2020-04-20
69
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 = Пп - Пп-1,
де Пп, Пп-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 = 102,023 = 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 = 101,847 = 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 = 101,566 = 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 = 101,282 = 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:
1 шамот фр. 3 - 0,5 мм - 55%, ССП фр. <0,088мм-45%;
2 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.
