CC BY
33
ЭКОЛОГИЯ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В МЕТАЛЛУРГИИ
УДК УДК 669.15 - 194.56: [621.744.079 : 666.76.32] Вдовин К.Н., Смирнов А.Н., Пивоварова К.Г., Понамарева Т.Б.
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЛОМА МАГНЕЗИТОВЫХ ОГНЕУПОРОВ В КАЧЕСТВЕ НАПОЛНИТЕЛЯ ПРОТИВОПРИГАРНОЙ КРАСКИ ДЛЯ СТАЛИ ГАДФИЛЬДА
Аннотация. Важнейшая задача при литье в песчано-глинистые формы - получение чистой поверхности стальных отливок. В представленной работе показана возможность замены металлурического магнезита на лом высокомагнезиальных периклазовых огнеупоров. Термическим методом установлено присутствие свободного оксида кальция в периклазовых порошках. Исследованы процессы гидротации магнезита в водной среде.
Ключевые слова: марганцовистая сталь, пригар, краска, периклаз, магнезит, гидротация, огнеупорный лом.
Одним из наиболее широко применяемых материалов для изготовления деталей в горнорудной, угольной, цементной и других отраслях промышленности, связанных с переработкой высокоабразивного минерального сырья (руды, угля, песка и др.), износ которых сопровождается большими ударами и давлением, является аустенитная марганцовистая сталь Гадфильда (110Г13Л).
Сталь 110Г13Л выплавляют преимущественно в дуговых печах с основной футеровкой с последующей заливкой в песчано-глинистую форму (ПГФ) [1 - 4]. Получение хорошей поверхности без пригара на стальных отливках из стали Гадфильда весьма затруднительно. ПГФ смеси не могут решить полностью этой задачи, так как в залитой жидким металлом форме происходит химическое взаимодействие между оксидами железа (II) и кремния ^еО и SiO2), с одной стороны, и кремнеземом с оксидом марганца (II) (МпО) - с другой. Образующиеся в результате этих реакций легкоплавкие силикаты фаялит (2FeO • 8Ю2) и тефроит (2МпО • 8Ю2) после затвердевания цементируют зерна песка в слои пригара [5 - 8].
При производстве отливок из стали 110Г13Л хорошо зарекомендовали себя магнезитовые краски. Они защищают рабочие поверхности формы от непосредственного соприкосновения с расплавом. Находящийся в краске высокоогнеупорный наполнитель, а именно металлургический магнезит (MgO), хорошо выдерживает высокую температуру расплава, взаимодействует с оксидом железа с образованием магне-зиоферрита (MgO • Ре2О3), обладающего высокой температурой плавления (1750 °С), что обусловливает отсутствие жидкой фазы на поверхности раздела металл - форма и тем самым способствует устранению пригара.
В промышленности магнезит применяют в основном после предварительного обжига природного
© Вдовин К.Н., Смирнов А.Н., Пивоварова К.Г., Понамарева Т.Б., 2018
минерала магнезита (МgСО3). При обжиге до 750 -1000 °С магнезит теряет 92 - 94 % диоксида углерода (СО2) и превращается в оксид магния, представляющий собой белую аморфную порошковатую массу (каустический магнезит). При более высокой температуре обжига (1500 - 1600 °С) удаляется практически весь СО2, оксид магния претерпевает перестройку молекулярной структуры и переходит в устойчивую форму - периклаз. Таким образом, образуется плотный, спекшийся инертный продукт, называемый «намертво» обожженным магнезитом или металлургическим магнезитом. Природный магнезит достаточно дорогой и дефицитный материал.
Проблема дефицита магнезиального сырья для противопригарных красок может быть решена путем замены металлургического магнезита на отходы лома высокомагнезиальных периклазовых огнеупоров (ЗПСпу). В этом случае будет обеспечено не только предотвращение пригара, но и возможность решения таких насущных проблем современного производства, как рециклинг и утилизация отходов, расширение сырьевой базы и экологические проблемы.
Анализ существующих в ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК) магнезиальных огнеупорных отходов показал, что потенциальным наполнителем для литейных красок может служить вместо металлургического магнезита лом безобжиговых периклазоуглеродистых изделий - футеровки сталеразливочных ковшей конвертеров. В качестве сырья для них применяют спеченные или плавленые периклазовые порошки с минимальным количеством кремния. Углеродсодержащим компонентом чаще всего служит графит разных марок (тигельный, литой, элементный), а связкой - фенольное порошкообразное связующее (ФПС) [9].
Спеченные и плавленные периклазовые порошки имеют высокую огнеупорность, шлакоустойчивость, способность сохранять постоянство объема при длительном воздействии высоких температур, практически не реагируют с водой. Однако надо иметь в виду,
что и такой магнезит слабо гидратируется и при за-творении его водой схватывается, что может привести к загущению водной противопригарной краски и, как следствие, ухудшению её технологических свойств.
