Вибір оптимальних технологічних параметрів воготовлення шамотних вогнетривів для футеровки вагранок марки ШБВ

3. Вибір оптимальних технологічних параметрів воготовлення шамотних вогнетривів для футеровки вагранок марки ШБВ

 

Згідно з аналізом умов служби шамотних вогнетривів для футеровки вагранок були встановлені взаємозв’язані визначальні показники властивостей цих виробів: границя міцності при стиску і відкрита пористість, які обумовлюють експлуатаційні властивості шамотних вогнетривів для футеровки вагранок.

Для вибору оптимальних технологічних параметрів виготовлення шамотних вогнетривів для футеровки вагранок з відкритою пористістю 21,7% було реалізовано експеримент з виготовлення шамотних вогнетривів за наступними параметрами:

Речовинний склад шихти:

- безперервний тип укладки зерен:

шамот фр. 3-0 мм – 85%,

глина фр. 2-0 мм – 15%;

- перервний тип укладки зерен:

шамот фр. 3-0,5 мм – 65%,

суміш сумісного помелу – ССП (шамот – 70%, глина – 30%)

фр.< 0,088 мм – 35%

- вологість маси – 5% і 7,5%;

- тиск пресування – 20 Н/мм² і 100 Н/мм²;

- максимальна температура випалу виробів – 1450⁰С.

Результати визначення показників властивостей шамотних виробів для футеровки вагранок наведено в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1 – Вихідні дані і показники властивостей виробів

Принцип укладки	№ шихти	Речовинний склад шихти,%				Вологість маси, %	Тиск пресування,Н/мм2 ррН	Відкрита пористість,%	Границя міцності при стиску,Н/мм2
		шамот фр. 3-0мм	глина фр.2-0мм	шамот фр.3-0,5мм	ССП фр. <0,088мм
Безперервнийй	1	85	15	-	-	5	20	24,8	12
	2			-	-	5	100	21,8	17
	3			-	-	7,5	20	24,2	14
	4			-	-	7,5	100	21,0	22
Перервний	5	-	-	55	45	5	20	22,5	20
	6	-	-			5	100	20,4	28
	7	-	-			7,5	20	21,6	25
	8	-	-			7,5	100	19,2	35

Для оптимізації тиску пресування вогнетривів в інтервалі 10-200 Н/мм² використовують рівняння А.С.Бережного, яке встановлює залежність між пористістю сирцю і тиском пресування

 

Е = а-blgР

де Е - істинна пористість, %;

а,b- константи процесу пресування для різних мас;

Р - тиск пресування, Н/мм².

Фізичний смисл констант а і b не може бути виражено однозначно незважаючи на те, що з рівняння слідує формальне визначення константи а, пористість при ~ 0.1 Н/мм². А.С.Бережний вважав, що значення константи а близьке до пористості вихідного порошку, коли маса знаходиться під дією тільки капілярних сил і тиску шарів, що лежать вище. Але великі відхилення рівняння від експериментальних даних в області низького тиску не дозволяють розділити цю точку зору. Крім того, за даними різних авторів, значення а звичайно знаходиться в межах 23 - 80, що набагато перевищує розкид реальної пористості вихідних порошків; іноді значення досягає 100 і більше.

Щодо константи b, то її основний смисл можна оцінити як міру ущільнення порошкової маси у всьому інтервалі можливого тиску. Однак під дією такого, наприклад, фактора, як підвищення вологості, здатність маси до ущільнення при низьких тисках збільшується, а при високих - знижується. Тому, не завжди можна одночасно відобразити пресувальну здатність маси за допомогою однієї величини b. Реальні значення константи b знаходяться найчастіше всього в межах 3-10.

Встановлено, що відносне ущільнення пресовок в даному інтервалі тиску зменшується з ростом відношення а:b, тобто величина а:b характеризує сукупність факторів, які утруднюють ущільнення пресовки.

Рівняння А.С.Бережного може бути застосовано без змінення загальної формули, а лише при інших значеннях констант а і b, Враховуючи це, для визначення залежності між тиском пресування і відкритою пористістю та щільністю випалених виробів його використовують для встановлення оптимальних параметрів пресування.

Для визначення коефіцієнтів рівняння а і b достатньо двох експериментів, які виконано при двох суттєво різних тисках Р₁ і Р₂ з визначенням істинної пористості пресовок або відкритої пористості випалених виробів П₁ і П₂.

