Оптимальні технологічні параметри виробництва шамотних вогнетривів

26

1 АНАЛІЗ УМОВ СЛУЖБИ ШАМОТНИХ ВОГНЕТРИВІВ ДЛЯ ФУТЕРОВКИ КОКСОВИХ ПЕЧЕЙ МАРКИ ШК - 35 І ВИМОГИ, ЯКІ ПРЕД?ЯВЛЯЮТЬСЯ ДО ЯКІСТІ ВИРОБІВ

Термін служби коксових печей, як правило, визначається станом кладки камер. В процесі експлуатації камери коксування піддаються руйнуванню внаслідок появи різних дефектів, обумовлених механічними та термічними пошкодженнями, а також кородуючим впливом мінеральних солей і вологи, що містяться у вугільній шихті. Механічні пошкодження залежать від умов експлуатації батареї і характеризуються деформацією стін, підрізом кладки у подів камер, потертістю і руйнування стін від штанги, стиранням подів і зміщення простінків. Однією з причин механічного руйнування кладки є тиск розпирання, що виникає при коксуванні вугілля. Максимальний тиск спостерігається на 1 - 2-м періоді коксування в нижніх горизонтів; зі збільшенням відстані від поду камери тиск зменшується.

Термічне пошкодження є результатом систематичного глибоких охолоджень, що повторюються при загрузці вугільної шихти і видачі коксового пірога.

Шамотними вогнетривами марки ШК - 35 футеруються загрузочні люки, оглядові шахточки, стіни регенератори коксових печей, газових горілок, склепінь (норма по у_стиску для крайніх склепових, корнюрних, люкових цеглин і оглядових шахточок не менше 25 МПа; для виробів інших місць кладки не менше 20 МПа; для газових горілок показник у_стиску не нормується, норма по відкритій пористості 12-20%; по термостійкості не менше 2 тепло зміни без появи тріщин тільки для горілок).



26

Рис. 1.1 - Пояси(1-15) та зони(І-V) кладки коксових печей з нижнім підводом газів та повітря: І - регенератори; ІІ - корнюрна зона; ІІІ - обігрівні простінки; IV - перекриття обігріву простінків; V - перекриття печі.

Служба вогнетривів в окремих вузлах кладки коксових печей.

Стіни регенераторів несуть загрузку (0,12 - 0,20 МПа) верхньої будови печей та розділяють потоки різнойменних газів (повітря, отеплювального газу і продуктів горіння) з великим перепадом розряджень, але і піддаються поперемінному нагріву до 1300 - 1350 ?С продуктами горіння із отоплювальних каналів, а також охолодженню повітря та отоплювальним газом, поступаючим в регенератори з температурою 30 - 40 ?С.

Температура верхньої частини стін регенераторів досягає 1220-1270?С при отоплені коксовим газом і 1150-1200?С - доменними. Нижня частина стін регенераторів нагрівається відповідно до 230 і 150?С. Коливання температур поверхні кладки в результаті зміни циклу складають 40-60 ?С. Різний нагрів стін по висоті обумовлює неоднорідне розширення кладки, в результаті чого виникають термічні напруги, котрі приводять до утворення тріщин. Вогнетривка цеглина для кладки стін регенераторів повинен мати високу границю міцності при стиску, низьку газопроникність, бути термостійким.

Для регулювання розподілення газових потоків і висоти факела горіння в обігрівних простінках застосовують регулюванні пристрої: горілки, регістри, розсікачі та шибери для прикриття вікон рециркуляції. В дуже важких умовах працюють горілки для коксового газу. Вони поперемінно нагріваються от інтенсивного випромінювання факелу і охолоджуються при кантівках. При цьому нагріву піддається тільки зовнішня частина горілки, а внутрішня охолоджується. Матеріал горілки вступає в хімічну взаємодію із золою вугілля, котрий потрапляє в обігрівальні простінки через оглядові шахточки. Вогнетривкий матеріал для загрузочних люків, оглядових шахточок та газових горілок повинен бути шлакостійким, термостійким та мати високу вогнетривкість.

Таблиця 1.1 - Вимоги до шамотних виробів марки ШК - 35 по ТУУ 322 - 7 - 00190503 - 082 - 97

Показники	ШК - 35
Масова доля, %: Аl2O3, не менше	35
Вогнетривкість, ?С, не нижче	1710
Відкрита пористість, %	?20
Границя міцності при стиску, МПа, не менше	Не нормується
Додаткова усадка при 1350?С, %, не більше	0,4
Термостійкість, тепло зміни, не менше	2

Враховуючи особливості умов служби шамотних вогнетривів марки ШК - 35 для коксових печей визначальними властивостями є відкрита пористість та границя міцності при стиску.

2 ВЗАЄМОЗВ'ЯЗОК ОСНОВНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ВОГНЕТРИВІВ З ПАРАМЕТРАМИ ТЕХНОЛОГІЇ ЇХ ВИГОТОВЛЕННЯ

2.1 Вплив хіміко-мінералогічного та речовинного складу на властивості шамотних і багатошамотних виробів

Критерієм при обранні вихідних речовин для виробництва вогнетривких виробів, крім їх температури плавлення, є техніко - економічна характеристика цих матеріалів, насамперед наявність і розповсюдження їх в природі.

