автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка шлако-каменных сплавов на основе металлургических отходов для производства износо- и коррозионностойких отливок

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Основные физико-химические свойства петрургических расплавов.

1.2. Особенности процессов кристаллизации каменного литья.

1.3. Петрургическое сырье и его оценка.

1.4. Особенности процессов плавки и технологии литейной формы для получения шлако-каменных отливок.

1.4.1. Процесс получения расплава.

1.4.2. Особенности технологии литейной формы для получения шлако-каменных отливок.

1.5. Взаимосвязь химического состава и технологических факторов со структурой и механическими свойствами отливок.

1.6. Цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ.

2.1. Выплавка опытных сплавов, заливка форм.

2.2. Определение износостойкости.

2.3. Определение стойкости к агрессивным средам.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЛИТЫХ МИНЕРАЛОВ.

3.1. Исследование износостойкости литых минералов.

3.1.1. Связь износостойкости минералов с их механическими свойствами.

3.1.2. Влияние химического состава на структуру и свойства.

3.2. Исследование стойкости литых минералов к воздействию агрессивных сред.

3.2.1. Влияние вида и концентрации агрессивной среды на стойкость литых минералов.

3.2.2. Влияние химического состава литых минералов на стойкость к воздействию агрессивных сред.

3.3. Сравнительная оценка специальных свойств чистых металлов, металлических сплавов и литых минералов.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ.

4.1. Особенности кристаллизации ышаколитых изделий.

4.1.1. Кристаллизация и затвердевание отливок из шлаковых сплавов.

4.1.2. Термическая обработка отливок из шлаковых сплавов.

4.2. Износостойкость шлаковых сплавов.

4.2.1. Связь износостойкости шлаковых сплавов с их механическими свойствами.

4.2.2. Влияние химического и фазового составов на износостойкость шлаковых сплавов.

4.3. Стойкость к воздействию агрессивных сред шлаковых сплавов.

4.3.1. Влияние вида и концентрации агрессивной среды на стойкость шлаковых сплавов.

4.3.2. Влияние химического и фазового составов на стойкость шлаковых сплавов к воздействию агрессивных сред.

4.4. Разработка составов шлако-каменных сплавов.

4.5. Сравнительная оценка специальных свойств чистых металлов, металлических и шлаковых сплавов.

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ОПРОБОВАНИЕ НОВЫХ ШЛАКОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ОТЛИВОК.

Для повышения эксплуатационной стойкости и долговечности агрегатов, механизмов и их узлов, работающих в условиях абразивного износа и химической коррозии, большое значение имеет создание и внедрение материалов и изделий, превосходящих по свойствам другие известные материалы и, в первую очередь, черные и цветные металлы. Необходимость в таких материалах вызывается также тем обстоятельством, что в современной промышленности оборудование работает в сложных условиях, при высоких температурах и давлениях и повышенном воздействии агрессивных сред [1 - 5].

Среди синтетических материалов наиболее эффективным заменителем металлов является шлако-каменное литье (петрургия) [6-11].

Шлако-каменное литье является искусственным силикатным кристаллическим материалом, получаемым плавлением горных пород или шлаков с соответствующими добавками, формированием из расплава изделий с последующей их термообработкой и получением необходимой структуры и механических свойств.

Комплексное использование сырья имеет особое значение для такой мате-риалоемкой отрасли промышленности, как черная металлургия, где при выплавке чугуна, стали и ферросплавов неизбежно образуется большое количество технологических отходов. Из них 80 % приходится на шлаки, которые образуются из пустой породы железорудных материалов, флюсов, золы топлива, а также продуктов окисления металлов и примесей.