Для вибору оптимального тиску пресування необхідно розрахувати константи а і b в рівнянні А.С.Бережного, виконати розрахунки пористості шамотних виробів при різних значеннях зусилля пресування та провести аналіз і відкритої пористості в залежності від технологічних параметрів виготовлення виробів: вологості маси і тиску пресування, зернового складу вогнетривкої шихти. Залежність відкритої пористості від тиску пресування і вологості мас з різким типом укладок зерен подати графічно.

При виборі оптимального тиску пресування при постійній вологості шамотної маси визначаємо константи а і b в рівнянні А.С.Бережного шляхом розв'язування системи рівнянь:

П₁ =а-blg Р₁

П₂ = а-blg Р₂

де П₁ і П₂ – відкрита пористість виробів, які сформовані при різних значеннях тиску пресування,%;

а,b – константи рівняння;

Р₁ і Р₂ – тиск пресування, Н/мм².

Тоді значення констант рівняння А.С. Бережного можна розрахувати за формулами:

b = (П₁-П₂):lgР₂/Р₁

a = П₁ +blg Р₁

Розрахуємо коефіцієнти а і b для мас з різним типом укладки зерен.

Для мас безперервного зернового складу:

- вологість вогнетривкої маси 5%, тиск пресування Р₁=20 Н/мм², Р₂=100 Н/мм²

b = (24,8 - 21,8):lg100/20 = 3,00: 0,699 = 4,29

а = 24,8 + 4,29lg20 = 24,8 + 4,29*1,301 = 30,38

П = 30,38 – 4,29 lgР,%

- вологість вогнетривкої маси 7,5%, тиск пресування Р₁=20 Н/мм², Р₂=100 Н/мм²

b = (24,2 - 21,0):lg100/20 = 3,20: 0,699 = 4,58

а = 24,2 + 4,58lg20 = 24,2 + 4,58*1,301 = 30,16

П = 30,16 – 4,58 lgР,%

 

Для мас перервного зернового складу:

- вологість вогнетривкої маси 5%, тиск пресування Р₁=20 Н/мм², Р₂=100 Н/мм²

b = (22,5 – 20,4):lg100/20 = 2,10: 0,699 = 3,00

а = 22,5 + 3,00lg20 = 22,5 + 3,00*1,301 = 26,4

П = 26,4 – 3,00 lgР,%

- вологість вогнетривкої маси 7,5%, тиск пресування Р₁=20 Н/мм², Р₂=100 Н/мм²

b = (21,6 – 19,2):lg100/20 = 2,40: 0,699 = 3,43

а = 21,6 + 3,43lg20 = 21,6 + 3,43*1,301 = 26,10

П = 26,10 – 3,43 lgР,%

Результати розрахунку констант рівняння А.С. Бережного і одержання рівнянь зведемо в табл.3.2, знайдемо відношення констант а:b і проведемо аналіз зміни пористості виробів в залежності від технологічних параметрів виготовлення виробів.

Таблиця 3.2 – Рівняння А.С. Бережного

Принцип укладки зерен	Вологість маси,%	Значення констант		Відношення a:b	Рівняння
		а	b
Безперервний	5	30,38	4,29	7,08	П=30,38-4,29lgP
	7,5	30,16	4,58	6,59	П=30,16-4,58lgP
Перервний	5	26,4	3,00	8,80	П=26,4-3,00lgP
	7,5	26,1	3,43	7,61	П=26,1-3,43lgP

Згідно з теоретичними даними для одержання виробів з мінімальною пористістю величина відношення констант рівняння а:b повинна зменшуватися. Як видно з одержаних даних для мас з перервним і безперервним зерновим складом, підвищення вологості маси до 7,5% сприяє зниженню величини а:b на 1,19 і 0,49 відповідно. Це зумовлено пластифікуючою дією води, яка знижує тертя мінеральних частинок в процесі пресуваня і забезпечує краще ущільнення маси.

Для підтвердження вищевказаного, використовуючи одержані рівняння (табл.3.2), виконаємо розрахунки величини відкритої пористості в інтервалі тиску пресування 20-100 Н/мм², а також величину зміни пористості (∆П) при підвищенні тиску пресування на 20 Н/мм² в заданому інтервалі за формулою

∆П = П_п – П_п-1,

де П_п, П_п-1, - пористість виробів, які сформовані при меншому і більшому тисках пресування відповідно,%

Результати розрахунку зведемо до табл.3.3.