Для виробництва шамотних та багатошамотних виробів використовують вогнетривкі глину і каолін (з вогнетривкістю не нижче 1580 °С). З цього можна охарактеризувати шамотні вироби як вогнетриви в склад яких входить від 28% до 45% Аl₂O₃, приготовані шляхом випалу сирцю сформованого з вогнетривких глини або каоліну.

Вогнетривкими глинами називають землисті уламкові породи осадового походження, які складаються в основному з високодисперсних гідро- алюмосилікатів, дають з водою пластичне тісто, зберігаюче при сушці форму, і здобувають після випалу міцність каменю.

Найголовніші первинні породи, із яких утворилися вогнетривкі глини і каоліни - граніти і гнейси.

Головним мінералом, що складає каолін є каолініт Аl₂O₃•2SiO₂•2H₂O.

Крім каолініту, при вивітрюванні польових шпатів і слюд утворюються також інші гідроалюмосилікати : галуазит Al₂O₃•2SiO₂•4H₂O, пірофіліт Al₂O₃•4SiO₂•H₂O, монтморилоніт Al₂O₃•4SiO₂•nH₂O, монотерміт 0,2M₂O•Al₂O₃•3SiO₂•1,5H₂O + aq (де М - калій, натрій).

З цих мінералів тільки монотерміт, подібно каолініту, є мінералом, утворюючим вогнетривку глину.

Каоліни, які залишилися на місці руйнування первинних гірничих порід, називають первинними на відмінність від вторинних, які перенесені водними або повітряними потоками і знов відкладених на більш або менш далекій відстані від місця утворення.

Вогнетривкі глини відрізняються від вторинних каолінів більшим забрудненням і більш високою дисперсністю. Так, вміст сполук заліза в багатьох каолінах не перевищує десятих часток відсотку, а в вогнетривких глинах він доходить до 3 - 5 %; вміст К₂О, Na₂O, CaO, MgO та інших домішок в каолінах взагалі рідко сягає 1 - 1,5 %, а в вогнетривких глинах він часто складає 3 - 4 %. Залізо в глині міститься у вигляді мінералів - піриту, марказиту, сидериту і гідрооксидів.

Особливо шкідливими, які підлягають видаленню, є пірит і марказит, коли вони знаходяться у вигляді утворень розміром до 3 - 5 см і вище, так як вони утворюють при випалі „мушку” і „виплавки”.

В природі ніколи не зустрічаються каоліни і вогнетривкі глини зі складом, який абсолютно відповідав би формулі каолініту Аl₂O₃•2SiO₂•2H₂O ( 39,5 % Al₂O₃; 46,6 % SiO₂; 13,9 % H₂O). Вміст оксиду кремнезему в вогнетривких глинах і каолінах доходе до 70 % і більше. Кремнезем як домішка в глинах знаходиться у вигляді кварцевого піску, яка знижує пластичність та вогнетривкість глин, підвищує температуру спікання, зумовлюючого в деяких випадках розпушення глин під час випалу в умовах високих температур.

По вмісту глинозему (в прожареному стані) глини підрозділяються на високо основні (> 40 %), основні (28 - 40 %), напівкислі (15 - 28 %) і кислі (<15%). При підвищенні вмісту глинозему в вогнетривких глинах підвищується їх вогнетривкість.[5]

Властивості вогнетривких матеріалів головним чином залежать від структури та хіміко-мінералогічного складу вихідних матеріалів, тому особливу увагу треба приділяти вибору сировини для виробництва.

Під час вибору вихідної сировини необхідно керуватися чистотою даного матеріалу, а також перевагами і недоліками в порівнянні з іншими подібними.

Це важливо бо від такого показника як хімічний склад, залежить кількість вогнетривкої основи, а природою і часткою в матеріалі цієї основи і визначаються властивості: вогнетривкість, основність або кислотність, а також в деякому ступені будівельна міцність при високих температурах.

2.2 Залежність щільності укладки при пресуванні від зернового складу вогнетривких порошків

Щільність укладки залежить від розміру, форми, стану поверхні і структури частинок сипучого матеріалу. Чим більше фракцій тим більше щільність упаковки (але це не завжди технологічно). Зерна найкрупнішої фракції утворюють скелет, пустоти якого заповнюють тонкі фракції. Встановлено, що для щільної упаковки необхідно мати 3 фракції:

- крупна - 80 %;

- середня - 5 %;

- тонка - 15 %.

Це називається безперервний зерновий склад. Але цей склад у ряді випадків виявляється не технологічним:

1.) Звичайно фракція 3 мм у кількості 80 % не дозволяє при пресуванні одержати виріб з чіткими кутами і ребрами, тому крупної фракції беруть менше (50 - 70 %);

2.) Важко від дозувати і рівномірно змішати середню фракцію 5 %, так як її мало. Збільшення середньої фракції викликає розсунення крупних зерен, а зменшення супроводжується переміщенням із однієї пори у другу, що також веде до розпушування. Щільної упаковки не отримаємо.

Для одержання щільної упаковки зерновий склад вихідного порошку повинен бути перервним, з відношенням розмірів крупної фракції і тонкої близько 100.

