Спосіб вибору складу термостійкого кам’яного литва

Реферат: Спосіб вибору складу термостійкого кам'яного литва, шляхом вибору фігуративної точки на діаграмі Al-An-Di у полі 1300-Di-1300 °C, визначення на діаграмі кількісного вмісту в цій точці компонентів SiO2, Аl2О3, СаО, MgO, Na2O і підбору відповідного промислового мінералогічного складу, при якому виконують перерахунок - кількісно об'єднують вільний Fe2O3 з Аl2О3, а ТіО2, MnO, FeO з MgO, і після цього, за уточненим кількісним вмістом компонентів SiO2, Аl2О3, СаО, MgO, Na2O, знову визначають на діаграмі фігуративну точку, кількісний вміст в цій точці компонентів SiO2, Аl2О3, СаО, MgO, Na2O і здійснюють оцінку фізико-механічних показників, що відповідають їй. UA 77526 U (54) СПОСІБ ВИБОРУ СКЛАДУ ТЕРМОСТІЙКОГО КАМ'ЯНОГО ЛИТВА UA 77526 U UA 77526 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до вибору мінералогічного складу термостійкого кам'яного литва, працюючого в умовах підвищених температур 250-900 °C, яке може бути використане на підприємствах металургійної, хімічної, гірничо-збагачувальної, енергетичної та інших областях промисловості. При виборі складів термостійкого кам'яного литва, як правило, беруть склади відомих каменеливарних підприємств і підвищують міцнісні властивості, а відповідно і робочі температури експлуатації за рахунок введення мінералізаторів - Сr2О3, ТіО2, ZrO2, Ba2O3, Fe3C та ін. Такий спосіб підбору складу кам'яного литва тривалий в часі і вимагає проведення великої кількості фізико-хімічних досліджень (Перелік продукції, що випускається. Каталог. Першоуральский завод гірничого устаткування, 2002 р.) Найбільш близьким є спосіб вибору складу кам'яного литва (Ормонт Н.Н. О применении несимметричной диаграммы состояния для характеристики физико-химических свойств базальтов и диабазов. // Вестник Московского университета. - № 5. - 1950, прототип) із застосуванням діаграми Al-An-Di, який включає вибір на діаграмі фігуративної точки в полі діаграми 1300-Di-1300 °C, визначення на діаграмі кількісного вмісту в цій точці п'яти компонентів SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Na2O і підбір відповідного промислового складу мінералів. Спосіб вибору складу кам'яного литва, запропонований Н.Н. Ормонт, дозволяє визначити хімічний склад розплаву у будь-якій точці трикутника 1300-Di-1300, проаналізувати процеси мінералоутворення, черговість виділення мінералів і вплив окремих оксидів на технологічні і міцнісні властивості відливок. Але, як правило, шихтові матеріали, окрім основних оксидів SiO 2, Аl2О3, CaO, MgO, Na2O, в невеликих кількостях, до 6 %, містять супутні їм домішки ТіО2, MnO, FeO, Fe2O3 або Сr2О3 та ін., які спеціально вводяться. За рахунок присутності цих домішок в хімічному складі кам'яного литва зміщується фігуративна точка в полі діаграми Al-An-Di, яка відповідає цьому складу і змінюються відповідно фізико-механічні властивості кам'яного литва. У основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити спосіб вибору складу термостійкого кам'яного литва з використанням діаграми Al-An-Di за рахунок обліку домішок і перерахунку складу основних елементів, що дозволить прискорити вибір складу кам'яного литва із заздалегідь заданими характеристиками. