Реферат: Технологія середньо – мулітових вогнетривів

Курсова робота за дисципліною „Основи технології тугоплавких неметалевих і силікатних матеріалів”

Вступ.

Вогнетривами називають матеріали, що виготовляються на базі мінеральної сировини та здатені зберігати свої функціональні властивості у різноманітних умовах роботи при високих температурах.

Без вогнетривів немає іншого практичного способу отримати та підтримувати довгий час високі температури у великих об’ємах. Вогнетривкі матеріали застосовують майже у всіх сферах промисловості. Застосовують їх і у галузях нової техніки, у атомній енергетиці та ракетобудівництві.

Паралельно з розвиттям енергетики йде і розвиття технології вогнетривких матеріалів Різноманітність умов служби викликає необхідність виробництва все більшого асортименту вогнетривів з різними властивостями.

Технологія середньо-мулітових вогнетривів вельми важлива, тому що все зростаючі температури у промисловості, збільшення об’ємів виробляємої продукції вимагають все більшу кількість високовогнетривких матеріалів, одними з яких і є вогнетриви, які були розглянуті у даній роботі.

1. Характеристика сировинної бази виробництва.

Клас середньо-мулітових вогнетривів відноситься до високоглиноземістих виробів. Для повного розуміння його місця серед останніх необхідно розглянути структуру високоглиноземістої кераміки:

клас А – муліто-кремнеземіста, вміст Al2O3 – від 45 до 70 %;

клас Б – муліто-корундова, вміст Al2O3 – від 70 до 95 %;

клас В – корундова, вміст Al2O3 – більше 95 %.

Місце середньо-мулітових вогнетривів знаходиться на межі мулітокремнеземістих та муліто-корундових вогнетривів.

Основою виробництва є отримання щільноспеченого муліто-корунлового шамоту, який служить наповнювачем та зв’язується при формовані виробів 15 – 20 % пластичною вогнетривкою глиною, що спікається.

Найбільш розповсюдженою домішкою у глинах є рівномірно розподілений кварц. При відносно невеликих температурах ( до 1300 – 13500 С ) кварц інертний, та виконує роль добавки, що отощає. Але при температурах ,вищих за 1350 – 14000 С кварц стає активним плавнем, що утворює з глиною легкоплавкі багатокомпонентні евтектики. Чим більше у глині плавнів та чим менше розмір зерен кварцу, тим нижче температура утворення розплаву та тим у більшому ступені кварц знижує вогнетривкі властивості глини.

Одна з найбільш шкідливих забруднюючих домішок у глинах є залізовмісні сполуки, що зустрічаються у вигляді ряду мінералів. Сірчисті сполуки – піріт та мерказіт (FeS2) – зустрічаються у вигляді великих конкрецій, окремих кристалів та у тонко розподіленому вигляді. При достатньо великих температурах випалу ці домішки дають виплавки, спучування та мушку. Твердість цих включень утрудняє їх здрібнювання та рівномірне розподілення у глині при її помелі. Вуглекисле залізо зустрічається у вигляді жовен або окремих зерен. Його шкідлива дія аналогічна дії піриту. Окисли та гідроокиси заліза надають глині різне фарбування. Окисли заліза зустрічаються переважно у вигляді стяжінь, нальотів та прожилок. При вмісті окислів заліза більш 5% приводить до погіршенню вогнетривких властивостей глини.

Кальцит та гіпс є рідкими включеннями у вогнетривких глинах. Їх шкідлива дія подібна дії зернистих включень окислів заліза.

Органічні речовини рослинного походження можуть бути присутніми у глинах у досить великих кількостях. Вони надають глинам різне фарбування – від сірих до чорних тонів. Ці органічні домішки зустрічаються частіше у вигляді гумінових сполук, рідше – бітумних. Гумінові сполуки підвищують пластичність та зв’язуючи властивості глин. Також органічні речовини збільшують втрати при прожарюванні глини. Вони можуть збільшуватися у 2 – 3 рази.

Дуже важливими властивостями глин є їх дисперсність та пластичність. Ступень дисперсності глин, що характеризується зерновим складом, має значення при оцінці їх пластичності, зв’язності та спікливості, а також засміченості домішками. Зв’язність та спікливість глин від кількості найбільш тонких фракцій, тонкіших ніж 0,2 – 2 мк. При характеристиці кількості та природи забруднюючих домішок більше значення мають великі фракції більш 0,1 – 0,05 мм.

