип укладки № шихти Речовинний склад шихти,% Вологість маси, % Тиск пресування, Н/мм2 ррН Відкрита пористість,%
Границя міцності при стиску, Н/мм2 шамот фр. 3-0мм глина фр.2-0мм шамот фр.3-0,5мм
ССП фр.
Безперервнийй 1 85 15 - - 5 20 24,8 12 2 - - 5 100 21,8 17 3 - - 7,5 20 24,2 14 4 - - 7,5 100 21,0 22 Перервний 5 - - 55 45 5 20 22,5 20 6 - - 5 100 20,4 28 7 - - 7,5 20 21,6 25 8 - - 7,5 100 19,2 35
Дляоптимізації тиску пресування вогнетривів в інтервалі 10-200 Н/мм2 використовуютьрівняння А.С.Бережного, яке встановлює залежність між пористістю сирцю і тискомпресування
Е= а-blgР
де Е — істинна пористість, %;
а,b-константипроцесу пресування для різних мас;
Р — тискпресування, Н/мм2.
Фізичнийсмисл констант а і b не може бути виражено однозначно незважаючи на те,що з рівняння слідує формальне визначення константи а, пористість при ~ 0.1Н/мм2. А.С.Бережний вважав, що значення константи а близькедо пористості вихідного порошку, коли маса знаходиться під дією тількикапілярних сил і тиску шарів, що лежать вище. Але великі відхилення рівняннявід експериментальних даних в області низького тиску не дозволяють розділити цюточку зору. Крім того, за даними різних авторів, значення а звичайнознаходиться в межах 23 — 80, що набагато перевищує розкид реальної пористостівихідних порошків; іноді значення досягає 100 і більше.
Щодоконстанти b, то її основний смисл можна оцінити як міру ущільненняпорошкової маси у всьому інтервалі можливого тиску. Однак під дією такого,наприклад, фактора, як підвищення вологості, здатність маси до ущільнення принизьких тисках збільшується, а при високих — знижується. Тому, не завжди можнаодночасно відобразити пресувальну здатність маси за допомогою однієї величини b.Реальні значення константи b знаходяться найчастіше всього в межах3-10.
Встановлено,що відносне ущільнення пресовок в даному інтервалі тиску зменшується з ростомвідношення а:b, тобто величина а:b характеризує сукупність факторів, якіутруднюють ущільнення пресовки.
РівнянняА.С.Бережного може бути застосовано без змінення загальної формули, а лише приінших значеннях констант а і b, Враховуючи це, для визначеннязалежності між тиском пресування і відкритою пористістю та щільністю випаленихвиробів його використовують для встановлення оптимальних параметрів пресування.
Длявизначення коефіцієнтів рівняння а і b достатньо двох експериментів, яківиконано при двох суттєво різних тисках Р1 і Р2 звизначенням істинної пористості пресовок або відкритої пористості випаленихвиробів П1 і П2.
Длявибору оптимального тиску пресування необхідно розрахувати константи а іb в рівнянні А.С.Бережного, виконати розрахунки пористості шамотних виробів прирізних значеннях зусилля пресування та провести аналіз і відкритої пористості взалежності від технологічних параметрів виготовлення виробів: вологості маси ітиску пресування, зернового складу вогнетривкої шихти. Залежність відкритоїпористості від тиску пресування і вологості мас з різким типом укладок зеренподати графічно.
Привиборі оптимального тиску пресування при постійній вологості шамотної масивизначаємо константи а і b в рівнянні А.С.Бережного шляхом розв'язуваннясистеми рівнянь:
П1=а-blg Р1
П2 = а-blg Р2
де П1 і П2 – відкритапористість виробів, які сформовані при різних значеннях тиску пресування,%;
а,b – константи рівняння;
Р1 і Р2 – тиск пресування,Н/мм2.
