/
Author: Липовский И.Е. Дорофеев В.А.
Tags: горные породы материаловедение геохимия каменные работы петрургия
Year: 1972
Text
И. Е. ЛИПОВСКИЙ, В. А. ДОРОФЕЕВ
ОСНОВЫ
ПЕТРУРГИИ
©
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МЕТАЛЛУРГИЯ»
МОСКВА, 1972
Основы петрургии. Липовский И. Е., Дорофеев В. А.
Изд-во «Металлургия», 1972, 320 с.
В книге изложены данные по теории и практике камнелитейного
производства. Подробно освещены вопросы физико-химических ос-
нов петрургии, сырьевой базы, технологии получения камнелитых
изделий, их физико-механических и химических свойств, а также
•эффективности применения этих изделий в различных отраслях на-
родного хозяйства. Приведены также краткие данные по истории
развития петрургии в Советском Союзе и за рубежом.
Книга рассчитана на инженерно-технических работников и ква-
лифицированных рабочих, непосредственно занятых производством
камнелнтых изделий, а также на специалистов предприятий метал-
лургической, химической, угольной, горнорудной, энергетической
и других отраслей народного хозяйства, где камнелитые изделия на-
ходят широкое применение. Илл. 86. Табл. 31. Библ. 108 назв.
3-14 11
135-72
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие : : :........................................ 5
Глава I.
К истории развития петрургии
Каменное литье за рубежом : :............................ 7
Каменное литье в СССР................................... 11
Глава II.
Физико-химические основы петрургии
Природа каменного литья ................................ 17
Физико-химические и литейные свойства петрургических рас-
плавов ................................................. 24
Кристаллизация каменного литья.......................... 43
Глава III.
Петрургическое сырье................ 74
Требования к петрургическому сырью и его оценка .... 75
Петрургическое сырье из горных пород.................... 89
Петрургическое сырье из промышленных отходов............. 107
Модифицирующие и иные подшихтовочные материалы ... 117
Глава IV.
Основы технологии получения камнелитных изделий 119
Подготовка сырья и приготовление шихты ................. 120
Процесс получения расплава ............................. 128
Технология производства футеровочных плит .............. 139
Производство больших футеровочных плит.................. 146
Технология производства фасонных изделий................ 152
Особенности производства каменного литья в ЧССР .... 165
Глава V.
Технология производства труб ............ 168
Производство труб статическим методом................... 170
Производство труб центробежным методом.................. 172
Минералогические особенности строения труб ............ 186
Свойства камнелитных труб , , .................... . 195
1* .3
Глава VI.
Технология получения шлаколитых
и иных стеклокристаллических изделий и материалов
Литье из металлургических шлаков.......................... 197
Ситаллы................................................... 202
Светлокаменное литье...................................... 207
Огнеупорное литье ........................................ 218
Каменно-керамические изделия.............................. 221
Производство стеклокристаллического кислотоупорного по-
рошка ................................................... 225
Глава VII.
Физико-механические и химические свойства
петрургических изделий ........................... 230
Химический состав....................................... 231
Общие физические свойства..............................: 232
Химическая стойкость...................................... 234
Устойчивость абразивному истиранию........................ 240
Механические свойства .................................... 243
Теплофизические свойства.................................. 254
Коэффициент термического расширения....................... 254
Коэффициент теплопроводности и температуропроводности . 259
Коэффициент теплоемкости.................................. 269
Электрические свойства.................................. . 273
Фазовый состав............................................ 282
Глава VIII.
Эффективность применения каменного литья
в народном хозяйстве.............................. 284
Каменное литье в химической и коксохимической промышлен-
ности .............................................. • . 287
Каменное литье в угольной промышленности.................. 290
Каменное литье в горнорудной и металлургической промыш-
ленности ................................................ 295
Каменное литье в различных отраслях промышленности . . 301
Литература............................................... 313
ПРЕДИСЛОВИЕ
В решении задачи по созданию материально-техни-
ческой базы коммунизма в нашей стране важным вопро-
сом является экономия металлов и создание новых эф-
фективных конструкционных материалов. ПК КПСС в
своем письме «Об экономном расходовании черных-ме-
таллов в народном хозяйстве» («Правда» от 27 апреля
1960 г.) призвал всемерно экономить металлы и заменять
их другими материалами.
По данным Третьего международного конгресса по
коррозии металлов (Москва, 1966 г.) ежегодно во всем
мире разрушается от коррозии 12,5% всей стали, что
наносит большой ущерб. Кроме потерь от коррозии, в
промышленности имеют место большие потери металлов
от абразивного износа.
Для повышения эксплуатационной стойкости и долго-
вечности агрегатов, механизмов и их узлов, работающих
в условиях абразивного износа и химической коррозии,
важное значение имеет создание и внедрение новых ма-
териалов и изделий, превосходящих по своим свойствам
другие известные материалы и в первую очередь черные
и цветные металлы. Необходимость в таких материалах
вызывается также тем обстоятельством, что в совре-
менной промышленности оборудование работает в слож-
ных условиях при высоких температурах и давлениях и
повышенном воздействии агрессивных сред.
Среди новых синтетических материалов наиболее эф-
фективным заменителем металлов является каменное
литье, отличающееся высокой химической стойкостью,
сопротивляемостью абразивному износу и хорошими ди-
электрическими свойствами.
Камнелитные изделия более долговечны, чем ме-
таллические. кроме того, при их использовании повыша-
ется гигиена труда и общая культура производства.
В пашен стране заложены теоретические основы
камнелитейного производства — петрургии и создана но-
вая отрасль промышленности — камнелитейная.
Действующими камнелитейными предприятиями на-
шей страны в гг. Москве, Донецке, Кривом Роге, Кондо-
поге, Первоуральске, Норильске и др. производится до
150 видов изделий общим весом около 65 тыс. т в год.
Эти изделия широко применяются в химической, угольной,
горнорудной, металлургической, энергетической и других
отраслях промышленности, а также в строительстве, на
транспорте и в сельском хозяйстве.
Потребность народного хозяйства в каменном литье
неуклонно растет. Так, в настоящее время только по Ук-
раинской ССР она составляет свыше 250 тыс. т в год.
На базе практического опыта, теоретических исследо-
ваний и проектных работ в последние годы механизиро-
ваны производственные процессы получения камнелитых
изделий, расширен их ассортимент, улучшено качество и
снижена себестоимость. В итоге расширена сфера приме-
нения камнелитых изделий и повышена эффективность
их внедрения.
В нашей стране имеются благоприятные условия для
успешного развития камнелитейного производства. Во
многих районах страны имеется высококачественное
сырье в виде горных пород—базальтов, диабазов, гра-
нитов, амфиболитов, сиенитов и др., а также металлур-
гических шлаков. В большинстве этих районов имеется
достаточная энергетическая база. На базе указанных
сырьевых ресурсов и энергетических источников в на-
стоящее время проектируются и строятся новые камне-
литейные предприятия.
В связи с быстрым развитием теории и практики кам-
нелитейного производства имеющаяся литература по
петрургии недостаточно полна и нуждается в обобщении.
В основу настоящей работы положены материалы
книги «Камнелитейное производство» (изд-во «Метал-
лургия», 1965 г.), которая авторами полностью перера-
ботана и значительно расширена. Кроме того, использо-
ваны многочисленные материалы практического опыта и
теоретических исследований, выполненных в последние
годы рядом исследователей, в том числе авторами.
В книге также освещен опыт развития камнелитейного
производства за рубежом.
е
ГЛАВА I
К ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ПЕТРУРГИИ
Экспериментальные работы по получению синтетичес-
ких кристаллических силикатных материалов начали ве-
сти около двухсот пятидесяти лет назад. Однако камне-
литейное производство существует всего лишь пять-
десят лет.
КАМЕННОЕ ЛИТЬЕ ЗА РУБЕЖОМ
Возникновение синтетического силикатного кристал-
лического материала относится к началу XVII в. [1].
В 1727 г. во Франции Р. А. Реомюр кристаллизацией ма-
лощелочных стекол получил новый тип фарфора, наз-
ванный «Реомюров фарфор». Год спустя, англичанин
Д. Раунг получил патент на изготовление литых строи-
тельных материалов из металлургических шлаков.
В 1761 г. в Швеции литой шлаковый кирпич использовали
при строительстве доменных печей. В те годы в Германии
из металлургического шлака получали различные литые
строительные материалы.
Экспериментальные работы по получению литых из-
делий из горных пород стали проводить несколько позд-
нее. Первые плавки базальта провели в 1777 г. француз
Д. Аризель и в 1798 г. шотландец Ж. Голл, который в
1801 г. определил условия получения из базальтового
расплава кристаллических изделий. Успешно проводил
термообработку камнелитых изделий из горных пород
англичанин Т. Уатт в 1804 г.
Выпуск камнелитых изделий и их практическое ис-
пользование относится к тридцатым годам XIX в. В 1830 г.
в Чикаго несколько улиц было вымощено шлаколитыми
плитками. В те же годы в Германии из шлаков Манс-
фельдского металлургического завода получали литые
тротуарные плиты, брусчатку и трубы.
7
Первый патент на технологию получения каменного
литья из горных пород получил англичанин Адкок
в 1854 г. В том же году в русском «Горном журнале»
впервые подробно описано получение из плавленого ба-
зальта изделий для химической промышленности, строи-
тельства, а также художественного литья. Эти изделия
отливали в подогретые металлические формы с графито-
вой присыпкой, а термообработку осуществляли в специ-
альных печах.
Заслуживает внимания технология получения камне-
литых изделий из стекла. В 1896 г. Гарше из стекла полу-
чал тротуарные и облицовочные плиты, а также архитек-
турные детали. Для производства таких изделий отходы
стекла измельчали, подогревали в металлических фор-
мах, прессовали и вместе с формами подвергали терми-
ческой обработке. При такой технологии получения изде-
лий металлические формы быстро выходили из строя.
Виго усовершенствовал указанную технологию и тер-
мообработку стекловидных отливок проводил после из-
влечения их из металлических форм.
Во второй половине XIX в. центром эксперименталь-
ных работ в области петрургии становится Франция.
Плавками силикатных пород занимались в 1861 г. Деб-
ре и с 1878 г. Фукке и Леви. С 1909 г. переплавкой
базальта и получением изделий занимался доктор
Риббе.
В 1913 г. во Франции была создана компания по стро-
ительству камнелитейного завода в г. Витри, однако в
период Первой мировой войны строительство этого заво-
да было приостановлено, и лишь в 1921 г. фирма «Ком-
пани Женерал дю базальт» завершила прерванную
стройку. Завод производительностью 10 т в сутки имел
дробильный и плавильно-обжигательный цехи, формо-
вочную мастерскую и отделочное отделение. Для пере-
плавки базальта использовали печи электрические с гра-
фитовыми электродами и пламенные на генераторном га-
зе и мазуте. Сырьем служил местный овернский базальт.
Плавка протекала при 1300° С. Подготовленный расплав
поступал в передвижной электроподогреваемый миксер,
затем расплав разливали в песочные или металлические
формы. Термообработку отливок, извлеченных из форм,
проводили в камерных печах с газовым отоплением. За-
вод выпускал электроизоляторы, рифленые плиты для
8
полов, строительные плиты, арматуру к трубам для хи-
мической промышленности и посуду.
В те же годы во Франции был построен и второй кам-
нелитейный завод. Общая производительность обоих за-
водов составляла 5 тыс. т литья в год.
В г. Линце на Рейне (ФРГ) в 1922 г. был построен
камнелитейный завод, который эксплуатируется и в на-
стоящее время. Завод производительностью до 12—
15 тыс. т в год выпускает плиточные и фасонные изделия,
а также патрубки. Сырьем служат местные базальты без
подшихтовочных материалов. Расплав получают в ван-
ных печах, отапливаемых генераторным газом из бурых
углей. Изделия в большинстве случаев отливают в раз-
борные металлические формы и используют для защиты
оборудования горнорудной и металлургической промыш-
ленности от истирания. Часть изделий идет в химическую
промышленность и на экспорт.
В Германской Демократической Республике при Ман-
сфельдском металлургическом комбинате имеется цех
каменного литья производительностью 5 тыс. т в год.
Сырьем служит жидкий медеплавильный шлак. Рас-
плав доставляют в цех миксерами и сливают его в гра-
фитовые тигли, помещаемые в селитовые печи. В цехе из-
готовляют центробежным методом трубы различных
диаметров. Термообработку труб осуществляют в тун-
нельных печах.
В послевоенный период, используя опыт Советского
Союза, камнелитейное производство стало развиваться в
ряде социалистических стран.
В Чехословацкой Социалистической Республике с
1949 г. работают два камнелитейных завода. Сырьем
служит местный базальт, не нуждающийся в подшихто-
вочных добавках.
Завод в г. Нова Баня выпускает футеровочные плиты
и минеральную вату. Базальт переплавляют в шахтно-
ванной печи производительностью 13 т расплава в сутки
и накапливают в обогреваемом копильнике, а затем его
периодически подают в ковши для разливки в холодные
песочные формы. Залитые формы присыпают сухим пес-
ком. После затвердевания и почти полной кристаллиза-
ции в течение 10 мин плиты извлекают из форм и направ-
ляют для отжига в туннельную печь. Минеральную вату,
используемую в качестве теплоизоляционного материала,
9
получают из базальтового расплава центробежным мето-
дом. Кроме того, завод освоил производство из синтер-
базальта втулок, сопел гидромониторов центробежных
аппаратов и других технических изделии сложной кон-
фигурации. Их изготавливают методом прессования по-
рошка из плавленого незакристаллизованного базальта
и парафина (6%) с последующей термообработкой.
Завод в г. Стара Вода в основном выпускает камие-
литые трубы, а также плиточные изделия, колена для
трубопроводов, валки для грохотов, циклоны, футеровку
и шары для мельниц, диффузоры гидравлических аппа-
ратов и др. Трубы длиной 500 и 1000 мм производят цен-
тробежным методом. Разработана технология изготовле-
ния труб длиной до 2000 мм и диаметром от 125 до
500 мм. Футеровочные плиты отливают в металлические
кокили, а фасонные изделия — в песочные сухие формы.
Камнелитые трубы на другом предприятии монтируют в
металлические кожухи, при этом получают секции трубо-
проводов с переходами, коленами и отводами. Предпри-
ятия-потребители на местах из готовых секций монтиру-
ют трубопроводы.
Производительность чехословацких заводов составля-
ет около 8,5 тыс. т каменного литья в год. Часть продук-
ции этих заводов поступает на экспорт.
В Польской Народной Республике (г. Страховице)
камнелитейный завод работает с 1954 г. Технология за-
вода заимствована в ЧССР. В качестве сырья завод ис-
пользует местный базальт без подшихтовочных матери-
алов. Базальт переплавляют в шахтно-ванной печи про-
изводительностью 2,6 т!сутки. Плиточные и простейшие
фасонные изделия отливают в песочно-глинистые формы.
Камнелитые трубы отливают центробежным способом в
металлических кокилях. В кокиль после заливки распла-
ва для теплоизоляции добавляют слой кварцевого песка.
Завод выпускает до 200 видов изделий, в основном это
плиточные изделия, футеровочные кирпичи, шары и тру-
бы и др.
Трубы длиной 400 и 500 мм и диаметром от 150 до
365 мм отливают центробежным методом. Изготовленные
трубы завод монтирует в металлические кожухи длиной
2 л(. Камнелитые трубопроводы предназначены в основ-
ном для транспортирования пустой породы в шахтных
выработках. Применение каменного литья в агрессивных
ю
средах ограничено, так как оно имеет пониженную кисло-
гостойкость (97%-иая H2SO4). Часть литья экспортиру-
ют. Производительность завода 5 тыс. т в год.
В настоящее время камнелитейный завод строят в
ПНР производительностью 10 тыс. т литья в год.
В Народной Республике Болгарии по опыту Советс-
кого Союза в 1966 г. построен камнелитейный завод про-
изводительностью 25 тыс. т литья в год. Завод переплав-
ляет местные базальты, используя для этого однополоч-
ную ванную печь со сливным стационарным
копильником. Термообработку изделий производят в тун-
нельной печи длиной 50 м. Основными видами изделий
являются футеровочные плиты, трубы, желоба и лотки,
шары диаметром 60—120 мм. Трубы длиной 500 и 1000 мм
диаметром до 500 мм отливают центробежным методом.
Камнелитые изделия из-за присутствия оливинового
минерала имеют пониженную кислотостойкость, поэтому
в основном их применяют для защиты оборудования от
абразивного износа. С шестидесятых годов за рубежом
и в нашей стране появилась разновидность каменного
литья — стекломикрокристаллический материал. В США
и некоторых европейских странах этот материал получил
название «пирокера.м», в Социалистической Республике
Румынии «румынский фарфор», у нас — «ситалл».
КАМЕННОЕ ЛИТЬЕ В СССР
Первые экспериментальные работы по получению в
России каменного литья из металлургических шлаков
относятся к XVIII в. Так, в 1726 г. на Лялинских метал-
лургических заводах Урала из шлака отливали хозяйст-
венную посуду. Затем позже на Чусовском металлурги-
ческом заводе из шлака отливали дорожную брусчатку.
В 1869 г. в Нижнем Тагиле получили крупные камнели-
тые блоки из медных шлаков.
Основы петрургии в Советском Союзе заложены в
1925—1926 гг. академиком Ф. Ю. Левинсон-Лессингом.
Первыми исследователями в области петрургии являются
профессора А. С. Гинзберг и П. А. Флоренский. В 1927—
1930 гг. в лаборатории Института прикладной минерало-
гии в Ленинграде под руководством А. С. Гинзберга вы-
полняли эксперименты по получению каменного литья
из онежского диабаза. В те же годы в Москве на опытной
установке завода «Изолятор» П. М. Флоренский и гео-
лог П. В. Оленин для петрургического сырья исследова-
ли основные горные породы района г. Батуми.
На том же заводе в 1929—1930 гг. инж. Я. О. Борухин
и И. В. Оленин продолжили работу по изучению в каче-
стве петрургического сырья диабазы, базальты, метал-
лургические шлаки и золы горючих сланцев. Плавки
осуществляли в качающейся мартеновской печи произ-
водительностью 50 ка за одну плавку. Из расплава в ме-
таллических кокилях отливали электроизоляторы.
В те же годы А. С. Гинзберг и А. И. Цветков разра-
ботали рецептуру шихты для получения каменного литья
из диабазов и андезито-базальтов Армянской ССР.
На базе выполненных комплексных исследований в
начале 1933 г. в Москве был пущен в эксплуатацию пер-
вый в стране камнелитейный завод, позднее реоргани-
зованный в опытный завод стеклокристаллических мате-
риалов и каменного литья при Институте стекла. До
1939 г. завод переплавлял диабазы Карельской АССР,
затем в качестве сырья стал использовать базальт Бере-
стовецкого месторождения Ровенской области. В состав
шихты, кроме базальта, входит уральский горнблендит и
хромистый железняк. Шихту плавят в регенеративной
ванной печи, отапливаемой газом. Кристаллизацию от-
ливок осуществляют в камерных печах, а отжиг — в тун-
нельных. Завод производит футеровочные плиты раз-
личных размеров, патрубки, желоба, детали гидроцикло-
нов и др.
Производительность завода — до 18 тыс. т литья в
год. Часть продукции вывозится за границу.
В развитие и совершенствование технологии Москов-
ского камнелитейного завода, а также петрургической
науки большой вклад внесли Я. О. Борухин, В. В. Черны-
шев, А. П. Шапошников, И. Н. Золотов, В. С. Суварева,
Т. Н. Макарова и другие специалисты [2, 3].
В конце 1933 г. был построен Ереванский камнелитей-
ный завод, использовавший базальт Тахмахангельского
месторождения. В 1937 г. завод реконструирован с орга-
низацией производства плавленого муллита, используе-
мого в качестве огнеупорного материала для стеклова-
ренных печей. В дальнейшем завод стал производить
более ценные плавленые огнеупоры — «Бакор» и «Ар-
мения».
12
Успешное применение в народном хозяйстве камнели-
тых изделий Московского камнелитейного завода послу-
жило основанием для дальнейшего развития камнелитей-
ного производства.
Для разработки теоретических основ петрургии в
1934 г. при Ленинградском горном институте была созда-
на экспериментальная и учебная база под руководством
проф. А. С. Гинзберга. В 1941 г. Институтом была выпу-
щена группа инженеров-петрургов.
В 1943 г. на Норильском горно-металлургическом
комбинате им. Завенягина при заводе «Стройдеталь» был
пущен в эксплуатацию цех каменного литья, производи-
тельностью 850 т литья в год, выпускавший футеровочные
плиты для выкладки производственных полов. На том же
комбинате при цементном заводе, в 1959 г. построен но-
вый цех каменного литья производительностью 1,6 тыс. т
в год. Старый цех вследствие технической отсталости был
ликвидирован. Литье в цехе получают из местного сы-
рья — габродиабаза без применения подшихтовочных
добавок. Плавку сырья производят в ванной печи. Изде-
лия отливают в разъемные металлические формы, кри-
сталлизуют без форм в муфельной печи и отжигают в
туннельной не обогреваемой печи. Получаемые изделия,
в основном футеровочные плиты, удовлетворяют лишь
нужды комбината.
Важным этапом в развитии петрургии явилось созда-
ние производства светлокаменного литья. Проблема соз-
дания светлокаменного литья возникла в 1945 г. в связи
с изысканием прочных материалов белого цвета для об-
лицовки Дворца Советов в Москве, строительство кото-
рого было прервано в 1941 г.
По рекомендации профессора В. А. Аршинова, 1945—
1947 гг. в Московском институте минерального сырья
Г. А. Рашиным и Л. В. Зверевым экспериментальным пу-
тем было получено синтетическое светлокаменное литье
диопсидового состава. На основании этой работы в 1948 г.
в Москве под руководством В. В. Чернышова и
А. Я. Либмана был создан цех по производству светлока-
менного литья.
Светлокаменное литье получают из кварцевого песка,
доломита и мела и незначительных добавок плавикового
шпата и окиси цепка. Плавку шихты ведут в электроду-
говых печах, а термическую обработку изделий в элект-
13
рическпх туннельных и камерных печах. Цех производи-
тельностью 4 тыс. т литья в год выпускает плиты для по-
лов предприятий пищевой промышленности, плитки для
выкладки уличных переходов, футеровку и шары для ша-
ровых мельниц, художественные отливки и мелкие тех-
нические изделия, получаемые методом точного литья.
В развитии теории и практики производства светло-
каменного литья значительный вклад внесли В. В. Чер-
нышов, Ф. Н. Райхштадт, А. И. Рабухин, И. Е. Липов-
ский и др.
В 1954 г. в г. Первоуральске на заводе горного обору-
дования была создана установка по производству камне-
литых плит. На базе этой установки в 1964 г. пущен в
эксплуатацию цех каменного литья производительностью
3 тыс. т литья в год. Сырьем служит горнблендит с до-
бавкой кварцевого песка, глины и хромистого железняка.
Плавку шихты ведут в электродуговых печах. Произво-
димые цехом изделия применяют для защиты оборудова-
ния горнорудных предприятии Урала от абразивного из-
носа.
Дальнейшим важным этапом в развитии камнелитей-
ного производства явился пуск в эксплуатацию в 1958 г.
первого в Украинской ССР и второго в стране Донецкого
камнелитейного завода, ныне комбината камнелитых и
керамических изделий [4, 5]. Первоначально в качестве
сырья завод использовал местные горелые породы уголь-
ных шахтных выработок. Это сырье вследствие тугоплав-
кости и неоднородности химического состава оказалось
недостаточно эффективным и с 1961 г. завод стал исполь-
зовать топливные шлаки местных электростанций.
С 1963 г. завод перешел на переплавку еще более эффек-
тивной шихты на основе базальта Берестовецкого место-
рождения УССР и обожженного доломита, являющегося
отходом местных огнеупорных предприятий. Плавку
шихты производят во вращающихся плавильных печах,
отапливаемых коксовым газом. Отливку изделий ведут в
кокили и песочные формы, термообработку производят в
муфельных и туннельных печах. Завод производит
10 тыс. т литья и 18 тыс. т кислотоупорного порошка в
год.
Камнелитые изделия завода широко применяют в
Донбассе и других районах страны.
В создании Донецкого камнелитейного завода, его
14
развитии и совершенствовании технологического процес-
са приняли участие А. И. Сибилев, Н. А. Бухавцев,
И. Е. Липовский, В. А. Дорофеев, Л. М. Дизик, А. М. На-
шельский, Л. Ф. Лекаренко, И. И. Тюрин и другие специ-
алисты.
В Кривом Роге на Южном горно-обогатительном ком-
бинате при активном участии В. В. Вагина в 1959 г. пост-
роен цех каменного литья производительность 1,5 тыс. т
в год. Цех в основном выпускает для нужд комбината
фасонное литье в металлических формах и кокилях. Сы-
рьем служит базальт Берестовецкого месторождения и ме-
таллургический шлак. Плавление шихты производят в
шахтно-ванной печи, термообработку изделий — в тун-
нельной печи.
С 1960 г. в г. Балхаше действует экспериментальный
участок по выпуску камнелитых изделий на Балхашском
горно-металлургическом комбинате. Сырьем служат
медные шлаки. Более крупный участок производительно-
стью до 1 тыс. т каменного литья в год создан в 1966 г.
в г. Зыряновске Казахской ССР при свинцовом комбина-
те. В качестве сырья используют местную горную поро-
ду — тефритобазальт. Плавильным агрегатом служит
вагранка с копильником.
Крупный цех производительностью 50 тыс. т каменно-
го литья в год введен в эксплуатацию в 1968 г. в г. Кон-
допоге, Карельской АССР при пегматитовом заводе. Цех
имеет регенеративные ванные плавильные печи и для тер-
мической обработки отливок — туннельные печи. Сырьем
служит местный диабаз. Цех выпускает плиточные изде-
лия и кислотоупорный порошок, осваивает производство
фасонного литья, в том числе камнелитых труб.
Второй мощный цех каменного литья производитель-
ностью 13 тыс. т в год пущен в эксплуатацию в 1969 г. в
г. Кривом Роге при Центральном рудоремонтном заводе.
Оборудование этого цеха аналогично цеху каменного
литья в г. Кондопоге. Сырьем служит базальт Бересто-
вецкого месторождения.
На Чусовском, Челябинском и других металлургичес-
ких заводах, а также на Магнитогорском, Нижне-Тагиль-
ском комбинатах из металлургических шлаков отливают
брусчатку, бортовые камни, плиты для полов, блоки для
фундаментов и другие изделия.
Кроме действующих предприятий, в ближайшие годы
15
планируется строительство ряда новых предприятий, на
которых намечается максимальная механизация и ча- j
стичная автоматизация основных технологических про-
цессов получения камнелитых изделий, расширение ас-
сортимента изделий, особенно камнелитых труб центро-
бежным методом и обеспечение необходимых требований
по безопасным условиям труда [6]. Для повышения точ-
ности геометрических размеров изделий намечается вне-
дрение метода штамповки и прессования.
Одновременно с организацией производства камнели-
тых изделий в нашей стране выработаны теоретические
основы петрургии.
Основоположниками изучения петрургического рас-
плава и процесса его кристаллизации являются ученые
А. С. Гинзберг, А. И. Цветков, А. А. Леонтьева, В. В. Во-
ларович, В. В. Лапин, Г. А. Рашин, Г. Арутюнян и др.
В дальнейшем исследовании петрургического сырья,
расплава, процесса кристаллизации и свойств отливок
большой вклад внесли Г. А. Рашин, Б. X. Хан, А. П. Ша-
пошников, И. Е. Липовский, В. А. Дорофеев, И. И. Бы-
ков, С. В. Ладохин, Ю. А. Кручинин, В. В. Вагин, В. С.
Суварева, А. М. Нашельский, В. А. Чечулин, И. Я. Чер-
нявский, В. Л. Ульянов и др.
В развитии технологии получения различных камне-
литых изделий на базе теоретических основ петрургии
существенный вклад внесли А. И. Шапошников, В. А. До-
рофеев, И. Е. Липовский, В. В. Вагин, П. П. Панюшкин,
Н. П. Бондарев.
В области проектирования камнелитейных предприя-
тий и разработке технологического оборудования веду-
щее место занимают «Гипростроммашина» (Киев), «Гип-
ростекло» (Ленинград) и «Уралгипроруда» (Сверд-
ловск) .
В итоге выполненных научно-исследовательских, тех-
нологических и проектных работ в нашей стране разра-
ботаны научные основы петрургии и создана новая
отрасль промышленности — камнелитейная [7].
В целях популяризации каменного литья и обмена
опытом по теории и практике петрургии и примене-
нию камнелитых изделий в Украинской ССР периоди-
чески проводятся общесоюзные научно-технические Со-
вещания.
В докладах на совещаниях подводили итоги теорети-
16
ческих исследований в области петрургии, разработок
технологии получения камнелитых изделий и их эффек-
тивного применения в различных отраслях промышлен-
ности.
Проведение научно-технических совещаний по пет-
рургии способствовало совершенствованию технологиче-
ского процесса производства камнелитых изделий и рас-
ширению сферы их внедрения в народном хозяйстве.
ГЛАВА II
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЕТРУРГИИ
ПРИРОДА КАМЕННОГО ЛИТЬЯ
Каменное литье является синтетическим алюмосили-
катным кристаллическим материалом, получаемым из
различных горных пород или шлаков. Состоит оно из ми-
нералов, слагаемых в основном из окислов кремния, алю-
миния, железа, кальция, магния и натрия. В каменном
литье подавляющее большинство минералов состоит из
силикатов и алюмосиликатов. В силикатных системах ос-
новные окислы кристаллизуются в кубической системе,
при этом в узлах ионной решетки чередуются катионы
металлов и анионы кислорода. Рентгеноструктурными
исследованиями установлено, что основным структурным
комплексом кристаллической решетки силикатов явля-
ется кремнекислородный тетраэдр (SiO.^)4-. Характерно,
что в этом тетраэдре связь между ионами кремния и кис-
лорода двойная — ионная и ковалентная, поэтому ее проч-
ность весьма значительна, что объясняет повышенную
тугоплавкость силикатов. При взаимодействии окиси
кремния с основными окисламп последние теряют анио-
ны кислорода, которые, соединяясь с SiOs, образуют
сложные анионные радикалы типа (SiO4)4~, [SisOy]6-,
[SisOg]6-, [Si40i2]9 и др. Строение указанных радикалов
зависит от характера взаимного расположения кремне-
кислородных тетраэдров. Порядок сочленения кремне-
кислородных тетраэдров в силикатах разнообразен
(рис. 1). Сочленение кремнекислородных радикалов про-
исходит через атомы кислорода. Процесс взаимодействия
комплексных анионных радикалов с основными окисла-
ми протекает по следующей схеме.
2—1058
1.7
В образовании моносиликатов или ортосиликатов, ха-
рактеризующихся отношением кислорода кислотного
окисла к кислороду основного окисла, равным 1, участ-
вуют анионы (SiCh)4-. По молекулярной схеме моноси-
Рис. 1. Типы сочленения кремнекислородных тетраэдров:
а — единичный изолированный тетраэдр [SiO4 ; б — группа из двух тетра-
эдров, связанных через вершину [SiO?]e ; в — группа из трех тетраэдров,
связанных в кольцо [Si3O9]e—; г — группа из четырех тетраэдров, связанных
в кольцо [Si40i2]9-; д — группа из шести тетраэдров, связанных в кольцо
fSieOia]12 ; е — одинарные цепочки тетраэдров [SiO3]; ж — сдвоенная цепочка
(лента) тетраэдров [Si4On]; з — слой тетраэдров [Si2O5l2-; и — каркас тетра-
эдров fSiO2J.
ликат образуется из двух молекул окисла металла и од-
ной молекулы окисла.кремния
2МеО + SiO2-> Л4е2 SiO4.
По ионной схеме этот процесс выражается так:
[SiO2]+2|O]2~ HSiO/-,
J8
[SiO4f + 2 [Ме]2+ - ;Ale2SiO4 .
Из приведенного видно, что в моносиликатах отно*
Шение О : SiO2 = 4 и МеО : SiO2=2.
В образовании полуторасиликатов, имеющих отноше-
ние кислорода кислотного остатка к кислороду основного
окисла, равное 1,5, участвуют анионы (Si2O7)e-.
По молекулярной схеме этот процесс протекает сле-
дующим образом:
ЗМеО + 2SiO2 Mez Si2 О7,
по ионной схеме:
3|М?]2+ + [Si2O7]6~- [Ale3-Si2O7 .
В этом типе силикатов O:SiO2 = 3,5 и AleO;SiO2= 1,5.
Бисиликаты или метасиликаты с отношением кисло-
рода кислотного окисла к кислороду основного окисла,
равным 2, образуются по схеме
МеО + SiO2 A4eSiO3
или
[Ж]2++ [SiO3]2~-> [AleSiO3 .
В этом случае O:SiO2 = 3 и AleO:SiO2 = 1.
Согласно классификации Захариазена катионы сили-
катных систем делятся на три группы:
1) стеклообразующие катионы типа Si*4-. Связь таких
катионов с кислородом ковалентная и ее энергия значи-
тельная;
2) сеткоразрушающие или катионы-моднфикаторы
типа Mg2+, Са2+, Na1+ и др. У этой группы катионов связь
с кислородом в основном ионная и менее прочная;
3) промежуточная группа, куда входит Al3-, и др.
Роль этих катионов двойная. Например, катион А13* в
четверной координации по аналогии с Siвходит в со-
став комплексных анионов. Этот же катион в шестерной
координации играет роль катионов-модификаторов. Так-
же известно, что Fe3+ может замещать SP+ в комплекс-
ных кремнекислородных анионах.
Кристаллическая структура силиката электронейт-
ральпа, что объясняется расположением катионов в про-
межутках между анионными комплексами против отри-
цательно заряженных атомов кислорода.
2*
19
Исследованиями академика И. В. Белова выяснено,
что в процессе минералообразования силикатов ведущая
роль принадлежит катионам-модификаторам, взаимо-
действующим с кремнекислородными тетраэдрами.
Сравнение твердых кристаллических и аморфных си-
ликатных тел, а также расплава из них показывает, что
наряду с некоторыми отличиями имеется определенное
сходство по строению и отдельным свойствам. Знание
сущности состояния силикатов в кристаллическом, твер-
дом аморфном и жидком состоянии имеет важное науч-
ное и практическое значение для петрургического произ-
водства. Стеклообразное состояние силикатного матери-
ала создается в результате форсированного переохлаж-
дения расплава.
Стекла в отличие от кристаллических тел имеют ряд
особенностей:
I) их состояние не устойчиво, и под воздействием оп-
ределенных факторов они подвержены кристаллизации;
2) по строению изотропны, тем самым макроскопи-
ческие их свойства равнозначны во всех направлениях
тела;
3) при плавлении и последующем затвердевании у
них не наблюдаются скачкообразные изменения свойств,
характерные для кристаллического вещества.
Научно обоснованно, что стекла имеют определенную
структуру. Согласно теории П. И. Лебедева, подтверж-
денной рентгеноструктурными и электронографическими
исследованиями, стекла состоят из скопленных кристал-
лического строения микрообъектов, названных кристал-
литами. Характерно, что у кристаллитов внутренняя
часть решетки имеет правильную геометрическую фор-
му, а периферийная часть решетки деформированная. От-
дельные кристаллиты связаны между собой аморфными
прослойками. Следовательно, стекло по строению наряду
с элементами упорядочения имеет элементы беспорядка.
В современной физике твердое тело неорганического
происхождения рассматривается как единая большая
молекула. Атомы этой молекулы имеют силы связи ион-
ного характера. В то же время атомы благодаря однои-
менно заряженным электронным оболочкам вокруг них
подвергнуты силам отталкивания. Это взаимодействие
противоположных сил создает равновесие в твердом теле
и определяет взаиморасположение атомов в кристалли-
20
ческой решетке. В твердом теле атомы совершают коле-
бательные движения вокруг узлов решеток кристаллов,
при этом в их взаимном расположении сохраняется даль-
ний порядок. Кроме того, атомы периодически обменива-
ются местами в узлах кристаллической решетки, что на-
блюдается часто в расплавах и реже в твердом теле. С на-
греванием твердого тела амплитуды колебаний атомов
возрастают и их перемещение активизируется. В процес-
се расплавления твердого тела дальний порядок атомов
нарушается и создается некоторый беспорядок во взаим-
ном их расположении. Следовательно, можно предполо-
жить, что при плавлении силикатов получается расплав,
строение которого близко к кристаллическим силикатам.
С точки зрения молекулярной теории силикатный
расплав представляет собой комплекс молекул
различных окислов и образуемых ими химических
соединений. В свете ионной теории силикатный рас-
плав рассматривается как жидкость, состоящая из
простых катионов и анионов и комплексных анионов раз-
личной сложности. В петрургических расплавах наибо-
лее распространены катионы: Si4+, Al34-, Са2~, Mg2-, Fe2~.
Катион Fe3+ играет роль модификатора и в образовании
комплексных анионов не участвует. Типичным предста-
вителем анионов является 02~. Петрургические расплавы
характерны наличием крупных кремнекислородных ком-
плексов типа [SixOy]z~.
Ионная природа петрургических расплавов подтвер-
ждается их электропроводностью. Явление электропро-
водности расплава связано со свойствами катионов, в то
время как физические свойства расплава, в частности
вязкость, зависят от анионов.
Так, в свете ионной теории силикатные кристалличе-
ские и аморфные тела и расплавы имеют одинаковое
строение с той лишь разницей, что в расплавах имеется
некоторый беспорядок в расположении атомов. Следова-
тельно, переход петрургического сырья в жидкое состоя-
ние может быть объяснен теорией стабильного состояния
и плавления твердого тела.
Одной из особенностей неорганических тел является
скачкообразное изменение физических свойств при пере-
ходе из твердого состояния в жидкое. Температура плав-
ления тела связана с электронным строением атомов и
их взаимным расположением. Известно, что по мере рос-
21
та числа зарядов атома растет его энергетический уро-
вень, свойственный кристаллу в целом, при этом растет
температура плавления тела. С другой стороны, с ростом
числа зарядов растет радиус атомов, что приводит к ос-
лаблению внутрикристаллических связей и снижению
температуры плавления тела. Взаимодействие указанных
факторов определяет температуру плавления тела.
Взаимосвязь температуры плавления тела с атомным
его строением подтверждается теоретическими данными.
Потенциальная энергия кристалла по Борну равна:
ф =~+Гг“, (I)
где г— расстояние между ионами;
а— постоянная кристаллической решетки.
Первое слагаемое формулы выражает энергию элек-
тростатического взаимодействия ионов, вторая часть сла-
гаемого характеризует энергию отталкивания ионов.
Следовательно, теория решеток, развитая Борном, под-
тверждает, что с ростом расстояний между ионами сла-
беют внутрикристаллические связи и температура плав-
ления кристалла снижается.
В петрургическом производстве процесс плавления
горных пород, шлаков и других видов сырья носит слож-
ный характер. В отличие от металлургического, петрур-
гический расплав имеет более высокую вязкость и низ-
кую теплопроводность. Сырьевые материалы тоже имеют
низкую теплопроводность, поэтому для интенсификации
процесса плавления необходимо повышение температу-
ры. Для приготовления петрургического расплава при-
меняются пламенные плавильные агрегаты непрерывно-
го и реже периодического действия, а также электроду-
говые печи периодического действия.
В процессе плавления в сырьевых материалах проте-
кают сложные физико-химические процессы, характер и
интенсивность которых зависят от состава этих материа-
лов, температуры, атмосферы.
На стадии прогрева шихты при температуре до 400—
500° С в основном протекают физические процессы, как-
то: удаление гидроксильной влаги, растрескивание кон-
гломератов и зерен сырьевых материалов и частичное
выгорание органических примесей. Каких-либо измене-
ний в химическом и минеральном составе сырья при дан-
22
—-- HWMW WVtfMSHVtWIHI MV KJ UVPiamvnn'
ем температуры до 1000—1100° С в шихте уже протекают
физико-химические процессы, в частности: удаление хи-
мически-связанной влаги, выгорание остаточных состав-
ляющих, полиморфные превращения в некоторых мине-
ральных фазах, диссоциация карбонатов и сульфидов,
размягчение и плавление стеклообразной фазы, размяг-
чение минеральных фаз и частичное расплавление легко-
плавких минералов. Плавление обычно начинается на
границе легкоплавкой и тугоплавкой кристаллических
фаз. Дальнейший рост температуры до 1300° С и более
создает условия для полного расплавления сырьевых ма-
териалов шихты и формирования расплава. На этой ста-
дии плавления активно протекают процессы растворения
тугоплавких минералов в имеющемся расплаве, процес-
сы гомогенизации и дегазации расплава.
Петрургическое сырье в основном плавится конгру-
энтно, хотя в отдельных случаях наблюдается инконгру-
энтный тип плавления. В условиях полного расплавле-
ния шихты, получаемый расплав имеет химический
состав, аналогичный первоначальному сырью с учетом
летучих потерь.
Температура плавления петрургической шихты зави-
сит прежде всего от химического и минералогического
состава сырьевых материалов. Окислы элементов, входя-
щих в сырье, имеют довольно высокую температуру
плавления, так, например: SiO2 1713° С; А12О3 2050° С;
СаО 2570° С; MgO 2800° С. Учитывая, что сырьевые мате-
риалы сложены в основном из минералов, температура
их плавления значительно ниже, чем у окпслов элемен-
тов. По составу более легкоплавки породы, содержащие
моноклиннопироксеновые и полешпатовые минералы.
Температуру плавления снижают также железистые раз-
новидности оливина. Повышенное содержание основных
плагиоклазов и ромбических пироксенов приводит к воз-
растанию температуры плавления пород. Практической
оценкой плавкости сырьевых материалов служит содер-
жание различных окислов элементов. Как правило, ма-
териалы с большим содержанием SiO2 и А12О3 более ту-
гоплавки. С увеличением содержания в сырье окислов
натрия, калия и железа температура плавления резко
снижается.
На процесс плавления существенное влияние оказы-
23
вает степень окисления железа в сырье, характеризую-
щаяся отношением ИегОз/РеО. Чем меньше значение это-
го отношения, тем легче протекает процесс плавления и
у расплава снижается вязкость и повышается кристалли-
зационная способность. Отношение FeaOs/FeO меняется
в зависимости от атмосферы в плавильном агрегате.
В условиях восстановительной среды идет реакция пере-
хода РегОз в FeO и далее FeO в Fe, как это видно из
уравнений:
SiO2 + 2С = Si + 2СО,
Fe2O3 + СО - 2FeO + СО2.
При получении расплавов в электродуговых печах с
активной восстановительной средой указанные выше ре-
акции протекают почти до конца и в итоге наряду с ос-
новным петрургическим расплавом образуется ферроси-
лиций. В зависимости от изменения среды реакции обра-
тимы и практически полного восстановления или
окисления железа не происходит, создается лишь некото-
рое равновесие между РеаОз и FeO, определяемое упру-
гостью их диссоциации.
Протекание процесса плавления петрургического
сырья зависит также от структуры этого сырья. Экспери-
ментально подтверждено, что с уменьшением размера
кристаллических зерен процесс плавления сырья проте-
кает более эффективно. Производимые петрургические
расплавы, обладая рядом свойств, должны прежде всего
отвечать основным требованиям — иметь высокую хими-
ческую и физическую однородность и достаточные литей-
ные и кристаллизационные свойства. Технология получе-
ния петрургического расплава имеет ряд особенностей, о
чем излагается ниже.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА
ПЕТРУРГИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ
Физико-химические и литейные свойства петрургиче-
ских расплавов оказывают существенное влияние на про-
цессы формирования отливок, их кристаллизации и
структурообразования. К числу основных физико-хими-
ческих свойств расплавов относятся вязкость, плотность,
удельная электропроводность и поверхностное натяже-
ние. Основными литейными свойствами расплавов явля-
24
ются жидкотекучесть и усадка. Изучением свойств сили-
катных расплавов типа петрургических занимались мно-
гие исследователи.
Еще в тридцатых годах текущего столетия А. С. Гинз-
берг, Н. В. Осипов, Ф. Г. Семенов и другие [8—10] опуб-
ликовали результаты исследования вязкости расплава из
петрургического сырья и влияния отдельных окислов эле-
ментов как на вязкость, так и на минералообразование.
В те же годы М. П. Воларович, Д. Н. Толстой, Я. О. Бо-
рухин и другие [11 —14] выяснили природу повышения
вязкости расплава с понижением температуры, о роли от-
дельных окислов на гомогенность расплава.
Более глубокие исследования в области силикатных
расплавов, в том числе петрургических, выполнены в по-
следующие два десятилетия А. А. Леонтьевой. Ею изуче-
на вязкость базальтового расплава в зависимости от сте-
пени его окисленности и температуры, а также характера
атмосферы плавления [15]. Кроме того, она исследовала
плотность расплавов из различных горных пород и шла-
ков [ 16].
Комплексное исследование вязкости и жидкотекуче-
сти петрургических и шлаковых расплавов, их усадки,
электропроводности и других свойств выполнено в пос-
ледние 10 лет сотрудниками Института проблем литья
АН УССР, экспериментально-исследовательской лабора-
торией Донецкого комбината камнелитых и керамиче-
ских изделий, Уральского политехнического института,
Челябинского филиала Академии строительства и архи-
тектуры РСФСР, Института стекла (г. Москва) и др.
Из многих свойств расплавов наиболее изученными
является вязкость.
Вязкость выражает величину внутреннего трения,
возникающего между отдельными слоями жидкости, пе-
ремещающимися с различными скоростями. За едини-
цу вязкости принят пуаз. Размер вязкости зависит от со-
стояния комплексных анионов. С укрупнением комплекс-
ных анионов подвижность их уменьшается и вязкость
растет. Сложность комплексных анионов зависит от тем-
пературы. С повышением температуры расплава связи
между элементами комплексных анионов слабеют, при
этом протекает процесс их диссоциации. В итоге анионы
упрощаются и приобретают большую подвижность, тем
самым расплав становится менее вязким.
25
При первоначальном изучении температурной зави-
симости вязкости силикатных расплавов, выполненных в
сороковых годах М. П. Воларовпчем, применен метод
вращающихся коаксиальных цилиндров. Хотя результа-
ты экспериментов по этому методу недостаточно точны,
однако установлена закономерная зависимость снижения
вязкости с повышением температуры.
Дальнейшие исследования температурной зависимо-
сти вязкости петрургических расплавов с учетом влияния
атмосферы плавления выполнены А. А. Леонтьевой и
другими. Вязкость расплава определяли методом изме-
нения скорости погружения металлического шарика. Ус-
тановлено, что в условиях окислительной среды имеюще-
еся в расплаве железо окисляется, т. е. увеличивается
содержание РегОз и вязкость растет. При восстановитель-
ной среде окислы железа в расплаве представлены в ос-
новном FeO и вязкость в этом случае снижается.
Изучая температурную зависимость вязкости, А. А.
Леонтьева уточнила известное уравнение указанной зави-
симости применительно к
вязко-жидком состоянии
петрургическим расплавам в
klE!kT
, (2)
где V—удельный объем расплава, а/сж3;
Е— энергия активации вязкого течения расплава,
ккал/моль\
Т—абсолютная температура;
k— постоянный коэффициент.
Характерно, что построение графика температурной
зависимости вязкости в координатах (IgT)+7/з1ёЮ-—
дает прямую линию. Тем самым энергию активации вяз-
кого течения расплава можно определять по углу накло-
на указанной прямой. Наряду с тепловыми условиями
свойства расплава зависят от его состава. Окислы эле-
ментов, входящих в состав расплава, по-разному влияют
на его вязкость и другие свойства.
Окись кремния повышает вязкость и снижает кри-
сталлизационную способность. С увеличением содержа-
ния окиси кремния растет температура плавления шихты,
хотя литейный интервал изменяется незначительно. Од-
26
повременно с этим при понижении температуры вязкость
расплава снижается форсированно. При малом содержа-
нии окиси кремния снижение вязкости расплава с умень-
шением температуры протекает медленно. Влияние окиси
кремния на размер вязкости и скорость ее изменения объ-
ясняется структурным строением расплава. Кремнекисло-
родные комплексы относительно крупны и энергия их
связи большая, поэтому чем меньше содержание окиси
кремния, тем более подвижен расплав.
Окись алюминия по своему влиянию на вязкость рас-
плава имеет некоторую аналогию с окисью кремния. Экс-
периментально установлено, что при содержании окиси
алюминия до 10% вязкость расплава несколько снижа-
ется. С дальнейшим повышением содержания окиси алю-
миния вязкость расплава растет и снижается его кристал-
лизационная способность. Указанное повышение вязкости
связано с образованием сложных алюмосиликатных ком-
плексов.
Окись титана тоже повышает вязкость расплава.
Окись магния способствует разрыву кремнекислородных
комплексов и тем самым снижает вязкость и повышает
кристаллизационную способность расплава. Эксперимен-
тально выяснено, что избыточное содержание окиси маг-
ния осложняет процесс получения однородного расплава,
что особенно отрицательно сказывается при получении
крупногабаритных отливок.
Окислы железа снижают вязкость расплава и темпе-
ратуру плавления шихты. Особо активна роль закиси же-
леза, которая, имея активный катион Fe2+, энергично раз-
рушает кремнекислородные комплексы и тем самым
снижает вязкость и повышает кристаллизационную спо-
собность расплава и его литейный интервал.
Окись кальция в меньшей степени, чем окись магния,
по снижает вязкость и повышает кристаллизационную
способность расплава.
Окись марганца снижает вязкость, однако ухудшает
кристаллизационную способность расплава.
Окислы натрия и калия активно снижают вязкость и
расширяют литейный интервал расплава. О влиянии
этих окислов на кристаллизационную способность рас-
плава имеются противоречивые мнения.
Учитывая, что в формировании материала отливки
участвуют все указанные выше окислы, имеющие раз-
27
личные свойства, их комплексное влияние довольно F
сложное. Мерой комплексного влияния окислов, входя-
щих в состав расплава, служат его кислотно-основные ;
свойства. г
Кислотно-основные свойства петрургических распла-
вов характеризуются коэффициентом кислотности, выра-
жающим соотношение между содержанием кислотных и (
основных окислов в процентах по массе или в молярных
процентах. В петрургической практике чаще применяет-
ся коэффициент кислотности ^общ, выражающий отноше-
ние суммы кислых окислов: кремния, алюминия и тита-
на к основным окислам: кальция, магния, железа и нат-
рия, в процентах по массе. Иногда применяют
коэффициент кислотности kL, учитывающий степень
ионности связи отдельных окислов расплава. Более це-
лесообразно применение коэффициента кислотности &ру,
учитывающего двойственную роль катионов алюминия и
трехвалентного железа на свойства расплава и особен-
но на процесс его кристаллизации.
Следует отметить, что перечисленные коэффициенты
кислотности характеризуют состав расплава и его общие
свойства, не вскрывая физико-химической сущности про-
текающих в расплаве процессов. Поэтому технологиче-
ские свойства петрургических расплавов могут быть бо-
лее глубоко оценены с помощью пироксенового модуля
МРу, предложенного Б. X. Ханом [17, с. 33]
S/^4 у — 2S/
где 2/^2-1-— сумма ионных количеств двухвалентных
металлов;
—сумма ионных количеств четырехвалент-
ных металлов;
2/^+—сумма ионных количеств щелочных метал-
лов.
Пироксеновый модуль взаимосвязан с вязкостью,
жидкотекучестью и усадкой расплавов.
Выполненные И. Е. Липовским [18, с. 48; 19] исследо-
вания вязкости, жидкотекучести и усадки производствен-
ных петрургических расплавов учитывают их кислотно-
основные свойства, и энергию активации вязкого течения
и тепловые условия. Для определения вязкости расплава
28
применен вискозиметр ротационного типа конструкции
Б. П. Селиванова (рис. 2). Вискозиметр состоит из на-
гревательной части, подвесной системы шпинделя с ме-
Рис. 2. Схема вискозиметра конструкции Б. П. Сели-
ванова:
1 — электропечь; 2 — нагревательный графитовый ти-
гель; 3 — графитовый тигель для расплава; 4 — шпин-
дель; 5 — электродвигатель; 6 — зеркала; 7. 8. 10 — фо-
нарики; 9—дуговая измерительная шкала; И — пла-
тина-платинародиевая термопара
ханизмом вращения и оптической системы с дуговой
шкалой.
Вязкость на этом приборе определяют по величине
угла закручивания нити вращения шпинделя в расплаве:
П = , (4)
п
где Ф — угол поворота нити, слг шкалы;
2£
п — число оборотов подвесной системы шпинделя,
об/мин-,
k — постоянная прибора.
Для сравнения определена вязкость расплавов из ба-
зальта с коэффициентом кислотности 1,74, из топливных
т емпература, °C
Рис. 3. Температурная зависимость вязкости расплавов в коор-
динатах Т| — /°C:
/ — на основе базальта с йо^щ=1,74; 2 — на основе топливных
шлаков с 6общ = 2,06; 3 — на основе шахтных горелых пород
с Лобщ =2>30
Полученные данные температурной зависимости вяз-
кости расплавов с различными коэффициентами кислот-
ности изображены графически на рис. 3 и 4. Как видно
из графиков, вязкость растет с понижением температуры
и в абсолютном значении выше у расплава с большим
значением &05Щ. На рис. 4 характерны точки перегиба
А и В. Вероятно, что точка А соответствует активной ас-
социации комплексных анионов, а точка В — началу кри-
сталлизации высокотемпературных минералов.
Для суждения о величине энергии связи комплексных
анионов, определяющих вязкость расплава, рассчитана
энергия активации вязкого течения рассматриваемых
расплавов. Для расчета применяется уравнение
30
£ - 4,57/в — lg —Т, (5)
\ n /
где E—энергия активации вязкого течения расплава,
ккал/моль-,
— вязкость, из;
Т— абсолютная температура, °C;
В— константа;
4,57— размерный коэффициент.
Рис. 4. Зависимость вяз-
кости расплавов от тем-
пературы в координатах
In т] —1/7*:
/ — на основе базальта:
2 — на основе топливных
шлаков; 3—на основе
шахтных горелых порот
Обратное значение абсолютной тенпера/пуры
Значение коэффициента В находят из уравнений:
в = а~, (6)
А
П = AlElkT.
Судя по рис. 4, при температуре ниже
мость 1g т]----изображается прямыми,
(7)
1300°С зависп-
т. е.
(8)
Отсюда, получив экспериментальные данные значений т]
31
и Т, определяют величину а. Уравнение (8) идентично
логарифмированному уравнению (7), следовательно,
а = 1еЛ.
Располагая всеми необходимыми данными, рассчиты-
вают значение Е. У расплава с 6о6щ = 1,74 Е оказалась
равной 33,9 ккал!моль, а расплава с £обш=2,06 Е рав-
на 39,1 ккал/моль. Из полученных данных видно, что вто-
рой расплав имеет более высокое значение Е, что объ-
ясняется относительно повышенным содержанием SiOa.
Энергия активации вязкого течения силикатных рас-
плавов зависит от их состава, строения и температуры,
т. е. от тех же параметров, от которых зависит вязкость.
Следовательно, энергия активации вязкого течения рас-
плава характеризует вязкость, как по абсолютному зна-
чению, так и по скорости ее изменения в зависимости от
температуры, что наглядно видно на рис. 4.
Энергия активации вязкого течения также характери-
зует кристаллизационную способность расплавов. При
пониженной энергии активации вязкого течения петрур-
гического расплава скорость увеличения вязкости с по-
нижением температуры невелика, что обеспечивает ус-
ловия максимального образования центров кристаллиза-
ции и роста кристаллов. Видимо, этим объясняется повы-
шенная кристаллизационная способность расплава с
^общ = 1,74 по сравнению с расплавом с ko6ui =2,06. Суще-
ствующая практика применения шихтовых добавок, по
существу, направлена на снижение энергии активации
вязкого течения расплавов с целью повышения его кри-
сталлизационной способности.
Для характеристики физических свойств силикатных
расплавов важное значение имеет их электропроводность.
Измерение электропроводности расплавов осуществля-
ется мостом переменного тока с питанием от генерато-
ров звуковой частоты или же методом вольтметра-ампер-
метра. Первый метод измерения электропроводности
расплавов более приемлем, так как получаемые резуль-
таты имеют меньшую погрешность (до 5%).
Исследование электропроводности с использованием
реохордного моста переменного тока типа Р-38, питавше-
гося от генератора звуковой частоты, показало наличие
закономерной взаимосвязи между электропроводностью
и температурой петрургических расплавов из базальта
[17, с. 145]. На кривых изменения логарифма электропро-
32
годности в зависимости от обратного значения абсолют-
ной температуры зафиксированы точки перегиба, свя-
занные с фазовыми превращениями в расплавах.
В аналогичном исследовании электропроводности в
сочетании с вязкостью отдельных петрургических рас-
плавов [17, с. 152] применены соответственно метод ком-
пенсационного моста переменного тока и вискозиметр,
Рис. S. Графики изменения логарифма вязкости (а) и удельной электро-
проводности (б) расплавов в зависимости от величины обратной абсолют-
ной температуры:
1—термостойкий расплав; 2—гразитно-шлаковый расплав; 3 — базальт-
доломитовый расплав
работающий на принципе затухающих колебании маят-
ника. Сравнение графиков изменения логарифмов
вязкости и электропроводности трех петрургических рас-
плавов в зависимости от величины обратной абсолютной
температуры показывает идентичные особенности (рис.
5). При высоких температурах на графиках зафиксиро-
ваны изменения у расплавов 1 и 3 при температуре
1370—1380°С (точка а), у расплавов 1 и 2 при темпера-
туре 1220—1280° С (точка айв). Перегиб в точке а и а'
вызван, по-видимому, выделением первых кристалликов
магнетита, а в точке в может быть объяснен предкрпстал-
лизационным упорядочением расплава.
В условиях пониженных температур происходят бо-
лее существенные изменения в расплавах, что видно из
кривых изменения электропроводности (см. рис. 5,6).
3—1058
33
Перегибы в точках с и с' соответствуют температурам
начала и окончания интенсивной кристаллизации пирок-
сенов. Следующие точки перегиба d соответствуют тем-
пературе затвердевания остаточной стекловидной фазы.
Так как расплав 1 в ходе экспериментирования перехо-
дит в стеклообразное состоя-
ние, точек перегиба с не наб-
Жидкотекучесть, мм
Темперотура, °C
Рис. 6. Температурная зави-
симость жидкотекучести рас-
плавов из амфиболитов
с ^общ:
1 — 1,70; 2—1,56; 3 — 1,60;
4 — 1,83; 5 — 2,60; из бересто-
вецкого базальта: 6 — 2,0
людается.
Из литейных свойств как
металлических расплавов, так
и силикатных важное значение
имеет жидкотекучесть.
Жидкотекучесть оценива-
ется длиной пути, пройденно-
го расплавом в стандартной
форме-приборе. В литейном
производстве представляет ин-
терес не нулевая и истинная,
а практическая жидкотеку-
честь расплава. Так как пет-
рургические расплавы в срав-
нении с металлическими обла-
дают более высокой вязкостью,
то измерять практическую
жидкотекучесть общеприня-
тыми спиральной пробой Кери
и V-образной пробой Ю. А. Не-
хендзи и А. М. Самарина прак-
тически невозможно.
Жидкотекучесть петрургических расплавов принято
определять вискозиметром Херти, представляющим со-
бой разъемную металлическую пробницу с литниковой
чашей и горизонтальным каналом затекания диаметром
8 мм.
Из ряда выполненных работ по жидкотекучести наи-
больший интерес представляет работа В. П. Кораблина1
[20]. Им изучена жидкотекучесть в сочетании с вязко-
стью амфиболитовых и базальтовых расплавов. Жидкоте-
кучесть расплава растет с повышением температуры и
снижением коэффициента кислотности, что видно из
рис. 6. В работе установлена особенность петрургических
1 Кораблик В. Г. Автореферат диссертации, Киев, 1965.
34
расплавов, выраженная наличием взаимосвязи между
вязкостью и жидкотекучестью (рис. 7). Взаимозависи-
мость вязкости и жидкотекучести аналитически выража-
ется уравнением
Ig Л = а — -f-
(9)
где л— вязкость, пз\
£— жидкотекучесть, мм;
а— числовой коэффициент значения логарифма
вязкости при нулевой жидкотекучести;
б— числовой коэффициент тангенса угла наклона
прямой к осям координат (см. рис. 7,6).
Рис. 7. Взаимосвязь между вязкостью и жидкотекучестью рас-
плавов:
1—5 — из амфиболитов с различным значением f________из бересто-
вецкого базальта
Числовые коэффициенты а и б зависят от химическо-
го состава расплава. Из приведенного уравнения вытека-
ет, что жидкотекучесть является функцией вязкости.
Исследованием выяснено, что по литейным свойствам
лучшими являются расплавы с &о5щ, равным 1,5—1,8.
Жидкотекучесть таких расплавов при оптимальном тем-
пературе находится в пределах 35—40 мм, при этом их
вязкость составляет 40—50 аз.
Усадка расплава, как и жидкотекучесть, является
3*
35
важным литейным свойством. За счет усадки отливки
уменьшаются в объеме и приобретают раковины. Усадку
различают объемную и линейную. Объемная усадка вы-
ражает разницу между величиной объема полости фор-
мы и объемом отливки после ее остывания. Линейная
усадка характеризует изменение размера отливки после
затвердевания и кристаллизации.
Усадка отливки протекает в жидком расплаве, в про-
цессе затвердевания и в твердом состоянии. В первых
двух случаях усадки рассматриваются как объемные и
не вызывают образования раковин, в последнем — усад-
ка рассматривается как линейная, которая приводит к
изменению геометрических размеров отливки.
Размер усадки во всех ее видах зависит от химичес-
кого и минералогического состава литья, исходной тем-
пературы расплава и режима охлаждения отливки.
К числу первых исследований в области усадки пет-
рургических расплавов относятся работы Г. Ф. Тоболь-
ского [21] и И. Я. Чернявского [22, 23]. Ими исследован
ряд свойств расплавов из доменного шлака, в том числе
усадка.
Объемную усадку в жидком шлаке Г. Ф. Тобольский
определял по изменению удельного объема расплава при
температуре его разливки. Плотность расплава, необхо-
димую для расчета удельного объема, определяли по по-
тере массы металлического шарика, помещенного в рас-
плав. Плотность стекла находили пикнометрическим ме-
тодом. Усадку шлакового расплава во время его
затвердевания определяли по изменению удельного объ-
ема шлакового стекла и закристаллизованного шлака.
Усадку в твердом состоянии находили на специальном
приборе. Для получения образца в металлическую фор-
мочку заливали жидкий шлак и помещали в муфельную
печь для кристаллизации. Полученный образец сочленя-
ли с подогретой до 900° С кварцевой трубкой, другой ко-
нец которого свободно стыкован с упором системы, а по-
следняя соединена с индикатором. В итоге фиксировали
усадку образца при заданной температуре. Рассматрива-
емая установка хотя и проста, однако получаемые ре-
зультаты имеют значительную погрешность.
М. Я- Чернявский для исследования линейной усадки
шлаковых отливок применил прибор Чернобровкина. На
приборе автоматически записываются показания инди-
36
катера при одновременном испытании двух образцов.
Этот прибор сложен по устройству и недостаточно удо-
бен в эксплуатации, так как требуется точная баланси-
ровка системы двух противовесов, регулирующих пере-
мещение подвижных пробок.
В результате исследования расплавов доменных шла-
ков установлено, что их объемная усадка составляет в-
жидком состоянии 0,73%, во время затвердевания 6,94%
и в твердом состоянии 3,9%, всего 11,57%. Существенно
Рис. 8. Схема прибора И. Ф. Большакова для определения усадки
расплава:
1 — металлический корпус; 2 — каретка; 3 — индикатор; 4 — штифты-
датчики; 5—соединительная планка; 6 — форма для расплава
ниже усадка шлаков, образующихся при выплавке цвет-
ных металлов. Полная усадка расплавов шлаков Бал-
хашского медеплавильного комбината составляет 7,7%,
а Джезказганского 7,6%.
Исследованием усадки петрургических расплавов из
горных пород занимались И. Е. Липовский, Ю. Г. Кова-
лев, С. В. Ладохин, Б. X. Хан и другие.