Практично однакова щільність може бути одержана при різному, але завжди раціональному співвідношенні фракцій і завжди при значному розриві у розмірах крайніх фракцій.

Таким чином розрізняють 2 основних принципи підбору укладок. Які ефективно знижують пустотність:

· „Безперервні укладки”, тобто такі, які основані на заповнені об'єму усіма розмірами від деяких верхніх до мінімальних, близьких нулю.

· „Перервні укладки” - це такі, при яких між зернами заданих фракцій зерна проміжних фракцій (середніх) відсутні.

Класичні уявлення про щільну упаковку заключаються у тому, що дрібні зерна укладаються у проміжках між крупними, не розсовуючи їх.

Підсумовуючи вище сказане маємо загальний висновок:

1.) Максимальна міцність виробів відповідає мінімальній пористості.

2.) Вміст тонкомеленого компоненту у шихті чинить більший вплив на пористість ніж зернистий компонент. Збільшення тонкомеленого компоненту до деякої межі оптимального складу має позитивний характер.

3.) При оптимальному вмісті тонкомеленої фракції пористість сирцю зумовлена пористістю самих крупних зерен.

4.) Укрупнення зернового складу підвищує термостійкість, але підвищує і пористість (міцність зменшується)[2]

2.3 Вплив параметрів пресування на ущільнення вогнетривких мас

У процесі стиснення керамічного порошку відбувається цілий ряд хімічних, фізико - хімічних процесів, в яких беруть участь усі три складові частини системи:

· мінеральні частинки (тверда фаза);

· технологічна зв'язка (рідка фаза);

· повітря (газоподібна фаза).

При пресуванні в цілому спочатку переважає пластична деформація, потім підсилюються процеси крихкого руйнування і послідовно наростає пружна деформація коли ущільнення системи в основному завершене (пружна деформація є небажаним явищем). Суттєве підвищення щільності спостерігається на початкових етапах ущільнення, коли тиск пресування не значний

Отже в процесі пресування потрібно враховувати велику кількість факторів, тому що трьохфазна система в якій кожен компонент в тій чи іншій мірі впливає на щільність пресовки. Крім того є ще зовнішні параметри такі як тиск пресування, які мають суттєвий вплив на ущільнення.

Вплив твердої фази має вагоме значення для отримання щільної пресовки, докладніше він розглянутий в попередньому підпункті, але оптимальний зерновий склад сам по собі ще не забезпечує одержання щільних пресовок.

Тиск пресування є більш суттєвим параметром ущільнення, ніж зерновий склад, хоча мінімальна пористість може бути одержана при меншому тиску пресування лише при правильному підборі зернового складу.

З теоретичних даних, які наведені в третьому пункті курсової роботи робимо висновки, що незалежно від принципу укладки зерен, в системі „границя міцності при стиску - тиск пресування” підвищення тиску пресування сприяє ущільненню маси і зниженню відкритої пористості виробів(при цьому збільшуються міцністні характеристики). В наведеній курсовій роботі оптимальний тиск пресування, який забезпечив необхідну пористість, знаходили з рівняння А.С.Бережного. Це рівняння найбільш широко використовується для опису пресування порошків в інтервалі тиску 5 -200 МПа(до появи пружної деформації сирцю). Рівняння не можливо використовувати в області низьких тисків (початкова стадія пресування), а також в області високих тисків(Р_кр.).

Однак в роботі використовуємо рівняння А.С.Бережного для порівняльної оцінки пресуючої здатності різних мас, а також для оцінки впливу різних факторів в області тиску 20 - 80 МПа, тому рівняння себе виправдовує і забезпечує отримання даних з невеликою похибкою.

У процесі стиску значну роль грає кількість вологи (зв'язка), вона чинить - пластифікуючу дію. При не високих тисках на початкових стадіях пресування пластифікуючи дія заключається в полегшенні ковзання частинок, що приводить до більш інтенсивного ущільнення , а в області більш високого тиску, особливо в присутності ПАР інтенсифікує ущільнення внаслідок зниження твердості і міцності частинок(ефект Ребіндера).

Таким чином технологічна рідка зв'язка змочує тверді частинки, утворює вологі контакти між ними, підвищує пластичність, знижує сили тертя при пресуванні, чинить кращу і рівномірну пропресовку, збільшує сили Ван Дер Ваальса, які притягують частинки одна до одної. Це позитивний ефект рідкої фази. Але її переміщення у стискуючому порошку дає деякий негативний ефект.

Негативний ефект рідкої фази полягає у тому, що рідина, яка знаходиться в прошарках між частинками може вижиматися у більш крупні вільні пори системи. По мірі стиску і зменшення загального об'єму пор, частка рідини у цьому об'ємі пор росте і якщо задана кількість рідини достатньо велика, то її об'єм може бути рівним загальному об'єму пор, при цьому система переходить із трьохфазної у двохфазну. У цьому випадку досягається граничне ущільнення системи або її критична щільність. Тиск при якому наступає це явище називають критичним( Р_кр. ).

При переході за критичний тиск подальше стиснення системи переходить цілком до оборотної пружної деформації, яка є небажаною.

Надлишок рідкої фази шкідливий. Надлишок збільшує пружне розширення сприяє утворенню тріщин і розшаруванню, а при наявності великої кількості тонкозернистих фракцій викликає грудкування маси і перешкоджає рівномірному розподілу тонких фракцій в об'ємі, переміщенню частинок.