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вибору складу термостійкого кам'яного литва, що включає вибір фігуративної точки в полі 1300-Di-1300 °C діаграми Al-An-Di, визначення на діаграмі кількісного вмісту в цій точці компонентів SiO 2, Аl2О3, CaO, MgO, Na2O і підбір відповідного промислового мінералогічного складу, згідно з корисною моделлю, потім виконують перерахунок - кількісно об'єднують вільний Fе2О3 з Аl2О3, а ТіО2, MnO, FeO з MgO, і за уточненим кількісним вмістом компонентів SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Na2O додатково визначають на діаграмі фігуративну точку і кількісний вміст в цій точці компонентів SiO 2, Al2O3, CaO, MgO, Na2O і оцінюють фізико-механічні показники, що відповідають їй. При виборі хімічного складу кам'яного литва автори спиралися на рекомендації, накопичені при його виробництві і експлуатації: 1. Чим вище температура ліквідусу розплаву над рівнем температур, при яких експлуатуються вироби з термостійкого литва, тим довше термін їх служби. 2. Число мінералогічних фаз має бути зведене до мінімуму, що знижує об'єм залишкової напруги. 3. Чим більш однорідна структура за товщиною відливання, тим нижче рівень усадкової напруги. 4. Різниця між температурою експлуатованого виробу і температурою ліквідусу має бути не менше 400 °C. Для вирішення вказаних проблем, при розробці складів термостійкого кам'яного литва автори пропонують використовувати потрійну діаграму Альбіт-анортит-діопсид (Al-An-Di) (фіг. 1), а саме ділянку, розташовану вище за лінію ліквідусу 1300-1300 °C. Як видно з діаграми таким вимогам задовольняють склади, розташовані в діопсидовому куті вище за лінію ліквідусу 1300-1300 °C. У вказаному трикутнику 1300-Di-1300 поля діаграми фігуративні точки складів 1, 2 і 3 містять компоненти в мас. %: SiO2 52,5-61,6; Аl2О3 0-12,0; СаО 16,4-27,0; MgO 10,8-18,6; Na2O 0-4,8. У таблиці 1 наведені хімічні склади фігуративних точок 1, 2, 3, 4 і 5, розрахованих за методикою Н.Н. Ормонт (діаграма Al-An-Di на фіг. 1 ). 1 UA 77526 U Таблиця 1 Хімічний склад фігуративних точок в полі діаграми Al-An-Di Найменування шихти (промисловий склад) Фігуративна точка 1 Фігуративна точка 2 Фігуративна точка 3 Фігуративна точка 4 Фігуративна точка 5 5 10 15 20 25 30 35 Вміст, % SiO2 Аl2О3 СаО MgO 100 55,5 25,9 18,6 100 60,9 8,4 14,8 10,8 5,1 100 51,4 12,4 23,6 12,6 100 54,3 9,0 21,8 13,8 1,1 100 53,0 10,6 2258 132 0,7 Na2O Fe2O3 FeO TiO2 МnО Cr2O3 Наявність на діаграмі температур ліній ліквідусу і даних в'язкості опорних точок в межах 1300-Di-1300 (фіг. 1 і фіг. 2) дозволяє проаналізувати процеси мінералоутворення, черговість виділення мінералів і вплив окремих оксидів на технологічні і міцнісні властивості відливок. В'язкісні характеристики розплавів в межах поля 1300-Di-1300 складають 60-170 пуазів. Такі розплави придатні для відливання виробів будь-якої складності. Для визначення фігуративних точок в межах поля у будь-якій точці трикутника 1300-Di-1300, автори використовували спосіб, запропонований Н.