В работе И. Е. Липовского [24] усадку литья в жид-
ком состоянии и во время затвердевания определяли
расчетным путем с использованием экспериментальных
данных по некоторым физическим свойствам каменного
литья. Усадку литья в твердом состоянии и в процессе
охлаждения определяли на приборе И. Ф. Большакова.
В отличие от рассмотренных выше этот прибор прост по
конструкции и удобен в эксплуатации.
Прибор И. Ф. Большакова (рис. 8) состоит из метал-
37
лического корпуса, двух кареток—подвижной и непод-
вижной, индикатора и фиксирующих штифтов-датчиков.
К корпусу прибора крепят с одной стороны индикатор,
с другой — неподвижную каретку.
Температуру измеряли платинородий-платиновой
термопарой погружения. Усадку определяли у литья из
базальта с йОбщ—1,74, топливных шлаков с /гОбщ = 2,06
и шахтных горелых пород с йобш =2,30.
Общую линейную усадку отливок определяли по раз-
ности их первоначальной DK и конечной DK длины. Отно-
сительную линейную усадку в процентах рассчитывали
°ю~Рк 100». (Ю)
Объемную усадку литья в жидком состоянии опреде-
ляли расчетным путем по разнице удельного объема рас-
плава Уж и стекла VCT
(П)
' ж
Данные по плотности расплава брали из работы [25].
Плотность стекла при 20° С определяли пикнометричес-
ким методом, а при температуре исследования 1100—
1150° С предварительно рассчитывали удельный объем
но формуле
Vt V20 (1 4-ЗаД/), (12)
где а— средний коэффициент термического расшире-
ния стекла.
Зная удельный объем, определяли плотность стекла
при заданной температуре. Объемную усадку литья в
процессе его затвердевания U3 определяли по разнице
удельного объема остеклованного VCT и закристаллизо-
ванного материала VKp при исследуемой температуре
U3 = 1000/. (13)
^СТ
Полученными экспериментальными данными выясне-
но, что линейная усадка всех видов литья (рис. 9) фор-
сировано растет при снижении температуры до 500° С,
причем графически этот рост носит почти прямолиней-
ный характер. Из рис. 9 следует, что линейная усадка
этих видов литья различается мало. Это указывает на
38
несущественное влияние химического состава. В расхож-
дениях значений линейной усадки некоторую роль играет
минеральный состав.
Как показали эксперименты, размер линейной усадки
отливок зависит от температуры исходного расплава.
Из рис. 10 видно, что с повышением температуры исход-
ного расплава значение линейной усадки растет, что,
Рис. 9. Температурная зависимость линей-
ной усадки литья в твердом состоянии —
при различных коэффициентах кислотно-
сти:
/ — 1,74; 2 — 2,06; 3 — 2,30
Температура расллаЗо,°(.
Рис. J0. Зависимость линейной
усадки литья от температуры
расплава при различных коэф-
фициентах кислотности:
/ — 1,74; 2 — 2,06; 3 — 2,30
видимо, объясняется особенностями структуры получен-
ных отливок. С увеличением температуры расплава
структура отливок приобретает крупнозернистое строе-
ние, при этом количество пор растет.
Данные по усадке петрургических расплавов приведе-
ны в табл. 1.
Можно считать, что линейная усадка петрургического
расплава в процессе затвердевания с переходом в кри-
сталлическое состояние составляет около 1 % и в стекло-
видное 0,35—0,40% [17, с. 163]. Прямую связь с усадкой
имеет плотность расплава.
Плотность петрургических расплавов определяют как
обратную величину удельного объема. Для получения
удельного объема расплава чаще всего применяют дила-
тометр (рис. И), действующий по методу электрического
контакта металлического стержня — проводника с по-
39
Л U V 1'1 П М U
Усадка некоторых видов петрургического литья
Виды литья Объемная усадка в Объемная усадка в Усадка в твердом Литера-
жидком сос- тоянии, % процессе затверде- вания, % состоянии, % тура
Из базальта 0,5 9,2 0,75 [24]
Из горноблендита . . . 1 1,26 5,04 5,40 [26[
Из топливных шлаков . 1 0,7 9,6 0,305 [24]
Из горелых пород . . . 0,6 9,4 0,88 [24]
Из доменных шлаков . 0,73 6,94 3,90 [22]
Примечание. Общая объемная усадка расплава из шлаков цветных
металлов (меди) 7,75 [27].
Рис. 11. Схема дилатометра
для измерения удельного
объема петрургических рас-
плавов:
1 — трубчатая платиновая
печь; 2 — платиновая про-
бирка; 3 — платиновый стер-
жень; 4— рамка штангель-
циркуля
Рис. 12. Зависимость удельного объема
расплава от температуры:
диабаз щелихинский: /—101; 2 — 102;
3 — 104; 4 — базальт закавказский;
5 — диорит уральский
верхностью расплава. При производстве эксперимента в
трубчатую платиновую печь помещают платиновую про-
бирку и разогревают ее до температуры, немногим более
температуры плавления испытуемой породы. После этого
пробирку наполняют на 2/з объема измельченной поро-
дой и подвергают плавлению. В пробирку впаян электро-
провод, подключенный к сети постоянного тока с галь-
ванометром. При заданной температуре платиновый
стержень опускают в пробирку и при соприкосновении
его с расплавом электроцепь замыкается, что регистри-
руется гальванометром. Так как платиновый стержень
прикреплен к держателю рамки нониуса штангенцирку-
ля, то это позволяет измерять глубину его погружения в
пробирку с точностью до 0,02 мм. По высоте пробирки и
глубине погружения стержня до контакта с расплавом
вычисляют объем расплава, затем его плотность.
С помощью такой методики определена плотность
расплава некоторых пород. Полученные данные приведе-
ны в табл. 2 [16].
Таблица 2
Плотность некоторых петрургических расплавов
Расплавы пород Температура расплава, СС Плотность, г'см*
Диабаз Шелихинский:
101 1360—1120 2.610—2.865
102 1360—1140 2.610—2,800
104 1360—1090 2.610—2,820
Базальт закавказский 1390—1100 2.600—2.740
Диорит уральский 1340—1140 2.566—2.685
На основе указанных данных температурная зависи-
мость удельного объема расплава V = — графически
d
изображена на рис. 12. Перегибы на кривых 1, 3, 4 свя-
заны с началом выделения минеральных фаз. Располагая
данными по плотности расплава, можно рассчитывать
его усадку.
Одной из физических характеристик расплава являет-
ся его поверхностное натяжение, которое определяют по
методу максимального давления в газовом пузырьке.
Уменьшение поверхностного натяжения расплава спо-
собствует удалению газов, т. е. дегазации. В петрургиче-
ских расплавах поверхностное натяжение колеблется в
пределах 0,08—0,10 кГ/см2, с повышением температуры
величина его убывает. Поверхностное натяжение опреде-
ляет необходимую энергию для образования зародыша в
41
процессе выделения минеральных фаз, в связи с этим
оно оказывает определенное влияние на процесс кри-
сталлизации.
Петрургические расплавы, пригодные для производ-
ства, изделий, кроме определенных литьевых свойств,
должны обладать физико-химической однородностью.
Физическая неоднородность расплава обусловлена на-
личием инородных включений в виде остатков сырьевых
материалов, частиц огнеупорной футеровки и металли-
ческих корольков. Кроме того, в расплаве имеются газо-
вые поры. Наиболее плохо влияют на качество отливок
инородные включения диаметром более 1 мм. Чтобы из-
бежать появления инородных включений, расплав следу-
ет тщательно проваривать.
Степень загазованности расплава и наличие в отлив-
ках пор определяется режимом процесса приготовления
расплава и условиями его дегазации. Освободить рас-
плав от газов практически очень трудно.
Изучением расплавления включении и пор выяснено,
что нерасплавленные частицы сырьевых материалов и
газовые поры дислоцируются в поверхностном слое рас-
плава, а корольки железа и зерна хромита — в нижних
слоях. Следовательно, при выработке расплава целесо-
образно использовать средние слои.
Петрургическим расплавам также свойственна хими-
ческая неоднородность, создаваемая в основном в ре-
зультате дифференциации за счет диффузионных и гра-
витационных процессов [28].
Диффузионная дифференциация протекает под влия-
нием температурных перепадов, при которой ионы диф-
фундируют из более нагретых зон в менее нагретые, или
же в результате процесса кристаллизации, когда отдель-
ные группы ионов расплава диффундируют к очагам кри-
сталлизации.
Гравитационная дифференциация протекает вследст-
вие перемещения ионов или микрокристаллов в распла-
ве за счет различной плотности. Дифференциация рас-
плава также может протекать за счет особенностей
технологического процесса и плавильных агрегатов. В ре-
зультате дифференциации в поверхностных слоях рас-
плава наблюдается повышенное содержание окислов
кремния и кальция, а нижние слои обогащаются окисла-
мп алюминия, хрома, железа и магния.
42
Петрургические расплавы из горных пород для изде-
лий химически- и абразивостойких должны содержать:
45—49% SiOs; 12—18% АЬОз; 10—15% окислов железа,
9—14% СаО; 6—11% MgO; 2-5% K2O + Na2O. При дан-
ном составе Л4РУ расплава должен составлять 2,85—2,95.
Для изделий специального назначения химический сос-
тав может быть иной. Указанный химический состав во
всей массе расплава должен быть постоянен.
Во избежание дифференциации расплава необходи-
мо: качественно подготавливать сырьевые материалы и
точно их дозировать; тщательно готовить, гомогенизи-
ровать и дегазировать расплав, сокращать до минимума
температурные перепады в толще расплава. О степени
гомогенизации расплава можно судить по показателям
светопреломления закаленных стекол. Особенностью пет-
рургических расплавов является их относительно высо-
кая вязкость, низкая теплопроводность и слабая луче-
пропускная способность. Наряду с определенными ли-
тейными свойствами петрургические расплавы должны
обладать достаточной кристаллизационной способно-
стью, чтобы получать изделия с нужным фазовым соста-
вом и строением.
Обобщая изложенные данные можно сделать вывод,
что в настоящее время разработаны теоретические осно-
вы современного представления о природе и строении
петрургических расплавов, которые положены в основу
выбора состава сырья, ведения процесса плавления ших-
ты и гомогенизации и дегазации расплава, а также по-
лучения заданных физико-химических свойств расплавов.
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ КАМЕННОГО ЛИТЬЯ
Кристаллизация, по определению В. Ф. Кузнецова
[106], — процесс фазового превращения вещества с пере-
ходом его из газообразного жидкого или твердого
аморфного состояния в твердое кристаллическое.
Впервые общие законы кристаллизации расплавов
установлены Г. Тамманом. Им исследованы в основном
органические стекла, однако полученные выводы по про-
цессу кристаллизации действительны по отношению к
силикатным расплавам.
Г. Тамман установил, что способность расплава к
переохлаждению для образования кристаллической фазы
43
зависит от числа центров кристаллизации, образующихся
в единице объема за единицу времени, и линейной скоро-
сти кристаллизации.
Линейная скорость кристаллизации той или иной ми-
нералогической фазы определяется отношением средней
Степень переохлаждения (t°C)
Рис. 13. Диаграмма Г. Таммана:
j—температурная зависимость линейной скорости кристаллиза-
ции; 2 — температурная зависимость скорости образования цент-
ров кристаллизации
длины образующихся кристалликов данной фазы в мик-
ронах ко времени выдержки (экспозиции) процесса
кристаллизации при данной температуре в минутах.
Г. Тамман доказал, что графики температурной зависи-
мости числа образуемых центров кристаллизации в ми-
нуту и линейной скорости кристаллизации имеют опреде-
ленные закономерности и максимумы. Указанная зави-
симость, выраженная графически (рис. 13), получила
название диаграммы Таммана.
Диаграмма Таммана объясняет условия кристаллиза-
ции и структурообразования. Каждой области диаграм-
мы соответствует определенная кристаллизационная
способность и структура литья. Точка О соответствует
температуре плавления. Область ОА характерна нача-
лом кристаллизации высокотемпературных минералов.
В области АВ максимумы графиков совпадают, т. е. ус-
ловия для кристаллизации благоприятные и поэтому вы-
деление кристаллической фазы протекает форсированно
и структура образуется крупнозернистая. С дальнейшим
переохлаждением расплава в области СД линейная ско-
рость кристаллизации по сравнению со скоростью обра-
44
зованпя центров кристаллизаций снижается, й структу-
ра получается мелкозернистая. В области ВС условия
промежуточные, и структура получается порфировидная.
Область диаграммы ДЕ характерна форсированным
переохлаждением, при которой кристаллизационная спо-
собность расплава снижается и структура образуется
микрозернистая или скрыто кристаллическая с обилием
остаточного стекла. В области за точкой Е в результате
высокого переохлаждения расплава, последний не кри-
сталлизуется и образуется стекловидная фаза.
На базе теоретических положений, выдвинутых
Г. Тамманом, большие исследования в области кристал-
лизации силикатных расплавов выполнены Н. Л. Боуэ-
ном и многими нашими соотечественниками.
К числу первых исследований по кристаллизации
петрургического литья относятся работы И. В. Морозе-
вича. Им изучены условия минералообразования в литье
из горных пород, в частности базальта. В результате ис-
следований И. В. Морозевич пришел к выводу, что поря-
док выделения минералов зависит от состава расплава,
а структура — от условий термической обработки. Учи-
тывая, что характер указанной зависимости не был
вскрыт, эту работу продолжили П. П. Гамбарян,
Ф. Г. Арутюнян, Л. А. Ротинянц [29]. Методом изомет-
рических воздействий авторы изучали механизм минера-
лообразования в зависимости от химического состава
расплавов из калагеранского и тохмахангельского ба-
зальтов и андезито-базальтов Армении. По этому методу
из расплава, подготовленного в окислительной атмосфе-
ре, выдували пузырьки и из них изготовляли стеклянные
пластинки площадью 1—2 см2 толщиной 0,01—0,03 мм.
Эти пластинки кристаллизовали при температуре от 600
до 1100° С с различным временем экспозиции, закаляли
на воздухе и подвергали петрографическому изучению.
При данной методике исследователи фиксировали в об-
разцах лишь мельчайшие кристаллические зерна — кри-
сталлиты, поэтому им не удалось определить фазовый со-
став, хотя картину развития кристаллитов в какой-то
степени выяснили.
Пользуясь тем же методом изометрических воздейст-
вий, А. В. Абрамян и М. Г. Манвелян исследуя влияние
1 А б р а м я и А. В. Автореферат диссертации. Ереван. 1964.
45
Окислительной и восстановительной сред на процесс кри-
сталлизации стеклянных базальтовых образцов, выясни-
ли, что с изменением характера атмосферы кристаллиза-
ции можно изменять процесс минералообразования.
Более эффективные исследования по кристаллизации
каменного литья выполнены А. И. Цветковым [30]. Учтя
недостатки метода изометрического воздействия на стек-
лянные пластинки, он применил метод последовательной
кристаллизации стеклянных бесформенных образцов. По
этой методике в электрической печи при температуре
1400—1450° С приготовляли однородный расплав из диа-'
эаза, выливали его на металлическую плиту и охлажда-
1и на воздухе, при этом получали образцы в виде много-
исленных стеклянных кусков произвольной формы.
1асть образцов помещали в фарфоровый тигель и под-
ергали термической обработке первоначально до темпе-
атуры, близкой к плавлению, и производили изотерми-
ескую выдержку. После этого быстро снижали темпе-
атуру на заданный интервал и производили вторую
зотермическую выдержку. Затем осуществляли очеред-
ое снижение температуры и выдержку и т. д. до завер-
ения процесса кристаллизации. На каждом этапе тер-
щческой обработки из тигля извлекали часть образцов
,ля петрографического анализа. В результате было вы-
яснено, что в изученном литье при понижении темпера-
уры с 1250 до 800° С последовательно выделяются маг-
[етит, плагиоклаз и пироксены. Дальнейшее развитие и
тлубление теории кристаллизации силикатных распла-
юв нашло в работах А. А. Леонтьевой [25, 31].
Применяя известный метод последовательной кри-
сталлизации и уточняя данные А. И. Цветкова, А. А. Ле-
онтьевой выяснено, что порядок выделения магнетита
1 оливина зависит от характера атмосферы в процессе
получения расплава. В условиях окислительной среды
имеющееся железо активно переходит в РегОз и в этом
случае первоначально кристаллизуется магнетит. Нали-
чие восстановительной атмосферы способствует первона-
чальной кристаллизации оливина, так как в расплаве об-
разуется достаточное количество FeO.
Йзучением кристаллизации отдельных фаз базальто-
вого литья выяснено, что ее линейная скорость зависит
прежде всего от температуры. Как видно из рис. 14, каж-
дой фазе соответствует определенная температура. Пер-
46
вым выделяется оливин, и его линейная скорость кри-
сталлизации наименьшая.
Процесс кристаллизации силикатных расплавов су-
щественно зависит от вязкости — с ее ростом кристалли-
зационная способность расплава снижается. Характер
Температура, °C
Рис. 14. Температурная зави-
симость линейной скорости
кристаллизации фаз в ба-
зальтовом литье:
1—пироксен; 2 — плагио-
клаз; 3 — оливин
Рис. 15. Зависимость линейной скорости
кристаллизации фаз от логарифма вяз-
кости базальтового расплава:
/ — пироксен; 2 — плагиоклаз
этой зависимости у расплава камчатского базальта изо-
бражен на рис. 15. Левая часть графика получена на ос-
нове экспериментальных данных с использованием урав-
нения:
v = — +^olgn, (14)
n
где v— линейная скорость кристаллизации фазы,
мкм/мин;
Т|— вязкость, пз\
k, kQ— постоянные.
А. А. Леонтьевой также установлено, что ведущей
фазе при кристаллизации расплава соответствует компо-
пент с высшей концентрацией в расплаве. С уменьшени-
ем в расплаве концентрации какого-либо компонента
47
температура и линейная скорость кристаллизации соот-
ветствующей фазы снижаются, что наглядно видно из
процесса кристаллизации диопсида в расплаве системы
диопсид—альбит (рис. 16). В многокомпонентном рас-
плаве при избытке одного
И, ЛМ'ЛГ/'W'*'
WO
200
/ООО f/00 /200 /000
Температура, °C
Рис. 16. Температурная зависимость
линейной скорости кристаллизации
диопсида с учетом его концентра-
ции:
/-40%; 2 — 50%; 3-60%
из них, его кристаллизация
начинается первой. Указан-
ное явление важно для тех-
нологии получения камнели-
тых изделий. Правильным
подбором и расчетом шихты
можно регулировать выде-
ление в отливках нужной
минеральной фазы.
Исследования процесса
кристаллизации фаз в пет-
рургических расплавах, вы-
полненные А. И. Цветковым
и А. А. Леонтьевой, имеют
научную ценность, однако
практически сделанные вы-
воды недостаточно приемле-
мы для петрургии. Приме-
ненная ими методика изуче-
ния процесса кристаллиза-
ции предусматривает экспе-
риментирование со стекла-
ми. В петрургии процесс кристаллизации в основном
протекает в расплаве. В этом случае выделение фаз и
структурообразование протекает иначе.
Известно, например [32], что базальтовые отливки, по-
лучаемые в производственных условиях при нейтральной
и частично восстановительной атмосфере, содержат пи-
роксен и магнетит. Кристаллизация из того же расплава
проб массой до 20 г при нейтральной атмосфере привела
к выделению, кроме пироксена и магнетита, частично
оливина и плагиоклаза.
Существенный интерес представляют исследования
процесса кристаллизации расплавов, выполненные в по-
следнее десятилетие с применением других методик.
Ян Волдан [33, с. 65], изучая процесс кристаллиза-
ции базальтового литья, в зависимости от условий плав-
ления и термической обработки применил метод гради-
ентной кристаллизации и дифференциально-термическо-
48
го анализа. Им выяснено, что выделение кристалличес-
кой фазы зависит от температуры исходного расплава.
Максимальное выделение кристаллической фазы наблю-
дается при температуре расплава около 1300° С. С даль-
нейшим ростом температуры содержание кристалличе-
ской фазы уменьшается. Ян Волдан также установил,
что с повышением температуры кристаллизации растет
степень закристаллизованности литья и его плотность.
Эффективное развитие камнелитейного производства
немыслимо без решения важной теоретической и прак-
тической проблемы управления процессом кристаллиза-
ции для получения изделий с заданными минеральным
составом и структурой, т. е. с нужными физико-механи-
ческими свойствами. Исследования в этом направлении
Г. А. Рашина [17, с. 12; 33, с. 41; 34, 35] доказали возмож-
ность варьирования минерального состава и структуры
одного и того же расплава в зависимости от его свойств
и условий кристаллизации.
В петрургических расплавах ведущие силикатообра-
зующие катионы и анионные комплексы распределяются
взаимно по определенным закономерностям. В пределах
этих закономерностей имеются различные варианты упо-
рядочения, которые позволяют изменением физических
свойств расплава и термической обработки отливок уп-
равлять минералообразованием и строением структуры.
В управлении минералообразования Г. А. Рашин важное
место отводит влиянию гомогенности расплава на его
кристаллизационную способность и образование фаз. Им
устанавливается преемственность в химических связях
минералов сырья, кристаллических образований со свя-
зями «ближнего порядка» в расплаве и минералов отли-
вок с расположением атомов со связями «дальнего по-
рядка».
В развитии рассмотренных работ представляют инте-
рес исследования Б. X. Хана и И. И. Быкова [17, с. 17; 17,
с. 221; 36; 33, с. 91; 37; 38, с. 212]. Ими изучен механизм
затвердевания и кристаллизации каменного литья в за-
висимости от температуры расплава, его состава, тепло-
физических свойств формы и отливок. Применяя методы
термического анализа, выливания жидкого остатка, пет-
рографического и рентгеноструктурного анализа, получе-
ны заслуживающие внимания данные по кинетике кри-
сталлизации. Они определяли температурные поля в от-
4—1058
49
ливке и литейной форме, условия теплообмена между
ними, температуру плавления и кристаллизации литья,
скорость затвердевания расплава и порядок выделения
минеральных фаз.
Касаясь влияния скорости охлаждения расплава на
фазовый состав, Б. X. Хан и И. И. Быков установили, что
при скорости более 50 град!мин в отливках господствует
фаза стекла. При малой скорости охлаждения порядка
20 град/мин и менее создаются благоприятные условия
для развития оливина и плагиоклаза. Оптимальной ско-
ростью охлаждения расплава следует считать 30—
40 град/мин, при этом отливки по своему строению полу-
чаются мономинеральными по пироксену. Для достиже-
ния указанной скорости охлаждения расплава коэффи-
циент теплопередачи от отливки к форме должен быть
не более 50 ккал[(м2 • ч •град). Образование основной
массы пироксенов протекает в интервале температур
1050—900° С в зависимости от скорости охлаждения
расплава. До образования пироксена из расплава
выделяются минералы типа шпинелей, оливин и пла-
гиоклаз.
Получению мономинерального по пироксену каменно*
го литья посвящены работы А. Г. Котловой, А. И. Цвет-
кова и В. В. Лапина [33, с. 32; 39; 40]. Базируясь на ра-
ботах А. И. Цветкова, который доказал, что в структур-
ном отношении все пироксены можно рассматривать как
диопсид, в котором SiO2 частично, а СаО и MgO почти
полностью изоморфно замещены другими окислами с
соответствующими ионными радиусами, Котлова А. Г.
ввела все окислы базальта в состав пироксена.
Практика показала, что с введением в шихту до 20%
доломита получаемое литье имеет недостаточную меха-
ническую прочность. Дело в том, что за счет доломита
расплав обогащается окислами магния и кальция, кото-
рые повышают кристаллизационную способность отли-
вок. Это приводит к увеличению степени их закристалли-
зованное™ и уменьшению размера остаточного стекла,
оказывающего определенное влияние на прочностные
свойства литья.
Степень закристаллизованности материала характе-
ризуется количеством выделяющейся кристаллической
фазы при заданных условиях, выраженным в процентах
к общему объему, зависит от кристаллизационной спо-
50
собности расплава и определяется тепловыми условиями
охлаждения.
Кристаллизационная способность является качествен-
ной характеристикой расплава, выражающей его склон-
ность к образованию кристаллической фазы, определяет-
ся она физико-химическими свойствами расплава и не
зависит от внешних факторов.
Для оценки кристаллизационной способности различ-
ных расплавов принято сравнивать степень закристалли-
зованности пробных отливок из расплавов, формируемых
в оптимальных условиях при одинаковой температуре и
экспозиции. Для расчета кристаллизационной способно-
сти расплава В. П. Кораблин предложил эмпирическое
уравнение
где е— кристаллизационная способность;
ф— степень закристаллизованности;
т—длительность изометрической выдержки;
А/— разность между температурой расплавления
горной породы и температурой кристаллиза-
ционной печи.
Практически кристаллизационная способность пробы
расплава определяется по максимальному количеству
кристаллических образований, обнаруживаемых в поле
зрения микроскопа при заданной температуре и времени
выдержки.
Исследование кристаллизации петрургических рас-
плавов в условиях, близких к производственным, доста-
точно широко выполнено И. Е. Липовским и В. А. Мов-
ляв [24; 18, с. 48; 41, с. 19]. Цель данной работы
заключалась в определении основных элементов кри-
сталлизации: скорости зарождения центров кристаллиза-
ции (нуклеации) и роста кристаллов, последовательности
выделения кристаллических фаз, степени закристаллизо-
ванности и характера структуры испытанных образцов в
зависимости от исходной температуры расплава, его со-
става, выраженного чер.ез коэффициент кислотности &общ,
а также температуры кристаллизационной среды и вре-
мени изотермической выдержки.
4*
51
Для экспериментирования использованы расплавы из
базальта с /го5щ = 1,74 и топливных шлаков с ^Обш =2,06
(частично 1,89 и 2,24), опробированных на Донецком
комбинате.
Процесс кристаллизации изучали методом последо-
вательно-изотермического воздействия па образцы с па-
раллельной закалкой отдельных их партий в воде и на
Вренн нрис/памиэоции, мин
Рис. 17. Зависимость степени закристаллизованности литья из ба-
зальта от времени кристаллизации и температуры кристаллиза-
ционной среды:
закалка в воде: / —800—850° С; 2 — 900—950° С: 3 — 1000—1050° С;
закалка на воздухе: 4 — 900—950° С
печи. Кристаллизацию образцов вели последовательно
как с переменными изотермическими экспозициями, так
и с переменной температурой при постоянных экспози-
52
Циях выдержки. Интервал изотермических экспозиции
был принят от 1 до 6 мин. Температуру кристаллизаци-
онной среды в интервале от 800 до 1050° С изменяли на
50—100 град, оставляя ее постоянной для каждой партии
Рис. 18. Зависимость степени закристаллизованное™ литья из
топливных шлаков от времени кристаллизации и температуры
кристаллизационной среды (закалка на воздухе):
/ — 800° С; 2 — 850° С; 3 — 900° С; 4 —950° С: 5— 1000° С-
6 — 1050° С
опытов. В подготовленных образцах методом микроско-
пии определяли степень закристаллнзованности, мине-
ральный состав, размер кристаллов и характер струк-
туры.
Полученные экспериментальные данные о зависимо-
мости степени закристаллнзованности литья из базальта
и топливных шлаков от времени кристаллизации и тем-
пературы кристаллизационной среды приведены на рис.
17 19.
53
Согласно рисункам степень закристаллизоваппостн
отливок растет с увеличением продолжительности кри-
сталлизации и температуры кристаллизационной среды
до известных пределов. Этот предел для литья из базаль-
Рис. 19. Зависимость степени закристаллизоваппостн литья из топ-
ливных шлаков от времени кристаллизации и температуры кри-
сталлизационной среды {закалка в воде):
/ — 1000” С; 2 — 900° С; 3 — 800” С
тов составляет 900—950s С, а из топливных шлаков — до
1000—1050° С. При температуре кристаллизационной
среды свыше 1000° С у базальтового литья наблюдается
снижение степени закристаллизованности, что вызвано
замедленным охлаждением расплава до максимума нук-
леации. Однако в таких условиях наблюдается макси-
мальная линейная скорость кристаллизации минералов,
и структура приобретает вариолитовый характер (ост-
ровки крупно-кристаллических образований на общем
фоне аморфной массы).
54
Рис. 20. Зависимость степей» закри-
сталлизованное™ литья из топлив-
ных шлаков от коэффициента кис-
лотности:
7 — 1.89; 2 — 2.06; 3 — 2Д4
Образцы, закаленные в воде, по сравнению с образ-
цами, закаленными на воздухе, имеют значительно мень-
шую степень закристаллизованности. Следовательно,
при закалке на возДухе процесс кристаллизации в образ-
цах продолжается, что объясняется высокой кристалли-
зационной способностью
материала, его достаточ-
ным тепловым запасом
при низкой теплопереда-
че. Исходя из полученных
данных можно считать,
что кристаллизацию из
отливок базальта целесо-
образно вести при темпе-
ратуре 900°С в течение
5—7 мин, а отливок из
топливных шлаков при
950—1000°С в течение
7—10 мин.
Влияние состава литья
на степень его закристал-
лизованности видно из
рис. 20. С уменьшением
значения ДОбщ степень за-
кристаллизованности ра-
стет, особенно в течение
5—7 мин. При длитель-
ной кристаллизации влия-
ние состава литья незначительно. Более оптимален со-
став литья с /го5ш, равным 1,7—1,9. С уменьшением зна-
чения £общ наблюдается выделение нежелательного ми-
нерала — оливина. Увеличенное значение &обш
способствует росту остаточного стекла, что также неже-
лательно.
При рассмотрении условий кристаллизации петрур-
гического литья следует учитывать влияние степени
переохлаждения расплава на образование кристаллиза-
ционных центров. Степень переохлаждения определяется
разницей между температурой плавления данной фазы
и действительной температурой ее кристаллизации.
В современном представлении образование зароды-
шей кристаллов и их развитие основано на термодинами-
ческих началах. Расплав, как отмечалось выше, пред-
55
ставляет собой жидкую гомогенную фазу, которая по
аналогии с кристаллическим телом имеет пространст-
венную группировку скоплений ионных комплексов. Та-
кое состояние расплава неустойчиво, и свободная энер-
гия не соответствует наименьшему значению. С переох-
лаждением расплава подвижность ионных комплексов
уменьшается, что способствует образованию кристалли-
зационных зародышей. В процессе образования зароды-
шей затрачивается работа и тем самым уменьшается сво-
бодная энергия системы. Аналитически скорость образо-
вания центров кристаллизации 7 выражается уравнением
I = i kT , (16)
h
где А— количество атомов в единице объема;
h— постоянная Планка;
k— постоянная Больцмана;
Т — абсолютная температура;
Q—энергия активации диффузии;
AF— свободная энергия системы.
Из уравнения видно, что при небольшом переохлаж-
дении расплава свободная энергия системы Л/7 еще зна-
чительна, поэтому нуклеация I невелика. С увеличени-
ем переохлаждения AF уменьшается, растет I и достига-
ет максимального значения при &F=Q. Дальнейшее
переохлаждение расплава приводит к росту Q (за счет
роста вязкости расплава) и снижению 7.
В петрургических расплавах в большинстве случаев
гомогенная нуклеация не обеспечивает полной кристал-
лизации, отсюда необходимость в применении модифика-
торов.
Степень закристаллизованности материала зависит не
только от нуклеации, но и скорости роста кристаллов, ко-
торая аналитически выражается следующим образом:
k = 1007 у3 т4, (17)
где k—степень закристаллизованности единицы объ-
ема;
7— скорость нуклеации единицы объема;
v— линейная скорость роста кристаллов;
т— экспозиция кристаллизации.
Так как скорость нуклеации зависит от степени переох-
56
ЛажденИя расплава, следовательно, k зависит от темпе-
ратуры. Полученная на основе экспериментальных дан-
ных [24] зависимость абсолютного роста кристаллов и
линейной скорости кристаллизации (ЛСК) петрургиче-
ских расплавов с ^06tn = 1,74 от температуры и времени
представлена па рис. 21 и 22.
Рис. 22. Зависимость линей-
ной скорости кристаллиза-
ции от температуры и про-
должительности кристалли-
зации:
I — 1 мин; 2 — 5 мин;
3 — 10 мин; 4 — 20 мин;
5 — 30 мин
Рис. 21. Зависимость абсолютного рос-
та кристаллов моноклинного пироксена
от температуры и времени кристалли-
зации:
1 — 800° С; 2 — 850° С; 3 — 900° С;
4 — 950° С; 5 — 1000° С; 6— 1050° С
Из приведенных графиков видно, что с увеличением
продолжительности кристаллизации увеличивается раз-
мер кристаллов и ее линейная скорость. Характерно, что
этот рост протекает интенсивно в первые 5 мин кристал-
лизации. Замедление роста кристаллов и Л С К с увели-
чением продолжительности кристаллизации связано с
возрастанием вязкости, что видно из известного урав-
нения
t> = —4-A„lgn. (18)
п
Изучение характера объемного роста кристаллов по-
казало, что с увеличением продолжительности кристал-
57
лизацпи относительно быстрее растут их поперечные
размеры, хотя по абсолютному значению они невелики.
Диспропорция в росте линейных размеров кристаллов
вытекает из условий кристаллизации минералов во вре-
мени. В начальный период кристаллизации (до 2—
3 мин) степень закристаллнзованности растет в основ-
ном за счет нуклеации. При продолжительности кристал-
лизации от 3 до 5 мин наблюдается резко выраженный
максимум роста степени закристаллизованное™ (см.
рис. 18—20). В этот период кристаллизация протекает
во всем объеме в основном за счет роста кристаллов,
хотя нуклеация продолжается. Во время дальнейшей
кристаллизации наблюдается только рост кристаллов,
причем протекает он довольно медленно и в основном
в поперечном направлении.
Закономерности роста кристаллов и изменения линей-
ной скорости кристаллизации различных видов литья
почти аналогичны, что видно из сравнительных данных
по кристаллизации расплавов из столь различных сырье-
вых материалов, как базальт и топливные шлаки.
Рассматривая процесс кристаллизации силикатных
расплавов, следует изучить вопрос об условиях возник-
новения центров кристаллизации.
Согласно Г. Тамману, в расплаве спонтанно, т. е. са-
мопроизвольно, зарождаются центры кристаллизации.
Предполагают, что расплавы по строению подобны газам
и состоят из равновесных изотропных и анизотропных
молекул, причем только последние участвуют в кристал-
лообразовании. С охлаждением расплава изотропные мо-
лекулы переходят в анизотропные, а в итоге протекает
процесс кристаллизации.
Дальнейшими исследованиями (И. Я- Френкель)
структура расплава уподоблялась структуре получаемой
твердой фазы. В настоящее время она рассматривается
с точки зрения теории микрокристаллического строения
согласно ионной теории О. Я. Есина.
Как показано выше, на спонтанное образование цент-
ров кристаллизации основное влияние оказывает темпе-
ратура расплава.
Пструргическим расплавам свойственна склонность к
переохлаждению. С возрастанием переохлаждения рас-
тет вязкость расплава, что затрудняет образование
кристаллических зародышей. Поэтому для улучшения ус-
58
ловий кристаллизации петрургических расплавов приме-
няют различные модификаторы. Наиболее распростра-
ненным модификатором является окись хрома. Положи-
тельное влияние окиси хрома на процесс кристаллизации
силикатных расплавов известен давно. Еще в тридцатых
годах Л. А. Ротинянц и М. В. Манвелян (43], изучая
Рис. 23. Зерна нерастворенного хро-
мита как центры кристаллизации
пироксеновых образований. Х165
Рис. 24. Кристаллизация мелких зе-
рен вторичного хромита из расплав-
ленного первичного хромита. 1^5
расплав тохмахангельского базальта, для повышения его
кристаллизационной способности вводили в шихту се-
ванский хромит. С того времени многие камнелитейные
предприятия в качестве модификатора применяют окись
хрома в виде хромистого железняка.
Длительное время считали, что частицы окиси хрома
являются лишь механическими центрами кристаллиза-
ции. Изучение влияния окиси хрома на процесс кристал-
лизации [17, с. 78*] показало, что окись хрома полностью
растворяется в расплаве при температуре 1700—1750е С,
в условиях получения петрургических расплавов при
температуре 1400—1500° С окись хрома растворяется ча-
стично. Нерастворенные остатки частиц окиси хрома слу-
жат механическими центрами кристаллизации (рис. 23).
С понижением температуры расплава из растворенной
части окиси хрома выделяются кристаллики вторичной
* Ульянов В. .1, Автореферат юесерт.'.изн. Киев. 1963.
59
окиси хрома (рис. 24), а также различные хромошпи-
нелиды, которые служат центрами кристаллизации сфе-
ролитовых пироксеновых образований. Окись хрома
улучшает структуру отливок и тем самым повышает их
механическую прочность и химическую стойкость. Осо-
бенно велико влияние окиси хрома при кристаллизации
маложелезистых расплавов или с повышенным значени-
ем коэффициента кислотности.
В базальтовых расплавах наряду с окисью хрома
центрами кристаллизации служат кристаллики магнети-.
та. Вследствие простоты структуры и высокой подвиж-
ности в расплаве магнетит имеет наибольшую способ-
ность к зародышеобразованию.
Работами Ю. К. Калинина [17, с. 57] установлено, что
из расплавов основных горных пород чаще всего выде-
ляется не чистый магнетит, а твердые растворы магнети-
та переменного состава, зависящего от стадии процесса
кристаллизации. Согласно магнитным свойствам твер-
дых растворов магнетита, Ю. К. Калинин, применив ме-
тод определения магнитной восприимчивости, успешно
изучил механизм мииералообразования. Магнитную вос-
приимчивость измеряли прибором ИМН-2. С интенсифи-
кацией процесса кристаллизации силикатных фаз (при
температуре ниже 1100° С) магнитная восприимчивость
материала начинает повышаться. При максимальном вы-
делении пироксеновых минералов значение магнитной
восприимчивости достигает наибольшего значения, что
объясняется смещением состава твердого раствора маг-
нетита в сторону содержания чистого компонента РезСД.
Таким образом, каждой стадии термообработки рас-
плава и отливок соответствует определенное значение
магнитной восприимчивости. Следовательно, методом
магнитной восприимчивости можно контролировать, т. е.
регулировать, процесс кристаллизации. Эта регулировка
может быть достигнута изменением степени переохлаж-
дения расплава. Для повышения кристаллизационной
способности петрургических расплавов нередко применя-
ется плавиковый шпат, содержащий фтор. Одновалент-
ный анион фтора успешно замещает двухвалентный ани-
он кислорода в кремнекислородных ионных комплексах,
это упрощает их структуру, снижает вязкость расплава
и повышает его кристаллизационную способность. Введе-
ние в расплав плавикового шпата также способствует
60
Рис. 25. Линейная скорость кристал-
лизации пироксенов из расплава
халаджского базальта:
1 — без добавок; 2 — с 10% серпен-
тинита; 3 — с 20% серпентинита;
4 — с 20% доломита
повышению физических свойств отливок. Некоторые
окислы элементов, входящих в состав петрургических
расплавов, своеобразно влияют на процесс кристаллиза-
ции. Окись магния положительно влияет на процесс кри-
сталлизации. За счет окиси
магния в пироксене увели-
чивается содержание моле-
кулы — Mg2Si2O6, при этом
линейная скорость кристал-
лизации растет. Влияние
окиси магния на ЛСК вид-
но из рис. 25.
Добавки к базальту до-
ломита и серпентита содер-
жат окись магния. Окись
натрия благоприятно влияет
на получение петрургичес-
ких расплавов. Однако
окись натрия снижает ли-
нейную скорость кристалли-
зации пироксенов и способ-
ствует увеличению в отлив-
ках остаточного стекла. В
формировании остаточного
стекла основную роль играет соединение — NaAlSiaOe, не
входящее в кристаллические фазы.
Окись калия сравнительно слабо понижает вязкость
расплава и повышает линейную скорость кристалли-
зации.
Как показали некоторые работы [17, с. 94; 44], на про-
цесс кристаллизации силикатных расплавов оказывают
влияние различного рода физико-механические возбуди-
тели. Под воздействием электромагнитных сил форсиру-
ется появление центров зародышеобразования, что уско-
ряет процесс кристаллизации расплавов. Аналогичное
воздействие оказывают лучи радия и рентгена. Исследо-
вание воздействия ультразвукового поля на петрургичес-
кие расплавы показало, что за счет ультразвуковой час-
тоты до 2000 гц происходит измельчение первичных
кристалликов, частички которых становятся многочис-
ленными центрами кристаллизации. В итоге вследствие
ультразвукового воздействия существенно повышается
кристаллизационная способность расплава. Структура в
61
отливках создается равномернозернистая с пониженны-
ми внутренними напряжениями.
Аналогичное влияние на процесс кристаллизации ока-
зывает механическая вибрация. С применением вибра-
ции доменные шлаки кристаллизуются в широком диа-
пазоне скорости охлаждения расплава. Вибрация повы-
шает плотность и прочность отливок, что особо проявля-
ется при частоте вибрации 50 гц и амплитуде 0,01 лш.
Характерно, что при кристаллизации петрургических
расплавов одновременно с минералообразованием на-
блюдается развитие химической неоднородности [17,
с. 107]. Последовательное формирование отдельных, раз-
личных по составу, минералов приводит к обеднению ос-
таточного расплава отдельными окислами. Первоначаль-
ное выделение магнетита и оливина приводит к обедне-
нию расплава окислами железа и магния. Последующее
выделение пироксенов обедняет расплав окислами каль-
ция, магния, алюминия и железа. В итоге остаточный
расплав обогащается окислами кремния, калия и натрия,
которые переходят в стекловидную фазу.
Микроанализом выяснено, что в петрургическом
литье, состоящем в основном из пироксенов, указанная
химическая неоднородность все же незначительна. Более
существенная неоднородность наблюдается при наличии
в расплаве тугоплавких и недостаточно растворенных
включений хромита, кварца и кусочков футеровки. При-
сутствие этих инородных включений оказывает влияние
на процесс кристаллизации расплава и качество отливок.
Для изучения и контроля процесса кристаллизации
петрургического литья представляет интерес метод за-
мера электропроводности.
Экспериментально выяснено, что с охлаждением рас-
плава его электропроводность меняется соответственно
фазовым изменениям. На рис. 26 приведено изменение
электропроводности амфиболитового расплава в процес-
се его охлаждения. Петрографическое исследование за-
каленных образцов свидетельствует о том, что имеющие-
ся на графиках изгибы соответствуют: в точке а выделе-
нию магнетита, в точке b появлению субкристаллических
зародышей пироксена, в точках с и с' массовой кристал-
лизации моноклинного пироксена. Точка d характеризует
выделение стеклофазы. Изучение по указанной методике
маложелезистых расплавов показало, что точка а не
62
фиксируется, так как магнетит в этом расплаве не обра-
зуется.
В камнелитейном производстве при получении изде-
лий кристаллизация протекает предварительно в жидкой
фазе, затем в твердой. В петрургических расплавах при
снижении температуры минералы выделяются последо-
вательно от высокотемпературных до низкотемператур-
ных. В общем виде кристал-
лизация петрургических ра-
сплавов должна проходить
в интервале температур от
ликвидуса до эвтектичес-
кой. Практически из-за
склонности расплава к пе-
реохлаждению его кристал-
лизация продолжается при
более низкой температуре
до линии солидуса. Вид кри-
сталлизации, когда минера-
лы выделяются непосредст-
венно из охлаждаемого рас-
плава, принято называть
первичной радиальной кри-
сталлизацией или кристал-
лизацией сверху. Радиаль-
ной называют потому, что
процесс кристаллизации от-
ливки протекает от перифе-
рии к центру по мере ее ох-
лаждения.
При кристаллизации жидкой фазы получаемые отлив-
ки-имеют относительно крупнозернистую структуру зо-
нального характера. Кристаллические силикатные мате-
риалы типа ситаллов получаются кристаллизацией твер-
дой стекловидной фазы. В этом случае имеем дело с вто-
ричной объемной кристаллизацией или кристаллизацией
снизу. Вторичная кристаллизация протекает почти одно-
временно во всем объеме образца, при этом получаемая
структура микрозернистая и равномерная.
Известные в настоящее время виды каменного литья
по своему минеральному составу сложены из пироксе-
нов, плагиоклазов, магнетита, оливина, волластонита,
иногда амфиболов, мелита и др.
f/TfO'S
Рис. 26. Зависимость изменения си-
лы тока от температуры затверде-
вания расплава:
/—затвердевание в стеклообразное
состояние; 2 — затвердевание в кри-
сталлическое состояние
63
Пироксены бывают моноклинные и ромбические.
Моноклинные пироксены представлены авгитом Ca(Mg,
Fe, Al) [Al, SiOsh, диопсидом Ca, Mg[SiO3]2 и геденберги-
том Ca, Fe[SiO3]2.
В базальтовом и диабазовом каменном литье господ-
ствует минерал авгит, являющийся изоморфной смесью
диопсида и геденбергита. Белокаменное литье в основ-
ном сложено из диопсидового минерала. Ромбические
пироксены представлены следующими минералами: эн-
статитом Mg[SiO3], бронзитом (Mg, Fe)3 [Si2O6] и гипер-
стеном (Fe,Mg)2[Si2O6]. Последние два минерала отлича-
ются содержанием закиси железа. Бронзит содержит от 5
до 14% закиси и более 14% гиперстена. В каменном
литье редко встречаются ромбические пироксены и то в
виде смеси энстатита с ферросилитом [FeO • SiO2]. Опти-
ческие показатели пироксенов, моноклинных Ng= 1,674;
Np = 1,663; ромбических 1,693, Wp= 1,664. Пироксе-
новые минералы придают каменному литью высокую хи-
мическую стойкость, механическую и диэлектрическую
прочность.
Плагиоклазы представляют собой изоморфные
смеси минералов альбита Na[AlSi3O8] и аноритита
Ca[Al2Si20s]. Альбит АЬ плавится при температуре
1250° С, анорит Ап при 1500—1550° С. В зависимости от
содержания SiO2 плагиоклазы бывают кислые, средние и
основные. По классификации Федорова плагиоклазы под-
разделяются на сто номеров. Номер плагиоклаза соответ-
ствует процентному содержанию в нем анортита. Пла-
гиоклазы имеют 1,563 и Np = 1,555.
В каменном литье встречаются плагиоклазы номеров
от 40 до 60 в виде лабродорита АЬ40Ап60 или же андези-
та АЬбоАщо. Наличие указанных минералов в каменном
литье нежелательно, так как от воздействия соляной
кислоты они разлагаются.
Магнетит Fe3O4содержит72,4% Feи27,6% О2. Маг-
нетит имеет кубическую систему, плотность его около
5 г/см3, твердость по шкале Мооса 5,5—6,5, обладает маг-
нитными свойствами, которые с повышением температу-
ры снижаются и вовсе исчезают при температуре 588° С.
В области высоких температур магнетит первоначально
разлагается (1145—1260°С), затем плавится (1538°С).
Содержание магнетита благоприятно для кристалли-
зации отливок, однако избыток его существенно сни-
64
жает их химическую стойкость и диэлектрическую проч-
ность.
Оливин (Mg, Fe)2[SiO4] имеет ромбическую систе-
му плотность 3 г/см3, твердость по шкале Мооса 6,5—7.
Ng = 1,683, Np =1,651. В зависимости от содержания FeO
температура плавления оливина колеблется в пределах
1255—1460° С. Оливин имеет хорошие диэлектрические
свойства, однако растворяется в серной кислоте с выде-
лением геля SiO2. Присутствие оливина в каменном литье
нежелательно, так как снижает химическую стойкость
отливок и способствует трещинообразованию.
Волластонит состоит из Са[5Юз], кроме того со-
держит молекулы Na2O, MgO, А120з и иногда FeO. При
нагревании выше 1200° С переходит в псевдоволластонит,
плавящийся при 1540° С. Плотность волластонита 2,2—
2,9 г/см3, твердость по шкале Мооса 4,5—5, растворяется
он в соляной кислоте с образованием геля SiO2.
Амфиболы имеют сложный химический состав. По
основным свойствам и кристаллической решетке амфибо-
лы сходны с пироксенами. В отличие от пироксенов, ам-
фиболы располагают дополнительным анионом в виде
гидроксильной группы, фтора или хлора. Амфиболы об-
разуются в каменном литье, получаемом из амфиболитов.
Порядок выделения минералов в петрургическом
литье зависит от его состава, атмосферы плавления и
кристаллизации, а также условий термической обработ-
ки. Несмотря на некоторые особенности этот порядок
соответствует общим закономерностям минералообразо-
вания земной магмы.
Процесс минералообразования из магмы в процессе
ее охлаждения в природных условиях, по данным
Н. Л. Боуэна, имеет следующую схему:
Магиетит
Оливины (Mg—Fe — силикаты) Са-плагиоклазы
I т
Mg-пироксены (энстатит) Na—Са-плагиоказы
Mg—Са-ппроксены (диопсид, авгит) Са—К'а-плагиок.тазы
Амфиболы I
Биотиты Na-плагиоклазы
I
Калиевый полевой шпат
Кварц
65
5—1058
Боуэповская схема кристаллизации (магнетит — олй-
бин— плагиоклаз — пироксен и др.) действительна лишь
для условий равновесной кристаллизации.
В петрургическом литье минералы выделяются в ос-
новном при атмосферном давлении, без существенного
наличия летучих компонентов. Однако почти всегда ока-
зывают влияние различные модификаторы, имеющиеся в
исходном сырье или вводимые в шихту. В целом крис-
таллизация петрургического литья протекает в неравно-
весных условиях.
В петрургическом литье, типа базальтового, порядок
выделения минералов имеет следующую схему: магне-
тит первой генерации — оливин игольчатый (в незначи-
тельном количестве) — ромбический пироксен (в малом
количестве) — моноклинный пироксен — магнетит вто-
ричной генерации. Согласно схеме первоначально выде-
ляется магнетит первой генерации в виде мелких куби-
ков и октаэдров, распределенных равномерно по всему
объему отливки, при температуре 1250—1300° С. Многие
из выделяемых кристалликов магнетита становятся
центрами дальнейшей кристаллизации пироксеновых ми-
нералов.
Как показано выше, на процесс выделения магнети-
та важное влияние оказывает атмосфера плавления и
кристаллизации. В окислительной атмосфере отношение
КегОз/РеО растет и магнетит, состоящий из 69% Fe2O3
и 31% FeO, активно выделяется. В условиях восстанови-
тельной атмосферы создается дефицит в содержании
Fe2O3 и тогда магнетит или вовсе не образуется, или же
образуется частично. В этом случае создаются благопри-
ятные условия для образования оливина.
В петрургических расплавах на основе базальта, по-
лучаемых в основном при нейтральной атмосфере, маг-
нетит выделяется частично, а оливин в крайне незначи-
тельном количестве. С выделением магнетита в резуль-
тате появления твердой фазы и повышения концентрации
SiO2 расплав становится более вязким и по цвету не-
сколько светлее.
Вслед за магнетитом при снижении температуры с
1300 до 900° С выделяется, оливин, причем более активно
он выделяется при температуре 1150° С. В расплавах,
обогащенных MgO, при температуре 1350° С оливин вы-
деляется ранее магнетита. В расплавах с высоким коэф-
66
фициентом кислотности оливин выделяется вслед за маг-
нетитом и плагиоклазом или же вовсе не выделяется,
если недостает MgO. Магнезиальный оливин выделяется
в ранней стадии кристаллизации при температуре около
1300° С, образуя дендриты. В кислых расплавах в тем-
пературном интервале от 1168—1135 до 800—700°С вы-
деляются кристаллики оливина в виде вытянутых игл.
Аналогично магнетиту содержание оливина в литье
можно регулировать атмосферой плавки и кристаллиза-
ции. При активно восстановительной атмосфере может
формироваться оливин, если его даже не было в исход-
ном материале. Наличие в каменном литье оливина ухуд-
шает его технические свойства, за исключением диэлек-
трических. Вслед за оливином, а иногда раньше его из
расплава выделяются кристаллы плагиоклаза в виде
пластин или сферолитов. В базальтовом литье плагио-
клазы встречаются редко. Плагиоклазы кристаллизуют-
ся в коротком температурном интервале (при 1170—
1150°С), поэтому относятся к типу «коротких» минера-
лов. Их выделение протекает до 1100° С, а с понижени-
ем температуры до 800° С происходит лишь развитие,
т. е. укрупнение в размерах. Необходимым условием для
выделения плагиоклазов является длительное время
кристаллизации в нейтральной или окислительной атмо-
сфере. Повышенное содержание плагиоклазов снижает
кислотостойкость отливок.
Кристаллизация основной минеральной фазы петрур-
гического литья — пироксенов начинается при темпера-
туре расплава около 1200° С, при этом первым выделяет-
ся диопсид. Основная, масса пироксенов в виде авгита
выделяется в температурном интервале 1150—800° С.
Пироксены кристаллизуются в основном вокруг магнети-
товых зерен, создавая сферолитовые образования. Од-
ним из последних минералов кристаллизуется магнетит
вторичной генерации, который заполняет межкристал-
литное пространство, выступая по аналогии со стеклом в
роли цементирующего материала (рис. 27). Иногда в
петрургических расплавах при 1150—1050°С выделяется
незначительное количество амфиболов в виде чешуйча-
тых цепочек. Более обильное выделение амфиболов име-
ет место в амфиболитовых расплавах. Кристаллизация
расплавов с низким коэффициентом кислотности и высо-
ким содержанием СаО, типа металлургических шлаков.
5*
67
характеризуется выделением мелилита в виде тонких
иглообразных кристаллов.
В каменном литье наряду с кристаллической фазой
имеется остаточное стекло в количестве от 5 до 15 °/о в
Рис. 27. Выделение магнетита вто-
ричной генерации. >165
Рис. 28. Структура стекловидная.
Имеются выделения микросферо-
литов пироксена по хромиту. XI65
зависимости от степени переохлаждения расплава и его
кристаллизационной способности. Роль стекловидной
фазы в каменном литье двойственная, и зависит от ее
распределения, в отливках.
Влияние остаточного стекла на химическую стой-
кость отливок зависит от значения коэффициента их
кислотности — чем выше коэффициент кислотности литья,
тем больше химическая стойкость. Остаточное стекло
имеет высокое содержание SiO2, поэтому оно химически
стойко. При равномерном распределении остаточного
стекла прочность отливок возрастает.
Свойства камнелитых изделий определяются не толь-
ко их минеральным составом, но и структурой, которая
главным образом зависит от режима термической обра-
ботки и свойств расплава. Структуры петрургического
литья классифицируются в основном по содержанию
остаточного стекла и форме кристаллических зерен [24].
По содержанию остаточного стекла структуры отливок
имеют следующие группы: стекловидную с содержанием
стеклофазы 70-100% (рис. 28), полустекловидную с со-
68
держанием стеклофазы 30—70% (рис. 29), неполнокрис-
таллическую с содержанием стеклофазы 15—30%, мел-
кокристаллическую с содержанием стеклофазы 5—15%
(рис. 30).
По форме кристаллических зерен (образований)
структура отливок разделяется на следующие типы: сфе-
Рис. 29. Структура полустекловид- Рис. 30. Структура полнокристалли-
ная. Кристаллическая фаза пред- ческая. Х200
ставлена звездчатыми сферолитами
пироксена. Х165
ролитово-зернистый (рис. 31), дендритовый (призмати-
ческий, рис. 32) и игольчатый (рис. 33). В свою очередь
сферолитовый тип структуры имеет виды: микросферо-
литовый (см. рис. 28), звездчато-сферолитовый (см.
рис. 29), радиальноволокнисто-сферолитовый. радиаль-
нолучисто-сферолитовый (рис. 34).
В каменном литье типа базальтового, состоящем в
основном из пироксена, магнетита, остаточного стекла и
частично оливина и плагиоклаза, структура — полно-
кристаллическая мелкозернистая с радиальноволокни-
стыми сферолитовыми образованиями размером до
70 мкм или же радиальнолучистыми сферолитовыми об-
разованиями до 100 мкм. При недостаточной степени за-
кристаллизованное™ отливок структура образуется по-
лустекловидная или неполнокристаллическая, сложен-
ная из микросферолитов и звездчатых сферолитов
размерами от 1 до 50 мкм.
69
Продолжительная кристаллизация отливок приводит
к образованию полнокристаллической крупнозернистой
структуры со скелетными призмами пироксена размером
Рис. 32. Структура дендритная.
Х165
Рис. 31. Структура зернистая. >200
Рис. 33. Структура игольчатая.
Кристаллическая фаза представле-
на пироксеном и иглами оливина
(белыми), >,400
Рис. 34. Структура полнокристалли
ческая. Сложена из радиально-лу
чистых сферолитов пироксена
200—250 мкм. Технические свойства крупнозернистого
литья низкие. Бывают случаи, когда в результате нерав-
номерного охлаждения расплава, отклонений в режиме
кристаллизации и обилия минеральных кристалличе-
70
ских фаз образуется неоднородная структура, что также
ухудшает технические свойства отливок. В условиях
форсированного переохлаждения расплава и высокой
температуры кристаллизации создаются скелетные фор-
мы кристаллических образований и разноструктурность.
Такие же дефекты структуры возникают, когда пироксе-
ны имеют высокую линейную скорость кристаллизации
и выделяются первыми. В этом случае формируется пор-
фировидная структура с крупными зернами пироксена
и оливина в основной мелкозернистой массе. Дендрит-
ный тип структуры обычно связан с длительным процес-
сом кристаллизации пироксена и магнетита. Отмечаются
случаи разноструктурности литья при наличии темпера-
турных перепадов в процессе кристаллизации.
Экспериментально установлено, что фазовый состав
и структура камнелитых изделий формируются во время
первого этапа термической обработки — кристаллиза-
ции. Во время второго этапа термической обработки —
отжига или медленного охлаждения отливок — протека-
ет частичное выделение минеральных кристаллических
фаз из остаточного стекла и развитие ранее выделив-
шихся кристаллических образований. По этим сообра-
жениям, казалось бы, можно было форсированно охлаж-
дать изготовляемые камнелитые изделия во втором
этапе термической обработки и тем самым повышать про-
изводительность термических печей. Однако закристал-
лизованные отливки необходимо охлаждать медленно,
чтобы снять внутреннее напряжение и недопустить раз-
рушения этих отливок.
В камнелитых изделиях в процессе их выработки из
расплава возникают значительные по величине неравно-
мерно распределенные внутренние напряжения. Общие
внутренние напряжения в изделиях в основном слагают-
ся из усадочных и термических.
Усадочные напряжения возникают в процессе пере-
хода расплава в твердое состояние и выделения различ-
ных минералов.
Термические напряжения обусловлены возникновени-
ем температурного градиента в отливке, за счет низкой
теплопроводности материала и неравномерности охлаж-
дения в процессе термической обработки.
Для уменьшения возникающих напряжений отливки
следует охлаждать с определенной скоростью. Необхо-
71
димо отметить, что даже при правильном режиме отжи-
га часть внутренних напряжений остается, поэтому тер-
мическая стойкость отливок невысокая. При неправиль-
ном ведении режима отжига возникают дополнительные
напряжения, часто превышающие первичные и это при-
водит к разрушению отливок.
В процессе охлаждения наружные слои отливки дол-
жны сжиматься, однако этому препятствует се внутрен-
няя масса, поэтому возникают растягивающие напряже-
ния. Следовательно, величину остаточных внутренних
напряжений в отливке следует сравнивать с величиной
предела ее прочности при разрыве. В петрургической
практике разрушение отливок в процессе отжига приня-
то называть «холодным треском», в отличие от «горячего
треска», происходящего в процессе кристаллизации.
До последнего времени режим отжига камнелитых
изделий устанавливали экспериментальным путем, исхо-
дя из свойств расплава и особенностей отливаемых изде-
лий. В настоящее время выработана методика расчета
возникающих и остаточных напряжений в камнелитых
изделиях, и режим их отжига технически обоснован
[17, с. 176]. Согласно закону Гука, расчет температур-
ного перепада, при котором происходит разрушение от-
ливки, можно произвести по формуле
ДТР , '(19)
I Еа 0,31хР
где ДТр — разность температур, при которой напряже-
ние, возникающее в верхнем слое отливки,
достигает предела прочности материала при
разрыве;
оПр—предел прочности материала отливки при
разрыве кГ /см2-,
ц— коэффициент Пуассона (для каменного
литья составляет 0,3);
Е—модуль упругости материала, кГ/см2\
а— коэффициент линейного расширения мате-
риала, град~1-,
х— половина толщины отливки, см-,
Р — суммарный коэффициент теплопередачи,
кг/(см2- град).
72
В суммарный коэффициент теплопередачи входят
значения коэффициентов теплопередачи, излучения и
конвекции.
Применительно к футеровочной плитке из базальта, производимой Донецким комбинатом камнелитых и ке-
рамических изделий, по- Т а б л и ц а 3
лучены следующие значе- Данные расчетных параметров
ния основных расчетных для формулы (19)
параметров вышеуказан-
Температура рабочего про- странства пе- ₽ кгЦсм-Х Хград) дгр’ A t
ной формулы и искомые ДГр для различных тем-
пературных зон отжига- чи в различ- ных ее зонах, град град
телыюй печи (табл. 3). Полученные значения °C
720 204 134 40
ДГр выражают темпера-
турпый перепад между 600 148 57 20
поверхностью плитки и 500 109 66 20
рабочим пространством 400 300 71.5 48,5 88 138 25 28
отжигательной печи в за- 200 36,4 170 30
данной зоне, при котором 100 23,3 180 35
происходит разрушение данной плитки. Для пред- 50 17,5 190 40
отвращения разрушения
плитки необходимо, чтобы температура в заданной зоне
печи была меньше примерно на 10% разности между
температурой поверхности отливки и АТР той же зоны.
Согласно приведенным данным, строят график измене-
ния температуры по длине отжигательной печи.
Кроме температурных условий, для процесса отжи-
га необходимо определение времени выдержки плиток
в той или иной зоне печи. Скорость перемещения пли-
ток в печи лимитируется временем выравнивания тем-
пературы по сечению этих плиток. Для определения
времени нахождения плиток в отдельных зонах печи
рассчитывают допустимый температурный перепад
(Д/доп) в сечении плиток в соответствующих зонах
Д/
ДОП
З^пр (1 — в)
2аЕ
(20)
Полученные по указанной формуле данные приведе-
ны в табл. 3. По допустимому температурному перепа-
ду в сечении плиток и температуре рабочего простран-
ства отжигательной печи определяют допустимую тем-
73
пературу средних слоев плиток для различных зон
печи. Дальнейшими расчетами находят время, необходи-
мое для выравнивания температуры по сечению плиток.
Из полученных данных выяснено, что время выдержки
плиток в различных зонах печи составляет 0,8—1 ч.
Подготовка расплава с заданными физико-химиче-
скими свойствами и правильный режим термической об-
работки позволяют получать высококачественные кам-
нелитые изделия и повышать эффективность их приме-
нения в народном хозяйстве.
ГЛАВА III
ПЕТРУРГИЧЕСКОЕ СЫРЬЕ
Для правильной организации технологического про-
цесса получения камнелитых изделий необходимо рас-
полагать достаточными данными физико-химических и
технологических свойств сырьевых материалов.
За полувековой период развития камнелитейного
производства опробованы и частично применены в каче-
стве сырья многие горные породы магматического и
осадочного происхождения и различные промышленные
отходы.
Из числа горных пород магматического и осадочно-
го происхождения изучены физико-химические и техно-
логические свойства: базальтов Ровенской и Донецкой
областей УССР, Армянской и Грузинской ССР, Запад-
ного и Восточного Забайкалья, Дальнего Востока; ан-
дезито-базальтов Украинской и Армянской ССР; теф-
рито-базальтов Чимкентской области; траппов Сибири;
тешенитов Грузинской ССР; диабазов Карельской
АССР, Украинской ССР (Исачковского, Приазовского
и др.), Дальнего Востока, Урала, Северного Кавказа;
гарбо-диабазов Карельской АССР, Украинской ССР,
Сибири; габро-поритов Восточного Казахстана; пиро-
ксеновых порфиритов Карельской АССР; гранитов Дне-
пропетровской области; горнблендитов Свердловской
области; амфиболитов Черкасской и Полтавской обла-
стей; легкоплавких глин Киевской области.