При сучасних способах виробництва (обробка маси під змішувальними бігунами та напівсухе пресування при підвищеному тиску) висока пластичність не є обов’язковою властивістю глини, так як суха маса не доводиться до стану пластичного тіста. Деяке набрякання глини, навіть сухарної та тієї, що важко розмокає у воді, необхідне для отримання при пресуванні сирця задовільної якості, відбувається при обробці її під змішувальними бігунами.

Властивість глини спікатися при певних температурах випалу дає можливість отримувати з неї вироби з необхідною щільністю та міцністю. Спікаємість глин характеризується рядом показників: ступенем ущільнення черепка при певних температурах, що характеризується об’ємною масою та водопоглинанням, температурою спікання, температурним інтервалом, у якому відбувається інтенсивне ущільнення та ін.

Спікаємість глин залежить від кількості плавнів, а також від дисперсності плавнів та основного глинистого матеріалу. У звичайних тонкодисперсних глин, що містять 4 – 6% плавнів, температурний інтервал інтенсивного спікання укладається у 100 – 150%. Подальше збільшення температури випалу на 50 – 1000 С не викликає помітного спучування або деформації. У глин з меншим вмістом плавнів температурний інтервал ущільнення та деформації розширюється.

Спікання глин супроводжується їх вогневою усадкою. Величина вогневої усадки глин, що спікаються, коливається у межах 10 – 16%. Крупнозернисті домішки, особливо кварц, зменшують вогневу усадку глини. Одночасно зменшується і щільність випаленого виробу.

По вогнетривкості до глин та каолінів пред’являються наступні вимоги: в залежності від класу виготовлення вогнетривкість повинна бути не нижче 1730, 1670 або 15800 С. Кількість плавнів не повинна бути більша за 5 – 7%.

Як другий компонент для отримання середньо-мулітових вогнетривів використовується технічний глинозем. Цей компонент, що має дуже велике значення у виробництві високоякісних високоглиноземістих вогнетривких виробів, набув значення відносно недавно. Технічний глинозем – це штучний гідрат глинозему, що був прожарений при температурі 1000 – 12000 С. Технічний глинозем, що був отриманий шляхом хімічної переробки бокситів, відрізняється від природної сировини високою чистотою.

Технічний глинозем містить ( рахуючи на пропалений матеріал ) 99 – 99,5 % Al2O3 , 0,25 – 0,1 % SiO2 , 0,5 – 0,3 % Na2O, та 0,1 – 0,05 % інших окислів ( титану, заліза, кальцію ), величина втрати при прожарювання – 1-2 %

У ряді випадків вміст Na2O досягає 0,7 %. Вогнетривкість такого глинозему – близько 20000 С.

Для виробу середньо-мулітових вогнетривів вибираємо глину вітчизняного родовища – Часов`ярську. Її склад наведений у таблиці 1.1.

Таблиця 1.1.

2. Обґрунтування і вибір способу виробництва.

2.1. Підготовка зв’язуючої глини.

Глина надходить на завод з кар’єра або шахти у кусках або розсиплю, та містить близько 20% вологи, в залежності від пори року та кількості атмосферних осадів вологість коливається у межах 15 – 25%. В’язку глину необхідно до помелу висушити у сушильних барабанах. Для більш ефективної роботи сушильного барабану глину попередньо дроблять на малі куски за допомогою глиностругальної машини, а також глиноподрібнюючих валків та центробіжної глинорізальної машини. На заводах найбільш поширеною є глиностругальна машина (стругач). У дощовий період для подрібнювання потрібно використовувати менш вологу глину, що зберігається у запасі. При мерзлої глині продуктивність стругача знижується до 70%.

Для нестатків вогнетривкої промисловості, окрім тругачів, використовуються ще два типи глиноподрібнювачів.

Величина кусків подрібненої глини звичайно не перевищує 30 – 40 мм.

