УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Пісчанська Вікторія Вікторівна

УДК 666.762:621.746.554

РОЗРОБКА ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА

ВОГНЕТРИВІВ ДЛЯ СИФОННОГО РОЗЛИВАННЯ СТАЛІ

Спеціальність 05.17.11 – технологія тугоплавких неметалічних матеріалів

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі хімічної технології кераміки та вогнетривів Національної металургійної академії України Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент

Пилипчатін Леонід Дмитрович,

Національна металургійна академія України (м. Дніпропетровськ), завідувач кафедри хімічної технології кераміки та вогнетривів

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Пітак Микола Васильович,

ВАТ “Український науково-дослідний інститут вогнетривів ім. А.С. Бережного”

(м. Харків), вчений секретар

кандидат технічних наук, доцент

Кулік Володимир Олексійович,

Український державний хіміко-технологічний університет (м. Дніпропетровськ), завідувач кафедри хімічної технології в’яжучих

матеріалів

Провідна установа: | Національний технічний університет ”ХПІ” Міністерства освіти і науки України, кафедра технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей

Захист відбудеться “27” червня 2001 р. о__1400__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.078.02 при Українському державному хіміко-технологічному університеті за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 8.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського державного хіміко-технологічного університету: м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 8.

Автореферат розісланий “25” травня 2001р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

Мельников Б.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку суспільства все більшої ваги набуває техніко-економічна політика збереження і раціонального використання сировинних та паливно-енергетичних ресурсів. Перспективним напрямком у рішенні проблем ресурсозбереження при виробництві вогнетривких виробів є їх виготовлення за безвипалювальним способом. Доцільність виготовлення вогнетривів по такій технології визначається також можливістю скорочення тривалості технологічного циклу виробництва, автоматизацією і механізацією трудомістких виробничих процесів, рішенням ряду екологічних проблем вогнетривкої галузі.

У теперішній час технологія виробництва алюмосилікатних виробів для сифонного розливання сталі передбачає високотемпературний випал при температурі 1350 – 1420 0С, що потребує значних паливно-енергетичних витрат і обумовлює утворення газоподібних продуктів згорання палива, які забруднюють навколишнє середовище. Крім того, внаслідок фізико-хімічних процесів, що протікають при випалі виробів сифонного припасу, який має складну конфігурацію, спостерігаються значні порушення їх геометричних розмірів, а це приводить до підвищеної відбраковки виробів. Вогнетриви для сифонного розливання сталі, що виготовляються випалювальним способом, за термічною стійкістю не задовольняють умовам служби, і це спричиняє аварійні розливання і значні втрати сталі.

Враховуючи сучасну проблему гострого дефіциту паливно-енергетичних ресурсів в Україні, а також необхідність поліпшення термоміцностних властивостей виробів сифонного припасу, розробка енергозберігаючої технології виробництва термостійких вогнетривів для сифонного розливання сталі є надзвичайно актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з рішенням міністра чорної металургії УРСР (протокол № Р-2080 від 13.04.84 р.) і згідно плану науково-дослідної роботи “Уточнювання технологічних параметрів та освоювання виробництва безвипалювального сталерозливного припасу” (№ Д.Р. 01880006300, 1988 р.). При участі автора здійснено дослідно-промислове виготовлення і проведення випробувань безвипалювальних сифонних вогнетривів та узагальнення результатів промислового експерименту.

Мета і задачі досліджень. Науково-практичне обгрунтування складу вогнетривкої шихти і фосфатної зв’язки, основних технологічних параметрів виробництва безвипалювальних вогнетривів для сифонного розливання сталі.

Для досягнення поставленої мети вирішувались слідуючи задачі:

-

яке забезпечує необхідну механічну міцність свіжосформованих і термооброблених зразків;

- встановлення залежності між тиском пресування, вологістю маси і показниками властивостей зразків;

- встановлення взаємозв’язку показників властивостей зразків і фазового складу продуктів взаємодії шамотно-глинистої маси з фосфатною зв’язкою при низькотемпературній термообробці, а також в залежності від умов і терміну зберігання;

- проведення досліджень впливу високотемпературного раптового нагріву безвипалювальних зразків на показники їх властивостей і структурно-фазові перетворення та прогнозування поведінки безвипалювальних виробів в умовах експлуатації;

- виявлення впливу технологічних параметрів на виділення фосфорвміщуючих сполук в процесі низькотемпературної термообробки шамотно-глинистих зразків на фосфатній зв’язці;

- визначення області оптимальних складів вогнетривкої маси, вибір основних технологічних параметрів виробництва безвипалювального сифонного припасу і типу теплового агрегату для низькотемпературної термообробки виробів;

- проведення дослідно-промислового виготовлення і випробування в службі безвипалювальних виробів для сифонного розливання сталі;

- вивчення взаємозв’язку експлуатаційних властивостей безвипалювальних вогнетривів з структурним перетворенням виробів під впливом умов служби.

Об’єкт дослідження – енергозбереження при виробництві алюмосилікатних вогнетривів сифонного припасу.

Предмет дослідження – вплив складу шамотно-глинистої маси і фосфатної зв’язки, технологічних параметрів виробництва на показники властивостей безвипалювальних вогнетривів для сифонного розливання сталі.