74
Из промышленных отходов изучены и опробованы
шлаки черной металлургии, шлаки цветной металлур-
гии (медные, никелевые, ферромолибденовые), топлив-
ные шлаки (золы), горелые породы шахтных террико-
нов и др.
С зарождением петрургии большой вклад в подборе
и изучении сырья в основном из горных пород внесли
Ф. Ю. Левинсон-Лессинг, А. С. Гинзберг, Г. М. Коров-
ниченко, И. С. Усенко [38, с 42], Я. О. Борухин [45],
А. И. Жилин [46] и другие [47; 48; 49].
В последнее десятилетие петрургическая сырьевая
база значительно расширена и более обширно изучена.
Практический интерес представляют выполненные в
этой области работы Б. X. Хана и В. П. Кораблина
[33, с. 130; 50; 51], В. Л. Ульянова [52, 53], Ю. А. Кручи-
нина [54, 55], авторов настоящей книги [18, с. 7; 56; 57; 58;
59; 60] и других [17, с. 189; 38, с. 5; 61; 62].
ТРЕБОВАНИЯ К ПЕТРУРГИЧЕСКОМУ СЫРЬЮ
И ЕГО ОЦЕНКА
Выбор сырья для производства камнелитых изделий
ч определяется прежде всего назначением этих изделий.
Одновременно с этим оценивается технологическая
пригодность выбираемого сырья. С точки зрения соста-
| ва и технологической пригодности петрургическое сырье
должно иметь постоянный химический и минералогиче-
ский состав и обладать низкой температурой плавления
(1300—1450°С). Получаемый расплав должен быть од-
нородным по составу, иметь достаточную жидкотеку-
честь и кристаллизационную способность и небольшую
усадку в процессе затвердевания. Изготовляемые от-
ливки во избежание деформации должны иметь доста-
точный разрыв между температурами размягчения и
кристаллизации.
Практика камнелитейного производства показала,
что лучшим петрургическим сырьем являются базаль-
ты. Во Франции, ФРГ и ЧССР в качестве петрургиче-
ского сырья используют основные базальты, не нужда-
ющиеся в подшихтовочных добавках. В нашей стране
базальты, близкие по составу к зарубежным, встреча-
ются редко, поэтому используются более кислые ба-
75
зальты и другие породы с подшихтовкой ультраоснов-
ными материалами.
Доказано, что для производства каменного литья,
предназначенного для защиты оборудования от корро-
зийного и абразивного износа, пригодны прежде всего
основные магматические породы, содержащие около 50%
SiO2; 13% СаО; 10% MgO; 15% А12О3 и 15% окислов
железа. При применении других видов сырья суммар-
ный химический состав компонентов шихты должен со-
ответствовать перечисленному составу.
Наиболее приемлемо то петрургическое сырье, хими-
ческий состав которого близок к составу получаемого
литья. В этом случае отпадает необходимость в приме-
нении подшихтовочных материалов, упрощается про-
цесс подготовки сырья, сокращается время плавления и
достигается большая однородность расплава.
Независимо от типа выбранных сырьевых материа-
лов получаемые камнелитые изделия должны обладать
достаточными техническими свойствами, обеспечиваю-
щими их эффективное применение в народном хозяй-
стве.
При оценке сырья для производства камнелитых из-
делий, кроме химического состава, важное значение
имеет его минералогический состав и структура. Основ-
ным магматическим породам присущи основные плагио-
клазы, пироксены и оливины. Известно, что с увеличе-
нием основности плагиоклазов ухудшается процесс
плавления, однако повышается кристаллизационная
способность расплава. Оливин также повышает крис-
таллизационную способность расплава. Не следует при-
менять породы, имеющие высокое содержание стекло-
видной фазы, в противном случае расплав будет
обладать слабой кристаллизационной способностью по-
лучаемого расплава. Для оценки и правильного выбора
петрургического сырья необходимо его эксперименталь-
но опробовать, что не всегда возможно в местных усло-
виях и к тому же требуется много времени. В связи с
этим разработан ряд методов предварительной оценки
сырья, по А. С. Гинзбергу, А. Н. Заварицкому, Б. Ф. Ор-
монту, А. Г. Котловой, Б. X. Хану и другим.
Проекционная диаграмма А. С. Гинзберга [63] для
оценки пород аналогична трехкомпонентной диаграмме
состояния вещества (рис. 35). Вершины диаграммы вы-
76
ражают суммарное процентное содержание различных
окислов: А—кислой группы — SiO2 + А120з + ТЮ2; В —
основной группы —- Fe2O3 + FeO + MgO + CaO-|-A\nO;
С—щелочной группы — Na2O4-K2O. Для удобства
пользования плоскость диаграммы разбита на треуголь-
А
Рис. 35. Проекционная диаграмма А. С. Гинзберга
ники. Располагая данными химического состава сырья,
рассчитывают значения А, В и С и по месту расположе-
ния на диаграмме фигуративной точки интересуемого
петрургического сырья производят его оценку.
Фигуративные точки пород, наиболее приемлемых
для производства камнелитых изделий, располагаются
в полях треугольников 6 и 6—7. Точки в плоскости тре-
угольника 7 соответствуют породам среднего качества,
а в поле треугольников — 7—8 — породам, мало при-
годным для петрургии.
Давая общую оценку сырью, диаграмма А. С. Гинз-
берга не вскрывает характера взаимодействия главных
породообразующих окислов. Кроме того, эта диаграмма
непригодна для оценки сырья ряда синтетических
шихт.
В свете указанных недостатков, несколько точнее
можно оценить петрургическое сырье по векторной дна-
77
грамме А. Н. Заварицкого [60]. Для построения диа-
граммы также нужно располагать данными химическо-
го состава интересуемого сырья.
На диаграмме (рис. 36) изображены векторы, ха-
рактеризующие основные горные породы, пригодные
Рис. 36. Векторная диаграмма Л. Н. Заварицкого
(табл. 4) для производства камнелитых изделий. Век-
торы даны в двух вариантах по составам: в пересчете
И. С. Усенко и А. II. Заварицкого. Векторы пород на
диаграмме занимают поле с границами: па правой плос-
кости по оси SB от 25 до 38, по оси SA от 5 до 13; на
левой плоскости по оси SB от 25 до 38, по оси SC от 4
до 10.
Характер соотношения между различными окислами
и минералами породы определяет пространственное
расположение соответствующего вектора на плоскости
диаграммы.
78
Определение состава горных пород по петрографическим расчетам
И. С. Усенко, А. Н. Заварицкого, А. С. Гинзберга
аээх I «и 'О паи его ИПХЭИНИГJ 48.90 -X <16’0 o»-o 77'0 V7KI 8.50 100.16
аээл вчшнеиоп ^87 1 i VS' , 55 i .58' . 18 | i W 04 ’ 07' IS' 2 2 i
хигодифп у -r t* Cl — o * О Ci
випнндф *ои4эао .06 . 99 4Z’ 0Г 94 ’ S'l’ 80' У Г VI ' 96'
J.4L’BCeq Cl X — — — 0 99
аээл <> 1 c. С1 'O c. — X X
ияьеэи *о - -
b~ —- — — —
ииязниНХэн 12 7!) ci — — 76 68 Si 78 !>0
-жин uuBdi X — -r — Cl г- T- с* о —
аээ* ‘пэаохээаэд 85 49 77 70 1-0 Ж ГЛ .-n XXX
Ci Cl Cl /W-. • — —•
•э хягвевд •’T —• —
О см to
чЦидиэ lO О X x — ci b- Ci
‘иимэнЛг - X CM 'T ci — о X Ci X —f
-Л'х iiuBdj. - *T — — —
dOOV ввяэчгэа £ О X .04 ,98 .21 io; 19 0! 1Г ?4
-В\[ ‘ИИЯПЭН о — i/5 ’T —> —r b- — X —’ —
-ОГО ЕВфВИЦ' J —
аээл лниг CM C- X Ci X X X c — — —
—4 о X c - Cl X X "Г X x
-ОД BSOHK” о ' X о - X CM о о г-- t. “4
xqrBEBg CM —* —
(иияэЦид L 75 00 CM 47 24 14 36 72 ъ- ~
-иэ) ии.чэ <y - ж — - . * * * * * *
-indg uuBdj, Q- <2> X CM ”” -M X ~ C4 S — —
dOOV CM Ю Ю CM о X .C P*. L-C *r X
ио Maarad CM X v • •-- b- . - •—
-BJI ии.чэ о CM X X CM ?>. x ——
-жэно свдвид* UD ~-
с1ЭЭ<1¥ «яг 1 — {— > ~ 77 —
-хэаэ иияэнвД X о —- — СЧ _ S b- X
-элегея iqres C—- X X 2 . J*
-BgoxHEatfHV uO — —'
d33dv хчгвсед 61’ 06’ CM X ,09 .77 .26 HI ' 79' ГЛ-' W —
иияэчгэл X —. p^. L. _ 11- X
-HBXBHXBJ
djjdv ‘нвк CM X 66' L!J ,'M' \lX'
-BUdv Н1ЧГВЕ X ЧГ X X —‘ X X
-BgoiHsatfHY —
Л *c
. О c
7. I О Ф & Я <75 н < *^a —
79
>лжение dOOX BdoJ вн -oadah HHtnBj, •Э Т1ЭНВ1ГЭ ИНХЭИНИТГд —< со со со со г- со h— О „ 1 . . Ю Th —, МО®-—сото | co _ - •Ф Ю CO CM Tj" CO CM 1 Tf — 1 co co
О О Ci. аээл ВЧНОЕВИСЩ хигодифму OO CM Th CO О- О CO CO 00 4. 00 О CM £2 CN —< —< °0 О —< — 2 00 Ob CN CO LO •ф i | CO
вивнвбф ‘онйэао хчгвЕвд oo co см о Th co oo m05. co - - - - - - - - | • о - ОС Ю Г- h- Th Ю О CD Th CO Th О TH CO Th CO Th CM . | to Th
аээА имьеэи ‘э CO СП 00 О О CO О CO 00 О Ю Ю LC - LC LC CM CM :C - N 2 —IO co’ CO Ю Th CO CM oo —. | CD CO
инязниУХэн -жин nuBdj. ObCDOJcO^COCD’—1 b CD 00 UD b- lo <£> —. cd —< сч co co oq см "X CO LQ ’'ф Tf «—1 QO 1 CD CO
ВОЗА ‘«эн -oxogdag хчгвввд CTi t'~ CM CM Th CO CO CO CO Ю E CO Th co - - - « > - - - « - CO'M'OOOCOCOCOCOCOOOI co coco СОЮ Th CO CM 00 CD CO
яаидиэ ‘иияэнЛг -лх uuBdj. _ — "M"1 g 00 00 0 1Л -1 мчпь. ООО - - о -h h- <5 * co >> • Л ЮСООГтфЬ’-СОЮС'ОБт ‘ u СЧ Ф di a (N m *ф co r-i oo | а. cd co s
dOOV BBxoqirad -в>1 ‘иияйэн -ого ёвдвиД d. \O S “’Л0.00. « CM CO ID « CT> Th О CD 00 О О co CM CM* — rS co" CM* Th CO СМЮ co Th cm r- I Seo
dOOA „®ни1г -од ввонц” хчввввд E ‘ “—' u Th CM o> Ю CO CO Th ю о ю °- <’ Soo CO CO 00 CO Ю CO ОС О m 00 ^ о Th co" co" g CM Ю Th co — 00 1 к S co
(иимэ -бидиэ) иияэ -XBdg uuBdx -Г CQ CM t-- 00 CO h- Ю S Ю 5 ЮСОО <U CO tr h-CO N CM Cl Th n) — 7 г! Ю CM CM CX CM Ю Th CO — CO 1 g- CD CO ,4 i—1
dOOV иояэ -4iradB>{ иимэ -жэно ввдвиД E " CO CC CD N -' QC CD CJD О CO ’ф - Ob —• О CO’tOOiDiQCCLDbbC^l M4 О ’Ф GN CD -и | CD CO
dOOdV инв -хэаэ gHMOHBd -эхвгвя хчгве -вдохисэИну Ob "*ф ThCM — СО^ОООЮО- CM Th Th CO (D CO CO O’-• 00 ’Ф »—4 Ob 1 m 0 ’Ф OJ Ю ф ф -h N I CD CO
dOO^V пгве •EQ ИИЛЭЧГЭЛ -HBXEWXBX О CO Th CO Ю Ю 0 00 Th 0" cC Th co" cm’ Th co’ — — oo" 0" °°- “2 °. — CM Ю Th CO CM 00 —< « Ю CTJ Th I CD CM
dODdV ‘нвь -BUdy НИГВЕ - вдохи ну Ф Ob О S CN Б- Ю LOCO —'CDCMOcOOOOOThOOOCD E. — CM in t CO — S CM—" t— Ю I CO CM
Компо- ненты 13 cj ю и q—— ©-СУ t^ oq (j
80
Рассматривая расположение векторов на диаграм-
ме, видно, что породам с повышенным содержанием
SiO2 соответствуют векторы, расположенные ближе к
вершине S. Породам с повышенным содержанием желе-
за и магния, что равнозначно увеличенному содержа-
нию оливина, пироксенов и амфиболов, соответствуют
векторы, расположенные в нижней части диаграммы.
С увеличением содержания в породе алюмосиликатов
(полевых шпатов) векторы размещаются ближе к
оси SB.
Размер и направление вектора тоже выражают осо-
бенности пород по химическому составу. Породам
составов, близких к оптимальным, соответствуют векто-
ры, направленные вниз и вправо. При избытке в поро-
дах окислов железа векторы имеют небольшие разме-
ры, при избытке окиси магния вектор располагается
вертикально, а при избытке окиси кальция вектор име-
| ет уклон вправо.
' В целом векторы, расположенные в плоскости CSB.
соответствуют породам с повышенным содержанием
щелочей и алюмосиликатов. При обилии в таких поро-
дах окислов калия и магния векторы более длинные и
пологие, а при избытке окислов натрия и железа — ко-
роткие с уклоном.
Оценивая пригодность пород в качестве петрургиче-
ского сырья по их химическому и минералогическому
составам, Б. Ф. Ормонт [64] предложил неспмметрич-
1 ную диаграмму, т. е. трехкомпонентную диаграмму со-
[ стояния по Боуэну: альбит АЬ— анартнт Ап — дноп-
’ сид Di. Вершинам треугольника состояния АЬ—Ап—Di
• (рис. 37) соответствуют окислы элементов, из которых
слагаются эти минералы. По содержанию в породе АЬ.
An, Di на диаграмме находят соответствующую фигура-
тивную точку и по ее местоположению судят о пригод-
ности этой породы в качестве петрургического сырья.
Породы, пригодные для петрургин. дают на диаграм-
ме фигуративные точки, близкие к эвтетнческому соста-
! ву Ab, An, Di. В этом случае происходит одновременная
кристаллизация пироксенов и плагиоклазов. В случае
г расположения фигуративных точек в альбитовых или
| анортитовых полях диаграммы породы непригодны для
I производства каменного литья, так как их расплавы об-
I ладают высокой вязкостью.
81
Метод оценки пород несимметричной диаграммой
Б. ф. Ормонта имеет существенный недостаток, так как
нельзя учесть влияния окислов железа на процесс
кристаллизации. В действительности, как было показа-
но выше, окислы железа существенно влияют на харак-
Рис. 37. Несимметричная диаграмма Б. Ф. Ормонта
тер минералообразования и тем самым па свойства
камнелитых изделий. По этим соображениям метод
оценки пород, по Б. Ф. Ормонту, практически непри-
емлем.
Заслуживает внимания метод оценки и расчета пет-
рургической шихты для получения литья мономинераль-
ного состава, предложенный А. Г. Котловой [33, с. 32].
82
По химическому составу исследуемого сырья рассчитьь
вают шихту для получения литья заданного мономине-
рального состава.
Метод А. Г. Котловой основан на ряде известных по-
ложений:
1. Камнелитые изделия мономинерального состава в
сравнении с изделиями полиминерального состава об-
ладают более высокими техническими свойствами. В от-
ливках полиминерального состава в процессе термиче-
ской обработки создаются дополнительные напряжения,
которые снижают прочность изделий.
2. Из имеющихся минералов петрургического литья
предпочтение отдается пироксенам вследствие их более
высокой кислотостойкости и механической прочности.
К тому же пироксеновые минералы обладают высокой
кристаллизационной способностью, что упрощает про-
цесс получения изделий на их основе.
3. При петрохимических расчетах следует пользо-
ваться не процентами по массе окислов элементов, а их
эквивалентными молекулярными количествами.
4. Принципы искусственной классификации петрур-
гического литья те же, что и природных силикатов. По-
этому создавать минеральные ассоциации пироксеновой
группы следует методом насыщения окиси кремния ще-
лочными, полуторными и основными окислами.
5. Петрургическое литье следует рассматривать как
материал, состоящий из ряда изоморфных смесей. Пи-
роксены способны давать непрерывные изоморфные ря-
ды для всех серий пироксеновой группы. Поэтому из
петрургического сырья, располагающего разнообразием
окислов элементов, возможно получение мономинераль-
ного по пироксену литья.
Так, к примеру, ромбические пироксены—энстатит
MgSi2O6 и ферросилит Fe2Si2O6— образуют непрерыв-
ный ряд серии гиперстена. Моноклинные пироксены —
клиноэнстатит Mg2Si2O6 и клиноферросилит Fe2Si2O6 —
образуют непрерывный изоморфный ряд клиноэнстати-
та. Таким же образом при высоких температурах вза-
имно реагируют клиноэнстатит с диопсидом CaMgSi2O6
и геденбергитом CaFeSi2Oe. В последний двойной ряд
входят 15—20% полуторных окислов — А12О3 и Fe2O3,
образуя минерал пироксеновой группы — авгит.
А. И. Цветков [30], изучая изоморфные замещения,
6*
83
выяснил, что полуторные окислы входят в авгит в виде
так называемой молекулы Чермака: СаО(А12О3, Fe2O3)
(SiO2, TiO2). Компоненты указанной молекулы клино-
энстатитдиопсидовой группы имеют различную раство-
римость. Растворимость СаО • А12О3 • SiO2 и СаО • А12О3 •
XTiO2 составляет 40% (мол.), а СаО • Fe2O3 • SiO2 — бо-
лее 50% (мол.). В пироксенах также выявлена изоморф-
ная смесь жадеита NaAlSi2O6 с диопсидом [до 30%
(мол.)].
Приведенные данные позволяют сделать вывод, что
все разновидности пироксена, особенно моноклинные,
могут соединяться, образуя в общем понятии материал
пироксенового состава.
Методика расчета шихты по методу А. Г. Котловой
состоит в следующем. Зная химический состав интере-
суемого сырья, процентное содержание отдельных
окислов пересчитывают на их молекулярное содержа-
ние. Для этого приведенный процент содержания дан-
ного окисла делят на его молекулярную массу и для
удобства расчетов умножают на 100. После этого рас-
считывают насыщение окиси кремния щелочными окис-
лами, исходя из процесса получения жадеита
Na2O • А12О3 • 4SiO2:
xNa2O 4- хА12О3 4- 4xSiO2 = 6xNa2O.Al2O3-4SiO2,
где х— молекулярное количество щелочных окислов.
Далее окись кремния насыщают полуторными окис-
лами с получением молекулы Чермака (СаО • А12О3 •
XSiO2) (СаО • Fe2O3 SiO2) (СаО • А12О3 • TiO2). Очеред-
ность насыщения отдельными окислами определяется
их содержанием и протекает оно от меньшего содержа-
ния к большему. Обычно оно начинается с Т1О2 и Fe2O3:
х TiO2 + х СаО + хА12О3 = Зх СаО • А13О3 • ТЮ2,
z/Fe2O3 + у СаО ф- у SiO2 = 3t/CaO-Fe2O3-SiO2.
Остаток А12О3 расходуется на образование третьего
члена молекулы Чермака
zAl2O3 + zCaO 4- zSiO2 = 3zCaO-Al2O3-SiO2.
В случае, когда окиси кальция не хватает для насы-
щения всего содержания А12О3 в молекуле Чермака,
тогда СаО становится лимитирующим компонентом
озСаО 4- (оА1203 ф- wSiO2 ~ 3o)CaO-Al203*Si02.
84
Чаще всего после насыщения полуторных окислов
окисью кальция часть его остается и идет на образова-
ние СаО • SiO2:
хСаО + xSiO2 = 2xCaO«SiO2.
В завершение, за счет взаимодействия MgO и FeO с
SiO2 образуются метасиликаты MgO • SiO2 и FeO -SiO2:
xMgO + xSiO2 = 2%MgO • SiO2,
z/FeO 4~ r/SiO2 = 2z/FeO-SiO2.
В итоге перечисленных «насыщений» создается ос-
таток SiO2 в кислых породах или z/(FeO+MgO) в ос-
новных породах. В этих случаях для получения литья
мономинерального состава по пироксену следует доба-
вить в шихту х молекулярных количеств основных
окислов СаО, MgO или FeO, если применяемые горные
породы кислые, или же z/SiO2, если породы основные.
Обогащение шихты основными окислами можно
производить за счет введения доломита СаО4-MgO. из-
вести или мела СаО, доменного шлака СаО. магнезита
или серпентинита MgO, железной окалины или сидери-
та FeO. В петрургической практике чаще всего приме-
няют доломит и доменный шлак, недостаток SiO2 в
шихте восполняют кварцевым песком.
При насыщении остатка xSiO2 доломитом расчет про-
изводят следующим образом:
х SiO2 + — х СаО + — xMgO = 2х (СаО MgO^ SiO.,
2 2
Практически процент вводимого окисла соответству-
ет произведению содержания этого окисла в молеку-
лярном количестве на его молекулярную массу
% СаО = 1/2л СаО.'56 ,
1000
XMgo = ‘/l> "s°"ll).
s 1000
Для пересчета процента окислов к проценту потреб-
ного доломита необходимо полученное выше значение
разделить на содержание в процентах окислов СаО +
+ MgO в доломите.
В качестве примера приводится расчет шихты на ос-
нове базальта Берсстовецкого месторождения (УССР)
85
ыО СЗ О' X ч га 1 а 3 3 2 с S с S а х X к X X у >> ч о с к ч I со св Ю о О Ж X X о Q. X О X о св X __ = “ га a х Н Ох W Ф я з с -е ед 5 Z 5 Uto 3§ СХ = ® o 5 2 g j; g jg o S ю я n n cr>* о ai c4 o' o" “ _ d
иитпр ’ - О ТГ co 2 $ S 3 g °. bi о co co o' o' о' ю' см* о' о *
ы аогэияо HMSPpot 1 1 1 1 I . | S S 1 I 3 1 ьо <d =
=• О: 5 о GJ = — EMSBQOfc c 1 1 । i 1 1 S S 1 1 | о %
M0J.P130 200 - икание
пекулярное число минералов 3 ~ ; — 'O!SXOM « 1 1 1 Й 00 | | 1 I I s
*0!SXo5w 161 I 161 1еболыи
r0!SX0B3 s 1 1 1 1 I 1 S 1 | 1 Й
sOISX X'O’lVXOtO ZO!SX X O'ajXoB0 s 1 s 1 1 1 1 Й I I | о 04 ' IcnIJ IcjI 1 I g
х , r гО!1Х X'O'IVXOBO — ч 1 ” « 1 1 1 1 3 1 II
„ , 'OJSfrX cO1IVXo'bn -1*111115*1 5
X X 3 га X - га О сь 3" С. г* Е 86 S Ду 3 6 к ± = ё Ь CJ Е О о о Е О s
S ? S §§ 2 5 S “ ® °. = Й CM CO CO О o' d cd о? Q О ®
1чгэияо oo^opoooQo^ f T |
для получения литья мономинерального состава по пи-
роксену. Предварительно приводят содержание окис-
лов в базальте к 100%, затем производят расчет со-
гласно указанной методике. Как видно из полученных
данных (табл. 5), общая сумма добавки СаО и MgO
составляет 9,63%, что соответствует 11,3% доломита
(из расчета содержания в обожженном доломите 85%
СаО и MgO). Следовательно, для получения каменного
литья мономинерального по пироксену состава необхо-
димо к базальту Берестовецкого месторождения до-
бавлять 11,3% обожженного доломита.
Указанное количество доломита несколько завыше-
но. На Донецком комбинате камнелитых и керамиче-
ских изделий в базальт Берестовецкого месторождения
добавляют всего лишь 6—8% доломита. Эксперименты
показали, что повышенное содержание доломита при-
водит к росту степени закристаллизованности до 9% и
более, что отрицательно сказывается на механическую
прочность отливок.
Выше описан пироксеновый модуль, предложенный
Б. X. Ханом в качестве нового критерия кислотно-основ-
ных свойств петрургического сырья и расплава. По дан-
ным химического анализа и формуле (3) Б. X. Хан рас-
считал кислотно-основные характеристики некоторых
горных пород и шлака (табл. 6).
Таблица 6
Кислотно-основные характеристики некоторых сырьевых материалов
Сырье ‘ Ir j I upy
Базальт берестовецкий . Горнблендит уральский . Доменный шлак .... 0,473 0,683 0,869 0,852 0,664 0,661 0.140 ! 0.712 I 2,665 0.156 0.5081 3.345 0.116 |0.545 3.580
Анализ известных петрургических расплавов пока-
зал, что при А4ру^3 получается литье мономинерал ь-
ное по пироксену. При Afpv <3 наряду с пироксеном
частично выделяются плагиоклазы, при Л!ру>3 наряду
с пироксеном выделяется оливин, снижающий химиче-
скую стойкость отливок.
Согласно данным табл. 6 для получения качествен-
ных отливок к базальту необходимо добавлять доломит
87
I
„ли шлак, а к горнблендиту — кварцевый песок. Поль-
зуясь пироксеновым модулем, можно аналитически рас-
считать шихту для получения мономинерального литья
по пироксену. Практически в петрургии пользуются
расплавами более кислыми, поэтому содержание оста-
точного стекла достигает 10—15%. В связи с этим при
расчете шихты предусматривается получение 7Иру <3.
При расчете шихты из относительно кислого сырья и до-
ломита пользуются уравнением.
= 56.0^,40^^ ( _ )
ЭМ (Кео+ ^0) 1 РУ РУЛ
где Д—количество доломита, %;
7ИРу и Мпу—пироксеновые модули расплава и ис-
ходной породы;
/^4+ = S/^4< — 2 + — сумма ионных ко-
личеств четырехвалентных катионов
исходной породы, доли единицы;
/ССаО, —содержание окислов в доломите, до-
ли единицы.
В качестве примера рассмотрим расчет 100 кг ших-
ты из базальта Берестовецкого месторождения и доло-
мита:
Д = 56,08-0,52+ 40,Э2-0,32 , 0 712 (2,8 — 2,665) = 5,1%.
96,4-0,84
На Донецком комбинате камнелитых и керамиче-
ских изделий, где применяется указанное сырье, в со-
став шихты вводят 6—8% доломита, что близко к рас-
четному количеству.
При применении в качестве петрургического сырья
материалов с повышенной основностью добавку песка
или глины рассчитывают по уравнению
60 м" — Мр
77 . /а РУ РУ
KSiO2 * Л4₽у - 2
(22)
где П—количество песка или глины, %;
Ksiot —содержание двуокиси кремния в добавляе-
мом материале, доли единицы.
88
Применительно к шихте па основе горнблендита рас-
четная потребность песка составляет:
П = 0,508--У~2А . 21 %
J Шихту из двух многокомпонентных сырьевых мате-
! риалов с различными Мру рассчитывают по урав-
j нению
' х'=100 —________(23,
; (^ру 2) ^+4-) [1ц2~ 1 р2—)
i где х'—количество более основной составля-
! ющей в шихте, %;
Л1Ру — заданный пироксеновый модуль ра-
сплава;
/' , —суммы ионных количеств более ос-
i д2+ ’ /?4+ J
’ новной составляющей;
/“’4_р —суммы ионных количеств второй со-
ставляющей.
| Согласно уравнению (23) при расчете шихты на ос-
нове базальта и горнблендита потребность в последнем
составляет:
! горнблендит =
i =100_________(2,8-2)0,712-0,473 =
| (2,8 — 2) (0,712 — 0,508) 4-(0,683 — 0,473) “ *'
1 По аналогичному расчету шихты на основе базальта
i и доменного шлака процент последнего составляет:
i Шлак = 100(2,8 — 2)0,712 — 0,473 = %
(2,8 — 2) (0,712 —0,545)4- (0,869 —0,4ГЗ)
В реальных условиях при расчете шихтовых доба-
вок следует учитывать обогащение расплава окислами
элементов за счет футеровки плавильной печи.
ПЕТРУРГИЧЕСКОЕ СЫРЬЕ ИЗ ГОРНЫХ ПОРОД
Горные породы по происхождению классифицируют-
ся на изверженные, пли магматические, осадочные и ви-
доизмененные, или метаморфические. В земной коре
I 89
толщиной 16 20 к.и содержится 95% изверженных по-
род, 4% глинистых отложений, 0,75% песчаных образо-
ваний, 0,25% известняков. Поверхностный слой земли
содержит 75% осадочных пород и 25% изверженных.
Л4агматические породы образовались в результате
охлаждения расплавленных алюмосиликатных масс,
изверженных из глубин Земли. Застывшая магма внут-
ри Земли образовала магматические глубинные породы.
Вследствие больших давлений и медленного снижения
температуры глубинные породы приобрели прочную
полнокристаллическую структуру. Типичным предста-
вителем магматических глубинных пород является
гранит.
В излившихся породах структура неоднородная. Ос-
новная масса пород имеет мелкокристаллическую,
скрытокристаллическую или же стекловидную структу-
ру с кристаллическими включениями. Последний тип
структур, называемый порфировидным, снижает проч-
ность пород. Из излившихся пород для целей петрургии
наибольший интерес представляют базальты и диабаз.
Магматические породы содержат ряд минералов:
окись кремния, полевые шпаты, слюды, железомагнези-
альные силикаты др.
Окись кремния в кристаллической форме — стойкий
окисел, однако при высоких температурах вместе с ос-
нованиями CaO, MgO, Na2O, К2О и другими окислами
образует силикаты. В самостоятельном виде SiO2 имеет
кристаллизационные модификации: до 870° С окись
кремния представлена кварцем, до 1470° С — тридими-
том и до 1713° С — кристобалитом. В свою очередь эти
разновидности имеют модификации второго порядка
а-, р- и у-формы. Окись кремния плавится при 1713° С.
Характерно, что при модификационных превраще-
ниях кварца происходят объемные изменения, что при-
водит к возникновению значительных напряжений. Из
модификационных превращений особо опасен переход
^-модификации кварца в a-модификацию при темпера-
туре 575° С. Это обстоятельство следует учитывать при
определении режима отжига камнелитых изделий, име-
ющих в своем минеральном составе свободный кварц.
Полевые шпаты наиболее распространены в магмати-
ческих породах. В основном представлены они ортокла-
зом К2О Л120з • 6SiO2 и плагиоклазами в виде мннера-
90
лов: альбита \'а2О • Л120з-6SiO2, анорита СаО‘А1гО»Х
X2SiO2 и др. Плавление полевых шпатов протекает в ин-
тервале температур 1300 1500е С.
Слюды представлены изоморфной смесью силикатов,
содержащих окислы кремния, алюминия, калия, натрия,
лития и воду. Структура слюд листоватая. К числу раз-
новидностей слюд относятся мусковит и биотит. Муско-
вит К, Ah(AIS13O10) (ОН)2 химически стоек, тугоплавок,
биотит—магнезиально-железистая слюда — менее туго-
плавок, чем мусковит.
Железомагнезиальные силикаты представлены в ос-
новном минералами — амфиболами, пироксенами и оли-
винами. Общая их формула KSiO». где К—Mg. Са,
Fe2+, Fe3+, Al. В амфиболах, кроме перечисленных эле-
ментов, имеются вода и летучие — F, С1. Эти минералы,
за исключением оливина, достаточно прочные и относи-
тельно легкоплавкие.
В земной коре из магматических пород содержатся
следующие минералы: полевой шпат (57,9% (.окиськрем-
ния (12,6%), слюда (3,6%), железистомагнезиальные си-
ликаты (3,6%). Остальная часть минералов приходится
на осадочные породы.
По химическому составу магма делится на кислую и
основную. Кислая магма характеризуется наличием сво-
бодного кварца, что указывает на отсутствие моносили-
катов и ненасыщенных силикатов. Кроме того, кислой
магме свойственно малое содержание окислов железа,
магния борных и фтористых соединении. Типичным пред-
ставителем кислой магмы является гранят, имеющий от-
носительно высокую тугоплавкость и повышенную вяз-
кость расплава. Основная магма характерна недостат-
ком окиси кремния, в связи с этим некоторые силикаты
недонасыщены. Эта магма содержит до 50Jc окиси крем-
ния и значительный процент окислов алюминия, магния,
железа и щелочных окислов. Наиболее типичным пред-
ставителем основной магмы является базальт.
В зависимости от содержания окиси кремния магма-
тические породы делятся на следующие группы:
а) ультракислые, или гннерацнднты. сильно пересы-
щенные окисью кремния (свыше 75%). представлены они
апатитом, кварцевым кератофиром и др.;
б) кислые, пли ацнднты. пересыщенные окисью крем-
ния (от 75 до 65%). представлены гранодиоритом и др.:
91
в) нейтральные, или мезиты, с содержанием окиси
кремния от 65 до 52% представлены диоритом, андези-
том и др.;
г) основные, или базиты, недонасыщенные окисью
кремния (от 52 до 40%), представлены базальтами, диа-
базами, габбро и др.;
д) ультраосновные, или гипобазиты, сильно недона-
сыщенные окисью кремния с содержанием от 40 до 24%,
представлены пикритом, горнблендитом, пироксенитами
и др.
Следует отметить, что переход пород из одной груп-
пы в другую не имеет четких границ.
Из числа магматических пород для петрургических
целей применяют главным образом базальты, диабазы,
горнблендит, андезиты и пироксепиты.
Осадочные породы образуются из магматических под
воздействием ряда внешних факторов. Породы магмати-
ческого происхождения, находясь на поверхности земли,
подвергаются воздействию переменных температур, вла-
ги, различных химических реагентов и космического воз-
действия, при этом разрушаются и изменяются, превра-
щаясь в щебень, песок, глину, гипс и др. Потоками во-
ды, нередко с примесями углекислоты, льдами и ветрами
продукты разрушения пород переносятся на новые места
и отлагаются. Одновременно растворенные в воде веще-
ства по мере пересыщения или испарения воды выпада-
ют и также отлагаются.
По условиям образования осадочные породы класси-
фицируются на механические, химические и органо-
генные.
Механические осадочные породы состоят в основном
из обломков горных пород. Рыхлые породы этой группы
представлены песками и глинами, а сцементированные
породы — конгломератами, песчанками.
Химические осадочные породы являются продуктом
осаждения минеральных составляющих из водных и дру-
гих растворов. К числу представителей этой группы по-
род относится гипс, карбонаты типа известняков, галло-
пдпые соли, сульфаты.
Органогенные осадочные породы образуются из ос-
татков животного и растительного мира. К данной груп-
пе пород относятся мел, большинство известняков, до-
ломиты.
92
Осадочные сцементированные породи
чем изверженные, имеют повышенную пористость и не-
однородную структуру, некоторые осадочные породы рас-
творяются в воде.
Из числа осадочных пород в петрургической практике
нашли применение кварцевые пески, доломиты, мел, из-
весть, легкоплавкие глины и др.
Метаморфические породы образуются из извержен-
ных и осадочных пород под воздействием высоких тем-
ператур и давлений. Образование метаморфических по-
род протекает двумя методами:
1) региональным, когда породы подвергаются воздей-
ствию давления и температуры при погружении их глу-
боко в землю во время горнообразования. В этом случае
породы не контактируют с магмой. Образуемые породы
представлены кристаллическими сланцами;
2) контактным, когда изливаемая магма контактиру-
ет с окружающими породами и видоизменяет их. В этом
случае решающим фактором, воздействующим на поро-
ды, является температура, а не давление.
Из числа пород метаморфического происхождения
для целей петрургии представляют интерес амфиболиты,
глинистые сланцы, мрамор и др.
Среди многочисленных основных горных пород в ка-
честве петрургического сырья наибольший интерес пред-
ставляют следующие.
Базальты относятся к эффузивным основным по-
родам. Представлены они лавами вулканов современных,
а также третичного и мелового периодов. Залегают ба-
зальты в виде лав и мощных потоков. Они имеют столб-
чатую отдельность, окраску — от светло-серой до черной.
Структура базальтов разнообразна — от полнокри-
сталлической крупнозернистой до стекловидной. Б боль-
шинстве случаев базальты представляют собой свежие
породы с небольшим поверхностным слоем выветривания
светлого цвета. Случаи глубокого выветривания породы
редкие.
Минералогический состав базальтов характерен оби-
лием плагиоклаза типа лабрадора. Кроме того, имеются
авгит, магнетит и оливин, чаще всего в виде вкраплен-
ников. Второстепенные минералы представлены ортакла-
зом, нефелином и лейцитом. По хнмнчс'скому составу
базальты богаты окисью кремния (от 17 до 52ч).
93
в) нейтральные, или мезиты, с содержанием окиси
кремния от 65 до 52% представлены диоритом, андези-
том и др.;
г) основные, или базиты, недонасыщенные окисью
кремния (от 52 до 40%), представлены базальтами, диа-
базами, габбро и др.;
д) ультраосновные, или гипобазиты, сильно недона-
сыщенные окисью кремния с содержанием от 40 до 24%,
представлены пикритом, горнблендитом, пироксенитами
и др.
Следует отметить, что переход пород из одной груп-
пы в другую не имеет четких границ.
Из числа магматических пород для петрургических
целей применяют главным образом базальты, диабазы,
горнблендит, андезиты и пироксеииты.
Осадочные породы образуются из магматических под
воздействием ряда внешних факторов. Породы магмати-
ческого происхождения, находясь на поверхности земли,
подвергаются воздействию переменных температур, вла-
ги, различных химических реагентов и космического воз-
действия, при этом разрушаются и изменяются, превра-
щаясь в щебень, песок, глину, гипс и др. Потоками во-
ды, нередко с примесями углекислоты, льдами и ветрами
продукты разрушения пород переносятся на новые места
и отлагаются. Одновременно растворенные в воде веще-
ства по мере пересыщения или испарения воды выпада-
ют и также отлагаются.
По условиям образования осадочные породы класси-
фицируются на механические, химические и органо-
генные.
Механические осадочные породы состоят в основном
из обломков горных пород. Рыхлые породы этой группы
представлены песками и глинами, а сцементированные
породы — конгломератами, песчанками.
Химические осадочные породы являются продуктом
осаждения минеральных составляющих из водных и дру-
гих растворов. К числу представителей этой группы по-
род относится гипс, карбонаты типа известняков, галло-
идные соли, сульфаты.
Органогенные осадочные породы образуются из ос-
татков животного и растительного мира. К данной груп-
пе пород относятся мел, большинство известняков, до-
ломиты.
92
Осадочные сцементированные ттородй1 МЯЯЯРЯНЩ
чем изверженные, имеют повышенную пористость и не-
однородную структуру, некоторые осадочные породы рас-
творяются в воде.
Из числа осадочных пород в петрургической практике
нашли применение кварцевые пески, доломиты, мел, из-
весть, легкоплавкие глины и др.
Метаморфические породы образуются из извержен-
ных и осадочных пород под воздействием высоких тем-
ператур и давлений. Образование метаморфических по-
род протекает двумя методами:
1) региональным, когда породы подвергаются воздей-
ствию давления и температуры при погружении их глу-
боко в землю во время горнообразования. В этом случае
породы не контактируют с магмой. Образуемые породы
представлены кристаллическими сланцами;
2) контактным, когда изливаемая магма контактиру-
ет с окружающими породами и видоизменяет их. В этом
случае решающим фактором, воздействующим на поро-
ды, является температура, а не давление.
Из числа пород метаморфического происхождения
для целей петрургии представляют интерес амфиболиты,
глинистые сланцы, мрамор и др.
Среди многочисленных основных горных пород в ка-
честве петрургического сырья наибольший интерес пред-
ставляют следующие.
Базальты относятся к эффузивным основным по-
родам. Представлены они лавами вулканов современных,
а также третичного и мелового периодов. Залегают ба-
зальты в виде лав и мощных потоков. Они имеют столб-
чатую отдельность, окраску—от светло-серой дочерней.
Структура базальтов разнообразна — от полнокри-
сталлической крупнозернистой до стекловидной. В боль-
шинстве случаев базальты представляют собой свежие
породы с небольшим поверхностным слоем выветривания
светлого цвета. Случаи глубокого выветривания породы
редкие.
Минералогический состав базальтов характерен оби-
лием плагиоклаза типа лабрадора. Кроме того, имеются
авгит, магнетит и оливин, чаще всего в виде вкраплен-
ников. Второстепенные минералы представлены ортакла-
зом, нефелином и лейцитом. По химическому составу
базальты богаты окисью кремния <от 47 до 52е С
93
Химический состав
Породы и месторождения SiO2 TiO2 A IjjOg Fe2O,
Базальт: 1
средний состав по Дэ- 48,78 42,06 44,70 42,25 1,39 15,85 5,37
ЛИ французский .... Не опр. 1,00 15,99 11,92 6,40 8,24
немецкий чехословацкий . . 2,52 1,78 16,26 15,05 8,43 6,87
болгарский 44,34
берестовецкого место- рождения, УССР . 49,46 2,56 13,28 3,29
Волновахского место-
рождения, с. Ново- Троицкое, УССР 46,55 4,78 12,48 6,32
Волновахского место-
рождения, р. Камы- шевахи, УССР . . халаджский, АССР . района г. Камо, АССР калагеранский, АССР амасийский, АССР . 45,50 45,81 49,20 49,91 50,30 3,96 1,20 1,56 1,35 1,60 17,26 16,07 18,06 16,23 16,42 4,01 5,39 2,99 3,71 2,27 i
Трапп: 14,26 12,97 1,01 2,17 f
нижнеудинский. . . 48,12 47,80 48,75 1,79 1 82 i
тулунский братский 2,00 15,12 1,47 t
Андезито-базальт При- морья 55,20 1,03 17,40 2,30
Андезито - базальт - ка- лагер, АССР .... 50,30 1,03 16,16 3,14
Андезито-базальт айгер- гельский, АССР . . . Тефрито-базальт, Чим- 52,24 Не опр. 1,00 18,77 5,14 2,80
15,70
кентская обл., КазССР 45,40
Габро-порит, Восточно- Казахстанская обл. . 46,40 1,70 18,60 4,90
Тешенит Курсеби . . . 49,73 0,86 17,68 3,09
Пироксенит уральский 44—46,7 0,70 6,3-8,4 4,0—6,5
Данные [8; 17, с. 192; 59; 65] по химическому составу
наиболее известных базальтов приведены в табл. 7. Ба-
зальты французский, немецкий и чехословацкий более
основные и имеют повышенное содержание окислов маг-
ния и кальция, что позволяет получать камнелитые из-
делия без применения подтихтовочных материалов.
94
Таблица 7
базальтов, %
FeO MnO MgO CaO Na, О K,O Прочие | П.п.п.
6,34 0,29 6,03 8,91 ' 3,18 1,63 0.35 1 86
7,75 7,32 He To onp. же 10,15 8,47 11,08 ’ 10,45 ! 3.47 3,62 1.56 2,34 0,58 0.40 0’96 1.84 2.43 j 0.37
5,46 4,00 Л A » 5,49 11,92 9,70 i 9,95 ; 4,45 3,90 i I 1,92 1,22 1.09 0.50
10,70 0,18 6,41 9,80 ' ! i 2,44 0,38 0,86 0 64
7,62 0,20 7,23 4,35 3,62 1.12 1.03 | 4.7v
8,22 He onp. 3,63 8,20 4,16 1,22 0.64 1 3.20
4,55 To же 11,16 11,45 2,08 1.12 0.57 i 0,60
5,32 » 7,20 11,24 2,21 1.19 0.31 1 O."2
8,27 ». 6,93 9,30 1,80 1,50 0.13 ' 0.87
5,04 » 7,43 11,24 i 3,46 i 1 1,24 * 0.36 J 0.64
12,62 » » 7,76 9,68 2,27 0.62 I 0.09 j 1.78
12,46 » » 8,10 10,08 2,16 0.43 ! O.°9 I l.~2
12,24 » » 5,22 10,14 ! 2.36 i 0.72 i 0,01 j 1.97
6,97 4,10 7,57 2,48 1,59 : 0.58 p.-8
8,15 » 6,27 9,05 3,15 1.73 o,3o ! 0.72
2,60 » 5,03 9,36 I 3,34 о SQ 0.06 0.57
6,40 » 6,70 11,10 2,90 1 1.50 r 0.38 6.12
5,80 » » 8,20 8,50 2,80 i 1.00 i 0.20 1.90
5,59 » 6,83 9.64 2,66 I 1.68 < 0.98 : 1.22
3,0—1,0 11,8—14,9 18,7—19,7 0.40 | 0.20 i He onp. i 2—3
Чехословацкие базальты, применяемые на двух дей-
ствующих камнелитейных заводах, содержат до 50% ти-
танового авгита, 20% плагиоклазов. 15% нефелина н до
5% магнетита. Плавку этого базальта ведут при темпе-
ратуре 1300—1350° С. Получаемый расплав имеет высо-
кую кристаллизационную способность, поэтому термпче-
95
скую обработку изделий ведут при относительно низкой
температуре (800°С).
В Советском Союзе базальты широко распростране-
ны в Украинской ССР, па Кавказе, в Сибири, па Даль-
нем Востоке и Севере.
В Украинской ССР более качественные и известные
базальты залегают в Ровенской области, в бассейне реки
Горыни. Базальты этого месторождения выходят на
дневную поверхность у села Берестовец, в районе Яновой
Долины и других местах. Из этих базальтов наибольший
интерес для петрургии представляет берестовецкая ин-
трузивная залежь. Геологические запасы берестовецкого
базальта исчисляются 750 млн. т. Его разработка ведет-
ся открытым способом. Берестовецкий базальт по соста-
ву однороден, плотного сложения, от темно-серого цвета
до черного. Главные породообразующие минералы пред-
ставлены плагиоклазом в виде лабрадора (45%), мо-
ноклинным пироксеном в виде авгита (30%) и магнети-
том (8%). Немаловажным достоинством этого базальта
является постоянство его химического состава по всему
участку месторождения. В качестве основного сырья бе-
рестовецкий базальт применяют на Московском камне-
литейном заводе с 1939 г., на Донецком комбинате кам-
нелитых и керамических изделий с 1963 г., в камнелитей-
ных цехах Кривого Рога с 1969 г.
Основные физико-химические показатели базальта:
плотность 2,96 г/см2\ объемная масса 2,94 г/см2\ водопо-
глощение 0,19%; пористость 0,68%; потери при истира-
нии 0,03 г/см2-, термостойкость в теплосменах 11,6, усад-
ка практически отсутствует, химическая стойкость ниже
99% (в серной кислоте).
Перспективным петрургическим сырьем следует счи-
тать базальты Волновахского месторождения Донецкой
области, Украинской ССР. Залегают эти базальты в рай-
оне реки Мокрой Волновахи возле сел Ново-Троицкое,
Стыла и Большие Каракубы и в виде покровных обна-
жений выступают в балках Антон-Тарама, Василь-Тара-
ма и Камышевахи.
В других районах месторождения базальт представ-
лен в виде даек.
Базальт Волновахского месторождения имеет нес-
колько петрографических групп, при этом для целей пет-
рургии более приемлемы базальты лимбургитового типа.
96
Такой тип базальта содержит 10%
оливина, 10—15% плагиоклаза; 10—12% магнетита я до5
10% стекловидной фазы. Базальты этого месторождения
наряду с перечисленными минералами содержат ильме-
нит, пирит и др. Согласно данным табл. 7, волновахские
базальты более основные, чем средний базальт по Дэли.
Г. М. Коровниченко и Л. Л. Иванов [66] первые иссле-
довали волновахские базальты и рекомендовали их в ка-
честве петрургического сырья.
Затем в Лаборатории геологических наук АН УССР
под руководством И. С. Усенко [38, с. 42] также были ис-
следованы волновахские базальты и признаны годными
для целей петрургии.
Представляют интерес исследования волновахских
базальтов, выполненные в шестидесятых годах экспери-
ментально-исследовательской лабораторией Донецкого
комбината камнелитых и керамических изделий в содру-
жестве с Приазовской геолого-разведочной экспедицией
[59, 67].
Изучению были подвергнуты базальты перспектив-
ных участков месторождения — Антон-Тарама. Васи.ть-
Тарама и Камышевахского, при этом основное внимание
было уделено глубинным породам, менее выветренным
и имеющим относительно постоянный химический со-
став.
В результате экспериментальных работ и производст-
венных испытаний выяснено, что волновахские бззальты
пригодны для производства камнелитых изделий. Осо-
бый интерес представляют базальты Камышевахского
участка месторождения. Эти базальты плавятся при тем-
пературе 1350—1400° С, отливки кристаллизуются при
температуре 900—950° С в течение 6—10 лил. причем
без введения в шихту каких-либо модификаторов. Испы-
тание полученных образцов показало хорошие их техни-
ческие свойства. Коэффициент истирания в среднем со-
ставляет 0,03 г/с.м2, устойчивость в серной кислоте 99.6%.
Изучение базальтов Антон-Тарамского и Васнль-Та-
рамского участков месторождения дало в основном по-
ложительные результаты. Температура плавления этих
базальтов низкая, и расплав в большинстве случаев кри-
сталлизуется без введения модификаторов. Однако, как
показала проверка, базальты указанных участков в от-
дельных случаях химически неоднородны, кроме того
7—1058
97
содержат тугоплавкий минерал кварц. В силу этих
особенностей кристаллизационная способность распла-
вов переменная, и в ряде случаев приходилось вводить
в состав шихты окислы хрома или магния.
Геологическая разведка базальтов волновахского ме-
сторождения закончена и запасы утверждены. Базальты
волновахского месторождения являются перспективным
сырьем для камнелитейной промышленности Донбасса.
Только лишь отсутствие карьера на этом месторождении
задерживает внедрение базальта в камнелитейную про-
мышленность.
Хорошие результаты дало исследование андезптоба-
зальтов Закарпатской области, УССР [50]. Выяснено, что
наиболее качественную камнелитую продукцию дают
андезитобазальты месторождения участка Сельце.
Приемлемым пегрургическим сырьем оказались мно-
гие базальты Армянской ССР. Из числа этих базальтов
более изучены калагеранский и тахмахангельский. По
минеральному составу^ калагеранский базальт содержит
48,9% плагиоклазов, 22,7% оливина, 19,9% авгита и
8,5% рудных минералов. Тахмахангельский базальт име-
ет: 58,2% плагиоклазов, 23,1 % оливина, 16,6% авгита
п 2,1% рудных минералов. Эти базальты при всех сво-
их положительных свойствах все же имеют недостаточ-
ную кристаллизационную способность, поэтому нужда-
ются в подшихтовочных материалах. В процессе изуче-
ния этих базальтов1 в состав шихты вводили местные
магнезиальные породы типа серпентинита, доломита или
травертины в количестве от 10 до 20%. Это дало положи-
тельные результаты.
Достаточными техническими свойствами обладают
камнелитые изделия из казахстанских горных пород ти-
па базальтов [7, с. 192]. Габропориты Восточно-Казах-
станской области и тефритобазальты Чимкентской
области в подшихтовочных материалах, кроме 1 —1,5%
окиси хрома, не нуждаются. Минеральный состав этих по-
род также приемлем. Габропориты содержат плагиокла-
зы (лабрадор № 55), ромбические и моноклинные пиро-
ксены, оливин, роговую обманку и биотит. В габроба-
зальтах имеется моноклинный пироксен, плагиоклаз,
1 Акопян Р. В. Автореферат диссертации. Ереван, 1968.
98
оливин, биотит и др. Температура плавления габропори-
та 1300° С, тефритобазальта 1350° С.
Вполне приемлемым петрургическим сырьем являют-
ся сибирские траппы, по существу ничем не отличающие-
ся по химическому составу от обычных базальтов. Мине-
ральный состав нижнеудинского траппа слагается из
50,1% плагиоклазов, 24,1% авгита, 14,4% оливина и
11,4% рудных минералов. Положительные результаты
получены при изучении дальневосточных базальтов [68].
Диабазы также относятся к эффузивным магма-
тическим породам и происходят главным образом от под-
водного извержения магмы. Из-за обилия цветных со-
ставляющих цвет диабазов темно-серый с зеленоватым
оттенком. Диабазовые породы залегают в форме пото-
ков, жил и пластов; структура — плотная, полнокристал-
лическая.
По химическому составу по сравнению с базальтами
диабазы несколько кислее. Химический состав некоторых
исследованных диабазов, опробованных в петрургиче-
ском производстве, по известным данным [8, 60]. приве-
ден в табл. 8.
По минералогическому составу диабазы аналогичны
базальтам, с тон лишь разницей, что в диабазах посто-
янно присутствует хлоритовый минерал. Диабазы сло-
жены из основных минералов -- плагиоклазов, пироксе-
нов или амфиболов, хлоритов и второстепенных — аппа-
тита, оливина, магнетита, ильменита и др.
В нашей стране диабазовые месторождения широко
распространены в Карельской АССР, Украинской ССР,
па Урале и в Сибири, а также в республиках Кавказа.
Судя по материалам исследования и промышленного
испытания, более перспективными для петрургии явля-
ются диабазы Карельской АССР, Украинской ССР и
республик Кавказа.
Более обширно изучены онежские диабазы Карель-
ской АССР. Они относятся к группе иотническнх габро-
диабазов, характерны обильным содержанием железа;
по минеральному составу содержат: 48,4% плагиокла-
зов, 40,8% авгита, 8,3% рудных выделений. 2.5% микро-
пегматитов. Расплавы из чистого диабаза имеют относи-
тельно низкую кристаллизационную способность и повы-
шенную вязкость, поэтому нуждаются в подшихтовочных
добавках. До 1939 г. онежский диабаз переплавляли па
7
99
Химический состав диабазов, %
, П.п.п. I СО Ф О — 00 *- О О m с О О 04 0 <0 — 04 05 04 со —<’ -м" — СО о — — о о" СО
о $> СО 04 — О О ООО m 00 О о о сч m ф о о ФО m —* — — — о in о 04 О
о'м ОС Ш CD СО СО Ф О О О СО СО 04 со СО СО Ф CD | 04 —< — —< —04 О — ~ —
Na4O 1П О О СО ФО О О 04 Г- Ш Ф CD CD CD СП | 00 0104’— Tt-OJ —04 — —
СаО ООО——’ Ф m m CD О □0 СП — Ф Ф О Ь- —' 04 Ш ОО Ь- О CD СО -Г- 00 о О
MgO СП СП о со 04 Г- О mm m 00 СП Ш 04 ОС — Г— Г— СО —< Щ СО 00 ф СО О 04 ф CD 03
О е СО Ф СП СП 1 - 1 -. 1 II 1 ООО о
FeO СО Q ос СО Г- О m ф о Г'- Q tn m оо си о г- о о <D 04 m О Ш ООО 04 00 СП
Fe2O3 m 04 04 О Ф CD m m О О LQ Сэ m О 03 О Г— Г- rf ф ф СО СО Ф СО 04 СО 04 m 04
« О_ m оо m о со m то о cd со СО СЧ 00 Г— ф СО О т ф — т со г- сч т" г-' ф’ со" г-" 1 — — — — О
тюг — т г» — 04 04 т о ф 04 со о со ас г— О | | — 04 О СО — О’— 04.
о й 04 04 00 со сот о<о о — со со — со 04 о— т а О СП ао Q CD СП оо о т т -ф -ф т -ф -ф тт т
Породы и месторождения s -а о та . . . о- . - . . . snz . - о о 1— ь- а. о . . . . . о . ез . «к »s ф 2 & ~ •= •• Х§ - D- s (X 5 т ® о 2 g а ca — О =х = =5 а- 5 = я О bi 5^ a: _у 5 С с cl к sc с Ч j£ Л 5 ¥ га я о Я У £ бк g ь JJ.Q го л g < о го ц К = sa- s S- о w <u s roc.Fr ± о но as я с О : а. . я п У о я о о -Э- S Ч я=оси о о CU т с 3 р, я о 3 о з з.
Мм-
I
Ito
100
Московском камнелитейном заводе. В настоящее время
он служит сырьем цеха каменного литья Кондопожского
пегматитового завода.
Украинские диабазы представлены в основном ме-
сторождениями Ровенской области, Приднепровья и При-
азовья. Более изучены и опробованы диабазы месторож-
дений пос. Рокитного Ровенской области и окрестностей
г. Ромен и с. Исачек Приднепровья.
Рокитнянские диабазы по основным своим свойст-
вам почти аналогичны базальтам бассейна р. Горыни
Ровенской области. Диабазы Ровенской области пред-
ставлены в основном габродиабазами, содержащими
45—52% пироксенов, 40—45% плагиоклазов, до 3% оли-
вина и 2—4% рудных минералов.
Диабазы Приднепровья более кислые и по минераль-
ному составу подразделяются на оливиновые, пироксено-
вые и амфиболовые. Оливиновые диабазы сложены из
42—53% плагиоклазов, 28—40% пироксенов, 4—7% оли-
вина и прочих 2—10%. Пироксеновые диабазы содержат
больше пироксена, и амфиболы заменены рудными ми-
нералами. В амфиболитовых диабазах содержится 55—
78% роговой обманки, 15—40% плагиоклазов, 1,5—4,5
рудных минералов и прочих минералов до 14%. На базе
приднепровских диабазов около десяти лет работал цех
каменного литья Криворожского южного горно-обогати-
тельного комбината.
В Приазовье залегают в основном пироксеновые диа-
базы с небольшим содержанием магнетита, ильменита
и анортита. В этих диабазах имеется 40—60% плагио-
клазов, 35—53% пироксенов и 1,2—2,8% рудных мине-
ралов. Пироксеновые диабазы Приазовья (вслед за вол-
новахскими базальтами) могут служить сырьевой базой
для развития камнелитейного производства в Донбассе.
Практический интерес представляет габродиабаз
района Норильска. Это сырье успешно применяют для
получения изделий в цехе каменного литья Норильского
горно-металлургического комбината. Габродиабаз не
нуждается в подшихтовочных материалах, так как полу-
чаемый из него расплав обладает достаточными литье-
выми и кристаллизационными свойствами. Производи-
мые изделия по своим техническим свойствам близки к
базальтовым.
Для получения камнелитых изделий со спецнфически-
101
ми свойствами возможно использование изверженной
магматической породы-гранита. Институтом проблем
литья АН УССР и Криворожским горнорудным инсти-
тутом [33, с. 120; 69] изучены граниты района г. Кривого
Рога и Житомирской области. Выяснено, что указанные
граниты в сочетании с металлургическим шлаком и до-
ломитом могут быть использованы в петрургии для полу-
чения маложелезистого термостойкого каменного литья.
Амфиболиты относятся к метаморфическим ос-
новным горным породам. Крупные месторождения амфи-
болитов имеются в районе г. Тального Черкасской обла-
сти, УССР. Выполненными исследованиями [33, с. 130;
70] выяснено, что указанные амфиболиты являются хо-
рошим петрургическим сырьем.
Средний химический состав амфиболитов трех участ-
ков месторождений дан в табл. 9.
, Т а б л и ц а 9
Химический состав амфиболитов, %
Номер ( участка SiO2 TiO2 A12Os Fe,O3 FeO CaO MgO K2O-(- +Na2O Прочие E E c
I 48,00 2,75 11,39 2,31 15,08 9,64 6,58 2,78 0,75 0,68
2 45,04 1,81 13,03 5,43 13,21 11,10 6,82 2,15 0,59 0,82
3 47,32 0,74 12,69 3,82 11,65 12,74 7,81 2,16 0,41 0,66
Как видно из приведенных данных табл. 9, в отличие
от базальтов амфиболиты имеют несколько повышенное
содержание окислов кальция, магния и железа, что обе-
спечивает высокую кристаллизационную способность
расплава, в результате отпадает необходимость приме-
нять подшихтовочные материалы.
Запасы амфиболитов Черкасской области исчисляют-
ся десятками миллионов тонн. Главными породообразу-
ющими минералами амфиболитов являются: амфибол,
плагиоклаз, пироксен. Зачастую пироксен полностью за-
меняется амфиболом. Второстепенные минералы пред-
ставлены рудными — магнетитом, титаномагнетитом и
ильменитом, а также кварцем, сфеном, биотитом и рого-
вой обманкой.
В производственных условиях амфиболиты плавятся
при температуре 1350—1380° С. Фактически температура
102
их расплавления, определенная методом термического
анализа, соответственно участкам месторождения (см.
табл. 9) составляет: 1 — 1245° С; 2—1195° С; 3 —
1225° С. Из минералов амфиболитов первыми плавятся
амфиболы и пироксены. Получаемый расплав имеет хо-
рошие литьевые и кристаллизационные свойства. Отлив-
ки устойчивы абразивному истиранию, однако уступают
базальтовым изделиям по кислотостойкости, что объяс-
няется обильным содержанием магнетита.
Ряд горных пород магматического и осадочного про-
исхождения применяют для получения специальных ви-
дов каменного литья, а также в качестве шихтовых доба-
вок к базальтам, шлакам и другим видам сырья. К числу
таких пород можно отнести следующие:
Горнблендит — интрузивная магматическая уль-
траосновная порода. Наибольший практический интерес
представляют горнблендит в виде отходов обогащения
железных руд Первоуральского месторождения Сверд-
ловской области. Химический состав указанного горн-
блендита следующий [26]: 35,0—41,0% SiO2; 13,5—
16,5% А12О3; 7,0—14,0% Fe2O3; 4,3—7,0% FeO; 9,0—
13,3% CaO; 9,0—14,3% MgO; 1,0—2,0% TiO2; до 2,0%
Na2O + K2O. Из минералов горнблендит содержит до
55% роговой обманки и незначительное количество по-
левых шпатов, оливина и др.
В качестве основного сырьевого материала горнблен-
дит применяли на Московском камнелитейном заводе во
время Великой Отечественной войны, а в настоящее вре-
мя применяют в цехе каменного литья при Первоураль-
ском заводе горного оборудования. Учитывая высокую
основность этого сырья, в состав шихты вводят кварце-
вый песок или легкоплавкую глину в сочетании с хро-
мистым железняком.
Горнблендит в чистом виде плавится при темпера-
туре 1250 —1300° С. Получаемый расплав имеет высокие
литьевые и кристаллизационные свойства. Изделия об-
ладают удовлетворительными механическими свойства-
ми, однако химическая стойкость их недостаточна.
Как подшихтовочный материал к базальту горнблен-
дит применяют на Московском камнелитейном заводе и
в цехе каменного литья Криворожского южного горно-
обогатительного комбината.
Кварцевые пески относятся к обломочным оса-
103
дочным породам. Применяют их в качестве основного
сырьевого материала при производстве светлокаменного
литья, а также в виде подшихтовочного материала в со-
четании с ультраосновными породами, например с горн-
блендитом. В ряде случаев кварцевый песок вводят
в шихту при переплавке металлургических шлаков.
Кварцевые пески также необходимы для изготовле-
ния песочноглинистых форм, применяемых для отливки
изделий.
В настоящее время в камнелитейном производстве
в основном используют пески Люберецкого месторожде-
ния Московской области, Авдеевского месторождения
Донецкой области и Урала. Химический состав перечи-
сленных песков приведен в табл. 10.
Таблица 10
Химический состав песков, %
Пески SiO2 А12Оа f FeO+ +Fe2O, CaO MgO TiO2 Na2O-J- + K2O E E C
Уральские . 97,0— 98,10 0,64— 1,10 0,56— 0,98 0, io- о. 14 0,17— 0,30 — 0,58 0,36
Люберецкие 99,27 0,34 0,02— 0,2 0,05 0,02 0,03 — 0,14
Авдеевские 97,8— 99,4 0,27 0,06— 0,13 0,28— 0,76 0,04— 0,14 — 0,32 0,28
В зависимости от содержания окиси кремния кварце-
вые пески подразделяют на четыре класса. При произ-
водстве светлокаменного литья применимы кварцевые
пески второго класса, содержащие не менее 96% окиси
кремния и не более 1 % окислов железа. Для получения
технического каменного литья темных окрасок пригодны
кварцевые пески любого класса, в том числе четвертого,
содержащие более 90% окиси кремпия.
