XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАСОВЫХ ОГНЕУПОРНЫХ ИЗДЕЛИЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ПО НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ, ИЗ ФОРМОМАСС ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Портнов М.А. 1Востриков А.А. 1

---

1МБОУ "Гимназия №7"

Москалева А.И. 1Вартанян М.А. 2

---

1МБОУ "Гимназия №7"

2РХТУ им. Менделеева

Работа в формате PDF

419.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение.

В современном мире много говорят о вторичном применении отходов для улучшения экологии. Это касается не только бытового мусора, но и промышленных отходов с предприятий. Одним из ценных источников сырья являются отработанные жидкостекольно-песчаные формы для розлива стали с литейного производства. 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 непригодны для дальнейшего использования. Так же щелочная пыль, получаемая в ходе флотооттирки не утилизируется. Полученные отходы опасны для здоровья человека и природы, поэтому их необходимо захоронить. На эту процедуру тратится большое количество денег.

Вынесено предположение, что можно расширить сырьевую базу для производства динасовых огнеупоров, полностью из отработанных формомасс литейного производства, что сохранит качество продукта, сократит расходы на захоронение отходов и повысит экологичность литиевого производства.

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 применяют 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.

Цель работы: получение динасового огнеупора с использованием отходов литейного производства: регенерированного песка и щелочной пыли флотооттирки (ЩП).

Задачи работы:

1. Изучить научную информацию о динасовых огнеупорах.

2. Изготовить образцы динасовых огнеупоров различного состава: экспериментальный образец, содержащий ЩП и регенерированный песок, а также контрольный образец, содержащий ЩП и промышленный кварцевый песок.

3. Исследовать основные эксплуатационные свойства полученных образцов: пористость, водопоглощение, прочность при сжатии.

4. Сравнить свойства полученных образцов с литературными данными.

Гипотеза: Динасовые огнеупоры с использованием отходов литейного производства по своим характеристикам соответствуют образцам ГОСТ.

Литературный обзор.

В качестве сырья в технологии динасовых огнеупоров применяют 1) кристаллические кварциты Урала и Украи­ны; 2) третичные кварциты и песчаники Донбасса, 3) каменноугольные кварцевые роговики или микро­кварциты Кузбасса.

Кварциты представляют собой метаморфическую горную породу, состоящую в основном из кварца. Это крепкая и прочная горная порода белого, серого или красноватого цветов, очень трудная для обработки.

В состав массы (шихты) для производства динасовых огнеупоров входят измельченный кварцит, известь оптимального зернового состава с минерализаторами и различными добавками. Отличительной особенностью такой шихты является строгий контроль зернового состава: (разные фракции, четкое соотношение размеров).

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 отливку [6].

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 –30 % отработанного песка поставляются на нужды г. Балаково на отсыпку дорог. А 40% регенерированного песка приходится утилизировать. Это порядка 2 500 тонн песка в месяц.

Месторождения регенерированного песка уже вырабатываются. А данный завод можно рассматривать, как месторождение песка. Щелочная пыль, получаемая в ходе флотооттирки, также не утилизируется и отправляется на захоронение.

В связи с данной проблемой сотрудники «Балаково-Центролит» обратились к научным сотрудникам кафедры РХТУ с просьбой сделать разработки о рециркуляции отходов производства.

В ранее проведенных исследованиях в лаборатории РХТУ им. Менделеева было установлено, что добавление щелочной пыли и регенерированного песка в производство динасовых огнеупоров не ухудшает качество продукта. В данном исследовании сделано предположение, что возможно изготовление динасовых огнеупоров только из отходов литейного производства: щелочной пыли и регенерированного песка.

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 промышленности [1].

Практическая часть.

Ход эксперимента:

Провести ситовый анализ и определить химический состав ЩП.

Узнать химический состав щелочной пыли

Изготовить образцы динасовых огнеупоров с разным составом и содержанием добавок из отработанных формомасс литейного производства

Исследовать полученные образцы на прочность, пористость и водопоглощение.

Сравнить полученные образцы

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 50 г регенерированного песка. (Прил.1)

Для анализа было взято 50 г кварцевого песка. (Прил.2)

На основе ситового анализа выделили рабочую фракцию 0,7 – 0,3 мм. Для её выделения было взято по 1 кг кварцевого и регенерированного песка и набор сит 0,7 мм, 0,3 мм, поддон.

Песок был поставлен на виброустановку на 30 минут.

Собрали рабочую фракцию и отправили ее в работу.

2. Химический состав щелочной пыли определяли титрованием

В колбе 1 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. (Прил.2)

Изготовление образцов.

Были подготовлены 2 состава шихты с соотношением песок : ЩП = 3 : 1 (Прил.2). Компоненты перемешивали в полимерном барабане фарфоровыми шарами (соотношение материал : шары = 1 : 1) на валковой мельнице в течение 6 ч для лучшего смешивания компонентов шихты. (Прил.3)

Образцы формовали методом одноосного двухстороннего прессования, для этого в шихту была введена временная технологическая связка: поливиниловый спирт в количестве 8 мас. % от массы шихты.

