Технические науки/1. Металлургия
К.т.н. Квон Св.С., магистрант Садвакасова Г.М., к.т.н. Филиппова Т.С.
Карагандинский государственный технический университет, Казахстан
Исследование свойств литьевого камня
с добавками
доменнного шлака
В последнее
время появились исследования, посвященные проблемам использования доменного
шлака в технологии производства литьевого камня. В силу того, что доменные
шлаки являются отходами, производство
литьевого камня с добавлением доменного шлака гораздо дешевле по сравнению с
обычной. Одновременно решается проблема утилизации отходов, т.к. доменные шлаки
представляют собой значительную экологическую угрозу - на 1 тонну чугуна приходится примерно 0,6 тонны шлака. Однако
многие вопросы использования доменного шлака при производстве литьевого камня
остаются неясными, поэтому данное исследование представляется весьма актуальным.
Для использования доменного шлака в производстве литьевого камня нужна
его специальная подготовка. Расплавленные доменные шлаки, быстро охлаждают водой
или водо-воздушной смесью под давлением на специальных установках для
грануляции. При этом образуется шлаковые гранулы со стеклообразной аморфной
структурой, так как быстрое охлаждение препятствует процессу кристаллизации.
Далее шлаковые гранулы поступают на мельницы, в которых измельчаются до
размеров 0,04 – 0,08 мм.
Присутствие доменного шлака в структуре способствует формированию пористого
каркаса, который оказывает решающее влияние на многие эксплуатационные свойства
изделия. Такие характеристики, как водопроницаемость, способность к пропитке,
теплопроводность определяются тепло - массообменными процессами, которые, в
свою очередь однозначно связаны с параметрами пористой структуры.
С этой целью исследовалась пористая структура литьевого камня, изготовленного
с добавлением шлака. Анализ пористой структуры проводился методом ртутной
порометрии.
В качестве
образцов использовались небольшие фрагменты литьевого камня, полученные в
лабораторных условиях с добавлением доменного шлака. В зависимости от коэффициента
качества и химического состава доменные шлаки подразделяются на три группы,
указанные в таблице 1.
Таблица
1 - Составы доменных шлаков
|
Наименование показателя |
Норма сорта |
||
|
1-ого |
2-ого |
3-ого |
|
|
Коэффициент
качества, не менее |
1,55 |
1,45 |
1,20 |
|
Содержание
окиси алюминия (Al2O3), %, не менее |
3,0 |
7,5 |
Не нормируется |
|
Содержание
окиси магния (MgO), %, не более |
15,0 |
15,0 |
15,0 |
|
Содержание
двуокиси титана (TiO2), %, не более |
4,0 |
4,0 |
4,0 |
|
Содержание
закиси марганца (MnO), %, не более |
2,0 |
3,0 |
4,0 |
В качестве добавки для изготовления литьевого
камня использовались доменные шлаки
1-ого типа, как наиболее распространенного в условиях Карагандинского региона.
Количество шлака в образцах варьировалось от 5 % до 15% по весу, при этом гранулометрический состав шлака не
менялся и имел постоянный состав: более 90% фракции с размером частиц 0,05мм.
Результаты исследований приведены в таблице 2.
Таблица
2 - Параметры пористой структуры образцов литьевого камня с разным содержанием
доменного шлака
|
Номер образца |
Содержание доменного шлака, % вес |
Объем пор размером |
Суммарная пористость в см3/г |
|||||
|
r=50-500 Å |
r=500-1000 Å |
r=1000-3000 Å |
||||||
|
см3/г |
% |
см3/г |
% |
см3/г |
% |
|||
|
1 |
0 |
0,002 |
3,3 |
0,046 |
75,3 |
0,013 |
21,4 |
0,061 |
|
2 |
5 |
0,0024 |
4,1 |
0,046 |
77,4 |
0,011 |
18,5 |
0, 059 |
|
3 |
10 |
0,003 |
5,5 |
0,044 |
80,0 |
0,0079 |
14,5 |
0,055 |
|
4 |
13 |
0,0036 |
7,0 |
0,043 |
83,3 |
0,005 |
9,7 |
0,052 |
|
5 |
15 |
0,0024 |
5,3 |
0,039 |
86,6 |
0,0037 |
8,1 |
0,046 |
Из данных таблицы видно, что увеличение доли доменного шлака в составе
литьевого камня достаточно своеобразно влияет на параметры пористой структуры.