Доломит представляет собой горную породу оса-
дочного происхождения, в чистом виде — это минерал,
состоящий из 54% СаСО3 и 46% MgCO3. На ряде камне-
литейных предприятий доломит вводят в шихту для обо-
гащения расплава окислами магния и кальция с целью
повышения его литьевых и кристаллизационных свойств.
В камнелитейном производстве в основном применя-
ют доломиты Свердловской и Московской областей
104
(осугский, щелкипский). Химический состав этих доло-
митов приведен в табл.11.
На Донецком комбинате камнелитых и керамических
изделий в качестве подшихтовочного материала к ба-
зальту применяют обожженный порошкообразный доло-
мит, являющийся отходом Никитовского доломитового
комбината Донецкой области. Этот доломит содержит:
46—50% СаО; 28—30% MgO; 8—10% SiO2; 2,7—4,0%
А12О3; 1,6—1,9% Fe2O3; п. п. п. 7,9%.
При производстве светлокаменного литья во избежа-
ние его окрашивания в зеленоватый цвет применяют до-
ломит, содержащий не более 1 % окислов железа.
Таблица 11
Химический состав доломитов, %
Доломиты СаО Mg О SiOa А12О» Fe2O, П.п.п.
Эсугский . Щелкипский 30,04 30,04 20,22 20,20 2,45 2,50 0,20 0,80 1,17 46,0 46.0
Глины являются видоизмененными продуктами вы-
ветренных горных пород. В выветренных горных породах
под воздействием воды и углекислоты протекает хими-
ческое разложение содержащегося в них полевого шпа-
та. Образующийся при этом минерал каолинит
А12 О3 • 2SiO2 • 2Н2О с остальными продуктами выветри-
вания горных пород (кварцем, слюдой, железистыми ми-
нералами) образует смесь, называемую глиной. В зави-
симости от содержания железа глина окрашена в жел-
тый, красный или бурый цвет. Безжелезистые глины на-
зываются каолином.
В чистом виде глины огнеупорны и плавятся при вы-
соких температурах; каолинит, например, плавится при
температуре 1780° С. Наличие железистых и других при-
месей снижает температуру плавления.
В качестве петрургического сырья обстоятельно ис-
следованы спондиловые глины Киевской области [38,
с. 128]. Спондиловые глины являются продуктом отложе-
ния глубоководного моря. Физически глины представля-
ют собой однородную породу, состоящую из тонкодис-
персных частиц. Пласт глины месторождения по геоло-
105
гическому разрезу имеет закономерный химический
состав, поэтому при разработке отдельных слоев может
быть достигнут устойчивый химический состав. Целиком
по месторождению спондиловые глины имеют перемен-
ный состав: 33—68% SiO2; 5—13%А12О3; 3—5% FeO +
4 Fe2O3; 10 30% CaO; 0,6—1,5% MgO; 1—3% K2O +
т\'а2О. По минералогическому составу глина содержит
каолинит, зерна кварца, кальцит, известково-песчани-
стые комочки, кроме того, в виде примесей имеются ра-
ковинки микроорганизмов.
Для получения камнелитых изделий на основе спон-
диловых глин выработана шихта состава. 70—75% гли-
ны, 8—10% доломита, 10 12% магнезита каустического,
I—6% железного сурика и 1—2% плавикового шпата.
Такая шихта содержит 48-52% SiO2, 6—8% А12О3,
15—20% СаО, 14—18% MgO и 8—10% окислов железа.
Плавку шихты ведут при температуре 1380—1420° С,
хотя сама спондиловая глина плавится при температуре
1250° С. Расплав разливают при- температуре 1280—
1300° С в предварительно нагретые до 600—700° С песоч-
но-глинистые формы.
Кристаллизацию отливок производят при температу-
ре 950—1000° С в течение 1.5—2,0 ч в зависимости от их
массы; обжиг в температурном интервале от 700 до 50° С
в течение 40 48 ч.
При производстве изделий из расплава на основе
спондиловых глин имеются трудности, так как темпера-
турный интервал между кристаллизацией и размягче-
нием затвердевшей отливки составляет всего лишь около
50 град.
Изделия оптимального состава содержат 50,7% SiO2,
7.4% А12О3, 9,7% FeO + Fe2O3, 0,4% TiO2, 16,3% СаО,
14,0% MgO, 1,2% Na2O4-K2O. Предел прочности при
сжатии достигает 1500—2000 кПсм2, предел прочности
при растяжении 150—200 кГ/см2, по термостойкости
выдерживает температурный перепад на воздухе с 1000
до 20° С.
При решении вопроса о практическом применении
спондиловых глин в качестве петрургического сырья сле-
дует учитывать относительное непостоянство их химиче-
ского состава, многокомпонентность шихты, короткий ли-
тейный интервал формования, а также невысокую устой-
чивость воздействию агрессивных сред.
106
Несмотря на указанные недостатки, применение
спондиловых глин в качестве петрургического сырья воз-
можно в районах страны, отдаленных от сырьевых ма-
териалов типа базальтов и диабазов. Широкие возмож-
ности по использованию огнеупорных глин возникают
в связи с созданием нового материала — каменно-кера-
мического (о нем изложено ниже).
Известняки представляют собой осадочные по-
роды, в основном органогенного происхождения, а также
химического. Образовались они из скелетных остатков
растительного и животного мира, населявших моря. Из-
вестняки состоят в основном из углекислого кальция. По
структуре известняки бывают кристаллические, земли-
стые и мелоподобные. Представителем кристаллических
известняков служит мрамор являющийся метаморфи-
ческой разновидностью известняков. Землистая разно-
видность известняков представлена мелом.
По химическому составу известняки содержат: 53,9%
СаО, 2,0% SiO2, 0,8% А12О3, 0,1% Fe2O3, 0,1% MgO,0,9%
SO3, и. п. и. 42,3. Известняки в натуральном виде (мел и
мрамор) широко распространены на Украине, Урале,
Кавказе и в других районах.
Мел и отходы мрамора применяют в качестве вспомо-
гательного сырья при производстве светлокаменного
литья на Московском камнеобрабатывающем комбинате.
Мел не должен содержать посторонней примеси.
Бокситы используют для получения плавленых ли-
тых огнеупоров типа муллитов. Технический боксит
А12О3-2Н2О содержит ряд примесей в виде окислов же-
леза, кремния и др. Химический состав железистого бок-
сита Тихвинского месторождения следующий: 55% А120з,
20% Fe2O3, 15% SiO2. Химически чистый боксит, из ко-
торого получают металлический алюминий, содержит
74% А12О3.
Для получения муллита бокситы плавят в электро-
печах при температуре до 2000° С. Кристаллизация мул-
литовых блоков протекает непосредственно в теплоизо-
лированных формах, без помощи термических печей.
ПЕТРУРГИЧЕСКОЕ СЫРЬЕ ИЗ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ
Металлургические шлаки. Металлургиче-
ская промышленность наряду с производством черных и
цветных металлов в виде отходов выдает шлаки. По
107
составу металлургические шлаки представляют Собой
комплекс синтетических силикатных минералов, поэто-
му многие из них можно сравнивать с изверженными
горными породами и применять в качестве петрургиче-
ского сырья.
В ряде капиталистических стран шлаковые расплавы
полностью перерабатывают. В нашей стране производят
более 600 млн. т металлургических шлаков в год, однако
используют в народном хозяйстве менее половины,
остальная же часть идет в отвалы, что наносит значи-
тельный ущерб народному хозяйству.
Для производства каменного литья более пригод-
ны шлаки доменные и частично — цветной промышлен-
ности.
Из доменного шлака в основном получают гранули-
рованный материал, применяемый для получения цемен-
тов. Одновременно из шлака изготавливают пемзу, слу-
жащую наполнителем в бетонах.
В последние десятилетия из доменного шлака стали
отливать различные технические и строительные изделия
и щебенку, а также изготавливать минеральную вату.
Методом литья из шлака производят крупноразмерные
плиты для покрытий дорог, полов промышленных поме-
щений, взлетно-посадочных полос аэродромов. Кроме
того, из шлака получают литые износоустойчивые изде-
лия взамен металлических.
Состав и свойства доменного шлака зависят от ха-
рактеристики переплавляемого концентрата и теплового
режима ведения плавки. Практически при выплавке оп-
ределенного типа чугуна из концентрата руд постоянно-
го месторождения содержание в шлаках ведущих окис-
лов (SiO2, А120з, СаО и MgO) колеблется в небольших
пределах. Более существенны колебания в содержании
окислов Fe2O3> MnO, SO3 и др., однако их доля в общей
массе шлака незначительна.
Химический состав некоторых шлаков доменного про-
изводства и цветной промышленности, исследованных в
качестве петрургического сырья, приведены в табл. 12.
Доменные шлаки Юга страны более основные, чем
уральские, поэтому нуждаются в подшихтовочных мате-
риалах. Основные доменные шлаки Юга характеризу-
ются повышенным содержанием СаО и недостатком MgO
и А12О3. Поэтому для их использования в петрургиче-
108
<: [ в п и 1 Прочие । О 1 112”- ° ° ' л ж
Табл МпО 1’0 8 о ”2 0 9'2 0*о 1 У—9*Г го 9*1
О'" АО* О * св MgO 5,3 1,1—3,4 8,8 0,9- 1,9 2.5- -1,0 1,0- 2,0 1.1 1 .8 0,8 1 11 ,7 20 21
ргических шл СаО О О -т — • сч о ~ Q0 О) -г ’Г О ~ — ГУ О 1 LO | \ о ZZ кГ СО ОО СО О О Т — — ~ со* аГ lo
состав некоторых металлу О н- о ф и- 00 5- z? - х - - со "7 со Ч ~ -Г - - - ° О ° Ю 4* СЧ СО — О — г» СЧ ООО о"
о « =4 о е- - щ сч СС — О — — ох — ~~ Ю 1 0О 1 О оч —~ - от - t- _ - - х_ 1 -- ~ 2 Г х -=
Химический о й «3 X — S Г-- ОТ* X ОТ х О to -ФСОССХГ-ХОТ X T О 1 «5 1 СО О О О СО — О F- СО со со со —
ских целях необходимо вводить в шихту кислые добав-
ки. К тому /ке доменные шлаки вообще и южные в осо-
бенности, склонны к силикатному распаду из-за присут-
ствия псевдоволластонита 2CaO-SiO2 неустойчивой
формы. В южных шлаках в процессе кристаллизации
образуется минерал псевдоволластонит. При охлаждении
литья указанный минерал переходит в низкотемператур-
ную модификацию у 2CaO-SiO2, которая характеризу-
ется увеличением плотности материала на 12%. Возни-
кающие за счет изменения плотности напряжения вызы-
вают разрушение шлака с переходом его в
порошкообразное состояние.
Такой процесс получил название силикатного распа-
да. Явление силикатного распада неизбежно в основ-
ных шлаках, содержащих не менее 40% окиси кальция.
Для использования основных южных доменных шла-
ков в качестве петрургического сырья их необходимо
стабилизировать. Наиболее эффективными стабилизато-
рами являются: кварцевый песок, каолин, глина, магне-
зит. За счет этих добавок расплав обогащается окисла-
ми кремния, алюминия и магния, которые связывают
окись кальция и тем самым сокращают объем выделе-
ния 2CaO-SiO2. Экспериментально доказана возмож-
ность стабилизации шлаков фосфорным ангидридом.
Введение в расплав десятых долей процента фосфорного
ангидрида препятствует переходу 2CaO-SiO2 в низко-
температурную модификацию.
Практика получения камнелитых изделий показала,
что уральские доменные шлаки кислые, они не подвер-
жены силикатному распаду и поэтому не нуждаются в
шихтовых добавках. Чаще всего камнелитые изделия
получают из натуральных огненно-жидких кислых шла-
ков без затраты труда и топлива на вторичное расплав-
ление.
Закристаллизованные шлаки содержат минералы
мелилит, состоящий из геленита 2СаО А12О3-SiO2 и окер-
манита 2CaO-MgO-2SiO2. Кроме того, в них сохраняется
до 20% стекловидной фазы.
На Урале из доменных шлаков отливают разнообраз-
ные изделия, предназначенные для защиты оборудова-
ния от абразивного износа и коррозии. В натуральном
виде без переплавки'кислотоупорными свойствами обла-
дают ферромолибденовые шлаки Челябинского метал-
110
лургического комбината. Как показано выше, для полу-
чения камнелитых изделий доменные шлаки добавляют
к гранитам. Кроме того, доменные шлаки нашли успеш-
ное применение в области производства шлакоситаллов.
Показательны примеры эффективного использования
шлаков цветной промышленности для получения камне-
литых изделий.
На Балхашском медеплавильном комбинате для соб-
ственных нужд получают камнелитые изделия из шлака
в сочетании с местным коунрадским диабазом. Закри-
сталлизованные медные шлаки без каких-либо добавок
содержат минералы: пироксен, мелилит, магнетит, ано-
рит, кварц и др.
На экспериментальной установке Горно-металлурги-
ческого института Армянской ССР освоено получение
фасонного литья, в том числе труб из шлаков цветных
металлов Алавердинского металлургического завода.
В экспериментальном порядке освоено получение кам-
нелитых изделий из медно-никелевых шлаков комбина-
та «Североникель». Методом отливки в разъемные ме-
таллические формы на комбинате освоено получение
плит, секторов желобов, бордюрных камней и других из-
делий.
Представляют интерес шлаки от производства фос-
фата [17, с. 9]. При электротермическом способе произ-
водства фосфата до 90% сырья уходит в шлаки. По
составу шлаки фосфорного производства характерны на-
личием ценных компонентов — фосфора и фтора. В шла-
ке содержатся следующие окислы: 41.3% SiO-ц 41.7%
СаО; 4,4% CaF2; 4,0% MgO; 3,8% Р,О5; 2.6% Ха,О;
0,9% А12О3; 0,6% К2О; 0,25% МпО; 0.2% Fe2O3. В дан-
ном случае повышенное содержание окиси кальция —
нормальное явление, так как наличие пятиокиси фосфора
обеспечивает стабилизацию шлака. Присутствие в шла-
ке фтористого кальция понижает его точку плавления,
снижает вязкость расплава и повышает его кристалли-
зационную способность. Отливки из шлака имеют
равномерную тонкозернистую структуру с размером кри-
сталлических зерен от 20 до 40 .чк.и. Ведущая минера-
'логическая фаза представлена волластонитом. Получае-
мые из шлака камнелитые изделия обладают высокими
физико-механическими свойствами, однако они имеют
низкую химическую стойкость.
Ill
Широкое использование металлургических шлаков и
шлаков фосфорного производства для получения камен-
ного литья является важной задачей петрургии.
Топливные шлаки (золы) являются продуктом
сжигания пылеобразных углей на электростанциях. Име-
ющиеся в топливе минеральные вещества при темпера-
туре в топках котлов 1500—1600° С плавятся и в виде
вязкого расплава попадают в подтопочные емкости, где
подвергаются грануляции.
В качестве сырьевых материалов для производства
каменного литья и кислотоупорного порошка сотрудники
исследовательской лаборатории Донецкого комбината
камнелитых и керамических изделий изучили топливные
золы ряда электростанций Донбасса [56, 57] и Урала.
Средние данные по химическому составу некоторых
топливных зол приведены в табл. 13.
Таблица 13
Химический состав топливных зол, %
Золы электростан- ций SiO2 А]2О3 FeO-h Ц-РезОз СаО MgO Про- чие П.п.п.
Мироновской . . 54,2 23,1 13,6 3,7 2,7 1.5 1,2
Кураховской. . . 45,8 26,7 18,3 3,0 1,5 0,7 До 5
Ясиновской . . . 42,8 24,5 17,3 2,2 1.0 2,0 До 15
Челябинской. . . 49—55 26—29 11—14 3—6 3—4 — 4—5
Во всех указанных золах наблюдаются колебания в
содержании отдельных окислов, что объясняется приме-
нением углей различных шахт.
Из исследованных топливных зол электростанций
Донбасса наиболее приемлемой для использования в ка-
честве петрургического сырья оказалась зола Миронов-
ской электростанции. Эта зола слагается из плотных тем-
но-серых остеклованных фракций размером от 0,5 до
100 мм и плотностью 2,69 г!см5. Наряду с остеклованным
основным материалом зола содержит частички несгорев-
шего угля и до 5% по массе окисленных с поверхности
корольков железа. Влажность отвальных шлаков в зави-
симости от времени года колеблется в пределах 3—6%.
Зола Мироновской электростанции состоит из собст-
венно золы (шлака) и кварцево-глинистой примеси. Соб-
112
ственно зола представляет собой остеклованную1 ЯЗЯ|
плотного и частично губчато-пористого сложения.
В аморфной остеклованной части шлака вкраплены кри-
сталлы муллита и кварца. Кварцево-глинистая состав-
ляющая золы имеет более значительную концентрацию
кристаллов муллита и кварца ошлакованных глиной.
В чистом виде топливные золы сравнительно туго-
плавки. При термическом воздействии деформация золы
начинается при температуре 1075—1200° С, размягче-
ние— при 1080—1390° С, жидкоплавкое состояние насту-
пает при 1400—1450° С. Вязкость получаемого рас-
плава довольно высокая и при температуре 1300—1400° С
соответствует 250—300 пз. Кристаллизационные свойства
расплава низкие.
Для повышения литьевых и кристаллизационных
свойств расплава и получения изделий пироксенового со-
става в шихту, кроме золы, вводят доломит, кварцевый
песок и хромистый железняк.
Получаемые камнелитые изделия из указанной ших-
ты по основным техническим свойствам близки к базаль-
товым. Следует отметить, что из-за повышенного выхода
брака продукции Донецкий комбинат камнелитых и ке-
рамических изделий, в свое время переплавлявший топ-
ливные золы, оказался от их использования и с 1963 г.
стал использовать более экономичное сырье — базальт.
Однако из топливных зол производят порошок-наполни-
тель для кислотоупорной замазки.
Из топливных шлаков можно получить минеральную
теплоизоляционную вату, цементы и другие материалы
как для технических целей, так и в качестве строитель-
ных материалов.
Недостатком топливных зол, как и металлургических
шлаков, при применении в качестве петрургического
сырья является их высокая газонасыщенность.
Отходы горючих сланцев тождественны топ-
ливным золам и также могут в отдельных случаях быть
использованы в качестве петрургического сырья [73].
Экспериментально-исследовательской лабораторией
Донецкого комбината камнелитых и керамических из-
делий исследованы золы пз кашпирских горючих слан-
цев и горелые породы сланцевых выработок. На Кашпир-
ском месторождении разрабатывается пласт горючих
сланцев, состоящий из трех слоев сланца и двух прослоек
ИЗ
породы. Горючий сланец служит топливом Кашпирской
электростанции, а также топливом и химическим сырьем
Сызранского сланцеперерабатывающего завода.
Сланцевая зола, получаемая на электростанции,
представляет собой минеральный остаток от сжигания
пылевидного сланца, имеет коричневый цвет, сыпучая,
не слеживается, объемная масса ее 0,65-0,73 г!см3.
По химическому составу зола содержит: 35,8% SiO2;
25,7% СаО; 12,6%’ А12О3; 8,2% FeO + Fe2O3; 2,9% MgO;
5,6% SO3; 6,2% прочих окислов, 8,0% п. п. п.
В натуральном виде зола плавится при температуре
1340° С, при этом получаемый расплав имеет удовлетво-
рительные литьевые свойства при температуре 1400° С
и частично кристаллизуется при 870° С.
Для повышения литьевых и кристаллизационных
свойств расплава шихты на основе сланцевой золы вво-
дят шихтовые добавки — модификаторы типа хромисто-
го железняка, плавикового шпата и др. Кроме того, для
повышения кислотостойкости материала в состав шихты
вводят кварцевый песок.
Получаемые из шихты на основе сланцевых зол кам-
нелитые изделия имеют хорошие технические свойства,
хотя в ряде свойств уступают базальтовому литью.
Генераторную сланцевую золу чаще используют в
петрургии. Химический состав этой золы следующий:
40,2% SiO2; 12,8% А12О3; 26,1% СаО; 8,3% Fe2O3; 2,2%
MgO; 7,6% SO3; 0,4% прочих окислов, и п. п. п. 2,4%.
Генераторная зола плавится при температуре 1300—
1400° С, и получаемый расплав имеет хорошие литьевые
свойства и низкую кристаллизационную способность. По
аналогии с золами электростанции при составлении ших-
ты генераторная сланцевая зола нуждается в модифи-
каторах и кварцевом песке.
Горелые кашпирские сланцы представляют собой по-
бочную породу при выработке сланцев. Состоят они из
песка и мергелистой глины с включениями известняков,
гипса, железистых минералов и др. По химическому со-
ставу содержат: 47,5% SiCK; 11,8% А12О3; 22,7% СаО;
6,3% FeO + Fe2O3; 6,1% SO3; 2,6% MgO; 0,8% прочих,
п. н.п. 2,2%. Горелые сланцы полностью расплавляются
при температуре 1430° С, и получаемый расплав обла-
дает достаточной жидкотекучестью. Что касается кри-
сталлизационной способности расплава, то опа еще ниже,
114
чем у расплавов из натуральных сланцевых зол. При вве-
дении в шихту до 8% магнезиального порошка отливки
полностью закристаллизовать не удалось, однако полу-
ченные образцы при испытании показали высокие физи-
ко-механические и химические свойства.
Для решения вопроса об использовании горелых слан-
цев в качестве петрургического сырья необходимо изы-
скать эффективные модификаторы.
Имеющиеся обширные запасы отходов горелых слан-
цев в Саратовской области могут служить неплохой
сырьевой базой для организации на месте цеха каменно-
го литья.
Горелые породы шахтных угольных тер-
риконов Донбасса в качестве петрургического сырья
впервые исследованы и опробованы экспериментально-
исследовательской лабораторией Донецкого комбината
камнелитых и керамических изделий [67, 74].
При выработке угля на дневную поверхность парал-
лельно с углем выдают пустую породу, накапливаемую
в терриконах годами. Вырабатываемые угольные пла-
сты Донецкого горнопромышленного района залегают
преимущественно среди глинистых и песчаноглинистых
сланцев. Эти породы в среднем содержат 68% глинистых
сланцев, 22% песчано-глинистых сланцев, 4% песчани-
ков и 6% известняков. По минеральному составу господ-
ствующие в породе аргиллиты состоят из глинистых и
рудных минералов, кварца и слюды.
Находясь в терриконах, породы вследствие выветри-
вания и теплового воздействия от самозагорания остат-
ков отвального угля претерпевают различного рода фи-
зико-химические изменения. Прежде всего протекают
процессы окисления, растворения и гидратации.
В природе процессы химического выветривания идут
крайне медленно. В породах терриконов эти же процессы
под воздействием тепла протекают значительно быстрее,
при этом изменения структуры и минералогического со-
става более ощутимы.
Глины под воздействием тепла теряют воду и твер-
деют, в итоге образуются неразмокающие породы. Имею-
щиеся в породах сульфиды под воздействием воды, воз-
духа и тепла группируются с гидроокислами железа, в
результате порода приобретает коричневато-красный
цвет.
8*
115
От термического воздействия структура пород трещи-
новатая, поэтому породы имеют низкую механическую
прочность. Термическое воздействие на породы в терри-
коне неравномерно и зависит от концентрации остатков
угля в различных участках террикона. В связи с этим
встречаются породы рассыпчатые, слабо спеченные и
мало разрушенные, хотя и трещиноватые.
Горелые породы терриконов различных шахт района
г. Донецка по составу и структуре в основном близки
между собой, однако имеют индивидуальные особен-
ности.
Донецкий комбинат камнелитых и керамических из-
делий около трех лет использовал в качестве сырья го-
релые породы Центрально-заводской шахты г. Донецка.
Процессы активного выветривания пород террикона этой
шахты практически закончены (формирование террико-
на закончено в 1920 г.).
Породы террикона Центрально-заводской шахты со-
держат 82% песчано-глинистых сланцев и 17% глини-
стых сланцев, остальное — песчаники и известняки. Пес-
чано-глинистые сланцы представлены красными и темно-
красными трещиноватыми кусочками размером от 10 до
50 мм. Минералогический состав характерен наличием
зерен кварца, полевых шпатов и слюд типа мусковита
и биотита. Цементирующей прослойкой служит глини-
стый материал, обильно содержащий гидроокислы же-
леза. Глинистые сланцы представлены мелкими фрак-
циями пород буро-желтого цвета. Состоят они из плот-
ной тонкочешуйчатой глинистой массы, среди которой
заметны мелкие включения зерен кварца, чешуйки гид-
рослюд и частички углистого материала.
Средний химический состав (по данным 65 анализов)
горелых пород террикона Центрально-заводской шахты
характеризуется следующими данными: 45,6% SiO2;
24,8% А12О3, 9,3% FeO + Fe2O3; 2,8% MgO; 2,6% СаО;
2,5% NasO + KaO; 0,4% прочие; п. п. п. 3,0%. Колебания
в содержании отдельных окислов довольно значительны
и составляют ±5%.
Как видно из приведенных данных, горелые породы
бедны окислами магния и кальция, поэтому получаемый
из них расплав имеет низкую кристаллизационную спо-
собность. В связи с этим в состав шихты на основе горе-
лых пород вводят доломит (до 20%) и хромистый
116
железняк. Шихта из горелых пород и доломита имееттем-
пературу деформации IHKFC, температуру наизгоа плав-
ления 1250 1300е С. В производственных условиях для
ускорения процесса плавления шихты и полного раство-
рения тугоплавких составляющих температуру в пла-
вильной печи поддерживают в пределах 14э0—1550е С.
Кристаллизацию отливок ведут при 950—1000е С в те-
чение 7—15 мин в зависимости от вида изделий.
Камнелитые изделия из горелых пород обладают вы-
сокой износоустойчивостью и хорошей кислотостойко-
стью, однако себестоимость производства их довольно
высокая.
Горелые породы шахтных терриконов, поднятые с
различных геологических горизонтов, имеют, как отме-
чено уже выше, переменный химический и минералоги-
ческий состав. Наличие тугоплавких минералов в горе-
лых породах затрудняет получение расплава со стабиль-
ными свойствами, при этом создается повышенный выход
бракованной продукции. Таким образом, применение го-
релых пород в качестве петрургического сырья в ряде
случаев нецелесообразно, хотя получаемые изделия по
техническим свойствам лучше изделий из других извест-
ных сырьевых материалов.
МОДИФИЦИРУЮЩИЕ И ИНЫЕ
ПОДШИХТОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
При производстве каменного литья для повышения
литьевых и кристаллизационных свойств расплава, фор-
сирования процесса его получения, а также совершен-
ствования свойств изделий в состав шихты в дополнение
к основному сырью вводят различные модифицирующие
и иные добавки:
Хромистый железняк вводят в шихту боль-
шинство камнелитейных предприятий нашей страны.
Московский камнелитейный завод получает это сырье из
Саранского месторождения Урала, а Донецкий комби-
нат камнелитых и керамических изделий использует по-
рошок хромистого железняка в виде отходов Пантелен-
моновского огнеупорного завода Донецкой области, пе-
рерабатывающего хромистый железняк Саранского
месторождения. Средний химический состав хромистого
железняка составляет: 34.8% СгЛЪ: 20.3% Fe^O^-i-FeO;
117
18,1% А12О3; 15,2% MgO; 8,3% SiO2; 1,4% СаО; 0,5%
прочих ОКИСЛОВ, П. П. II. 1,4%.
Ценность для петрургии хромистого железняка состоит
в высоком содержании Сг2О3 и MgO, действия которых
на свойства расплава и получаемых изделий описаны
выше.
Плавиковый шпат CaF2 представляет собой ми-
нерал осадочных пород. В чистом виде имеет синеватый
цвет, а с примесями — коричневый со стеклянным блес-
ком. Разрабатываемые месторождения плавикового шпа-
та имеются на Урале и в Читинской области. В настоя-
щее время в камнелитейном производстве плавиковый
шпат применяют при производстве светлокаменного
литья.
Для обогащения расплава окисью магния применяют
магнезит, тальковый материал, серпентинит и др. Мос-
ковский камнелитейный завод наращивает полки пла-
вильной печи тальковым кирпичом, который, растворяясь
в расплаве, обогащает его окисью магния. В последнее
время в качестве нового модификатора опробован перов-
скитовый концентрат [17, с. 129].
Перовскитовый концентрат является отхо-
дом нефелинового производства. Для целей петрургии
этот материал ценен обильным содержанием окислов ти-
тана и редкоземельных элементов, что видно из его хи-
мического состава: 4—6% SiO2; 46—50% Т1О2; 4—6%
FeO + Fe2O3; 28—30% СаО; 3—4% редкоземельных эле-
ментов.
Перовскитовый концентрат опробован в сочетании с
ровенским базальтом и закарпатским андезито-базаль-
том. Экспериментально выяснено, что его добавка в ших-
ту от 5 до 20% способствует форсированию процессов
формирования и гомогенизации расплавов, повышению
их кристаллизационных свойств и получению отливок с
однородной равномернозернистой структурой. Следова-
тельно, перовскитовый концентрат является комплекс-
ным модификатором, положительно влияющим как на
качество расплава, так и на свойства получаемых из-
делий.
Окись цинка ZnO применяют при производстве
светлокаменного литья для его отбеливания в процессе
плавления. При существующей технологии получения
светлокамешюго литья расплав получают в электродуго-
118
вых печах с графитовыми электродами. При сгорании
электродов часть графита попадает в расплав и окра-
шивает отливки в серые цвета. Окись цинка, вступая в
реакцию с углеродом, образует свободный цинк и угле-
кислый газ, который улетучивается, и в итоге расплав
отбеливается. Следует отметить, что окись цинка также
отбеливает расплавы, получаемые и в других плавильных
печах.
ГЛАВА IV
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ
КАМНЕЛИТЫХ ИЗДЕЛИЙ
Технологический процесс изготовления камнелитых
изделий состоит из подготовки сырья и приготовления
шихты, получения расплава, подготовки форм и форми-
рования отливок, их термической обработки, очистки и
обработки готовых изделий.
Технологический процесс каждого камнелитейного
предприятия имеет свои специфические особенности, за-
висящие от характера задаваемых свойств изделий и их
назначения, от типа перерабатываемого сырья, от кон-
струкции технологического оборудования и других фак-
торов.
В производстве камнелитых изделий, особенно фа-
сонных и крупногабаритных, имеется ряд трудностей,
связанных с непостоянством химического и минералоги-
ческого составов сырья и нередко расплава, его высо-
кой вязкостью, низкой теплопроводностью, склонностью
к переохлаждению, значительной усадкой и др. Полная
объемная усадка каменного литья составляет 12—13%.
Теплопроводность этого литья ниже, чем черных метал-
лов в 50 раз, а вязкость по сравнению с металлическими
сплавами выше в сотни раз.
Вследствие указанных трудностей, особенно из-за низ-
кой теплопроводности и высокой вязкости расплава,
удлиняется время плавки шихты, ухудшается процесс
дегазации и гомогенизации расплава. В результате хими-
ческой неоднородности расплава создается разнострук-
турпость отливок, растут внутренние напряжения.
JJ9
снижается термостойкость и увеличивается выход бра-
кованной продукции.
Практикой камнелитейного производства и выпол-
ненными многочисленными исследовательскими работа-
ми выработаны оптимальные условия подготовки сырья
и шихты, режимы получения расплава, его разливки,
кристаллизации и отжига отливок из основных горных
пород.
Разнообразие применяемого сырья и шихтовых доба-
вок, многотипность используемого технологического обо-
рудования, относительная сложность самого технологи-
ческого процесса не позволяют выработать единые усло-
вия получения камнелитых изделий для всех предприятий.
Однако по ряду технологических параметров имеет-
ся нечто общее у всех предприятий, и их теоретическое
обоснование в достаточной степени разработано.
ПОДГОТОВКА СЫРЬЯ И ПРИГОТОВЛЕНИЕ ШИХТЫ
Наряду со свойствами применяемого сырья и под-
шихтовочных материалов на процессы плавления и ка-
чество расплава оказывают существенное влияние сте-
пень подготовленности сырья, правильность дозировки
компонентов шихты и тщательность их смешения. При-
меняемое сырье из магматических горных пород и про-
мышленных отходов (базальты, диабазы, граниты, ме-
таллургические шлаки, топливные золы и др.), а также
шихтовые добавки (доломит, горнблендит, кварцевый
песок, хромистый железняк и др.) поступают на камне-
литейные предприятия в виде кусков различных разме-
ров, либо в измельченном состоянии.
Важным требованием к сырью является его химиче-
ская и минералогическая однородность. В связи с этим
сырьевые материалы прежде всего не должны содержать
инородные примеси. Практически на камнелитейных
предприятиях сортировку сырьевых материалов не про-
изводят. Поэтому в технических условиях на поставку
сырья предусматривают требования по чистоте фрак-
ционного состава.
Сушка сырья, как показала практика, необходима
лишь при плавлении ее в электропечах. При применении
других печей влажность сырья не имеет существенного
120
значения, однако она должна учитываться при состав-
лении шихты.
Гранулометрический состав сырьевых компонентов
шихты чаще всего определяется типом плавильного агре-
гата. При использовании ванных регенеративных печен
мартеновского типа сырье находится на плавильных пол-
ках, поэтому для создания большей площади обогрева
куски породы должны быть крупными (размером до
300—400 мм в поперечнике).
В условиях шахтно-ванной печи размер кусков поро-
ды должен быть в пределах 80 — 100 мм. Разнофракцион-
ность кусков породы может привести к заклиниванию в
шахте печи. При применении вращающихся плавильных
печей оптимальные условия для плавления шихты созда-
ются при размере кусков 20—30 мм. Допустимы разме-
ры кусков и менее 20 мм, однако пылевидное сырье не
желательно, так как оно легко выносится в боров печи.
При плавлении шихты в вагранках желательны куски
сырьевых материалов размером 40—50 мм с ограничен-
ным содержанием пылевидных составляющих.
В отдельных случаях сырье приходится измельчать,
чтобы размеры кусков сырых материалов соответство-
вали техническим требованиям согласно конструкцион-
ным особенностям плавильных печей. При производстве
светлокаменного литья в электроплавильных печах при-
меняют кварцевый песок, кусковой доломит, мел или
отходы мрамора; последние два сырьевых материала
дробят на дробилке и измельчают на вальцевых мель-
ницах до размеров зерен, близких к размерам зерен квар-
цевого песка. Подготовленная шихта такой фракции
обеспечивает лучшее контактирование с графитовыми
электродами, что создает условия для свободного уда-
ления паров и газов из толщ шихты. На других камне-
литейных предприятиях основные сырьевые материалы
поступают нужного гранулометрического состава и в
переработке не нуждаются. Что касается шихтовых до-
бавок типа хромистого железняка, то их измельчают в
порошок для увеличения в расплаве количества центров
кристаллизации.
В камнелитейном производстве опробован ряд шихт
на основе различных горных пород и материалов из про-
мышленных отходов, которые характеризуются следую-
щими данными (табл. 14, 15).
121
i а о л и на 14
Состав шихт для получения основных видов каменного литья
Номер п/п Литье Составы шихт % (по массе)
1 Базальт - горнблендито- вое Базальт Горнблендит Хромистый железняк 90 8 2
2 Базальт-доломитовое Базальт Доломит (обожженный) Хромистый железняк (сверх 100) 94 6 2,5
3 Базальт-шлаковое Базальт Доменный шлак Хромистый железняк 75 25 3
4 Диабаз - горнблендито- вое Диабаз Горнблендит Хромистый железняк 82 16 2
5 Диабаз-шлаковое Диабаз Доменный шлак Хромистый железняк 80 20 1,5
6 Гранито-шлаковое (ма- ложелезистое) Гранит Доменный шлак Хромистый железняк 55—70 45—30 2
7 Горнблендитовое Горнблендит Кварцевый песок Хромистый железняк 78-80 25—20 3
122
продолжение таол.
Номер п/п Литье Составы шихт •/. (по массе)
8 Амфиболитовое Амфиболит Хромистый железняк 100 2
9 Габропоритовое Габропорит Хромистый железняк 96 4
10 Термостойкое 3 Песок кварцевый Глина огнеупорная Доломит Хромистый железняк I 37 : 17 44 1 2
11 Светлокаменное Кварцевый песок Доломит Отходы мрамора Плавиковый шпат Окись цинка 45 34 21 3 0,8
12 Медно-шлаковое Шлак Алавердинский Хромистый железняк 98 2
13 Медно-шлаковое Шлак Балхашский 50
Диабаз Коунрадскнн 50
14 Золо-доломитовое Топливная зола Доломит (обожженный) | Кварцевый песок | Хромистый железняк | 70 20 10
15 Горело - породе-доло- митовое Горелая шахтная порода Доломит (обожженный) Кварцевый песок Хромистый железняк 74 20 6 3
123
Химический состав основных видов литья
га
---------г™ niwnvnihOM камнелитейном заводе применяют
шихты для базальт-горнблендитового и термостойкого
I литья. Первое литье (см. табл. 14, № 1)—основное,
f второе — вспомогательное.
Расплав для базальт-горнблендитового литья допол-
I пителыю обогащают окислами магния за счет растворе-
f ния талькового и магнезитового огнеупоров. Тальковый
[ кирпич, поступающий с Шабровского комбината Сверд-
ловской области, используют для ежесменного наращи-
вания полок в плавильной печи. Магнезиальный кирпич
Актюбинской области Казахской ССР используют для
выстилки верхнего слоя пода плавильной печи, а также
для устройства фильтра в сливном участке ванны печи.
< Базальт-горнблендитовое литье также применяют в кам-
( нелитейиом цехе Криворожского рудоремонтного завода.
1 На Донецком комбинате камнелитых и керамических
t изделий разработана и в настоящее время применяется
шихта для получения базальт-доломитового литья (см.
- табл. 14, № 2). Ранее на этом комбинате впервые были
использованы шихты на основе горелых шахтных пород
и топливных зол (см. табл. 15).
Шихта на основе золы Мироновской электростанции
была разработана в трех вариантах. Основная шихта
имела следующий состав: 65—75% золы, 25—20% до-
ломита обожженого, до 10% кварцевого песка и 4—5%
(сверх 100) хромистого железняка. Плавка такой шихты
протекала при 1420—1450° С. Получаемые изделия име-
ли удовлетворительные технические свойства. Первая
г вспомогательная шихта состояла из 80% золы, 20% до-
ломита и 3% плавикового шпата (сверх 100). Эта шихта
плавилась при температуре 1390—1410° С. Получаемые
изделия успешно противостоят абразивному истиранию,
но имеют низкую химическую стойкость. Вторая вспомо-
гательная шихта состояла из 55% золы, 25% доломита,
। 20% кварцевого песка и 5% кремнефтористого натрия
(сверх 100). Температура плавки такой шихты 1400—
1430° С. Получаемые изделия имеют удовлетворительные
технические свойства.
Следует иметь в виду, что при использовании в ших-
тах плавикового шпата и кремнефтористого натрия про-
исходит частичное выделение вредного газа SiF4, поэто-
му плавильные печи должны иметь эффективную вытяж-
ную вентиляцию. Кроме перечисленных компонентов, в
124
125
состав шихты на основе топливных зол, а.также горелой
шахтной породы часто вводят 10—15% отходов камен-
ного литья.
В цехе каменного литья ЮГОКа разработана шихта
для базальт-шлакового литья (см. табл. 14, № 3), кото-
рую применяют в настоящее время; ранее в этом цехе
применяли шихту для диабаз-шлакового литья (см.
табл. 14, № 4).
Шихту для получения диабаз-горнблендитового
литья (см. табл. 14, п. 4) первоначально применяли в
цехе каменного литья Кондопожского, пегматитового
завода.
В цехе каменного литья Первоуральского завода гор-
ного оборудования применяют шихту для горнбленди-
тового литья (см. табл. 14, № 7).
Различные шихты для маложелезистого литья (см.
табл. 14, № 6) разработаны и внедрены на Криворожской
опытной установке Харьковского института «Промстрой-
НИИпроект».
Синтетическую шихту для светлокаменного литья
длительные годы применяет цех светлокаменного литья
Московского камнеобрабатывающего комбината.
Габбропоритовое литье производит цех каменного
литья Зыряновского свинцово-цинкового комбината Ка-
захской ССР (см. табл. 14, № 9).
Институтом проблем литья АН УССР разработана
шихта для амфиболитового литья (см. табл. 14, № 8).
Из металлургических шлаков получают медно-шлако-
вое литье на установках Балхашского медного и Алавер-
динского медно-химического комбинатов.
Важнейшим условием получения качественного одно-
родного расплава является правильный расчет шихты,
точная дозировка сырьевых составляющих и тщатель-
ное их смешение. Хорошо подготовленная шихта не толь-
ко повышает качество расплава, но и значительно со-
кращает время плавки и даже снижает температуру
плавления.
Дозировку шихты следует вести по массе, хотя изред-
ка применяют объемную дозировку. При составлении
шихты дают поправку на естественную влажность сырье-
вых материалов. Подготовку шихты и подачу ее в печь
производят на отдельных камнелитейных предприятиях
по разному.
126
Ila Московском камнелитейном заводе все сырьевые
материалы поступают железнодорожным транспортом и
хранят их на открытой площадке. Базальт и горнблендит
вводят в шихту без предварительной переработки. Хро-
мистый железняк сушат в туннельной печи и размалыва-
ют на шаровой мельнице для получения порошка грану-
лометрического состава, приведенного в табл. 16.
Таблица 16
Гранулометрический состав хромистого железняка
Номер сита Число отверстий на 1 см- Допустимый остаток на ситах, % Номер сита Число отверстий на 1 см- ; Дояустииый ; остаток иа ситах. %
7 9 0,2 70 900 i 5.5
12 16 0,5 100 1600 ! 12.0
30 100 4,5 200 6400 1 30.0
40 196 1,0 Тазик — 1 7> 50
Сырьевые материалы подвозят к площадке у пла-
вильной печи, и шихтовку ведут вручную с подачей на
механическую лопату. В начале на лопату кладхт горн-
блендит, сверху кусковой базальт, затем присыпают по-
рошком хромистого железняка. Возле трех загрузочных
окон печи установлены три лопаты, на каждую из кото-
рых дозируют порцию шихты 250 кг. Подготовленные та-
ким образом шихтовые материалы на лопатках пооче-
редно загружают на полки плавильной печи.
На Донецком комбинате камнелитых и керамических
изделий сырьевые материалы поступают на механизи-
рованный сырьевой склад с навесом. Базальт поступает
определенной фракции — от 40 до 100 .«.и. доломит —
измельченный, поэтому в переработке не нуждается. Хро-
мистый железняк измельчают в шаровой мельнице.
Из ранее применявшихся сырьевых материалов —
топливной золы и горелых шахтных пород, последние
измельчали в щековой дробилке до кусков размером ме-
нее 100 мм. Доломит и хромистый железняк, горелую
породу или топливную золу, а также кварцевый песок
поочередно с помощью грейферного крана передавали
со склада в подземный бункер. С помощью вертикаль-
ного элеватора, наклонного и горизонтального транспор-
теров сырье из подземного б\нкера поступало в отдель-
127
ные бункера емкостью 20 лг1, установленные над плавиль-
ными печами. Далее указанные сырьевые материалы из
бункеров самотеком через весовые дозаторы поступали
на ленточный транспортер, установленный на второй пло-
щадке над плавильными печами. С транспортера сырье-
вые материалы ссыпались в шихтосмеситель, размещен-
ный на первой площадке над плавильными печами.
Шихтосмеситель представляет собой замкнутый ци-
линдр с загрузочно-разгрузочным люком со смещенной
осью симметрии по отношению к оси вращения. За счет
указанного смещения осей вращение цилиндра эксцент-
ричное, что способствует смешению шихты. Вращение
смесителя производится электромеханическим приводом.
Из шихтосмесителя шихта самотеком ссыпается в
шихтоприемник и далее поступает в плавильную печь.
Установлено, что для качественного смешивания шихты
цилиндр достаточно вращать 10 мин. Максимальная
однородность шихты достигается при однородности гра-
нулометрического состава сырьевых компонентов.
С переходом Донецкого комбината на использование
базальтов Берестовецкого месторождения способ под-
готовки шихты несколько изменился. По указанной выше
транспортной линии склад—-подземный бункер — эле-
ватор— транспортеры — бункер производят лишь пере-
дачу доломита и хромистого железняка и в отдельных
случаях базальта. Для подачи базальта создана новая
линия. По этой линии грейферным краном базальт пере-
дают в складской бункер на опорах, откуда посредством
двух ленточных транспортеров ссыпается в шихтоприем-
ник. С помощью двухтонного электротельфера шихто-
приемник перемещают на первую площадку над пла-
вильными печами, догружают его доломитом, порошком
хромистого железняка, и затем шихту ссыпают через
воронку в плавильную печь.
Шихтоприемник представляет собой открытый с обоих
торцов металлический барабан, покоящийся вертикаль-
но на свободном конусообразном дне со штоком для сое-
динения с крюком тельфера.
В цехе каменного литья Кондопожского пегматито-
вого завода шихту из землеприготовительного отделения
подают в литейный цех самоходной тележкой. Мульды с
шихтой устанавливают мостовым краном на стенды, от-
куда через каждые 40 мин загружают плавильные печи.
128
В цехе каменного литья Криворожского центрального
рудоремонтного завода система подготовки шихты для
загрузки в плавильные печи аналогичная.
ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ РАСПЛЧВА
В практике камнелитейного производства плавку
шихты для получения расплава ведут в ванных регенера-
тивных, вращающихся, шахтно-ванных, электродуговых
печах, а также в вагранках.
Наиболее эффективной плавильной печью является
ванная регенеративная непрерывного действия (рис. 381.
Рис. 38. Схема ванно-плавильной печи:
!—плавильные полки; 2—ванна; 3—магнезитовая
шетка; 4 — верхний канал; 5—сливной канал; ч— вея-
ний канал; 7 — копильник; 8 — регенератор
применяемая на Московском камнелитейном заводе и в
камнелитейных цехах Кондопожского пегматитового п
Криворожского центрального рудоремонтного заводов.
Применяемые в камнелитейном производстве ванные
плавильные печи отличаются от известных стекловарен-
ных и металлургических печей наличием плавильных по-
лок для загрузки и плавления сырья а канала для до-
водки расплава.
Плавильная печь Московского камнелитейного заво-
да имеет размеры по сечению в плане 1,37 и 3.9 .и и вы-
9—1058
129
соту вместе с генератором 7,8 м. Печь сложена из огне-
упорного кирпича и укреплена металлической конструк-
цией. Внутри печи по бокам имеются три полки
площадью 16,5 м2 для загрузки и плавления шихты.
Для обеспечения непрерывного и равномерного при-
готовления и поступления расплава в ванну шихту на
полки загружают попеременно, через каждые 40 мин.
Единовременно загружают до 2,5 т шихты и равномерно
распределяют ее на полках. Получаемый на полках рас-
плав стекает в ванну для варки расплава, площадь ван-
ны 1,5 м2. Из ванны расплав самотеком попадает в верх-
ний канал, затем по переходному желобу, охлаждаемого
водой, стекает в нижний сливной канал, а оттуда—-в
копильник для разливки по формам. Высота слоя рас-
плава в ванне и каналах около 200 мм, в копильнике
100—150 мм.
Процесс дегазации и гомогенизации расплава проте-
кает частично на полках, более активно — в ванне и за-
вершается в каналах. В нижнем канале с понижением
температуры расплава до 1270—1300° С создаются усло-
вия для кристаллизации магнетита и образования за его
счет многочисленных центров кристаллизации пироксе-
нов. Для завершения процесса гомогенизации и предот-
вращения расслаивания расплава в нижнем канале уста-
новлена водоохлаждаемая механизированная скребковая
мешалка.
Печь отапливается газо-мазутной смесью. Мазут по-
догревают до 45° С и подают под давлением 3,5 ат. Воздух
для печи подогревают до 900—1100° С двумя регене-
раторами, работающими на продуктах сгорания. Пере-
кидка клапана в регенераторах осуществляется автома-
тически. Воздух подают в плавильную печь вентилято-
ром, присоединенным к воздушному перекидному кла-
пану.
На загрузочных окнах для сохранения печной кладки
установлены полые железные камеры, охлаждаемые про-
точной водой. Желоб для передачи расплава из ванны в
сливной канал тоже охлаждается водой. Кроме того, во-
дой охлаждаются механическая лопата для перемешива-
ния расплава и металлический пеноограничитель в слив-
ном канале. Для охлаждения перечисленных узлов печи
вода поступает самотеком из напорного бака.
Печь выложена шамотным огнеупором, внутренняя ее
130
часть — динасовым кирпичом, подина ванны — магнези-
товым, а полки — тальковым и магнезитовым кирпичом.
Температурный режим в печи, давление газа и мазу-
та, температура воздуха и мазута регистрируются соот-
ветствующими приборами непосредственно па рабочих
местах и параллельно в помещении КИП.
Для каждой загрузочной лопаты в плавильной печи
имеется свое окно, закрываемое теплоизоляционным ши-
бером. В течение одной загрузки вводят шесть лопат
шихты: четыре на левую или правую полку, а две — на
среднюю. Для форсирования работы печи иногда загру-
жают до семи лопат шихты. При загрузке шихты на пол-
ки нельзя допускать попадания сырья в ванну.
Шихта на полках расплавляется в течение 40 мин, и
получаемый расплав стекает в ванну печи. В процессе
стекания расплава, а также растрескивания кусков по-
роды в ванну попадают частички шихты, которые посте-
пенно растворяются в расплаве.
Из ванны расплав самотеком непрерывно поступает
через охлаждаемый сливной желоб в сливной канал.
Для фильтрации расплава от примесей и пены перед
сливным желобом ежедневно насыпают бой магнезито-
вого кирпича (примерно 10—15 кирпичей).
В сливном обогреваемом канале расплав почти пол-
ностью дегазируется и гомогенизируется. Несмотря на
подогрев и перемешивание расплава, в сливном канале
имеется пена. В связи с этим для задержания пены при
стекании расплава в копильниках перед сливным жело-
бом устанавливают дугообразную металлическую трубу,
охлаждаемую водой. По мере накопления пены ее уда-
ляют металлическим скребком.
Копильник стационарно установлен вплотную к стен-
ке сливного канала и соединен с ним желобом. Темпера-
туру в обогреваемом копильнике поддерживают в пре-
делах 1200—1300°С. При разливке расплава в формы
струя обогревается продуктами сгорания, частично уда-
ляемыми через носок летки копильника.
Температуру в печи замеряют оптическим пиромет-
ром, воздух в регенераторах — термопарами, мазут —
термометром. Давление газа, воздуха и мазута опреде-
ляют манометрами.
Ванная регенеративная непрерывно действующая
плавильная печь является наиболее производительной и
9*
131
экономичной — ее коэффициент полезного действия на-
ходится в пределах 16—18%. Получаемый в этой печи
расплав обладает высокими физико-химическими свой-
ствами. Производительность печи составляет 80 т рас-
плава в сутки.
На Донецком комбинате камнелитых и керамических
изделий применяют вращающиеся плавильные печи. В
отличие от других плавильных агрегатов вращающиеся
печи имеют некоторые преимущества, а также недостат-
ки. К числу преимуществ можно отнести: форсированное
плавление шихты, быстрое протекание процессов дегаза-
ции, гомогенизацию расплава за счет вращения печи,
возможность корректирования химического состава каж-
дой плавки, получение расплава с заданными индивиду-
альными свойствами. Кроме того, применение вращаю-
щихся печей позволяет создать постоянный ритм в
работе предприятия без полной его остановки на капи-
тальный ремонт.
К числу недостатков вращающихся плавильных пе-
чей следует отнести: низкий коэффициент полезного дей-
ствия, невозможность создания непрерывного потока
расплава, что важно для механизации его разливки; от-
носительно высокие затраты на ремонтные работы.
На Донецком комбинате для получения петрургиче-
ского расплава имеются четыре однотипные вращающие-
ся плавильные печи. Вращающаяся плавильная печь
(рис. 39) представляет собой металлический барабан, ус-
тановленный горизонтально вдоль оси на четырех опор-
ных роликах. В торцовых плоскостях барабана имеются
круглые отверстия: одно для факела горелки, противо-
положное—для удаления в боров продуктов сгорания.
В центре барабана печи имеется круглое отверстие с
металлической крышкой для загрузки шихты и выдачи
расплава. Вращение печи осуществляется посредством
опорных роликов электромеханическим приводом. Ско-
рость вращения печи колеблется от 0,3 до 1,0 об)мин.
С увеличением скорости вращения печи форсируется
процесс плавления шихты, однако возрастает износ фу-
теровки. Размеры печи: по длине 4,5 м, диаметру 1,6 м,
рабочая емкость 1,2 т шихты. В качестве футеровки для
печей опробованы динасовые, каолиновые, магнезито-
хромитовые и другие огнеупорные кирпичи и блоки, при
этом более эффективной оказались магнезитохромито-
132
Fibre. Применение магнезитохромитовой футеровки позво-
ляет достигать 500 оборотов печи. Па полную перефуте-
ровку одной плавильной лечи расходуется 14 т огнеупо-
ров. Цилиндр печи выкладывают клиновыми блоками из
Рис. 39. Схема вращающейся плавильной печи с односторонним обо-
гревом:
/ — барабан печи; 2 — огнеупорная футеровка: 3 — опоу.чы»
•/ — рама печи; 5 — люк; 6 — горелка; 7 — привод
магнезитохромита марки МХСО-62, а конусы из клино-
вого кирпича МХСО-7. Магнезитохромитовую
Го ’
выкладывают на шамотный слой! нормального кирпич
марки Ш-3, массой! 4 т. Шамотный! слой! выдерживает до
1500 плавок, после чего его полностью заменяют. Приме-
нение магнезитохромитовой футеровки способствует не
только удлинению срока эксплуатации печи, но и повы-
шению кристаллизационной способности расплава вслед-
ствие обогащения его окислами хрома и магния.
Плавильные печи, как и другие тепловые агрегаты,
отапливают коксовым газом, поступающим из Донецко-
го коксохимического завода. Коксовый! газ содержит
61,4% водорода, 25,6% метана, 5,7% окиси углерода.
2,3% сложных углеводородистых соединений С~ Л’..
2,2% углекислого газа, 4,4% азота и 0.4% кислорода.
Плотность газа 0,426 кг/м3, калорийность 4340 кччз-г з<?.
Для получения одной тонны расплава расходуется 437 к?
условного топлива.
На печах установлены турбулентные горелки с час-
тичным предварительным смешением газа и воздуха.
Давление газа, поступающего в горелки. 350—400
мм вод. ст., расход его составляет 250— 230 .ч3 ч. Воз-
дух под давлением 500—600 мм вод. ст. подается к го-
релкам без подогрева ог вентиляторов тнпаВВД-11.
Давление И расход газа регистрируется соответствующи-
ми приборами. Температура в печи может подняться до;
1500° С.
Шихту в печь загружают при температуре 1000—
1100°С. Загруженный шихтоприемник, находящийся на
первой площадке йад печами, при помощи тельфера по'
монорельсу направляют к одной из плавильных печей и
устанавливают Над проемом в площадке, под которой
I — барабан печи; 2—люк; 3 — отверстия для горелок; 4 — регене
риторы; 5 — огнеупорная футеровка; 6—привод
расположена печь с открытым люком. Предварительно)
в проем и люк печи вставляют металлическую воронку..
Освобождением троса тельфера коническое дно шихто-
приемника под собственной массой опускается на 80—
120 мм и через образуемый при этом зазор между ци-
линдром и конусом дна шихтоприемника шихта высыпа-
ется в плавильную печь. После загрузки шихты люк пе-
чи заделывают шамотной пробкой и закрывают металли-
ческой крышкой.
Вращающаяся плавильная печь с двусторонним обо-
гревом применяется на Криворожской эксперименталь-
ной установке Харьковского института «Промстрой-
НИИпроект» [17, с. 119]. Эта печь (рис. 40) имеет длину
8 м, диаметр 2,2 м и рабочую емкость 4 т шихты. Отап-
ливается она смесью коксового и природного газов об-
щей калорийностью 5200 ккал!м3. Подаваемый к горел-
кам воздух подогревается в регенераторах до 800° С. Го-
релки в печи установлены с обоих торцов и работают
они попеременно с интервалом в 30—40 мин. Такая си-
стема обогрева вызывается большими размерами печи.
134
* J|J(J П пичп .ММ/ЛС1 Ubilb IJUAHHia ди
I55O°C. Оптимальная скорость вращения печи от 0,6 до
I об/мин.
Несмотря на двусторонний обогрев и относительно
высокую калорийность топлива, из-за больших размеров
Рис. 41. Схема шахтно-ванного плавильного агрегата:
1— толкатель; 2- шахта; 3 — плавильная полка; 4— ван-
ная для прогрева и осветления расплава: 5—электроды;
6—водоохлаждаемая перегородка; 7—зона дополнитель-
ного осветления; 8— зона гомогенизации; 9—выпускное от-
верстие
печи шихта плавится медленно, поэтому для форсирова-
ния плавления добавляют до 4% смеси плавикового
шпата и соды в равных долях.
Печь шахтно-ванного типа эксплуатируют в цехе ка-
менного литья Криворожского ЮГОКа. Первоначально
в этом цехе применяли вагранку, затем шахтно-ванную
печь с тремя технологическими зонами: прогрева шихты,
плавления и завершения процесса гомогенизации и ос-
ветления расплава. С целью форсирования процессов
плавления и гомогенизации расплава в печи применен
электроподогрев с использованием металлических водо-
охлаждаемых электродов. Расход электроэнергии сос-
тавляет 20—25 кет - ч иа тонну расплава.
На основе опыта работы шахтно-ванной печи в цехе
ЮГОКа внедрена усовершенствованная конструкция
плавильного агрегата, сохранившего принцип шахтно-
ванной печи [17, с. 119].
Плавильный агрегат (рис. 41) имеет пять технологи-
ческих зон: прогрева шихты (в шахте), плавления, про-
грева и осветления расплава, дополнительного осветле-
ния и гомогенизации и доводки расплава. Температура в
зонах соответственно составляет: до 1200°С, до 1500°С,
до 1480° С, 1400° С и 1320° С. Расплав из печи для выра-
ботки отбирают из средних слоев при переходе в зону до-
135
полнительного осветления. Шахтно-ванные печи эксплу-
атируются также на камнелитейных заводах Чехосло-
вацкой Социалистической Республики.
В цехах каменного литья Первоуральского завода
горного оборудования и Московского камнеобрабаты-
вающего комбината шихту плавят в электродуговых пе-
чах с огнеупорной футеровкой. В Первоуральском цехе
каменного литья плавят горнблендитовую шихту в элект-
ропечах при напряжении 220—380 в и рабочем токе
700—80 а. За счет восстановительной атмосферы на дне
печи концентрируется железистый сплав, содержащий,
кроме железа, 0,09—0,10% С и 0,05—0,06% Si. От пере-
плавки одной тонны шихты получают около 20 кг желе-
зистого сплава.
Технология получения светлокаменного литья в элек-
тропечах на Московском камнеобрабатывающем комби-
нате изложена ниже.
Перспективным является использование плавильных
печей без футеровки с водяным охлаждением. При экс-
плуатации таких печей на внутренней стенке кожуха
ванны образуется гарниссаж, защищающий расплав от
нежелательного контактирования с металлом. Расплав
в таких печах получают более чистый, без влияния футе-
ровки. Независимо от типа печи при плавлении петрур-
гической шихты протекают определенные физико-меха-
нические процессы.
Плавкость сырьевых материалов определяется содер-
жанием легкоплавких минералов — амфиболов, пироксе-
нов, а также остаточного стекла. Плавкость некоторых
петрургических шихт определяют по ГОСТ 2057—60. Со-
гласно методике этого ГОСТа постепенно нагревают
трехгранные пирамиды, изготовленные на различных
шихтовых материалах на декстриновом крепителе, и
фиксируют: 1°— температуру начала деформации пира-
миды, при которой начинается округление или наклон
вершины конуса; —температуру размягчения, при ко-
торой пирамида оплавляется в шаровидную форму и
—температуру жидкоплавкого состояния, при которой
пирамида растекается на пластинке.
Полученные данные для некоторых шихт [60] приве-
дены в табл. 17.
В производственных условиях для форсирования про-
136
Таблица 17
Данные по плавкости некоторых шихт
Сырье и шихты Температура, 'С
начала деформации размягче- ния жилкоплав- кого состоя- ния
Базальт Волновахского место- рождения 1012 1165 1280
Базальт Берестовецкого место- рождения 1100 1170 1250
Горелая порода Центрально- заводской шахты г. Донецка 1071 1370 1460
Шихта: 70% горелой породы, 20% доломита, 10% кварце- вого песка, 5% хромистого железняка (сверх 100) . . . 1071 1251 j 1387
Шихта: 75% топливной золы, 20% доломита, 5% кварце- вого песка и 3% хромистого железняка (сверх 100) . . . 1050 1225 j 1320
цесса плавления практическую температуру поддержи-
вают на 50—100 град выше температуры жидкоплавкого
состояния. При ведении плавки в условиях низких тем-
ператур возможно сохранение в расплаве непроварен-
ных частиц шихты, что отрицательно сказывается на ка-
честве продукции.
Изучение процесса плавления петрургической шихты1
показало, что в начальной стадии при сушке испаряется
гигроскопическая влага, удаляется химически связанная
вода, выгорают возможные органические составляющие,
разрушаются твердые частицы, размягчается и частично
плавится вулканическое стекло.
В дальнейшем при температуре 1100—1250гС до по-
явления обильного расплава составляющие компоненты
шихты спекаются. Затем завершается процесс удаления
летучих составляющих, плавятся стекловидная фаза и
легкоплавкие минералы, наблюдаются полиморфные
превращения некоторых минеральных фаз.
На завершающей стадии процесса плавления при
температуре 1250—1500°С протекает интенсивное рас-
плавление шихты, растворение в первичном расплаве
1 Л а д о х и п С. В. Автореферат диссертации. Киев, 1966.
137
тугоплавких минералов, удаление остаточных газов и
усреднение состава расплава.
При рассмотрении процесса плавления шихты в пла-
вильных печах следует учитывать взаимодействие рас-
плава с огнеупорной футеровкой и газовой средой.
Процесс плавления шихты во вращающихся плавиль-
ных печах имеет некоторые особенности [41, с. 3; 60].
Плавление шихты на основе базальта во вращающихся
плавильных печах Донецкого комбината камнелитых и
керамических изделий протекает в среднем два часа. По
отдельным периодам расход времени распределяется
следующим образом: на прогрев шихты 25 мин, плавле-
ние 75 мин и доводку 20—25 мин. Оптимальная темпе-
ратура прогрева шихты 1200, плавления 1490 и доводки
1450° С. Повышение температуры печи до 1520° С не-
сколько сокращает время плавки, однако увеличивает
износ футеровки.
На протекание процесса плавления шихты влияет
гранулометрический состав компонентов. С увеличением
крупности кусков базальта удлиняются периоды прогре-
ва и плавления. Разнофракционность сырьевых материа-
лов затрудняет усреднение состава шихты и даже рас-
плава. Наиболее эффективно применение базальта, раз-
меры кусочков которого составляют от 5 до 20 мм.
Заметно влияние скорости вращения печи на процесс
плавления шихты и качество расплава. С увеличением
скорости вращения печи от 0,25 до 0,60 обочин продол-
жительность плавки сокращается примерно на 20%. Од-
нако, как отмечено выше, с увеличением скорости вра-
щения печи ускоряется износ футеровки, тем самым уве-
личивают теплопотери и в итоге удлиняется время
плавки.
Одним из существенных технологических недостатков
вращающейся плавильной печи является получение рас-
плава с относительно повышенной физической и химиче-
ской неоднородностью. В этом отношении более прием-
лемы ванные плавильные печи. Применение вращающих-
ся плавильных печей более эффективно в эксперимен-
тальных целях для получения расплавов со специфичес-
кими свойствами на базе различных шихт.