Проблема защиты окружающей среды существует как в процессе текущего производства, так и в процессе хранения и складирования отходов в отвалах, которые выделяют в атмосферу пыль и газы. Кроме того, отвалы оказывают вредное воздействие на поверхностные и грунтовые воды вследствие высокой основности шлаковых материалов и содержания в них сульфидов. Водная вытяжка шлаков имеет рН 2,5 - 3,5 и обычно содержит гидросульфиты. Шлаковые отвалы приводят к устойчивому загрязнению почв и вод в прилежащих районах. Решение этой проблемы осуществляется путем переработки шлаков текущего производства и шлаков, находящихся в отвалах. Но применяемые способы переработки не позволяют полностью решить эти проблемы, так как после обработки, как правило, магнитной сепарацией извлекается и используется не более 30 %, остальное уходит в отвалы, поэтому шлаки необходимо подвергать более полной переработке. Одним из вариантов решения этой задачи является использование безотходной технологии, т.е. получение из шлаков литых изделий.

Использование по отдельности различных видов отходов (сталеплавильный шлак, доменный шлак, хвосты сухой и мокрой магнитной сепарации, золы ТЭЦ и т.д.) требует большого количества подшихтовочных материалов (кварцевый песок, горные породы, чистые оксиды и т.д.) для получения стабильной структуры, устойчивой во времени. Поэтому желательно комплексное использование разных видов отходов ввиду их различного химического состава, с незначительным добавлением подшихтовочных материалов [12-15].

Выполненная диссертационная работа посвящена исследованию и разработке состава и технологии получения шлако-каменных литых изделий из отходов производства, обеспечивающих стабильное получение сплавов с регламентированными структурой и свойствами в готовых изделиях.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Комплексное исследование особенностей формирования структуры и свойств сплавов, полученных из различных видов шлаков и чистых оксидов путем их совместного расплавления. Разработка составов шлако-каменных сплавов и совершенствование технологии получения закристаллизованных отливок специального назначения.

Основное внимание было уделено решению следующих задач: изучению износостойкости и стойкости к воздействию агрессивных сред литых минералов, как непосредственных представителей основ шлако-каменного литья; выявлению взаимосвязи между химическим составом минералов, их твердостью, механизмом износа, износостойкостью и стойкостью к воздействию агрессивных сред; изучению влияния температурно-временных параметров на формирование закристаллизованного шлако-каменного литья; изучению износостойкости и стойкости к воздействию агрессивных сред сплавов на основе отходов производства; выявлению взаимосвязи между химическим, фазовым и минералогическим составами сплавов на основе отходов производства, их твердостью, механизмом износа, износостойкостью и стойкостью к воздействию агрессивных сред; получению математических зависимостей, описывающих взаимосвязь химического, фазового и минералогического составов, твердости, износостойкости и стойкости к агрессивным средам, позволяющих прогнозировать и рассчитывать их служебные свойства; разработке новых составов шлако-каменных сплавов на основе отходов металлургического производства для изготовления отливок специального назначения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА: теоретически и технологически обоснована возможность получения литых закристаллизованных изделий из сплавов на основе отходов металлургического производства, в частности, на основе шлаков; установлено, что для получения в шлаковых отливках необходимых свойств, степень их закри-сталлизованности должна составлять 85 - 90 % при наличии 10 - 15 % остаточного стекла, играющего роль связующего; экспериментально обоснованы температурно-временные параметры получения кристаллической структуры в отливках из шлако-каменных сплавов на основе отходов металлургического производства; 9 установлено влияние химического и фазового составов на механизм разрушения отливок из литых минералов и шлако-каменных сплавов из отходов производства в условиях абразивного износа и агрессивных сред; получены номограммы для определения износостойкости литых минералов и шлако-каменных сплавов на основе отходов металлургического производства по их механическим характеристикам.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ состоит в том, что использование полученных теоретических и технологических разработок позволило широко применить в качестве сырья для шлако-каменного литья отходы производства без дополнительного введения природных материалов.

Определен ряд важных механических свойств литых минералов и шлаковых сплавов, которые определяют их износостойкость и позволяют прогнозировать ее значение. Получены адекватные математические зависимости взаимосвязи химического состава, структуры, свойств, износо- и коррозионностой-кости литых минералов и шлаковых сплавов, которые могут использоваться для выбора их новых составов.

