XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование свойств пылевых и песчаных отходов литейного производства

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Портнов М.А. 1Никитина М.А. 1

---

1МБОУ "СОШ №2"

Москалева Алена Ивановна 1Вартанян М.А. 2

---

1МБОУ "СОШ №2"

2РХТУ им. Менделеева

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I 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 °С. 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 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. 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 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.

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

Цель работы: Изучить химический состав и свойства отходов литейного производства: регенерированного песка и щелочной пыли флотооттирки (ЩП), получение динасового огнеупора с использованием отходов литейного производства

Задачи работы:

1.Изучить научную информацию о динасовых огнеупорах.

2.Изучить химический состав и свойства отходов литейного производства: регенерированного песка и ЩП

3.Изготовить образцы динасовых огнеупоров из отходов литейного производства, содержащие ЩП и регенерированный песок.

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

5. Сравнить свойства полученных образцов с литературными данными.

Гипотеза: Динасовые огнеупоры из отработанных формомасс литейного производства по своим характеристикам соответствуют образцам ГОСТ.

Огнеупоры их получение на основе кремнеземистого сырья и их практическое значение для производства (Литературный обзор)

2.1Огнеупоры виды и назначение

Огнеупорными (огнеупорами) называют изделия и неформованные материалы, применяемые для футеровки печей и других
тепловых агрегатов.

В первую очередь огнеупорные материалы характеризуются их пригодность для службы при высоких температурах (не ниже 1580С), высокой температурой начала деформации при нагружении, постоянством объема, термической и химической стойкостью, теплоизоляционной способностью и др. В практическом использовании эти факторы воздействуют на материал одновременно, что делает крайне сложные условия для службы огнеупорных материалов. На данный момент технологического развития не существует огнеупоров в равной мере сочетающих все эти свойства, поэтому в целях эффективного применения огнеупоров учитываются как сильные так и слабые стороны, условия службы конкретного вида огнеупора.

Многочисленные разновидности имеющихся огнеупоров подразделяют по химико-минеральному составу и характеризуются отдельными свойства.
Огнеупоры подразделяют на формованные изделия, имеющие
определенную геометрическую форму и размеры, и на неформованные материалы без определенной формы в виде порошков или
масс, готовых к применению. Неформованные материалы, исходя
из формальных позиций, к керамическим изделиям не относятся.
Огнеупоры классифицируют также по следующим показателям:
– огнеупорности

Средней (от 1580 до 1770оС)

Высокой(от 1770 до 2000оС)

Высшей (более 2000оС)

– форме и размерам

Нормальный кирпич «прямой» и «клиновой»

Фасонные изделия – простые, сложные, особо сложные и крупноблочные, сюда же включают монолитные огнеупорные бетоны
– способу изготовления

Полученные пластичным

Формованием, полусухим прессованием или трамбованием

Литьем из шликера, горячим литьем из парафинированных масс,
гидростатическим прессованием

Литьем из расплава, выпиливанием из горных пород или из плавленых блоков

– характеру термической обработки

Безобжиговые

Обожженные

Горячепрессованные

Отлитые из расплава;
– величине пористости

Особо плотные спекшиеся (с пористостью менее 3%)

Высокоплотные (3–10%)

Плотные (10–20%)

Среднеплотные (20–30%)

Низкоплотные (30–40%)

Высокопористые (45–75%)

Ультрапористые (более 75%)

Можно выделить такие виды огнеупоров как:

Динасовые огнеупоры

Кварцевые огнеупоры

Алюмосиликатные огнеупоры
Фазовый состав алюмосиликатных огнеупоров
Полукислые огнеупоры

Шамотные огнеупоры
Шамотно-каолиновые огнеупоры

Высокоглиноземистые огнеупоры
Глиноземистые огнеупоры

Магнезиальные (периклазовые) огнеупоры

Периклазоизвестковые онеупоры

Магнезиально-силикатные(форстеритовые) огнеупоры

Цирконистые огнеупоры

Плавленые огнеупоры

Углеродсодержащие огнеупоры

Карбидокремниевые огнеупоры

Огнеупорные бетоны и безобжиговые изделия

Неформованные огнеупоры

Но я хотел бы обратить ваше внимание на динасовые огнеупоры.