Независимо от характера плавильных печей при по-
лучении расплава целесообразно перемешивать твердо-
жидкую массу и форсировать подъем температуры,
138
Б силу особенностей петрургических.расплавов их го-
могенизацию следует проводить в подвижном слое высо-
той 150—200 мм при максимально-заданной температу-
ре- печи.
Температура расплава в копильнике должна превы-
шать на 40—60 град температуру разливки. Струя рас-
плава у летки при разливке должна постоянно обогре-
ваться во избежание образования настылей.
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ФУТЕРОВОЧНЫХ плит
Большинство камнелитейных предприятий в нашей
стране и за рубежом производят футеровочные плиты
различных размеров и фасонов для замены металличес-
кой брони в оборудовании, агрегатах и емкостях. Из чис-
ла выпускаемых плит ведущее место занимают малые
футеровочные плиты стандартного размера согласно ТУ
21-02-383—68. Футеровочные плиты размером 185X115Х
Х18—20 мм и массой 1,05—1,15 кг каждая применяют в
химической промышленности для футеровки агрегатов и
емкостей, используемых для выработки или хранения аг-
рессивных сред, а также в других отраслях промышлен-
ности для защиты оборудования и транспортных средств
от абразивного истирания.
Процесс получения малых футеровочных плит в ос-
новном механизирован. На Донецком комбинате имеет-
ся самостоятельная механизированная технологическая
линия по производству малых плит. В систему этой ли-
нии входят передвижной расплавоприемник, стационар-
ный копильник, два транспортера, кристаллизационная
и две отжигательные печи. Подвижный расплавоприем-
ник предназначен для отбора расплава из плавильных
печей и передачи его в стационарный копильник. Его ус-
тройство сходно с устройством вращающейся плавиль-
ной печи, но он меньших размеров и торцовые отверстия
для отопления (а также заполнения расплава) и удале-
ния продуктов сгорания размещены выше продольной
оси барабана. Расплавоприемник футеруют хромомагне-
зитовым клиновым кирпичом ХМ-9, ХА1-8 и ХМ-I. Об-
щий расход футеровки на один расплавоприемник со-
ставляет 2,2 т. Емкость расплавопрнемника 1 т. это со-
ответствует объему расплава одной плавки. Расплав из
печи выливают в расплавоприемник с помощью желоба.
139
Заполненный расплавоприемник перемещают тельфером
и устанавливают на самоходную тележку, далее мосто-
вым краном расплавоприемник устанавливают на стенд
с роликовыми подшипниками. Механическим поворотом
расплавоприемника расплав выливают в стационарный
копильник, размещенный на роликовых опорах под рас-
пл авоприемником.
Стационарный копильник имеет емкость 3 т распла-
ва. Футеруют его хромомагнезитовым кирпичом марок
ХМ-9 и ХМ.-1. Общий расход огнеупоров на футеровку
копильника составляет 4,5 т. Копильник, как и расплаво-
приемник, независимо от того, есть ли в нем расплав, по-
стоянно обогревают коксовым газом.
Отливку плит производят в кокили, штампованные из
жаропрочной стали 1Х18Н10Т толщиной 6 мм. По тех-
нологическому режиму кокили перед заливкой расплава
должны иметь температуру 150—200° С. Практически
подогревать кокили не приходится, так как, находясь в
обороте, они постоянно имеют температуру, близкую к
указанной. Перегревать кокили не следует, так как рас-
плав в этом случае прихватывается к металлу. Во избе-
жание локального прихватывания расплава к кокилю
струю при заливке следует перемещать. Разливку рас-
плава из стационарного копильника ведут непрерывной
струей в кокили, перемещаемые на транспортерной лен-
те. При непрерывном истечении струи расплава и движе-
нии транспортера с кокилями каждая пара кокилей свя-
зывается между собой перемычкой из расплава. В связи
с этим заливаемые кокили размещают на маленьком
транспортере и задают определенную скорость, встык с
ним действует основной транспортер с другой скоростью.
За счет разницы в скоростях указанных транспортеров
перемычка между транспортерами разрывается. При
подходе к кристаллизатору залитые кокили вручную по-
мещают в муфели кристаллизатора. Схема комплекса
механизированной отливки малых футеровочных плит
изображена на рис. 42.
Кристаллизатор представляет собой муфельную печь
с 12 рабочими желобами, торцы которых открыты. Выло-
жен он шамотным кирпичом и укреплен металлическим
каркасом. Желоба в виде фигурных блоков изготовлены
из динаса. Длина каждого желоба 2,5 м, в нем размеща-
ют 16—18 залитых расплавом кокилей. Отапливают кри-
140
сталлизатор коксовым газом с помощью двух горелок,
расположенных с противоположных сторон печи. Расход
газа составляет 60 м3/ч. Температура во всех желобах в
основном одинаковая (900° С). Плиты из базальтового
расплава кристаллизуют при указанной температуре в
Рис. 42. Схема комплекса отлива малых футеровочных плит:
1 копильник; 2 — миксер; 3 — опорные конструкции: 4 — зали-
вочный конвейер; 5 — кристаллизационно-муфельная печь:
й — привод конвейера
течение 6—8 мин, после чего их выталкивают из желобов
и направляют без кокилей в отжигательную печь. Осво-
божденные кокили возвращают цепным транспортером
на повторную заливку. По мере деформации кокили под-
вергают правке.
Время и температура кристаллизации плит зависит
от состава шихты. Чем больше значение коэффициента
кислотности шихты, тем продолжительнее время крис-
таллизации и выше температура. Например, плиты из
расплава, полученного из топливных зол, кристаллизу-
ют при температуре 920—960°С в течение 8—10 мин. а
из горелой шахтной породы при 950—1000е С в течение
8—10 мин. Отклонения в температуре кристаллизации
как в сторону увеличения, так и снижения, приводят к
росту остаточного стекла и нежелательным структурным
изменениям. Сокращение или удлинение продолжитель-
ности кристаллизации отливок приводят в первом случае
к росту остаточного стекла, во втором — к укрупнению
кристаллических зерен структуры.
Закристаллизованные плиты для снятия внутренних
141
напряжений, возникающих в процессе кристаллизации,
подвергают отжигу, т. е. медленному охлаждению. Для
отжига малых футеровочных плит на комбинате дейст-
вует две туннельные отжигательные печи с подовыми
малогабаритными тележками. Длина закрытой части ка-
ждой печи 21,5 м, а открытой 5 м. Тележки проталкива-
ют в печь цепным толкателем и возвращают к головной
части печи тельфером. Печи отапливаются коксовым га-
зом, расход которого на одну печь составляет 120 м3/ч.
Каждая тележка имеет высокие металлические борта, и
плиты для отжига поступают в нее насыпью. Бессистем-
ная загрузка тележек плитами создает для каждой из
них почти равные тепловые условия, что обеспечивает
равномерное охлаждение. Весь процесс отжига длится
10—11 ч, при этом температура снижается равномерно с
800 до 40—50° С. Производительность одной отжигатель-
ной печи составляет 0,42 т/ч.
Качество отжига плит зависит не только от техноло-
гических параметров, но и от ритма загрузки. В случае
задержки в загрузке плит часть тележек проталкивают
вхолостую, что приводит к нарушению теплового режима
и снижению качества продукции.
По выходе из отжигательной печи плиты осматрива-
ют и отбивают приливы. В процессе приемки выбрако-
вывают плиты при наличии трещин, остекления и нару-
шений геометрических размеров.
Технология получения малых футеровочных плит на
Московском камнелитейном заводе почти аналогична
описанной выше, однако имеет свои особенности. Метал-
лический транспортер с кокилями всего лишь один и дви-
жется он равномерно с короткими ритмичными останов-
ками. Струя расплава толщиной 20 мм льется непрерыв-
но, и кокили заливают во время кратковременной останов-
ки транспортера. Залитые кокили транспортером подают
к кристаллизатору, где их вручную размещают на
наружной полке в один поперечный ряд. Затем с помо-
щью пневматического толкателя они поступают в жело-
ба кристаллизатора.
Кристаллизатор по конструкции тоже муфельного
типа, однако отличается материалом желобов и их раз-
мещением. Каждый желоб печи представляет собой ка-
нал, образуемый двумя двутаврами из жаропрочной ста-
ли, установленными друг па друга. Все желоба располо-
142
I жены в два ряда но вертикали. Желоб имеет размер в
' сечении 280x70 мм и в нем размещают 14 кокилей.
Кристаллизацию плит производят при 900—920°С в
течение 7—9 мин. Закристаллизованные плиты выталки-
вают из кристаллизатора и уже без кокилей направляют
для отжига в туннельную печь, в которой они медленно
охлаждаются с 820 до 50—60°С в течение 10—11 ч.
Отжигательная печь имеет длину 25 м, высоту рабо-
чего пространства 1,1 м, ширину 1,3 м. В печи по рель-
сам передвигаются вагонетки, на которых установлены
чугунные коробы. Отжиг плит производят в коробах, ку-
да они поступают из кристаллизатора через посадочное
окно туннельной печи. В каждый короб помешают до
, 600 плит. Кристаллизационная и отжигательные печи
отапливаются природным газом. Температуру в них кон-
, тролируют стационарными термопарами.
Отожженные плиты по выходе из туннельной печи ох
। лаждают па воздухе в коробах в течение 3—4 ч, затем
производят отбраковку в соответствии с техническими
условиями: наружным осмотром, замером шаблоном и
простукиванием металлическим молотком. Одновремен-
но с этим отбивают заусенцы. В зависимости от степени
отклонения линейных размеров плиты делят на
два сорта.
По техническим условиям Московского камнелитей-
ного завода малые футеровочные плиты должны иметь
равномерную мелкокристаллическую структуру, пра-
вильную геометрическую форму без выступающих при-
ливов и заусенец. Плотность плит 2,9—3 г см3, водопо-
глощение 0,01—0,03%, удельные потери при истирании
на круге ЛКИ не более 0,04 г!см\ кислотостойкость в
серной кислоте не ниже 99%, в соляной кислоте — не ни-
же 92%. Допустимые отклонения по линейным разме-
рам: длине и ширине ±2 мм, высоте —1.5 мм. Масса од-
ной плиты 1,1 кг, в квадратном метре 48 штук, масса од-
ного квадратного метра 52,8 кг.
Учитывая, что малые футеровочные плиты у боль-
шинства камнелитейных предприятий являются ведущей
продукцией, петрурги решают проблему полной механи-
‘ зации процесса производства таких плит.
В 1950—1952 гг., по предложению Я. О. Борухина, на
Московском камнелитейном заводе смонтировали опыт-
но-промышленную установку по производству малых
143
футеровочных плит в металлических теплоизолирован-
ных формах. В результате нерешенной проблемы по до-
зировке расплава и некоторых конструктивных недостат-
ков освоение данной установки не дало положительных
результатов. Институт «Гипростроммашина» (г. Киев)
при участии Донецкого комбината камнелитых и кера-
мических изделий разработал и смонтировал машину
для производства малых футеровочных плит способом
Рис. 43. Общий вид машины для производства малых футеровочных плит
способом бескокильной кристаллизации:
/ — питатель; 2— отсекатель; 3 — подпрессовщик; 4 — рамка; 5 — поворот-
ный стол; 6 — выталкиватель; 7 —толкатель; 8 — поддон; 9 — тележка
I
бескокильной кристаллизации. В настоящее время эта
машина испытывается на комбинате.
Машина (рис. 43) состоит из металлического карка-
са, поворотного стола с формами, подпрессовывающего
механизма, толкателя, привода и различных вспомога-
тельных устройств. Каркас машины сварен из проката.
На раме машины расположен шариковый поворотный
круг, на который опирается поворотный стол с 27 фор-
мами. Каждая форма представляет собой рамку с под-
вижным дном в виде полого выталкивателя, способного
перемещаться в вертикальном направлении.
144
Положение выталкивателей определяется кедшДОм.
По периметру поворотного стола закреплены девять сек-
торов, в которых расположены каналы водяного охлаж-
дения. Все формы охлаждаются проточной водой. При-
вод поворота стола цепочный.
Специальным механизмом поворотному столу прида-
ется прерывистое движение, необходимое для периодиче-
ской заливки форм расплавом. Непрерывная струя рас-
плава из копильника по лотку направляется в форму
стола. После заливки формы производится импульсный
поворот стола на V27 его окружности и под струю попа-
дает очередная форма. В момент поворота стола струя
расплава отводится на сброс отсекающим устройством.
Синхронно с поворотом стола действует подпрессовываю-
щее устройство. Далее, когда расплав в форме затверде-
ет с поверхности, срабатывает выталкиватель и подни-
мает плиту из формы на уровень плоскости рамок и пода.
К этому времени после пятого поворота стола вклю-
чается толкатель и он незначительно отходит назад, опу-
скается и затем движется вперед, перемещая по пути
плиты, вновь поднимается и устанавливается в исходное
положение.
Таким образом, отформованные плиты поступают на
металлический жаропрочный под кристаллизационно-от-
жигательной печи в зону кристаллизации. Под кристал-
лизатора находится во втором ярусе кристаллизационно-
отжигательной печи и имеет уклон. В первом ярусе печи
на рельсах двигаются тележки. По мере перемещения
толкателем плит на поду кристаллизатора они скользят
по уклону и попадают на тележку. Заполненная плита-
ми тележка проталкивается печным толкателем в отжи-
гательную зону печи.
В процессе освоения машины отрабатываются от-
дельные ее узлы и детали. Машина рассчитана на произ-
водительность 7200 т малых футеровочных плит в год.
Ее размеры следующие: длина 9,6 .я. ширина 3.45 .я, вы-
сота 2,2 м, масса 9,8 т. Общая установочная мощность
печи 10 кет, расход воды 10 м31ч.
В автоматизации процесса разливки расплава имеют-
ся большие трудности, связанные с колебаниями толщи-
ны струи, которая зависит от температуры и массы рас-
плава, его вязкости, склонности расплава к образованию
настылей и других факторов.
10—1058
145
ПРОИЗВОДСТВО БОЛЬШИХ ФУТЕРОВОЧНЫХ плит
В настоящее время камнелитейные предприятия про-
изводят большие футеровочные плиты: гладкие, рифле-
ные, с отверстиями, высотой 30—40 мм, площадью 250X
Х250, 250X180, 360x235, 400x360 мм и др.
Большие футеровочные плиты предназначены для
футеровки бункеров, течек, рамп коксохимических заво-
дов, каналов гидрозолоудаления, полов промышленных
помещений и др. Отливают такие плиты в песочно-глини-
стые или металлические формы, кристаллизуют и отжи-
гают в камерных и туннельных печах. Технология произ-
водства больших футеровочных плит на каждом пред-
приятии имеет свои особенности.
На Донецком комбинате камнелитых и керамических
изделий большие футеровочные плиты отливают в песоч-
но-глинистые формы, причем почти весь процесс произ-
водства механизирован. Производство плит ведется со-
гласно ТУ 21-02-383—68. Формы изготавливают вручную
с применением пневмотрамбовок. Формовочную смесь в
зависимости от размеров отливок приготовляют из 55—
60% формовочного песка, 30—40% горелой смеси (ис-
пользованные формы) и 9—12% огнеупорной глины.
Глину используют Часов-Ярского месторождения Донец-
кой области, а формовочные пески — Бантышевского ме-
сторождения Донецкой области или Гусаровского место-
рождения Харьковской области.
Для производства стержней приготавливают смесь
следующего состава: 72% формовочного песка, 15% ог-
неупорной глины, 12% древесных опилок и 1% сульфид-
ной барды. Горелый формовочный песок из тележек в
районе головной части туннельной печи по течке посту-
пает в формовочное отделение, где транспортером пода-
ется в смешивающие бегуны. Песок и глинистая эмуль-
сия тоже механически транспортируются в бегуны.
Формовочную смесь приготовляют на бегунах в тече-
ние 10—12 мин при влажности 5—6%. Глину с водой
приготовляют в виде эмульсии, для этого глину предва-
рительно сушат и размалывают. Высушенные образцы
из формовочной смеси имеют предел прочности на раз-
рыв 0,6—0,65 кГ1см2.
Модели применяют в основном деревянные и реже
алюминиевые. Деревянные модели для большего срока
146
эксплуатации зачастую обшивают с торцов металличес-
кими пластинами. Для получения рифленых плит при-
меняют соответствующие модели, а для плит с отверс-
тиями в формы вставляют стержни.
Учитывая высокую кристаллизационную способность
расплава, на Донецком комбинате камнелитых и кера-
мических изделий формы не прокаливают, а сушат в ка-
мерном сушиле при температуре 150—200еС в течение
Рис. 44. Общий вид установки для разливки расплава при производстве
больших футеровочных плит и фасонного литья:
1 — копильник; 2 — стенд передвижной; 2— песочно-глинистая форма: 4—те-
лежка; 5 — туннельная печь; 6—передвижная тележка; 7 — горелки:
8 — шпбер
2—2,5 ч. Перед заливкой формы практически холодные,
но высушенные.
Для разливки расплава в формы в торце головной
части кристаллизационно-отжигательной туннельной пе-
чи имеется установка, состоящая из станины, передвиж-
ного стенда и расплаво-приемника (рис. 441. Расплаво-
приемник после заполнения устанавливают на передвиж-
ной стенд. Конструктивно расплавоприемник выполнен
так, что может перемещаться поперек продольной печи
и вращаться вокруг своей оси. Перед заливкой на одну
из вагонеток печи устанавливают в один ряд формы,
после чего с помощью реечного толкателя тележку под-
гоняют под расплавоприемник. При заливке форм ко-
пильник передвигается, заливая первый ряд форм, после
этого тележка передвигается механически вперед с тем.
чтобы струя расплава попала на второй ряд плит. Мани-
пулируя перемещением копильника и тележки, произво-
дят заливку всех установленных форм. Вслед за этим
автоматически открывается шибер печи и тележка посту-
10*
147
пает в печь. Согласно выработанному режиму ежечасно !
с интервалом в 20 мин производят заливку форм трех |
тележек. Литейщик, находясь у пульта управления, вы- '
полняет все операции, связанные с разливкой расплава
и подачей тележек в туннельную печь.
Кристаллизационно-отжигательная печь представля- »
ет собой туннель длиной 52 м, шириной (внутри) 1,3 м
и высотой (внутри) 0,9 м. Выложена она из шамотного
кирпича и укреплена металлическим каркасом. Для гер-
метичности печь имеет песочные затворы. Торцовая часть
печи закрывается футерованным шибером, а хвостовая—
двухстворчатой металлической дверью. В головной час-
ти печи, в зоне кристаллизации, с обеих сторон разме- i
щено по 13 горелок, работающих на коксовом газе. Про- >
дукты сгорания отбираются вентилятором ЭВР-10. В пе-
чи размещается 37 тележек, футерованных шамотным
кирпичом. Тележки из туннельной печи выдаются элек- i
тролебедкой и возвращаются к заливочной площадке по f
обгонному пути. 1
Печь имеет две зоны: кристаллизационную длиной
6—8 м и отжигательную. Температуру в зоне кристалли-
зации поддерживают в пределах 920—960° С. Отжиг ве-
дут 12—18 ч в зависимости от массы отливок и их слож-
ности. Температурный режим в туннельной печи контро-
лируется шестью хромель-алюмелевыми термопарами
в комплекте с электронным потенциометром ЭПП-09. 1
Процесс сортировки больших футеровочных плит та-
кой же, как и малых плит. Принятые плиты, как боль-
шие, так и малые, укладывают в контейнеры и с по- р
мощью электротельферов вывозят на эстакады для по-
грузки в авто- или железнодорожный транспорт. .1- \
На Московском камнелитейном заводе большие фу- i
теровочные плиты производят как в песочно-глинистые,
так и водоохлаждаемые металлические формы. Для про- |
изводства песочно-глинистых форм применяют кварце-
вый песок Люберецкого карьера Московской области и
глину огнеупорную Латнииского месторождения Воро-
нежской области. Формы изготовляют из кварцевого пе-
ска (20%), глины (20%) и горелой земли (50%). Глину I
и горелую землю предварительно перерабатывают. Гли- /
ну сушат на сводах туннельной печи в течение 24 ч, за- !
тем измельчают на бегунах и пропускают через грохот
с 2—4 отв1см2 для отсева инородных тел.
148
Па бегунах предварительно перерабатывают горелую
землю, затем добавляют глину и перемешивают в тече-
ние 10 мин. После этого добавляют кварцевый песок,
вновь перемешивают и постепенно вводят до 8% воды.
Готовую формовочную смесь передают в формовочное
отделение.
Для приготовления форм применяют алюминиевые
модели. Чаще всего используют подмодельные плиты с
четырьмя алюминиевыми моделями. При формовании
плиту устанавливают в деревянную опоку с металличе-
скими ребрами. Во избежание прихватывания формовоч-
ной смеси модели припудривают порошком из хромисто-
го железняка. Предварительно опоки набивают неболь-
шим слоем формовочной смеси. Далее для прочности
формы устанавливают проволочный каркас толщиной
5 мм, засыпают формовочную смесь и трамбуют пневма-
тической трамбовкой. После этого на заформованнхю
опоку укладывают металлический лист, переворачивают
ее и извлекают подмодельную плиту с моделями. Для
изготовления стержней применяют смесь: 40—60% асбе-
ста и 60—40% огнеупорной глины. Полученные формы
устанавливают на тележку и прокаливают в специаль-
ной зоне туннельной отжигательной печи при температу-
ре 600° С в течение 2 ч.
Прокаленную форму на четыре плиты извлекают из
печи вилами, подвешенными на монорельсе, устанавли-
вают на легкую тачку и отправляют к копильнику' ван-
ной печи для заливки расплавом. Перед заливкой форму
очищают от остатков формовочной смеси.
Залитые формы поступают в камерную печь для кри-
сталлизации отливок. Камерная печь размером З.ЗХ
X2,5X2 м изготовлена из шамотного кирпича и метал-
лического каркаса. С двух противоположных сторон печь
имеет проемы, закрываемые шиберами. На поду печи,
по длине, уложены два швеллера из жаропрочной стали.
Для посадки в камерную печь залитую форму вместе
с тележкой устанавливают на механический подъемный
стол и поднимают до уровня подины печи, затем форму
вместе с металлическим поддоном помещают на один из
швеллеров печи. На каждый швеллер помещают по три
формы.
Кристаллизацию плит ведут при температуре 900—
920° С в течение 15—20 мин в зависимости от массы от-
149
Ливии. Закристаллизованные плйтЫ вместе с формами'
извлекают вилой и размещают па тележку, ранее осво-
божденную от прокаленных форм. Плиты с формами гру-
зят на тележки в 2—3 ряда и проталкивают в отжига-
тельную туннельную печь. Отжиг плит производят при
температуре 850—50° С в течение 16—20 ч. После отжига
плиты извлекают из форм, очищают от остатков формо-
вочной смеси и заусенец и отправляют на отбраковку.
На Московском камнелитейном заводе кокильным
методом организовано производство футеровочных плит
размером 250X180X30 мм, предназначенных для вы-
кладки полов промышленных зданий. Установка по от-
ливке плит кокильным методом разработана Киевским
институтом «Гипростроммашина» при участии Московско-
го камнелитейного завода [17, с. 24]. В этой установке
механизированы все производственные операции, за ис-
ключением заливки расплава, которая осуществляется
вручную из ковша. Расплав вместе с кокилем поступает
в кристаллизационную печь, где кристаллизуется при
900—920°С в течение 7—9 мин. Закристаллизованная
плита выбивается из кокиля и поступает в отжигатель-
ную печь, где постепенно в течение 10—11 ч охлаждает-
ся с 820 до 50—60°С. Днища в кокилях — водоохлажда-
емые. Производительность установки 150 т в месяц.
В цехе каменного литья ЮГОКа большие плиты от-
ливали в графитовых кокилях. Кокили устроены таким
образом, что две их стороны открыты. Перед заливкой
расплава кокили закрывают стальными пластинами тол-
щиной 4 мм. Заливку производят непрерывно, поэтому
лоток, на котором в ряд расположены кокили, периоди-
чески проталкивают гидравлическим толкателем по мере
заливки каждого кокиля. Проталкиваемый лоток с ко-
килями попадает в кристаллизационную печь, где проте-
кает процесс кристаллизации плит при температуре
900 950° С в течение 10 12 мин. В дальнейшем плиты
уже без кокилей поступают в отжигательную печь.
Более эффективна технология получения крупных
плит и фасонных изделий в металлических кокилях, раз-
работанная институтом «Гипростроммашина» и освоен-
ная цехом каменного литья на ЮГОКе. Технологические
параметры получения литья рассчитаны на расплав из
шихты на основе базальта и металлургического шлака.
Отливку квадратных плит размером сторон 500, 1000
150
и 1500 мм, высотой 50 мм производят в металлических
кокилях, состоящих из чугунного основания толщиной
50 мм (нижняя внутренняя часть рифленая), трех непо-
движных и одного подвижного съемных бортов в виде
брусков из стали сечением 80/80 мм и рамы из швелле-
ра № 12 для установки бортов.
Монтаж кокиля (рис. 45) и заливку расплава произ-
водят следующим образом. Плиту вставляют в раму и
Рис. 45. Схема кокиля для отливки футеровочных вант.
I рама; 2 — плита; :1 — борт; 4 — борт продольный 5— 'ер- л:
перечный
монтируют три неподвижных и один подвижный берта
по шаблону в зависимости от размера отливаемой пли-
ты. Перед первой заливкой кокиль нагревают до 250—
300° С, вставляют металлический каркас, нагретый до
100° С, и рабочую поверхность формы покрывают тон-
ким слоем графитовой пыли. Расплав с гемператхрей
1250° С заливают из переносного ковша. После выдерж-
ки в течение 7—7,5 мин производят распалубку кокиля,
и отлитую плиту с помощью вилы загрузочной машины
похмещают на поддон кристаллизационно-отжигательной
печи.
В цехе каменного литья Первоуральского завода гор-
ного оборудования отливку плит производят в холодные
песочно-глинистые формы и после 5—10 ж:.-, выдержки
расплава в форме последнюю разрушают и плиту направ-
ляют на отжиг. Учитывая высокую кристаллизационную
способность расплава (на основе горнблендита», плиты
почти полностью кристаллизуются в формах.
В соответствии е техническими условиями к готовым
151
плитам различных размеров и фасонов предъявляют оп-
ределенные требования. Для больших плит гладких и
рифленых допустимые отклонения в линейных размерах
следующие: по длине ±4 мм, ширине ±3 мм и высоте
±3 мм. Разница в высоте плит в различных ее точках
6 мм, стрела прогиба 3 мм. Допускается остекление по-
верхности на глубину до 5 мм, а также сколы, зазубри-
ны и щербины на нерабочей поверхности плиты. Фасон-
ные плиты для каналов гидрозолоудаления могут иметь
отклонения по длине и ширине ±5 мм и высоте +12—
8 мм. Разница в высоте различных точек плиты не более
12 мм, стрела прогиба до 5 мм.
В плитах (кирпичах) для футеровки шаровых мель-
ниц допустимы отклонения по длине — 3 + 2 мм, ширине
±2 мм и высоте ±6 мм.
Для производства 1 т камнелитых изделий на Мо-
сковском камнелитейном заводе расходуется 1,046 т ба-
зальта, 0,185 т горнблендита, 0,025 т хромистого желез-
няка, 0,989 т кварцевого песка, 0,603 т огнеупорной гли-
ны, 0,87 т условного топлива, 100 квт-ч электроэнергии,
40 кг металла.
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ФАСОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
Из фасонных изделий на камнелитейных предприя-
тиях производят: трубы и патрубки; колена, тройники и
диффузоры к трубопроводам; гидроциклоны и детали
к ним; желоба для гидрозолоудаления на электростан-
циях; фасонную футеровку, шары для шаровых мельниц
и др. Из производимых камнелитых изделий особый
практический и теоретический интерес представляют тру-
бы, описание технологии производства которых приведе-
но в гл. V.
Существующая технология камнелитейного производ-
ства предусматривает в основном изготовление фасон-
ных камнелитых изделий в песочно-глинистых формах.
Однако в ряде случаев для производства крупных изде-
лий более сложной конфигурации применяют металли-
ческие сварные формы, служащие одновременно защит-
ным и монтажным кожухом изделий. Некоторые изделия
отливают в металлических кокилях статическим или
центробежным методами.
Металлические формы и кокили имеют преимущество
152
перед песочно-глинистыми формами, так как при этом
получают изделия с более точными геометрическими раз-
мерами и более чистой поверхностью. Одновременно с
этим применение металлических форм и кокилей повы-
шает производительность труда, способствует механиза-
ции и автоматизации отдельных звеньев технологическо-
го процесса, облегчает монтаж конструкций из камнели-
тых изделий в металлических кожухах, повышает
культуру производства.
Недостатком применения металлических форм и ко-
килей является сложность их изготовления и дефицит-
ность материала.
Технология производства отдельных видов фасонных
изделий имеет следующие особенности.
Секторы и детали желобов предназначены
для гидрозолоудаления на тепловых электростанциях.
Более проста технология получения отдельных деталей
желобов. Секцию желоба, имеющего обычно полукруг-
лую форму, изготовляют из трех деталей (основания и
двух боковин), имеющих скошенные торцы и с внутрен-
ней стороны овальную поверхность. Чаще всего боковые
части сектора желоба имеют размер 500X300X40 мм,
весит каждая боковая часть 18 кг, нижняя часть имеет
размеры 500X400x50 мм и весит 30 кг. Детали сектора
желоба отливают в песочно-глинистые формы по техно-
логии, аналогичной для больших футеровочных плит.
Секторы желоба изготовляют размером по радиусу
174 мм, высоте 200 мм и толщине 25 мм.
На Донецком комбинате камнелитых и керамических
изделий секторы желобов отливают в просушенные пе-
сочно-глинистые формы с прибылями. После заливки
расплавом и выдержки на воздухе около 5 мин форму
разрушают, отливки укладывают по 14—15 штук на те-
лежку и направляют в туннельную печь. Режим кристал-
лизации и отжига секторов такой же, как для фасонных
плит, однако общий цикл термообработки несколько по-
вышен и достигает 20 ч.
Институт «Гипростроммашина» сконструировал для
цеха каменного литья ЮГОКа металлический кокиль для
производства цельнолитых секторов желоба длиной
750 мм, сечением 410X360X260 мм с толщиной днища
50 мм и стенок 40 мм. Кокиль (рис. 46) состоит из водо-
охлаждаемого стального стержня с толщиной стенок
153
20 мм и двух стальных съемных бортов с толщиной сте-
нок 30 мм.
Для отливки сектора желоба на основание стержня
кокиля устанавливают и закрепляют борта и укладыва-
ют арматуру. После этого производят заливку расплава
и после 6—7-мин выдержки с помощью кранбалки демоп-
? 3 *
тируют кокиль и отлитый сектор направляют в туннель-
ную печь для термообработки.
Колена для трубопроводов из камнелитых труб на
Донецком комбинате камнелитых и керамических изде-
лий отливают в металлических кожухах с фланцами с пе-
сочно-глинистыми стержнями. Стержневую смесь при-
готовляют из часов-ярского формовочного песка (70%)»
горелой земли (23%), огнеупорной глины (2%) и дре-
весных опилок (5%). Для улучшения газо-и паровыде-
ления в стержне создают воздушный канал, для чего при
формовке вкладывают шпагат, покрытый парафином.
Перед заливкой расплава производят сборку формы
на тележке в следующем порядке. В выемку чугунного
поддона помещают стержень. На него устанавливают
кожух из двухмиллиметрового железа и нижний его фла-
нец прикрепляют скобами к поддону. Собранную форму
154
устанавливают на ребро поддона и подпорками закреп-
ляют с таким расчетом, чтобы второй торец колена на-
ходился в вертикальном положении. Далее на этот торец
укладывают тонкое металлическое кольцо с диаметром
на 10 мм меньше диаметра кожуха колена. За счет этого
кольца на отливку обра-
зуется насечка, облегча-
ющая скалывание при-
быльной части. Сверху
кольца ставят песочно-
глинистую форму для
прибыли. На каждой те-
лежке монтируют по че-
тыре формы и затем за-
ливают их расплавом.
Залитые формы выдержи-
вают на воздухе 3—4 мин,
после чего направляют
в туннельную печь для
термообработки отливки.
Кристаллизацию колен
ведут при 920—930° С,
время отжига 16—20 ч.
После термообработки
производят демонтаж
формы, отбивку при-
быльной части и выбивку
стержня. Кожухи колен
очищают от окалины и
Рис. 47. Схема для установки от-
ливки колен:
1 — кольцо монтажное: 2 — заглуш-
ка; 3 — стойка; 4 — стальное колено:
5 — литниковая чаша
окрашивают.
Несколько совершеннее технология отливки колен ме-
тодом намораживания на корпус, предложенный инсти-
тутом «Гипростроммашина». Созданная для этих целей
установка (рис. 47) состоит из литого стального колена,
подставки, монтажных металлических колец и заглушки
из графита. Колено с углом поворота 90° имеет внутрен-
ний диаметр 150 мм и толщину стенки 10 мм. Находясь
на подставке, колено может поворачиваться вокруг сво-
ей продольной оси на 150°. Нижний торец колена закры-
вают графитовой заглушкой, а верхний замыкают гра-
фитовой литниковой чашей. Заглушку и литниковую ча-
шу закрепляют монтажными металлическими кольцами.
Внутренний диаметр кольца на 8 мм меньше внутренне-
155
го диаметра отливаемого колена, а наружный соответ-
ствует размеру наружного диаметра кокиля. Расплав,
температура которого 1250° С, заливают в холодный ко-
киль. Залитый расплав охлаждают в течение 12—14 мин,
при этом толщина намороженного слоя достигает 25 мм.
В последующем снимают литник и поворачивают колено
на 90—100° для выливки остаточного расплава. После
этого снимают заглушку и отливку вместе с металличе-
ским коленом помещают в кристаллизационно-отжига-
тельную печь.
Учитывая трудоемкость указанных выше способов по-
лучения колеи, на Донецком комбинате камнелитых и
керамических изделий разработан метод отливки колен
центробежным методом. По этому методу изготовляют
три цилиндрической формы кожуха с фланцами и с их
помощью отливают центробежным методом три корот-
кие трубы. Торцы двух кожухов с одной стороны среза-
ны под углом 90°, а с другой — под углом 22,5°. В треть-
ем кожухе оба торца срезаны под углом 22,5°. Благодаря
таким срезам при монтаже трех кожухов можно по-
лучать трубу или колено в зависимости от степени по-
ворота отдельных кожухов. Для заливки расплава три
кожуха монтируют в виде трубы, с тем чтобы на центро-
бежной машине можно получить камнелитую футеровку
в смонтированном кожухе. В процессе монтажа кожухов
в трубу между фланцами вставляют тонкие металличе-
ские шайбы с внутренним диаметром 140—150 мм в за-
висимости от задаваемой толщины стенок отливаемого
колена. Шайбы служат для образования насечек в отли-
ваемой трубе, необходимых для облегчения расчленения
отлитой трубы на составные три части. После термооб-
работки трубу расчленяют на три части и монтируют
колено. Для герметизации стыков колена применяют кис-
лотоупорную замазку.
Тройники, как и колена, являются составными ча-
стями трубопроводов. Отливают их в металлических
сварных кожухах с применением песочно-глинистых
стержней.
Формы монтируют на тележках туннельной части в
следующем порядке. Кожух тройника большим растру-
бом ставят на под тележки и в него вставляют большой
стержень, центрируемый и закрепляемый торцовыми ме-
таллическими крышками. Одновременно с этим крышки
156
прикрепляют хомутами к фланцам кожуха. Далее в вер-
тикально расположенный малый раструб тройника встав-
ляют малый стержень, входящий нижним концом в знак
большого стержня. Верхний конец малого стержня цен-
трируют при помощи жеребеек.
Расплав заливают в малый раструб через предвари-
тельно установленную песочно-глинистую прибыль. За-
ливка расплава и термическая обработка отливок ана-
логичны заливке и обработке колен.
Диффузоры являются составной частью системы
гидрозолоудаления на тепловых электростанциях и слу-
жат для изменения скорости движения пульпы из золы
и воды. Отливают их в металлических кожухах с песоч-
но-глинистыми стержнями. Технология термической об-
работки диффузоров такая же, как для колен и трой-
ников.
Детали гидроциклонов: наконечники, насад-
ки и вкладыши изготовляют на Донецком комбинате и
Московском камнелитейном заводе. Отливают эти изде-
лия в закрытых песочно-глинистых формах со стержня-
ми из кварцевого песка и асбеста. Модели применяют
деревянные и алюминиевые.
Первоначально изготовляют нижнюю полуформу, за-
тем сверху ставят опоку и набивают вторую полуформу.
Далее форму разбирают, извлекают модель, прорезают
литники и выпары и устанавливают стержни. Литнико-
вые каналы, как правило, изготовляют щелевидной фор-
мы и подводят к боковым поверхностям формы с тем.
чтобы впоследствии можно было легко сбивать литники
без повреждения тела отливки. Стержни красят пудрой
из хромистого железняка. После подготовки полуформ
их собирают и центрируют по направляющим штырям,
при этом во избежание сдвига полуформ их скрепляют
проволочными шпильками. Собранные формы устанав-
ливают на поддоны и направляют в камерную печь для
сушки и прокалки. Сушку и прокалку ведут с медлен-
ным повышением температуры в течение 3 ч до 800—
850°С и выдержку при этой температуре в течение 7 ч.
Перед заливкой расплава формы извлекают из печи
и охлаждают до 600° С. В процессе заливки во избежа-
ние подъема верхней полуформы на нее устанавливают
груз. Для повышения напора расплава перед заливкой
на литник устанавливают металлическую прибыльную
157
форму диаметром 100 и высотой 100 мм. Залитые формы I
возвращают в камерную печь, где для кристаллизации I
выдерживают при температуре 850°С. Закристаллизо- ;
ванные отливки охлаждают в печи в течение 7—8 ч и на ।
воздухе в формах в течение 20—24 ч. ’
На Московском камнелитейном заводе освоено про- ;
изводство конусов гидроциклонов центробежным ме-
тодом.
На Донецком комбинате камнелитых и керамических >
изделий детали гидроциклонов отливают в песочно-гли-
нистых формах и металлических сварных кожухах, в ко-
торых они остаются и для эксплуатации.
Производимые камнелитейными предприятиями де-
тали гидроциклопов в большинстве случаев направляют
на Уфимский завод горного оборудования, где изготов- 1
ляют металлические гидроциклоны, футеруют их камен-
ным литьем и направляют для эксплуатации, и горно-
обогатительные комбинаты.
В цехе каменного литья ЮГОКа разработана техно- »
логия получения крупных секций гидроциклонов и цель-
нолитой каменной футеровки вертикальной части гидро-
циклона диаметром 350 мм.
Шары для шаровых мельниц отливают ста- 1
тическим и центробежными методами. Статическим ме-
тодом шары отливают в песочно-глинистые формы с при-
менением секционных алюминиевых моделей. Каждая ,
модель состоит из двух симметричных половинок, пред-
ставляющих собой круглые поддоны с вмонтированными ’
шестью полушарами, расположенными по кругу па рав-
пых расстояниях друг от друга. На тех же поддонах
вмонтированы модели литников, соединяющих полуша- ।
ры с моделью центрального стояка. I
Процесс формования ведут следующим образом. На ’
формовочный стол устанавливают поочередно поддон с I
полушарами, подмодельную плиту и опоку. После сбор- I
ки и центровки опоки с моделями производят засыпку
и трамбовку формовочной смеси. Далее снимают под- ‘
дон и извлекают из опоки половинку формы. Аналогич-
ным образом изготовляют вторую половинку формы. i
Полученные полуформы сушат в камерной печи при тем- ;
пературе до 150°С в течение 3 ч и перед заливкой рас- I
плава собирают их в стопки, следя строго за центровкой
каждой пары половинок. Заливку ппоц.зводят из ковша,
158
и после выдержки на воздухе {ВР1Ф~"жяи) форшт раз-
рушают и шары направляют в камерную печь для кри-
сталлизации и отжига.
Для отливки шаров центробежным методом на До-
нецком комбинате камнелитых и керамических изделий
была изготовлена несложная установка. Эта установка
состоит из станины, вертикального вала, кокиля из двух
половинок с пятью полушарами и электропривода. На
верху вала, приводящегося в движение электродвигате-
лем, жестко в горизонтальном положении закреплена
одна половинка кокиля. Вторую половинку кокиля по-
мещают над первой половинкой с помощью направляю-
щего штока. Кокили изготовлены из чугуна и имеют по
пять выемок-полушаров. Расплав заливают в централь-
ный стояк во время вращения кокиля. Залитые кокили
выдерживают на воздухе в течение 2 мин, затем разби-
рают. Извлекаемые из кокиля шары помещают на те-
лежки в горячий кварцевый песок и подвергают термо-
обработке. Шары отливают диаметром 86 и 100 мм и
массой 1 и 1,45 кг соответственно.
Шары, отлитые центробежным методом, по сравне-
нию с шарами, отлитыми статическим методом, имеют
более плотную структуру с незначительными усадочны-
ми раковинами. Учитывая, что верхние слои шаров за-
кристаллизованы из стекловидной фазы, их структура
более мелкозернистая и устойчивость абразивному исти-
ранию выше, чем у плиточных изделий. При производ-
стве шаров наблюдаются следующие виды брака: дефор-
мация, создаваемая при высокой температуре кристал-
лизации; остекление в результате низкой температуры
кристаллизации; недолив шаров при высокой вязкости
расплава; треск в результате неправильного режима
отжига.
Камнелитые шары применяют для размола в шаро-
вых мельницах сырьевых материалов лакокрасочной и
эмалевой промышленности. Опыт применения шаров для
размола цементов и углей не дал положительных ре-
зультатов.
Наряду с перечисленными изделиями камнелитейны-
ми предприятиями и экспериментальными базами освое-
на отливка секций звездчатых валков к грохотам для
сортировки углей на обогатительных фабриках, импелле-
ров со ступицами для флотационных машин, корпусов
159
центробежных насосов для перекачки абразивных и аг-
рессивных сред и других сложных фасонных камнелитых
изделий.
Имеется опыт отливки камнированных изделий. Сущ-
ность этого метода литья состоит в том, что для получе-
ния изделия предварительно
часть. Затем предварительно
Рис. 48. Схема комбинированной тепло-
изоляции формы:
1 — кокиль: 2 — баббит; 3 — каркас,
4 — крышка; 5 — пеношамот; 6 — отвер-
стия для термопар
отливают камнелитую его
подготовленную песочно-
глинистую форму вста-
вляют в указанную
камнелитую часть и
заливают расплав чу-
гуна. В итоге получа-
ют двухслойное изде-
лие, камнелитая часть
которой хорошо проти-
востоит абразивному
истиранию.
Институтом проб-
лем литья АН УССР
доказана возможность
отливки и кристалли-
зации фасонных изде-
лий в теплоизоляцион-
ных песочно-перлитовых формах [78, 79].
Лабораторией каменного литья Института стекла и
Московским камнелитейным заводом предложена новая
теплоизолированная форма для отливки фасонных изде-
лий [17, с. 173]. Форма (рис. 48) имеет двойные металли-
ческие стенки (кокиль) с баббитовым наполнителем меж-
ду ними. Для предотвращения потери тепла в атмосферу
форма защищена с поверхности теплоизоляционным мате-
риалом типа пеношамота. Экспериментальное опробова-
ние таких форм дало положительные результаты.
Практика применения кокильного литья показывает
большую его перспективность. Для выработки оптималь-
ных технологических параметров производства крупно-
габаритных камнелитых изделий в металлических коки-
лях необходимо определение влияния температуры рас-
плава и кокиля, а также скорости охлаждения отливки
на его фазовый состав. Фактически теплофизические па-
раметры расплава и формы вообще и кокиля в частно-
сти характеризуют скорость охлаждения расплава, и сле-
довательно, строения изделий.
160
Решение указанного вопроса показало [9; 17, с. 221},
что для успешного протекания процесса кристаллизации
необходимо, чтобы скорость охлаждения центральной
части отливки была близка к 50 град/мин, при значении
коэффициента теплопередачи от отливки к кокилю око-
ло 70 ккал) (м2 • ч-град). Для создания таких условий
необходимо предварительно нагреть кокиль до 250—
300° С, создать теплоизоляционное покрытие рабочей по-
верхности кокиля толщиной до 1,5 мм и обеспечить тем-
пературу заливаемого расплава 1220—1250° С. Приме-
нение расплава с повышенной температурой приводит к
существенному возрастанию объема усадочных раковин.
Такое явление свойственно главным образом отливкам,
изготовляемым в металлических кокилях.
При производстве крупногабаритных камнелитых из-
делий в металлических формах (кокилях), кроме отме-
ченных выше условий, рекомендуются следующие техно-
логические параметры:
1. Толщина стенки отливки должна быть 25—35 мм.
2. Время освобождения отливки из формы после ее
затвердевания не должно превышать 3 мин.
3. Литниковые системы целесообразно подводить
сверху формы. Размер сечения литниковых отверстий
можно определять по эмпирической формуле
FcyM = £ |/(80 —, ^4»
где Ксум — площадь сечения литниковых отверстии, .и.и-
(не менее 200 мм2);
б — толщина стенки отливки, м.ч;
т— масса отливки, кг\
k— коэффициент, зависящий от степени отвода
тепла со стенок отливки, равный 25—35.
При б>15 мм, k = 35; при б <15 мм, £ = 30, для пе-
сочно-глинистых форм £ = 25.
4. Общее время от заливки расплава в кокиль до по-
садки отливки в кристаллизационную печь не должно
превышать 10 мин, время выдержки отливки в кокиле
6—7 мин.
5. Кристаллизацию и отжиг изделий целесообразно
проводить по режиму: температура в головной части пе-
чи 800—850° С, подъем до температуры 900—950° С в те-
чение 1 —1,5 ч, выдержка при этой температуре 2—3 ч
и последующее охлаждение в течение 18—20 ч,
н—1058
161
| Вода
при этом не следует превышать скорость снижения тем-
пературы (не более 40 град!ч).
Согласно монтажным требованиям и необходимости
повышения прочности крупногабаритные камнелитые из-
делия армируют, применяя металлический каркас из
стальной проволоки диаметром 5—8 мм и закладные ме-
таллические. элементы. При производстве камнелитых из-
делии большое внимание уделяют их структуре. Разме-
ры кристаллических образо-
ваний в базальтовом камен-
ном литье, получаемом стати-
ческим методом, составляют
200—250 мкм. То же литье,
получаемое центробежным
методом, имеет кристалличе-
ские образования размером
40—50 мкм. Измельчение кри-
сталлических зерен при цент-
робежном литье объясняется
высоким содержанием в рас-
плаве центров кристаллиза-
ции (за счет вибрации) и ог-
D „ ,о раниченным ростом кристал-
Рис. 49. Схема дозатора фи- i 1 г
дерного типа: ЛОВ И3-3а форСИрОВЗИНОГО OX-
/ -расплав; 2-шток; ЛЗЖДеНИЯ ОТЛИВКИ.
з-э.^ктрод^Экспериментально доказз-
но, что при вторичном плав-
лении отходов центробежного
каменного литья при температуре в плавильной печи
около 1300° С и выдержке расплава не более 30 мин по-
лучаемые отливки приобретают микроструктуру с раз-
мером пироксеновых кристаллических образований 8—
12 мкм. Изделия с такой структурой обладают повы-
шенной прочностью.
В технологии производства камнелитых изделий до
последнего времени коордипально не решена проблема
дозировки расплава, что в значительной степени тормо-
зит широкую механизацию и автоматизацию основных
производственных процессов.
Институт «Гипростроммашина» для разливки рас-
плава сконструировал дозатор фидерного типа с элек-
троподогревом [17, с. 24]. Дозатор (рис. 49) действует
по принципу порционной выдачи расплава при равпомер-
162
лом ело истечении через втулку с калиоровашши отвер-
стием, перекрываемым ритмично водоохлаждаемым сто-
пором. Регулированием диаметра отверстия втулки и
скорости истечения расплава можно производить поточ-
ную отливку различных изделий. Первые опыты приме-
нения дозатора указанного типа не дали ожидаемых ре-
зультатов. Для успешной работы дозатора необходим
постоянный уровень расплава с постоянной температу-
рой. Решение проблемы дозирования петрургического
расплава является неотложной задачей работников про-
изводства, научно-исследовательских и конструкторских
организаций.
Важной задачей петрургии является повышение каче-
ства изделий и сокращение размера брака продукции
Качество изделий, как показано выше, определяется
свойствами исходного сырья и расплава и режимом тер-
мической обработки отливок. Для повышения выхода
годной продукции необходим прежде всего анализ при-
чин брака и изыскание путей его сокращения.
Наиболее распространенным видом брака намиели-
тых изделий является трещинообразование. приводящее
зачастую к разрушению этих изделий. Трещины в отлив-
ках могут появиться в результате:
1) неправильного подбора сырьевых .материалов для
шихт. Нецелесообразно вводить в состав шихты сырье,
содержащее высокотемпературные породы или минера-
лы. При плавлении шихты такие породы и минералы со-
храняются в расплаве и отливках, снижая тем самым их
прочность;
2) отклонений в химическом составе сырья к распла-
ва. В этом случае изменяются свойства расплава в нару-
шается процесс минералообразования, что при определен-
ных сочетаниях приводит к росту внутренних напряже-
ний в отливках;
3) нарушений режима приготовления расплава. При
низкой температуре плавления шихты в расплаве и от-
ливках сохраняются кусочки шихты, создающие неодно-
родность структуры. Кроме того, при низких температу-
рах ухудшаются условия гомогенизации и дегазации
расплава, что ухудшает структуру и увеличивает содер-
жание газовых раковин. В итоге снижается прочность
отливок. В условиях ведения плавки при высоких темпе-
ратурах наблюдается улетучивание некоторых легко-
11* 163
плавких окислов, что приводит к нарушению химического
состава с вытекающими отсюда последствиями. Одно-
временно с этим сокращается число центров кристаллиза-
ции, что сказывается на процессе кристаллизации и проч-
ности изделий. Изменения среды при плавлении шихты,
как было показано выше, влияет на процесс минерало-
образования и тем самым отражается на прочности от-
ливок;
4) нарушений теплового режима расплава при его
разливке. При высокой температуре разливаемого рас-
плава существенно растет усадка с образованием круп-
ных раковин. Кроме того, ухудшаются условия кристал-
лизации. При низкой температуре разливаемого расплава
отливки остекловываются и в процессе кристаллиза-
ции на их поверхности образуются трещины. Все эти
факторы снижают прочность изделий;
5) отклонений в режиме кристаллизации. При повы-
шенных и пониженных температурах в печи кристалли-
зация протекает с повышенным содержанием остаточ-
ного стекла, что снижает прочность изделий;
6) отклонений в режиме отжига, приводящих чаще
всего к появлению микро- и макротрещин и разрушению
изделий, если не в печи и при хранении, то в процессе
эксплуатации. Недопустимо скачкообразное и форсиро-
ванное снижение температуры в процессе отжига (не бо-
лее 50 град/ч). В случае указанных нарушений к меж-
фазным и усадочным напряжениям добавляются терми-
ческие, что нередко приводит к разрушению изделий.
Следует отметить, что в большинстве случаев разруше-
ние камнелитых изделий происходит вследствие наруше-
ния режима отжига.
Значителен брак продукции по причине остеклова-
ния углов и плоскостей изделий. В таких изделиях сни-
жается прочность и химическая стойкость. Остеклование
изделий объясняется слабой кристаллизационной спо-
собностью расплава, недостаточной выдержкой при кри-
сталлизации, низкой и реже высокой температурой в
кристаллизационной печи.
Следующим видом брака изделий является их дефор-
мация и несоразмерность. Отклонения в размерах изде-
лий наблюдаются вследствие неправильного расчета раз-
меров моделей, повышенной или пониженной усадки из-
делий по сравнению с расчетной, некачественности форм
164
ii других причин. Деформация отливок происходит в ре-
зультате кристаллизации с повышенным содержанием
стекловидной фазы, отжига неполностью закристалли-
зованных изделий в условиях повышеных температур, а
также некачественности форм.
Наряду с основными видами брака имеются второ-
степенные вызываемые технологическими упущениями
и нарушениями производственных инструкций. К таким
видам брака относятся: недолив форм, пригар формо-
вочной смеси, рубцы, заусенцы-приливы, крупные вклю-
чения за счет кусков футеровки или формы и др. Недо-
лив форм наблюдается вследствие высокой вязкости рас-
плава, неправильного расчета литниковой системы и не-
брежности при заливке [80]. Пригар формовочной смеси
к отливке происходит за счет неправильного подбора
формовочных материалов, недостаточно плотной набив-
ки форм и плохого их окрашивания. Рубцы на отливках
создаются при заполнении трещин в формах расплавом,
заусенцы—в результате небрежной заливки форм рас-
плавом. Для борьбы с инородными включениями приме-
няют различного рода фильтры и сетки.
Как видно из анализа причин брака, для получения
качественных камнелитых изделий с незначительным
выходом бракованной продукции следует технически
обоснованно подбирать сырьевые материалы и рассчи-
тывать шихту и точно выполнять технологические ре-
жимы приготовления расплава, подготовки форм, раз-
ливки расплава и термической обработки отливок.
Правильно отработанная и неуклонно применяемая
технология обеспечивает высокую эффективность про-
изводства камнелитых изделий.
ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА
КАМЕННОГО ЛИТЬЯ В ЧССР
В Чехословацкой Социалистической Республике име-
ется два камнелитейных завода — «Новая Баня» и
«Стара Вода» — производительностью соответственно
13 и 8 т в сутки. Заводы переплавляют местный базальт
без применения подшихтовочных материалов, что объ-
ясняется особенностью состава этих базальтов (см.
табл. 7).
Плавку сырья ведут в шахтно-ванных печах, отапли-
ваемых газом, получаемым на собственных газогенера-
165
торных станциях. Воздух подают подогретый в рекупе-
раторах до 400° С. Температуру в печи поддерживают
на уровне 1300° С. Сырье в шахту печи загружают ски-
повым подъемником.
Плавка базальта протекает на полке, устроенной под
шахтой печи. Получаемый расплав стекает в ванну,, от-
куда по каналу попадает в подогреваемый расплавопрж-
емник. Последний имеет вид металлического барабана!
диаметром 2 м, футерован он магнезитовым кирпичом..
Барабан размещен на четырех роликах, один из кото-
рых ведущий. По мере накопления расплава его сли-
вают в ковш и затем разливают в формы. Формы изго-
товляют из формовочного песка, богатого глиной, их
делают без опок на плневматическом станке. Готовые
формы без сушки и прокалки перед заливкой устанав-
ливают на специальные стеллажи. По заполнении форм
расплавом их засыпают сухим кварцевым песком слоем
в 10 мм и выдерживают в течение 10 мин. После этого •
формы разрушают, и плиты направляют в туннельную
печь на термическую обработку.
Туннельная печь длиной 37 м, шириной 1,53 м и вы-
сотой 0,75 м имеет на подине четыре направляющие, по
которым скользят чугунные поддоны, размещенные в
два ряда. Загруженные плитами поддоны проталкивают
гидравлическим толкателем. Своеобразно размещены
горелки в печи — одна их часть под сводом, а вторая —
под подом. Для. постоянства температурного режима в;
печи устроена принудительная циркуляция продуктов’
сгорания. Готовые плиты с помощью пескоструйного ап-
парата очищают от остатков формовочной смеси и на-
правляют на склад.
Из фасонных изделий на заводах отливают: патруб-
ки, желоба, колена, корпуса насосов, винтовые шнеки,,
гидроциклоны, шары, футеровку к шаровым мельницам,,
ролики и др. Из перечисленных изделий патрубки и ша-
ры отливают центробежным методом в металлических
кокилях. Остальные изделия отливают в песочных фор-
мах, изготовляемых из кварцевого песка, горелой зем-
ли и бентонита или декстрина. Для получения облицо-
вочной и стержневой смеси кварцевый песок (92%), бен-
тонит (4%), декстрин (1,5%), древесные опилки
(0,3%) и воду (2,2%) перемешивают на бегунах. Проч-
ность этой смеси на сжатие 0,3 кГ/см2, газопроницае-
166
мость 500 смя/мин. Наполнительную смесь прйгстЯЯЯЯ-
ют из горелой земли (90%), жирного кварцевого песка
(5%) и воды (5%). Прочность этой смеси на сжатие
0,6 кГ!см2, газопроницаемость 150 см?/мин. Стержни из-
готовляют вручную и для повышения их прочности
вставляют металлический каркас. Сушке подвергают
лишь стержни при температуре 100—120° С. Фасонные
изделия отливают по той же технологии, что и плиточ-
ные изделия с той лишь разницей, что отливки выдер-
живают в формах от 2 до 20 мин, в зависимости от мас-
сы отливок. Изделия кристаллизуются в основном в
формах, поэтому в туннельной печи подвергаются лишь
отжигу.
Изделия считают годными, если они не имеют тре-
щин и открытых раковин. В принимаемых изделиях не
считаются дефектами выступы на отливках высотой 5 .м.ч
и впадины глубиной до 5 мм, раковины диаметром до
10 мм и глубиной до 5 мм, гребни шириной 1 мм, высо-
той 2 мм по всей длине отливки, остекление глубиной
до 1,5 мм.
В настоящее время на указанных заводах, кроме
патрубков, центробежным методом производя! трубы
длиной до 1,5 м, диаметром от 150 до 500 мм и толщи-
ной стенки 20—25 мм.
Для изготовления желобов производят продольную
разрезку патрубков следующим методом. По длине пат-
рубка укладывают нихромовую проволоку диаметром
6 мм. Внутри патрубка вставляют шамотную трубку то-
же с продольной нихромовой проволокой. Обе проволо-
ки соединяют и размещают друг против друга в кон-
такте с поверхностью патрубка. При включении тока
происходит местный нагрев патрубка, в результате че-
го образуется линейная трещина. После этого патрубок
поворачивают на 180° и повторяют аналогичную опе-
рацию. В итоге получают из одного патрубка два
желоба.
Производимые на заводах трубы могут иметь откло-
нения в размерах: по диаметру ±1 мм. толщине стенки
±2,5 мм и длине ±2 мм. В желобах допсукаются от-
клонения: по диаметру ±1 .к.ч. толщине стенки = 1.5 м.ч
и длине ±1—2 мм.
Свойства изделий из каменного литья чехословац-
ких заводов следующие:
167
Плотность, а/сл3................................. 2,8—3,0
Твердость:
По Виккерсу.......................................... 726
по Роквеллу........................................... 60
по Моосу...........................'.......... 8
Предел прочности, кГ/см2:
при сжатии:
статическое литье ............................... 2900
динамическое » .......................... 3050
при изгибе:
статическое литье .................................. 450
динамическое » 530
при разрыве:
статическое литье .................................. 250
динамическое » 290
Потери от истирания по методу Баушингера, г/см2:
в сухом состоянии................................. 0,088—0,093
в мокром состоянии:
статическое литье ................................ 0,061
динамическое » 0,049
Диэлектрические свойства — пробойный градиент
кв! мм............................................ 7,18—7,86
Теплопроводность, ккал!• 4 ‘ град)...................... 0,7
Водоустойчивость динамических образцов, г/м2:
при 20° С........................................... 0,3
при 100° С............................................ 7,3
Кислотостойкость образцов 25X25X10 мм при дей-
ствии 20%-ной соляной кислоты и температуре 20°С ха-
рактеризуется потерями массы 0,15 а/лг2, а при темпера-
туре 100° С—45,5 г/м2.
Щелочестойкость образцов 25x25x10 мм при дей-
ствии нормального раствора NaOH + Na2CO3 и темпера-
туре 20° С характеризуется потерями массы 0,3 г/м2, а
при температуре 100° С—14,6 г/м2.
ГЛАВА V
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТРУБ
В связи с широким развитием химической, горнодо-
бывающей, горнорудной, металлургической и других
отраслей промышленности ощущается острая потреб-
ность в трубах с повышенной стойкостью к воздействию
агрессивных и абразивных сред.
168
В настояще время для напорных и безнапорных тру-
бопроводов взамен металлических труб используют тру-
бы из различных материалов: асбоцемента, керамики,
бетона и железобетона, винипласта, стекла. Однако та-
кие трубы часто не обладают достаточным сопротивле-
нием истиранию и воздействию кислот и щелочей. Наи-
более устойчивым материалом, способным работать в
условиях абразивных и агрессивных сред, является ка-
менное литье.
Вопросами изучения возможности изготовлять кам-
нелитые трубы петрурги занимаются длительное время.
В 1932 г. в Ленинградском горном институте работами
профессора А. С. Гинзберга доказана возможность по-
лучения труб из диабаза и базальта. В начале 1934 г.
на Московском камнелитейном заводе были проведены
экспериментальные работы по отливке диабазовых труб
длиной 500—700 мм диаметром 50—100 мм. Формовку
и заливку труб производили горизонтально.
В связи с возникшими трудностями изготовления
длинных полых изделий с применением стержней были
начаты поиски бесстержневого метода литья [45].
В 1939 г. была спроектирована опытная машина для
литья труб бесстержневым методом. В 1940 г. на заво-
де «Стекломашина» стали изготовлять указанную ма-
шину, но работы были прерваны в связи с Отечествен-
ной войной.
В 1948—1951 гг. ЦНИИЛХимстрой в содружестве с
работниками Московского камнелитейного завода про-
вел опыты по заливке труб центробежным методом в пе-
сочно-глинистые формы. Для экспериментирования ис-
пользовали центробежную горизонтально-втулочную
машину, применяемую в производстве металлического
литья. Такой метод получения труб оказался сложным.
В 1955—1956 гг. в ЧССР, на заводе «Стара Вода»
проведены опыты по отливке центробежным методом
двухметровых труб в кокиль, предварительно футеро-
ванный формовочной смесью. После получения опытной
партии труб дальнейшие работы были прекращены из-
за технических трудностей [81]. На том же заводе в
1958 г. организовано промышленное производство ба-
зальтовых труб длиной 500 мм различного диаметра.
В 1960 г. там же организовано производство труб дли-
ной 1 м центробежным методом [82].
169
В 1959 г. на Донецком комбинате камнелитых и ке-
рамических изделий было налажено производство кам-
нелитых труб стационарным способом в металлических
оболочках с фланцами длиной 1,2 м и внутренним диа-
метром 150—180 мм. Промышленное производство труб
таким способом показало его неэкономичность. В связи
с этим на комбинате была сконструирована машина
для производства аналогичных труб центробежным ме-
тодом. Эта машина имела ряд недостатков и качество
получаемых труб было низкое [33, с. 185].
В 1960—1961 гг., используя опыт чехословацких кам-
нелитейщиков, на Донецком комбинате была смонтиро-
вана машина для отливки труб длиной 500 мм. Анало-
гичная машина изготовлена и эксплуатируется на Мос-
ковском камнелитейном заводе.
В лаборатории каменного литья Ереванского горно-
металлургического института успешно проведены рабо-
ты по отливке базальтовых труб длиной 1 м, диаметром
до 200 мм центробежным методом в разъемном кокиле.
Недостатком этого метода является малая производи-
тельность и недостаточный ассортимент труб.
В последние годы производство труб организовано
в цехе каменного литья Криворожского ЮГОКа. Пер-
воначально трубы изготавливали длиной 400—500 мм,
которые набирали в металлические оболочки цилиндри-
ческой формы по 4—8 штук. Зазоры между оболочками
и трубой заполняли цементным раствором. Стыковку
труб осуществили фланцами. В дальнейшем эту техно-
логию упростили. Металлические оболочки начали из-
готовлять из металлического листа толщиной 2,5—
3 мм, длиной 1 м с таким расчетом, чтобы один конец
трубы входил в другой на длину до 30 мм. Секции труб
монтировали длиной 2—6 м и сваривали. В настоящее
время отливают трубы как статическим способом в пе-
сочно-глинистые формы, так и центробежным. Начато
производство труб центробежным методом в цехах ка-
менного литья Кондопожского пегматитового завода и
Первоуральского завода горного оборудования.