Після зняття тиску вода, яка була вижата у крупні пори знову заходить між частинками, розсовуючи їх і розширюючи при цьому спресований зразок. Тому робимо висновок, що кількість технологічної зв'язки у системі має бути оптимальною з точки зору зв'язності і ущільнення порошку.

Газоподібна фаза завжди відіграє негативну роль: утруднює засипку; знижує початкову щільність укладки частинок і перешкоджає рівномірному їх розподілу; створює нерівномірну щільність пресовок; підвищує залишкові пружні деформації.[2]

2.4 Особливості процесів структурно - фазових перетворень при термічній обробці шамотних вогнетривів

Випал - завершальна стадія в технології виробництва вогнетривів. В процесі випалу відбувається спікання. З технологічної точки зору спікання представляє собою процес одержання міцного мало пористого або без пористого каменеподібного тіла із вільно насипаної і спресованої порошкової маси під дією високих температур.

Спікання - це зникнення пустот, при цьому спостерігається усадка, зниження пористості, підвищення міцності.

Шамотні вогнетриви отримують шляхом випалу глин та каолінів в обертових печах. Перед випалом глини і каоліни гранулюють або брикетують, бо головним недоліком обертової печі є пиловинос. При випалі в глинах або каолінах відбуваються складні і глибокі зміни: виявляється вогнева усадка, змінюється мінералогічний склад, при нагріванні до 400 °С поступово видаляється слабко зв'язана вода з кристалічної решітки каолініту.

В інтервалі 450 - 600 °С видаляється хімічно зв'язана вода внаслідок розкладу каолініту за реакцією

Al₂O₃ • 2SiO₂ • 2H₂O > [ Al₂O₃ •2SiO₂ ] + 2H₂O

Реакція йде з поглинанням тепла (ендотермічний ефект ). [Al₂O₃•2SiO₂] - аморфний продукт, який представляє не механічну, а більш тісну суміш глинозему і кремнезему з взаємним проникненням компонентів та частковим збереженням структури каолінової решітки. Цей аморфний продукт називають метакаолінітом. Каолініт, який втратив хімічно зв'язану воду, необоротно втрачає пластичність.

При подальшому підвищенні температури до 925 °С йде реакція:

2 ( Al₂O₃ •2SiO₂ ) > 2 ( Al₂O₃ •3SiO₂ )+ SiO₂

метакаолініт кремнієва шпінель

При досягненні температури 1100°С:

2 (Al₂O₃ •3SiO₂ ) > 2 (Al₂O₃ •2SiO₂ ) + SiO₂

кремнієва шпінель псевдомуліт

При 400 - 1000 °С карбонати дисоціюють з виділенням вуглекислоти, сульфіди окислюються з утворенням сірчистого газу, органічні домішки вигорають. Перераховані процеси супроводжуються значною втратою маси, деяким збільшенням пористості і зменшенням об'єму

СаСО₃ > СаО + СО₂ ^

МgCO₃ > MgO + CO₂ ^

FeCO₃ > FeO + CO₂ ^

FeS₂ > FeO + SO₂ ^

C + O₂ > CO₂ ^

При температурі 1100 - 1400 °С йде перебудова з утворенням в завершальній стадії муліту 3Al₂O₃ •2SiO₂:

3 (Al₂O₃ •2SiO₂ ) > 3Al₂O₃ •2SiO₂ + 4 SiO₂

Псевдо муліт муліт кристобаліт

При підвищенні температури кількість муліту безперервно підвищується і досягає максимуму при 1250 - 1350 °С. Тривала витримка при температурах вище 1200 °С не впливає на збільшення виходу муліту, але сприяє зростанню його кристалів. Теоретично весь глинозем, який міститься в глині або каолінові, повинен перейти в муліт, але практичний вихід муліту ніколи не досягає теоретичного.

Отже, вогнетривкою основою шамоту є муліт. Фазовий склад шамоту:

· муліт;

· кристобаліт;

· скло фаза.

Склофазу утворюють легкоплавкі домішки ( FeO, MgO, CaO та інші). Співвідношення і складом фаз, які ми отримуємо під час випалу глин і каолінів, визначаються найважливіші властивості алюмосилікатних вогнетривів.

Різниця, яка спостерігається в виході муліту при 1300 °С і 1500 °С, в загалі зумовлюється різним розміром його кристалів: при 1300 °С кристали відносно мілкі і в ході аналізу частково розчиняються в плавиковій кислоті. Одночасно з утворенням муліту йде процес спікання. Температура початку спікання відповідає різкій зміні усадки. За температуру закінчення спікання приймають ту температуру, при якій усадка практично закінчується, а водовбирання, глини що спікається, буде сягати від 5%(для якісного шамоту) до 2%(для високо якісного шамоту).

Температура початку і закінчення спікання залежить не від вогнетривкості глин, а від їх хімічного і мінералогічного складів і дисперсності.

Муліт зустрічається в двох кристалографічних формах: голчастій і короткопризматичній.