Н. Ормонт, з внесенням удосконалень, розроблених і підтверджених авторами в процесі численних лабораторних і промислових експериментів. Пропонований спосіб проілюстрований на фігурах: На фіг. 1 - представлена діаграма Al-An-Di з вказівкою вмісту хімічних компонентів; На фіг. 2 - діаграма Al-An-Di з вказівкою температурних і в'язкісних характеристик в полі діаграми 1300-Di-1300. На фіг. 3 - шаблон для визначення на діаграмі вмісту Na2O. На фіг. 4 - шаблон для визначення на діаграмі вмісту MgO. На фіг. 5 - шаблон для визначення на діаграмі вмісту СаО. На фіг. 6 - шаблон для визначення на діаграмі вмісту Аl2О3. На фіг.7 - шаблон для визначення на діаграмі вмісту SiO2. На фіг. 8 - діаграма Al-An-Di в системі координат Х-У для визначення положення фігуративної точки 4-1 з розрахованим вмістом компонентів SiO2, Аl2О3, СаО, MgO, Na2O (таблиця 1). На фіг. 9 - діаграма Al-An-Di в системі координат Х-У для визначення положення фігуративної точки 5-1 з розрахованим вмістом компонентів SiO2, Аl2О3, СаО, MgO, Na2O (таблиця 1). Приклад виконання способу: Як видно на фіг. 1 діаграма Al-An-Di складається з 5 елементів SiO2, Аl2О3, СаО, MgO, Na2O. Для прикладу вибираємо на діаграмі дві фігуративні точки 4 і 5. Визначаємо концентрації усіх компонентів у фігуративній точці на діаграмі. Для цього проводимо через неї п'ять евтектичних ліній для усіх п'яти компонентів SiO 2, Аl2О3, CaO, MgO, Na2O і відліковуємо склад на сторонах діаграми. З цією метою проводимо через точку пряму, паралельну о.е.л., і відліковуємо на сторонах діаграми Al-An-Di концентрацію компонента. Тому зручно використовувати заздалегідь заготовлені шаблони, наприклад, з картону з відповідними кутами між сторонами (фіг. 3-7). Потім готуємо з мінеральної сировини склади шихт, близьких за хімічним складом фігуративним точкам 4 і 5 (таблиця 2). 2 UA 77526 U Таблиця 2 Приклади розрахунку хімічного складу фігуративних точок 4-1 і 5-1 Найменування шихти Вміст, SiO2 Аl2О3 СаО MgO Na2O Fe2O3 FeO TiO2 МnО Cr2O3 (промисловий % склад) Фігуративна 100 54,3 9,0 21,8 13,8 1,1 точка 4 Промисловий склад: Доменний шлак 35,0 14,0 2,1 16,6 1,4 0,06 0,12 0,15 Доломіт 7,0 0,35 0,1 2,29 0,1 0,2 0,15 0,1 0,1 Пісок кварцовий 13,0 12,8 1,01 0,13 0,15 0,1 0,1 0,05 0,03 Переклазохроміт 10,0 0,48 0,12 0,15 7,7 0,6 0,2 1,81 Гранітне 35,0 25,4 5,8 0,56 0,46 1,2 0,52 0,12 0,1 відсівання 100 53,08 9,13 20,24 12,0 1,46 1,54 0,4 0,25 0,35 1,55 0,8 % Fe2O3+0,4 % FeO=1,2 % магнетит і 1,55 % Сr2О3 в подальших розрахунках не враховується 0,66 % Fe2O3+9,13 Аl2О3=9,79 Аl2О3 (загальний) Виконуємо 0,25 % ТiO2+0,35 % МnО+12,0 % MgO=12,6 % MgO (загальний) перерахунок: 97,22 53,08 9,79 20,24 12,7 1,46 Отриманий склад перераховуємо на 100 % Фігуративна 100 54,54 10,07 20,8 13,06 1,53 точка 4-1 Фігуративна 100 53,0 10,6 22,5 13,2 0,7 точка 5 Промисловий склад; Доломіт 44,0 2,1 6,8 21,8 11,09 0, 16 0,1 0,1 0,1 0,1Переклазохроміт 3,0 0,52 0,32 0,1 1,2 0,1 0,5 0,1 0,7 Вогнетривка 7,0 3,5 0,32 0,1 0,3 0,2 0,85 0,05 глина Пісок кварцовий 46,0 45.5 0,2 0,11 1,2 0,1 100 51,62 10,32 22,11 12,79 0,56 1,45 0,25 0,1 0,1 0,7 0,5 % Fe2O3+0,25 % FeO=0,75 % магнетит і 0,7 % Сr2О3 в подальших розрахунках не враховується 0,7 % Fe2O3+10,32 % Al2O3=11,02 % Аl2О3 Виконуємо (загальний) перерахунок: 0,1 % TiO2+12,79 % MgO+0,1 MnO=12,99 % MgO (загальний) 98,3 51,62 11,02 22,11 12,99 0,56 Отриманий склад перераховуємо на 100 % Фігуративна 100 52,51 11,21 22,49 13,21 0,57 точка 5-1 5 10 У виробничих умовах у складі шихт є присутніми і