Таблиця 3.3 – Розрахункові значення відкритої пористості, %

Тиск пресування, Р, Н/мм2				20	40	60	80	100
lgP				1,301	1,602	1,778	1,903	2,00
Принцип укладки	Безперервний	Вологість маси	5%	24,79	23,50	22,75	22,22	21,78
				∆П,%	1,29	0,75	0,53	0,44
				∆П =24,79-21,78=3,01%
			7,5%	24,20	22,82	22,02	21,44	21,00
				∆П,%	1,38	0,80	0,58	0,44
				∆П=24,20-21,00=3,00%
	Перервний		5%	22,50	21,59	21,06	20,69	20,40
				∆П,%	0,91	0,53	0,37	0,29
				∆П=22,50-20,4=2,10%
			7,5%	21,64	20,61	20,00	19,57	19,24
				∆П,%	1,03	0,61	0,43	0,33
				∆П=21,64-19,24=2,40%

Графічна ілюстрація залежностей відкритої пористості шамотних вогнетривів від тиску пресування і вологості мас представлена на рис 3.1

Аналіз одержаних даних свідчить про те, що незалежно від принципу укладки зерен, підвищення тиску пресування сприяє ущільненню маси і зниженню відкритої пористості виробів. Причому, для мас як з безперервним, так і з перервним зерновим складом збільшення вологості маси від 5% до 7,5% в інтервалі тиску пресування 20-100 Н/мм² забезпечує зниження відкритої пористості виробів на 0,01% і 0,3% відповідно.

Слід також відмітити, що в області більш високого тиску пресування(вище 60Н/мм²) інтенсивність зменшення величини відкритої пористості знижується, що викликано збільшенням тертя частинок і підвищенням вмісту у масі дрібних фракцій матеріалу, внаслідок руйнування зерен опіснювача під дією значних пресових навантажень.

Розрахуємо величину тиску пресування для виробів, які виготовлені за різними технологіями, що забезпечує виробництво вогнетривів з відкритою пористістю – 21,7%

Для розрахунку тиску пресування, який забезпечить задане значення відкритої пористості шамотних вогнетривів – 21,7%, скористаємося одержаними рівняннями.

1,2 – безперервний зерновий склад маси;

3,4 - перервний зерновий склад маси;

1,3 – вологість маси 5%;

2,4 - вологість маси 7,5%

Рисунок 3.1 - Вплив тиску пресування і вологості маси на зміну відкритої пористості шамотних вогнетривів

для мас з безперервним типом укладки зерен:

- вологість маси 5%: П = 30,38-4,29lgP

21,7 = 30,38-4,29 lgP

lgP = (30,38-21,7)/4,29

lgP = 2,023

Р = 10^2,023 = 105,4 ≈ 105 Н/мм²

- вологість маси 7,5%: П = 30,16-4,58lgP

21,7 = 30,16-4,58 lgP

lgP = (30,16-21,7)/4,58

lgP = 1,847

Р = 10^1,847 = 70,3 ≈ 70 Н/мм²

для мас з перервним типом укладки зерен:

- вологість маси 5%: П = 26,4-3,00lgP

21,7 = 26,4-3,00 lgP

lgP = (26,4-21,7)/3,00

lgP = 1,566

Р = 10^1,566 = 36,8 ≈ 37 Н/мм²

- вологість маси 7,5%: П = 26,1-3,43lgP

21,7 = 26,1-3,43 lgP

lgP = (26,1-21,7)/3,43

lgP = 1,282

Р = 10^1,282 = 19,14 ≈ 19 Н/мм²

Результати розрахункових значень тиску пресування, який забезпечує одержання виробів з відкритою пористістю 21,7%, наведено в табл.3.4.

Таблиця 3.4 – Розрахункові значення тиску пресування,Н/мм²

Принцип укладки Тиск пресування,	Вологість маси,%
	5	7,5
Безперервний	105	70
Перервний	37	19

Порівнюючи результати розрахунку пресових зусиль видно, що вологість вогнетривкої маси суттєво впливає на величину тиску пресування, і досягнення заданої пористості може бути реалізовано при менших зусиллях пресування маси. Для мас безперервного зернового складу таким тиском пресування є тиск 70 Н/мм² при вологості маси 7,5%, а для мас з перервним принципом укладки зерен оптимальний тиск пресування - 19 Н/мм² при вологості маси 7,5%.