Методи дослідження – Дослідження фазового і хімічного складу, структури безвипалювальних зразків і виробів проводили з використанням диференційно-термічного, рентгенофазового, хімічного, петрографічного, рентгеноспектрального електроннозондового аналізів та методу інфрачервоної спектроскопії; фізико-керамічні властивості зразків визначали згідно з вимогами ГОСТів. Оптимізація складу вогнетривкої маси і технологічних параметрів виробництва проводилась за допомогою методу математичного планування експерименту.

Наукова новизна:

- вперше розроблені і науково обгрунтовані шляхи спрямованого регулювання адгезійних та змочуючих властивостей фосфатної зв’язки на основі ортофосфорної кислоти, які визначають механічну міцність свіжосформованих і термооброблених виробів;

- отримали подальший розвиток уявлення про фазові перетворення в шамотно-глинистих масах на фосфатній зв’язці у процесі термічного нагріву. Встановлено низькотемпературне утворення метафосфату алюмінію і виявлено взаємозв’язок якісних показників властивостей безвипалювальних шамотних виробів від фазового складу продуктів взаємодії вогнетривкої маси з фосфатною зв’язкою;

- вперше встановлено низькотемпературне виділення фосфорвміщуючих сполук при термообробці шамотних мас на фосфатній зв’язці та виявлено залежність його інтенсивності від технологічних параметрів виробництва безвипалювальних вогнетривів;

- визначені і науково обгрунтовані закономірності формування термостійкої і металостійкої структури безвипалювальних виробів в процесі сифонного розливання сталі, які обумовлюють високу термічну стійкість вогнетривів.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі проведених наукових досліджень вперше розроблена енергозберігаюча технологія виробництва безвипалювальних вогнетривів для сифонного розливання сталі; речовинний склад маси і фосфатної зв’язки для виготовлення безвипалювальних сифонних виробів захищені патентом України № 27578 від 15.09.2000 р.

Розроблено і затверджено технологічне завдання на процес виробництва шамотних безвипалювальних сифонних трубок, воронок і зірочок для сифонного розливання сталі (ТЛЗ 2.8-11-77-87).

Технологія виробництва безвипалювального сифонного припасу пройшла випробування в умовах промислового виробництва Запорізького вогнетривкого заводу (м. Запоріжжя). Дослідно-промислові партії безвипалювальних виробів в кількості 96 т випробувані з позитивним результатом в умовах розливання сталі сортаменту металургійного заводу “Дніпроспецсталь” і металургійного комбінату “Запоріжсталь” (м. Запоріжжя).

Очікуваний економічний ефект складає 136718,11 крб. (при виготовленні безвипалювальних сифонних трубок за станом цін 1990 р.).

Особиста участь здобувача. Автором визначені напрямки досліджень, проведені експерименти, оброблені та інтерпретовані отримані результати; розроблені і науково обгрунтовані оптимальні технологічні параметри виробництва безвипалювальних виробів для сифонного розливання сталі. За результатами роботи автором сформульовані висновки.

Внесок співавторів спільних публікацій полягав у загальному науковому керівництві, обговоренні результатів досліджень та організації дослідно-промислового виготовлення і випробувань в службі безвипалювального сифонного припасу.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації докладені і обговорені на Всесоюзній науково-технічній нараді “Підвищення якості і удосконалення структури виробництва вогнетривів” (м. Запоріжжя, 1986 р.), Міжнародній конференції “Екологія і Теплотехніка-1996” (м. Дніпропетровськ, 1996 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції “Технологія та застосування вогнетривів і технічної кераміки в промисловості” (м. Харків, 2001 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 13 друкованих робіт: 8 статей, 1 патент України, 4 тези доповідей.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 8 розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Дисертацію викладено на 208 сторінках. Робота містить 49 ілюстрацій, 23 таблиці, список використаних джерел із 209 найменувань та 5 додатків. Обсяг, займаний означеними елементами дисертації, складає 87 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі наведено властивості виробів для сифонного розливання сталі, виконано аналіз особливостей умов служби сифонного припасу і показано, що незадовільні експлуатаційні властивості алюмосилікатних вогнетривів обумовлені їх низькою термостійкістю. Висвітлені відомі шляхи підвищення термостійкості алюмосилікатних виробів, оцінені їх переваги і недоліки, та доведено доцільність виготовлення шамотних вогнетривів для сифонного розливання сталі за безвипалювальним способом.

Особливу увагу приділено хімічним зв’язкам, які вживають для виготовлення безвипалювальних алюмосилікатних виробів, і визначено перспективність використання фосфатних зв’язок, що забезпечують вогнетривам високу механічну міцність, термостійкість, опірність впливу розплавленого металу. Наведено склади і властивості фосфатних зв’язок та вогнетривів, оцінено переваги використання ортофосфорної кислоти для виготовлення безвипалювальних виробів.

Докладно розглянуто фазові перетворення в системах SiO2 – P2O5, Al2O3 – P2O5, Al2O3 – P2O5 – H2O, SiO2 – P2O5 – Al2O3, фізико-хімічні процеси взаємодії ортофосфорної кислоти з шамотом і глинистими матеріалами, і показано вплив кількісного співвідношення інгредієнтів дослідних композицій та умов термічного нагріву на їх фазовий склад. Недостатня вивченість реологічних властивостей фосфатних зв’язок, неоднозначність даних про використання термічної і екстракційної ортофосфорної кислоти та результатів визначення фазового складу алюмосилікатних композицій, що вміщують кислоту, а також обмежена інформація впливу технологічних параметрів виготовлення вогнетривів на рівень їх якості визначили необхідність проведення досліджень у цій області.