Увеличение доли шлака вплоть до 15% способствует уменьшению доли пор радиусом r=1000-3000 Å, увеличивает
долю пор радиусом r=500-1000 Å, влияние на долю пор радиусом r=50-500Å
неоднозначно.
Из литературных
источников [1,2] известно, что на массообменные процессы оказывают влияние
поры, начиная радиусом от 1000 и более ангстрем. Снижение этой группы пор в
образцах означает, что они менее склонны к проявлению таких процессов, как
водопроницаемость, проникновение других жидкостей и связанная с этим
пятноустойчивость. С этой целью были проведены дополнительные исследования по
измерению этих показателей. Исследования проводились по известным методикам. В
качестве пятнообразователей использовались красное вино, уксус и кофе. Результаты
исследований приведены на рисунке 1.
Если провести измерение общей пористости методом взвешивания и методом
ртутной порометрии, то данные по пористости не совпадают. Логично предположить,
что разница в данных по пористости объясняется наличием закрытой пористости,
которая не регистрируются методом ртутной порометрии. Присутствие закрытых пор
в структуре является очень важным. Они имеют большое значение для повышения
теплоустойчивости, химической стойкости, плотности литьевого камня, влияют на
механические свойства.
Рисунок 1 – Влияние содержания доменного шлака на водопроницаемость и
пятноустойчивость
В таблице 3 приведены данные по закрытой пористости в исследуемых образцах
и ее влиянию на некоторые физические и механические свойства.
Таблица 3 - Влияние закрытой пористости на свойства литьевого камня
|
Номер образца |
Объем закрытой пористости, % |
Свойства
камня |
||
|
плотность, кг/ м3 |
Стойкость
к истиранию, (по потере веса, %) |
Разрушающее
напряжение при растяжении, МПа |
||
|
1 |
1, 6 |
2200 |
0, 25 |
45 |
|
2 |
1, 8 |
2150 |
0, 25 |
47 |
|
3 |
2, 0 |
2000 |
0, 2 |
45 |
|
4 |
2, 1 |
1850 |
0, 2 |
46 |
|
5 |
2, 1 |
1830 |
0,2 |
46 |
Одним из
показателей качества литьевого камня является его устойчивость к ударам. Тест на ударостойкость
проводился путем бросания металлического стержня радиусом 1,91 см весом 1,8 кг
на поверхность образца с различной высоты до появления отметины.
Таблица
4 - Ударостойкость образцов в
зависимости от содержания доменного шлака
|
Номер образца |
Высота
падения стержня, см |
|||
|
10 |
20 |
50 |
80 |
|
|
1 |
нет |
нет |
выемка
0,16 см диаметр |
выемка
0,48 см диаметр |
|
2 |
нет |
нет |
выемка
0,16 см диаметр |
выемка
0,48 см диаметр |
|
3 |
нет |
нет |
выемка
0,13 см диаметр |
выемка
0,46 см диаметр |
|
4 |
нет |
нет |
выемка
0,13 см диаметр |
выемка
0,46 см диаметр |
|
5 |
нет |
нет |
выемка
0,12 см диаметр |
выемка
0,46 см диаметр |
Рисунок 2 - Влияние содержания доменного шлака на свойства
литьевого камня
Как видно из приведенных данных, образец № 5 обладает наилучшими показателями
по водопроницаемости, пятноустойчивости и плотности, при этом его прочностные
характеристики практически не меняются.
Проведение исследований по дальнейшему увеличению доли шлака в составе
литьевого камня показали их бесперспективность, т.к. внешний вид поверхности
ухудшается вследствие плохого прокрашивания. Если учесть, что введение
доменного шлака в определенном количестве ухудшает массообменные процессы, то
негативное влияние увеличении доли шлака на процесс окрашивания является вполне
логичным. Следовательно, доля около 15% доменного шлака в составе литьевого
камня является оптимальной.
Литература:
1.
Хейфец
Л.И., Неймарк А.В. Многофазные процессы в пористых средах.-М.: Химия, 2005.-320с.
2. Квон Св.С., Буканов Ж.У.
Моделирование процесса химической реакции в системе пористое тело – газовый
агент. Республиканский журнал “Труды университета ”, КарГТУ, № 1, 2002. С.17-20.
3. Поташев К.А., Якимов
Н.Д., Бреус И.П. Транспортные системы в пористых средах Ж. Вопросы атомной
науки и техники, 2005 – 33. с 72 -79