CC BY
28Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 7 (2012 5) 737-743 УДК 621.742.4
Механоактивированные огнеупорные композиции на алюмофосфатных связующих для литейных тиглей
В.Н. Баранов*, Л.И. Мамина, А.И. Безруких, И.В. Чупров
Сибирский федеральный университет, Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1
Received 07.12.2012, received in revised form 14.12.2012, accepted 21.12.2012
В статье приведен анализ эксплуатационных свойств набивных тигельных масс в зависимости от их состава, активности компонентов и состава применяемых алюмофосфатных связующих (АФС). Найдены оптимальные режимы механоактивации графитов, а также соотношение активированных компонентов к неактивированным, позволяющее достичь показателя прочности при сохранении термостойкости композиции. Детально исследованы такие свойства, как работа адгезии, плотность, седиментационная устойчивость АФС. Установлено, что с уменьшением в составе АФС содержания гидроксида алюминия повышается кислотность и уменьшается седиментационная устойчивость. Показана зависимость прочности лабораторных образцов тиглей от температуры обжига и состава связующего.
Ключевые слова: тигли, огнеупоры, фосфатные связующие, механоактивация, природный графит, искусственный графит.
В связи с тем что литейное производство является материалоемкой отраслью, руководителям промышленных заводов, компаний и фирм приходится постоянно сталкиваться с дефицитом высококачественных материалов, что сказывается на общей экономической эффективности производства. Внедрение в литейное производство широкого спектра недорогих и недефицитных природных материалов, а также отходов различных производств служит одной из перспектив развития отрасли. Реализовать это можно за счет улучшения свойств исходных материалов в процессе их механоактивации в энергонапряженных мельницах-активаторах.
В литейном производстве основными компонентами графитсодержащих материалов для изготовления тиглей выступают природный графит, огнеупорная глина, карбид кремния и металлический кремний. Свойства этих материалов обеспечивают такие характеристики тигля, как высокая огнеупорность, теплопроводность, электропроводность, шлакоустойчи-вость и т.д. [1].
* Corresponding author E-mail address: decibeel@yandex.ru
1 © Siberian Federal University. All rights reserved
Температура, С
Рис. 1. Изменение величины энергии Гиббса для реакции Белла-Будуара
Входящий в состав тиглей искусственный и природный графит вследствие высокой теплопроводности снимает термические напряжения, а также способствует созданию большого количества подвижных плоскостей в огнеупорах [2]. Увеличение содержания доли графита в составах тиглей может значительно понизить термостойкость изделия, что объясняется активным окислением графиаа под действием атмосферного кислорода. Раачет энергии Гиббса для реарции Белла-Будувра показывает, что с повышением температуры возрастает вероятность окисление основно го комаонента ерафита - иглерода, и при температуре свыше ООО оС (ДСя < 0) он начинает активно свисияться (рие. С).
Степень снижения термоокисляемости графита зависит от структуры фосфорсодержащего аниона [3]. Для снижения степени термоокисляемости графита можно использовать фосфатные связующие, которые, адсорбируясь, блокируют активные центры на поверхности частиц груфиеа. В резильтасе адсорбции изменяются свойства поверхности и, как следствие этого, реакционная активность графита.
В лаборатории кафедры «Литейное производство» ИЦМиМ СФУ с целью получения набивных тиглей исследовались составы огнеу порных композиций на алюмофосфатных связующих (АФС) с повышенной долей углеродсодержащих материалов как в состоянии поставки, так и активированных, обладающих высокой термостойкостью и прочностью. Используемые материалы и составы алюмофосфатных связующих представлены в табл. 1, 2.
Технология изготовления АФС заключалась в следующем. В 85 %-ный раствор ортофос-форной кислоты добавляли согласно необходимой концентрации гидрооксид алюминия, затем полученный раствор нагревали до 100 °С и выдерживали при постоянной температуре в течение 30 мин, вплоть до полного растворения А1(ОН)3. Полученное связующее охлаждали и разливали по емкостям. По данной технологии получали все связующие, кроме состава АФС-2м, который по содержанию гидрооксида алюминия совпадает с составом АФС-2, отличаясь от последнего добавкой 1,38 г борной кислоты. Добавка кислоты в связующее повышает общую кислотность раствора, увеличивая степень растворимости гидрооксида алюминия в ортофос-форной кислоте, что позволяет за 2 ч равномерного перемешивания при комнатой температуре почти полностью растворить А1(ОН)3.