Голчастий муліт армує скловидну фазу, ось чому вогнетривкість матеріалу, який містить голчатий муліт, вище вогнетривкості матеріалу, який містить короткопризматичний муліт, при однаковому хімічному складі матеріалів. При швидкому нагріванні до високих температур утворюється голчастий муліт.[5]

Враховуючи все вище перераховане маємо, що для отримання якісного і високо якісного шамоту, необхідно :

1. Чисту вихідну сировину

2. Щільний сирець після пресування

3. Оптимальні температуру і режим випалу

4. Водовбирання не більше 5 % для якісного шамоту і не більше 2 % для високо якісного.

На підставі вище викладеного матеріалу можна представити результуючу таблицю впливу технологічних факторів на властивості вогнетривів ( табл. 2.1).

Таблиця 2.1 - Вплив технологічних факторів на властивості шамотних виробів

Властивості Фактори	Пористість	Розмір пор	Границя міцності при стиску	Деформація під навантаженням	Вогнетривкість	Фазовий склад
Хімічний склад сировинних матеріалів
Водовбирання шамоту
Зерновий склад шихти
Вологість маси
Пресове зусилля
Температура випалу

За даними проведеного всебічного аналізу встановили, що визначальними показниками шамотних виробів для кладки коксових печей марки ШК - 35 є міцність (границя міцності при стиску) і відкрита пористість.

2.5 Теоретичні аспекти визначального показника шамотних вогнетривів для кладки коксових печей марки ШК - 35 та шляхи його поліпшення

Визначальним показником шамотних вогнетривів для кладки коксових печей марки ШК - 35 є границя міцності при стиску, яка характеризує стійкість вогнетривів у стіновій кладці(показник механічної міцності).

Міцність твердих тіл характеризується силами взаємодії між атомами або іонами, які складають тіло. Міцність залежить не тільки від хімічного складу речовини, але і від виду напруженого стану ( розтяг, стиск, вигин та ін.), від умов експлуатації (температура, швидкість навантаження, вплив навколишнього середовища та ін.), а також від структури.

Вогнетриви при кімнатній температурі характеризуються крихким руйнуванням, яке звичайно наступає після незначної 0,01 - 0,02 % оборотної (пружної) деформації і невеликої по величині пластичної (необоротної), яка зумовлюється мікроруйнуванням. Загальна деформація у вогнетривів доходить до 0,3 - 0,7 %.

В межах пружної деформації до вогнетривів можна застосувати закон Гука, відповідно якому в невеликому інтервалі деформацій

де Е - модуль пружності, Н/мм² ,

- відносна деформація,

- напруга, Н/мм².

Модуль пружності Е(модуль Юнга) - це фізична величина, яка характеризує властивості матеріалу, а саме у кристалах характеризує силу хімічного зв'язку структурних елементів у гратках.

Пружна деформація зв'язана із збільшенням відстані між атомами речовини при прикладенні навантаження і залежить від енергії кристалічних ґраток. Цей зв'язок виражається залежністю модуля пружності від температури плавлення.

Підрахована теоретична міцність () між атомного зв'язку кристалів оксидів і оксидних стекол, яка визначається модулем пружності Е, поверхневою енергією твердого тіла , параметром ґраток а.

і складає 10⁴ Н/мм² (Е = 10⁵ Н/мм²).

У вогнетривів звичайно спостерігається відхилення від лінійної залежності , не зв'язане з енергією ґраток, а зв'язане зі структурою матеріалу. У зв'язку з цим пружність вогнетривів характеризується двома модулями: дотичним модулем Юнга Е = tg a і січним V = tg , або модулем деформації(рис.2.1)

Рис.2.1 Схематичне зображення деформації вогнетривів:

а - крива деформації; б - точка руйнування; - границя міцності при руйнуванні (стиску); - деформація

Модуль деформації не має фізичного смислу і залежить від умов дослідження, але відношення Е/V є показником однорідності структури. Якщо lim(E/V)>1, то структура прямує до однорідності. Чим нижчі значення модулів Е і V, тим більше виражена тенденція вогнетривів до деформації і остаточного руйнування і тим менша можливість руйнування в службі.

Механічна міцність вогнетривів при нормальній температурі характеризується границею міцності при стиску (), вигину (), розтягу(). Для рядових вогнетривів складає 20 - 50 Н/мм², а для щільних 50 - 100 Н/мм².

Висока міцність вогнетривів характеризується зерновим складом вихідних матеріалів, якістю обробки маси, пресуванням, випалом (ступенем спікання маси) і в основному визначається однорідністю будови або структурою. Міцність залежить не тільки від пористості, але і від розміру пор: крупні пори різко знижують міцність при підвищенні пористості, ніж дрібні. Дослідні дані підтверджують, що при нормальній температурі міцність дрібнозернистих виробів, а значить і мілкопористих вище ніж крупнозернистих. Крім розміру пор і зерен суттєве значення на міцність чинить рівномірність розподілу пор, їх форма. Пори, які знаходяться в зернах, менше знижують міцність, ніж пори зв'язки і пори, що знаходяться між крупними зернами і зв'язкою.

Суттєва різниця між теоретичною і практичною міцністю з'ясовується в теоріях Гриффітса, Вейбулла, Журкова та ін.