ПРОИЗВОДСТВО ТРУБ СТАТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
По этому методу [83] трубы получают заливкой жид-
кого расплава в предварительно собранные стационар-
170
иые формы. Для этого в пазы чугунного поддона, слу-
жащего основанием формы, устанавливают песочно-
глинистый стержень, приготовленный из формовочной
массы: 50% формовочного, песка, 30% горелой земли,
15% кварцевого песка и 5% древесных опилок. Размеры
стержней должны соответствовать внутреннему диамет-
ру трубы. На установленный стержень надевают метал-
лический кожух, изготовленный из 2-мм листового же-
леза. Размеры кожуха должны соответствовать длине
отливаемой трубы и ее наружному диаметру. Торцовые
части кожуха снабжены двумя монтажными фланцами.
Нижний фланец с помощью специальной опоки крепят
к поддону. Для получения отливки плотного сложения
при заливке применяют прибыльные надставки, изго-
товляемые из формовочной массы того же состава, что
и стержень. Собранную форму центруют для установле-
ния соосности между кожухом и стержнем.
Стержни и прибыли сушат при температуре 200'С
в течение 3—4 ч. Учитывая, что кристаллизация основ-
ной массы защитных труб протекает за счет тепла рас-
плава, то для уменьшения теплопотерь собранную фор-
му перед заливкой расплава подогревают до темпера-
туры 500—600° С.
Расплав в формы заливают из переносного ковша.
Для предотвращения образования усадочных раковин
температура расплава должна быть невысокой
(1200°С), а струя толщиной не более 15—20 мм. Зали-
тые формы поступают в кристаллизационно-отжигатель-
ную печь. После термообработки трубы форму освобож-
дают от поддона, снимают прибыль и выбивают стер-
жень.
Освоена отливка камнелитых труб без монтажных
фланцев. В этом случае один из торцов металлического
кожуха изготовляют конусообразным и при монтаже
стыки сваривают.
Существует метод получения труб заливкой распла-
ва в песочно-глинистые формы. Формовку ведут в круг-
лых стальных опоках по алюминиевым моделям. При-
быль и трубу разделяют стальными пластинками с лит-
никовыми отверстиями. Форму заполняют расплавом
обычным методом и после определенной выдержки ее
разрушают и отливку направляют на термообработку.
Статический метод получения труб не нашел широ-
171
кого применения из-за целого ряда существенных недо-
статков:
а) низкой производительности и трудоемкости про-
изводственных процессов;
б) остекления участков отливок, соприкасающихся
с металлическими частями формы;
в) крупнозернистости структуры отливок с наличи-
ем газовых и усадочных раковин, в связи с чем снижа-
ется их механическая прочность и сопротивление исти-
ранию.
ПРОИЗВОДСТВО ТРУБ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ МЕТОДОМ
Теоретические основы центробежного литья, разра-
ботанные для отливки металлических труб, в ряде слу-
чаев остаются в силе и при отливке камнелитых труб.
Краткое знакомство с основами центробежного литья
позволяет разобраться в характере свободной поверх-
ности и конфигурации отливок, понять законы раство-
рения в расплаве минералов и их ликвации.
Геометрия свободной поверхности. При вращении
жидкой массы вокруг вертикальной оси с достаточной
точностью могут быть приняты допущения, что все ча-
стицы жидкости имеют одинаковую угловую скорость,
равную скорости вращения кокиля. В этом случае рас-
плав будет находиться в состоянии относительного по-
коя и для определения формы поверхности могут быть
применены формулы гидростатики. При вращении ко-
киля вокруг горизонтальной оси в течение одного обо-
рота, сила, действующая на элементарный объем рас-
плава Fp, изменяется как по величине, так и по на-
правлению, что является причиной изменения угловой
скорости. Изменение Fp и угловой скорости не вызыва-
ет искажения свободной поверхности расплава. При
вращении кокиля застывание слоев расплава происхо-
дит равномерно и свободная поверхность расплава ос-
тается строго цилиндрической.
Свободная поверхность Z при вертикальной оси вра-
щения представляет собой параболлоид
Z - 5,55-ИГ2 (—Vг2. (25)
\100/ 4 '
Таким образом, форма свободной поверхности зави-
сит от числа оборотов кокиля п и его радиуса г.
172
В общем виде при наклонной оси вращения уравне-
ние свободной поверхности представляет собой удлинен-
ный параболлоид вращения
о / л 2 г 2
Z - 5,55-10~2 — j , (26)
,100/ cos а
где а—угол наклона оси вращения.
При горизонтальной оси вращения получаем урав-
нение кругового цилиндра
х2 + у2 = г2. (27)
Всплывание включений. При центробежном литье на
погруженное в расплав включение действует сила Рл,
Pn = Vw2r(pa — pp), (28)
где V— объем включения;
w—угловая скорость;
Рв, Рр—плотность включения и расплава;
г—-радиус центра сил инерции включения.
Отсюда вытекает, что на погруженное во вращаю-
щуюся жидкость тело действует сила больше архимедо-
вой в k раз
k = —, (29)
g
где k — гравитационный коэффициент;
g—ускорение силы тяжести.
Опыт отливки камнелитых труб диаметром 200 .мл:
показывает, что все однородные включения, имеющие
плотность, меньшую плотности расплава, всплывают
под действием центробежных сил, в то время, как по-
ристые непровары, имеющие большое гидродинамичес-
кое сопротивление, остаются в теле трубы.
Если сравнить скорость всплывания включений в ста-
тических жидкостях и жидкостях, подверженных вра-
щению, то получается, что скорость всплывания вклю-
чений при центробежном литье увеличивается в J ~k
раз. Это важное преимущество принципа центробежно-
го литья.
При горизонтальной осп вращения всплывание вклю-
чений протекает по радиальной траектории, что имеет
важное практическое значение. При вертикальной осп
вращения всплывание включений происходит по траек-
тории нормальной к поверхности уровня жидкости.
173
Основными параметрами процесса формообразова-
ния центробежнолитых труб из силикатных расплавов
являются: температура заливаемого расплава, толщина
стенки трубы, скорость вращения кокиля и время фор-
мования трубы. Оптимальные параметры следует выби-
рать согласно расчетным и экспериментальным данным.
г0'0,08»
г, •0,083м
0,081м
0,091м
О* 0,038м
rf'0,100 м
Рис. 50. Схема тангенциальных напряжений, действующих на элемен-
тарный объем трубы (а) и температурное поле отливки 6 = 20 лъц, тем-
пература расплава 1250 С, Т = 4 мин (б)
Прочностные свойства камнелитых изделий опреде-
ляются в основном величиной остаточных напряжений,
возникающих в результате термических перепадов. Что-
бы получить качественную трубу, необходимо так орга-
низовать технологический процесс и выбрать парамет-
ры, чтобы остаточные напряжения в отливке были ми-
нимальными.
174
Термические напряжения рн, возникающие в отлив-
ке, слагаются из радиальных рр и тангенциальных pt
напряжений. Из этих напряжений ведущее место зани-
мают тангенциальные, так как радиальные незначитель-
ны (рис. 50).
При заливке расплава в результате резкого охлаж-
дения отливки трубы ее наружный незакристаллизован-
ный слой вследствие теплового сокращения испытывает
тангенциальные напряжения. Это явление еще более
усугубляется в результате разноструктурности внутрен-
них слоев отливки с разными коэффициентами линей-
ного расширения.
В связи с тем, что термические напряжения являют-
ся функцией температурного перепада между слоями
отливки, определение величины этих параметров произ-
водят, исходя из условия, что возникающие напряжения
не должны превышать предела прочности материала
отливки при разрыве. Поэтому выбор оптимальных па-
раметров следует производить по результатам сравне-
ния фактических температурных перепадов с допусти-
мыми.
Фактические температурные перепады определяют
по формуле
^2-1
где Q—тепловой
ккал-,
X—коэффициент теплопроводности, ккал (.к-
•ч • град);
L—длина трубы, м;
R2—внутренний радиус слоя 2-й отливки, м;
Ri—наружный радиус слоя 1-й отливки, .и;
т— время охлаждения отливки, мин.
Тепловой поток через слой 1—2 определяют
Q-Qkp + Q', (31)
где QKp— количество тепла, выделяемое при кристал-
лизации отливки;
Q' — количество тепла, выделяемое из расплава
в слое х, за время т.
- ОЖРС, (32)
Д2«-1п Дм,
2nL Хт \ '
(30)
поток через наружную стенку.
175
где ^Кр—удельная теплота кристаллизации;
G— масса слоя, кг.
Для остеклованного наружного слоя отливки'коли-
чество тепла, выделяемое при кристаллизации, опреде-
ляют по формулам:
<2кр - . (зз)
а
где ip—степень закристаллнзованности;
^ = Gc(t;-Q, (34)
где с—теплоемкость расплава, ккал!(кг • град);
/р — температура расплава, °C;
tx—температура слоя х через т сек, °C.
Допустимые температурные перепады определяют по
формуле Р. В. Саусвелла [107], по ней также находят
термические тангенциальные напряжения, возникающие
в сферической отливке:
Pt = —~— pAZ Г1--—---------{п — (р -ф ц) — +
b - а [ 2 р — 2ц ( ' 2
л2 / h3
+ ц--------- 2+ —В, (35)
где pt — тангенциальные напряжения, кГ1см2;
а—внутренний радиус трубы, см;
b—наружный радиус трубы, см;
г—текущий радиус для слоя х, см;
|3 = (ЗА, + 2ц) а — давление, возникающее в теле трубы,
когда его температура повышается на
один градус, а расширения не допус-
кается, кг • слг"2- град~\
а—коэффициент линейного расширения,
град''1;
X, Е— упругие постоянные материалы,
кг • см~2;
р—коэффициент Пуассона.
Применительно к трубам диаметром 150—-200 мм,
длиной 1,5 м проведенные расчеты показали, что опти-
мальными параметрами для их отливки, с точки зрения
возникновения наименьших термических напряжений,
являются: температура расплава 1250° С, толщина стен-
ки трубы 20 мм, время формования трубы 4 мин.
176
Затвердевание отливки происходит в условиях вза-
имного контакта формы и отливки и поэтому зависит от
процесса теплообмена между ними. Процесс распро-
странения тепла в от-
ливке определяется ее
температурным полем.
Для изучения про-
цесса затвердевания и
охлаждения отливок, а
также с целью провер-
ки расчетных данных,
полученных аналити-
ческим путем, методом
термического анализа
определяют темпера-
турное поле в отливке
и возникающие при
этом напряжения [18,
с. 26].
По этому методу в
наиболее показатель-
ных точках кокиля по-
мещают термопары.
После заливки формы
Рис. 51. Температура поля по толщи-
не б стенки трубы:
I — 5=15 мм, температура расплава
1250—1270° С; 1а— 6 = 15 температу-
ра расплава 1320—1370= С; 2 п 2а, У
и За — для толщины трубы 3? и 25 .«.и
соответственно и температуры расплава
1250—1270° С”
расплавом замеряют
температуру по толщи-
не трубы. По показаниям
термопар строят кривые охла-
ждения, из которых видно, что температура в стенке тру-
бы распределяется по закону выпуклой параболы (рис.
51). В этом случае можно определить температурные на-
пряжения в отливках по формуле
1 а у О1£*
° 7Г >fmax ^min/ :
3 1 — Jl
где ст—внутренние напряжения, кГ/см
Е — модуль упругости, кГ/СМ2.
(36)
Согласно расчетам применительно к трубам с тол-
щиной стенки 15, 20, 25 мм получаем, что наименьшие
напряжения возникают в трубе с толщиной стенки
20 мм при температуре расплава 1250—1270° С.
Скорость, вращения кокиля является одним из основ-
ных технологических факторов производства труб.
Для определения необходимого числа оборотов ко-
12—1058
177
киля при центробежной отливке металлически^ /груб
применяют формулу
Пф ~
пкр
Ag(R^-r^)
SmylR2
(37)
+ 1
где
Пф — фактическое число оборотов кокиля, об/мин-,
окр—критическое число оборотов кокиля, об/мин-,
g—массовая скорость заливки, кг/сек.-,
R—наружный радиус кругового потока к концу
заливки;
г—радиус внутренней поверхности отливки, м;
I—длина отливки, м\
у—плотность расплава, кг/см3-,
А—поправочный коэффициент, определяемый
практически (для труб диаметром 150—
300 мм А =25);
v—коэффициент кинематической вязкости,
м2/сек.
Подставляя соответствующие числовые значения в
формулу (37), для труб диаметром 150—300 мм, тол-
щиной стенки 20 мм и температурой расплава 1250° С;
получим значение A^=250 об/мин.
ОТЛИВКА ЦЕНТРОБЕЖНЫМ МЕТОДОМ
Трубы длиной 1,5—2 м, диаметром до 200 мм [33,
с. 185]. Для получения труб создана специальная цен-
тробежная машина (рис. 52). Основным узлом машины
является стальной кокиль, покоящийся на двух парах
опорных роликов. Опорные ролики попарно установле-
ны на общем валу и закреплены на качающихся опор-
ных серьгах. Такая конструкция дает возможность лег-
ко заменять кокили различных диаметров. Качающиеся
опоры крепят к нижнему массивному корпусу уста-
новки, который представляет собой сборную конструк-
цию коробчатой формы. Для устранения биения кокиля
при вращении в установке предусмотрен верхний на-
жимной ролик, шарнирно закрепленный на специальных
стойках. Охлаждение кокиля осуществляют при помо-
щи четырех секций брызгал, подачу воды регулируют
вентилями.
Сварная передняя, рама машины обеспечивает сво-
бодный подъем (до 10°) и опускание корпуса установки
178
с помощью специального гидравлического подъемника,
установленного в передней части машины. Машина при-
водится в движение от электромотора постоянного тока
при помощи зубчатой передачи. Ведомая шестерня вы-
Рис. 52. Схема центробежной машины для производства труб:
/--подъемник кокиля; 2 — регулируемый кронштейн литника; 3 — ко-
киль; 4 — литник; 5 — охлаждающее устройство; 6 — нажимной ролик
полнена в виде венца и установлена непосредственно на
кокиль.
Необходимая при извлечении трубы скорость вра-
щения кокиля—8 об!мин [41, с. 17] — достигается спе-
циальным мотором переменного тока, который связан
через редуктор и роликовую обгонную муфту с главным
двигателем.
Гидравлический толкатель агрегатного типа с ходом
штока на всю длину кокиля выталкивает отлитые тру-
бы па рольганг после их затвердевания. На толкателе
установлено устройство для нанесения теплоизолирую-
щего покрытия (песка). Гидроцилпндры толкателя и
подъема корпуса машины работают от общей для них
маслонасосной установки типа УМ-30. Электро- и гид-
роуправление производится с общего пульта управле-
ния.
Расплав заливают в кокиль из мерного ковша через
заливочное устройство, представляющее собой поворот-
ный и регулируемый по высоте кронштейн, на котором
установлен литник. Заливку производят во вращаю-
щийся и наклоненный под заданным углом кокиль, в
12* 179
который предварительно наносят песочное покрытие
толщиной 1,5—2 мм. После затвердевания отливки вы-
ключают главный привод и включают вспомогательный,
а отлитую трубу выталкивают.
При подготовке машины к заливке, помимо провер-
ки всей установки, кокиль разогревают до необходимой
Рис. 53. Зависимость продолжительно-
сти затвердевания отливок от темпера-
туры кокиля при постоянной темпера-
туре заливки (1230—1280° С)
Когда расплав в процессе
температуры. Оптималь-
ная температура кокиля
при заливке расплава
должна составлять 300—
400° С. При более высо-
кой температуре увеличи-
вается износ кокиля, а
при низкой температуре
отливки значительно ос-
текляются. Оптимальная
температура заливаемого
расплава 1250—1300° С.
При более высоких тем-
пературах расплава рас-
тет степень остекления
трубы, ухудшается струк-
тура и в результате тер-
мических напряжений об-
разуются микротрещины,
заливки достигает проти-
воположного конца кокиля, его устанавливают в гори-
зонтальное положение и продолжают заливку до за-
данной толщины трубы. Вращение кокиля прекращают
после затвердевания трубы, при этом ее температура
950—1050° С. Естественно, что скорость затвердевания
трубы зависит от температуры расплава, кокиля и тол-
щины отливки. Продолжительность затвердевания рас-
тет с увеличением толщины стенки отливки (рис. 53),
причем для холодного кокиля (до 200° С) увеличение
толщины стенки резко сказывается на продолжительно-
сти затвердевания, в то время как при кокиле, нагре-
том до температуры 300° С, заметное возрастание дли-
тельности затвердевания видно только при толщине
стенки 30 мм. Установлено, что при температуре рас-
плава 1300° С, температуре кокиля 300° С и толщине от-
ливаемой трубы 20 мм время затвердевания составляет
6 мин [41, с. 11].
180
Для устранения подсосов холодного воздуха, что
приводит к переохлаждению концов трубы, и выравни-
вания температуры по длине трубы, а также для повы-
шения производительности установки предусмотрена
подача холодного воздуха внутрь кокиля. В результате
подачи воздуха продолжительность затвердевания
уменьшается на 15—20%.
Отливку труб длиной 1 м, диаметром 175 мм можно
производить на машине с разъемным кокилем. Такая
машина состоит из станины, на которой расположены
шпиндель с планшайбой и патроном. Патрон приводит-
ся в движение от электромотора с помощью ременной
передачи. В патрон вставлен металлический! разъемный
кокиль, поддерживаемый в горизонтальном положении
с помощью установленных на машине двух пар роли-
ков. Разъемный кокиль состоит из двух половин. Он
имеет шарниры по линии разъема, а с противополож-
ной стороны — замок, закрепленный на свободной сто-
роне кокиля. Трубы необходимой толщины получают
применением металлических колец с теплоизоляционны-
ми асбестовыми прокладками, вставляемыми в торец
кокиля в специальные выемки.
Затвердевание трубы продолжается 4—8 мин в зави-
симости от температуры расплава и кокиля. После это-
го кокиль извлекают из патрона, снимают кольца и от-
крывают замок. Освободившуюся трубу направляют в
термическую печь. При отливке труб на такой машине
окружная скорость вращения по внутреннему диаметру
трубы должна быть 5 м/сек. Термическая обработка
труб включает в себя процесс кристаллизации отливки
в кокиле и кристаллизацию и отжиг в термической печи.
Степень закристаллизованности труб, отлитых из
различных расплавов в одинаковых условиях, колеб-
лется в широких пределах. Так, трубы с толщиной стен-
ки 20 мм, полученные из расплава на основе горелой
породы, в основном остеклены (70—85с\ стекла), в то
время как полученные из расплава на основе топлив-
ных зол закристаллизованы на 60—70%. Такие же тру-
бы из базальта имеют степень закристаллизованности
90—95%• Расплавы ультраосновного состава, имеющие
незначительную вязкость, обладают высокой кристал-
лизационной способностью, однако склонны к образова-
нию весьма крупных структур, поэтому для пронзводст-
181
Температура pacnnaSa, °C
Рис. 54. Температурная зависимость степени закристаллизованное™ труб:
Расплав из топливных зол: I — 5 <20 мм; // — 6=20—25 мм; ///— 6>25 мм;
IV— расплав из горелых пород 6=20 мм; И —расплав из базальта о=20 мм
Рис. 55. Зависимость степени закристаллизоваппостн труб от толщины их
стенки:
Расплав из топливных зол: / — >1250° С; // — <1250° С; /// — расплав из горе
лых пород; IV — расплав из базальта
182
ва камнелитых труб они нс пригодны. Из трех исследо-
ванных расплавов (базальта, топливных зол и горелых
шахтных пород) лучшим для производства труб явля-
ется базальтовый.
Изучение влияния температуры расплава на степень
закристаллизованности труб позволило установить пря-
молинейную зависимость этих двух величин. На рис. 54
приведены сравнительные данные температурной зави-
симости степени закристаллизованности труб из различ-
ных расплавов. График отображает уменьшение содер-
жания стекла в трубах с увеличением температуры рас-
плава. Более резко эта зависимость прослеживается для
расплавов из горелых пород.
На возрастание степени закристаллизованности труб
влияет также толщина стенки трубы. Трубы, отлитые с
толщиной стенки 15—16 мм (при всех прочих равных
условиях), при выходе из кокиля практически остекле-
ны, а с толщиной 27—30 мм на 90% закристаллизова-
ны. Данные такой зависимости изображены на рис. 55.
где видно уменьшение содержания стекловидной фазы
с увеличением толщины стенки трубы.
Тем не менее анализ данных для расплавов из шихт
на основе топливных зол показывает, что с увеличени-
ем толщины стенки с 18 до 25 мм, при условии заливки
трубы высокотемпературным расплавом, повышается
степень закристаллизованности последнего в среднем на
5—10%. Практически толщина стенки в 21 .ч.ч может
служить критерием, так как дальнейшее утолщение
стенки трубы вызывает лишь незначительное увеличе-
ние степени закристаллизованности.
На степень закристаллизованности труб также вли-
яет начальная температура кокиля. Характер этого вли-
яния сложен, так как не исключается влияние таких
факторов, как температура расплава и толщина стенки
трубы. Однако же в целом замечено некоторое увели-
чение кристаллической фазы в трубах при заливке рас-
плава в подогретый кокиль.
После формования и частичной кристаллизации тру-
бы в кокиле ее выталкивают и направляют в печь для
дальнейшей кристаллизации (вторичной) и отжига. Вто-
ричной кристаллизации подвергаются в основном стек-
ловидная и переходная зоны. Частичные изменения на-
блюдаются и в полнекристаллической зоне. Перскри-
183
сталлизация внешней зоны проходит при температуре
900—950°С для труб из расплава на основе топливных
зол и горелой породы и 800—950° С для труб из базаль-
та. Время кристаллизации также различно: для, труб из
горелых пород необходимо 25—30 мин, из топливных
зол 20 мин и базальтовых достаточно 10—15 мин.
В процессе кристаллизации, помимо образования
кристаллической фазы, происходит выравнивание тем-
пературного поля по толщине трубы, так как в момент
посадки ее в печь разность температур между наруж-
ной и внутренней поверхностями составляет 150—
300° С. В связи с этим чем толще стенка трубы, тем про-
должительнее должен быть процесс кристаллизации в
печи, чтобы выровнять температуру по зонам.
Кристаллизация труб в печи способствует образова-
нию нескольких иных структур, чем кристаллизация в
кокиле. Основной структурой является скрытокристал-
лическая, или микрозернистая.
Заключительным, и в то же время решающим зве-
ном в производстве труб является термическая обработ-
ка их после кристаллизации. В результате низкой теп-
лопроводности каменного литья требуется строгое со-
блюдение режима отжига труб. Опыты показали [33,
с. 185], что охлаждение со скоростью свыше 100 град
вызывает разрушение труб еще во время нахождения
их в печи.
При охлаждении со скоростью 60—100 град)ч на
трубах образуется сетка трещин, причем ее густота про-
порциональна скорости падения температуры. Удовлет-
ворительное качество труб достигается при скорости
снижения температур менее 50 град!ч.
На основании экспериментов были разработаны гра-
фики отжига труб для различных типов расплава. От-
личаются эти графики лишь начальной температурой
отжига: у базальтовых труб —это 800° С, а у труб из
расплавов на основании горелых пород и топливных зол
900° С. При этой температуре трубы выдерживаются в
печи в течение трех часов для обеспечения полного вы-
равнивания температуры в теле отливки. Затем ведут
охлаждение трубы со скоростью 40 град/ч до темпера-
туры 30—50° С. Весь процесс отжига составляет для ба-
зальтовых труб 22 ч, для труб из расплавов на основе
горелых пород и топливных зол 24 ч.
184
Трубы (патрубки) длиной 500 мм и диаметром до
500 мм [84]. Станок для производства патрубков (рис.
56) состоит из рамы, на которой укреплены две пары
опорных роликов. Одна из рам свободно передвигается,
а вторая при помощи тексропов соединена с электро-
Рис. 56. Станок и выталкиватель для производства патрубков
центробежным методом:
/—литник; 2 — кокиль; 3 — электродвигатель; 4 — иилинд; д."
выталкивания патрубка; 5 — рама выталкивателя
двигателем. На ролики устанавливают чугунный кокиль
длиной 630 мм. С торцов кокиль имеет по окружности
выточки, в которые вставляют металлические кольца,
являющиеся ограничителями. С их помощью выдержи-
вается необходимая толщина трубы. Во время враще-
ния оба кольца прижимаются к кокилю центробежны-
ми .зажимами.
Расплав, в. кокиль заливают из мерного ковша. По-
ступает он в кокиль через литник, наклоненный под уг-
лом и входящий в глубь кокиля. После заливки и за-
твердевания расплава в течение 5 мин вращение кокиля
прекращают. Из кокиля вынимают ограничительные
кольца и с. помощью крана переносят его на гидравли-
ческий. толкатель,. находящийся рядом со станком. На
штоке толкателя укреплен диск, соответствующий диа-
метру отливаемой трубы, который, упираясь в конец
патрубка, при пуске толкателя выталкивает отливку на
рольганг. Перед выемкой трубы кокиль фиксируют дву-
мя гидравлическими зажимами. После выемки патрубок
поступает в отжигательную печь.
IS5
Трубы в металлических оболочках (кожухах} дли-
ной 1,2 м и диаметром до 200 мм. Металлическую обо-
лочку для заливки труб изготовляют из 2-мм листового
железа. К обоим концам оболочки приваривают метал-
лические фланцы толщиной 12 мм с отверстиями для
крепежных болтов. Эти фланцы являются связующими
при монтаже трубопроводов.
Машина для отливки таких труб состоит из сварной
рамы, на которой укреплены две пары опорных роли-
ков, одна из пар роликов приводная. Привод осуществ-
ляется. от электродвигателя через текстропную переда-
чу. Ролики имеют реборды, не позволяющие трубе пе-
ремещаться при вращении. Во избежание вибрации
имеется два прижимных ролика. Для выемки залитой
трубы в машине предусмотрен подъемный стол.
Расплав заливают через литник посредством мерного
ковша. Перед заливкой на фланцы металлической обо-
лочки надевают специальные съемные шайбы, которые
катятся по роликам машины. Продолжительность за-
ливки трубы 0,5 мин. При температуре расплава 1300° С
продолжительность затвердевания трубы составляет
10 мин. После затвердевания трубы шайбы снимают, и
труба вместе с металлической оболочкой поступает на
отжиг. Металлическая оболочка является разовым ко-
килем, вместе с которым труба идет в монтаж.
МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ТРУБ
Структура труб зависит от кислотности расплава,
его вязкости и температуры, от толщины стенки трубы
и песочного покрытия, от темпертуры кокиля и других
факторов.
Структура труб, отлитых центробежным способом,
несколько отличается от структуры изделий статического
литья: кристаллизация в кокиле, вследствие интенсивно-
го охлаждения, проходит при более низких температурах
(для труб толщиной 20—22 мм), поэтому выделяющиеся
кристаллы в целом по своим размерам более мелкие, чем
при статическом литье.
Трубы, выходящие из кокиля, имеют обычно три
структурные концентрические зоны — стекловидную, про-
межуточную и кристаллическую. Стекловидная зона
(70—95% стекла) наблюдается в наружной части трубы,
186
непосредственно контактирующей с кокилем. Остекле-
ние наблюдается и в горновых участках трубы на рас-
стоянии 80—100 мм от торна. В поперечном разрезе тру-
бы стекловидная зона наблюдается в виде внешней кай-
мы черного цвета, стеклянного блеска. Текстура ее
Рис. 57. Стекловидная зона трубы
из расплава горелых пород. Микро-
вариолитовая структура. На основ-
ном фоне стекла видны темно-се-
рые сферолиты пироксена. Х160
Рис. 58. Промежуточная зона тру-
бы из расплава на основе топлив-
ных шлаков. Структура мелковарио-
литовая. Сферолиты пироксена
(темно-серые) радиально-волокни-
стого строения. В центрах сферо-
литов зерна хромита. 180
плотная, со значительным количеством крупных зерен
хромита, оттесненных в эту область центробежной силой.
Толщина остекленного слоя значительно уменьшает-
ся с увеличением температуры кокиля, но нагревать ко-
киль более 300°С нецелесообразно, так как возрастает
его износ и расплав «прихватывается» к металлу. Наибо-
лее четко прослеживается зависимость остекления тру-
бы от толщины ее стенки. Так например, тонкостенные
трубы (15—16 мм) из расплава шихты на основе горе-
лых пород при выходе из кокиля полностью остеклены,
а в толстостенных трубах (более 30 .ч.ч) толщина остек-
лованного слоя составляет только 3 мм.
Микроскопическое наблюдение показало, что данная
зона имеет стекловидную микровариолитовую структу-
ру (рис. 57). Крупные зерна хромита размером до 0,5—
0,6 мм придают ей несколько порфнровнлный характер.
Четкую границу между стекловидной и промежуточ-
нон зонами зачастую установить трудно, так как одна
постепенно переходит в другую вследствие увеличения
размеров и количества сферолитов (рис. 58).
Промежуточная зона представлена полустекловатыми
или полукристаллоидиыми структурами, нередко с ча-
стым чередованием закристаллизованных прослоек с уча-
стками стеклофазы. Характерно постепенное уменьше-
ние закристаллизованных прослоек к внутренней части
грубы. Внешне промежуточная зона отличается от стек-
ловидной прежде всего серым цветом и Жирным блеском,
вызванным значительно большей степенью закристалли-
зованности. Содержание стекла здесь составляет от 70 до
25%.
Структура и фазовый состав переходной зоны почти
повторяют предыдущую с той лишь разницей, что мень-
ше стекловидной фазы. Единичные сферолиты образуют
групповые скопления, которые увеличиваются по разме-
рам и количественно по мере приближения к внутренней
зоне. Строение сферолитов размером 0,08 мм преимуще-
ственно звездчатое или же звездчато-аксиолитовое, со-
стоят они из авгита. Иногда отмечаются единичные иглы
оливина размером до 0,5 мм. Кроме этих минералов, име-
ются мелкие иголочки прямого погасания, принадлежа-
щие ромбическим пироксенам.
В базальтовых трубах переходная зона весьма мала
(не более 2 мм) и полосы стекла чередуются с полосами
кристаллизации магнетита сферолитовой структуры.
В полнокристаллической зоне заметно уменьшается
содержание стекловидной фазы и некоторое увеличение
размеров зерен. Кристаллическая часть трубы является
преобладающей и составляет 70—80%. Наблюдается
она на внутренней зоне трубы, где незначительная теп-
лоотдача способствует медленному охлаждению распла-
ва со скоростью, достаточной для кристаллизации. Струк-
тура кристаллической зоны в значительной степени за-
висит от состава и технологических факторов формооб-
разования и кристаллизации.
Кристаллическая зона труб из топливных зол пред-
ставляет собой довольно равномернозернистую мелко-
сферолитовую структуру радиально-лучистого или звезд-
чатого строения. Размер сферолитов в среднем 0,07 мм.
Обычно в центре сферолита отмечаются изометричные
кристаллики хромита кубической огранки. Размер их 2—
188
3 лоси (рис. 59). Погасание индивидов сферолита косое
и составляет 12—14°, но составу относятся к авгитам. Ре-
же отмечаются единичные прозрачные иголочки ромби-
ческого пироксена размером 10—12 мкм. Содержание
Рис. 60. Кристаллическая зона у тол-
щенной трубы из расплава на ос-
нове топливных шлаков. Структура
крупнокаркасная из крупных игз
оливина. !’•?
Рис. 59. Кристаллическая зона тру-
бы. Структура равномернозерни-
стая, мелкосферолитовая. Х160
межкристаллитного стекла составляет не более 15 С. и
уменьшается с увеличением размеров сферолитов го на-
правлению к внутренней поверхности трубы.
В трубах, где кристаллическая зона превышает 20 лт.
наблюдается преобразование структур из сериал ьно-сфе-
ролитовой в каркасно-порфировидную. При этом опреде-
ленная часть зоны обладает сериальной структурой от
мелко-до крупносферолитовой с единичными порфировы-
ми табличками или крупными иглами оливинов. Ближе к
внутренней'зоне структура приобретает крупнотаблитча-
тый или крупнокаркасный характер (рис. 60).
Основная масса сферолитов имеет авгнг-днопендовый
состав. Отмечаются в небольшом количестве иголочки
с косым погасанием 9— 12°, принадлежащие клнноэнста-
ту. Иглы и длиннопризматические кристаллы размером
более 1 мм с весьма высоким рельефом высокой интер-
ференциалыюй окраской принадлежат оливину форсте-
ритового состава.
Столь же крупные дл и нноаряз магические кристаллы
189
дендритного характера со значительно меньшим двупре-
ломлением образуют монтичеллиты, которые помимо ше-
стоватых форм приобретают таблитчатые формы листо-
ватого или сетчатого строения. Иглы оливина и монти-
челлита образуют каркасную сетку, выполненную более
мелкозернистым материалом.
Таблитчатые монтичеллиты имеют сетчато-листовое
строение с одним или несколькими остовами. Одновре-
менно погасание характерно для табличек с одним осто-
вом, а волнистое — для многоостовых дендритов. Угло-
вые соотношения между индивидами дендрита бывают
либо прямоугольные, либо под утлом 120° (60°). Очепь
часто таблички монтичеллита бывают обрамлены игла-
ми оливина.
В межкаркасном пространстве иногда отмечаются
листовато-дендритные, низкорельефные агрегаты, бес-
цветные с серой интерференциальной окраской и косым
погасанием. Иногда среди агрегатов наблюдаются чет-
кие двойники с углом погасания 12—15°, что указывает
на их принадлежность к плагиоклазам. Непременным
условием существования этих плагиоклазов является их
обрамление иглами оливина. Встречаются они в опреде-
ленной зоне между сферолитовой и каркасной структура-
ми и вытянуты в своеобразный прослой. Характерно, что
в этом прослое наблюдается несколько повышенное со-
держание стекла между плагиоклазом и оливином (20—
25%). Общее содержание межкристаллитного стекла в
кристалической зоне 10—12%, местами меньше. Ос-
тальные компоненты имеют приближенно следующий со-
став: 45—80% моноклинного пироксена, 2—6% ромбиче-
ского пироксена, 1 —17% оливина и 1—25% монтичел-
лита.
В сферолитовых структурах содержится 80% пирок-
сенов, а в каркасно-таблитчатых — 30—40% оливина и
монтичеллита.
Текстура, как уже указывалось, раковистая с щеле-
видным характером самих раковин, представлена она
табличками монтичеллита. Помимо этого, в таких зонах
отмечается неоднородность состава, местами переходя-
щая в шлировую (кучными скоплениями) текстуру.
Структура и состав кристалической зоны базальтовых
труб имеют свои особенности. В основной части она мел-
ко- и среднесферолитовая. У переходной зоны структура
190
имеет мелкосферолитовый характер с размером .зерен от
0,05—0,07 мм, которые постепенно увеличиваются к внут-
ренней полости трубы. Основные фазы представлены
ромбическим пироксеном и магнетитом. Последний раз-
вит как в центре сферолитов, так и частично в межсфе-
ролитном пространстве. Реже отмечаются радиально-лу-
чистые сферолиты моноклинного пироксена. Далее к внут-
ренней поверхности содержание моноклинного пироксе-
на несколько возрастает, появляются единичные иглы
оливина (до 0,5 мм) и листоподобные агрегаты моно-
клинного амфибола. Кристаллы магнетита несколько ук-
рупняются. Содержание магнетита довольно значитель-
но, поэтому наблюдается резкая пигментация шлифов.
Во внутренней части отмечается большое количество пор
диаметром 2—3 мм. Форма пор бочкообразная. Такая
структура и состав наблюдаются в трубах толщиной
20— 22 мм.
С увеличением толщины трубы внутренняя часть вме-
сто гладкого раковистого излома приобретает шерохо-
ватый, но ровный излом. Структура носит сериальный
характер от мелкосферолитовой у промежуточной зоны
до крупносферолитовой к внутренней поверхности.
Строение сферолитов радиально-лучистое, звездчатое,
аксиолитовое, дендросферолитовое. По минеральному со-
ставу содержит: 70% моноклинного пироксена, 10% оли-
вина, 5—8% магнетита и около 8% стекла.
Из других минералов отмечаются редкие образования
ромбического пироксена и моноклинного амфибола. Мо-
ноклинный пироксен имеет оптические признаки авгита
(угол погасания 54°), размер зерен — до 0,5 мм. Магне-
тит наблюдается в виде кубиков размером в 1—2 мкм.
Оливин имеет игольчатую форму, реже — призматиче-
скую, размер — не более 0,5 мм. Ромбический пироксен
имеет лонгулит-дендритное строение. Размер его образо-
ваний составляет 10—15 мкм. Текстура зон плотная, до-
вольно однородная, иногда наблюдаются участки эвтак-
ситового характера.
В целом прочностные свойства базальтовых труб вы-
ше, чем свойства труб из расплава шихт на основе топ-
ливных шлаков и горелой породы, что обьясняется более
однородным составом и равномерной структурой базаль-
тового литья. Таковы в общем фазовый состав и струк-
тура труб после кристаллизации в кокиле.
191
Сводная таблица структур и минералоги
Зона толщиной, мм Трубы из расплавов на основе горелой породы и топливных шлаков
структура литья минералы и их структура содержа- ние мине- ралов, %
Внешняя (стекловид- ная) 2—10 Стекловидная, Стекловатая, Микровариоли- товая, Порфировидпая Радиально-лучистые и перистые сферолиты моноклинного пиро- ксена Лонгулит-дендриты ром- бического пироксена Иглы оливина Крупные зерна хромита Стекло желтоватое 7—12 6-8 Следы 2—5 75—85
Промежу- точная 1—5 Остеклованная до полукристалли- ческой, мелко- вариолитовая мелкокристал- лоидная Радиально - лучистые и звездчатые сферолиты моноклинного пироксе- на-авгита Крестовидные дендриты ромбического пироксе- на Иглы оливина Мелкие зерна хромита Стекло 24-56 4—5 Следы Около 1 40—70
Внутренняя 10-12 Сериальная в пре- делах мелкосфе- ролитовой структуры Радиально - лучистые и звездчатые сферолиты авгита Крестовидные дендриты и радиально-лучистые сферолиты ромбиче- ского пироксена Микрозерпа хромита ку- бической огранки Стекло 70—80 4—6 0,5 15—20
192
Таблица 18
ческого состава камнелитых труб
Трубы из расплавов на основ'; базальтов
структура литья минералы и ич структура минералов, %
Скрытокристаллоидная микрозернистая до мелковариолитовой, микродиспергентная Микродендриты магнети- та Лонгулит-дендриты ром- бического пироксена Радиально-лучистые сфе- ролиты моноклинного пироксена Крупные зерна хромита Стекло, обильно пигмен- тированное чО Ст' ‘ -v Ill II 22 л >•> .4
Скрытокристаллоидная микрозернистая до мелковариолитовой диспергентная Микродендриты и лонгу- лит-дендриты магнети- та Лонгулит-дендриты ром- бического пироксена Радиально-лучистые сферолиты моноклин- ного пироксена Хромит Стекло Д Д J. из ... 1 Н'
Равномернозернистая мелкосферолитовая Лонгулит-дендриты и микрокристаллы куби- ческой огранки магне- тита Лонгулит-дендриты ром- бического пироксена Радиально-лучистые и ‘ звездчатые сферолиты моноклинного инроксе- ' на Хромит 2—3 .мх.м ’ Стекло
13-1058
IS3
Зона толщиной, мм Трубы из расплавов на основе горелой породы и топливных шлаков
структура литья минералы и их структура содержа- ние мине- ралов, %
Внутренняя 15—17 Сериальная мел- ко- и среднесфе- ролитовая Радиально-лучистые и звездчатые сферолиты авгита Крестовидные дендриты и радиально-лучистые сферолиты ромбиче- ского пироксена Микрозерна хромита Стекло межкр'исталлит- ное 80—85 2—4 Следы 10—15
При вторичной кристаллизации труб в печи их струк-
тура несколько изменяется. Внешняя зона представлена
равномернозернистой структурой с небольшими колеба-
ниями размера зерен (от 0,005 до 0,01 мм). Строение
сферолитов — от глобулитового до радиально-волокни-
стого. Минеральный состав представлен авгитом и энста-
титом. Определение оптических констант затруднено
вследствие малых размеров кристаллов. В зоне полно-
кристаллических структур после вторичной кристаллиза-
ции наблюдается некоторое увеличение поперечных раз-
меров единичных индивидов сферолитовых агрегатов.
Общая структура труб в значительной мере зависит
от толщины их стенки и величины кристаллической зоны/
При малых толщинах труб структура приобретает слег-
ка сериальный характер с медленными переходами от
микрозернистой до мелкозернистой. Прочностные свойст-
ва груб с такой структурой дают удовлетворительные ре-
зультаты. В трубах с толщиной стенки более 25 мм зо-
нальность довольно четко сохраняется. Внешняя зона
имеет микрозернистую структуру, а внутренняя — круп-
но- и грубозернистую. Такие трубы уже из печи выходят
с трещинами.
Таким образом, вторичная кристаллизация труб в пе-
чи не может устранить недостатков кристаллизации труб
в кокиле. Поэтому для получения качественных труб
194
Продолжение табл. 18
Трубы из расплавов на основе базальтов
структура литья минералы и их структура содержание минералов, %
Равномернозернистая, Крестовидные дендриты 1 -10
слегка сериальная в и микрокристаллы ку-
пределе мелкосферо- бической огранки маг-
литовой нетита Радиально-лучистые сфе- ролиты и лонгулит- дендриты ромбическо- го пироксена Звездчатые сферолиты авгита Хромит Стекло межкристаллит- 1 ное । 1 1 1—2 Следы 10—12
нужной структуры необходимо в процессе их кристалли-
зации в кокиле добиваться получения только мелкосфе-
ролитовой структуры в кристаллической зоне. Последнее
достигается лишь при толщине труб 20—22 мм и темпе-
ратуре заливки 1250° С.
Общие данные по минеральному составу и структу-
рам камнелитых труб приведены в табл. 18.
СВОЙСТВА КАМНЕЛИТЫХ ТРУБ
Определение свойств камнелитых труб важно, во-
первых, для отработки технологического процесса их
производства и, во-вторых, для выработки условий целе-
сообразности их применения в различных отраслях на-
родного хозяйства. Наряду с определением свойств кам-
нелитых труб выясняются факторы, влияющие на эти
свойства и тем самым создаются условия для их регули-
рования в соответствии со спецификой применения.
В настоящее время, хотя и не в полной мере, но ис-
следованы химические, физико-механические и минера-
логические свойства камнелитых труб. Полученными в
ходе исследований данными выяснено, что камнелитые
трубы по сравнению с металлическими, керамическими
и стекольными обладают устойчивостью механическому
истиранию и химическому воздействию агрессивных сред.
13*
195
Высокая износоустойчивость камнелитых труб объясня-
ется пироксеновым минералогическим составом и мелко-
зернистой плотной структурой. Наряду с высокой изно-
соустойчивостью камнелитые трубы имеют отличную
сопротивляемость сжатию, однако недостаточную проч-
ность на изгиб и растяжение. Характерно, что прочность
труб по их длине не одинакова. Испытания показали, что
камнелитые трубы, отлитые из базальтового расплава
центробежным методом, имеют предел прочности при
разрыве в торцовой части со стороны заливки 180—
300 кГ/см2, в торцовой части со стороны выталкивания
190—250 кГ1см2 и максимальный в средней части
360 кГ/см2. Снижение прочности торцовых частей труб
объясняется повышенным содержанием стекловидной
фазы, что вызвано переохлаждением расплава во время
формирования труб. Для повышения прочности камне-
литых труб необходимо недопускать остеклования тор-
цов или же производить их обрезку на длину до 100 мм.
Проведенными испытаниями определены следующие
свойства камнелитых труб:
Плотность, г!см?-.
из шиты на основе горелых пород.............. . 2,9—3,0
из шихты на основе топливных зол................2,9—3,1
из базальта....................................... 3,0
Объемная масса, г!см?'. 2,85—2,95
из горелой породы...............................2,85—2,95
из топливных зол......................... 2,85—3,00
из базальта .................................2,90—2,95
Механическая прочность, кГ/см2'.
на сжатие: из топливных и горелых из базальтов .... пород . 2000—4000 3000—5000
на изгиб
из топливных и горелых пород . 300—500
из базальтов . . . . 400—600
на растяжение
из топливных и горелых пород . 150—250
из базальтов .... ....... 200-270
Потери при истирании, определяемые на круге ЛКИ,
г/см2:
из горелой породы . . 0,02
из топливных зол . . 0,03
из базальта 0,02
Кислотостойкость, %:
из горелых пород и топливных зол в серной кислоте 99,0—99,7
’из базальта и серной кислоте . . 99,2—99,9
196
Термостойкость, теплосмены:
из горелых пород и топливных зол................... 5
из базальта................................... 10
Коэффициент линейного расширения, град~'-.
из горелых пород и топливных зол:
при 100° С..................................4.10-*—6-10—«
при 700° С.................................7,4-10—*—8,6-10—*
из базальта при 300° С..................... Г-10—*
Удельная теплоемкость, кал/(г град):
из горелых пород и топливных зол:
при 100° С.................................... 0.163
при 800° С..................................... 0,227
из базальта:
при 100° С..................................... 0.151
при 800° С..................................... 0.262
Коэффициент теплопроводности,
ккал/(л( • ч- град):
из горелых пород и топливных зол ... 1.456
из базальта.................................. 1.493
Твердость по шкале Мооса:
из горелых пород................................ 8
из топливных зол............................. ~—”5
из базальта.................................. о—о.5
Водопоглощение, %:
из горелых пород и топливных зол............ 0.СС5—0.01_
из базальта.................................0.055—0.00,
Анализ приведенных данных показывает, что нанлуч-
шими свойствами обладают базальтовые трубы.
ГЛАВА VI
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ШЛАКОЛИТЫХ
И ИНЫХ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ
ИЗДЕЛИЙ И МАТЕРИАЛОВ
ЛИТЬЕ ИЗ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ШЛАКОВ
Ценным петрургическнм сырьем является шлак м
таллургического производства. В настоящее время в н
шей стране металлургия дает в виде отходов свъп
65 млн. т шлака, большая часть которого не нспользу,
ся и сливается в отвалы. По своему химическому н мш
ралогическому составу многие ишаки, в том числе
менные и некоторые шлаки цветной промышленно
близки к основным горным породам и при незначитель-
ной подшихтовке их можно использовать для получения
качественных литых стеклокристаллических изделий.
Доменные шлаки, производство которых составляет
около 70%, наиболее пригодны для целей петрургии.
К сожалению, из доменных шлаков получают в основном
гранулят для производства шлакопортландцементов и
местных вяжущих. Производство шлаколитых изделий
ограничено. Относительно широко налажено производст-
во шлаковой пемзы, применяемой в качестве наполните-
ля при производстве строительных деталей.
Из шлаколитых материалов и изделий налажено про-
изводство шлакового щебня, успешно заменяющего гра-
нитный щебень; крупноразмерных плит для покрытия до-
рог и полов промышленных объектов, взлетно-посадоч-
ных полос на аэродромах; футеровочных плит для защи-
ты оборудования от абразивного износа; шлаковаты,
применяемой для тепло- и звукоизоляции и др.
Как показано было выше, доменные шлаки в нашей
стране в основном подразделяются на две группы: кис-
лые (уральские) и основные (южные). Для петрургии
наиболее пригодны кислые шлаки, так как не нуждаются
в существенных подшихтовочных материалах. Для при-
менения основных шлаков необходимо вводить стабили-
заторы (кварцевый песок, каолин, магнезит, фосфорный
ангидрид и др.), что усложняет технологию производст-
ва изделий и повышает их себестоимость.
В нашей стране шлаколитое производство налажено!
на Урале и частично в Украинской ССР. Имеются круп-
ные полигоны по производству шлаколитой брусчатки и
тюбингов, много цехов по отливке футеровочных плит,,
бордюрных камней, частично труб и других изделий [87].
Все эти цехи и полигоны технически недостаточно осна-
щены и имеют несовершенную технологию.
Технологическая схема производства простейших
шлаколигых изделий представляется в следующем виде:
доменная печь — шлаковый ковш — загрузочный ковш —
миксер для шлака — форма — кристаллизационно-отжи-
гательная печь — склад готовой продукции.
Такая схема свойственна цехам с механизированным
способом производства шлаколитых изделий, причем в
случае применения кислых шлаков потребность в миксе-
ре отпадает.
198
Основная шлаколи1ая продукция в нашей стране про-
изводится бассейновым, или ямным способом. По этому
способу в заранее подготовленный на открытой площад-
ке бассейн, возле шлакового истопника, на уплотненное
основание устанавливают разборные формы из листовой
стали толщиной 5—6 мм. Во избежание коррозии тниш я
форм с внутренней стороны покрывают слоем коксовой
мелочи. Сверху форм устанавливают покровные металли-
ческие плиты, между которыми оставляют щели шириной
до 15 мм для заливки шлака. При заливке во избежание
всплывания плит на них укладывают груз. Расплав, паз-
ливаемый из ковшей, заполняет формы и верх .плит. соз-
давая покровный слой.
Залитые формы охлаждаются естественно в течение
6—8 суток — в зависимости от размера отливок, толщи-
ны покровного шлакового слоя и времени года. По исте-
чении срока естественной термообработки покровный
шлаковый слой удаляют и полученные отливки подвер та-
ют очистке и приемке.
В ряде случаев при бассейновом способе производят
многоярусную отливку шлаколитых изделий. В этгм слу-
чае формы в бассейне устанавливают в несколько ярус в
по вертикали. Полигонным способом производят брус-
чатку на заводе «Брусчатка» в г. Чусове и тюбинги для
крепления шахтных выработок — в Нижнем Тагиле.
Бассейновый метод получения шлаколитных изделий,
хотя и прост и требует незначительных капитальных зат-
рат, однако имеет существенные недостатки: ирг лесе
кристаллизации практически не управляем, ггс.ядз по-
вышенный выход бракованной продукции; невозможно
получать крупногабаритные отливки, так как высоки ос-
таточные напряжения; значительны потери шллклв.'Г'
расплава; мала оборачиваемость металлических форм и
существен их износ.
При отливке крупных шлаколнты.х изделий практику-
ется применение металлической арматуры. В таких от-
ливках за счет разности коэффициентов термнческо:г
расширения стали и шлака и хорошей их сдегляемости
происходит самонапряженне арматуры, что яытяе^я ...-
ложительпым фактором, гак как повышается хс.ос-^.-
вость изделий воздействию внутренних нанряже.-.ни.
Представляем пн герес разработанная инженером
Г. Ф. Тобол неким [85. 86] технология получения крупно-
габаритных изделий из шлакового расплава с коксовым
шлаковым наполнителем. По этой технологии перед за-
ливкой расплава формы заполняют граншлаком (до 60%
по массе) и накрывают плитами со щелями. Залитый в
подготовленную форму расплав за счет наполнителя бы-
стро охлаждается и при 800—950° С протекает процесс
кристаллизации, далее—медленное естественное охлаж-
дение. Граншлак в расплаве служит как бы каркасом и,
кроме того, выполняет связующую роль.
Важной особенностью рассматриваемого метода
литья является возможность получения шлаколитых из-
делий крупных размеров. Дело в том, что по этому ме-
тоду литья усадка изделий небольшая, поэтому остаточ-
ные напряжения незначительны, и в отливках не появля-
ются трещины. Прочность изделий с наполнителем по
сравнению с прочностью изделий, получаемых бассейно-
вым способом, возрастает на 30—40%.
Производство различных плит и бордюрных камней
в кокилях с наполнителем в виде шлаковой пемзы орга-
низовано на Магнитогорском металлургическом комби-
нате.
В г. Кривом Роге Украинской ССР эксперименталь-
ным цехом каменного литья Харьковского института
«ПромстройНИИпроект» освоено производство литых
крупногабаритных изделий из основных доменных шла-
ков металлургического завода «Криворожсталь». В каче-
стве шихтовых добавок к шлаку добавляют кварцевый
песок, глину и хлоритотальковый сланец. Плавку шихты
ведут во вращающейся крупногабаритной регенерацион-
ной печи. Изделия отливают в песочно-глинистые формы,
термообработку производят в камерной печи. Цех выпу-
скает для нужд горнорудной промышленности желоба,
крупные плиты, сегменты крупных желобов, насадки к
гидроциклонам и др.
Имеется опыт получения качественных отливок из
шлаков цветных металлов.
В ФРГ шлаки цветной промышленности полностью
перерабатывают с получением строительных и промыш-
ленных литых изделий.
В последнее время такие шлаки стали применять и в
нашей стране. Раразработана технология получения ли-
тых изделий из медпо-никелевых шлаков комбината «Се-
вероникель». Медно-пикелевый шлак ценен тем, что он
200
не нуждается в подшихюиочных материалах. Огненно-
жидкие шлаки без дополнительного обогрева разливают
в разъемные металлические формы и после непродолжи-
тельной выдержки изъятые из формы отливки подверга-
ют термической обработке в электрокамерной печи. На
опытной установке комбината освоено производство из
шлаков футеровочных плит, секторов желобов. бордюр-
ных камней, патрубков и других изделий. В настоящее
время на базе медно-никелевых шлаков проектируют
шлаколитейный завод производительностью 50 тыс. т
в год.
В экспериментальном цехе Балхашского медепла-
вильного комбината (Казахская ССР) организовано про-
изводство футеровочных плит, насадок к гидродиклонам,
наголовников для электролизных ванн, деталей насосов
и других литых изделий из медных шлаков в сочетании
с местной горной породой — коунрадским диабазом.
Шихту, состоящую из 40—50% шлака и 60—50
диабаза, плавят в электродуговых печах. тер-
мообработку изделий осуществляют в камерны?.
печах.
Термоанализом выяснено, что плавление медных бал-
хашских шлаков без добавок протекает при 1120—
1140°С, а диабаза при 1320°С. Фактически плавку ших-
ты ведут при 1500° С в течение 2,5 ч, получая с каждой
печи 200 кг расплава. Разливку расплава производят не-
посредственно из печей. Формы применяют в основном
песочно-глинистые, и реже для малых футеровочных
плит — металлические кокили. Кристаллизация отли-
вок протекает при температуре 920—940=С в течение
25—30 мин, медленное охлаждение продолжается
16 ч.
На экспериментальной камнелитейной установке Ере-
ванского горно-металлургического института из шлаков
цветных металлов Алавердинского металлургического
комбината освоено производство труб различных диа-
метров, крупных футеровочных плит и различных фасон-
ных изделий. Промышленное использование указанных
изделий показало хорошие технические свойства и высо-
кую эффективность.
Полнейшее использование шлаков доменного произ-
водства и цветной промышленности является государст-
венной проблемой.
СИТАЛЛЫ
Ситаллы — новый стеклокристаллический материал, род-
ственный каменному литью. Получают ситаллы из раз-
личных силикатных материалов методом кристаллизации
стекол из расплавов, протекающей одновременно во
всем объеме изделии. Благодаря микрозернистой и рав-
номерной структуре, изделия из ситаллов обладают вы-
сокими механическими и термомеханическими свойства-
ми. Технические ситаллы применяют главным образом
в радиотехнике и электронной промышленности.
Создание стеклокристаллических материалов имеет
длительную историю [108]. Первый опыт получения син-
тетического кристаллического фарфора принадлежит
Реомюру. Активная работа ученых многих стран мира по
получению стеклокрисгаллических материалов относит-
ся к последним 50 годам.
В 30-х годах в Германии Беккером получено кристал-
лическое стекло состава 100 • SiC>2 40Na2O • ЗОСаО. Позд-
нее к этому стеклу добавили CaF2 и Na3AlF6 и в послед-
нее время ввели каолин или глину. Советский ученый
И. И. Китайгородский в 1932 г. доказывал возможность
регулирования процесса кристаллизации стекол. В 1951 г.
японский ученый Сугиура запатентовал способ получе-
ния кордиеритового фарфора кристаллизацией стекла.
Румынские ученые Лунгу и Понеску кристаллизацией
стекол с добавкой фторидов получили «фарфор из стек-
ла», отличающийся от обычного фарфора высокой меха-
нической прочностью и термостойкостью.
Следует отметить, что во всех перечисленных стекло-
кристаллических материалах отсутствовала регулируе-
мая кристаллизация, поэтому их производство было за-
труднено.
В 1957 г. в США впервые методом управляемой кри-
сталлизации получен новый стеклокристаллический ма-
териал— пирокерам. Получают этот материал кристал-
лизацией стекол специальных составов с малыми добав-
ками ТЮг или солей золота, серебра и меди, необходимых
для образования многочисленных центров кристаллиза-
ции.
Пирокерам по техническим свойствам превосходит
обычные технические материалы. Имеет высокую твер-
дость и механическую прочность, отличные диэлектриче-
202
ские свойства и хорошую, термостойкость. В силч этих
свойств пирокерам является перспективным материалом
в. авиационной технике и ракетостроении.
Открыты также новые стеклокристаллические мате-
риалы: витрокерам в ГДР, девитрокерам и мираклон в
Японии, минельбит в Венгрии, кристон в Чехословакии,
квазикерамика в Польше.
В Советском Союзе И. И. Китайгородским, Т. К. Бон-
даревым и другими разработана и запатентована техно-
логия получения шлакоситаллов из доменных шлаков
На базе этой технологии созданы крупные механизиро-
ванные цехи по производству листового шлакоситалла
на константиновском заводе «Автостекло* и по произ-
водству футеровочных плит на константиновском заводе
«Октябрьской революции». Для производства шлакоси-
таллов используют доменные шлаки и кварцевый лесок.
С целью создания центров кристаллизации вводят неболь-
шие количества модификаторов в виде окислов хрома и
титана, а также фториды и фосфат. Сам шлак также со-
держит сульфиды тяжелых металлов FeS. MnS. ZnS, спо-
собствующие образованию центров кристаллизации.
По разработанной технологии предварительно полу-
чают стекло и изготавливают из них изделия. Далее про-
изводят термообработку этих изделий для перевода из
стеклообразного в стеклокристаллическое состояние.
Для кристаллизации изделий применяют двухступенча-
тый режим термической обработки.
На первой стадии термообработки при более низкой
температуре (до 600° С) происходит образование цент-
ров кристаллизации. На второй стадии термообработки
при более высокой температуре (800—1000е Ci происхо-
дит формирование основных кристаллических фаз и соз-
дание микрокристаллической структуры материала.
Варьированием состава стекол, типом модификаторов
и режимом термической обработки можно управлять
процессом кристаллизации и получать шлакоситаллы с
заданными механическими и физико-химическими свой-
ствами.
Шлакоситаллы представляют собой материал, состо-
ящий на 60—70% из кристаллической фазы, отдельные
зерна которой изолированы друг от друга стекловидной
прослойкой, размер крае галлов 0.5 1 .wx'.w. Вследствие
такой структуры шлакоситаллы обладают высокими
доз
физико-техническими свойствами, данные по которым в
сравнении с каменным литьем и другими материалами
приведены в гл. VI.
Шлакоситталы нашли широкое применение на обо-
гатительных и химических предприятиях для защиты
оборудования от абразивного износа и воздействия
агрессивных сред. Кроме того, шлакоситталы благодаря
полированной поверхности и множеству окрасок успешно
применяют при облицовке стен и полов на обогатитель-
ных и других предприятиях. Из шлакоситаллов изготав-
ливают высококачественные электроизоляторы, успешно
используемые в промышленности.
Из числа новых разновидностей ситаллов представ-
ляет интерес слюдоситалл. В результате работ, прове-
денных впервые проф. Ленинградского горного институ-
та Д. И. Григорьевым, был разработан метод синтеза
слюд под атмосферным давлением. По этому методу
синтетическую слюду получали кристаллизацией рас-
плавов, содержащих фтор. Григорьевым было доказано,
что вследствие равенства зарядов иона фтора и ионов
гидроксила и близости их ионных радиусов в некото-
рых видах слюд возможно полностью заменить в струк-
туре слюды ион гидроксилола на ионы фтора и получить
синтетическую слюду, которая морфологически не отли-
чается от природной, но по своим качествам значитель-
но ее превосходит. Это открытие было положено в осно-
ву дальнейших работ по изысканию методов получения
синтетической слюды.
Институтом проблем материаловедения АН УССР
совместно с лабораторией Донецкого комбината камне-
литых и керамических изделий была отработана техноло-
гия получения литого слюдокристаллического материа-
ла— слюдоситалла. В качестве сырьевых материалов
было использовано: 25,5% кремнефтористого калия,
27,95% окиси магния, 11,78% окиси алюминия и 34,8%
кварцевого песка.
По разработанной технологии компоненты шихты
предварительно подвергают прокаливанию по режиму:
Темпера- Время,
тура, °C ч
Калий кремнефтористый . . . 450—500 6
Окись магния............... 500 6
Окись алюминия............. 700 4
Кварцевый песок ........... 900 2
204
Прока.тснньи* компоненты щик.еика:.
верстием 1 1,5 мм в с/ияу, дозигг. ю; щ,
телыю перемешивают и сухом виде и —
рабане в течение часа. Плавлщ'ие итихты
в электрической однофазной д.говой ; ---л
ким водоохлаждеиным корпусом и юкоп-щд
фитовой подиной. Работает ста при ;:а.-::,?^
силе тока 750 а. Температура плавления ши
фактически в печи поддерживают те’."--' >
1450°С
Отливку изделий производят в мегаллищ
лаждаемые, а иногда и песочно-глинистые :
сталлизация отливок протекает непосредств
мах на воздухе в течение 2 3 мин. Зш:рие
ные отливки извлекают из форм и палразл;
гательную электрическую печь. Отжиг отпив
дят методом регулируемого снижения тем:
скоростью 2—3° в мин. Предварительная г
печи 700—750°С. По достижении темпера
печь обесточивают и дальнейшее охлажде?
протекает самопроизвольно.
Наряду с получением различных отливе
кристаллического расплава производят поре
но применяемый в промышленности. Для и;
рошка предварительно производят гранулит
плава. Гранулы представляют собой неправ
мы шарики диаметром от 2 до 8 мм, состою
кловидной корки и центрального ядра. ел.
мелких кристалликов синтетической елкщ г
ние гранул до величины зерен около СО мкм
в фарфоровой! шаровой мельнице. Помол в
ние 50—60 ч, затем порошок просеивают,
порошок содержит до 50% стеклофазы.
Гранулометрический состав порошка след}к
0,08 мм—2%, 0,08—0,05 мм 20 -25 г. мен
остальное. Порошок синтетической слюды \
меняют как уплотняющий материал в т\ пош-
лей самолетов.
Особен нос гь ю литою сл ю д о к р к с г л л л и че»
риала является его высокая гепмнчеек.ы к
стойкость, отличная диэлекгрнчцоегь К .о1
материал легко обрабатывается
Слюдокристаллпчсские изделия обладаю^следующи-
ми механическими и физико-химическими/свойствами.
Предел прочности при сжатии, кГ/см2 1180
Предел прочности при изгибе, кГ/см2 220
Ударная вязкость, кГ/см2.............. 0,032
Модуль упругости, кГ/см2 105 . . . 3,9
Модуль сдвига, кГ/см2-\№ .... 1,48
Коэффициент Пуассона................ 0,002
Коэффициент линейного расширения,
град~' • IO-6..................... 8,2
Теплопроводность, вт/(м •град) . . 1,35
Температуропроводность м2/ч•10-3 . 5,0
Кислотостойкость, %:
в НС1............................. 75,09%
в H2SO4 .......................... 89,06%
Коэффициент истирания, г/см2 . . . 0,374
Водопоглощение, %...............0,23—0,24
Химический состав слюдокристаллических изделий сле-
дующий: 41,53% SiO2, 14,62% А120з, 0,5% FeO + Fe2O3,
23,90% MgO, 0,67% СаО и п. п. п.—3,7.
Благодаря указанным свойствам изделия из литого
слюдокристаллического материала успешно применяют
в ряде отраслей народного хозяйства [88].
На шахте «Глубокая» треста «Пролетарскуголь»
г. Донецка в жидкостных реостатах ЖРН-2000 клетьево-
го подъема применены изоляционные экраны, отлитые из
слюдокристаллического материала. В условиях эксплуа-
тации в содовом электролите при температуре 70—80° С
и под периодическим воздействием электрической дуги
их износ за четыре года эксплуатации оказался незна-
чительным. Применяемые ранее экраны из других мате-
риалов служили до одного года.