У другому розділі обгрунтовано вибір напрямку досліджень, наведено характеристики сировинних матеріалів, які були використані в роботі, описані методи досліджень. При проведенні досліджень застосовані стандартні методи визначення показників властивостей вогнетривів і спеціально розроблена методика визначення водостійкості безвипалювальних шамотних зразків, а також інфрачервона спектроскопія, хімічний, петрографічний, рентгенофазовий, рентгеноспектральний електроннозондовий, диференційно-термічний методи аналізу та інші. Для оцінки адгезійних і змочуючих властивостей фосфатних зв’язок визначали поверхневий натяг та крайовий кут змочування за існуючими методиками. Математична обробка результатів експериментів, обчислення похибок отриманих даних проводились з використанням ЕОМ.

У третьому розділі досліджено вплив технологічних факторів на показники властивостей безвипалювальних шамотних зразків. Вивчено вплив кількості і виду ортофосфорної кислоти (термічної і екстракційної) на змінювання границі міцності при стиску і водостійкості шамотних зразків після термообробки при 400 0С. Встановлено, що введення в шамотно-глинисту масу ортофосфорної кислоти в кількості 3,0 – 5,0 % забезпечує зразкам механічну міцність і водостійкість в межах 31,7 – 55,4 МПа і 10,6 – 18,0 МПа відповідно. Виявлено, що використання екстракційної ортофосфорної кислоти не призводить до суттєвого погіршення показників властивостей безвипалювальних зразків, а враховуючи її більш низьку вартість, у порівнянні з термічною ортофосфорною кислотою, доцільно її використання для виготовлення безвипалювальних виробів.

Досліджено вплив показників властивостей фосфатних зв’язок, які являють собою суміш екстракційної ортофосфорної кислоти і водно-глинистого шлікеру, або сульфітно-глинистого шлікеру, у різних співвідношеннях, на механічну міцність сирцю і термооброблених шамотних зразків. Для характеристики якісних властивостей фосфатних зв’язок дослідних складів були використані такі їх характеристики, як щільність, відносна в’язкість, робота адгезії і змочування. Виявлено, що коливання концентрації ортофосфорної кислоти у складі фосфатного зв’язуючого в межах 26,6 – 54,7 % супроводжується підвищенням щільності зв’язки від 1,34 г/см3 до 1,52 г/см3, що приводить до погіршення її адгезійних і змочуючих властивостей, які в свою чергу спричиняють зниження механічної міцності свіжосформованих зразків (рис. 1).

Границя міцності при стиску зразків після термообробки при 400 0С знижується, якщо концентрація ортофосфорної кислоти в зв’язуючому становить більше або менше 41,6 %. Дослідження показали, що введення в склад фосфатної зв’язки лігносульфонатів технічних позитивно впливає на механічну міцність свіжосформованих і термооброблених зразків. Визначено оптимальний склад фосфатної зв’язки, що містить екстракційну ортофосфорну кислоту і сульфітно-глинистий шлікер. Це зв’язуюче отримало назву “комплексна зв’язка”.

Дослідження впливу температури і тривалості нагріву комплексної зв’язки на змінювання її адгезійних і змочуючих властивостей внаслідок фізико-хімічних процесів взаємодії глинистого компоненту з ортофосфорною кислотою з утворенням алюмофосфорної кислоти надало можливість здійснити спрямоване регулювання показників властивостей комплексної зв’язки і дозволило оптимізувати параметри її приготування, які забезпечують отримання сирцю з механічною міцністю понад 2,6 МПа і термооброблених зразків з міцністю 39,21 – 40,00 МПа.

Визначено, що значний вплив на якість пресування і показники властивостей свіжосформованих і термооброблених зразків має тиск пресування і вологість маси. Показано, що вологість шамотно-глинистої маси більше 7 % приводить до погіршення показників властивостей термооброблених зразків. Встановлені залежності взаємного впливу вологості і тиску пресування шамотно-глинистих мас на комплексній зв’язці дозволили визначити оптимальне співвідношення параметрів пресування, що забезпечують необхідне поєднання ступеню ущільнення маси і показників властивостей сирцю та термооброблених зразків.

Рис. 1. Вплив адгезії і змочування фосфатних зв’язок на границю міцності

при стиску сирцю: 1 – Н3РО4 + водно-глинистий шлікер;

2 – Н3РО4 + сульфітно-глинистий шлікер.

Вивчені термоміцностні властивості безвипалювальних зразків і встановлено вплив тиску пресування в межах 20 – 60 МПа на змінювання термостійкості безвипалювальних зразків на комплексній зв’язці і зразків, що виготовлені за випалювальним способом. Встановлено, що використання комплексної зв’язки у складі шамотно-глинистої маси і низькотемпературна термообробка забезпечують високу термостійкість безвипалювальних зразків, яка в 5,1 – 8,9 разів вище ніж термостійкість випалених зразків. Отримані результати дозволили визначити тиск пресування безвипалювальних зразків – 40 МПа, як оптимальний.