Сушіння глини проводять у сушильних барабанах з комірковим перетином, що працюють за принципом прямоточного руху глини та гарячих газів. Прямоточність руху газів дозволяє підняти їх температуру до 600 – 8000 С без перегріву глини до її часткової дегідратації. Зіткнення гарячих газів з мокрою або підмороженою глиною викликає швидку втрату ними тепла, що витрачається на випар вологи. Звичайно час сушіння сягає 20 – 30 хв. За цей час глина повинна бути висушена до 6 – 8% залишкової вологи (але не більше 10 – 11%). Куски завантажуванної у барабан глини повинні мати приблизно однаковий розмір. Температура газів, що відходять, повинна бути не нижче 110 – 1200 С. При більш низьких температурах можлива конденсація пари води на глині, що відходить з барабану.

Для зменшення пиловносу необхідно ставити електрофільтри, яки уловлюють більше 99% пилу.

Робота сушильного барабану у блоці із стругачем та живильником може бути автоматизована. Для нормальної роботи сушильного апарату необхідно, щоб глина рівномірно надходила до нього. Рівномірне надходження глини здійснюють шляхом електричного блокування барабану зі стругачем або з подрібнювальними валками та лотковим живильником.

Помел глини звичайно ведеться на дезинтеграторах з чотирьох - або шестирядними корзинами. Тонкість помелу при достатньої швидкості обертання корзин залежить від вологості матеріалу та рівномірності її розподілення. Збільшення вологості вище за вказану норму викликає збільшення величини помелу, яка тим більше, чим вище вологість глини. Тому навіть при середньої вологості 8 – 10%, яка задовільнює потреби помелу, збільшена вологість у центрі шматків глини приводить до збільшення кількості великих фракцій. Зменшення середньої вологості нижче 6 – 8% трохи збільшує вміст найбільш тонких фракцій, але одночасно підвищується пилоутворення. Нормальна робота дезинтегратора потребує рівномірного надходження глини кусками розміром 25 – 35 мм, що досягається установкою живильника. Обов’язковою умовою надійної роботи дезинтегратора є попередження від попадання у нього металічних або інших твердих матеріалів. Для досягнення цієї мети перед дезинтегратором рекомендують встановлювати магнітний сепаратор.

При помелі зв’язуючюї глини необхідно добиватися її найбільшого подрібнювання. Помел у дезинтеграторі при нормальної вологості глини дозволяє отримати до 80% частинок, менших за 0,5 мм. Зерна крупніше за 1,5 – 2 мм відокремлюють на ситах. Більшу тонкість помелу забезпечують встановленням після дезинтегратору повітряного сепаратору, в якому відокремлюються частинки, менші за 0,1 мм. Однак при відсіюванні глини на сепараторі витрачується у 2 – 3 рази більше електроенергії, ніж на вібраційним грохоті.

Для тонкого помелу глини з одночасною її сушкою рекомендують застосовувати аеробільний млин, що працює у замкнутому циклі з повітряним сепаратором. Гаряче повітря за допомогою вентилятора, що всмоктує, який встановлений над сепаратором, протягується через млин та уносить за собою подрібнену глину у сепаратор. Величина уносимих частинок залежить від швидкості руху повітря у шахті та у трубі, що відсмоктує, яка зв’язана з сепаратором.

2.2. Підготовка шамоту.

Основою виробництва середньо-мулітових вогнетривів є отримання муліто-корундового шамоту, що щільно спікся. Він служить наповнювачем та зв’язується при формованні виробів 15 – 20% пластичною вогнетривкою глиною, що спікається.

Брикет виготовляють з тонкомеленого технічного глинозему, до якого додають вогнетривку глину або каолін. вогнетривка глина служить компонентом для синтезу муліту у виробі та одночасно виконує роль зв’язки для глинозему при формованні брикету. Для синтезу муліту може бути використаний і гідрат глинозему. Так як процес мулітоутворення відбувається при 1300 – 14000 С, то заміна технічного глинозему гідратом не вносить змінення у цей процес. Тонке подрібнювання гідрату потребує більш тривалого часу. При організації виробництва колоїдального гідрату глинозему для потреб вогнетривкої промисловості величину зерен можна зменшити до таких розмірів, при яких не потребується подрібнювання.

Високий ступінь дисперсності компонентів брикету та їх ретельне перемішування, наприклад, у вигляді шликерів після мокрого помелу у пропелерному млині або сухих порошків у шаровому млині, забезпечують завершення мулитізації при 1400 – 15000 С та спікання брикету при 1500 – 16500 С. Випал виробів звичайно проводиться у обертових печах.