На заводе «Тяжмаш» г. Жданова в качестве изоляции
в индукторах соленоидного типа, предназначенных для
нагрева токами высокой частоты металлических деталей,
были применены слюдокристаллические щиты, в резуль-
тате к. п.д. индукторов повысился.
На комбинате «Сихали» г. Тетюхи в установке для
получения висмута применены слюдокристаллические
желоба длиной до 1400 мм. Срок службы желобов возрос
до 400 ч, в то время как хромоникелевые служили до
200 ч, кроме того, повысилась чистота висмута.
На Авдеевском коксохимическом заводе Донецкой об-
ласти в опытной установке по непрерывному коксованию
20G
углей применена облицовка из слюдокристаллического
материала. Ценность такой облицовки состоит в том, что
она не имеет адгезии со смолами, выделяющимися при
коксовании, чего не могли добиться, применяя другие
материалы. Тем самым решена важная проблема в орга-
низации производства непрерывного коксования углей.
Институт физико-технических проблем энергетики в
г. Каунасе успешно применяет слюдокристаллический
материал для исследовательских работ. Из этого мате-
риала изготавливают различные изделия для приборов и
установок, работающих в условиях воздействия высоких
температур и агрессивных сред.
На Соликамском магниевом заводе хорошо зареко-
мендовала себя изоляция из слюдокристаллического ма-
териала для электродов хлоратора. Кроме того, имеются
примеры успешного применения слюдоситаллов в дру-
гих отраслях народного хозяйства.
Применение литых изделий из слюдокристаллическо-
го материала в различных отраслях народного хозяйства
имеет большую перспективу.
СВЕТЛОКАМЕННОЕ ЛИТЬЕ
В нашей стране имеется единственное предприятие
по производству светлокаменного литья — цех при Мос-
ковском камнеобрабатывающем комбинате [33. с. 141.471.
В цехе отливают: малые плиты для выкладки знаков
на уличных переходах; большие армированные плиты
для облицовки цоколей зданий, путепроводов, а также
полов, разделочных столов, хранилищ пищевой промыш-
ленности; шары и футеровку для шаровых мельниц, раз-
малывающих материалы лакокрасочной и эмалевой про-
мышленности; художественные изделия и различные мел-
кие технические изделия.
Светлокаменное литье в основном слагается из мине-
рала диопсида. По химическому составу содержит 61
SiO2, 30% СаО и 9% MgO. Как показано выше, возник-
новение светлокаменного литья было связано с поисками
синтетического материала, аналогичного природному
4 диопсиду. В связи с этим при составлении шихты исходи-
ли из химического состава диопсида. Экспериментальным
путем выбрана шихта следующего состава: 45- кварце-
рого песка. 34% естественного доломита и 21 мела, из-
207
вести или отходов мрамора. Сверх этих материалов в
шихту вводят 3% плавикового шпата и до 0,8% окиси
цинка. Цех применяет песок Люберецкого месторожде-
ния Московской области без предварительной подготов-
ки, не считая его сушки, если влажность превышает 3%.
Доломит необходим для введения в расплав окислов
кальция и магния. На комбинат доломит поступает в ви-
де кусков с Осугского или Щелковского месторождения
Московской области. Предварительно доломит сортиру-
ют, удаляя инородные породы и примеси, далее дробят
на шековой дробилке с измельчением кусков до 40—
60 мм и размалывают на вальцевой мельнице до размера
зерен 1—2 мм. Заданный гранулометрический состав оп-
ределяют на механическом сите, при этом доломит с зер-
нами повышенных размеров возвращают на мельницу.
В доломите содержание окислов железа не должно
превышать 1%. При большем содержании железа литье
приобретает желто-зеленую окраску. Из доломитов ука-
занных двух месторождений более применим осугский,
содержащий менее 0,5% окислов железа.
За счет вводимого в состав шихты мела (извести,
мрамора) расплав обогащается недостающей окисью
кальция. При применении мела, как правило молотого,
возникает необходимость лишь в его просеивании, чтобы
избежать попадания в шихту посторонних предметов.
Чаще всего цех применяет не мел и известь, а отходы
светлого мрамора. По аналогии с доломитом мрамор дро-
бят, размалывают и просеивают.
Плавиковый шпат вводят в шихту для повышения
кристаллизационной способности расплава и улучшения
литьевых свойств. Завозят плавиковый шпат с Урала и
Забайкалья, ранее применяли китайский.
Окись цинка вводят для отбеливания расплава. В це-
хе светлокамениый расплав получают в электропечи с
графитовыми электродами, при этом, как отмечалось вы-
ше, часть графита попадает в расплав и окрашивает его
в серый цвет. За счет кислорода окиси цинка графит в
расплаве выгорает с выделением углекислого газа
2ZnO + С = СО2 + 2Zn.
В дальнейшем свободный цинк окисляется в печи и
осаждается на электроды и свободную от расплава по-
208
всрхпость печи в виде белого порошка. В результате та-
ких процессов расплав освобождается от углерода и при-
обретает естественный светлый цвет. Часто в состав
шихты вводят отходы (до 20%) производства светлока-
менного литья (бой и брак продукции, отходы при раз-
ливке) .
При составлении шихты производят корректировку на
влияние динасовой футеровки плавильной печи. В усло-
виях плавления шихты во вновь перефутерованной печи,
когда износ и растворение динаса достигает максималь-
ного значения, кварцевого песка дают на 3—4'--. меньше
расчетного. Дозировка окиси цинка также не постоян-
ная. Например, для художественного литья, к которому
требования по окраске повышенные, окиси пинка вводят
в шихту до 0,8%, а при производстве технических изде-
лий— всего лишь 0,3%, так как требования на белизну
изделий пониженные. Подготовленные сырьевые мате-
риалы в основном имеют однородный гранулометричес-
кий состав, что обеспечивает хорошие условия для их
смешения и плавления.
Дозировку компонентов шихты производят по массе
с учетом естественной влажности. Смешение шихты осу-
ществляют в смесителе порциями по 30 кг в течение
10 мин. В летних условиях, когда сырьевые материалы
сухие, при смешении шихты ее частично увлажняют с та-
ким расчетом, чтобы общее содержание воды доходил?
до 3%. Небольшая влажность шихты обеспечивает сохра-
нение ее однородности при транспортировании и форси-
рованное протекание процесса плавления вследствие
улучшения контакта шихты с электродами. Повышенное
содержание воды в шихте может в процессе плавления
привести к выбросу расплава из печи. От качества сме-
шения шихты зависит ее однородность, скорость плавле-
ния и гомогенность расплава.
Подготовленную шихту подают в ши.хтоприемннк. рас-
положенный возле плавильных печей. Плавку шихты
производят в электродуговых печах сопротивления пе-
риодического действия. Плавильная, печь состоит из ста-
нины, корпуса печи с футеровкой, ванны, графитовых
электродов, стоек для регулирования положении элек-
тродов и штурвала для поворота печи. Ванна печи внут-
ри имеет размеры 5004400\450 .«.к. Ее производитель-
ность за одну плавку в течение полх гора часов состав.:я-
14—1058
0Л'
ет 200 кг расплава. Печь изготовлена из металла и
зафутерована динасовым кирпичом, срок службы кото-
рой при непрерывной работе не превышает 7—8 дней.
Для выливки расплава имеется летка, расположенная у
основания ванны. Ванна печи покоится на двух опорных
подшипниках, закрепленных к станине и для выливки
расплава может поворачиваться на 90°.
На стойках печи закреплены два графитовых элек-
трода диаметром 100 мм и длиной 1000 мм. При помощи
винтового и поворотного устройства электроды можно
перемещать по вертикали, а также сближать или удалять
их друг от друга с изменением угла наклона.
Электропитание печи однофазное; один из электродов
подключают к рабочей фазе, а второй — к нулевой.
Печь снабжается электроэнергией через ступенчатый
трансформатор. Потребляемая мощность одной печи
60 кет, всего работающих печей в цехе три.
Для получения первичной порции расплава при за-
пуске печи оба электрода замыкают третьим небольшим,
сверху засыпают порцию шихты 5—8 кг и включают ток
напряжением 35 в, силой 200 а. С появлением расплава
за счет тепла электродуги третий электрод удаляют, за-
сыпают до 30 кг шихты и повышают напряжение до
135 в. Процесс плавления шихты с этого времени уже
протекает вследствие замыкания электроцепи через рас-
плав, являющийся хорошим проводником. С увеличени-
ем массы расплава повышают напряжение до 200 в, сох-
раняя силу тока в пределах 150—200 а. В дальнейшем
силу тока повышают до 350 а.
Температура форсированного плавления шихты до-
стигает 1500° С. Перед выдачей расплава температуру
снижают до 1300—1350° С. Готовый расплав выливают в
ковш и краном подают к разливочной площадке между
прокалочной и кристаллизационно-отжигательной тун-
нельными печами.
Процесс получения расплава в электродуговых печах
отличается от других плавильных печей. При плавлении
шихты над расплавом постоянно имеется спекшаяся
корка шихты, служащая как бы сводом. Плавка протека-
ет таким образом, что корка снизу все время, как бы та-
ет, а сверху за счет слоя периодически пополняемой ших-
ты спекается. По мере накопления расплава корка под-
нимается все выше и к концу плавки, когда подачу
21Q
шихты прекращают, корка становится юикои и в таком
виде сохраняется даже после выдачи расплава из печи.
В процессе плавки для удаления газов корж, периодиче-
ски пробивают ломиком. Получаемый в ванне расплав
имеет два слоя: верхний пенистый наиболее горячий и
нижний более однородный и несколько охлажденный. По
мере завершения процесса плавления нижний основной
слой расплава все больше охлаждается, гомогенизирует-
ся и дегазируется.
В ходе плавления шихты в различных зонах ванны
протекают своеобразные физико-химические срздессы.
В слое шихты над коркой при температуре ЗСЮ—бОС'С
удаляется влага, выгорают органические примеси к спе-
кается слой, непосредственно контактирующий с коркой.
В корке и в спекшемся слое шихты при температуре сре-
ды около 1000°С протекает распад карбонатов. В пени-
стом слое расплава происходит растворение корки, а в
нижнем слое расплав очищается от газов и усредняется
по составу. Наиболее готовый расплав находится в са-
мом низу ванны, поэтому летку устанавливают в этой
зоне.
За счет графитовых электродов среда в ванне печи
восстановительная, что способствует не только выгора-
нию углерода в расплаве, но и восстановлению железа о
образованием ферросилиция осаждаемого на дно ванны.
Этот сплав железа с окисью кремния обычно сливают,
как только открывают летку печи. Технология получения
различных изделий из полученного расплава имеет сле-
дующие особенности.
В цехе светлокаменного литья налажено массовое
производство: малых плит размером 150\ 150x 30 лл
для выкладки уличных переходов и стоп-линий; плит по-
вышенных размеров в основном 300X300X35 дне для вы-
стилки полов, столов и ванн в цехах предприятий пище-
вой промышленности (пивные заводы, мясокомбинаты,
кондитерские фабрики, холодильники и др>: крупнога-
баритных гладких фасонных плит размером 0.5 л- и бо-
лее для облицовки путепроводов, цоколей и коло:-:.: фун-
даментальных зданий и сооружений.
Отливку плит, как и многих дрхгих нзлелнн. произво-
дят только в песочно-глинистые формы. Металлические
формы или кокили в свеглокаменном производстве
применяются, гак как расплав прихватывается к метал-
211
1-1
лу, кроме того, отливки с поверхности приобретают жел-
товато-зеленую окраску.
Для получения форм заготавливают песочно-глини-
стую смесь двух составов: облицовочную и наполнитель-
ную. Облицовочная смесь, предназначаемая для образо-
вания рабочей поверхности форм, очищена от инород-
ных примесей и эластична. Приготавливают ее из 85%
кварцевого песка и 15% огнеупорной глины с добавлени-
ем до 10% воды.
Наполнительная смесь, необходимая для образования
основной массы форм, более грубая и менее податливая.
Получают ее смешением 80% горелой (оборотной) зем-
ли и 20% огнеупорной глины.
Для приготовления формовочных смесей глину сушат
(на своде туннельной печи), горелую землю просеивают,
а кварцевый песок в подготовке не нуждается. Дозиров-
ка составляющих компонентов формовочных смесей
обычно объемная. Приготавливают эти смеси на смеси-
тельных бегунах в следующем порядке. Первоначально
в течение пяти минут размалывают глину, затем загру-
жают кварцевый песок или горелую землю и произво-
дят тщательное смешение с одновременной подачей во-
ды. На весь процесс приготовления одной партии формо-
вочной смеси затрачивают до 15 мин.
Из приготовленных формовочных смесей изготовля-
ют формы, выполняя при этом следующие операции. На
формовочный стол укладывают разборную металличес-
кую опоку с размерами, соответствующими габариту те-
лежки туннельных печей. В опоку размещают деревян-
ные модели с расчетом максимального использования
рабочей площадки и минимального расхода формовоч-
ной смеси. Далее модели засыпают слоем облицовочной
смеси и утрамбовывают. Затем засыпают наполнитель-
ную смесь и вновь трамбуют, применяя пневмотрамбов-
ки. Заформоваипую опоку поднимают тельфером, пово-
рачивают на 180° и устанавливают па тележку. После
извлечения моделей, разборки и снятия металлической
опоки производят правку форм и во избежание пригара
к отливкам припудривают прокаленным маршалитом
(тонкомолотый кварцевый песок).
Сушку и прокалку форм осуществляют в малой тун-
нельной ночи, Сушильно-нрокалочная печь имеет длину
10 м, ширину 2,27 м и высоту 1,8 м. Обогревается она
212
электроэнергией с применением нихромовых обогрева-
телей, потребляемая максимальная мощность 168 кет.
Формы на тележках поступают в печь при температуре
50—60° С, проходят зону сушки, затем прокалку при
максимальной температуре 800—850'С. Всего в печи
помещается 10 тележек. Время сушки и прокалки форм
составляет 8 ч. Для создания стационарного теплового
режима в печи хвостовая ее часть защищена легким ши-
бером, головная часть — футерованным шибером, откры-
ваемым механически. Тележки в печи перемешают тол-
кателем.
Выходящие из печи на тележках прокаленные формы
очищают от засора и заливают расплавом. Разливку рас-
плава осуществляют из подвешенного ковша, подставляя
при этом под струю металлическую лопаточку, чтобы ча-
стично остудить расплав и недопустить его пригара к
форме.
Температура разливаемого расплава в пределах
1300—1350° С. С повышением температуры расплава уве-
личивается объем усадочных раковин и на поверхности
отливки образуются поры. Применение холодного рас-
плава приводит к недоливу углов форм и нередко к ос-
теклению отливок.
Заливаемые формы должны иметь температуру
800° С. Применение недостаточно прокаленных форм при-
водит к образованию на поверхности отливок мелких по-
верхностных трещин (посечки). Бывают случаи вспучи-
вания форм при заливке в них расплава, что объясняет-
ся наличием в формах остаточной влаги.
Тележки с залитыми формами поступают в кристал-
лизационно-отжигательную печь, расположенную на од-
ной оси с прокалочной туннельной печью; рельсовый
путь у них общий. Кристаллизационно-отжигательная
печь имеет длину 38 лг, а ширину и высоту, как и прока-
лочная печь. Обогревается она электроэнергией, потреб-
ляемая монщость 220 кет. В печи размещается 38 теле-
жек, проталкиваемых механическим толкателем.
Для кристаллизации отливок печь имеет кристалли-
зационную зону, отделяемую от зоны отжига внутрен-
ней подвесной аркой. В зоне кристаллизации поддержи-
вают температуру 950- 1000 С. а в головной части зоны
отжига возле арки 800''С и далее гемпсартура снижается
до 50 -60е С у выхода из печи. Бремя термообработки
213
изделии зависит от их массивности и конструкции. Про-
стейшие небольшие изделия кристаллизуются в течение
80 мин и отжигают до 24 ч. Сложные и массивные изде-
лия кристаллизуют до 100 мин и отжигают до 30 ч.
Малые плиты принимают по шаблону и в обработке
они не нуждаются. Крупные плиты и другие изделия об-
рабатывают на шлифовальных станках с карборундовы-
ми кругами для удаления неровностей на плоскостях и
выравнивания торцов. Изделия с остекленными углами
(на глубину более 5 мм), трещинами и отклонениями в
заданных размерах выбраковывают.
При производстве крупных плит зачастую их арми-
руют, используя каркасы из жаропрочной стали. Приме-
нение рядовой стали нежелательно, так как за счет ее
окисления и относительно повышенной пористости свет-
локаменного литья при наличии влаги на поверхности
плит образуются желтые пятна. Такое явление было за-
фиксировано при эксплуатации одного из путепроводов
к московскому стадиону им. Ленина, футерованного ар-
мированными светлокаменными плитами.
Производство шаров и футеровочной брони для ша-
ровых мельниц. Для футеровки шаровых мельниц цех
производит секторы и кирпичи от 2 до 20 кг и шары
к ним диаметром 45 и 85 мм. Футеровочную броню отли-
вают в песочно-глинистых формах с применением дере-
вянных моделей по технологии производства крупнога-
баритных плит.
Шары тоже отливают в песочно-глинистых формах,
но модели применяют металлические разъемные (их уст-
ройство описано выше). При производстве шаров формы
устанавливают на тележки вертикально стопками 3—
4 шт., сушат и прокаливают, заливают и подвергают
термообработке по тому же режиму, что и другие из-
делия.
При отливке шаров большого диаметра форму на 64
шара приготовляют из двух половинок — верхней и ниж-
ней. Модель для формования одной из опок состоит из
подмодельной деревянной плиты с закрепленными к ней
64 алюминиевыми полушарами с таким же количеством
литников. После формования из верхней и нижней опоки
извлекают модели, опоки эти монтируют на тележках, со-
блюдая строгую центровку и фиксацию. Подготовленные
формы в опоках сушат, прокаливают, затем заливают.
214
Термообработку отлитых шаров ведут в формах в тун-
нельной печи по режиму для фасонного литья. При обра-
ботке шаров отбивают литники, и шлифованием устраня-
ют поверхностные дефекты. Брак шаров наблюдается
в основном за счет остекления, недолива и перекоса
половинок.
Производство технических и художественных изделий
методом точного литья. Из белокаменного литья изготав-
ливают изделия методом точного литья по выплавляе-
мым моделям. Этим методом получают изделия сложной
конфигурации (скульптуры, горельефы, фонтаны и дрл,
а также технические изделия с высоким классом точно-
сти. Методом точного литья изготавливают прессформы
для прессования абразивных и химически активных масс
в электротехнической промышленности, которые успешно
заменяют прессформы из победита и органического
стекла.
По методу течного литья в специально конструируе-
мые разборные формы отливают восковые модели, иден-
тичные по размерам и форме отливаемым камнелитым
изделиям. На полученные модели наносят в несколько
слоев этилсиликатную замазку, создавая плотную обо-
лочку. В дальнейшем при нагревании в горячей воде,
паром или в низкотемпературной печи вытапливают воск
моделей. Изготовленные этилсилнкатные формы устанав-
ливают в металлические опоки, по уровню литников за-
сыпают сухим кварцевым песком, прокаливают и залива-
ют расплавом. Технология производства по этому метод;,
прессформ слагается из следующих операций.
С помощью разъемной металлической прессформы из-
готавливают восковую модель. Восковой материал при-
готавливают плавлением смеси парафина > и стеа-
рина (40%). В прежние годы с появлением метода
точного литья для изготовления моделей применяли пче-
линый воск, поэтому название «восковые^ модели сохра-
нилось до сего времени. Перед заливкой в формы смесь
стеарина и парафина растапливают при температуре
110° С и затем охлаждают до 70'С. Для затвердевания
поверхности моделей залитые формы охлаждают в хо-
лодной воде 2—3 мин. Далее во избежание деформации
модели из нее выливают через литник незастывшин воск
и продолжают ее охлаждать в течение 3—10 мин. Затвер-
девшею модель извлекают из формы и сушат на воздухе.
215
Полученные восковые модели с литниками покрыва-
ют этилсиликатной замазкой, состоящей из этилсиликата,
спирта-ректификата и прокаленного маршалита. Для
приготовления замазки предварительно смешивают этил-
силикат (60%) со спиртом (40%) и на каждый литр это-
го раствора добавляют по 8 г соляной кислоты. После
тщательного перемешивания раствора в течение 30 мин
выдерживают его около 3 ч для завершения процесса
гидролиза. Перед покрытием восковых моделей в раствор
добавляют 30% по массе (предварительно прокаленного
при 900° С) маршалита и перемешивают до образования
однородной жидкотекучей массы, принятой называть
«замазкой». Модели покрывают замазкой в 2—3 слоя
с предварительной сушкой на воздухе каждого слоя. При
нанесении замазки слои присыпают сухим кварцевым
песком.
Для получения готовых оболочек из замазки (этил-
силикатных форм) покрытые модели формуют в сухом
песке в металлическую опоку и заливают сверху песоч-
но-гипсовым раствором, оставляя открытыми торцы лит-
ников. Затем заформованную опоку в перевернутом по-
ложении устанавливают на металлическую противню
с литниками книзу и помещают в камерную печь. В про-
цессе нагрева при температуре 150—200° С воск в течение
10—12 ч полностью вытапливается и полученные этил-
силикатные формы высушиваются. Перед заливкой рас-
плавом формы в опоках прокаливают при температуре
900° С в течение 8—10 ч. При нарушении дозировки ком-
понентов замазки или же их некачественности получае-
мая форма может иметь трещины, что приводит к браку
прессформ.
Заливку расплава и термообработку отливок ведут
аналогично заливке и термообработке изделий в песоч-
но-глинистых формах. В получаемых изделиях по-
верхность легко очищается от остатков этилсиликат-
ной оболочки и в какой-либо обработке не нуждается
за исключением отбивки литников и зачистки участка
скола.
Рассматриваемым методом в цехе светлокаменного
литья отливают прессформы для штамповки сухих
электробатарей и других абразивных и агрессивных ма-
териалов электротехнической промышленности. По ли-
нейным размерам отливаемые прессформы имеют допу-
216 ________________
vnn о проделал ди и, 1-v,Z, мм. 1 11) а К I И ЧССК И ЭТИ ГфеДеЛЫ
могут быть снижены.
В связи с дефицитностью исходных материалов для
получения указанной замазки (этилсиликата и спирта-
ректификата) освоена технология получения силикатных
оболочек для точного литья на основе жидкого стекла.
Массу для оболочек изготавливают из смеси натриевого
жидкого стекла, раствора кремнефтористого магния и
маршалита. Жидкое стекло с модулем 3,7—4 разбавляют
водой и готовят два растора с плотностью 1,04—
1,075 г!см? и 1,2 г!см\ Добавляя к растворам соответст-
венно 68—72 и 65% прокаленного при 900'С маршалита.
получают две суспензии — одну для первого (лицевого)
слоя оболочки, другую — для последующих слоев. Для
получения оболочки восковую модель окунают в первую
суспензию, присыпают сухим кварцевым песком, погру-
жают в сосуд с кремнефтористым магнием, выдержива-
ют в течение 5—6 мин, затем сушат на воздухе. Далее
такую же операцию повторяют от 3 до 5 раз. применяя
при этом вторую суспензию. Вытопку модельного воска
производят в воде при температуре 80—90' С. Освобож-
денные от воска формы сушат на воздухе 1.5—2 ч. фор-
муют в металлические опоки с кварцевым песком, прока-
ливают и заливают расплавом.
Изготовление светлокаменных художественных отли-
вок более сложно. Чаще всего сложные изделия изготов-
ляют из отдельных частей, применяя различные методы
литья. В качестве примера изготовления сложного изде-
лия можно привести отливку фонтана «Рыбка"*, установ-
ленного на Ленинских горах в г. Москве. Фонтан имеет
высоту 1,6 м, не считая гранитного основания, и диаметр
чаши 1,4 м. Отлит он из семи частей: большой и малой
тумб, чаши из четырех лепестков и рыбки. Для отливки
лепестков и рыбки скульптор и лепщик предварительна
изготовили модели из скульптурной глины и по ним сде-
лали гипсовые модели. С помощью гипсовых моделей
получали гипсовые и клеевые формы, необходимые для
отливки восковых моделей. Затем по описанной техноло-
гии изготовили этилсиликатные формы и залили их рас-
плавом. Тумбы отливали в песочно-глинистых формах.
Все части фонтана армировали сиецсгалью. чтобы об-
легчить монтаж фонтана.
Методом точного литья пз свег.токаменного литья по-
217
думают различные скульптуры и строительно-архитектур-
ные изделия.
На базе светлокаменного литья может быть решена
проблема получения цветного художественного и архи-
тектурно-строительного литья. Эксперементами выяснено,
что введением в шихту или расплав различных окислов
металлов можно получать цветное каменное литье.
Устойчивое окрашивание литья в зеленый цвет получает-
ся при введении в расплав окислов хрома и никеля. Ко-
ричневое литье различных оттенков получается при
добавлении перекиси марганца (пиролюзита). Литье
красного цвета достигается введением в расплав меди.
Цинковые и свинцовые соединения окрашивают литье
в желтый цвет, а кобальтовые соединения окрашивают
литье в синий цвет. Также доказана возможность глазу-
рования поверхности камнелитых изделий. Для этих це-
лей применяют различные флюсы с красителями, смесь
которых наносят на поверхность изделий, затем их под-
вергают обжигу. Технология глазурования каменного
литья аналогична глазурованию керамических изделий.
Основой глазурования является правильный подбор
фритт, при этом учитывают коэффициенты термического
расширения светлокаменного литья, фритт и красителей.
ОГНЕУПОРНОЕ ЛИТЬЕ
На Ереванском муллитовом заводе ранее отливали
огнеупорные муллитовые брусья до 250 кг, которые пред-
назначались для выкладки бассейнов стекловаренных
печей, работающих в условиях высоких температур. По
химическому составу муллитовое литье содержит 70%
окиси алюминия, 27% окиси кремния и 3% других окис-
лов. Минеральный состав слагается из 85% муллита
ЗА120з• 2S1O2, до 6%корунда, 6—7% остаточного стекла
и до 3% магнетита и рутила.
Основным сырьем для производства муллита служит
тихвинский боксит, содержащий от 52 до 65% А12О3, от
18 до 40% SiO2 и от 2 до 5% Fe2O3. Вспомогательными
материалами служит кианит или техническая окись алю-
миния, цирконовый концентрат и кокс. Минерал кианит
содержит 54,7% А12О3, 42,5% SiO2; 1,2% TiO2; 1,6% Fe2O3.
Цирконовый концентрат содержит: 64—65% окиси цир-
кона, 32%окиси кремния и другие окислы. Вводится он
218
в шихту для повышения термостойкости и механической
прочности муллитового литья. Кокс вводят в шихту для
восстановления железа и частично кремния с тем, чтобы
прошло образование ферросилиция. Этот сплав, как
более тяжелый, осаждается на дно ванны. В итоге за
счет обеднения окислами железа муллитовое литье ста-
новится более стойким в условиях высоких температур.
Технология получения муллитовых блоков относи-
тельно несложная. Сырьевые материалы шихты подвер-
гают сушке, дроблению, помолу, массовой дозировке и
смешению.
Плавку шихты ведут в электрических печах сопротив-
ления. Эти печи отличаются от печей для светлокамеино".'
литья расположением одного из электродов в лоде печи
и наличием футеровки из электродной массы. Ф\терэвкг
печи — трехслойная. Металлический кожух лети предва-
рительно выкладывают шамотным кирпичем. затем
асбеста и с рабочей поверхности — электродной малл.й
Потребляемая мощность печи 250 кет ч при покгзгни.=х
тока: напряжение 150—190 в, сила тока 1900—1600 д
Производительность печи 100—150 кг ч.
Шихта плавится при 1900° С, время плавки — дс - ч.
выход расплава — до 250 кг, что обеспечивает тлиьку
одного бруска.
Брусья отливают в песочно-глинистых щ*?рмал. Фор-
мовочную смесь составляют из 80% кзарцездго легка.
15—20% часов-ярской огнеупорной глины и '—Эр
сульфатной щелочи. Перед заливкой расплавом а-
сушат и в охлажденном состоянии помещает в термос
Термос состоит из двух металлических с.: — '.л и
глухим дном, а второй — с открытыми терцами В пер-
вую опоку засыпают слой диатамита тел:.;?:.-. е*1—
400 мм и устанавливают подготовленную ферму. при
помощи крана опоку с формой устанавливают
кой у одной из четырех плавильных печей Перед 5цд ';-
кой из печи расплав, имеющий температу ?> 1 • х’““
1800°С, охлаждают в течение 15 20 ш.-.
расплав характерен высокой вязкостью да хе новы-
шейных температурах, поэтому приходится его• ра-:ливагя
в формы при 1650—1700 С, что приводит к бел ж.л и
усадке отливок (до 15%). Для уменьшения у садхи залив-
ку формы ведут тонкой струей в течение 20--2> '“°
способствует охлаждению расплава и обеспечивает
питку отливки в процессе усадки. По завершении залив-
ки форму накрывают предварительно подготовленной
песочно-глинистой плитой, сверху устанавливают вторую
опоку, засыпают диатамитом и в итоге получают смонти-
рованный термос. Надежная теплоизоляция формы не-
обходима потому, что кристаллизация и отжиг бруса
протекает непосредственно в термосе. Смонтированный
термос с залитой формой краном устанавливают на спе-
циальной площадке, где находится 10 суток, после чего
его демонтируют и извлекают готовый брус, не нуждаю-
щийся в обработке.
Для производства 1 кг муллитового литья требуется
1,7—1,9 кг боксита и расходуется 2,7 квт-ч электроэнер-
гии. Значительны затраты на перефутеровку плавильных
печей. Из-за высокой температуры плавления шихты
и активного химического воздействия сплава ферросили-
ция футеровка активно изнашивается и ее приходится
полностью заменять через 10—12 дней эксплуатации.
В последние годы на Ереванском муллитовом заводе
стали производить новые литые огнеупоры — «Бокор»
и «Армения». Огнеупор «Бокор» отливают из шихты сле-
дующего состава: 31% циркониевого концентрата, 59%
глинозема, 9% обогащенного каолина и 1% мраморной
муки. Химический состав сырьевых материалов и литья
дан в табл. 19.
Таблица 19
Химический состав сырья и литья, °/о
Материалы и литье SiO2 Al А Fe,O3 СаО тю2 ZrO2 MgO П. п.п.
Циркониевый кон- центрат .... 34,4 0,7 1,06 0,84 —, 63,0 — —
Обогащенный као- лин 52,79 43,25 1,52 1,62 0,80 — — 0,02
Мраморная мука . 4,12 2,94 1,06 51,24 — — 0,95 39,69
Литье «Бокор» 15,52 63,21 0,47 1,17 0,07 19,55 0,01 —
Примечание. Глинозем содержит до 100% А12О3.
Огнеупор «Бокор» представляет собой материал свет-
ло-серого цвета, большой плотности (3,4—3,5 г/см3).
Структура его однородная, сложенная в основном из ми-
нералов бадделеита ZrOg и корунда.
220
Для производства литого огнеупора «Армения» ис-
пользуют шихту следующего состава: 37,0% циркониево-
го концентрата, 50,6% глинозема, 10,0% двуокиси цирко-
ния, 2,1% соды кальцинированной, 0,3% мраморной
муки.
Двуокись циркония содержит: 97,6% ZrO2, 1,2% TiO2;
0,7% SiO2, 0,4% СаО, 0,1% Fe2O3. Сода кальцинирован-
ная состоит в основном из 57,9% NaOH, п.п.п. 42.1%.
Полученное из указанных материалов литье содержит:
50,50% А120з, 33,96% ZrO2, 13,16% SiO2, 1.24% Na.O,
0,51% СаО, 0,41% Fe2O3, 0,12% TiO2.
Шихту плавят в электродуговых однофазных печах
емкостью 0,5 т при температуре 1900—2000° С. Печи футе-
рованы графитовыми блоками. Технология получения ли-
тых блоков «Армения» аналогична технологии получения
изделий из «Бокора». Огнеупор «Армения» более стоек
воздействию стеклорасплава, чем «Бокор».
КАМЕННО-КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ
В последнее время разработана технология получе-
ния базальтовой каменной керамики [89, 90]. Базальто-
вая керамика по химическим и физико-механическим
свойствам близка к каменному литью и превосходит пос-
леднее в термостойкости.
Натуральный базальт Берестовецкого месторождения
характеризуется кристаллическим строением, мелкозер-
нистой структурой с небольшим числом порфировых
вкрапленников размером не более 2 мм. Основные мине-
ралы базальта представлены плагиоклазом, пироксеном,
магнетитом и стеклофазой. Из других свойств натураль-
ного базальта известно, что его плотность составляет
2,96 г!см3, пористость 0,68%, кнслотостойкость в серной
кислоте 95—98%, сопротивление истиранию 0.03 г гл2,
термостойкость до 10 теплосмен.
Пирометрические свойства базальта характеризуются
следующими данными: температурой плавления 1130'С.
огнеупорностью 1210° С, температурой расплавления
1250° С. Интервал спекания в диапазоне температур
900—1090° С составляет 190 град. Интервал спекшегося
состояния в диапазоне температур 1050—1090' С равен
40 град. Базальт может быть отнесен к хорошо спекаю-
221
Технология получения каменно-керамических изделий
шликерным методом предполагает следующие операции:
изготовление гипсовых форм, измельчение базальта и
глины, приготовление шликера, литье, извлечение отли-
вок и их правка, сушка отливок, обжиг.
Для подбора оптимального состава компонентов шли-
кера: базальта, глины и воды опробован ряд составов
различных шликеров, при этом изучены и свойства самих
шликеров.
Оптимальные составы шликеров для различных усло-
вий применения характеризуются следующими данными:
шликер 1-й содержит 60% базальта, 40% глины Ч-1ПК,
0,2% соды и 0,02% жидкого стекла; шликер 2-й — 85%
каолина, 0,2% соды, 0,02% жидкого стекла; шликер 3-й—
83—85% базальта, 15% глины ДВ-1, 0,2% соды, 0,02%
жидкого стекла и 2% минерализатора. Влажность шли-
кера 1 -го — 33 %, 2-го — 31%, 3-го — 34 %.
Помол компонентов шликера производят как мокрым
совместным способом, так и раздельным сухим. Базальт
измельчают в шаровых мельницах до фракции менее
0,09 мм. Глину вначале размалывают на бегунах, затем
затворяют в воде в соотношении 1 : 1, а затем она в те-
чение 2—3 суток вылеживается. Для разжижения шли-
кера вводят электролиты (дефлокулянты). Лучшим де-
флокулянтом признана смесь карбоната и силиката нат-
рия. В качестве минерализаторов применяют хромит,
флюорит, циркон и др.
Установлена зависимость литейных свойств шликера
от количества и качества пластификатора и дефлокулян-
та, а также от влажности шликера. Устойчивость шлике-
ра определяется зерновым составом базальта, при этом
оптимальный гранулометрический состав представлен
лишь тонкой фракцией (менее 0,09 мм). Изделия отлива-
ют в гипсовых формах. Отливки в форме находятся от 2
до 17 ч. После извлечения отливок из форм их вначале
подвяливают на воздухе в течение 4—7 ч, затем сушат
при температуре 110—120° до остаточной влажности 2—
3%. Обжиг изделий бывает однократный и двукратный
(при глазуровании изделий). При однократном обжиге
скорость подъема температуры составляет 30 -40 град/ч,
конечная температура обжига 110°С, выдержка при ко-
222
ни ераи/ч, продолжительношь полного никла оожига
48 ч.
Имеется опыт получения безглинистого шликера, при
этом в качестве технологической связки применяют суль-
фидно-спиртовую барду или глицерин. Оптимальным
шликером на органической связке признан следующий
состав: 95% базальта; 5% глицерина и воды до 30%
(сверх 100). Жидкотекучесть и устойчивость данного
шликера вполне удовлетворительные. Условия сушки
аналогичны приведенным выше. Обжиг отличается не-
сколько меньшей конечной температурой (1080—1090'Cl.
Разработана технология получения каменно-керами-
ческих изделий методом прессования. Технологические
операции пресспорошкового метода зависят от способа
приготовления пресспорошка. Порошок приготовляют
мокрым и сухим способами.
Технология производства каменно-керамических из-
делий из базальта мокрым способом включает в себя
следующие операции: совместный мокрый помол компо-
нентов, получение пластической массы, брикетирование,
сушка брикетов, получение пресспорошка. прессование,
сушка прессовок и обжиг изделий.
Производство каменно-керамических изделий при су-
хом способе получения пресспорошка несколько проще,
т. е. имеет меньшее число операций. В этом случае про-
изводят раздельное измельчение базальта и глины, сов-
местное смешивание, сушку прессовок и обжиг изделий.
Соотношение компонентов шликера при мокром спо-
собе приготовления пресспорошка аналогично соотноше-
нию компонентов при сухом способе. Измельчение произ-
водят до фракции менее 0.1 мм. Из пластической массы
нарезают коржи-брикеты, которые высушивают ттри тем-
пературе 70—90° С в течение 1.5—2 ч до остаточной
влажности 7—9%. Затем эти брикеты размалывают на
бегунах и получают пресспорошок.
Сухой способ приготовления пресспорошка предпола-
гает раздельное сухое измельчение компонентов с даль-
нейшим их совместным перемешиванием на бегунах с ув-
лажнением до заданной величины. Установлена зависи-
мость уплотнения прессовок от давления прессования,
влажности пресспорошка. его гранулометрического сос-
тава п качества пластификатора. Определено соотноше-
пне давления прессования р и влажности пресспорошка
w. при пластическом прессовании w = 13,5-и 16%, р = 30-ъ
50 кГ1см2\ при полусухом прессовании w = 7,511 %,
р= 110-4-150 кГ/см2-, при сухом прессовании w = 3-:-5%,
р-500 4-1000 кГ!см2.
Определен оптимальный состав пресспорошка с соот-
ношением компонентов: 60% базальта, 40% глины Ч-1ПК
(или николаевской); 7,6—8,5% воды (сверх 100).
Оптимальный гранулометрический состав пресспо-
рошка предполагает наличие крупной фракции базальта
(0,1 мм) не более 30%.
Прессовки сушат в туннельных сушилах, обогревае-
мых продуктами сгорания, отходящими от обжиговой
туннельной печи.
Оптимальные параметры сушки: температура в на-
чале сушки 30—40° С, температура у нагнетающего вен-
тилятора 120—130° С, относительная влажность теплоно-
сителя в начале сушки — 65—70%, продолжительность
сушки (в капселях) — 36 ч.
Изделия обжигают в туннельной печи. Параметры об-
жига изделий следующие: скорость подъема температу-
ры 25—35 град/ч-, конечная температура обжига 1100° С;
выдержка при конечной температуре 4 ч; скорость сни-
жения температуры — 25—35 град)ч-, продолжительность
полного цикла обжига 3—4 суток.
Исследованием физико-химических и механических
свойств базальтовых каменно-керамических изделий ус-
тановлена определенная их зависимость от степени спе-
кания масс и в меньшей степени от состава базальтовых
изделий. Основные свойства изделий приведены в
табл. 20.
Т а б л и ц а 20
Некоторые свойства каменно-керамических изделий
Объемная масса, zicw' Водопогло- щение, % Термостой- кость, теп- лосмены Ударная вязкость, кГ -м/см- Прочность, кГ/см- Потери при истирании, г/см? Химическая стой- кость, %
1 на сжатие на раз- рыв на изгиб в сер- ной кис- лоте в со- ляной Б NaOH
2.4 1 .3 0 45 1500 150 450 0,002 98,5 88 . 78
2,60 0 17 70 4000 180 600 0,04 99,9 98 85
224
Из приведенных данных видно, что свойства получен-
ных базальтовых каменно-керамических изделий почти
по всем показателям близки к каменному литью и по
многим из них превосходят кислотоупорную керамику и
метлахскую плитку. Прочностные свойства базальтовой
каменной керамики близки к свойствам высоковольтного
фарфора.
ПРОИЗВОДСТВО СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО
КИСЛОТОУПОРНОГО ПОРОШКА
Эффективное применение в народном хозяйстве кам-
нелитых изделий невозможно без наличия связующего
материала, обладающего физико-механическими и хими-
ческими свойствами, близкими к свойствам каменного
литья. Для футерования камнелитых изделий на про-
мышленных объектах необходим цемент, хорошо проти-
востоящий воздействию агрессивных и абразивных сред.
Основой такого цемента (наполнителем) служит кисло-
тоупорный порошок. Кроме того, должен быть затвори-
тель и ускоритель схватывания цемента.
Кислотоупорный порошок представляет собой сыпу-
чий материал, изготовленный путем помола в шаровых
мельницах кислотоупорных естественных или синтетиче-
ских кислотоупорных материалов.
В первые годы возникновения каменного литья в на-
шей стране разработан и внедрен химически стойкий це-
мент (замазка) на основе порошка каменного литья. За-
мазку приготовляют из базальтового кислотоупорного
порошка, натриевого жидкого стекла и кремнефтористо-
го натрия. Ранее аналогичную замазку изготовляли из
молотого естественного андезита, бештаунита. кварцево-
го песка и других материалов.
До последнего времени основным производителем
кислотоупорного порошка из плавленого базальта яв-
лялся Московский камнелитейный завод. Для получения
такого порошка завод использовал брак продукции и от-
ходы каменного литья, а также каменный расплав. Ука-
занный материал измельчали на щековой дробилке до
фракции не более 30—40 мм и направляли на помол. По-
мол материала проводили в непрерывно-действующей
двухкамерной шаровой мельнице типа СМ-14 с механи-
зированной загрузкой сырья и выгрузкой порошка. Ско-
рость вращения барабана мельницы 20 27 об мин. Для
15—1058
225
камеры дробления мелынщы необходимы шары диамет-
ром 80—100 мм в количестве 3,5 т; для камеры помола —
шары диаметром от 40 до 65 мм в количестве 5,5 т. Про-
изводительность мельницы 2,25 т/ч, при этом расход ша-
ров составляет 6,5 кг на топну помола.
По технологической схеме производства базальтового
кислотоупорного порошка сырье поступает в камеру
дрооленпя с помощью ленточного транспортера и далее Таблица 21 самотеком в камеру по- _ . мола. Выдача порошка Гранулометрический состав г ПППП11Ш» 113 камеры помола про- 11 uU U U-1 *» d * 1
Номера сит по ГОСТ 3584—53 Число отверстий на 1 сл<2 Допускае- мый оста- ток на ситах, % тематически, по мере на- копления его в бункере. Пз бункера порошок оп- ределенного объема по- ступает в бумажный ме- шок, установленный на весах. Заготовленные ме- шки с 50 кг порошка по транспортеру следуют к мешкозашивочной маши- не и далее направляются
2 0,6 0,45 0,2 0,15 0,071 Поддон 16 179 252 918 1600 6400 0,5 1,5 1,0 5,5 12,0 30,0 >50
на склад.
Для контроля качества порошка ежесменно произво-
дят ситовой анализ и определяют кислотостойкость, кро-
ме того, два раза в месяц определяют химический состав.
Базальтовый кислотоупорный порошок содержит: 48,17—
49,56% SiO2, 14,52—18,87% А12О3; 14,61 — 15,75% FeO +
+ Fe2O3; 9,09—9,95% СаО; 7,05—8,13% MgO; 1,18—
1,90% TiO2 и 1,07—2,50% K2O + Na2O.
Кислотостойкость базальтового порошка самая высо-
кая из известных порошков и превышает 99,4%. По ми-
неральному составу порошок содержит пироксен, магне-
тит, хромит и остаточное стекло. Насыпная масса порош-
ка 1,63-1,70 г/см3.
Гранулометрический состав порошка приведен в
табл. 21.
Для менее ответственных футеровочных работ завод
изготавливал кислотоупорный порошок второго сорта.
Производство этого порошка отличается тем, что к ос-
новному сырью добавляли до 20% естественного базаль-
та. В настоящее время по технологии Московского кам-
220
пелитейного завода кислотоупорный порошок ча основе
плавленого диабаза производит цех каменного литья
Кондопожского пегматитового завода.
На Донецком комбинате камяслитых и керамических
изделий ранее для производства кислотоупорного горош-
ка использовали брак продукции и отходы каменного
литья. Но потребность народного хозяйства в кислото-
упорном порошке очень возрасла и на .комбинате орга-
низовали его производство ИЗ ТОПЛИВНОЙ ЗОЛЫ МирОНОЗ-
ской электростанции Донецкой области. Комбинат про-
изводит кислотоупорный порошок в соответствии с !’•'
21-02-323—68.
Технологическая схема производства кислот:удар :::с.-
порошка из золы представляется в следующем виде.
Топливная зола поступает на склад в жел.з^сдсточ-
ных вагонах, со склада при помощи греййерн:?: к:вне
и думпкара зола поступает в приемный бункер тем яв-
ного цеха. Далее транспортной системой — малым ? :=-
шовым наклонным элеватором, течкой и бальшим на-
клонным элеватором ее передают на ленточный транг-
.портер верхней галереи, где для удаления с=:б:дн:г:
железа его подвергают магнитной сепарации Отселари-
рованную золу ленточным транспортере1.: лере.-.ачизз?:?
в бункер емкостью 30 т, откуда она самотек?:: т: стукает
в питатель и далее в мельницу. Мельника — лднекамер-
ная, непрерывно действующая, типа ШБМ 23“ ~г.рт-
изводительностью 5 т/ч.
ГОТОВЫЙ ПОрОШОК ИЗ МеЛЬНИЦЫ ПО НЗК.ТО-НТЙ Тт-Ни
поступает на цепной вертикальный элеватор, далее
кера и на расфасовку. Расфасовку порошка терлиз
с помощью специального упаковочного устройства в ?; -
мажные мешки емкостью 50 кг каждый.
На качество порошка и производительность ’.ель:- л.лы
существенное влияние оказывает правильность затр;.
мельницы шарами. Шары для мельницы применяют
стальные диаметром 40 и 100 .w.u. Число загружаемых в
мельницу шаров следует рассчитывать по формуле
G <рпул/?32. '38'
Ш 1,1
где G масса шаров, г;
fp—коэффициент загрузки мельницы »д.тя данной
мельницы 0.3):
15*
р— коэффициент разрыхления загрузки шаров
(0,65);
у—плотность стальных шаров (7,9 т/м3);
R—внутренний! радиус мельницы (1,25 к);
L— внутренняя длина мельницы (3,9 м').
По расчетным данным в мельницу следует загружать
29,5 т шаров, практически загружают 27—28 т.
Для поддержания стабильного режима работы мель-
ницы периодически (практически раз в месяц) следует
пополнять ее шарами соответственно их износу. При про-
изводстве 1 т кислотоупорного порошка истирается 1 —
1,4 кг материала шаров.
Производимый комбинатом кислотоупорный поро-
шок — серого цвета, сыпуч, не слеживается и не комку-
ется, в отличие от обычных цементов — не гигроскопичен
и с водой не схватывается.
Химический состав порошка следующий: 50—52%
SiO2; 12—13% FeO + Fe2O3; 23—25% А2О3; 5,5—6,5%
СаО; 1,5—2,5% MgO и другие окислы.
Основной характеристикой кислотоупорного порошка
является его кислотостойкость и гранулометрический со-
став. Кислотостойкость порошка зависит от его химиче-
ского состава и особенно наличия свободного железа.
Присутствие свободного железа характерно для топлив-
ных зол.
Зерновой состав помола зависит от: скорости подачи
сырья в мельницу и степени ее загрузки; влажности
сырья; количества и диаметра загружаемых шаров.
Гранулометрический состав (тонина помола) порош-
ка определяют рассевом пробы в 100 г, через набор сит
в течение 30 мин на специальном вибростанке. Набор сит
соответствует ГОСТ 3584—53. После рассева остатки на
каждом сите взвешивают и вычисляют в процентах. Про-
изводимый комбинатом порошок по ТУ имеет следующий
гранулометрический состав:
Номер сита ... 1,6 0,25 0,16 0,071 0,05
Допустимый оста-
ток на ситах, % 0—0.1 2—8 4—15 5—15 20—30
Допустимый остаток па поддоне >45%, потери до 1%.
Стойкость порошка в серной и соляной кислотах опре-
деляют по ГОСТ 473—64. В соответствии с этим ГОСТогл
228
кислотостойкость порошка, как и других любых кисло-
тоупоров, должна быть не ниже 97% (для H2SO4). Фак-
тически кислотостойкость — не ниже 99%. Насыпная
масса, определяемая по общепринятой методике, состав-
ляет 1,3 г!слР. Влажность производимого порошка — не
более 0,5%.
Качество кислотоупорной замазки зависит не только
от порошка, но и свойств жидкого стекла и кремнефто-
ристого натрия. Процесс схватывания и тверде-
ния замазки протекает в результате химического
взаимодействия составляющих компонентов жидкого
стекла R2O • nSiO2, кремнефтористого натрия Na2SiF5
и порошка.
Для получения кислотоупорной замазки целесообраз-
но применять более плотное жидкое стекло, так как с
уменьшением содержания воды в схватываемой замазке
создается меньше пор. Плотность жидкого стекла долж-
на, кроме того, лимитироваться вязкостью. С повышени-
ем плотности жидкого стекла растет вязкость замазки, и
она становится малопластичной и неудобной для ра-
боты.
В результате введения кремнефтористого натрия (4—
6%) ускоряется процесс схватывания замазки и повыша-
ется ее водоустойчивость. Выяснено, что при избытке
кремнефтористого натрия снижается механическая проч-
ность футеровки, а при недостатке его замедляется
процесс схватывания и снижается прочность футе-
ровки.
Основное назначение замазки — служить связующим
звеном при монтаже камнелитой облицовки. Однако не-
редко кислотоупорная замазка служит самостоятельным
футеровочным материалом, когда по характеру конст-
рукции футеруемой поверхности камнелитые изделия не
могут быть применены.
Применение кислотоупорной замазки в сочетании с
каменным литьем обеспечивает надежность работы экс-
плуатируемого оборудования.
ГЛАВА VII
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ
И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ПЕТРУРГИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
В создании или совершенствовании различных видов;
стеклокристаллических, в том числе петрургических ма-
териалов первоочередной задачей является обеспечение;
в получаемых изделиях определенных технических
свойств, решающих успешное применение этих изделий в
народном хозяйстве. С зарождением и развитием петрур-
гического производства параллельно с исследованием
сырья, расплава и процесса кристаллизации, для опре-
деления технической характеристики изделий изучали их
физико-механические и химические свойства.
Знание свойств петрургических изделий позволяет
технически обоснованно и высокоэффективно применять
эти изделия в народном хозяйстве, кроме того, позволяет
совершенствовать технологию получения самих изделий.
Дело в том, что в ходе изучения свойств изделий выясне-
но, что их можно регулировать в соответствии с интере-
сами и запросами потребителей.
К настоящему времени достаточно полно изучены
физические, механические и химические свойства и ми-
неральный состав камнелитых и шлаколитых изделий,
производимых в нашей стране и за рубежом. В итоге это-
го изучения выяснено, что петрургическое литье по срав;-
нению с металлами, стеклом, керамикой, бетонами»
пластмассами и многими другими материалами облада-
ет более высокой устойчивостью механическому абразив-
ному истиранию и химическому воздействию агрессив-
ных сред. Именно эти два свойства определяют ценность
каменного литья и его успешное применение в промыш-
ленности, строительстве, транспорте и сельском хозяйст-
ве. Кроме отмеченных особенностей, петрургические из-
делия обладают хорошими диэлектрическими свойства-
ми, имеют высокую твердость и низкое водопоглощение.
Наряду с этим, камнелитые, как и другие силикатные
изделия, имеют следующие недостатки: относительно по-
вышенную хрупкость и низкую термостойкость, недоста-
точную прочность на изгиб и растяжение и слабую устой-
чивость ударным нагрузкам. Большинство свойств стек-
230
локристаллических изделий зависит от их химического и
минералогического состава, характера структуры и сте-
пени закристаллнзованности. Кроме того, показатели
свойств зависят от размера и формы испытываемых об-
разцов, методики испытаний и других факторов, которые,
к сожалению, не всегда учитываются.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ
Каменное и шлаковое литье, применяемое для защи-
ты оборудования от абразивного и химического агрес-
сивного износа, имеет следующий химический состав:
44—49% SiO2, 12—19% А12О3, 9—16% СаО, 6-10%
MgO, 7—12% FeO, 2—6% Fe2O3 и 2—5% Na2O + K2O.
Коэффициент кислотности находится в пределах 1,6—1,9.
Химический состав петрургического литья в основном
определяют аналитически по методике, предусмотренной
ГОСТ 2642—60. Проведение химического анализа по этой
методике, хотя и дает точные результаты, однако требует
значительной затраты времени. В связи с этим освоено
определение основных окислов в петрургическом сырье
и литье спектральным методом [91]. Метод количествен-
ного спектрального анализа основан на закономерной
связи интенсивности спектральных линий с концентраци-
ей определяемых окислов элементов. Интенсивность ли-
ний зависит от количества вещества, поступающего в
разрядный промежуток, от условий возбуждения спек-
тральных линий в облаке разряда и других факторов.
Создавать строго одинаковое поступление вещества в
разряд и неизменные условия возбуждения атомов прак-
тически не удается, поэтому концентрацию окиси элемен-
тов в пробе определяют по отношению интенсивности
двух спектральных линий. С этой целью линию опреде-
ляемого элемента сравнивают с линией другого элемента,
входящего в состав анализируемой пробы в заранее
известном количестве. Выбранные сравнительные линии
должны быть гомологическими (т. е. интенсивность прак-
тически не должна зависеть от условий возбуждения
спектра в разряде), располагаться близко друг к другу
и не слишком отличаться по интенсивности.
Для анализа каменного литья был выбран метод по-
дачи пробы в разряд из раствора. В этом случае заимст-
вован способ анализа мартеновских шлаков, в основе ко-
231
Химический состав камнелитых и шлаколитых изделий, %
Na/H-KaO 2—3 2,2 2.2 ио см ю 3-4 3-5 иО О До 1 3,1 2-2,5
см СМ
О Г'-' 1 4 О СО •—< см
1 * 1 1 00 1 со со о 1
СО 00 о СП см
СМ о , СМ см
О см •»—< СО СП см со со СО
о * 1 1 1 , в, » 1
СО 1 1 1 1 со см в< 1
о •«ч »' < оо оо 00 со U0 о
•“Ч см ’ • 1 1
СО
о Г'''» <О О ио см 1 1 ° 7 ио со 1
1 • 1 J 1 | • 1
о Цн <О СО со LQ тф о со см
о СО
Г--Ч см СО СГЭ Г"'"— см см ю о СО
2 1 СП о j О 1 1 1 - 1
ц- СП 00 К( <£> га- см 00 ио
см
СО
<о со • о СП
о 1 га" О —* *—* ^7 ио t'" —-1
— 1 ио 1 1 1 । ио 00
< ио — Ю Г—« 00 СО 1 4 ио
V—, *- —,
о
оо U0 00
-ф СО см ио со га" ио га- ио га"
о 1 - 1 1 , • - ч 1
1 00 00 1 1 1 । ио см 1
со СП О СО 00 О га* ио га" ио
га" га- ио ТГ га* га- га"
я
д S
о о . д -
а 5x1 о о
О • £ . >s S д га
а- е 'S4 о 3
о; я С я ЕС
Си К д си Я X О
юе о Ч ' о О С2 а 2 а к О t Cl, S о о со '— я го Си о а
QJ А га о си 2 Ф < CU о S о Ди СЗ '^ о X
X =: s • к • (V О . а о н си О га С О О СО со Ф си oS §s д о а я И Я Q з i «=: о д я X я
>рнб/ вод) s • о 5 ‘ о а я 1=; а о О о с д = о ф н я 5 S я а ® X 3 S И
и « q 5 2 s о Г з а
1 СП ! 11 Я Си о S __
U— р си а о ш S У Й t? Ф
° «г* А Я . и Е7" о = о ° с О-
ч а «Ч \о ч О о О
«J 2 я Я Чч (- си га Е ^ч и.
00 Ко сп Ф \о у
Я ° я о m я *') СП СП СП СП
Щ из О С— а Ди R-** 1-М ЫЙ S
232
торого лежит метод пленочной фульгурации. Принцип
этого метода состоит в полном переводе исследуемой
пробы в раствор с последующим определением основных
окислов (SiO2, А12О3, FeO + Fe2O3, СаО, MgO) по одной
спектрограмме. В качестве элемента сравнения в иссле-
дуемый раствор вводят пятипроцентный раствор молиб-
денового кислого аммония. Для проведения анализа
смешивают раствор пробы каменного литья с раствором
молибденового аммония в соотношении 2: 1. В разряд-
ный промежуток объединенный раствор подают с по-
мощью фульгуратора.
Спектры в искре Райского возбуждаются с помощью
искрового генератора ИГ-3 и фотографируются на спек-
трографе ИСП-28 с трехлинзовой системой освещения.
Нижним электродом служит угольный стержень диамет-
ром 6 мм с отверстием в центре диаметром 1 мм, через
которое протянут фитиль из хлопчатобумажной нити.
Электрод закрепляют в держателе фульгуратора таким
образом, чтобы он выступал над раствором на 1 мм.
Верхним электродом служит усеченный на конус медный
стержень диаметром 8—10 мм с рабочей площадкой диа-
метром 2 мм. Интенсивность линий измеряют микрофо-
тометром МФ-2. Графики строят в координатах AS—lg Т,
где AS — разность в почернении аналитической пары ли-
ний; Т — время обыскривания, сек. Сравнительные дан-
ные химического состава ряда известных камнелитых
и шлаколитых изделий приведены в табл. 22.
ОБЩИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Физические свойства петрургического литья: плот-
ность, объемная масса, пористость, водопоглощенпе и
водонасыщение определяют по методике согласно ГОСТ
473—64.
Плотность литья (отношение массы образца, высу-
шенного до постоянной массы, к его фактическому, не
считая объема пор) определяют пикнометрическим спо-
собом.
Объемная масса литья (отношение массы образца,
высушенного до постоянной массы, к его объему, вклю-
чая поры) определяют по объему вытесненной образцом
воды.
Пористостью литья считают отношение суммы объе-
233
мов всех пор к общему объему образца, выраженное в
процентах. Расчет пористости производят по формуле
——1 100, (39)
Ру /
где Un—пористость, %;
р0—объемная масса, г/см3.
Ру— плотность, г/см3.
Данные по плотности, объемной массе и пористости
некоторых видов каменного литья приведены в табл. 23.
Таблица 23
Данные по общим физическим свойствам камнелитых изделий
Вид литья Плотность, г/с.и1 Объемная масса, г/см' Порис- тость, %
Базальт-горнблендитовое. . . 2.9—3.0 2,85—2,90 2,5
Базалы-доломитовое .... 2,9—3,0 2.85—2,90 2,5
Базальт-шлаковое 2,9 2,75 5
Светлокаменное 2,9 2,7 10
Горнблендитовое 2,8 2,65 5
Медно-шлаковое 3,3 3,15 5
Габропоритовое 2,8—2,9 2,78 4
Термостойкое (из песка и гли-
ны) 2,7 2,6 3,5
Из топливных зол 2,9—3,16 2,8—2,9 8—10
Из горелых шахтных пород . 2,9—3,08 2,87—2,95 2-3
Кислотоупорная замазка . . 2,34 2,01 16
Водопоглощение (способность литья впитывать и
удерживать воду) определяют методом выдержки образ-
цов в воде в течение 24 ч при температуре 18—20° С.
Для базальтового литья водопоглощение составляет
0,03%, для шлакового — не более 0,055% и кислотоупор-
ной замазки 14,5%.
Водонасыщение (способность литья впитывать воду
при кипячении или давлении ниже атмосферного) опре-
деляют выдержкой в кипящей воде в течение 24 ч. У ба-
зальтового литья водонасыщение не превышает 0,05%.
ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ
Химическая стойкость петрургического литья являет-
ся ведущим техническим свойством. Выше уже отмеча-
лось, что петрургическое литье обладает высокой устой-
234
чивостыо к воздействию агрессивных сред (кислот, ще-
лочей, солей).
Процесс химического разрушения петрургического
литья аналогичен процессу разрушения других силикат-
ных материалов, по менее интенсивен. Сущность химиче-
ского разрушения или
коррозии состоит в
том, что силикаты по-
верхностного слоя ука-
занных материалов
при взаимодействии с
химическими реагента-
ми гидролизуются. Об-
разуемые при гидро-
лизе щелочи вымыва-
ются, а гель кремне-
вой кислоты остается
на поверхности, соз-
давая защитную плен-
ку. Отсюда и появил-
ся общепринятый тер-
мин «выщелачива-
/,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2
//оздмршмм ^(/cflo/nwcmu
Рис. 61. Зависимость кислотостойкое™
каменного литья от его коэффициента
кислотности:
/ — литье из базальта: — ль:1.е
топливных шлаков
ние», выражающий процесс химической коррозии.
Стойкость петрургического литья агрессивному дей-
ствию кислот и щелочей зависит от его химического и
минералогического состава, структуры, количественного
содержания стекловидной фазы. Зависит она также от
концентрации химических реагентов, продолжительности
воздействия и температуры [18, с. 44].
Известно, что литье с большим коэффициентом кис-
лотности, а также мономинерального состава по пироксе-
ну более устойчиво воздействию химически активных
реагентов (рис. 61).
Исследование влияния структуры [17, с. 217] показало,
что литье с мелкозернистой структурой более химически
стойко. Если базальтовые образцы с фарфоровидной
структурой в серной кислоте теряют до 0,37%_ массы, то
образцы из того же литья с крупнозернистой структурой
теряют 2,23%.
Наиболее существенное влияние на кислотостойкость
силикатных материалов оказывает содержание стекло-
видной фазы. Выяснено [33, с. 194; 92], что при длитель-
ном воздействии кислоты на базальтовое стекло почти
2.35
полностью происходит удаление всех окислов, кроме
кремния.
Заслуживают внимания данные изучения кислото-
стойкости и щелочестойкости базальтового литья в зави-
симости от степени его закристаллизованности и кон-
центрации серной и соляной кислот [17, с. 48; 24; 93].
Определение кислото-
стойкости и щелочестой-
кости проведено по ме-
Рис. 62. Зависимость кислотостойкое™
базальтового литья от степени закри-
сталлизованности и концентрации
H2SO(. Концентрация H2SO4:
/-98%; 2-70%; 3-50%; 4-40%;
5 — 30%; 6— 10%; 7 — 5%
предусмотреннои
тодике,
Рис. 63. Зависимость кислотостой-
кое™ базальтового литья от сте-
пени закристаллизованности и кон-
центрации НС1. Концентрация ,НС!:
/ — 38%; 2 — 30%; 3 — 20%; 4 - 10%;
5 - 5%
этой методике, значение кислотостойкости К определя-
ют по отношению массы измельченной пробы литья
после обработки кислотой gz к массе этой пробы до об-
работки кислотой о-], выраженному в процентах
К = — 100. (40)
gi
Для получения исходных данных измельченную про-
бу материала просеивают через сита № 1 и 5 и получен-
ный между ними отсев крупки промывают дисциллиро-
ванной водой и просушивают до постоянной массы. На-
веску крупки в 1 г вводят в колбу, туда же выливают
236
25 мл кислоты и кипятят в течение часа. После охлаж-
дения сливают кислоту, остаток помещают в чашу и про-
мывают дисциллированной водой до полного удаления
ионов С12- или SO2-. Фильтр с остатком пробы просуши-
вают и пропаривают при 900—960° С в течение 20—
30 мин до постоянной массы.
В ходе исследования применяли серную кислоту кон-
центрацией от 10 до 98% и соляную кислоту — от 10 до
38%. Образцы базальтового литья изготовляли со сте-
пенью закристаллизованности от 5 до 95%.
Из полученных данных (рис. 62, 63) видно, что со
снижением степени закристаллизованности базальтового
литья неуклонно снижается его кислотостойкость, при-
чем более интенсивно — при воздействии соляной кисло-
ты. Только лишь серная кислота концентрации 98% не
оказывает коррозийного действия как на закристаллизо-
ванное литье, так и стекловидное. Характерно, что наи-
большая скорость роста кислотостойкости в H2SO4 на-
блюдается при степени закристаллизованности проб от
30 до 50%. Выше этих значений рост кислотостойкости
незначителен и достигает почти максимального значения
при степени закристаллизованности литья 80—85%. Эго
обстоятельство очень важно, поскольку максимальная
механическая прочность каменного литья зафиксирована
при степени его закристаллизованности 85—90%.