Досліджено фізико-хімічні процеси, які протікають в шамотно-глинистій масі на комплексній зв’язці при термічному нагріві до 600 0С, та визначено фазовий склад безвипалювальних зразків. Встановлено, що взаємодія у дослідній системі починається при температурі 27 0С і протікає повільно з утворенням кислих алюмофосфатів. При температурі термообробки 100 0С у фазовому складі маси безвипалювальних зразків встановлене утворення одно- і двозаміщених фосфатів алюмінію та метафосфату алюмінію. З підвищенням температури до 200 0С кількість кислих фосфатів алюмінію зменшується з одночасним збільшенням кількості метафосфату алюмінію і утворенням ортофосфату алюмінію у формі берлініту. При термообробці зразків в інтервалі температур 500 – 600 0С алюмофосфати представлені метафосфатом алюмінію і ортофосфатом алюмінію (берлініт). Проведені дослідження дозволили встановити температурні області існування продуктів взаємодії шамотно-глинистої маси з комплексною зв’язкою і визначити інтервал оптимальних температур термообробки (400 – 550 0С), який забезпечує високий рівень механічної міцності і водостійкості безвипалювальних зразків (рис. 2), що обумовлюються мінералогічним складом зразків.

Рис. 2. Залежність границі міцності при стиску і водостійкості

безвипалювальних зразків від температури термообробки:

1 – границя міцності при стиску; 2 – водостійкість.

Виявлено залежність механічної міцності і водостійкості безвипалювальних зразків від тривалості витримки при термообробці і визначено, що термообробка в межах 2 – 4 год. забезпечує максимальні значення механічної міцності і водостійкості зразків.

Досліджено вплив швидкості охолодження безвипалювальних зразків у процесі термообробки і встановлено, що раптовий режим охолодження зразків не призводить до значного погіршення їх механічної міцності і водостійкості, значення яких знижується не більш ніж на 3,87 МПа і 0,46 МПа відповідно у порівнянні з властивостями зразків при повільному режимі охолодження.

Досліджено вплив параметрів термообробки на зміну механічної міцності і водостійкості безвипалювальних зразків у процесі тривалого зберігання у вологому середовищі. Встановлено, що значний вплив на ступінь знеміцнювання безвипалювальних зразків справляє температура термообробки, яка обумовлює наявність у фазовому складі матеріалу зразків неводостійких сполучень. Після 30 діб зберігання у вологому середовищі відносне зниження механічної міцності зразків, які термооброблені при 400 0С, 450 0С, 500 0С і 550 0С складає 52,15 %, 47,30 %, 14,28 % і 13,1 % відповідно. Зниження водостійкості при означених температурах складає – 59,84 %, 38,46 %, 19,53 % і 12,5 %. Результати досліджень дозволили встановити термін зберігання безвипалювальних виробів, який забезпечує збереження високого рівню показників їх механічної міцності і водостійкості.

Досліджено вплив вмісту глинистого компоненту у складі шамотно-глинистої маси на комплексній зв’язці, тиску пресування, температури термообробки і виявлено, що збільшення частки глинистого компоненту від 35 % до 50 % призводить до незначного зменшення уявної щільності, підвищення від-критої пористості на 1,62 – 1,85 % і зниження водостійкості на 5,0 – 6,1 МПа термооброблених зразків. Встановлено взаємозв’язок між зміною механічної міцності зразків і вмістом глинистого компоненту у масі в залежності від температури термообробки, що є результатом фізико-хімічних процесів при термічному нагріві.

Результати проведених досліджень дозволили встановити основні залежності між технологічними параметрами виробництва і показниками властивостей безвипалювальних зразків з метою їх подальшої оптимізації для одержання безвипалювальних виробів з необхідним рівнем якісних характеристик.

У четвертому розділі наведено результати досліджень впливу високо-температурного нагріву, що моделює умови служби сифонних виробів, на показники властивостей безвипалювальних зразків.

Досліджено особливості фізико-хімічних процесів, що протікають в масі безвипалювальних зразків, в умовах раптового нагріву протягом 10 хв. в інтервалі температур 800 – 1400 0С і констатовано їх безпосередній вплив на процеси мінерало-, структуроутворення та формування термомеханічних характеристик зразків. Це дозволило змоделювати динаміку змінювання властивостей зон по товщині виробу в процесі служби і надало можливість спрогнозувати позитивну поведінку безвипалювального виробу в цілому при розливанні сталі.

П’ятий розділ присвячено дослідженням газоподібних продуктів термообробки шамотних зразків на комплексній зв’язці щодо наявності в них фосфорвміщуючих сполук та їх кількісній оцінці.

В результаті досліджень констатована наявність фосфорвміщуючих сполук в газоподібних продуктах при низькотемпературній термообробці шамотно-глинистих мас на комплексній зв’язці в інтервалі температур 100 – 600 0С та визначено вплив технологічних параметрів (вологості маси, кількості комплексної зв’язки, температури термообробки) на інтенсивність і кількість їх виділення. Виявлені граничні значення цих параметрів, які забезпечують мінімальну кількість фосфорвміщуючих сполук (в перерахунку на фосфорний ангідрид), що виділяються при термообробці, а саме: вологість шамотно-глинистої маси не повинна перевищувати 7 %, максимальна температура термообробки – не вище 500 0С.

На підставі отриманих результатів виконано розрахунки валових викидів фосфорного ангідриду при виробництві безвипалювального сифонного припасу в умовах Запорізького вогнетривкого заводу, визначено максимальну його концентрацію у приземному шарі і кількість шкідливих викидів в атмосферу, та оцінено економічні збитки від використання комплексної зв’язки і безвипалювальної технології.