По результатам работы создан состав шлако-каменного сплава для изготовления рабочих органов грунтовых насосов и других отливок специального назначения, который опробован в производстве и рекомендован к внедрению.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основании теоретических данных и экспериментальных исследований, проведенных на литых минералах и шлако-каменных сплавах можно сделать следующие основные выводы:

1. Теоретически и экспериментально доказана возможность изготовления отливок из закристаллизованных сплавов на основе отходов производства. Установлено, что для достижения в отливках требуемых свойств, степень их закристаллизованности должна составлять 85 - 90 % при наличии 10 - 15 % стекловидной фазы, играющей роль связующего.

2. Изучен механизм абразивного износа отливок из минералов и шлако-каменных сплавов. Установлено, что процесс разрушения поверхности отливок под действием абразива является многоцикловым со следами усталости. Это связано с высоким значением коэффициента твердости (Ктв>05) отливок, что исключает прямое внедрение абразивных частиц в их поверхность. Проявляется в основном их царапающее действие, проскальзывание и перекатывание, что приводит к усталостному износу.

3. Исследован механизм разрушения отливок из литых минералов и шлако-каменных сплавов при действии на них агрессивных сред - кислотных и щелочных. Установлено, что стойкость отливок в агрессивных средах определяется главным образом коэффициентом кислотности, при этом повышение кислотности шлако-каменных отливок способствует укреплению кремне-кислородного каркаса, что приводит к повышению их стойкости к воздействию кислот и щелочей.

4. Изучен процесс первичной кристаллизации отливок из шлако-каменных сплавов и установлено влияние химического состава на способность к кристаллизации у шлаков с различным коэффициентом кислотности. Выявлено, что с ростом кислотности кристаллизационная способность снижается, в связи с затруднением появления центров кристаллизации и дальнейшего их роста.

163

5. Исследовано влияние параметров термической обработки на перекристаллизацию отливок из шлаковых сплавов. Получены четкие зависимости влияния времени и температуры выдержки на перекристаллизацию шлако-каменного литья в процессе термической обработки. Увеличение времени и температуры выдержки способствует росту кристаллов и увеличению кристаллической фазы в целом. Дан анализ комплексного влияния этих параметров и определен температурно-временной режим перекристаллизации отливок. Температура может варьироваться в пределах 800 - 950 °С, а время выдержки от 15 до 45 мин.

6. Разработаны практические рекомендации по варьированию температурно-временными параметрами и химическим составом сплавов с целью получения шлакового литья с заданными свойствами при наименьших затратах.

7. Разработаны составы шлако-каменных сплавов на основе исследуемых шлаков и даны технологические рекомендации по их применению для изготовления отливок специального назначения.

8. Сравнительные исследования шлако-каменных и специальных металлических сплавов (чугунов и сталей) по сопротивлению к воздействию абразива и агрессивных сред показало преимущества первых, что позволяет рекомендовать их для производства отливок специального назначения.

164

Заключение

Исследования литых минералов и шлакового литья имеют большое значение не только для повышения срока службы машиностроительного, горно-металллургического и строительного оборудования, но и для улучшения экологической обстановки регионов, связанных с интенсивной производственной деятельностью. Подобные исследования проводились ранее, чаще всего применительно к отдельным видам горных пород и отходов производства. В то же время, для развития понимания всех процессов получения шлако-каменных литых изделий с наличием требуемых эксплуатационных свойств необходим более широкий подход к комплексному изучению этого рода материалов.

В данной диссертационной работе предпринята попытка изучения эксплуатационных свойств литых минералов, а затем и шлаков. Проследить за изменением этих свойств под влиянием химического состава и технологических факторов. Кроме того, проведена сравнительная оценка исследуемого материала и предполагаемого конкурента по параметрам эксплуатационных свойств.

В работе дан анализ влияния химического состава на технологические свойства и степень закристаллизованности, как каждого оксида в отдельности, так и всего комплекса. Исследовано влияние технологических параметров, на основании чего были построены диаграммы для практического пользования. Выявлен и рассмотрен механизм изнашивания, химического разрушения и кристаллообразования .