Таблица 1. Используемые материалы
Материал Условное обозначение Тип Марка, месторождение ГОСТ, ТУ
Углеграфитовые отходы литейного производства ГИ Искусственный ГИ -
Электродный графит ЭГ Искусственный ЭГ-0 1911-109- 052-2003
Алюмофосфатное связующее АФС - - -
Таблица 2. Составы алюмофосфатных связующих
Материалы АФС-1 АФС-2 АФС-3 АФС-4 АФС-5 АФС-2м
Ортофосфорная кислота, мл 100 100 100 100 100 100
Гидрооксид алюминия, г 17,69 26,71 35,37 44,21 53,06 26,71
Борная кислота, г - - - - - 1,38
Кислотность (Р205 / А1203) 6,37 4,22 3,19 2,55 2,12 4,22
Для оценки влияния доли активированных материалов, введенных в состав тигельных масс, на механические и огнеупорные свойства тиглей были изготовлены и исследованы образцы различных составов.
Тигельные массы смешивали в лабораторных бегунах с вертикальными катками модели 018М2. Время перемешивания составляло 6-8 мин для сухих компонентов и дополнительно 2-5 мин после добавления связующего. Активацию графитовых материалов проводили в центробежно-планетарной мельнице АГО-2.
Для оценки эксплуатационных свойств тиглей (прочности, огнеупорности и др.) в металлической матрице изготавливали образцы диаметром 20 мм и высотой 20-30 мм. Обжиг образцов осуществляли в муфельной печи при температуре 300 °С в течение 30 мин. Полученные образцы подвергали ступенчатому нагреву со скоростью не более 100 °С/ч до 400 °С и со скоростью 50 °С/ч свыше 400 °С. Не прерывая процесса нагрева при температурах 400, 600, 800 °С общей партии образцов, отбирали по три образца для определения их свойств. При этих температурах образцы выдерживали в течение 30 мин, а затем охлаждали до комнатной темпе -ратуры и проводили измерение их свойств.
Известно, что свойства готовых огнеупорных композиций не только зависят от поверхности, микрорельефа частиц и теплофизических свойств наполнителя, но также определяются свойствами связующего. Одним из свойств связующего, очень влияющим на характеристики готовых огнеупорных композиций, является работа адгезии (^А), которая определяет силы сцепления связующего с поверхностью огнеупорного наполнителя. Чем выше работа адгезии, тем лучше связующее смачивает частицы огнеупорной композиции, а следовательно, более равномерно перемешивается с огнеупорной основой, образуя после запрессовки и отжига более плотный и менее пористый композит. В исследовании адгезию
Квтлотуотть, Р205/Л1203
Рис. 1. <и-]^ я.з:ь адгезии аосфатных связующих с и>с кислотностью
оценивали черер отношение работы адгезии к работе когезии ( Ф4), определяемое по формуле [4]
№1 1+ССа0
— =--------, (1)
У0К 2 ’
где 0 - лгол смачивкния, град.
Как видно иа уравнения (1), при 1= = 1 поверхность огнеипорной композиции является
полностью смачиваемой (0 = О0).
Узол смачивания о пределяли классичесним методом лежащей кап ли. Расчеты от ношения показали, что при уменьшении кислотности связующего смачиваемость поверхности возрастает и достигает максимума при значении кислттности в 4,22 -а АФС-2 (рис. 1). Связующее, полученное холодным способом (АФС-2м), продемонстрировало хсдпгую смачиваемость по-
1 л к ^г
верхнусти: ааг = °'68.
Установлено, что полученные АФС являются седим5нтационно неустойчивыми и с течением времени более тяжелые гидроксогруппы алюминия оседают на дне емкости, что было выявлено по изменению плотности в верхних слоях связующего с 'течением времени (рис. 2). Значение плотности верхних слоев приближалось к средней плотности ортофосфорной кислоты - 1,6 г/см3. Раствор в верхних слоях был ме нее вязкими и обладал слабыми связующими свойствами, в основном представляя орто фосфорную кислоту.