Для остаточного вибору технологічних параметрів необхідно враховувати той факт, що важливою експлуатаційною вимогою до шамотних виробів для футеровки вагранок є висока границя міцності при стиску.

Як видно з даних результатів визначення границі міцності при стиску шамотних виробів (див. табл. 3.1), сформованих із мас безперервного зернового складу, з підвищенням тиску пресування границя міцності виробів при вологості 5% збільшується в 1,42 рази, а при вологості 7,5% - у 1,57 рази. Це зумовлено структурою вогнетриву, розмірами пор і їх розташуванням.

Для виробів, сформованих із мас перервного зернового складу, границя міцності при стиску з підвищенням тиску пресування підвищується при вологості маси 5% в 1,40 раз і для вологості 7,5% в 1,40 рази що також пояснюється особливостями структури виробу і розподілом пор за розмірами.

Відмічено, що незалежно від вологості маси і тиску пресування границя міцності при стиску для шамотних виробів вище у випадку їх виготовлення із мас перервного зернового складу.

Таким чином, враховуючи характер зміни границі міцності вогнетривів, можна стверджувати, що при однаковій пористості - 21,7% границя міцності виробів із мас перервного зернового складу буде вище границі міцності вогнетривів безперервного зернового складу.

Тому, для виготовлення шамотних вогнетривів для футеровки вагранок пропонуються наступні оптимальні технологічні параметри:

Для вогнетривів у зоні плавки та горіння треба використовувати речовинний склад шихти, який передбачає використання перервного типу укладки зерен:

-    шамот фр. 3 - 0,5 мм - 55%, ССП фр. <0,088мм-45%;

-    вологість маси – 7,5%; тиск пресування - 19 Н/мм².

А для інших зон вагранок можна використовувати безперервний тип укладки зерен: - шамот фр. 3 - 0 мм - 85%,

- глина фр. 2-0 мм – 15%, - вологість маси – 7,5%;

- тиск пресування - 70 Н/мм².

Висновки і рекомендації 1          З проведеного аналізу умов служби шамотних вогнетривів, встановлено, що вони повинні володіти високою границею міцності при стиску, що є визначальною їхньою властивістю

2          Був встановлений вплив хіміко-мінералогічного та речовинного складу на властивості вогнетривів, залежність щільності укладки при пресуванні від зернового складу вогнетривких порошків, вплив параметрів пресування на ущільнення вогнетривких мас, особливості процесів структурно-фазових перетворень при термічній обробці шамотних вогнетривів та теоретичні аспекти границі міцності при стиску шамотних вогнетривів для футеровки вагранок та шляхи ії поліпшення.

3          За рівнянням А.С. Бережного для одержання виробів з мінімальною пористістю величина відношення а:b повинна зменшуватися. Аналіз рівнянь свідчить про те, що підвищення тиску пресування сприяє ущільненню маси і зниженню відкритої пористості. З цього можна зробити висновок, що ми повинні використовувати вироби, сформрвані із мас перервного зернового складу,речовинний склад яких: шамот фр. 3 - 0,5 мм - 55%, ССП фр. < 0,088мм-45%; вологість маси – 7,5%; тиск пресування - 20 Н/мм².

4          Для поліпшення визначального показника - границі міцності при стиску необхідно регулювати розмір пор: крупні пори більш різко зменшують міцність ніж дрібні; їх рівномірне розподілення та форму: зменшення розміру пор та регулювання їх розподілення збільшують міцність вогнетривів; підібрати оптимальний тиск пресування.

Література

1        Стрелов К.К., Мамыкин П.С. Технология огнеупоров. – М.: Металлургия, 1978. – 376с.

2        Іващенко Л.В. Взаємозв’язок основних властивостей вогнетривів з параметрами технології: Конспект лекцій. – Дніпропетровськ: НМетАУ, 2002. – 61 с.

3        Плотников Л.А. Огнупоры в черной металлургии. – М.: Металлургия, 1973. – 272с.

4        Огнеупорное производство: Справочник под ред. Д.И. Гавриша. – М.: Металлургия, 1965. – Том 2. – 578 с.