2.2Динасовые огнеупоры и способы их изготовления

Динасом называют огнеупор, содержащий не менее 93% SiO2,
изготовляемый из кварцевых пород с известково-железистым или
иным минерализатором, обеспечивающим полиморфное превра-щение кварца в тридимит и кристобалит.

Наиболее распространенной в природе формой SiO2 является бета кварц в виде кварцевого песка. Кварциты как правило отгружаются огнеупорные заводы в кусковом виде, их размер в поперечнике составляет 50 -300 мм. В начале следует стадия грубого измельчения, питание дробилок происходит непрерывно и равномерно с использованием весовых дозаторов. Данные крупные зерна необходимо подвергнуть первичному измельчению. Тонкий помол протекает в трубных мельницах, до размера частиц менее 0,09 мм

Для получения максимально плотной заготовки шихта имеет сложный

фракционный состав. В состав шихты вводят динасоый бой. Бой изделий

обеспечивает уменьшение роста изделий в процессах обжига, следовательно

снижаются возникающие напряжения.В процессе обжига протекают полиморфные превращения зерен кварца

в другие модификации. Стабильный при обычной температуре бета кварц при 573С превращается в альфа кварц. Температурная область его стабильности находится в пределах 573–870оС. В присутствии минерализаторов, применяемых в производстве динаса, альфа кварц переходит в альфа тридимит в
основном через промежуточную фазу при 1200–1470оС. Интенсивно этот процесс протекает выше 1300оС. В отсутствие плавня-минерализатора альфа кварц при нагревании до 1300–1450оС через фазу метакристобалита медленно переходит в альфа кристобалит (см.схему)

Так же в процессе обжига динаса происходят важные физико – химические

процессы:

1)взаимодействие SiO2 и CaO с образованием продуктов - силикатов

кальция.

2)расширение обжигаемого изделия из-за полиморфных превращений

кремнезема

3)образование расплава сложного состава, растворение в нем кварца и

выпадение из пересыщенного расплава тридимита

4)изменение механической прочности динаса.

2.3 Сырье для получения огнеупоров особенности его подбора.

Отходы производства часто называют техногенным сырьем. Вместе с отходами потребления –изделиями и материалами, утратившими свое первоначальное предназначение в результате физического или морального износа– отходы производства составляют вторичные материальные ресурсы. Те из них, которые в настоящее время можно рационально
использовать, относят ко вторичному сырью.

По химическому составу отходы различных производств весьма
разнообразны. Они главным образом представлены силикатами и алюмосиликатами элементов первой и второй групп периодической системы, что делает их весьма перспективными для производства строительных материалов, в том числе керамических, единственная проблема использования такого сырья в нестабильности состава и свойств. Плотность изделия в конечном итоге сильно зависит от зернового состава (штихта), метода формования и условий формования. Для производства должны использоваться монофракционные сыпучие материалы, за счет этого повышается их плотность, так сферические частицы монофракционного порошка уладываются до плотности 74%, свободно насыщенные шары одинакового размера обеспечивают плотность упаковки, при применении вибрации для укладки шихты получается плотность 64% от теоретической, при правильном подборе сферических частиц двух размеров можно получить материалы с теоретической плотностью 86%. Подобранный по такому принципу состав из трех фракций обеспечивает получение плотности на уровне 90-92%, а уже из четырехфракционный состав позволяет достичь 95-97% плотности.
В реальных технологических операциях по производству огнеупорных
материалов используемые порошки состоящих из частиц не сферической формы, хотя закономерности выведенные для порошков сферической формы также выполняются. Для получения плотной укладки зерновой состав исходного порошка должен быть прерывным с соотношением размеров крупной и тонкой фракций примерно 100.
Правильно выбор зернового состава шихты не дает почти никаких гарантий, что все будет успешно. В случае использования статического прессования зерна перемещаются относительно друг друга под силами давления прессования,причем давление прессования оказывает решающее значение в процессы уплотнения, но в то же время только правильный подбор зернового состава обеспечит качественное формование сырца с максимальной
плотностью.