Шостий розділ присвячений оптимізації речовинного складу шихти і технологічних параметрів виробництва безвипалювальних вогнетривів сифонного припасу, розробці технологічної схеми приготування комплексної зв’язки та вибору теплового агрегату для низькотемпературної термообробки виробів.

З використанням методу математичного планування експерименту були отримані рівняння регресії, які дозволили встановити ступінь впливу різних технологічних факторів та їх взаємний вплив на показники властивостей безвипалювальних зразків.

На підставі аналізу графічної інтерпретації отриманих рівнянь регресії було визначено оптимальний склад шихти для виготовлення безвипалювальних вогнетривів: шамот 55 – 65 %, суміш глини і каоліну 35 – 45 %, комплексна зв’язка 6 – 9 (понад 100 %) та здійснено вибір параметрів термообробки, які відповідають максимальній температурі – 500 0С, тривалості витримки – 3 год.

Розроблено апаратурно-технологічну схему приготування комплексної зв’язки і запропоновано для низькотемпературної термообробки безвипалювальних виробів використання реконструйованої тунельної печі або печі конвейєрного типу, які дозволяють знизити тривалість технологічного циклу сушіння і термообробки виробів (у порівнянні з тривалістю випалу) в 1,5 і 4 рази відповідно, повністю механізувати і автоматизувати процеси садки і вивантаження виробів.

У сьомому розділі наведено відомості про перевірку отриманих результатів експериментальних досліджень в умовах промислового виробництва.

Дослідно-промислова партія безвипалювальних сифонних виробів у кількості 96 т була виготовлена в умовах Запорізького вогнетривкого заводу із застосуванням шихт різних складів (табл. 1).

Таблиця 1

Склад шихт, %

Матеріал | Номер шихти

1 | 2 | 3 | 4

Шамот ШКГП | 65 | 60 – 63 | 62 – 64 | 55 – 58

Суміш глини ДН-2 і каоліну ПЛК-0

(у співвідношенні 1:1) | 35 | 33 – 40 | 36 – 38 | 42 – 45

Комплексна зв’язка (понад 100 %) | 7,0–8,0 | 6,0–7,0 | 7,0–8,0 | 6,5–7,5

Високі адгезійні та змочуючі властивості комплексної зв’язки і додержання технологічних параметрів розробленої технології виробництва безвипалювальних виробів забезпечили необхідну уявну щільність і механічну міцність сирцю потрібну для знімання виробів з пресу і транспортування на подальші технологічні переділи. Міцність виробів після термообробки відповідала умовам їх транспортування до споживача.

Встановлено, що відмітною властивістю безвипалювального сифонного припасу у порівнянні з виробами, виготовленими за діючою на підприємстві випалювальною технологією, є висока термічна стійкість (табл. 2).

Таблиця 2

Фізико-керамічні показники властивостей сифонних виробів

Вид виробу | Номер шихти | Показники властивостей

Масова

частка Al2O3,

% | Вогне-трив-кість, 0С | Відкрита

пористість,

% | Додаткове лінійне

зсідання,

% | Термостійкість (800 0С – повітря), теплозмін

Воронка | 1 | 37,2-39,0

37,0-38,8 | 1760

1760 | 19,7

20,5 | 2,0

0,3 | -

Зірочка | 1 | 38,0-38,7

37,1-38,0 | 1760

1760 | 16,5

18,7 | 1,5

0,2 | -

Центрова трубка | 1 | 37,9-38,6

37,0-37,8 | 1760

1760 | 18,2

21,3 | 1,9

0,3 | Понад 15

2

Сифонна трубка | 1 | 37,2-37,9

38,0-38,8 | 1760

1760 | 17,3–22,4

22,4–24,0 | 1,7

0,2 | Понад 15

2

Сифонна трубка | 2 | 35,3–38,6

35,8-38,0 | 1730

1730 | 18,0–22,3

19,4–23,5 | 1,7

0,3 | Понад 15

1

Сифонна трубка | 3 | 38,2–38,6

38,2–38,4 | 1750

1750 | 22,2–24,0

23,0–24,0 | 1,9

0,3 | Понад 15

2

Центрова трубка | 4 | 37,4–37,5

37,0-38,2 | 1750

1750 | 20,7–22,8

21,0-23,2 | 2,1–2,3

0,3 | Понад 15

1

Примітка. Чисельник – безвипалювальні вироби, знаменник – випалені вироби.

За показниками властивостей безвипалювальні вироби задовольняли вимогам, які ставляться до якості сифонних виробів, окрім додаткового лінійного зсідання, значення якого перевищує допустиме.

Випробування дослідно-промислових виробів у службі було проведено в умовах сифонного розливання сталей різного сортаменту металургійних підприємств “Запоріжсталь” та “Дніпроспецсталь”. Через сифонну проводку, викладену безвипалювальними виробами розлито 23899,88 т сталей різних марок з температурою розливання 1520 – 1630 0С. Точність геометричних розмірів, відсутність впливу додаткового лінійного зсідання безвипалювальних вогнетривів, їх висока термічна стійкість обумовили відсутність проривів сифонної проводки і втрат сталі, та низький ступінь розмивання каналу безвипалювальної сифонної проводки розплавом металу.

Досліджено макро- и мікроструктуру сталі, а також якість сталі за вмістом неметалічних вкраплень і встановлено, що розливання сталей через безвипалювальні сифонні вироби не призводить до погіршення якісних характеристик металу.