Високоглиноземістий шамот, що спікся, з водопоглинанням менш 3% подрібнюють до потрібного зернового складу. У якості зв’язки до нього додають 15 – 20% вогнетривкої глини, що спікається. Такий шамот при граничній величині зерна 1,5 – 2 мм повинен містити близько 50% найбільш дрібної фракції (менше 0,1 мм). Твердість та щільність цього шамоту вельми затрудняють його подрібнення.

2.3. Приготування виробів.

При обробці маси для того, щоб така мала кількість глини була достатньою для гарного зв’язування шамоту при пресуванні та випалу, необхідне виконувати наступні вимоги: використовувати тонко дисперсну високопластичну для більш повного та кращого обволакування шамотних зерен більш тонким шаром глини, частину її належить попередньо переводити у лікер, при цьому додаток електролітів дозволяє знизити кількість води у лікері, для рівномірного розподілу глини на поверхні шамотних зерен необхідна ретельна обробка маси. Вологість маси становить 5 – 6,5%, що дозволяє ввести до неї у вигляді лікеру лише 6% глини.

Зерновий склад шамоту повинен забезпечувати максимальну щільність укладки. Це обумовлює більшу щільність сирцю та дозволяє також знизити кількість звязуючої глини, яка потрібна лише для обволакування тонкою плівкою шамотних зерен.

Для більш ретельного перемішування шамоту з зв’язуючою глиною доцільно обробляти масу на змішувальних бігунах. Однак при такій обробці маси може змінюватися зерновий склад шамоту в результаті помелу, головним чином великих фракцій. Тому багато шамотну масу рекомендують перемішувати у наступній послідовності: тонкозернистий шамот замочують у змішувальних бігунах шликером, туди ж вводять решту: глину, що не ввійшла у лікер, потім отриману масу змішують з крупнозернистим шамотом. Ця остання стадія перемішування маси у Толстому шарі зменшує помел великої фракції. Для забезпечення тісного змішання глини з тонкою фракцією шамоту та помелу більш великих зерен глини перемішування здійснюється у трубному млині.. Отримана суміш потрапляє у змішувальні бігуни, до неї вводять лікер та потім велику фракцію шамоту. Завантаження змішувальних агрегатів здійснюють масовими дозаторами з бункерів, що розташовані над бігунами. Робота усього змішувального агрегату автоматизована.

Багато з вогнетривких заводів та цехів використовують спрощений спосіб виготовлення мулітових мас. Наповнювачем служить не фракціонований шамот з граничною величиною зерна у 3 – 4 мм та вмістом дрібної фракції (<0,5 мм) 20 – 60%. Необхідна кількість зв’язуючої глини 20 – 25%. При правильно підібраному співвідношенні великих та дрібних фракцій може бути досягнута висока щільність виробів. Маса оброблюється у один прийом у змішувальних бігунах.

Перемішана у бігунах маса потрапляє до живильника преса.

Описаний спосіб виробництва пресованих середньо-мулітових виробів забезпечує отримання вогнетривкого матеріалу високої щільності та міцності. Завдяки малої вологості мулітової маси та невеликому вмісту в ній зв’язуючої глини величина усадки при випалі не перевищує 2 – 3%, що забезпечує правильність форм та точність розмірів виробів. Цей спосіб використовується для виробів найбільш відповідального призначення.

Завершальним етапом виробництва вогнетривких виробів є випал. Він потрібен для спікання та ущільнення виробів у такій мірі, щоб забезпечити необхідну постійність їх об’єму у наступній роботі у печах. При ущільненні вироби набувають також механічної міцності. Щільність та міцність виробів забезпечуються технологічним процесом виробництва, але остаточно визначаються у процесі випалу.

Температура випалу виробів звичайно коливається у межах 1500 – 16500 С. Випал виробів можна проводити у різних типах печей, таких як обертових, періодичних та кольцевих.

При виробі середньо-мулітових вогнетривів потребується строге дотримування технологічного процесу, тому що у іншому випадку якість виробів різко погіршиться.

3. Розрахункова частина.

Задано:

1. Вміст Al2O3 в 100 мас.ч. готового вогнетривкого матеріалу – 75%.