Тоді значення констант рівняння А.С. Бережногоможна розрахувати за формулами:
b = (П1-П2):lgР2/Р1
a = П1 +blg Р1
Розрахуємо коефіцієнти а і b для мас з різним типомукладки зерен.
Для мас безперервного зернового складу:
— вологість вогнетривкої маси 5%, тиск пресування Р1=20Н/мм2, Р2=100 Н/мм2
b = (24,8 — 21,8):lg100/20 = 3,00: 0,699 = 4,29
а = 24,8 + 4,29lg20 = 24,8 + 4,29*1,301 = 30,38
П = 30,38 – 4,29 lgР,%
— вологість вогнетривкої маси 7,5%, тиск пресуванняР1=20 Н/мм2, Р2=100 Н/мм2
b = (24,2 — 21,0):lg100/20 = 3,20: 0,699 = 4,58
а = 24,2 + 4,58lg20 = 24,2 + 4,58*1,301 = 30,16
П = 30,16 – 4,58 lgР,%
Для мас перервного зернового складу:
— вологість вогнетривкої маси 5%, тиск пресування Р1=20Н/мм2, Р2=100 Н/мм2
b = (22,5 – 20,4):lg100/20 = 2,10: 0,699 = 3,00
а = 22,5 + 3,00lg20 = 22,5 + 3,00*1,301 = 26,4
П = 26,4 – 3,00 lgР,%
— вологість вогнетривкої маси 7,5%, тиск пресуванняР1=20 Н/мм2, Р2=100 Н/мм2
b = (21,6 – 19,2):lg100/20 = 2,40: 0,699 = 3,43
а = 21,6 + 3,43lg20 = 21,6 + 3,43*1,301 = 26,10
П = 26,10 – 3,43 lgР,%
Результати розрахунку констант рівняння А.С.Бережного і одержання рівнянь зведемо в табл.3.2, знайдемо відношення константа:b і проведемо аналіз зміни пористості виробів в залежності від технологічнихпараметрів виготовлення виробів.
Таблиця 3.2 – Рівняння А.С. БережногоПринцип укладки зерен Вологість маси,% Значення констант Відношення a:b Рівняння а b Безперервний 5 30,38 4,29 7,08 П=30,38-4,29lgP 7,5 30,16 4,58 6,59 П=30,16-4,58lgP Перервний 5 26,4 3,00 8,80 П=26,4-3,00lgP 7,5 26,1 3,43 7,61 П=26,1-3,43lgP
Згідно з теоретичними даними для одержання виробівз мінімальною пористістю величина відношення констант рівняння а:b повинназменшуватися. Як видно з одержаних даних для мас з перервним і безперервнимзерновим складом, підвищення вологості маси до 7,5% сприяє зниженню величиниа:b на 1,19 і 0,49 відповідно. Це зумовлено пластифікуючою дією води, яказнижує тертя мінеральних частинок в процесі пресуваня і забезпечує кращеущільнення маси.
Для підтвердження вищевказаного, використовуючиодержані рівняння (табл.3.2), виконаємо розрахунки величини відкритоїпористості в інтервалі тиску пресування 20-100 Н/мм2, а такожвеличину зміни пористості (∆П) при підвищенні тиску пресування на 20 Н/мм2в заданому інтервалі за формулою
∆П = Пп – Пп-1,
де Пп, Пп-1, — пористістьвиробів, які сформовані при меншому і більшому тисках пресування відповідно,%
Результати розрахунку зведемо до табл.3.3.