По теорії Гриффітса реальні тіла мають численні тріщини (тріщини Гриффітса). Цей дефект являється концентратором напруг, а тому в області, яка прилягає до кінчика тріщини, напруги можуть досягати критичних значень, близьких або перевищуючих значення теоретичної міцності.

Напруга на кінці гострої тріщини дорівнює

де - середня напруга в матеріалі;

l - довжина тріщини (близько 10^-4 см);

r - радіус кривизни кінчика тріщини (дорівнює приблизно міжатомній відстані 0,1 0,4 нм).

Виходячи з даних значень l і r (l / r)^1/2 ? 10², тобто на два порядки більша . Таким чином, при порівняно незначній величині середньої напруги () в матеріалі на кінчику тріщини виникає значна локальна напруга, яка приводить до росту тріщини(рис.2.2). Розтягуюча напруга направлена перпендикулярно до тріщини. Цифри на кривих постійної напруги показують, у скільки разів місцева напруга більша середньої. Пори не тільки концентрують напруги, але і екранують частину матеріалу від напруг. Матеріал, який знаходиться над порою і під порою, сприймає значно меншу напругу, а матеріал між порами при цьому буде сприймати значно більшу напругу. Ніж решта матеріалу. Екранування напруг в більшій мірі проявляється крупними порами.

Рис.2.2 Концентрація напруг поблизу кінчика еліптичної тріщини

Отже, щодо форми пор особливо небезпечними є відкриті тріщини з гострими кінцями. Зменшення розміру пор, регулювання їх розподілу і форми є перспективними способами підвищення міцності вогнетривів.[2]

3 ВИБІР ОПТИМАЛЬНИХ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ВИГОТОВЛЕННЯ ШАМОТНИХ ВОГНЕТРИВІВ ДЛЯ КОКСОВИХ ПЕЧЕЙ МАРКИ ШК - 35

Згідно з аналізом умов служби вогнетривів для футеровки коксових печей марки ШК - 35 були виготовлені взаємозв'язані визначальні показники властивостей цих виробів: відкрита пористість і границя міцності при стиску, які обумовлюють експлуатаційні властивості вогнетривів для футеровки коксових печей марки ШК - 35.

Для вибору оптимальних технологічних параметрів виготовлення виробів для футеровки коксових печей марки ШК - 35 з відкритою пористістю 18,0 % було реалізовано експеримент з виготовлення шамотних вогнетривів за наступними технологічними параметрами.

Речовинний склад шихти:

- безперервний тип укладки зерен:

- шамот фр. 3 - 0 мм - 75 %,

- глина фр. 2 - 0 мм - 25%;

- перервний тип укладки зерен:

- шамот фр. 3 - 0,5 мм - 70%,

- суміш сумісного помелу - ССП (шамот фр. 0,5 - 0 мм - 65%, глина фр. 2 - 0 мм - 35%) фр. <0,088 мм - 30%;

- вологість маси - 5% і 8%;

- тиск пресування - 20 Н/мм ? і 100 Н/мм ?;

- максимальна температура випалу виробів - 1450?С

Результати визначення показників властивостей виробів для футеровки коксових печей марки ШК - 35 наведено в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1 - Вихідні данні і показники властивостей виробів

Принцип укладки зерен	Номер шихти	Речовинний склад шихти, %	Вологість маси	Тиск пре- сува- ння Н/мм?	Відк- рита порис-тість, %	Гра-ниця міц-ності при стиску Н/мм?
		Шамот фр. 3-0мм	Глина фр. 2-0мм	Шамот фр. 3-0,5мм	ССП фр. <0,088мм
Безперервний	1	75	25	-	-	5	20	22,8	27
	2			-	-	5	100	19,4	36
	3			-	-	8	20	23,6	24
	4			-	-	5	100	18,8	42
перервний	5	-	-	70	30	5	20	21,3	41
	6	-	-			5	100	18,4	46
	7	-	-			8	20	20,8	44
	8	-	-			8	100	17,3	53

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

е = а - blgP,

де е - істинна пористість, %;

а, b - константи процесу пресування для різних мас;

Р - тиск пресування, Н/мм?.

Фізичний смисл констант а і b не може бути виражено однозначно незважаючи на те, що з рівнянням слідує формальне визначення константи а, як пористості при Р =0,1 Н/мм?.

А. С. Бережний вважав , що значення константи а близьке до пористості вихідного порошку, коли маса знаходиться під дією таких капілярних сил і тиску шарів, що лежать вище. Але великі відхилення рівняння від експериментальних даних в області низького тиску не дозволяють розділяти 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 а 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 - зменшується. Тому, не завжди можна однозначно пресувальну здатність маси за допомогою однієї величини b . Реальні значення константи b знаходяться найчастіше всього в межах 3 - 10.

Встановлено, що відносне ущільнення (точніше відносне зниження пористості) пресовок в даному інтервалі тиску зменшується з ростом відношення а:b, тобто величина а:b характеризує сукупність факторів, які утруднюють ущільнення пре совки.

Рівняння А. С. Бережного може бути застосовано без змінення загальної формули, а лише при інших значення константи а і b. Враховуючи це, для визначення залежності між тиском пресування і відкритої пористості 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 зміни відкритої пористості в залежності від технологічних параметрів виготовлених виробів: вологості маси і тиску пресування, зернового складу вогнетривкої шихти.