3.Практическая часть

3.1 Цели и задачи исследования

Целью работы является получение и изучение свойств динасового
огнеупора на основе отходов сталелитейных жидкостекольнопесчаных форм. В ходе регенерации формовочного песка на предприятии. Первым видом отхода является тонкодисперсная щелочная пыль-регенерата, являющаяся результатом флотооттирки песка от остатков дегидратированного жидкостекольного связующего. Вторым видом отхода является пыль с выбивных решеток у печей.
Задачи исследования:
1) Изучение научно-технической литературы, патентов по теме
использования различных техногенных отходов как
альтернативного сырья для производства огнеупоров
2) Построение гипотезы: какие материалы пригодны для
использования в составе шихты, условия введения
компонентов
3) Выбор оптимальной концентрации и давления прессования
для получения материалов с лучшими свойствами
4) Определение и анализ свойств полученных динасовых
огнеупоров образцов.

3.2 Материалы и техническая часть

3.3 Методы исследования

1. Титриметрический анализ

Титрование — процесс определения титра исследуемого вещества. Титрование производят с помощью бюретки, заполненной титрантом до нулевой отметки. Титровать начиная от других отметок не рекомендуется, так как шкала бюретки может быть неравномерной. Заполнение бюреток рабочим раствором производят через воронку или с помощью специальных приспособлений, если бюретка полуавтоматическая. Конечную точку титрования определяют с помощью индикаторов или физико-химическими методами. По количеству затраченного на титрование рабочего раствора рассчитывают результаты анализа. В нашем случае рабочий раствор был HCl т.к. нужно было определить щелочность пробы. (таблица1.)

Таблица 1.

Затраты 0,1 Н раствора HCl V_решет = Ввиду сильного расхождения значений затраченной на титрование кислоты сложно объективно оценивать щелочность проб, следовательно, стоит прибегнуть к другим методам.

2.Данные по определению кремнезема

2.1Метод фотометрии

Фотометрия широко применяется как вид молекулярно-абсорбционного анализа, основанного на пропорциональной зависимости между концентрацией однородных систем (например, растворов) и их светопоглощением в видимой, ИК и УФ областях спектра.

Навески прокаливались в печи при Т = 900^оС в течение 45 минут, после выспались в подогретую воду, где кипятились в течение 1,5 – 2 часов, затем добавлялся 5-6 кратный избыток щелочи по массе относительно навески. Все это аликвотно переносилось в колбы объемом 1 л, перемешивалось, после чего с добавлением желтого реактива Айлера в отношении проба : реактив = 1:5 помещалось в бюретке в фотометр с синим фильтром (λ = 410 нм). Итоговые пробы объемом 2 мл дали показания С_рег = 0,021 г/л и C_решет = 0,054 г/л для регенерированной и решеточной пылей соответственно. Массы начальных навесок m_рег = 0,1059 г и m_решет = 0,1028 г.

2.2Прокаливание

На прокаливание с режимом нагрева 2град/мин и выдержкой τ_{выдержки} = 2 ч были отправлены образца пыли с линии регенерации и с решеток (Таблица 2.)

Таблица 2.

В результате термической обработки пыль расплавилась и приняла стеклообразное состояние (Рис. 1)

Рис. 1. Тигли с прокаленной пылью: слева пыль с решеток, справа регенерат

3.Результаты петрографического анализа

Петрографический анализ -метод визуального или микроскопического исследования минералогии, состава руд, шлаков, штейнов и т.д. на основании морфологических признаков.

«Описательная петрография» является собственно петрографией, она включает физиографию горных пород и общие вопросы их происхождения и взаимных соотношений счет ориентации.

Пыль (Рис. 2. и Рис. 3.), предварительно измельченная, была отправлена на петрографический анализ, который дал следующие результаты:

Для пыли с линии регенерации: большая часть материала представляет из себя α-кварцевое стекло, отдельно имеется фракция в виде оксидов марганца, железа двух- и трехвалентного.