Таблиця 3.3 – Розрахункові значення відкритоїпористості, %
Тиск пресування, Р, Н/мм2 20 40 60 80 100 lgP 1,301 1,602 1,778 1,903 2,00 Принцип укладки Безперервний Вологість маси 5% 24,79 23,50 22,75 22,22 21,78 ∆П,% 1,29 0,75 0,53 0,44 ∆П =24,79-21,78=3,01% 7,5% 24,20 22,82 22,02 21,44 21,00 ∆П,% 1,38 0,80 0,58 0,44 ∆П=24,20-21,00=3,00% Перервний 5% 22,50 21,59 21,06 20,69 20,40 ∆П,% 0,91 0,53 0,37 0,29 ∆П=22,50-20,4=2,10% 7,5% 21,64 20,61 20,00 19,57 19,24 ∆П,% 1,03 0,61 0,43 0,33 ∆П=21,64-19,24=2,40%
Графічна ілюстрація залежностей відкритоїпористості шамотних вогнетривів від тиску пресування і вологості маспредставлена на рис 3.1
Аналіз одержаних даних свідчить про те, щонезалежно від принципу укладки зерен, підвищення тиску пресування сприяєущільненню маси і зниженню відкритої пористості виробів. Причому, для мас як збезперервним, так і з перервним зерновим складом збільшення вологості маси від5% до 7,5% в інтервалі тиску пресування 20-100 Н/мм2 забезпечуєзниження відкритої пористості виробів на 0,01% і 0,3% відповідно.
Слід також відмітити, що в області більш високоготиску пресування(вище 60Н/мм2) інтенсивність зменшення величинивідкритої пористості знижується, що викликано збільшенням тертя частинок іпідвищенням вмісту у масі дрібних фракцій матеріалу, внаслідок руйнування зеренопіснювача під дією значних пресових навантажень.
Розрахуємо величину тиску пресування для виробів,які виготовлені за різними технологіями, що забезпечує виробництво вогнетривівз відкритою пористістю – 21,7%
Для розрахунку тиску пресування, який забезпечитьзадане значення відкритої пористості шамотних вогнетривів – 21,7%,скористаємося одержаними рівняннями.
/>
1,2 – безперервний зерновий склад маси;
3,4 — перервний зерновий склад маси;
1,3 – вологість маси 5%;
2,4 — вологість маси 7,5%
Рисунок 3.1 — Вплив тиску пресування і вологостімаси на зміну відкритої пористості шамотних вогнетривів
для мас з безперервним типом укладки зерен:
— вологість маси 5%: П = 30,38-4,29lgP
21,7 =30,38-4,29 lgP
lgP = (30,38-21,7)/4,29
lgP = 2,023
Р = 102,023= 105,4 ≈ 105 Н/мм2
— вологість маси 7,5%: П = 30,16-4,58lgP
21,7 =30,16-4,58 lgP
lgP = (30,16-21,7)/4,58
lgP = 1,847
Р = 101,847= 70,3 ≈ 70 Н/мм2
для мас з перервним типом укладки зерен:
— вологість маси 5%: П = 26,4-3,00lgP
21,7= 26,4-3,00 lgP
lgP= (26,4-21,7)/3,00
lgP= 1,566
Р =101,566 = 36,8 ≈ 37 Н/мм2
— вологість маси 7,5%: П = 26,1-3,43lgP
21,7= 26,1-3,43 lgP
lgP= (26,1-21,7)/3,43
lgP= 1,282
Р =101,282 = 19,14 ≈ 19 Н/мм2
Результати розрахункових значень тиску пресування,який забезпечує одержання виробів з відкритою пористістю 21,7%, наведено втабл.3.4.
Таблиця 3.4 – Розрахункові значення тискупресування, Н/мм2
Принцип укладки
Тиск пресування, Вологість маси,% 5 7,5 Безперервний 105 70 Перервний 37 19
Порівнюючирезультати розрахунку пресових зусиль видно, що вологість вогнетривкої масисуттєво впливає на величину тиску пресування, і досягнення заданої пористостіможе бути реалізовано при менших зусиллях пресування маси. Для масбезперервного зернового складу таким тиском пресування є тиск 70 Н/мм2 привологості маси 7,5%, а для мас з перервним принципом укладки зерен оптимальнийтиск пресування — 19 Н/мм2 при вологості маси 7,5%.
Дляостаточного вибору технологічних параметрів необхідно враховувати той факт, щоважливою експлуатаційною вимогою до шамотних виробів для футеровки вагранок євисока границя міцності при стиску.