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

П₁ = а - b lg P₁

П₂ = а - b lg P₂,

де П_1, П₂ - відкрита пористість виробів, які сформовані при різних значеннях

тиску пресування, %;

а, b - константи рівняння;

P_1, P₂ - тиск пресування, Н/мм?.

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

b= (П₁ - П₂):lg P₂/P₁;

а = П₁ + b lg P_1.

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

Для мас безперервного зернового складу:

- вологість вогнетривкої маси 5%, тиск пресування P₁ = 20 Н/мм?,

P₂ = 100 Н/мм?

b = (22,28 - 19,4): lg100/20 = 3,40 : 0,699 = 4,86

а = 22,28 + 4,86lg20 = 28,96;

П = 28,96 - 4,86 lg P, %;

- вологість вогнетривкої маси 8% тиск пресування P₁ = 20 Н/мм?,

P₂ = 100 Н/мм?

b = (23,6 - 18,8): lg100/20 = 4,8 : 0,699 = 6,87;

а = 23,6+6,87 lg20 = 32,54;

П = 32,54 - 6,87 lg P, %;

Для мас з перервним зерновим складом:

- вологість вогнетривкої маси 5%, тиск пресування P₁ = 20 Н/мм?,

P₂ = 100 Н/мм?

b = (21,3 - 18,4): lg100/20 = 2,9 : 0,699 = 4,15;

а = 21,3+4,15 lg20 = 26,70;

П = 26,70 - 4,15 lg P, %;

- вологість вогнетривкої маси 8% тиск пресування P₁ = 20 Н/мм?,

P₂ = 100 Н/мм?

b = (20,8 - 17,3) : lg100/20 = 3,5: 0,699 = 5,01;

а = 20,8+5,01 lg20 = 27,32;

П = 27,32 - 5,01 lg P, %.

Результати розрахунку констант рівняння А. С. Бережного і одержання рівнянь зведемо в таблиці 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

Тип укладки зерен	Вологість маси, %	Значення констант	Величина відношен-ня а: b	Рівняння
		а	b
безперервний	5	27,64	4,12	6,71	П = 28,96 - 4,86lg P
	8	32,54	6,87	4,74	П = 32,54 - 6,87 lg P
перервний	5	26,70	4,15	6,43	П = 26,70 - 4,15 lg P
	8	27,32	5,01	5,45	П = 27,32 - 5,01 lg P

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 безперервним і перервним зерновим складом, підвищення вологості маси до 8%, сприяє зниженню величини а : b на 1,97 і 0,98 відповідно. Це зумовлено пластифікуючою дією води, яка знижує тертя мінеральних частинок в процесі пресування і забезпечує краще ущільнення маси.

Для підтвердження вищевказаного, використовуючи одержані рівняння (див. табл. 3.2), виконаємо розрахунки відкритої пористості в інтервалі тиску пресування 20 - 100 Н/мм?, а також величину зміни пористості (?П) при підвищення тиску пресування на 20 Н/мм? 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 розрахунків зведемо до таблиці 3.3.

Таблиця 3.3 - Розрахункові значення відкритої пористості, %

Тиск пресування, Р, Н/мм?	20	40	60	80	100
lg P	1,301	1,602	1,778	1,903	2,00
Принцип укладки	безперервний	Вологість маси	5 %	22,80	21,04	20,31	19,80	19,40
				?П %	1,74	0,73	0,51	0,40
				?П = 22,80-19,40=3,40%
			8 %	23,60	21,53	20,32	19,47	18,80
				?П %	2,07	1,21	0,85	0,67
				?П =23,60-18,80=4,80%
	перервний		5 %	21,30	20,05	19,32	19,00	18,80
				?П %	1,25	0,73	0,32	0,20
				?П=21,30-18,80=2,50%
			8%	20,80	19,29	18,41	17,79	17,30
				?П%	1,51	0,88	0,62	0,49
				?П=20,80-17,30=3,50%

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

1, 2 - безперервний зерновий склад маси;

3, 4 - перервний зерновий склад маси;

1, 3 - вологість маси 5%

2, 4 - вологість маси 8%.

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

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 з безперервним та перервним зерновим складом збільшення вологості маси від 5% до 8% в інтервалі тиску пресування 20 - 100 Н/мм? забезпечує зниження відкритої пористості виробів на 3,40% та 2,50% і 4,80% та 3,50% відповідно.

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

Розраховуємо величину тиску пресування для виробів, які виготовлені за різними технологіями, що забезпечує виробництво вогнетривів з відкритою пористістю - 18%.

Для розрахунку тиску пресування, який забезпечить задане значення відкритої пористості шамотних вогнетривів - 18%, скористаємося одержаними рівняннями:

Для мас з безперервним типом укладки зерен:

- вологість маси 5%

П = 28,96 - 4,86lg P

18 = 28,96 - 4,86 lg P

lg P = (28,96 - 18):4,86

lg P = 2,25

P = 10^2,25 = 178 Н/мм?

- вологість маси 8%

П = 32,54 - 6,87 lg P

18 = 32,54 - 6,87 lg P

lg P = (32,54 - 18): 6,87

lg P = 2,12

P = 10^2,12 = 132 Н/мм?