Рис. 2. Микроструктура прокаленной пыли с линии регенерации

Для пыли с решеток: большая часть материала также представляет из себя α-кварцевое стекло, примеси имеются в большем количестве, присутствует силикат марганца в количестве 10-15% (об.?) и оксид железа трехвалентного в количестве 2-3%(об.?). Замечено присутствие других силикатов, предположительно кальция.

Рис. 3. Микроструктура прокаленной пыли с решеток

Для песка из использованных заливных форм был проведен осмотр под микроскопом. Для песка, прошедшего линию регенерации, была выявлена относительная схожесть прозрачных частиц и небольшое количество мелких частиц черного цвета (Рис. 4.).

Рис. 4. Частицы песка-регенерата.

Эти же частицы появляются чаще и крупнее в песке, не проходившем регенерационную обработку (Рис. 5.).

Рис. 5. Частицы песка, не прошедшие линию регенерации.

Ввиду источника этого песка, можно предположить, что частицы черного цвета (Рис. 6-7.) являются либо окалиной заливаемого материала, либо примесями в нем содержащимися.

Рис. 6. Вкрапления в песке. Рис.7. Примесная частица вблизи

4.Результаты рентгенофазового анализа (РФА)

     В методе РФА используется явление дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке, применяется излучение с длиной волны λ порядка величины межатомных расстояний в кристалле.  Если любая точка (узел) кристаллической решетки способна рассеивать падающее рентгеновское излучение, то при определенных условиях между волнами, рассеянными отдельными электронами за счет разнести фаз, возникает суммарная амплитуда рассеяния атомами. При этом считается, что:

      - электроны атома рассеивают как свободные электроны, т.е. связь с ядром слабая;

      - период движения электрона по орбите намного больше периода колебаний падающего излучения, т.е. рассеяние происходит на неподвижном электроне.

        Интерпретировать дифракционную картину, получаемую с помощью рентгеновских лучей на трехмерной кристаллический решетке можно двояко:

       - кристалл рассматривают как совокупность атомных рядов, в этом случае дифракцию рентгеновских лучей описывают уравнениями Лауэ (трехмерная решетка)

Для поликристаллических материалов используют метод Дебая Шеррера. За зерен в поликристаллическом образце
дифракционная картина совпадает с картиной, получаемой за счет
суммирования всех возможных вариантов ориентации кристалла. В случае
измерения относительной интенсивности рассеянного излучения полученный
результат анализа называется дифрактограммой. Дифрактограмма
индивидуальна для каждой отдельной фазы, в случае наличия нескольких фаз
итоговая дифрактограмма является суммой отдельных, что позволяет
идентифицировать имеющиеся фазы.

Для определения качественного и количественного состава пыли было решено провести рентген-фазовый анализ. Ниже представлены его результаты (Таблица 3.).

Таблица 3.

Ниже представлены рентгеноргаммы данных образцов (Рис.8-9)

Рис. 8. Рентгенограмма пыли-регенерата. Рис.9 Рентгенограмма пыли с решеток

4.Заключение

В результате исследования установлено, что все виды отходов переработки песчаных форм литейного производства можно применять в качестве вторичного сырья для производства динасовых огнеупоров. Существенное значение при использовании пылей имеет источник их происхождения, что потребует дополнительного входного контроля на огнеупорном производстве либо организации раздельного хранения на металлобрабатывающем предприятии.

5. Литература

1. Шалевская И.А., Гутько Ю.И. Исследование возможности утилизации отходов формовочных смесей // Вестник ДонГМА. 2011. № 4 (25). С. 169-173.

2. Макаров А.В., Красотина А.И., Вартанян М.А. и др. Анализ фазообразования в динасовом огнеупоре при введении техногенных отходов // Успехи в химии и химической технологии. 2021. № 4. С. 67-69.

3. ГОСТ 27707-2007. Огнеупоры неформованные. Методы определения зернового состава.

4. Горшков В.С., Тимашев В.В., Савельев В.Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. М.: Высш. школа, 1981. 335 с.