CC BY
28
УДК 666.965.2
И.Н. Тихомирова, А.В. Макаров
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 * e-mail: Makarov_otc@bk.ru
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОТХОДОВ ХТС-МЕТОДА ФОРМИРОВАНИЯ ФОРМОВОЧНЫХ МАСС ДЛЯ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК В КАЧЕСТВЕ СЫРЬЯ В ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЕСТКОВО-КВАРЦЕВЫХ ВЯЖУЩИХ АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ
Настоящая работа посвящена исследованию возможности получения высокопрочных автоклавных прессованных изделий на основе отходов формовочных масс по ХТС-методу, используемых при литье в черной металлургии. Рассмотрено влияние активности формовочной массы на итоговые показатели прочности. Проведено термогравиметрическое исследование, как самих сырьевых материалов, так и продуктов их гидратации. В ходе работы установлено, что эти отходы могут являться весьма ценным сырьём для производителей изделий автоклавного твердения. Однако, требуются более глубокие исследования, направленные, в первую очередь, на уточнение рецептуры шихты и фазового состава связующего.
Ключевые слова: строительные материалы, известково-кварцевые вяжущие, автоклавная обработка, техногенные отходы.
В настоящее время, отливка массивных стальных изделий ведётся в песчаные формы, связкой в которых может являться глина, жидкое стекло, органическая смола. Данная работа посвящена вопросам утилизации отходов от формовочных масс на основе жидких стёкол. При формировании такой формы, песок смешивается с отвердителем для жидкого стекла (чаще всего для этого используются сложные эфиры органических кислот и гликоли), затем в полученную массу добавляют 3-5 % жидкого стекла. После перемешивания, масса подаётся в формовочный ящик, где расположена модель. После кратковременного виброуплотнения, и сушки при 85
о Г*
С в течение получаса, можно снимать слепок с модели, т.к. прочность песчаной смеси уже достаточна. В полученный слепок и происходит отливка стали. В ходе подачи расплава, происходит частичное разрушение жидкостекольной свзки. Следствием этого является низкая остаточная прочность формы, обеспечивающая достаточно лёгкое извлечение отливки. Т.к. этот способ не требует отдельных мощных тепловых агрегатов для обработки форм, то метод получил название метод холодно-твердеющих смесей (ХТС-метод) [1].
При отливке, жидкое стекло разрушается и расплав силиката натрия формирует на поверхности зёрен песка тонкую плёнку. Эта плёнка, из-за повышенной щёлочности, действует как минерализатор, приводя к формированию на поверхности кварца кристобалита и тридимита. Этот рыхлый, обогащённый щёлочью слой удаляют путём оттирки и сепарации на циклонах. В результате получается два продукта: пыль и регенерированный песок, который, однако, не весь вводится в состав новых формовочных масс. Его количество составляет до 40%, т.к. иначе прочность слепков с
модели сильно падает. Сейчас, как таковой, утилизации этих отходов не существует. Излишки регенерированного песка идут на просыпку дорог, а пыль, ввиду её высокой щёлочности и тонкости, вывозят на полигоны где и закапывают.
Таким образом, возникла мысль о возможности применения указанных выше отходов в производстве силикатных изделий автоклавного твердения. Ведь основу известково-кварцевого вяжущего составляет тонкомолотый кварц, а в качестве интенсификатора твердения, иногда вводят щёлочь [2].
Петрографическое исследование показало, что циклонная пыль имеет размер 2-15 мкм и помимо а-кварца, имеет почти 50% частиц фаз кристобалита и тридимита (в соотношении около 1:3). Регенерированный песок также имеет на поверхности частиц неравномерно распределённые тридимитизированные участки, доля которых составляет около 5% от общей площади песка. Т.к. кристобалит и тридимит при обычных условиях являются фазами метастабильными, то можно ожидать их более активного растворения и взаимодействия с гидроксидом кальция в гидротермальных условиях с образованием гидросиликатного (ГСК) связующего по сравнению с кварцем.
В качестве объекта исследования выступали известково - кварцевые вяжущие, полученные путём совместного перемешивания циклонной пыли и извести, содержащие 10, 20 и 30% СаО. Полученные смеси разбавлялись регенерированным песком в соотношениях 2/8, 3/7, 4/6 после чего загашивались водой. В остывшие массы дополнительно вводилось 8% воды, после чего происходила формовка образцов - цилиндров, диаметром 28 и высотой 20 мм. Отдельно, также были отформованы цилиндры
неразбавленных известково-кварцевых вяжущих. Давление прессования составляло 100 кгс/см2, условия автоклавриования: 185 оС при 8 часах изотермической выдержки.
После автоклавирования были измерены пределы прочности при сжатии для образцов растворов (рис. 1), а образцы чистых вяжущих были подвергнуты ДТА - исследованию (рис. 2).
45
л
| 40
| 35
| 30
5
£ 25
х
I 15 а
О
0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 040 0.45
Доля вящпцего в растворе
♦— Активность б яжуц^его - 30% —■—Активность б яхущегп - 20% |
Рис. 1. Зависимость предела прочности на сжатие образцов растворов от количества вяжущего
Как видно из рисунка, с увеличением количества вяжущего и его активности, прочность материала нарастает, достигая отметки в 40 МПа, что является весьма неплохим результатом. Причём с нижней стороны, активность вяжущего ограничена 10%, т.к. при этом содержании СаО образцы были все размыты и прочности не имели. Однако, дальнейшее увеличение активности вяжущего и его количества не имеет смысла, ввиду дороговизны извести.