2. Вміст сировини у вогнетривкій шихті (за сухою масою): глини-зв’язки – 17 мас. %, високоглиноземістого шамоту (далі – шамоту) – 83%.

3. Вміст Al2O3 в сировині (на прожарену речовину): мас. %: глина-зв”язка – 36,35, глина на шамот – 55, глинозем – 99.

4. Втрати при прожарюванні сировини, мас. %: глина-зв”язка – 8,42, глина на шамот – 15, глинозем – 0.

5. Необхідна кількість вогнетривкого матеріалу, кг – 5000.

Необхідно:

Розрахувати кількість сировини (глини-зв”язки, глини на шамот та глинозему) для отримання 5000 високоглиноземистих вогнетривких виробів.

Проведення розрахунку.

Перед початком розрахунків зробимо такі основні нозначення:

вміст Al2O3 в 100 мас. ч. готового вогнетривкого матеріалу – А0;

вміст Al2O3 у глині-зв”язці, глині на шамот та глиноземі (на прожарену речовину) відповідно – А1п, А2п, А3п;

втрати при прожарюванні (далі – в.п.п.) глини-зв”язки, глини на шамот і глинозему відповідно – н1, н2, н3.

1. Визначення вмісту Al2O3 в шамоті (за сухою масою).

Складемо рівняння, яке показує вміст Al2O3 в 100 мас. ч. вогнетривкої шихти за сухою масою. В загальному випалку це рівняння буде мати такий вигляд:

Аш*Ш/100+А1сух*(100-Ш)/100=Асш (3.1)

де Аш – вміст Al2O3 в шамоті (за сухою масою);

А1сух – вміст Al2O3 в глині-зв”язці (за сухою масою);

Ш – вміст шамоту в 100 мас. ч. шихти;

100 – Ш – вміст глини-зв”язки в 100 мас. ч. шихти;

Асш – вміст Al2O3 в 100 мас. ч. шихти (за сухою масою).

Для вирішення цього рівняння спочатку розраховуємо А1сух:

А1сух=А1п*(100-н1)/100=36,35*(100-8,42)/100=33,3 (3.2)

Розраховуємо в.п.п. сухої шихти, які надають їй 17 мас. % глини-зв”язки:

100 мас. % глини-зв”язки – 8,42 мас. %

17 мас. % глини-зв”язки – х мас. %

х=1,4 мас. %.

Визначимо вміст Al2O3 в 100 мас. ч. шихти за сухою масою (Асш):

Асш=А0*(100-в.п.п. шихти)/100=75*(100-1,4)/100=74,0 мас. ч. (3.3.)

Тепер запишемо рівняння 3.1 для даного випадку:

Аш*83/100+33,3*(100-83)/100=74,0 (3.4)

Вирішуючи це рівняння відностно Аш, знаходимо:

Аш=82,3 мас. ч.

Саме ця кількість Al2O3 за сухою масою міститься в 100 мас. ч. шамоту.

2. Визначення вмісту Al2O3 в шамоті (на прожарену речовину).

Перерахуємо вміст Al2O3 в шамоті за сухою масою (Аш) на вміст Al2O3 в шамоті на прожарену речовину (Ашм) за формулою:

Ашм=100*Аш/(100-в.п.п. шихти)=82,3*100/(100-1,4)=83,5 мас. ч. (3.5)

3. Визначення складу сировинної суміші для отримання шамоту (на прожарену речовину).

Складемо рівняння по вмісту Al2O3 в 100 мас. % шамоту:

А3п*х/100+А2п*(100-х)/100=83,5 (3.6)

де А2п=55 мас. ч.;

А3п=99 мас. ч.

Вирішуючи це рівняння у пакеті MATHCAD, знаходимо х=64,8 мас. ч.

Тоді кількість глини на шамот становитиме: 100 – 64,8=35,2 мас. ч.

Таким чином, для отримання 100 мас. ч. шамоту необхідно мати 64,8 мас. ч. глинозему та 35,2 мас. ч. глини на шамот, розрахованих на прожарену речовину.

4. Визначення складу сировинної суміші для отримання шамоту (на суху речовину).