Яквидно з даних результатів визначення границі міцності при стиску шамотних виробів(див. табл. 3.1), сформованих із мас безперервного зернового складу, зпідвищенням тиску пресування границя міцності виробів при вологості 5%збільшується в 1,42 рази, а при вологості 7,5% — у 1,57 рази. Це зумовленоструктурою вогнетриву, розмірами пор і їх розташуванням.
Длявиробів, сформованих із мас перервного зернового складу, границя міцності пристиску з підвищенням тиску пресування підвищується при вологості маси 5% в 1,40раз і для вологості 7,5% в 1,40 рази що також пояснюється особливостями структуривиробу і розподілом пор за розмірами.
Відмічено,що незалежно від вологості маси і тиску пресування границя міцності при стискудля шамотних виробів вище у випадку їх виготовлення із мас перервного зерновогоскладу.
Такимчином, враховуючи характер зміни границі міцності вогнетривів, можнастверджувати, що при однаковій пористості — 21,7% границя міцності виробів ізмас перервного зернового складу буде вище границі міцності вогнетривівбезперервного зернового складу.
Тому,для виготовлення шамотних вогнетривів для футеровки вагранок пропонуютьсянаступні оптимальні технологічні параметри:
Длявогнетривів у зоні плавки та горіння треба використовувати речовинний складшихти, який передбачає використання перервного типу укладки зерен:
- шамот фр. 3 — 0,5 мм — 55%, ССП фр.
- вологість маси – 7,5%; тиск пресування — 19 Н/мм2.
А дляінших зон вагранок можна використовувати безперервний тип укладки зерен: — шамот фр. 3 — 0 мм — 85%,
— глина фр. 2-0 мм – 15%, — вологість маси – 7,5%;
— тискпресування — 70 Н/мм2.
Висновки ірекомендації1 Зпроведеного аналізу умов служби шамотних вогнетривів, встановлено, що вониповинні володіти високою границею міцності при стиску, що є визначальною їхньоювластивістю
2 Був встановлений впливхіміко-мінералогічного та речовинного складу на властивості вогнетривів,залежністьщільності укладки при пресуванні від зернового складувогнетривких порошків, вплив параметрів пресування на ущільнення вогнетривкихмас, особливості процесів структурно-фазових перетворень при термічній обробцішамотних вогнетривів та теоретичні аспекти границі міцності при стиску шамотнихвогнетривів для футеровки вагранок та шляхи ії поліпшення.
3 За рівнянням А.С. Бережногодля одержання виробів з мінімальною пористістю величина відношення а:b повинназменшуватися. Аналіз рівнянь свідчить про те, що підвищення тиску пресуваннясприяє ущільненню маси і зниженню відкритої пористості. З цього можна зробитивисновок, що ми повинні використовувати вироби, сформрвані із мас перервного зерновогоскладу, речовинний склад яких: шамот фр. 3 — 0,5 мм — 55%, ССП фр.
4 Для поліпшеннявизначального показника — границі міцності при стиску необхідно регулюватирозмір пор: крупні пори більш різко зменшують міцність ніж дрібні; їхрівномірне розподілення та форму: зменшення розміру пор та регулювання їхрозподілення збільшують міцність вогнетривів; підібрати оптимальний тискпресування.
Література
1 Стрелов К.К., Мамыкин П.С.Технология огнеупоров. – М.: Металлургия, 1978. – 376с.
2 Іващенко Л.В. Взаємозв’язокосновних властивостей вогнетривів з параметрами технології: Конспект лекцій. –Дніпропетровськ: НМетАУ, 2002. – 61 с.
3 Плотников Л.А. Огнупоры вчерной металлургии. – М.: Металлургия, 1973. – 272с.
4 Огнеупорное производство:Справочник под ред. Д.И. Гавриша. – М.: Металлургия, 1965. – Том 2. – 578 с.