Дифференциально - термический анализ известково-кварцевых вяжущих различной активности, позволил в некоторой степени судить о природе гидратного связующего, формирующегося в ходе автоклавирования (рис. 2). Для облегчения идентификации тепловых эффектов, были также сняты дериватограммы сырьевых материалов (рис.
3).
В первую очередь, стоит отметить, что, не смотря на обилие тепловых эффектов, эндоэффект соответствующего дегидратации портландита отсутствует (рис. 3б), т.е. вся известь вошла в состав новообразований. С увеличением количества извести в смеси, интенсивность тепловых эффектов в интервале 300 - 450 оС возрастает. Эти эффекты соответствуют процессам происходящим в гидратированной пыли (рис. 3 а). Вполне возможно, что это изменение интенсивности связано с разложением смешанных натрий-кальциевых гидросиликатов, формирующихся при гидратации пыли в растворе Са(ОН)2. Явный экзоэффект сопровождающийся потерей массы в интервале 350 - 400 оС скорее всего связан с выгоранием остаточного углерода, оставшегося от отвердителей и модификаторов жидких стёкол, т.к. обнаруживается при съёмке чистой пыли (рис. 3 а) и явно зависит от её количества.
3 100 200 300 4С 500 600 700 000 900 10
0 100 200 300 } 44 500 600 700 И0 900 10 /Л
0 100 200 300 / 40 50СГ 600 700 (00 900 10
Рис. 2. Термограммы образцов известково-кварцевого вяжущего с активностью: (а) 10%; (б) 20%; (в) 30% прошедших автоклавную обработку
Рис. 3. Термограммы сырьевых материалов: (а) гидратированной в автоклаве циклонной пыли и (б) гашеной извести
С увеличением количества извести в вяжущем экзотермический эффект, соответствующий синтезу волластонита (720 оС) исчезает, при этом, более интенсивно прорисовывается эффект при 480 оС, соответствующий разложению а-гидрата С2S. Эндоэффект при 760 - 820 оС, увеличивающийся и смещающийся в сторону более высоких температур, по мере увеличения количества извести, может быть связан с разложением у-гидрата C2S, а его постепенное смещение в сторону больших температур обусловлено изменением количества гидратной воды. Набор незначительных эндоэффектов в интервале 200 - 350 оС связан с дегидратацией смешанных натрий-кальциевых гидросиликатов. При этом смещение пиков в большую сторону при увеличении количества СаО в системе указывает на уменьшение натрий-кальциевого отношения в синтезируемых продуктах. Также на всех термограммах присутствует эффект полиморфного перехода Р-кварца в а -кварц при 575 оС [3].
Таким образом, дифференциально-термический анализ связующего показал, что, не смотря на полное усвоение извести в новообразования за время автоклавной обработки, формируются
преимущественно двухосновные или полуторные ГСК. Причиной этому могут являться катионы Na+, выходящие в жидкую фазу при растворении поверхности зёрен кварца и, особенно, частиц пыли.
На основании проделанной работы, можно сделать заключение, что, не смотря на достаточно высокоосновный характер связующего,
получающегося в ходе гидратации отходов формовочных масс сталелитейного производства в присутствии извести, на их основе можно получать прочные силикатные изделия автоклавного твердения. При этом решаются также важные экологические проблемы по утилизации отходов, кроме того, за счет их использования можно повысить рентабельность производства силикатного кирпича.
Тихомирова Ирина Николаевна к. т.н., доц. кафедры общей технологии силикатов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Макаров Алексей Владимирович к.т.н., ассистент кафедры общей технологии силикатов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1.Борсук П. А., Лясс A.M. Жидкие.самотвердеющие смеси. М.:, Машиностроение, 1979, - 255 с.
2.Матулис Б.Ю., Матулите В.Б. Влияние едкого натрия на процессы образования автоклавного цементирующего вещества сб. науч. тр./ Ин-т ВНИИ Теплоизоляция. - Вильнюс, 1976. Вып.8. с. 131-140.
3.Горшков В.С., Тимашев В.В., Савельев В.Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. М.: Высшю школа, 1981. с.292 - 311.
Tihomirova Irina Nikolaevna, Makarov Alexey Vladimirovich* D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: Makarov_otc@bk.ru
ABOUT THE POSSIBILITY OF THE USE OF CHM - FORMING METHOD OF FORMING THE MASSES OF WASTE FOR STEEL CASTINGS AS A RAW MATERIAL IN TECHNOLOGY OF LIME- SILICA BINDERS AUTOCLAVED.
Abstract
The present work is devoted to research the possibility of obtaining high-autoclave extruded products based on waste molding compounds for CHM-methods used in the casting of ferrous metallurgy. The effect of the activity of the molding material at the bottom line strength. A thermogravimetric study of both the raw materials and products of their hydration. The work established that the waste can be a valuable raw material for producers of goods autoclaved. However, more profound research directed, primarily, to clarify the formulation batch and the binder phase composition.
Key words: building materials, lime-quartz binders, autoclaving, technogenic waste.