супутні елементи ТiO 2, MnO, FeO, Fe2O3, або Сr2О3 та ін., що спеціально вводяться, з вмістом від 1 до 6%. Вони роблять істотний вплив на процес мінералоутворення і мають бути враховані при розрахунку фігуративних точок. Для того, щоб врахувати їх при розрахунку складів фігуративних точок на діаграмі Al-An-Di, автори пропонують включити домішки до основного складу діопсидо-піроксенової фази: 1. Оксиди заліза у вигляді магнетику Fe3O4, що має температуру плавлення більше 1800°С виділяються першими і виконують роль центрів кристалізації для подальших фаз, що + + утворюються. Відомо, що тривалентні Fe3 і Аl3 ізоморфно заміщують і доповнюють один одного, до складу піроксенів. Тому незадіяний Fe2O3 об’єднуємо з Al2O3. 2. TiO2, MnO і FeO, який залишився незадіяним мають з MgO близькі розміри радіусу іонів -8 0,75-0,8210 , однакові координаційні числа - 6 і близькі показники електронегативності 170-220 ккал/гатом, що дозволяє їм, на думку авторів, разом з MgO ізоморфно заміщувати один одного у 3 UA 77526 U 5 10 15 20 25 формулі діопсиду Са (Mg, Fe, Ті, Mn) Si2O6 беручи участь в утворенні мінералогічних фаз на основі діопсиду і піроксенів. Після об'єднання вільного Fe2O3 з Аl2О3, а ТіО2+MnO+FeO з MgO робимо розрахунок фігуративних точок складів 4-1 і 5-1 за запропонованим авторами способом (таблиця 2). Далі визначаємо положення цих точок на полі діаграми Al-An-Di (фіг. 8 і 9) і за допомогою шаблонів, представлених на фігурах 3-7, знаходимо кількісний вміст в цих точках компонентів SiO2, Аl2О3, CaO, MgO, Na2O. Визначаємо фізико-хімічні показники в'язкості, що відповідають цим складам і робимо оцінку технологічних параметрів розплавів (фіг. 2). За рахунок зміни в вмісті Аl2О3 і MgO фігуративні точки складів зміщуються в область реальної в'язкості, за рахунок чого можлива більш точна оцінка мінералогічних і технологічних властивостей каменелитих виробів в процесі виробництва. Високотемпературні фази, що утворюються, магнетит, Cr 2O3, ZnO2, які є центрами кристалізації, подальшого впливу на процеси мінералоутворення не чинять, тому відсоток їх вмісту автори пропонують в подальших розрахунках не враховувати. Зразки відливань складів фігуративних точок, що знаходяться у верхній частині діаграми AlAn-Di містять до 80 % діопсиду з однорідною структурою і величиною зерна 0,1-0,15 мм. Проміжки між кристалами заповнені залишковим склом (10-15 %) і утвореннями воластоніту, тобто структура містить тільки 3 фази - діопсид, воластоніт, скло. Нижче лінії 1300-1300 структур складів фігуративних точок, які знаходяться з правого боку діаграми, поповнюються анортитовими складовими, в основному піроксенового складу, за рахунок збільшення вмісту Аl2О3, що підвищує міцнісні властивості відливань, але одночасно знижує термостійкість за рахунок скорочення вмісту СаО і MgO. З лівого боку діаграми фігуративні точки збагачуються альбітовими складовими, в основному у вигляді плагіоклазу, за рахунок збільшення вмісту Na2O і зниження кількості MgO. Помітно підвищується відсоток скла, що знижує кристалізаційну здатність розплаву, а відповідно термостійкість і міцнісні властивості відливок. У таблиці 3 наведені фізико-механічні характеристики складів кам'яного литва фігуративних точок 1, 2, 3, 4, 4-1, 5, 