У процесі розливання сталі було визначено розподілення температурного поля по товщині безвипалювальних і випалювальних сифонних трубок. Про-ведене порівняння отриманих результатів виявило різницю у швидкості нагріву вогнетривів і величинах температурних градієнтів по перерізу виробів. Виявлено, що безвипалювальні вогнетриви за час розливання сталі прогріваються на незначну глибину і це впливає на особливості структурно-фазових змін в матеріалі виробів.

Дослідженнями мікроструктурної неоднорідності (зональності) матеріалу виробів встановлено механізм структурно-фазових змін в досліджуваних вогнетривах, які зумовлюють формування ефективної структури, що в свою чергу забезпечує високу термічну стійкість, металостійкість, низьке розмивання струменем металу безвипалювальних виробів.

Вивчено фізико-технічні властивості зон виробів і виявлено динаміку їх змінювання, яка зумовлює стійкість вогнетривів в конкретних умовах служби. Встановлено переваги структури безвипалювальних виробів, що формується у процесі служби, в порівнянні зі структурою випалювальних вогнетривів масового виробництва, які підтверджуються високими експлуатаційними властивостями дослідно-промислових виробів при розливанні сталей широкого сортаменту.

У восьмому розділі наведено дані, що доводять економічні переваги розробленої енергозберігаючої технології виробництва вогнетривів для сифонного розливання сталі.

ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі розроблено новий підхід до вирішення проблеми економії паливно-енергетичних ресурсів при виробництві масових видів вогнетривів, до яких належать алюмосилікатні вироби сифонного припасу, у взаємозв’язку з поліпшенням їх експлуатаційних характеристик шляхом розробки складів вогнетривкої маси і фосфатної зв’язки, технологічних параметрів виробництва безвипалювальних вогнетривів, якісні показники яких задовольняють умовам служби, що обумовлює можливість їх використання для сифонного розливання сталі.

2. Дослідженнями властивостей фосфатних зв’язок на основі екстракційної ортофосфорної кислоти встановлено вплив їх адгезійних та змочуючих властивостей на механічну міцність свіжосформованих і термооброблених зразків, що дозволило оптимізувати склад зв’язки та розробити технологічні способи регулювання адгезійних і змочуючих здібностей зв’язуючого, які визначають високі міцностні властивості сирцю та термооброблених виробів. Запропоновані технологічні параметри приготування комплексної зв’язки, складовими якої є екстракційна ортофосфорна кислота і сульфітно-глинистий шлікер.

3. Встановлено взаємний вплив параметрів пресування (вологості маси і тиску пресування) на показники властивостей свіжосформованих і термооброблених зразків та здійснено вибір їх оптимального співвідношення, яке забезпечує високу механічну міцність і термостійкість безвипалювальних виробів.

4. Дослідженнями фізико-хімічних процесів, що протікають в шамотно-глинистій масі на комплексній зв’язці при термообробці безвипалювальних зразків, встановлено низькотемпературне утворення метафосфату алюмінію і виявлено вплив мінералогічного складу безвипалювальних зразків на їх механічну міцність і водостійкість, що дозволило визначити оптимальну область параметрів термообробки, які забезпечують високі міцностні властивості безвипалювальних виробів і їх стійкість до знеміцнювання в умовах тривалого зберігання.

5. Встановлено низькотемпературне виділення фосфорвміщуючих сполук у процесі термообробки шамотно-глинистих мас на комплексній зв’язці в інтервалі температур 100 – 600 0С і виявлено вплив кількості зв’язки, вологості маси і температури термообробки на кількість фосфорвміщуючих сполук, що виділяються. Це дозволило провести розрахунки максимальних концентрацій фосфорного ангідриду у приземному шарі при викиді газоповітряної суміші за несприятливих умов, рівень яких більш ніж у 25 разів нижче гранично припустимих.

6. З використанням методу математичного планування експерименту встановлено взаємний вплив технологічних факторів на показники властивостей безвипалювальних зразків і визначено оптимальний склад вогнетривкої маси та технологічні параметри виробництва термостійких виробів для сифонного розливання сталі за безвипалювальним способом. Впровадження розробленої енергозберігаючої технології забезпечить високий рівень механізації і автоматизації трудомістких виробничих процесів, зниження витрат природного газу при термообробці в тунельній печі на 60 %, економію сировинних матеріалів на 10 – 15 %, зниження браку виробів при їх виготовленні на 8,7 % і зменшення кількості шкідливих викидів в атмосферу в 3,6 рази.

7. Дослідженнями структурно-фазових змін безвипалювальних вогнетривів у процесі служби встановлено, що прогрів виробу на незначну глибину і спікання робочого шару забезпечують формування у ньому рівномірної стільниковидно-ніздрюватої структури з порами закритого типу при збереженні неспеченої маси периферійних шарів, які релаксують термічні напруження, що обумовлює високу металостійкість, термостійкість і практичну відсутність додаткового лінійного зсідання безвипалювального сифонного припасу. Промисловими випробуваннями безвипалювальних сифонних виробів підтверджено, що їх властивості у поєднанні з специфічними особливостями формування структури в процесі служби забезпечують високу термостійкість, низьке розмивання рідким металом і не призводять до погіршення якісних показників металу. Це доводить їх переваги у порівнянні з випалювальними виробами і визначає можливість використання безвипалювального сифонного припасу для розливання сталі широкого сортаменту.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Пилипчатин Л.Д., Песчанская В.В., Чернавский Г.Г. Разработка технологии производства термостойких безобжиговых изделий для сифонной разливки стали // Тематич. отраслевой сб. УкрГНИИ огнеупоров “Разработка, производство и применение высококачественных огнеупоров”. – Харьков, 1994. - С. 164-172.

