XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование влияния состава на свойства динасового огнеупорного изделия

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Тишкова С.А. 1Батова М.Д. 1

---

1МБОУ "Гимназия №7"

Красотина А.И. 1Макаров А.В. 2

---

1МБОУ "Гимназия №7"

2РХТУ им. Менделеева

Работа в формате PDF

5.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Огнеупорами называются неметаллические материалы, предназначенные для использования в условиях высоких температур в различных теплотехнических агрегатах и имеющие огнеупорность не ниже 1580 оС. Огнеупорность – способность материалов противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур.

Динасовые огнеупорные изделия - это изделия содержащие не менее 93% диоксида кремния (кремнезёма). Изготовляются из кремнезёмистых пород, главным образом кварцитов, с добавкой 2—2,5% извести. Динасовые изделия применяются в огнеупорной кладке для бассейна стекловаренных печей. От этапа плавки шихты в этих печах зависит то, какого качества будет конечная продукция. Стекловаренная печь должна обеспечить равномерность стекломассы и отсутствие дефектов.

Рециркуляция техногенных отходов различной природы – важная составная часть построения производств замкнутого цикла. При этом, зачастую, сами отходы являются ценным сырьём. Одним из таких ценных источников сырья являются отработанные жидкостекольно-песчаные формы для розлива стали. После отработки, материал такой формы представляет из себя кварцевый песок, скреплённый остеклованным щелочным расплавом по поверхности. Только 30% отходов возвращается в производство. При большем проценте возврата ухудшается качество продукта. Таким образом, получается, что 70% отходов не пригодны для дальнейшего использования. Полученные отходы опасны для здоровья человека и природы, поэтому их необходимо захоронить. На эту процедуру тратится большое количество денег.

Вынесено предположение, что отработанные формомассы литейного производства можно пускать на производство динасовых огнеупоров, что улучшит качество образцов, сократит расходы на захоронение отходов и повысит экологичность литиевого производства.

Цель работы: получение динасового огнеупора из отработанных формомасс литейного производства.

Задачи работы:
1. Изучить научную информацию о динасовых огнеупорах.

2. Изготовить образцы динасовых огнеупоров различного состава и с разным содержанием добавок отработанных формомасс литейного производства.

3. Исследовать качество полученных образцов на прочность, пористость и водопоглощение.
Гипотеза: добавление отработанных масс литейного производства в состав динасовых огнеупоров улучшает качество получаемого продукта.

Литературный обзор.

Литейное производство - отрасль машиностроения, изготавливающая заготовки или детали (отливки) заливкой расплавленного металла (расплава) заданного химического состава в полость литейной формы, имеющей конфигурацию отливки. Затем металлу дают время затвердеть, и получается отливка детали.

Главной задачей литейного производства можно назвать процесс выпуска литейных сплавов отливок, которые отличаются конфигурацией. И их форма и размеры должны быть максимально приближены к форме и размерам нужной детали. С помощью литья нельзя получить деталь, которая бы полностью совпадала по форме и размерам с деталью.

Литейная форма – основной инструмент литейного производства. Это приспособление, которое образует рабочую полость, в которую заливается жидкий металл, после остывания образуя отливку⁶ .

По использованию формы делятся на разовые, полупостоянные и постоянные. Особенность использования разовой формы заключается в том, что она служит для изготовления единственной отливки. Материалом для подобной заготовки служит кварцевый песок, в который для лучшего сцепления частиц добавляется связующее вещество. Полупостоянные формы применяются для производства некоторого количества отливок, как правило, до двух десятков. Материалом для таких форм служит керамика. А постоянные формы применяются для получения сотен тысяч отливок. Их изготавливают из чугуна или стали⁶.

После литейного производства стали остаются отходы - отработанные жидкостекольно-песчаные формы для розлива стали. После отработки, материал такой формы представляет из себя кварцевый песок, скреплённый по поверхности остеклованным щелочным расплавом (продуктом дегидратации плавления и частичного взаимодействия с кварцевым песком жидкостекольного связующего).