Представленные в диссертации данные позволяют более полно представить процессы, протекающие при формировании структуры, свойств и эксплуатации шлако-каменного литья на основе отходов производства.

165

1. Липовский И.Е., Дорофеев В.А. Основы петрургии. М.: Металлургия, 1972.-320 с.

2. Неметаллические литые изделия и материалы: Сб. науч. тр. Киев, 1988.- 104 с.

3. Хан Б.Х., Быков И.Ч. Производство и применение каменного литья. -Киев.: Наукова думка, 1968. 42 с.

4. Липовский И.Е., Дорофеев В.А. Камнелитейное производство М.: Металлургия, 1965. — 199 с.

5. Эффективность использования промышленных отходов в строительстве / Под ред. Рекитара Я.А. М.: Стройиздат, 1975. - 184 с.

6. Использование шлаков черной металлургии в народном хозяйстве: Труды УНИИЧМ / Под ред. Довгопола В.И. Свердловск, 1984. - 142 с.

7. Воробьев М.Л., Волекий Д.Х., Исаев А.С. Новое в камнелитейном производстве // Литейное производство. 1972. - № 5. - С. 38.

8. Хан Б.Х. Проблемы производства и использования каменного литья в народном хозяйстве // Проблемы каменного литья. Киев, 1975. - Вып.3. 142 с.

9. Неметаллические литые изделия и материалы: Сб. науч. тр. «АН УССР Институт проблем литья». Киев, 1988. - 124 с.

10. Романенко А.Г. Металлургические шлаки. М.: Металлургия, 1977. -200 с.

11. Шлаки черной металлургии: Труды УНИИЧМ. Свердловск, 1980. - т. 32.- 120 с.

12. Свойства, способы переработки и использования шлаков черной металлургии: Темат. отрасл. сб. Свердловск, 1986. - 100 с.

13. Лебедева Г.А., Озерова Т.П. О возможности использования эгирино-вого концентрата в каменном литье // Комплексное использование минерального сырья. 1984. - № 6. - С. 48 - 50.

14. Чечулин В.А., Новиков A.M., Балин B.C. Пути повышения качества износостойких каменных отливок из уральского горнблендита // Повышения качества и надежности литых деталей. .Свердловск, 1971. - С. 47-49.

15. Вераксич A.M. Абразивная и химическая стойкость каменного литья // Литейное производство. 1974. - № 8. - С. 42.

16. Быков И.И., Богатырева С.Н. Базальтовое каменное литье повышенной стойкости // Стекло и керамика. 1990. - № 4. - С. 24 - 25.

17. Горшков B.C. Комплексная переработка и использование шлаков в строительстве. М.: Стройиздат, 1985. - 272 с.

18. Хан Б.Х. Литье из окисных сплавов // Литейное производство. 1979. -№5.-С. 17-18.

19. Вагин В.В. Каменное литье. М.: Машгиз, 1962. - 256 с.24.3аридзе Г.М. Петрография: Учебник для вузов.-М.: Недра, 1988.-478 с.

20. Годовиков И.М. Минералогия: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1989.-530 с.

21. Бондарев В.П. Основы минералогии и кристаллографии: Учебное пособие педагогических вузов. М.: Высшая школа, 1978. - 192 с.

22. Химическая технология стекла и ситаллов: Учебник для вузов. Под ред. Н.М. Павлушкина. М.: Стройиздат, 1983. - 432 с.

23. Кораблин В.П., Хан Б.Х. Взаимосвязь вязкости и жидкотекучести силикатных расплавов // Литейное производство. 1966. - № 6. - С. 40.

24. Липовский И.Е. Свойства изделий из каменного литья. М.: Металлургия, 1967. - 86 с.

25. Шлаки черной металлургии: Труды УНИИЧМ. Свердловск, 1978. - т. 32. - 129 с.31 .Чечулин В.А., Ковалев Ю.Г. Свойства силикатных расплавов для производства каменных отливок // Литейные свойства металлов и сплавов. -М.: Наука, 1967. С. 58 - 61.