Перераховуємо кількість глинозему та глини у суміші на суху речовину:

Qсух=100*Qпрож/(100 – в.п.п.) (3.7)

Qсух=100*35,2/(100-15)=41,4 мас. %

Таким чином, загальна маса сухої суміші для отримання шамоту становитиме:

сухий технічний глинозем = 64,8;

суха глина на шамот = 41,4.

5. Визначення кількості сировинних матеріалів для отримання вогнетривкого матеріалу в заданої кількості.

Із 100 мас. ч. шихти – 98,6 мас. ч. готового матеріалу

Із х мас. ч. шихти – 100 мас. ч. готового матеріалу

х=101,4 мас. ч.

В 101,4 мас. ч. вогнетривкої шихти її компоненти розподіляться так: шамот – 101,4*0,83=84,2 мас. ч., глина-зв”язка – 101,4*0,17=17,2 мас.ч.

Для отримання 100 мас. ч. шамоту необхідно 64,8 мас. ч. глинозему

Для отримання 84,2 мас. ч. шамоту необхідно х мас. ч. глинозему

х=54,6 мас. ч.

Для отримання 100 мас. ч. шамоту необхідно 41,4 мас. ч. глини на шамот

Для отримання 84,2 мас. ч. шамоту необхідно х мас. ч. глини на шамот

х=34,6 мас. ч.

Таким чином, для отримання 100 мас. ч. готового вогнетривкого матеріалу необхідно взяти:

глини-зв”язки – 17,2 мас. ч.

глини на шамот – 34,6 мас. ч.

технічного глинозему – 54,6 мас. ч.

Разом – 106,4 мас. ч.

Перераховуємо сировину на 5000 кг за такою пропорцією:

Для отримання 100 кг матеріалу необхідно 17,2 кг глини-зв’язки

Для отримання 5000 кг матеріалу – х кг глини-зв’язки

х=860 кг.

Аналогічно перераховуємо кількість глини на шамот і глинозему, які становлять 1730 кг та 2730 кг відповідно.

Таким чином, для отримання 5000 кг вогнетривкого матеріалу (виробів) із вмістом Al2O3=75 % необхідно мати:

сухої глини-зв’язки – 860 кг;

сухої глини на шамот – 1730 кг;

сухого технічного глинозему – 2730 кг.

6. Перевірка правильності розрахунків.

Розрахуємо вміст Al2O3 в готовому матеріалі за рівнянням 3.3 і порівняємо із заданим значенням А0:

83,5*83/100+36,35*(100-83)/100=75,5

Отримане значення відповідає заданому значенню А0.

Перевіримо вміст Al2O3 в 100 мас. ч. сухої вогнетривкої шихти за рівнянням 3.2:

82,3*83/100+33,3*(100-83)/100=74,0

Отримане значення відповідає із розрахованим значенням Асш.

Розрахуємо вихід готових виробів, який позначає масу виробів після випалу.

Із 106,4 мас. ч. шихти отримаємо виробів:

106-0,172*8,42-0,346*15=99,8 мас. ч.

Із 5320 мас. ч. шихти отримуємо виробів:

5320-860*0,0842-1730*0,15=4988 мас. ч.

Вихід готових продуктів підтверджує правильність розрахунків.

Висновки.

У даній роботі було розглянуто технологію середньо-мулітових вогнетривів. Було вибрано сировину для виготовлення вогнетривів, при цьому вирішальним значенням було не тільки її технічні параметри, а доступність глини для вітчизняного виробництва.

Різноманітність існуючих технологій для виробництва вогнетривів практично не дозволяє вибрати тільки одну технологію, тому що існує необхідність вибору між найбільш технологічними, найбільш дешевими та ін. технологіями, вибір яких здійснюється згідно існуючих ситуацій. Тому і було розглянуто спектр основних технологій, починаючи зі стадії підготовки шихти і закінчуючи випалом виробів.

Список литературы

1. Стрелов К.К., Мамыкин П.С. Технология огнеупоров. – Москва, 1977. – 276 с.

2. Зубехин А.П., Голованова С.П., Яценко Е.А. и др. Основы технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов. – Новочеркасск, 1999. – 280 с.

3. Бобков ан.М., Дятлова Е.М., Куницкая Т.С. Общая технология силикатов. – Минск: Высшая школа, 1987. – 288 с.