В данное время завод ООО «Балаково-Центролит» занимается и жидколитейным производством, и производством динасовых огнеупоров. Как показывает опыт завода, полное восстановление отходов, путём их измельчения и добавления новой порции жидкостекольной связки, и возвращение в жидко-литейное производство – невозможно. Причиной является пониженная исходная прочность формы, повышенная прочность после отливки и увеличение числа пригаров отливки к форме. Опытным путём, на производстве, было установлено, что сухая флотооттирка отработанного кварцевого песка, направленная на удаление щелочного остатка жидкого стекла, положительно сказывается на технологических свойствах форм. Дальнейшая работа по оптимизации состава формомасс показала, что без потерь характеристик можно возвращать в производственный цикл до 30 % отработанного песка. В настоящее время – оставшиеся 70 % отработанного песка поставляются на нужды г. Балаково на отсыпку дорог. Пыль, получаемая в ходе флотооттирки не утилизируется и отправляется на захоронение.

Рециркуляция техногенных отходов различной природы – важная составная часть построения производств замкнутого цикла. В исследовании сделано предположение, что возврат отходов жидколитейного производства на производство динасовых огнеупоров улучшит их качество. В данном случае, именно пыль, имеющая в своём составе 3 – 5 мас.% Na₂О является наиболее интересной. Это связано с тем, что водорастворимый компонент (щёлочь) уже равномерно введён в поверхность зёрен кремнезёма, образовав, таким образом, формирование эвтектических составов, способных облегчить процессы жидкофазного спекания в системе SiO₂-Na₂O, а относительно небольшое количество щёлочи, может привести к быстрому пересыщению расплава кремнезёмом и началу его перекристаллизации в устойчивые формы, т.е. к расплавному получению динаса.

Сущность раствор-расплавного способа заключается в следующем. В шихту вводится строго дозированное количество легкоплавких компонентов заданного состава, которые при сравнительно низких температурах образуют расплав, выполняющий функцию растворителя тугоплавких (огнеупорных) составляющих исходной смеси. При этом происходят ускоренные процессы реакционного синтеза тугоплавких кристаллов и комбинированного спекания с активным участием жидкой фазы. Образующиеся огнеупорные кристаллы армируют стеклофазу, формируют керамическую структуру, предотвращая снижение термопрочности².

Значение огнеупорных материалов в современной промышлен­ности очень велико. Огнеупоры широко применяют в металлур­гической промышленности для доменных, мартеновских, нагрева­тельных, термических и других печей; в химической промышлен­ности—для коксовых и колчеданных печей и других тепловых аг­регатов; в промышленности силикатных строительных материа­лов— для цементных, известковых, стекловаренных, керамических и других печей; для футеровки топок паровозов и паровых котлов; для футеровки газогенераторов и в ряде других отраслей про­мышленности¹.

Практическая часть.

Ход эксперимента
1. Провести ситовый анализ и титрование щёлочи.

2. Изготовить образцы динасовых огнеупоров с разным составом и содержанием добавок из отработанных формомасс литейного производства
3. Исследовать полученные образцы на прочность, пористость и водопоглощение.

Ситовой анализ – рассев сыпучего материала, с целью определения его гранулометрического состава, через стандартный набор сит и определение процентного содержания остатка на каждом из них по отношению к массе исходной пробы. Цель ситового анализа заключалась в определении размера и распределении частиц. Для анализа было взято 214, 2 гр регенерированного песка. (Прил.1)

Гранулометрия считается по сумме остатков. После анализа масса песка составила 213, 56 грамм.

После чего проведено титрование:

В колбе1 на 50 мл было 22, 7 гр регенерированного песка и вода.

В колбе 2 на 50 мл было 14, 9 гр регенерированной пыли и вода.

Титрование проводилось 0,1 Н раствором HCl. По результатам титрования в колбе 1 щёлочи не было, в колбе 2 присутствовала щёлочь (Na₂O).

На титрование 50 мл раствора пыли (колба 2) затрачено 27 мл 0,1 Н раствора HCl.

Na₂O+2HCl=2NaCl+H₂O

Формула для расчёта содержания i-ой фракции в смеси qi=√di/Dmax * 100%, где di-средний диаметр частиц i-ой фракции, Dmax- максимальный диаметр частиц

q= 29,8 % - пылевидная фракция, q= 70,2%-регенерированного песка

На основании полученных данных был рассчитан оптимальный прессовочный состав.