26. Быков И.И. Исследование некоторых физико-механических и тепло-физических свойств каменного литья в упругом и пластичном состояниях // Литейные свойства сплавов. Киев, 1972. - С. 32 - 35.

27. Хан Б.Х., Стороженко М.Б. Оценка технологических характеристик петрургических расплавов при использовании пироксеннового модуля // Проблемы каменного литья. Киев, 1975. - Вып. 3. - С. 27 - 28.

28. Нашельский A.M. Электропроводность каменного литья при высоких температурах // Литейное производство. 1965. - № 2. - С. 42 - 43.

29. Чечулин В.А., Балин B.C., Нашельский A.M. Исследования вязкостных свойств расплавов для каменного литья // Свойства расплавленного металла. М.: Наука, 1974. - С. 134 - 137.

30. Оценка линейной усадки шлаков для металлошлаковых труб // Литейное производство / С.Н. Миллер, И.Я. Чернявский, В.В. Останин, Ю.М Климов. 1971. - № 1.-С. 28-29.

31. Хан Б.Х. Об усадочных явлениях в каменном литье // Усадочные процессы в сплавах и отливках. Киев.: Наукова думка, 1970. - С. 78 - 80.

32. Хан Б.Х. Особенности кристаллизационных процессов при получении каменного литья // Литейные свойства сплавов. Киев, 1972. - С. 178 — 180.

33. Хан Б.Х. Проблемы кристаллизации в каменном литье // Проблемы каменного литья. Киев, 1982. - С.З - 26.

34. Панфилов М.И., Школьник Я.Ш. Переработка отходов и безотходная технология в металлургии. М.: Металлургия, 1987. - 238 с.

35. Комплексная переработка шлаков металлургического производства. Труды УНИИЧМ. Свердловск, 1982. - 150 с.

36. Липовский И.Е., Дорофеев В.А. Каменное и шлаковое литье для обогатительных фабрик. М.: Недра, 1969. - 87с.

37. Чечулин В. А., Новикова А. И. Влияние условий плавки на свойства каменного литья // Свойства сплавов в отливках. М.: Наука, 1975. - С. 38-41.

38. Троянкин Ю.В., Тимофеева Л.К., Смирнов В.М. Циклонная плавка в технологии производства термостойкого каменного литья // Стекло и керамика. 1978. - № 6. - С. 9 - 10.

39. Парасюк П.Ф. Плавильные печи для камнелитейного производства // Литейное производство. 1975. - № 9. - С. 20 - 22.

40. Парасюк П.Ф. Совершенство технологии каменного литья // Литейное производство. 1977. - № 2. - С. 14.

41. Отливка футеровочной плитки в подогретые песчаные формы // Литейное производство / В.А. Чечулин, Ю.Г. Ковалев, А.И. Новиков, В.Г. Коваленко. 1966. - № 8. - С. 13 - 16.

42. Литье в кокиль крупногабаритных каменных фасонных отливок // Литейное производство / И.И. Быков. В.В. Вагин, А.Г. Малявин, Ж.Д. Богатырева. 1969. - № 2. - С. 35 - 36.

43. Вераксич A.M. Влияние толщины отливки на термостойкость // Литейное производство. 1973. - № 1. - С. 40.

44. Катков В.И. Применение каменного литья для футеровки бегунов // Огнеупоры. 1977. - № 1. - С. 60.

45. Старых П.В. Технология получения каменных плит методом допрес-совки // Проблемы каменного литья. 1982. - С. 27 - 35.

46. Быков И.И., Новикова A.M. Особенности теплового напряженного состояния плит в процессе формирования // Процессы литья. 1991. -С. 88-93.

47. Дорофеев В.А. Производство камнелитных труб статическим методом // Литейное производство. 1965. - № 3. - С. 47.

48. Чернявский И .Я., Миллер С.Н. Центробежное литье труб из шлаковых расплавов // Литейное производство. — 1966. № 2. - С. 3 - 4.

49. Центробежное литье каменных труб большого диаметра // Литейное производство / Э.И. Рут, В. А. Чечулин, А.И. Новиков, B.C. Балин, В.И. Григоров, С.Н. Васиков, А.А. Сазонов. 1971. - № 9. - С. 37-38.