Образцы прессовали по двухступенчатому режиму. (прил.4)

Было изготовлено 5 образцов каждого состава при давлении 50 и 100 МПа.

Образцы обжигали по режиму, аналогично принятому в производстве динасовых огнеупоров [Кащеев, Кайнарский]: нагревание до температуры 1100 °С за 48 ч, до температуры 1280 °С 43 ч, выдержка при температуре 1280 °С 24 ч, охлаждение до 600 °С со скоростью 100 град./ч (7 ч) и далее до 100 °С за 12 ч. (Прил.5)

4. Исследование свойств.

Кажущуюся плотность, открытую пористость и водопоглощение определяли по методике, аналогичной ГОСТ 2409-95, жидкость насыщения – керосин.

Согласно методике, высушенный образец взвешивают, вакуумируют и насыщают жидкостью, смачивающей образец, но не взаимодействующей с ним. Затем испытуемый образец взвешивают в насыщающей жидкости и на воздухе.

На основании проведенных взвешиваний и значения истинной плотности материала, определенной по ГОСТ 2211, вычисляют кажущуюся плотность, открытую и общую пористость, водопоглощение.

Измерен диаметр каждого образца и выяснена предельная нагрузка полученных образцов.

W=(m3-m1)/m1*p²⁰_H2O/p_l*100% - формула для расчёта водопоглощения

П_t=(p-p_b)/p*100% - формула для расчёта пористости

p_b=m₁/(m₃-m₂) *p_l - формула для расчёта кажущейся плотности

где, m₁ - масса сухого образца, г;

m₂ - результат взвешивания образца, погруженного в жидкость, г;

m₃ - масса насыщенного жидкостью образца, г;

p²⁰_H2O - плотность воды при температуре 20 °С, г/см;

p - истинная плотность материала, г/см; определяется по ГОСТ 2211;

p_l - плотность насыщающей жидкости при температуре испытаний в г/см.

Предел прочности при сжатии определяли по методике, аналогичной ГОСТ 4071.2-94

Согласно методике, измеряют длину ребер, ограничивающих нагружаемые поверхности образца, и его высоту по средней линии каждой боковой грани с погрешностью до 0,5 мм.

Образец высушивают в сушильном шкафу до постоянной массы при температуре не ниже 110 °С.

Массу считают постоянной, если после повторной сушки результат взвешивания отличается от предыдущего не более чем на 0,1%

Образец не сушат, если отобранное непосредственно после обжига изделие хранят в сухом помещении.

Образец устанавливают одной из нагружаемых поверхностей в центре нижней плиты машины, на которую помещают измерительный инструмент для определения деформации образца.

Образец нагружают равномерно и непрерывно, повышая напряжение со скоростью:

(0,050±0,005) Н/(мм·с) - при ожидаемом пределе прочности при сжатии менее 10 Н/мм;

(0,20 ± 0,02) Н/(мм·с) - при ожидаемом пределе прочности при сжатии, равном или более 10 Н/мм.

Нагружение продолжают до тех пор, пока образец не разрушится или его высота не уменьшится до 90% ее первоначального значения.

Регистрируют максимальную нагрузку.

Предел прочности при сжатии () при комнатной температуре, Н/мм, вычисляют по формуле:

G_сж= F_max/l*b

где F_max - максимальная нагрузка, приложенная к образцу, Н;

l - среднеарифметическое значение результатов измерений длины образца, мм;

b - среднеарифметическое значение результатов измерений ширины образца, мм.

Заключение.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

Цель работы достигнута. Получен динасовый огнеупор только из отходов литейного производства: регенерированного песка и щелочной пыли флотооттирки (ЩП).

Гипотеза подтверждена. Динасовые огнеупоры с использованием отходов литейного производства по своим характеристикам соответствуют образцам ГОСТ.

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

Данное исследование даёт возможность изготавливать динасовые огнеупоры по новой технологии, что значительно оптимизирует процесс производства динасовых огнеупоров сокращает расходы на утилизацию литиевого производства и повышает экологичность предприятия.

Список литературы.

Папко Л.Ф., Павлюкевич Ю.Г. «Огнеупоры для стекловаренных печей», 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)

Кайнарский, Илья Семенович. «Динас [Текст] : Теорет. основы, технология, свойства и служба.» - Москва : Металлургиздат, 1961. - 469 с

ГОСТ 2409-95 (ИСО 5017-88) Огнеупоры: Метод определения кажущейся плотности, открытой и общей пористости, водопоглощения.

ГОСТ 4071.2-94 (ИСО 8895-86) «Изделия огнеупорные теплоизоляционные». Метод определения предела прочности при сжатии при комнатной температуре.

Приложение.