На основе полученных данных для каждого состава был рассчитан коэффициент седи-ментационной устойчивости КБ (рис. 3), характеризующий скорость изменения плотности связующего со временем (г/см3-ч). Поякольку илотность АФС уменьшается, то чем меньше этот параметр, тем выше седиментационная устойчивость
Установлено (рис. 4), что с повышением кислотности, т.е. с уменьшением в составе содержания гидроксида алюминия, уменьшается седиментационная устойчивость АФС.
- 740 -
о
и
н
о
о
д
н
52
С
♦ АФС-1 ■ АФС -2 а АФС-3 х АФС -4 ж АФС-5
• АФС -2м
Время, ч
Рис. 2. Изменение плотности фесфатных связующих с течением времени
Г 0,0020
си
2
"й 0,0015
И
►Н
0,0010
Н,0005
0,0000
Рис. 3. Коэффициент седимен тационной устойчивости фосфатных свтзующих г 0,0020
со §
1а 0,0016
со
0,0012 0,0008 0,0004
0,0000
0 2 4 6 8
1Сислоттость
Рис. 4. Зависимость седиментационной устойчивости от кислотности фос фитного связующего
АФС-1 АФС-2 АФС-3 АФС-4 АФС-5 Фосфатное связующее
Рис. 5. Термические испытания образцов на фосфатных связующих
На основе данных термических испытаний углеграфитовых образцов на АФС установлено, что наибольшей прочностью обладают составы на связующем АФС-2 (рис. 5). При этом холодный способ получения фосфатных связующих не оправдал себя ввиду низкой седимента-ционной устойчивости и адгезии полученных связующих.
Иа лучших составов графитсодержащих тигельных масс в пресс-матрице изготовили литейные тигли путем холодного прессования на гидравлическом прессе огнеупорной композиции при усилии в 10 т, сушкой в течение 24 ч, с последующим обжигом в печи при 300 °С. Изготовленные тигли подвергли технологическим испытаниям в индукционной печи при рабочей температуре 750-800 °С при плавке в них сплыва АК-12.
По результатам исследований можно сделать следующие выводы:
- определены оптимальные режимы механоактивации графитов, а также найдено соотношение активированных компонентов с деактивированными, позволяющее достичь показате лей! прочности при сохранении термостойкости композиции;
- прокеден анализ фосфатных связующих, их адгезии з огнеупорам и влиянит кислотно-ст и нт адгезию» с цтнсю обеспечения важне йших свойств композиций, таких как прочность и термостойкость;
- разработаны 3-компонентные графитооксидные составы, обладающие под действием индукционного нагрева высокими эксплуатационными свойствами.
Список литературы
[1] Баранов В.Н., Гильманшина Т.Р., Безруких А.И. и др. Получение графитсодержащих наносруктурированных материалов и композиций для литейного производства Ы Литейщик России. 201 1. № 10. С. 42-45.
[2] Баранов В.Н., Мамина Л.И., Безруких А.И. и др. Механосинтезированные углеродсодержащие композиции для плавильных тиглей // Металлургия машиностроения. 2011. № 6. С. 7-11.
[3] Мамина Л.И., Гильманшина Т.Р., Новожонов В.И. и др. Способы повышения качества литейного графита отдельными и комплексными методами активации : монография. Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2011. 160 с.
[4] Гильманшина Т.Р., Мамина Л.И., Баранов В.Н. и др. Свойства литейных суспензий на основе наноструктурированных графитов // Литейное производство. 2011. № 10. С.31-34.
Mechanoactivated Refractory Compositions Based on Aluminum Phosphate Bonds for Melting Pots
Vladimir N. Baranov, Ludmila I. Mamina, Alexander I. Bezrukikh and Igor V. Chuprov
Siberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
The paper analyzes the operational properties of stuffed melting pot masses, depending on their composition, activity of the components and used composition of the aluminum phosphate bonds (APB). Found optimal regimes ofmechanical activation graphite, and also found the ratio of activated components to non-activated, allowing to achieve performance of strength when saving thermal stability of the composition. Studied in detail properties such as the work of adhesion, density, sedimentation stability of APB. It is established that a decrease in the content APB of aluminum hydroxide, increased acidity and decreased sedimentation stability. Shows the dependence of the strength of laboratory samples of melting pots from burning temperature and the composition of the binder.
Keywords: melting pots, refractory materials, phosphate binders, mechanical activation, natural graphite, artificial graphite.