2. Пилипчатин Л.Д. Песчанская В.В. Разработка, изготовление и служба безобжиговых изделий для сифонной разливки стали // Сб. науч. тр. УкрНИИ огнеупоров “Научные и практические результаты в технологии и службе огнеупоров”. - Харьков: Каравелла, 1996. - С. 151-154.

3. Пилипчатин Л.Д., Коздоба В.И, Луценко А.С., Песчанская В.В., Хрещенюк В.А., Браверман Е.М. Производство безобжиговых сталеразливочных воронок с использованием кислотных отходов // Огнеупоры. – М.: Машиностроение, 1992. - №5. - С. 25-27.

4. Булат В.А., Сметанин Ю.Г., Степанова В.П., Зализняк И.П., Белокрыс Г.А., Песчанская В.В. Применение безобжиговых сифонных изделий при разливке стали // Сталь. - М.: Металлургия, 1992. - №9. - С. 39-40.

5. Пилипчатин Л.Д., Коздоба В.И., Луценко А.С., Песчанская В.В. Определение фосфорного ангидрида в газообразных продуктах термообработки глинисто-шамотных масс на ортофосфорной кислоте // Огнеупоры. - М.: Металлургия, 1993. - №1. - С. 17-20.

6. Пилипчатин Л.Д., Песчанская В.В., Троян В.Д., Белокрыс Г.А., Алейников Н.Г. Разработка ресурсосберегающей технологии производства безобжиговых изделий для сифонной разливки стали // Огнеупоры и техническая керамика. - М.: Металлургия, 1996.- №8. - С. 27-29.

7. Пилипчатин Л.Д., Песчанская В.В., Шаповалова Т.Ф., Зализняк И.П., Старшиков В.М. Безобжиговые огнеупоры для сифонной разливки стали // Огнеупоры и техническая керамика. - М.: Металлургия, 1996. - №9. - С. 34-36.

8. Пилипчатин Л.Д., Песчанская В.В. Особенности формирования структуры безобжиговых сифонных изделий в процессе службы // Огнеупоры и

техническая керамика. - М.: Металлургия, 1996. - №10. - С. 35-38.

9. Патент 27578, Україна, МПК6 С 04 В 33/22, 12/02, 28/34. Шихта для виготовлення сталерозливного вогнетрива / Пилипчатін Л.Д., Пісчанська В.В. (Україна). - №96031001; Заявлено 15.03.96; Опубл. 15.09.2000; Бюл. №4; С. 3.1.177.

10. Пилипчатин Л.Д., Луценко А.С., Осинняя Л.В., Песчанская В.В. Совершенствование структуры производства огнеупоров для сифонной разливки стали // Тезисы докл. Всесоюз. науч.-техн. совещ. “Повышение качества и совершенствование структуры производства огнеупоров”. – М: ЦНИИ ТЭИ ЧМ, 1986. - С. 18-19.

11. Пилипчатин Л.Д. Песчанская В.В. Экологические аспекты энергосберегающей технологии производства огнеупоров по безобжиговому способу // Труды Междунар. конф. “Экология и Теплотехника - 1996”. - Днепропетровск: ГметАУ, 1996. - С. 160.

12. Пилипчатин Л.Д. Песчанская В.В. Энергосберегающая технология производства огнеупоров для сифонной разливки стали // Труды Междунар. конф. “Экология и Теплотехника - 1996”. - Днепропетровск: ГметАУ, 1996. - С. 225.

13. Пилипчатин Л.Д. Песчанская В.В. Особенности формирования структуры огнеупоров в процессе разливки стали // Тезисы докл. Междунар. науч.-техн. конф. “Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности”. - Харьков: Каравелла, 2001. - С. 14-15.

А Н О Т А Ц І Ї

Пісчанська В.В. Розробка енергозберігаючої технології виробництва вогнетривів для сифонного розливання сталі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.11 – технологія тугоплавких неметалічних матеріалів. – Український державний хіміко-технологічний університет, Дніпропетровськ, 2001.

Для вирішення проблеми економії паливно-енергетичних ресурсів при виробництві алюмосилікатних вогнетривів розроблено технологію отримання шамотного сифонного припасу за безвипалювальним способом.

Розроблено склади фосфатної зв’язки і вогнетривкої маси та оптимальні технологічні параметри виробництва безвипалювальних вогнетривів для сифонного розливання сталі.

Розроблена енергозберігаюча технологія пройшла випробування в умовах промислового виробництва. Дослідно-промислова партія безвипалювальних вогнетривів з позитивним результатом використана при сифонному розливанні сталей широкого сортаменту. Встановлено формування ефективної структури виробів в процесі служби, що забезпечує їх високу термічну стійкість, низьке розмивання струменем металу у порівнянні з випалювальними виробами.

Ключові слова: фосфатна зв’язка, сифонне розливання, безвипалювальний вогнетрив, термостійка структура, енергозберігаюча технологія.