5-1. Таблиця 3 Фізико-механічні характеристики складів кам'яного литва Технологічні параметри Температура, °C при ліквідусі В'язкість розплаву в пуазах при ліквідусі В'язкість розплаву в пуазах при +25 °C В'язкість розплаву в пуазах при +50 °C Рідкотекучість, мм (при заповненні каналів  8 мм) Термостійкість, теплозмін, 900-20 °C на плитах 200 × 200 × 25 Міцність на стискування, МПА (на зразках 20 × 20 × 20 мм) 1 Номер фігуративної точки на діаграмі Al-An-Di 2 3 4 4-1 5 5-1 1390 1310 1280 1320 1310 1310 1305 83 234 158 165 160 146 148 80 178 138 136 130 138 140 78 148 120 120 118 128 126 45 20 40 35 35 35 34 28 16 26 28 26 24 23 200 180 300 280 300 180 220 30 35 Склади фігуративних точок 1, 2, і 3, що знаходяться в крайніх точках поля трикутника 1300Di-1300 діаграм Al-An-Di, зазвичай не використовуються, оскільки не містять оптимального складу оксидів, що забезпечують достатню термостійкість і міцність кам'яного литва. Як видно на фіг. 1 і фіг.2, фігуративна точка 4-1 розташована вище за лінію ліквідусу 13001300 °C, термостійкість і міцнісні властивості задовольняють вимогам до термостійкого литва 4 UA 77526 U 5 10 15 це означає що промисловий склад фігуративної точки 4 може бути використаний для виробництва термостійкого кам'яного литва. Фігуративна точка 5-1 розташована поблизу лінії ліквідусу 1300-1300 °C з боку Di-An діаграми Аl-An-Di. Такий склад має нижчі показники термостійкості, тому промисловий склад фігуративної точки 5 небажано застосовувати для виробництва термостійкого кам'яного литва. Необхідно підібрати новий промисловий склад фігуративної точки 5, щоб після розрахунку хімічного складу за запропонованим авторами способом, фігуративна точка 5-1 зсунулась углиб поля трикутника 1300-Di-1300 діаграми Al-An-Di. Якщо додатково проведенірозрахунки не дали позитивного результату, то необхідно вибрати нову фігуративну точку у вказаному полі діаграми і відповідно підібрати новий склад шихти. Петрографічний аналіз вибраних складів в полі 1300-Di-1300 діаграми Al-An-Di підтверджує їх високу якість (таблиця 3) і підтверджує дієвість запропонованого авторами способу вибору складу термостійкого кам'яного литва. Спосіб вибору хімічного складу термостійких каменелитих виробів із застосуванням вдосконаленої діаграми Al-An-Di апробований на каменеливарних підприємствах і може широко використовуватися фахівцями при відпрацюванні технологій. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 Спосіб вибору складу термостійкого кам'яного литва шляхом вибору фігуративної точки на діаграмі Al-An-Di у полі 1300-Di-1300 °C, визначення на діаграмі кількісного вмісту в цій точці компонентів SiO2, Аl2О3, СаО, MgO, Na2O і підбору відповідного промислового мінералогічного складу, який відрізняється тим, що потім виконують перерахунок - кількісно об'єднують вільний Fe2O3 з Аl2О3, а ТіО2, MnO, FeO з MgO, і після цього, за уточненим кількісним вмістом компонентів SiO2, Аl2О3, СаО, MgO, Na2O, знову визначають на діаграмі фігуративну точку, кількісний вміст в цій точці компонентів SiO2, Аl2О3, СаО, MgO, Na2O і здійснюють оцінку фізикомеханічних показників, що відповідають їй. 5 UA 77526 U 6 UA 77526 U 7 UA 77526 U 8 UA 77526 U 9 UA 77526 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10