Целью представленной работы является исследование физико-химических свойств лома периклазоуг-леродистых огнеупоров, в частности процесса гидратации.
Объектами исследования являются лом спеченного периклазоуглеродистого огнеупора и металлургический магнезит.
Главным фактором, определяющим качество пе-риклазовых порошков, является наличие достаточного количества оксида магния не менее 85 %, а также отсутствие в нем свободного оксида кальция (СаО). Связано это с тем, что порошки, изготовленные из магнезитов, даже с незначительным содержанием свободного СаО (извести) при хранении и затворении водой гидратируются. Химический состав исследуемых образцов выполнен на энергодисперсионном рентгенофлуоресцентном спектрометре РиайХ и представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав магнезиальных огнеупорных наполнителей
Наименование материала MgO SiO2 CaO Fe2O3 AI2O3 C*
Металлургический магнезит 85,0 5,68 3,54 3,23 1,28 0,22
ЗПСпу 85,3 4,02 2,32 0,92 0,30 8,38
* Углерод определяли ИК - спектрометрическим методом.
Из данных табл. 1 видно, что содержание основной фазы (периклаза) в исследуемых образцах практически одинаково и составляет 85 %. При этом общее содержание CaO (связанного и свободного) в ломе спеченного периклазоуглеродистого огнеупора ниже, чем в металлургическом магнезите. Как сказано выше, вредной и нежелательной примесью является свободный CaO, его присутствие определяли термическим методом на приборе STA (Iupiter 449 F3) фирмы «NETZSCH», который позволяет одновременно из одной навески проводить два вида анализа: термогравиметрический (ТГ) и дифференциально-сканирующую калориметрию (ДСК).
Исследования металлургического магнезита показали (см. рисунок), что в его состав входит гидрати-руемый MgO и CaO, о чем свидетельствуют эндоэф-фекты при 376 и 399 °С соответственно. Удаление гидратной воды из этих минералов отмечается убылью массы на кривой ТГ в интервале температур 300 - 450 °С и составляет 0,67 %.
Известно, что гидратация периклазового магнезита усиливается в присутствии свободного CaO в водной среде. Для изучения процессов гидратации периклазовые порошки фракции 0,05 - 0,00 мм затворяли технической водой при комнатной температуре в количестве, обеспечивающим влажность смеси, равную 20 - 23 % и плотность 1,4 - 1,8 г/см3, что соответствует требованиям магнезитового противопригарного покрытия на водной основе марки ВПК-90М по ТУ 1523-008-95197502-2008, ТУ1523-020-95197502-2011.
Термограмма металлургического магнезита
Полученную дисперсионную смесь выдерживали в течение суток, затем отбирали пробы продуктов гидратации, сушили их при температуре 30 °С. Определяли количество химически связанной (гидратной) воды методом инфракрасной абсорбционной спектроскопии на анализаторе углерода и воды CW MULTISHASE при температуре 500 °С. По ее количеству оценивали степень гидратации периклазового наполнителя (табл. 2).
Таблица 2
Степень гидратации MgO (по количеству связанной воды)
Как видно из данных табл. 2, в исследуемых образцах после гидратации содержание химически связанной воды увеличивается почти в 4 раза, что свидетельствует об усилении процессов гидратации магнезитового наполнителя в водной среде.
Однако наименьшее содержание воды отмечено для образца ЗПСпу. Это связано с тем, что в таких огнеупорных материалах частицы оксида MgO и твердого углеродсодержащего вещества (графита) прочно связываются в результате отверждения и коксования фенольного связующего и плохо смачиваются водой, что замедляет процессы гидратации. Несмотря на это, было отмечено схватывание водной дисперсии на основе лома периклазоуглеродистого огнеупора, так и металлургического магнезита, что привело к повышению ее вязкости. Поэтому, чтобы исключить процессы гидратации магнезитового наполнителя при изготовлении противопригарных красок на его основе, предпочтительнее применять в качестве дисперсионной среды органические растворители, например изо-пропиловый спирт.
Таким образом, на основе проведенных исследований выявлена возможность применения в качестве наполнителя неводной противопригарной краски для стали Гадфильда лома переклазоуглеродистых огнеупоров футеровки конвертеров при полном замещении им природного наполнителя - металлургического магнезита.
Применение лома периклазоуглеродистыми кирпичами позволит снизить стоимость краски и уменьшить нагрузку на экологическую обстановку региона.
Список литературы.
1. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Горленко Д.А. Выплавка высокомарганцовистой стали в дуговой сталеплавильной печи. Внепечная обработка. Сообщение 2 // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2016. № 1. С. 23 - 28.
2. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Горленко Д.А. Выплавка высокомарганцовистой стали в дуговой сталеплавильной печи. Технология. Сообщение 1 // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2015. № 10. С. 735 -739.
3. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А. Влияние серы, кальция, алюминия на пластические свойства металла // Теория и технология металлургического производства, 2010. № 1. С. 107 - 113.
4. Вдовин К.Н., Косарева Э.А. Улучшение технологических свойств жидкостекольных формовочных смесей // Технологии металлургии, машиностроения и материалообработки. 2013. №12. С. 151 - 156.
5. Давыдов Н.Г. Высокомарганцевая сталь. М.: Металлургия, 1979. 176 с.
6. Исследование влияния процесса кристаллизации стали марки 110Г13Л на её свойства /Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А., Горленко Д.А., Дерябин Д.А., Хренов И.Б., Кондратьев И.С. // Литейные процессы. 2016. №14. С. 29 - 36.
7. Исследование механических и эксплуатационных свойств высокомарганцевой стали, легированной азотированным феррохромом /Колокольцев В.М., Вдовин К.Н., Чернов В.П., Феоктистов Н.А., Горленко Д.А. // Вестник Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. 2016, № 3. с. 46 - 54.
8. Вдовин К.Н., Нефедьев А.А., Ахметова А.А. Фазовые превращения при нагреве легированной высокомарганцовистой стали // Литейные процессы: межрегион. сб. науч. тр./ под ред. В.М. Колокольцева. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2016. Вып.15. С. 94 - 98.
9. Сычь Л.Г., Пальчун Т.А., Миронова Л.В. Прогноз стойкости периклазоуглеродистых огнеупоров с помощью термического анализа // Сталь, 2002. №1. С. 32 - 33.
Наполнитель Содержания воды, %
До гидратации После гидратации
ЗПСпу 0,42 1,77
Металлургический магнезит 0,67 2,45
Сведения об авторах
Вдовин Константин Николаевич - ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»; зав. кафедрой технологии металлургии и литейных процессов; д-р техн. наук, профессор. Магнитогорск, Россия. Тел.: 29-84-19. E-mail: Vdovin@magtu. ru
Смирнов Андрей Николаевич - ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»; зав. кафедрой физической химии и химической технологии; д-р физ.-мат. наук, доцент. Магнитогорск, Россия. Тел.: 29-85-78. E-mail: sman@magtu.ru
Пивоварова Ксения Григорьевна - ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»; доцент кафедры технологий обработки материалов (ТОМ); канд. техн. наук. Магнитогорск, Россия. Тел.: 29-85-12. E-mail: kgpivovarova@gmail.com
Понамарева Татьяна Борисовна - ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»; инженер-лаборант инженерно-технического центра. Магнитогорск, Россия. Тел.: 58-06-44. Email: tatj ana.ponamareva@,vandex. ru
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
THE STUDY OF THE PROPERTIES OF MAGNESITE REFRACTORY AS A FILLER OF ANTIBURNING-ON PAINT FOR HADFIELD STEEL
Vdovin Konstantin Nikolaevich - D. Sc. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. Phone: +7 (3519) 29-85-30. E-mail: Vdovin@magtu. ru
Smirnov Andrey Nikolaevich - D. Sc. (Physical and Mathematical) Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. Phone: +7 (3519) 29-85-78. E-mail: sman@magtu.ru
Pivovarova Ksenia Grigorievna - PhD (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. Phone: +7 (3519) 29-85-12. E-mail: kgpivovarova@gmail.com
Ponamareva Tatyana Borisovna - Engineer-technician engineering-technical center, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. Phone: +7 (3519) 58-06-44. E-mail: tatjana.ponamareva@yandex.ru
Abstract. The most important aim of metal pouring in sand-clay molds is an obtaining the clean surface of steel castings. The possibility of replacing metallurgical magnesite to scrap of high-magnesian periclase refractories is shown in the present work. The thermal method has established the presence of free calcium oxide in periclase powders. The processes of hydration of magnesite in an aqueous medium have been studied as well.
Keywords: manganese steel, burnt, paint, periclase, magnesite, gidratatsiya, refractory scrap.
Ссылка на статью:
Вдовин К.Н., Смирнов А.Н., Пивоварова К.Г., Понамарева Т.Б. Исследование свойств лома магнезитовых огнеупоров в качестве наполнителя противопригарной краски для стали гадфильда // Теория и технология металлургического производства. 2018. №1(24). С. 34-37. Vdovin K.N., Smirnov A.N., Pivovarova K.G., Ponamareva T.B. The study of the properties of magnesite refractory as a filler of antiburning-on paint for hadfield steel. Teoria i tehnologia metallurgiceskogoproizvodstva. [ The theory and process engineering of metallurgical production]. 2018, vol. 24, no. 1, pp. 34-37.