50. Парасюк П.Ф., Селютин Е.С. Снижение и исправление брака камне-литых труб большого диаметра // Литейное производство. 1973. - № 1. -С. 31-32.

51. Разработка технологии фасонного горблендитового литья // 2-я науч.-техн. конф. УПИ. Тез. докл. секции метфака/ В.А. Чечулин, А.А. Сазонов, A.M. Новиков, B.C. Балин. Свердловск, 1968. - С. 35 - 36.

52. Чечулин В.А., Ковалев Ю.Г. Заполнение закрытых литейных форм для каменного литья // Повышение производительности труда в литейном производстве. М.: Наука, 1969. - ч. 2. - С. 97 - 99.

53. Технологические особенности получения фасонных каменных изделий // Технология и организация производства / Б.Х. Хан, И.И. Быков, А.Г. Малявин, Н.И. Назаренко, В.Д. Куликов. 1970. - № 3. - С. 57 -59.

54. Вераксич A.M. Влияние конфигурации отливок на их термостойкость // Литейное производство. 1972. - № 11. - С. 40 - 41.

55. Технологические свойства силикатных расплавов на основе минеральных шихт для производства каменных отливок: Труды УПИ. Свердловск, 1965. - 145 с.

56. Чечулин В.А., Новиков А.И., Карпов В.М. Совершенствование каменного производства и пути снижения металлоемкости и трудоемкости при создании изделий. М.: Наука, 1979. - 235 с.

57. Проблемы каменного литья: Сб. науч. тр. Института проблем литья АН УССР. Киев, 1982. - 120 с.

58. Чечулин В.А., Карпов В.М. Особенности технологии изготовления каменных изделий // Вопросы теории и технологии литейных процессов. Комсомольск на Амуре, 1985. - С. 110 - 113.

59. Ковалев Ю.Г., Чечулин В.А. Гидравлический расчет литниковых систем каменных отливок // Литейное производство. 1967. - № 4. - С. 22 -25.

60. Чечулин В.А., Ковалев Ю.Г. Определение пропускной способности литниковых систем для каменного литья // Литейное производство.1969,-№9.-С. 40.

61. Чернявский И.Я. Расчет заполнения форм каменных отливок // Литейное производство. 1975. - № 9. — С. 27 - 28.

62. Быков И.И., Новикова A.M., Ларенко Л.Ф. Напряжения в каменных отливках // Повышение надежности и долговечности литых деталей. -Киев, 1987.-С. 35-37.

63. Тимофеева Л.К. Деколит новый отделочный материал каменного литья // Стекло и керамика. - 1983. - № 4. - С 31 - 34.

64. Вераксич A.M. Химическая стойкость каменных отливок в водных растворах кислот и щелочей // Литейное производство. 1972. - № 12. - С. 34-35.

65. Куликов В.Д. Изучение износостойкости каменного литья в газоабразивной среде // Усовершенствования процессов литья фасонных отливок.-Киев, 1976.-С. 151-153.

66. Куликов И.С. Свойства и структура шлаковых расплавов. М.: Наука,1970. 120 с.172

67. Хан Б.Х., Быков И.И. Исследования ползучести каменного литья // Проблемы прочности. 1983. - № 6. - С. 81 - 85.

68. Хрущев М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. М.: Наука. 1970. - 252 с.

69. Иванько А.А. Справочник Твердость. Киев: Наукова думка, 1968. -125 с.

70. Обработка сплошных и слоистых материалов: меж. Вуз. Сб. науч. тр. Под ред. Г.С. Гуна. Магнитогорск, 1998. - 186 с.

71. Абразивная износостойкость литых сталей и чугунов / В.М. Колокольцев, В.В. Бахметьев, К.Н. Вдовин, В.А. Куц. -М.: Наука, 1997. 148 с.

72. Повышение износостойкости горно-обогатительного оборудования. Под ред. Н.С. Пенкина. М.: Недра, 1992 - 270 с.