Песчанская В.В. Разработка энергосберегающей технологии производства огнеупоров для сифонной разливки стали. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.11 – технология тугоплавких неметаллических материалов. Украинский государственный химико-технологический университет, Днепропетровск, 2001.

Диссертация посвящена разработке технологии производства безобжиговых шамотных огнеупоров для сифонной разливки стали.

Исследовано влияние количества и вида ортофосфорной кислоты (термической и экстракционной) на показатели свойств термообработанных шамотных образцов и установлено, что введение в шамотно-глинистую массу экстракционной ортофосфорной кислоты не приводит к существенному ухудшению механической прочности и водостойкости образцов, и ее целесообразно использовать в качестве фосфатной связки.

Изучены свойства фосфатных связок, представляющих собой смесь экстракционной ортофосфорной кислоты и шликера (водно-глинистого или сульфитно-глинистого) в различных соотношениях, и установлено существенное влияние адгезионных и смачивающих свойств фосфатных связок на изменение показателей механической прочности свежесформованных и термообработанных образцов. Установлен оптимальный состав фосфатной связки, содержащей экстракционную ортофосфорную кислоту и сульфитно-глинистый шликер, и такое связующее названо “комплексной связкой”.

Исследовано влияние температуры и длительности нагрева комплексной связки на изменение её адгезионных и смачивающих свойств, которые непосредственно определяют механическую прочность сырца и термообработанных образцов. Установлена возможность направленного регулирования свойств комплексной связки и оптимизированы технологические параметры её приготовления.

Исследовано взаимное влияние влажности массы и давления прессования шамотно-глинистых масс на комплексной связке на показатели свойств сырца и термообработанных образцов. Определено оптимальное соотношение параметров прессования, обеспечивающих необходимое сочетание степени уплотнения массы, показателей свойств сырца и термообработанных образцов.

Исследованы физико-химические процессы взаимодействия комплексной связки с компонентами шамотно-глинистой массы в процессе термического нагрева до 600 0С. Установлено низкотемпературное образование метафосфата алюминия, определены температурные области существования продуктов взаимодействия комплексной связки с компонентами шамотно-глинистой массы, и выявлено влияние структурно-фазовых изменений в материале образцов на их прочностные свойства. Определены области оптимальных температур термообработки и длительность выдержки, обеспечивающие высокие значения механической прочности и водостойкости безобжиговых образцов, а так же выявлено влияние параметров термообработки на степень разупрочнения образцов в процессе длительного хранения во влажной среде.

Изучено влияние температуры термообработки на изменение механической прочности и водостойкости безобжиговых образцов в процессе длительного хранения во влажной среде, и установлено, что существенное влияние на степень разупрочнения безобжиговых образцов оказывает температура термообработки, определяющая фазовый состав безобжиговых образцов.

Изучены особенности физико-химических процессов, протекающих в массе безобжиговых образцов в условиях резкого высокотемпературного нагрева и установлено их влияние на процессы минерало-, структурообразования и формирование термомеханических свойств образцов, что позволило спрогнозировать поведение безобжиговых изделий в службе.

Установлено наличие в газообразных продуктах низкотемпературной термообработки шамотно-глинистых масс на комплексной связке фосфорсодержащих соединений, и определено влияние технологических параметров на интенсивность и количество выделяющихся фосфорсодержащих соединений.

На основании проведенных исследований с использованием метода математического планирования эксперимента оптимизированы вещественный состав шихты и технологические параметры производства безобжиговых огнеупоров для сифонной разливки стали. Разработана технологическая схема приготовления комплексной связки и предложено использование для низкотемпературной термообработки реконструированной туннельной печи или печи конвейерного типа, позволяющих автоматизировать и механизировать трудоемкие процессы садки и выгрузки изделий, значительно снизить технологический цикл термообработки.

Испытания опытно-промышленных безобжиговых изделий сифонного припаса показали их высокие эксплуатационные свойства, удовлетворяющие требованиям условий службы. Исследованиями структурно-фазовых изменений безобжиговых огнеупоров в процессе службы установлены особенности и механизм формирования эффективной структуры изделий, обусловливающей их высокую термостойкость, низкую размываемость расплавом металла.

Разработанная технология производства изделий сифонного припаса, позволяет значительно снизить расход топливно-энергетических ресурсов при изготовлении, и обеспечивает высокие качественные и эксплуатационные свойства безобжиговых изделий для сифонной разливки стали.

Ключевые слова: фосфатная связка, сифонная разливка, безобжиговый огнеупор, термостойкая структура, энергосберегающая технология

Peschanskaya V.V. Development power-saving technology of production of refractories for bottom pouring of steel. Manuscript.

Thesis for a Candidate of technical degree by speciality 05.17.11 – Technology of refractory non-metallic materials. Ukrainian State chemical-technology University, Dnepropetrovsk, 2001.

In order to solve the problem of saving the fuel-power resources during the manufacturing of alumino-silicate refractories the technology of chamotte articles for bottom pouring by nonfired method was developed.

Compositions of phosphate bond and refractory mass, optimal technological parameters of nonfired refractory production for bottom pouring steel were worked out.

Obtained power-saving technology was tested in industry. Testing-industrial batch of nonfired refractories was successfully tested during bottom pouring of wide brands of steel. It was proved that effective structure of products during work was formed. This structure gives their high thermal resistance, low washing out by metal stream in comparison with fireclay articles.

Key word: phosphate bond; bottom pouring; nonfired refractory; thermal resistant structure; power-saving technology.