Были замешаны 5 составов с разным содержанием компонентов: (Прил.2)

Состав 4 и состав 5 являются контрольным образцами, так как воспроизводят стандартную технологию производства динасового огнеупора.

К каждому составу было добавлено определённое количество воды для замешивания смесей. Вычислено усилие прессования по формуле:

πD² /4=4,9*10⁻⁴м²=49кН
Каждую состав отправили под пресс, после чего подвергли обжигу.

Истинные (кристаллические) плотности веществ после обжига определены методом гелиевой пикнометрией на автоматическом гелиевом пикнометре AccuPyc 1340, оборудовании Центра коллективного пользования Д.И. Менделеева:

Значение истинных плотностей состава 1 и состава 2 незначительно отличаются от контрольных образцов и входят в пределы допустимых норм по ГОСТ.

3. Исследование полученных образцов

Измерен диаметр каждого образца и выяснена предельная нагрузка полученных образцов.

Каждый состав был взвешен. Записана сухая масса образцов. После чего подвергли сухие образцы насыщению водой с помощью кипячения

Проведено гидростатическое взвешивание

По формулам вычислили водопоглащение, пористость и кажущуюся плотность.
W=Pw-P₀\P₀ - формула водопоглащения
р – плотность насыщенной жидкости, Pw – масса насыщенных образцов, P₀ - масса сухих образцов.

П₀= Pw- P₀\ Pw- Pv-Р под. – формула пористости
р – плотность насыщенной жидкости, Pw – масса насыщенных образцов, P₀ - масса сухих образцов

R=p* P₀\ Pw- Pv-Р под. – формула кажущаяся плотность
P под. – масса подвески, р – плотность насыщенной жидкости
Pw – масса насыщенных образцов, P₀ - масса сухих образцов

Заключение.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

Цель работы достигнута. Отработанные формомассы литейного производства возможно отправлять на производство динасовых огнеупоров.

Гипотеза не подтверждена. Добавление отработанных масс литейного производства в состав динасовых огнеупоров не улучшает качество продукта.

Добавление отработанных формомасс литейного производства не ухудшает показания прочности, пористости и водопоглащения динасовых огнеупоров и входит в нормы допустимых значений по ГОСТ ⁸.

В ходе работы было установлено, что образцы динасовых огнеупоров содержащие регенерированный песок – 70,2% и пыль 29,8%, а также содержащие регенерированный песок – 70,2% , пыль 14,9% и тонкомолотый кварцевый песок – 14,9% соответствуют стандартам динасовых огнеупоров.

Добавление отработанных масс литейного производства в состав динасовых огнеупоров не ухудшает качество получаемого продукта, ведет к оптимизации процесса, сокращению бюджета и повышению экологичности литиевого производства.

Список литературы.

«ОГНЕУПОРЫ ДЛЯ СТЕКЛОВАРЕННЫХ ПЕЧЕЙ» Л. Ф. Папко, Ю. Г. Павлюкевич Минск 2008 стр 6

ТЕХНОЛОГИЧЕСККИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА ДИНАСОВОЙ ОГНЕУПОРНОЙ КЕРАМИКИ — КиберПедия (cyberpedia.su)

И.Д. Кащеев, К.К. Стрелов, П.С. Мамыкин Химическая технологи огнеупоров: учебное пособие. — М.: Интермет Инжиниринг, 2007. — 752 с.

Тихомирова И.Н., Макаров А. В., Сенина М. О., Технология производства силикатных материалов и изделий и способы их обработки.

Лабораторный практикум: учеб. пособие – М. РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2019. – 132 с.

«Технология литейного производства» учебник, ФГАОУ ВО «Российский государственный профессионально-педагогический университет», 2018

Статья «Раствор-расплавные процессы в огнеупорах» в издании Международной конференции металлургов и огнеупорщиков. Д. г.-м. н. В. А. Перепелицын1, к. т. н. А. В. Яговцев2 1 ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет», г. Екатеринбург, Россия 2 ОАО «Первоуральский динасовый завод», г. Первоуральск, Россия

ГОСТ 4157-79 Изделия огнеупорные динасовые. Технические условия (с Изменениями N 1-5), ГОСТ от 28 августа 1979 года №4157-79 (cntd.ru)

Приложение.

Приложение 1