Для мас з перервним зерновим складом:

- вологість маси 5%

П = 26,70 - 4,15 lg P

18 = 26,70 - 4,15 lg P

lg P = (26,70 - 18):4,15

lg P = 2,10

P = 10^2,10 = 126 Н/мм?

- вологість маси 8%

П = 27,32 - 5,01 lg P

18 = 27,32 - 5,01 lg P

lg P = (27,32 - 18):5,01

lg P = 1,86

Р = 10^1,86 = 73 Н/мм?

Результати розрахункових значень тиску пресування, який забезпечуэ одержання виробів з відкритою пористістю 18%, наведено в табл.3.4.

Таблиця 3.4 - Розрахункові значення тиску пресування, Н/мм?

Принцип укладки	Тиск пресування, Н/мм?	Вологість маси, %
		5	8
Безперервний	178	132
Перервний	126	73

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 маси перервного складу таким тиском пресування є тиск 73 Н/мм? при вологості 8%, а для мас з безперервним принципом укладки зерен оптимальний тиск пресування - 126 Н/мм? при вологості 5%.

Для остаточного вибору технологічних параметрів необхідно врахувати той факт, що важливою експлуатаційною вимогою до шамотних вогнетривів для футеровки коксових печей є висока границя міцності при стиску.

Як видно з результатів визначення границі міцності при стиску вогнетривів для футеровки коксових печей, сформованих із мас безперервного зернового складу, з підвищенням тиску пресування границя міцності при стиску виробів при вологості 5% збільшується в 1,3 рази. А при вологості 8% в 1,75 рази. Це зумовлено структурою вогнетриву, розмірами пор і їх розташуванням. Очевидно, підвищена вологість шамотної маси забезпечує одержання під час пресування, в процесі сушки і високотемпературного випалу вогнетривів певних пор з меншим розміром і рівномірно розподілених, що у випадку зародження тріщини при термоударі перешкоджає їх розвитку.

Для виробів, сформованих із мас перервного зернового складу, границя міцності при стиску з підвищенням тиску пресування підвищується при вологості маси 5% і 8% в 1,12 і 1,21 відповідно, що також пояснюється особливостями структури виробу і розподілом пор за розміром.

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

Таким чином, враховуючи характер зміни границі міцності при стиску вогнетривів, можна стверджувати, що при однаковій пористості - 18% границя міцності при стиску виробів із мас перервного зернового складу буде вище границі міцності при стиску вогнетривів із мас безперервного зернового складу. Тому, для виготовлення шамотних вогнетривів для футеровки коксових печей пропонують наступні оптимальні технологічні параметри:

- речовинний склад шихти, який передбачає використання перервного типу укладки зерен:

- шамот фр. 3 - 0,5 мм - 70%

- ССП фр. <0,088 мм - 30%

- вологість маси - 8%

- тиск пресування - 73 Н/мм?.

ВИСНОВКИ І РЕКОМЕНДАЦІЇ

1) Властивості вогнетривких матеріалів залежать від хіміко - мінералогічного складу і структури. Тому вибір вихідної сировини, а (для шамотних вогнетривів - глин та каолінів) є однією з багатьох передумов для отримання якісних вогнетривів.

2) Для одержання щільної упаковки зерновий склад вихідного порошку повинен бути перервним, з відношенням розмірів крупної фракції і тонкої близько 100.

3) Незалежно від принципу укладки зерен, в системі „границя міцності при стиску - тиск пресування” підвищення тиску пресування сприяє ущільненню маси і зниженню відкритої пористості виробів(при цьому збільшуються міцністні характеристики).

4) Кількість технологічної зв'язки у системі має бути оптимальною з точки зору зв'язності і ущільнення порошку. Вологість вогнетривкої маси суттєво впливає на величину тиску пресування, і досягнення заданої пористості може бути реалізовано при менших зусиллях пресування маси.

5) Висока міцність вогнетривів характеризується зерновим складом вихідних матеріалів, якістю обробки маси, пресуванням, випалом (ступенем спікання маси) і в основному визначається однорідністю будови або структурою.

6) Зменшення розміру пор, регулювання їх розподілу і форми є перспективними способами підвищення міцності вогнетривів.

7) Незалежно від вологості маси і тиску пресування границя міцності при стиску для вогнетривких виробів вище у випадку їх виготовлення із мас перервного зернового складу.

8) Тому, для виготовлення вогнетривів для кладки коксових печей марки ШК- 35 пропонуються наступні оптимальні технологічні параметри:

? речовинний склад шихти, який передбачає використання перервного типу укладки зерен :

- шамот фр. 3 - 0,5 мм - 70%

- ССП фр. <0,088 мм - 30%

- вологість маси - 8%

- тиск пресування - 73 Н/мм?.

ЛІТЕРАТУРА

1. Стрелов К.К., Кащеєв И.Д., Мамикін 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. - 61с.

3. Огнеупорное производство: Справочник под ред. Д.И. Гавриша.

М.:Металлургия , 1965. - Том 2. - 578 с.

4. Плотніков Л.А. Огнеупоры в черной металлургии. М.; Металлургия, 1973. - 275с.

5. Стрелов К.К. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. - М.; Металлургия, 1985. - 480с.