Для выяснения характера изменения состава стекло-
видного литого базальта при воздействии на него кислот
определен химический состав экстрагированной части.
При этом оказалось, что от воздействия соляной кислоты
подвергаются выщелачиванию: СаО на 96%, MgO на
93%, FeO + FesOg на 90%, А12О3 на 75%. От воздействия
серной кислоты подвергаются выщелачиванию: СаО на
35%, MgO на 65%, FeO + Fe2O3 на 60%, А12О3 на 30%.
В обеих кислотах окись хрома не выщелачивается.
Стойкость каменного литья при взаимодействии с со-
ляной кислотой несколько ниже, чем при взаимодействии
с серной кислотой, что объясняется растворимостью в со-
ляной кислоте имеющегося в литье минерала оливина.
Практически каменное литье устойчиво воздействию всех
кислот, кроме плавиковой. При воздействии фтора пла-
виковой кислоты силикаты подвергаются активной кор-
розии, при этом часть окиси кремния с фтором дает га-
зообразное соединение SiF4.
237
|И^ЦВИ0>1Й;ёЛёййй Щелочестдйкости пробу Подготайлй-
(сак и для определения кислотостойкости. Далее
в колбу помещают пробу и 100 мл КОН или NaOH (при
обычном анализе по ГОСТу берут 35%-ной крепости) и
кипятят в течение часа. После этого раствор фильтруют,
промывают горячей водой до исчезновения реакции на
хлор и прокаливают до постоянной массы.
Эксперименты по изучению щелочестойкости базаль-
тового литья показали, что с повышением концентрации
КОН и особенно NaOH стойкость снижается. Так, стой-
кость каменного литья в NaOH составляет: 94,8% при
концентрации 20%, 87,7% при 40% и 42,7% при 50%.
В КОН стойкость составляет: 98,5% при концентрации
20%, 95,3% — при 40% и 85,3% — при 50%.
В некоторых случаях кислотостойкость силикатных
материалов определяют на кусковых образцах с от-
несением массы потерь к площади его поверхности
/г—
где g’iHg'g—масса образца до и после испытания;
S—площадь поверхности образца, см2.
Как отмечено выше, на химическую стойкость литья
оказывает влияние температура воздействующего реа-
гента. Экспериментально выяснено, что потери массы ба-
зальтовых кристаллических кусковых образцов при двух-
часовом кипячении в разбавленной соляной кислоте со-
ставляют 0,197%. Те же образцы при воздействии холод-
ной кислоты в течение 100 ч имеют потери всего лишь
0,165%. Аналогичная картина наблюдается при воздей-
ствии серной кислоты. Потери в этом случае при кипяче-
нии составляют 0,085%, в холодном состоянии 0,074%.
Для повышения химической стойкости стеклокристал-
лических материалов необходимо прежде всего в процес-
се их получения добиваться мономинерального состава
по пироксену и не допускать образования оливина, магне-
тита и некоторых других минералов, растворяющихся в
кислотах. Далее при изготовлении изделий следует вести
технологию таким образом, чтобы остаточного стекла
было не более 15%, а структура была микрокристалли-
ческой. Кислотостойкость стеклокристаллических изде-
лий может быть повышена обработкой их поверхности
кислотой. В этом случае, как показано было выше, на из-
делиях образуется защитная пленка геля кремнекислоты.
238
Таким образом, базальтовое каменное литье, как и
другие виды литья, близкие по составу к базальтовому,
хорошо противостоят воздействию кислот и недостаточно
полно противостоят воздействию шелочей.
Данные по кислотостойкости отдельных видов а чет-
ного литья сведены в табл. 24.
Данные по кислотостойкости каменного литья
1 Стойко ст». НС.
Виды литья и сырья H,SO4
Базальт берестовецкий естест-
венный 97,5 s 3
Диабаз Онежский естествен- ный1 99—99.7 9b- 99.3
Андезит естественный1 . . . 97,4—98
Ферро-молибденовый шлак ес-
тественный 99,2—99.9 99.8
Зола топливная, ТЭЦ .... 99—99.4 9? -94
Литье базальт-горнблендито-
вое (Московский завод) . . 99.8 99.3
Литье базальт-доломитовое (Донецкий комбинат) . . . 99.2—99,9 9а—98.6
Литье из топливных зол . . 99,1 96.2
Литье из горелых шахтных по- род 99,2 94 5
Термостойкое литье (Москов- ский завод) 99.9 99 6
Базальт-шлаковое литье (ЮГОК) 99—99.5 98.5
Светлокаменное литье (Вод- ники) 85 s', -i.
Горнблендитовое литье (Пер- воуральск) 98.4 "5
Габропоритовое литье (Зыря- 1
новск) 99,3 95 2
Медно-шлаковое литье (АССР) 99.2 82 5
Медно-шлаковое литье (Бал- хаш) 95—96 89
Медно-шлаковое литье (Джез-
казган) 99—99.9 98.5
Литье из доменного шлака (Магнитогорск) 86
Литье из тефрито-базальтов (Чимкент) 99." 96 5
1 Репин А. Л. Автореферат диссертации Скерллсвсх,
239
УСТОЙЧИВОСТЬ АБРАЗИВНОМУ ИСТИРАНИЮ
Устойчивость абразивному истиранию является одним
из ведущих технических свойств стеклокристаллических
материалов. Износоустойчивость материалов оценивают
по величине коэффициента истирания, который опреде-
ляют отношением потерь при истирании в граммах к ис-
тираемой поверхности в сантиметрах квадратных. В не-
которых случаях коэффициент истирания определяют по
объемным потерям. Для определения коэффициента ис-
тирания используют метод испытания образцов на кру-
гах истирания или же метод испытания в барабанах.
В первом случае поверхность образцов подвергается воз-
действию сил трения, во втором — образцы подвергаются
воздействию сил трения и удара.
В петрургии для определения коэффициента истира-
ния чаще всего применяют круг ЛКИ. Для испытания на
этом круге приготавливают образцы размером 70Х70Х
Х20 мм. Перед испытанием образцы взвешивают с точ-
ностью до 0,1 г и замеряют линейные размеры с точно-
стью до 0,1 мм. Подготовленный образец устанавливают
на металлический круг прибора. Предварительно по ок-
ружности вращения в зоне образца насыпают 20 г Воль-
ского кварцевого песка с таким расчетом, чтобы истира-
емая плоскость образца располагалась на песке. После
этого с помощью рычажной системы образец прижимают
к кругу при постоянной нагрузке в 30 кг._ Средний радиус
трения образца 220 мм. В процессе испытания круг вра-
щается, а образец находится на одном месте, постоянно
опираясь на зерна кварцевого песка. С завершением од-
ного цикла в 22 оборота круг автоматически останавли-
вается. Второй цикл оборотов начинается с замены отра-
ботанного кварцевого песка, новой порцией в 20 а и по-
ворота образца вокруг вертикальной оси на 90°. Таким •>
образом, совершают пять циклов с общим числом оборо-
тов круга НО м. Затем испытываемый образец взвешива-
ют, определяют потери и рассчитывают коэффициент ис-
тирания. Окончательные данные значения коэффициента
истирания получают как среднеарифметическое из пяти
испытаний (циклов).
Устойчивость стеклокристаллических материалов аб-
разивному истиранию зависит от их фазового состава,
размера и формы кристаллических зерен и структуры.
240
Экспериментальные данные зависимости коэффициента
истирания [24] каменного литья от степени его закристал-
лизованности графически изображены на рис. 64.
Износоустойчивость растет с увеличением степени за-
кристаллизованности литья. Возрастание коэффициента
истирания с увеличением содержания стекловидной фазы
объясняется меньшей твердостью и большей хрупкостью
стекла. Наблюдаемое на кривой 2 (рис. 64) незначитель-
ное возрастание коэф-
фициента - истирания
при степени закристал-
лизованности литья
95% объясняется уве-
личением размера кри-
сталлических зерен.
В условиях эксплу-
атации абразивоустой-
чивость камнелитой
футеровки определяет-
ся твердостью транс-
портируемого абразив-
ного материала, его
скоростью движения и
углом падения на по-
верхность. Износ фу-
теровки возрастает с
увеличением твердо-
сти материала, скоро-
Рис. 64. Зависимость коэффагхеэта аб-
разивного истирания от стеаеяя зачт-
ет ал лизо ванноетв:
1 — литье из топлазногс глш.
2 — литье из
сти движения и увели-
чения угла падения на футеруемую поверхность. Износ
футеровки уменьшается в условиях гидротранспортнро-
вания абразивных материалов. Форма частиц гранспор-
тируемого материала также оказывает влияние на износ
футеровки. Чем меньше частиц транспортируемого мате-
риала с острыми гранями, тем меньше износ.
Ниже для сравнения приведены значения коэффици-
ентов истирания различных видов литья и некоторых
других материалов.
Виды .питья и сырья
Базальт естественный, берестовецкнй
Диабаз естественный, онежский . .
кстм-
«* ’глг
0.3 (60)
0.256 [60]
16—1058
241
Базальт естественный, тулунский.................
Литье базальт-горнблендитовое (Московский за-
вод)
(Донецкий комбинат)
Литье базальт-доломитовое
» габропоритовое (Зыряновск) . . . .
» базальт-шлаковое (Кривой Рог) . .
» маложелезистое (Кривой Рог) . . .
» горноблендитовое (Первоуральск) . .
» тефрито-базальтовое (Чимкент) . . .
» ферромолибденовых шлаков (Урал) .
» медных шлаков (Балхаш) ..............
Литье медных шлаков (Джезказган) .
То же (АССР)........................
Литье доменных шлаков (Караганда)
Светлокаменное литье (Водники) . .
Фарфор технический..................
Фаянс технический...................
Оконное стекло .....................
Литье из топливных шлаков . . . .
0,160 [60]
0,035 [20]
0,025 [20]
0,02 [20]
0,08 [20]
0,08 [20]
0,03 [20]
0,03 [94]
0,209 —
0,12—0,16[72]
0,07—0,08 [72]
0,10 [20]
0,51—0,58 [72]
0,12 [20]
0,25 [57]
0,35 [57]
0,5—0,6 [57]
0,02—0,03 [57]
Как показано выше, износоустойчивость литья зави-
сит от его твердости.
Твердость (способность материала сопротивляться
внедрению в его поверхность другого материала) опре-
деляет устойчивость стеклокристаллических материалов
абразивному износу. Твердость определяют по шкале.
Мооса, по Бринелю, склерометрическим методом и др.
В практике петрургии твердость чаще всего опреде-
ляют по шкале Мооса. По этому методу имеется набор
эталонов твердости, представленный различными мине-
ралами, твердость которых принята следующая: ал-
маз— 10; корунд — 9; топаз — 8; кварц — 7; полевой
шпат — 6; апатит — 5; плавиковый шпат — 4; известко-
вый шпат— 3; гипс или каменная соль—2; тальк—1.
Для определения твердости материала его поверхность
испытывают эталонными минералами до появления ца-
рапины. Твердость материала будет соответствовать на
единицу меньше твердости того минерала, который оста-
вил царапину.
Твердость некоторых известных видов каменного
литья по шкале Мооса следующая: базальт-горнблен-
дитовое 7—7,5, литье из горелых шахтных пород 7,5—
8,0, литье из топливных зол 7 и литье из металлургиче-
ских шлаков 6,5—7.
242
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Механические свойства оцениваются по способности
внешним нагрузкам. Зна-
камнелитых изделий необхо-
их внедрения и более эф-
материала сопротивляться
ние механических свойств
димо для расширения сфер
фективного использования
в народном хозяйстве.
Механические, как и
многие другие, свойства
стеклокристаллических ма-
териалов зависят в основ-
ном от фазового состава и
структуры. В свою очередь
фазовый состав и структура
зависят от свойств распла-
ва и режима термической
обработки изделий. Тем са-
мым свойства стеклокри-
сталлических изделий нахо-
дятся в зависимости от тех-
нологических параметров их
производства. Регулирова-
Рис. 65. Зависимость предела
прочности при сжатии базаль-
тового литья от степени его за-
кристаллизованности
ние этих параметров позволяет получать изделия с ус-
тойчивыми заданными свойствами.
Из механических свойств каменного литья имеются
достаточные данные по пределу прочности при сжатии,
изгибе, растяжении, модулю упругости и другим как при
низких, так и высоких температурах, а также в зависи-
мости от фазового состава и других парамертов. а так-
же с учетом влияния масштабного фактора [17. с. 217.
24, 95/96, 97].
На прочностные показатели стеклокристаллических
изделий существенное влияние оказывает содержание
стекловидной фазы. Установлено, что предел прочности
базальтового литья при сжатии и изгибе с повышением
степени закристаллизованности растет, достигая макси-
мального значения соответственно 4980 и 610 кТ с.у-
при степени закристаллизованности 8о 90 > (рис. 65.
66).
Повышенная прочность при степени закристаллизо-
ванности 85—90% связана со строением отливок. При
указанной степени закристаллизованности оазальтовое
243
литье имеет мелкозернистую структуру без наличия
существенных пор и раковин. Структура таких отливок
слагается из сферолитовых образований 'моноклинного
пироксена.. Сферолиты имеют радиально-волокнистое
строение и расположенное между ними остаточное стек-
ло служит цементирующей связкой.
С повышением степени закристаллизованности (око-
ло 95%), создаваемой в условиях длительного времени
Рис. 66. Зависимость предела прочности при изгибе (2) и мо-
дуля упругости (/) базальтового литья от .степени его закри-
сталлизован ности
кристаллизации, предел прочности и соответственно мо-
дуль упругости снижаются. Структура литья в этом
случае неравномерная, средне- и крупнозернистая. Кри-
сталлические образования пироксена сферолитовой и
призматической формы. Наблюдается значительное со-
держание микрораковин и микротрещин. Остаточное
стекло представлено в основном в виде инородных мик-
ровключений и цементирующей связкой уже не служит.
Таким образом, для получения камнелитых изделий
с повышенной прочностью следует регулировать процесс
244
кристаллизации таким образом, чтобы получить опре-
деленное соотношение между кристаллической и стекло-
видной фазами. В пироксеновых отливках с малым со-
держанием стекловидной фазы, на стыках кристалли-
ческих зерен и агрегатов возникают значительные на-
пряжения, вызывающие микротрещиноватость. К тому
же, в таких отливках создается большая кристаллиза-
ционная усадка, что также приводит к возрастанию
Рис. 67. Схема прибора хая
определения стрелы прогиба
испытываемых образцов:
1 — опорный стол: 2 — испы-
тываемый образец; 3 — опор-
ные призмы; 4 и 5 — взвеши-
вающий механизм: t>—инди-
каторы; 7 — термопары:
8 — индикаторные кварцевые
трубки; 9—станина: 10—разъ-
емная муфельная печь
внутренних напряжений. Наличие в отливках равномер-
но распределенной стекловидной фазы способствует
смягчению и релаксации напряжений, что в итоге при-
водит к повышению механической прочности и термо-
стойкости изделий.
Определение прочности стеклокристаллических из-
делий на изгиб при высоких температурах производят
по методике, разработанной Институтом силикатов АН
СССР [24]. По этой методике с помощью специального
прибора определяют стрелу прогиба испытываемых об-
245
разцов при низких и высоких температурах и по ней
рассчитывают деформацию, предел прочности при изги-
бе и модуль упругости первого рода. Базируется мето-
дика на принципе воздействия центровой нагрузки и
температуры на образец в виде балки, покоящейся на
двух опорах. При таких условиях имеем дело почти с
чистым изгибом, при котором силы, действующие в по-
перечном сечении образца, приводят лишь к изгибаю-
щему моменту.
Прибор состоит из следующих основных элементов:
разъемной муфельной электрической печи, двух опор-
ных призм, взвешивающего механизма, трех индикато-
ров и трех термопар в комплекте с потенциометром
ЭПП-09 (рис. 67). Образцы для испытания вырезают в
виде параллелепипедов размером 120x20x5 мм.
Располагая экспериментальными данными по стреле
прогиба, расчет деформации, предела прочности при
изгибе и модуля упругости производят по формулам:
S = Y , (42)
СГВ|, = , (43) 2ЫГ-
Е = , (44) 48г//х
1л- = = , (45) 12 v
Wx = , (46)
где в — относительная деформация;
у—стрела прогиба, см;
b—ширина образца, см;
h.— высота образца, см;
Р— нагрузка на образец, кг;
1Х— момент инерции относительно оси х, см4;
Wx—момент сопротивления относительно оси х, см3.
Зависимость предела прочности при изгибе и модуля
упругости от степени закристаллизованности литья при
комнатной температуре показана ранее (см. рис. 66).
Для определенной температурной зависимости проч-
ности па изгиб образец нагревают до заданной темпе-
246
ратуры со скоростью не более 50'С в час и выдержива-
ют до постоянных показаний индикаторов. Далее обра-
зец постепенно нагружают и при каждой нагрузке сни-
мают показания индикаторов. Таким путем повторяют
эксперименты для каждой температурной ступени. Для
определения температурной зависимости предела проч-
ности при изгибе нагрузку увеличивают до разрушения
образца.
Рис. 68. Зависимость величины нормаль-
ных напряжений при изгибе от относи-
тельной деформации и температуры
Рис. 69. Температурная -j-
висимость тангенса угла на-
клона графика зависимости
Результаты определения температурной зависимости
нормальных напряжений при изгибе и деформации кам-
нелитых образцов из базальта и топливных зол изобра-
жены на рис. 68.
Как видно из рис. 68, при любой постоянной темпе-
ратуре до 850° С зависимость нормальных напряжений
от деформации подчиняется закону прямой линии, г. е.
о„ = о0 4- , <Д7)
где он—нормальное напряжение при изгибе. кГ/см-;
о0—предельное значение нормального напряже-
ния, при котором деформация еще не наступа-
ет. На графике это значение соответствует от-
24 г
резку по оси ординат от нуля до точки пере-
сечения с прямой;
k—упругая постоянная, или тангенс угла наклона
прямой относительно оси абсцисс зависимости.
Из рис. 68 также следует, это с ростом температуры
угол наклона прямых относительно оси абсцисс умень-
шается, тем самым убывает величина упругих постоян-
ных и растет деформация.
Согласно уравнению (47) значения нормальных на-
пряжений при изгибе при соответствующих температу-
рах составляют:
для прямой 1 /=600°С, ои=444-3,45-105-8;
для прямой 2 ^=700°С, <ти=50-|-2,50• 105-е;
для прямой 3 /=750°С, ои=46-|-1,58- 105-е;
для прямой 4 t=800°C, ои—-44-|-0,67- 105-е;
для прямой 5 Л-=850°С, oH=48-f-0,36- 105-е;
Отсюда для практических расчетов получаем урав-
нение
о„ = 46 -ф k&. (48)
Цифра 46, как отмечено выше, выражает предельное
значение нормального напряжения, не вызывающего
деформацию образца.
Исходя из прямолинейной зависимости нормальных
напряжений от деформации, следует вывод о подчинении
каменного литья закону Гука.
Пользуясь уравнением (48), значение k можно опре-
делить по графику зависимости тангенса угла наклона
(рис. 69). По характеру графика указанного рисунка
видно, что до 600° С величина k является практически
неизменной и по расчету соответствует значению 3,45.
Тем самым значение ои из уравнения (48) при темпера-
туре до 600° С может быть представлено:
ци= 46 4- 3,45.1058 (49)
В температурном интервале от 600 до 830° С зависи-
мость /г—t приближенно выражается прямой наклонной
линией, т. е.
k — а — Ы. (50)
С помощью графика (см. рис. 69) можно определить
коэффициенты а = 1,26-106 и 6= 1,47-103. В итоге полу-
чена аналитическая зависимость нормальных напряже-
248
пий от температуры (в интервале 600—850" С) и дефор-
мации
<ти = 46 + (1,26.10е — 1,47-103 0 е.
(51)
Рис. 70. Зависимость модуля упру-
гости каменного литья от темпера-
туры:
I — кристаллическое литье из ба-
зальта; 2 — кристаллическое литье
из топливных шлаков; 3 — стекло-
видное литье из базальта
Представляют интерес
экспериментальные и рас-
четные данные зависимо-
сти модуля упругости ли-
тья от его состава и тем-
пературы (рис. 70). При
любой рассматриваемой
температуре разница зна-
чений модуля упругости
кристаллического литья
из базальта и топливных
зол незначительна, а ли-
того стекловидного ба-
зальта — существенна.
Характерно, что значение
модуля упругости кри-
сталлического и стекло-
видного базальтового
литья практически не из-
меняется от 20 до 550'С
и графически выражается
прямой линией, почти параллельной оси абсцисс. В тем-
пературном интервале 550—850° С во всех видах литья
наблюдается снижение
модуля упругости, что
рвязано с размягчени-
ем и затем плавлением
стекловидной фазы.
Аналогично влияние
межкристаллитного
стекла на предел проч-
ности при изгибе в ус-
ловиях высоких темпе-
ратур (рис. 71). Проч-
Рис. 71. Зависимость предела прочности
при изгибе базальтового литья от тем-
пературы
ность каменного литья
на растяжение определяют как экспериментальным, так
и расчетным путем.
Для определения прочности экспериментальным пу-
тем изготовляют восьмерки и испытывают их на гид-
249
равлическом прессе, работающем по принципу рычага.
Далее определяют прочность по формуле
где сгв—предел прочности при растяжении, кГ/см2;
Р— нагрузка, кг;
а—соотношение плеч рычага пресса (1:10);
6—площадь сечения большого поршня, см2;
F—площадь шейки восьмерки, см2.
Определение прочности литья на растяжение экспе-
риментальным путем затрудняется из-за сложности из-
готовления испытываемых образцов. В связи с этим эф-
фективным оказался расчетный метод [81] по данным
пределов прочности при сжатии и изгибе
ав - --с-ж-ан . (53)
°с ж °и
Полученные данные по механическим свойствам ка-
менного литья приведены в табл. 25.
Данные по некоторым механическим свойствам ба-
зальтового литья при различных температурах приве-
дены в табл. 26.
Экспериментально установлено [81], что литье, полу-
чаемое динамическим методом (центробежным), имеет
повышенные показатели прочности. Например оси< ба-
зальтового литья, полученного динамическим методом,
соответствует 3039 кГ/см2, а то же литье, полученное
статическим методом, 2977 кГ/см2. Повышенная проч-
ность центробежного литья объясняется его мелкозер-
нистым строением.
Механическая прочность испытываемых стеклокрис-
таллических образцов также зависит от их термическо-
го прошлого и состояния поверхности. Из опыта сте-
кольного и эмалевого производства известно, что проч-
ность на сжатие и, особенно на изгиб, повышается при
обработке поверхности испытываемых образцов кисло-
той. За счет такой обработки устраняются дефекты
в виде микротрещин. Также установлено, что предвари-
тельная термическая обработка образцов повышает их
прочность на изгиб. При термической обработке поверх-
ностный слой образца находится под воздействием сжи-
мающих напряжений, поэтому при испытании часть при-
250
Г а б л if ц а 25
Данные по механической прочности каменного литья
и других материалов
Виды литья и материалы асж’ к Г /см - %• кГ/см: %• кГ‘СЧ: * Улирная низкость. кГ/глГ’ .'lllTOpn- r v ра
Базальт - горнблендито- вое (Московский за- i
вод) Базальт - доломитовое 2500 470 250 10-105 1 )76)
(Донецкий комбинат) Термостойкое (Москов- 3760 570 308 11,1-105 2.6 [24]
ский завод) . . . . Базальт-шлаковое (Кри- 1800 300 — — — ЬД
вой Рог) ’ Гранито-шлаковое (Кри- 2000 230 — — — —
вой Рог) Горнблендитовое (Пер- 1750 390 — — — [ Д
воуральск) 2250 До 700 — 11,5-10° *?. 6 [LT]
Литье из медных шла- f'2]
ков (Балхаш).... 1000 100— 150 90— 100 — —
Литье из медных шла-
ков (Джезказган) . . Светлокаменное (Моск- 1400— 1650 150— 200 140— 65 —- [-2]
ва) Литье из медных шла- До 4000 350 200 10,05-105 [47]
ков (АССР) .... Литье из доменных шла- 3000 400 — — — 1'Д
ков (Караганда) . . 700— 800 — 70—80 —
Габропоритовое. . . . 4000 780 — — — [75]
Базальт естественный 2000 480 — — ! . ।
Гранит естественный 1500 — — — —
Диабаз естественный 3000 — -— —
Стекло техническое . . 7000 700 -— 8.3-11'5 2.0
Бетон 50— 600 — — 2—4,5
Фарфор технический . — 550 — 2.0
Чугун серый 10 000 2800 — — 10 - 2(1
Сталь 20 000 — 450(1 21,5-Ю5 —
’Вагин В. В. Автореферат дне сер гати Khcs.
25 J
лагаемых растягивающих усилий компенсируется. Суще-
ственное влияние на показатели механической прочности
стеклокристаллических изделий оказывает размер испы-
Таблица 26
Данные по механической
прочности каменного литья
в зависимости от температуры
Температура, °C ЕЮ», кГ/см1 <Т„, кГ/см-
От 20 ДО 600 1,13 570
700 0,97 —
750 0,68 462
800 0,35 —
850 0,24 405
880 0,22 —
тываемых образцов [17,
с. 217; 98].
Выяснением характе-
ра влияния масштабного
фактора на пределы проч-
ности при сжатии и изги-
бе получены данные, изо-
браженные на рис. 72 [24].
Из рис. 72 видно, что
предел прочности при
сжатии и изгибе законо-
мерно снижается с увели-
чением соответственно мо-
мента сопротивления и
момента инерции, т. е.
размера испытываемых
образцов. Влияние мас-
штабного фактора на
прочность материалов ра-
нее рассматривали с точ-
ки зрения статистической теории прочности.
С увеличением размера испытываемых образцов,
особенно стеклокристаллических, типа каменного литья
возрастает вероятность наличия неоднородностей струк-
туры и микротрещин, а также других дефектов, которые
снижают прочность материала. Современной теорией
масштабный эффект связывают с влиянием упругой
энергии, аккумулированной образцами при нагружении.
Чем крупнее образец, тем больше аккумулируется в нем
упругой энергии. Разрушение образца от нагрузки на-
чинается с появлением трещины. В свете указанной тео-
рии появление первой трещины практически не зависит
от размера образца. Масштабный эффект начинает по-
являться лишь при развитии трещины. Скорость роста
трещины возрастает с увеличением размера образцов
соответственно увеличению упругой энергии, освобож-
дающейся при развитии трещины.
Применительно к каменному литью влияние мас-
штабного фактора практически перестает сказываться.
когда при испытании на сжатие момент сопротивления
252
испытываемых образцов превышен 0,6 cm?j, а при испы-
тании на изгиб, когда момент инерции превышает
0,16 CMi. Для сравнения свойств литых стеклокристал-
лических материалов, в частности различных видов ка-
менного литья, характеристики испытываемых образцов
должны превышать указанные величины. В этом случае
показатели механической прочности хотя и будут не-
сколько заниженными, но стабильными.
Рис. 72. Предел прочности при сжатии (а) и изгибе (;) каменного
литья в зависимости от масштабного фактора:
/—литье из базальта; 2 — литье из топливных шлакез
Как видно из рассмотренных факторов, влияющих на
прочность стеклокристаллических материалов, опреде-
ляющими являются фазовый состав и структура.
Каменное литье, как показано выше, состоит из кри-
сталлических образований, обладающих упругими свой-
ствами, и стекловидной фазы с вязкими свойствами. При
температуре 650° С стекловидная фаза имеет высокую
вязкость и материал отливки находится в упругом со-
стоянии. С повышением температуры стекловидная фа-
за начинает размягчаться н далее плавиться, в то время
как кристаллическая фаза продолжает оставаться в
упругом состоянии и в целом масса отливки находится
в упруговязком состоянии. В этот период часть напря-
жений, возникающих в процессе затвердевания и крп-
253
сталлизации отливки, релаксируется за счет пластиче-
ской деформации стекловидной фазы. С охлаждением
отливки ниже 650° С материал переходит из упруго-вяз-
кого состояния в упругое с сохранением остаточных на-
пряжений, которые по своей величине меньше исходных.
Этим и объясняется положительное влияние стекловид-
ной фазы на показатели прочности [99].
В структурном отношении более существенное влия-
ние на прочность оказывает размер кристаллических
зерен. Зависимость механической прочности базальтово-
го каменного литья от Таблица 27 размера кристаллических Зависимость механической агрегатов пироксена при- прочности литья от величины в табл 27 rj7 кристаллического агрегата Р 9191
Величина кристалли- ческого агрегата, мм Предел прочности ДаК пОКаЗЭЛИ ЭКСПе-
при сжатии при рименты [24], максималь- изгибе ные показатели механи-
0,15—0,25 0,03—0,05 0,008—0,012 2500 5000 6000 ЧССКИХ СВОИС I В KdMeHHOIО 470 литья могут быть получе- 750 ны при степени закри- 1200 сталлизованности отли-
вок оэ—ниуо и ооеспе- чении кристаллической структуры материала, слагаемой из сферолитовых обра- зований пироксена размером менее 70 мкм, имеющих ра-
диально-волокнистое строение.
Прочностные свойства каменного литья могут быть
улучшены корректировкой состава шихты для получения
расплава. Выполненные исследования показали, что с
введением в шихту окиси хрома улучшается структура
отливок и повышается прочность. При введении в шихту
до 3% окиси хрома предел прочности при сжатии уве-
личивается примерно на 20%. При дальнейшем увеличе-
нии содержания окиси хрома предел прочности не по-
вышается. Аналогичный рост прочности каменного литья
наблюдается при введении в шихту до 4%- плавикового
шпата. Дальнейшее увеличение содержания плавиково-
го шпата приводит к снижению предела прочности и хи-
мической стойкости, что объясняется формированием в
отливках плагиоклазовых минералов.
254
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОИМ BA
Из теплофизических свойств стеклокристалличёских
материалов наибольший интерес представляют коэффи-
циенты термического расширения, теплопроводности,
температуропроводности и теплоемкости.
Знание теплофизических свойств каменного литья
позволяет совершенствовать технологию получения из-
делий и технически обоснованно с большим эффектом
применять эти изделия в народном хозяйстве. С по-
мощью данных по теплофизическим коэффициентам
можно рассчитывать скорость протекания процессов
плавления шихты, гомогенизации и дегазации расплава:
режимы термической обработки отливок с учетом ее
теплообмена с формой и окружающей средой. При
монтаже камнелитых изделий имеется ’возможность
определять условия их эксплуатации при повышенных
температурах, рассчитывать толщину футеровки и ре-
жимы нагрева (охлаждения).
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕРМИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ
Величина коэффициента термического расширения
характеризует сопротивляемость материала температур-
ным перепадам, т. е. термическую устойчивость. Значе-
ние температурной зависимости коэффициента термиче-
ского расширения стеклокристаллических материалов
позволяет рассчитывать коэффициенты их термического
сопротивления, усадку и другие технологические особен-
ности и эксплуатационные свойства.
Коэффициент термического расширения выражает
относительное увеличение длины образца при нагреве
на 1 град
lt - Z0(l + aAi), (54)
где lt— длина образца после нагрева, мм;
10— длина образца до нагрева, мм;
а—коэффициент термического расширения.
град-1;
Д/—температурный перепад, град.
Относительное удлинение образца е, составляет
? — (55)
/о
Отсюда среднее значение коэффициента термического
расширения при температурном перепаде А/ будет:
Л / г- г*\
аср = — ~гг (56)
10м Ai
Истинное пли мгновенное значение коэффициента тер-
мического расширения составляет
1 dl
^ист —
/0 di
(57)
Данные истинного коэффициента термического расши-
рения в отдельных температурных зонах характеризуют
Рис. 73. Схема дилатометра для опре-
деления коэффициента термического
расширения каменного литья:
1 — разъемная муфельная печь; 2 —
кварцевый столик на кварцевой опоре;
3 — индикаторные кварцевые трубки:
4 — индикаторы; 5 — регулирующее ус-
тройство; 6 — термопара; 7 - испыты-
ваемый образец
(рис. 73) позволяет проводить
малых размеров простейшей
равномерность этого
расширения и позволя-
ют фиксировать фазо-
вые изменения, проте-
кающие в материале.
Измерение коэффи-
циента термического
расширения материа-
лов в широком диапа-
зоне температур произ-
водят на дилатометри-
ческих приборах. Ме-
тоды измерения этого
коэффициента отлича-
ются между собой спо-
собами нагревания и
замерами образца. В
петрургии более прием-
лемым оказался модер-
низированный дилато-
метр Ботвинкина — Со-
ломина. Этот прибор
эксперимент с образцами
формы и получать доста-
точно точные результаты.
На указанном приборе проведено исследование тер-
мического расширения литья базальтового кристалли-
ческого и стекловидного, а также кристаллического из
топливных шлаков [24, 100]. Экспериментальным путем
получены данные абсолютного изменения длины образ-
цов при повышении и снижении температуры и на оспо-
256
ве этих данных рассчитаны значения относительного
удлинения и коэффициента термического расширения в
широком температурном диапазоне.
Значение истинного коэффициента термического рас-
ширения выражает отношение размера относительного
удлинения на небольшом температурном участке к ве-
личине этого температурного участка. Для определения
Рис, 74. Зависимость коэффициента термического расширения и относи-
тельного удлинения е базальтового литья от температуры
значения среднего коэффициента термического расши-
рения берут отношение суммарной величины относитель-
ного удлинения в любом температурном интервале к ве-
личине этого интервала.
Анализ графического изображения полученных дан-
ных (рис. 74) показывает наличие зон различного ха-
рактера. При температуре 520—530'С температурная
зависимость относительного удлинения н коэффициента
17—1058
257
ЭД^ЯйН^ского расширения приближенно подчиняется
закону прямой линии АВ. Очевидно, что при экспери-
ментировании с образцами мономинерального состава
рассматриваемый участок кривой аср шел бы горизон-
тально, а кривой е — наклонно. При дальнейшем подъ-
еме температуры до 600° С в условиях начала размягче-
ния межкристаллитного стекла наблюдается рост аср и
е, который продолжается до температуры 820—830° С.
При плавлении межкристаллитного стекла (точка D}
наблюдается скачок в росте е, который достигает мак-
симального значения в точке F. При температуре 900° С
в условиях полного расплавления межкристаллитного
стекла, когда образец несколько деформируется, отме-
чается падение значения аср (точка L) и е. Фактически
это падение кажущееся, так как с повышением темпера-
туры объемное расширение образца продолжается. Ха-
рактерно, что при снижении температуры соответствую-
щее значение коэффициента термического расширения
ниже, чем при повышении температуры, что связано
с наличием остаточной деформации за счет размягчения
и плавления стекловидной фазы.
Коэффициент термического расширения материалов
зависит от их состава. Известно, что значение коэффи-
циента термического расширения плавленых силикат-
ных материалов уменьшается за счет ZrC>2, В20з, AI2O3.
TiO2, SiO2, и растет за счет К2О, Na2O, СаО, Fe2O3.
Зная состав стекла и пользуясь уравнением Аппена,
можно произвести теоретический расчет значения коэф-
фициента термического расширения для температур от
20 до 400° С
а =
100 ’
где /И1—содержание окисла в молях, %;
ах—средние коэффициенты термического расшире-
ния окислов.
Расчеты показали, что коэффициент термического
расширения литого стеклокристаллического базальта
составляет 6-10“• град-1, что ниже экспериментальных
данных на 25%. Это расхождение объясняется в основ-
ном тем, что стекловидное литье, хотя и частично, но
всегда содержит кристаллическую фазу. Кроме того,
258
при расчетах не учитываются небольшие количества
многих окислов, входящих в состав стекла.
Ниже приведены значения коэффициентов термиче-
ского расширения различных видов каменного литья и
некоторых других материалов.
Литье:
из базальта, кристаллическое .... (10—12 ,1)10 ГЛ
то же, стекловидное ....... базальто-шлаковое (ЮГОК) .... 910-♦ (24 j
4 6-10*
тефрито-базальтовое (Кривой Рог) . 8,67-10 * [М]
из горелых шахтных пород (4—б;. Ю-4 [fej
из ферромолибденового шлака . . . 3-10—* —
из медных шлаков (Балхаш) .... 6.5- IO-* (72J
из медных шлаков (Джезказган) . . 8- J0—*
белокаменное (Водники) 10- 1О-< F2J
из доменных шлаков (Магнитогорск) . 10-10^ l-'4J
Огнеупор:
шамотный (до 1000° С) (4.5—Ь)-Ю—* ГЛ
динасовый (до 1000° С) (11.5—13)-10—* ГЛ
магнезитовый (до 1000° С) (14 — 151-10—* гл
хромитовый (9—111-IO-* гл
Стекло:
техническое (3,5—10)-10—* ГЛ
кварцевое 0.4-10—* гл
Винипласт 60-10—* гл
Сталь (10—13?-1(Н* (711
Медь 16,7-Ю—* гл
Алюминий (24 —25.5)-10—* гл
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
И ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ
Теплопроводность выражает способность материала
передавать тепло от одной своей поверхности к другой.
Значение коэффициентов теплопроводности и темпера-
туропроводности дает возможность определять терми-
ческую стойкость стеклокристаллических изделий и ус-
ловия их эксплуатации при термических нагрузках,
Кроме того, на основе этих коэффициентов можно рас-
считывать термическое сопротивление литья и на его
основе определять режим отжига изделии.
Механизм передачи тепла зависит от фазового со-
става материала и его строения. В твердых неметалли-
ческих телах передача тепла осуществляется упругими
волнами. По такому принципу перенос энергии из более
нагретых частей в менее нагретые части тела осуществ-
ляется упругими решетчатыми волнами, образуемыми в
259
!рйультате ангармоничных колебаний атомов. Волны
находят друг на друга и рассеиваются, оказывая при
этом влияние на величину теплопроводности.
Согласно волновой теории получена аналитическая
зависимость коэффициента теплопроводности к неметал-
лических твердых тел, в том числе кристаллических и
аморфных, от удельной теплоемкости материала с, ско-
рости звука и и длины свободного пробега волн I
к= -^-cul. (59)
Учитывая, что расположение центров рассеивания
волн у кристаллических и аморфных тел различно, дли-
на свободного пробега волн неодинакова и значения
коэффициентов теплопроводности этих материалов раз-
личны.
Металлам присуща электронная проводимость теп-
ла, которая выражается уравнением
— =14-10“8Т, (60)
У
где у—коэффициент электропроводности;
Т — абсолютная температура.
Из приведенного уравнения видно, что отношение
коэффициента теплопроводности к коэффициенту элект-
ропроводности пропорционально абсолютной температу-
ре. У металлов, обладающих большим числом свобод-
ных электронов (1022 в 1 см3) %= к -электронов. В ди-
электриках свободных электронов не имеется, поэтому
их к=к -решетки. В полупроводниках решетчатая тепло-
передача преобладает над электронной и в этом случае
их Х=%-решетки + ^-электронов. Теплопроводность ма-
териалов зависит от их объемных масс. С уменьшением
объемной массы за счет возрастания пористости тепло-
проводность материала снижается. Коэффициент тепло-
проводности материала может быть приближенно рас-
считан по правилу аддитивности
к — Ikitrii, (61)
где т^— массовое содержание окислов, %;
260
Xi—коэффициент теплопроводности окисла,
ккал/(м-ч-град).
Применительно к каменному литью расчет теплопро-
водности затруднителен, так как не имеется исходных
данных по ряду окислов, содержащихся в этом литье.
Существующие методы изучения теплофизических
свойств материалов основаны на стационарных и неста-
ционарных тепловых режимах. Сущность метода стаци-
онарного теплового режима состоит в создании и изме-
рении постоянно направленного потока тепла в течение
определенного времени при известном температурном
перепаде на границах образца. Практически измеряют
расходуемую мощность и разность температур верхней
и нижней плоскостей испытываемых образцов.
Методы, в основу которых положен стационарный
тепловой поток, относительно сложные, требуют боль-
ших затрат времени на эксперементированне, при этом
получаемые при высоких температурах данные оказыва-
ются недостаточно точными.
Учитывая эти недостатки, разработаны новые методы
изучения теплофизических свойств, основанные на не-
стационарном тепловом режиме. По этим методам на
исследуемое тело с определенной температурой мгновен-
ным источником энергии дается импульс тепла. За счет
импульса в образце создается кратковременный темпера-
турный перепад. В итоге определение теплофизических
свойств материала сводится к измерению величины
теплового импульса и температурного перепада на плос-
костях испытываемого образца в течение времени дей-
ствия теплового импульса.
В последние годы проведены обширные исследовании
коэффициентов теплопроводности и температуропровод-
ности каменного литья [17, с. 217; 24; 71; 100]. Для
экспериментирования применена усовершенствованная
установка М. В. Кулакова, позволяющая работать при
температуре до 1200° С. Установка (рис. 751 состоит из
двух эталонных кварцевых пластин диаметром 70 «л.
высотой 10—12 мм, между которыми размещены два
идентичных испытываемых образца. Между образцами
установлен двусторонний обогреватель, дающий мгно-
венный источник тепла. Замер температуры осуществля-
ют двумя пЛатинородий-платиновымн дифференциаль-
ными термопарами. Рабочий спай одной термопары
261
вставляют в прирезь элемрипагревателя, а другой за-
делывают на поверхность образца, обращенного к ниж-
нему эталону. Свободные концы обеих термопар разме-
щают на торцовой поверхности нижнего эталона. Диф-
ференциальные термопары присоединяют к зеркальным
гальванометрам пирометра Курнакова. Согласно схеме.
Рис. 75. Схема установки для определения температуропроводности
и теплопроводности материала;
1— электромуфельная печь; 2 — кварцевые эталоны; 3—испытывае-
мые образцы; 4— электронагреватель; 5 — магнитный пускатель;
5—понижающий трансформатор; 7 — электронное реле времени;
8 — ваттметр; 9, 10— гальванометры; 11—электрический секундо-
мер; 12 — пирометр Курнакова; 13—16 — точки замера температуры
(рис. 76) термопару, измеряющую разность температур
между точками 15 и 16 (см. рис. 75), подключают к галь-
ванометру 9. Дифференциальные термопары и зеркаль-
ные гальванометры пирометра Курнакова перед экспери-
ментированием градуируют.
Зеркальные гальванометры пирометра Курнакова
имеют следующие характеристики, необходимые для рас-
чета теплопроводности и температуропроводности ма-
териала.
262
Г альеаномеТр
.Vi 7 .V Е’
Сопротивление гальванометра, ом . 52/29
Внешнее критическое сопротивление,
ом..................................
Постоянная гальванометра:
а!мм шкалы............................. 3,15.10—*
в/мм шкалы....................... 1,63-10—'
Время полного колебания, сек . . . 3
52/29
680
2.1 -10- ’
1,09.10-’
3
Рис. 7Cl Схема я»л пе-
чения термопар * уста-
новке для оягре лелеяв я
теплолрояоиостж те-м-
пературоороамвоетя ма-
териала
Для проведения эксперимента кондуктиметр «смон-
тированная система, состоящая из электронагревателя,
эталонов, образцов и термопар) устанавливают в му-
фельную печь при температуре 20—25е С и увеличивают
температуру до заданной со скоростью 50 град ч. При
достижении необходимой температуры добиваются вы-
равнивания показаний дифференциальных термопар.
Вслед за включением электронагревателя в электросеть
дают тепловой импульс. Включение производят с по-
мощью магнитного пускателя типа П-222, сблокирован-
ного с электронным реле и понижающим трансформа-
тором. Время действия теплового импульса устанавлива-
ют экспериментальным путем в зависимости от высоты
испытываемых образцов и состояния их поверхности в
фиксируют электрическим секундомером типа ПВ-53Л.
личных секундомеров.
Для каменного литья действие теплового импульса со-
ставляет 7—10 сек.
Конечной целью эксперимента является получение
следующих основных параметров, необходимых для рас-
чета коэффициентов теплопроводности и температуро-
проводности каменного литья:
ттах—время достижения максимального температурно-
го перепада между точками 15 и 16 (см. рис. 75),
фиксируемого гальванометром 9, ч',
t0— максимальное значение температурного перепада
между точками 13 и 14, фиксируемого гальвано-
метром 10, ° С;
т0 — время, соответствующее достижению to, ч\
Q— количество тепла, выделяемого мгновенным ис-
точником (электронагревателем), ккал.
Для получения значения Q по ваттметру измеряют
мощность нагревателя. Значения ттах и т0 на установке
Кулакова регистрируют визуально с помощью двух раз-
Также визуально по шкале зер-
кального гальванометра фик-
сируют to- В результате неточ-
ности фиксации указанных ве-
личин получаемые результаты
имеют существенные ошибки.
Благодаря применению пиро-
метра Курнакова изменения
температуры во время дейст-
вия теплового импульса запи-
сывают на фотопластину авто-
матически, при этом точность
измерений значительно возрас-
тает. Фотозапись изменения
температуры во времени про-
изводят следующим образом.
Перед началом подачи тепло-
вого импульса включают бара-
бан фотокамеры пирометра и
открывают щель барабана.-
Для получения фотозаписи
крупного масштаба (чтобы
уменьшить ошибку при рас-
шифровании), скорость вращения барабана составляет
один оборот за 5 мин. После дачи теплового импульса
Рис. 77. Фотозапись пиромет-
ра Курнакова для определе-
ния температуропроводности
и теплопроводности
(ттах= тхх- то = тх *
t0^>ntyy.
1 — изменение температуры
во времени в точке образца,
находящегося в контакте с
электродвигателем; 2 — ско-
рость изменения температу-
ры в образце
264
и достижения в образцах максимального значения тем-
пературы барабан останавливают и закрывают его щель.
Для расшифрования полученной фотозаписи (рис. 77)
предварительно определяют масштабы времени и
температуры mt. Оба графика на фотозаписи рассматри-
вают в системе координат: время — температура. По
первому графику определяют
r0 = mTz, (62)
/0 = mt у, (63)
где z— отрезок, соответствующий значению времени,
при котором температура в точке 13 (см.
рис. 75) достигает максимума;
у— отрезок, соответствующий максимальному зна-
чению температуры в точке 13.
По второму графику определяют
Чпах = Х’ (-64)
где х—отрезок, соответствующий значению времени,
при котором температура в точке 15 достигает
максимального значения.
Коэффициент температуропроводности а каменного
литья определяют по уравнению
, пз 1 ,8б2 П . с-,
а • 103 = —-— At2/ ч, (6о)
ттах
где б — высота испытываемого образца, леи;
ттаХ—время достижения максимальной температу-
ры, показываемой гальванометром 9. сек.
По данным температуропроводности рассчитывают
теплопроводность
X = У а ккал (it - ч -град}. (66)
, Q
2F I л /0] т0
где Q—количество тепла, выделяемого электронагре-
вателем за время действия теплового импульса,
ккал;
2G5
F—площадь соприкосновения электронагревателя
с испытываемыми образцами, ж2;
/0— температура электронагревателя, определяемая
по гальванометру 10, град;
т0— время, соответствующее /0, ч-
Количество тепла, выделяемое электронагревателем,
рассчитывают по формуле
Q = 0,24Р —-— ккал, (68)
1000 V ’
где Р— мощность электронагревателя, вт;
т—время действия теплового импульса, измеряе-
мое электросекундомером, сек.
Рис. 78. Зависимость коэффи-
циента теплопроводности ба-
зальтового литья от температу-
ры и фазового состава. Литье
с кристаллической фазой:
/—92%, 2 — 50%, 3 — 5% (стек-
ловидное литье)
Рис. 79. Зависимость коэффици-
ента температуропроводности
базальтового литья от темпера-
туры и фазового состава. Литье
с кристаллической фазой:
/ — 92%; 2 — 50%; 3—5% (стек-
ловидное литье)
Выполненные исследования теплофизических свойств
каменного литья на указанной установке показали, что
значения коэффициентов теплопроводности и температу-
ропроводности с повышением температуры увеличива-
ются независимо от фазового состава (рис. 78, 79). Зпа-
.266
копия коэффициентов возрастают с началом размягчения
межкристаллитного стекла и достигают максимального
значения при плавлении стекла. Кроме того, из графиков
видно, что значения коэффициентов растут с увеличением
содержания стеклофазы.
Данные по теплофизическим и механическим свойст-
вам каменного литья при высоких температурах дают
возможность определить некоторые другие свойства
литья, связанные с термической стойкостью [24].
Устойчивость каменного литья к снижению прочности
или разрушению от термического удара называется тер-
мостойкостью или стойкостью к воздействию термических
напряжений. Термостойкость каменного литья зависит от
величины термических напряжений, характера их рас-
пределения в объеме тела и продолжительности воздей-
ствия. Кроме того, она зависит от пластичности, гомоген-
ности и пористости материала.
Имеется методика расчета температурных условий
термической стойкости стекла, фарфора, тонкой керами-
ки и других по У. Д. Кинджери. По своей природе ка-
менное литье может быть отнесено к указанной группе
материалов. Коэффициент термической стойкости или
термического сопротивления R выражается уравнением
<М1 — и)
а£
|59)
R -
где <ти— предел прочности при изгибе, кГ с.м-;
ц— коэффициент Пауссона для базальтового литья
равен 0,25;
а— коэффициент термического расширения. град~ .
Е— модуль упругости, кГ1см-.
Указанное уравнение применимо в том случае. если
охлаждение поверхности образца протекает быстро и
критерий Bi>\. Этим уравнением можно рассчитать тер-
мическое сопротивление разогретого каменного литьч.
охлаждаемого в воде.
Если скорость охлаждения образцов невелик?., как это
имеет место при отжиге камнелнтых отливок (критерии
расчет термического сопротивления следует вес-
ти по уравнению
R : . (70)
at'
Расчетом термического сопротивления базальтового
кристаллического литья в диапазоне температур от 100
до 900°С получены данные, графически изображенные
на рис. 80. Из графика видно, что при 570—600° С значе-
ние термического сопротивления практически не меняется
и составляет 550° С. С дальнейшим повышением темпера-
туры, за счет размягчения, затем плавления межкристал-
литного стекла, термическое сопротивление значительно
Рис. 80. Зависимость термического сопротивления каменного
литья от температуры
растет и при температуре 900° С достигает 214° С. Повы-
шение термического сопротивления в области высоких
температур объясняется пластическим состоянием литья,
благодаря которому термические напряжения не дости-
гают критического значения.
Термическое сопротивление каменного литья опреде-
ляет режим отжига отливок. При существующей техно-
логии камнелитые отливки после кристаллизации под-
вергают медленному охлаждению в отжигательных
печах. Скорость охлаждения отливок зависит от их тер-
мической стойкости, определяемой коэффициентом тер-
мического сопротивления. Практически при определе-
нии скорости охлаждения отливок необходимо, чтобы на
268
протяжении всего этапа отжига разница между темпера-
турой отливок и отжигающей средой не превышала по
абсолютному значению величины термического сопротив-
ления при соответствующей температуре. Нарушение
этого условия способствует возникновению высоких тер-
мических напряжений, приводящих к трещинообразова-
нию в отливках. При производстве камиелитых футеро-
вочных плит их передача из кристаллизационной печи в
отжигательную осуществляется на открытом воздухе. Хо-
тя в результате такой операции плиты подвергаются тер-
мическому удару со снижением температуры на 100—
150 град, но они не разрушаются. В этом случае форсиро-
ванное снижение температуры плиты с 900—9-50 до
750—800° С дает перепад, по абсолютному значению не
превышающий значения термического сопротивления
сопротивления литья при 900° С, в 214° С. Если те же фу-
теровочные плиты с температурой 100° С или немногим,
более по выходу из отжигательной печи будут терять
свыше 75 град, то они будут разрушаться. В этом случае
температурный перепад составляет более 75° С. в то время
как термическое сопротивление при 100е С составляет
54° С. Следовательно, камнелитые плиты следует выда-
вать из отжигательной печи при температуре не более
50—55° С.
На термическую стойкость каменного литья, кроме
термического сопротивления, оказывают влияние условия
охлаждения и размеры отливок. Термическая стойкость
каменного литья, как и многих других материалов, мень-
ше при охлаждении, чем при нагреве. С охлаждением
наружные слои образца стремятся к сжатию, чему препят-
ствуют медленно охлаждаемые внутренние слон, поэтому
наружные слои фактически подвергаются растягиваю-
щим усилиям, а внутренние слои — сжимающим С на-
гревом образца наблюдается обратная картина. Так как
прочность каменного литья на сжатие значительно выше,
чем на растяжение, поэтому термостойкость при нагреве,
выше, чем при охлаждении.
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОЕМКОСТИ
Теплоемкость выражает свойства материала погло-
щать при нагревании определенное количество тепла.
Коэффициент теплоемкости или удельная теплоемкость
выражает количество тепла в калориях, необходимое для
нагрева одного грамма вещества на один градус Цельсия
при постоянном давлении. Среднюю теплоемкость в из-
вестном температурном интервале определяют по урав-
нению
с ——® ккал (кг-град), (71)
где Q— количество тепла, ккал\
т— масса вещества, кг;
Д— —изменения температуры, град.
Определение коэффициента теплоемкости произ-
водят измерением количества выделяемого или поглоща-
емого телом тепла в процессе охлаждения или нагрева.
Для определения коэффициента теплоемкости пользу-
ются тремя методами — смешения, ввода тепла и прото-
ка. По методу смешения исследуемое тело нагревают до
постоянно заданной температуры в течение определен-
ного промежутка времени и погружают в калориметр с
калориметрической жидкостью. По изменению темпера-
туры калориметра судят о введенном количестве тепла
(72)
гдеi2—Д—конечная и начальная температура калори-
метра;
Н— тепловое значение калориметра.
Метод ввода тепла предусматривает нагрев исследу-
емого тела в самом калориметре. Нагрев тела осущест-
вляется электрическим током и расчет количества сооб-
щаемого тепла ведут по тепловому балансу
Q = Q.r-Qi, (73)
где Q— количество тепла, введенного током;
Qx— количество тепла, затраченного на нагрев испы-
тываемого тела;
Qi—количество тепла, поглощенного калориметри-
ческой системой.
Метод протока предусматривает нагрев испытываемо-
го вещества до определенной температуры вне калори-
метра и передачу его в калориметр непрерывным пото-
ком с постоянной скоростью и температурой. При этом
270
количество тепла, получаемое калориметром в единицу
времени,составляет
Q, = mcp(/2-/i), (74)
где т — количество вещества, проходящего через ка-
— лориметр в единицу времени;
t2 — — изменение температуры вещества в калори-
метре;
ср— удельная теплоемкость вещества при посто-
янном давлении.
Методы ввода тепла и протока применяют при опре-
делении удельной теплоемкости электропроводящих твер-
дых, жидких и газообразных веществ. Метод смешения
широко применяют для
определения коэффи-
циентов теплоемкости
полупроводников и изо-
ляторов. Поэтому он
пригоден и для стекло-
кристаллических мате-
риалов. Исследование
теплоемкости каменно-
го литья [24, 41, с. 33]
выполнено с примене-
нием метода смешения.
Калориметр (рис.
81) состоит из метал-
лического сосуда с ка-
лориметрической жид-
костью (водой), термо-
метра и металлической
оболочки. Чтобы избе-
жать потерь тепла, ка-
лориметр защищен ас-
бестовой изоляцией и
Рис. 81. Схема калориметра для опре-
деления теплоемкости:
1 — металлическая оболочка; 2 — ме-
таллический сосуд; 3 — теплоизоляция;
4 — термометр; 5 —пробка; 6—мешал-
ка; 7 — испытываемый образец
содержится в термостате. Для проведения эксперимента
образец диаметром 30 мм и высотой 40 мм нагревают в
муфельной печи до заданной температуры и выдержива-
ют в течение часа. Затем его быстро помещают в калори-
метр и замеряют температуру воды. В ходе эксперимен-
тирования температуру в термостате поддерживают с
таким расчетом, чтобы разность температур в калоримет-
ре и термостате не превышала 1—2 град.
271
Коэффициент теплоемкости базальтового кристалли-
ческого и стекловидного литья в интервале температур
от 100 до 700° С рассчитывают согласно тепловому ба-
лансу
<2обр=<2к + Св + Ст + <2п. (75)
Составляющие тепловые значения уравнения опреде-
ляют:
QK — ^i)> (76)
Qb = ™вс8(/2 — ti), (77)
QT mTc?(t2— /J, (78)
где тк,тв,тг—массы калориметра, воды и термометра;
ск, св, ст—теплоемкость калориметра, воды и термо-
метра;
ti— начальная температура воды;
t2—температура воды после погружения об-
разца.
Согласно тепловому балансу
Сэбр ^обр (Абр ^2) Ск (^2 ^1) ~1~ (^2 ^1)
“Р Ст (t2 ti) “К Qnapi (79)
(mi< с< + св + тт Ст) (С — ^1) + Qnap /cry.
собр -----------------------77------------ . (оО)
тобр Побр ‘21
Располагая указанными данными и определяя в каж-
дом эксперименте значения t\, /2 и ^обр, можно рассчи-
тать коэффициент теплоемкости при заданной темпера-
туре.
Коэффициент теплоемкости кристаллического и стек-
ловидного базальтового литья (рис. 82) растет с повы-
шением температуры. Абсолютное значение коэффици-
ента теплоемкости стекловидного базальтового литья
выше, чем кристаллического. Характерно, что темпера-
турная зависимость коэффициента теплоемкости стекло-
видного литья из базальта подчиняется закону прямой
линии.
По аналогии с силикатными стеклами в каменном
литье можно рассчитать коэффициент теплоемкости ана-
литическим путем
с
S/rzj С|
100
(81)
272
где т£— массовое содержание каждого окисла элемен-
та, %;
Ci — значение коэффициента теплоемкости каждого
окисла.
Согласно этому уравнению коэффициент теплоемко-
сти базальтового стекла равен 0,194 ккал! (кг-град), это
значение близко к экспериментальному [при 100'С
с = 0,189 ккал/(кг • град) ].
Рис. 82. Зависимость коэффициента теплоемкости от тем-
пературы:
/—литье кристаллическое из базальта; 2 —литье стек-
ловидное из базальта
Данные теплофизических свойств каменного литья и
некоторых других материалов приведены в табл. 28.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Каменное литье, как и многие стеклокрнсталлическне
материалы, в расплавленном состоянии обладает свойст-
вами электропроводимости, в твердом состоянии оно яв-
ляется хорошим диэлектриком. Его можно использовать
в качестве электроизоляционного материала. С ростом
температуры в каменном литье растет электропровод-
ность и достигает наибольшего значения при жидком
состоянии материала.
Электропроводность является важным свойством си-
ликатных расплавов и связана она с составом, физичес-
кими свойствами и фазоструктурнымн особенностями
27 Я
18-1058
Данные по теплофизическим свойствам каменного литья и других
материалов
Виды литья и материалы X, ккал> (мч-град) а-103, м-1ч с, ккал/ (кгград) Литера- тура
Базальт естественный Литье из базальта кри- сталлическое: 3,0 — [24]
до 100°С .... 1,09 1,24 0,186 —
до 600° С Литье из базальта стек- ловидное: 1,36 2,04 0.255
до 100° С 1,69 1,87 0,189 — ••
до 600° С Литье базальто-шлако- 2,26 2,46 0,245 —
вое (Кривой Рог) . . 1,25 1,28 — —
Литье светлокаменное . Литье из горелых пород: 0,85 — 0,25 [60]
до 100° С — — 0,163
до 330° С — — 0,221
до 800° С Литье из доменных шла- — — 0,227
ков Литье из медных шла- ков: 0,985 — 0,160 [71]
700° С 2,47 .— —
100° С — 1,51 —
Стекло оконное, до 350° Кирпич: 0,79 — 0,08—0,25 [71]
красный 0,66 — 0,21 [71]
динасовый 0,80 — 0,20 [71]
шамотный 0,72 — 0,21 [71]
Сталь мягкая, до 500° С 32,7 — 0,132 [71]
Чугун серый, до 400° С . 37,2 — 0,130 [71]
Алюминий, до 500° С . . 230,7 — 0,228 [71]
этих расплавов. Интерес представляют работы [17, с.
145; 101; 102] по зависимости электропроводности ряда
силикатных расплавов от температуры, фазового состава
и структуры материала.
Для измерения электропроводности использована
схема моста переменного тока типа Р-38 с питанием от
генератора звуковой частоты типа ГЗ-34. Мостовые схе-
274
Мы, применяемые для измерения электропроводности
расплава, имеют малые погрешности (0,5—5%) и позво-
ляют оценивать как активное, так и реактивное сопро-
тивления ячейки. Специальные схемы позволяют ском-
пенсировать реактивное сопротивление ячейки и изме-
рить лишь активное.
По сравнению со схемой моста применяемый более
широко метод вольтметра-амперметра дает большую по-
грешность в получаемых
данных. Однако при изу-
чении процесса кристал-
лизации метод вольтмет-
ра-амперметра более при-
годен.
В процессе измерения
электропроводности ис-
пользуют датчик, пред-
ставляющий собой две па-
раллельные платинороди-
евые проволоки диамет-
ром 0,5 мм, выступающие
на 5 мм из двухканаль-
ной алундовой трубки.
Градуировку датчика про-
изводят на стандартной
ячейке типа Х-38 (ТУ-
П.ООП. 534 053—55) с
применением раствора КС1.
Рис. 83. Схема вольтметра-амперметра
для измерения электропроводности ка-
менного литья:
ГЗ-34 — генератор звуковой; И Я — аз-
мерительная ячейка; В — выпрямитель;
ПК — пирометр Курнакоза
Длину проволок измеряют
микроскопом. Параметры ячейки измеряют безваттмет-
ровым методом. Сущность этого метода заключается в
том. что последовательно с датчиком включают безреак-
тивное сопротивление, что позволяет определять пара-
метры измерительной ячейки без применения ваттметра.
По схеме вольтметра-амперметра (рис. 83) измерения
показателей проводят на высокой частоте. В связи с этим
учитывают уменьшение реактивного сопротивления р-
ячейки в процессе кристаллизации расплава, что связа-
но диэлектрической проницаемостью е.
Зависимость между реактивным сопротивлением и
диэлектрической проницаемостью видна из уравнений:
1
рс — ----------ом • с.ч
г С С0Б'8о
ЦЯ2)
18*
275
или
откуда
л'с — сое' е0 ом-1, см-1, (83)
е' - 0,901 • 104, (84)
со - 2л/, (85)
где /— частота питающего тока, гц;
&' — относительная электрическая проницаемость;
80— 8,86-10-14 ф!см — электрическая проницае-
мость вакуума;
хс—реактивная электропроводность, ом.-1-см—1
Последнее уравнение определяет зависимость относи-
тельной электрической проницаемости от электропровод-
ности ячейки. Нало-
жение двух видов
проводимости (ак-
тивной и реактив-
ной) приводит к по-
явлению максимума
на кривой р — т.
Применение вы-
шеуказанных мето-
дик позволило про-
вести изучение элек-
тропроводности че-
тырех видов рас-
плава на основе ба-
Рис. 84. Температурная за-
висимость электропроводно-
сти базальтового расплава
зальта, медных шлаков, габропоритов и синтетичес-
кого сырья с повышенным содержанием MgO. По-
лученные данные температурной зависимости элект-
ропроводности базальтового расплава, графически изо-
бражены на рис. 84. Силикатные расплавы, склонные
к кристаллизации, имеют экспоненциальный характер за-
висимостей Перегибы, полученные на графике, объяс-
няются структурными превращениями, протекающими в
расплаве в процессе охлаждения. В процессе кристалли-
276
зации расплава образны подвергали закалке с последую-
щим их петрографическим изучением. Как показало изу-
чение, из первого расплава при температуре 1210—1200'С
кристаллизуется первичный магнетит, а при 1080—
1050° С — пироксен. Расплавы второй и третий имели
меньшую электропроводность, чем первый. Это явление
может быть объяснено лишь более низким содержанием
окислов типа R2O.
Рис. 85. Термограмма процесса охлаждения базальтового р1сг.лх*а
(А, В, С характеризуют фазовые изменения в расплаве)
При изучении электропроводности в процессе кри-
сталлизации первого расплава экспериментирование про-
водили двумя методами.
1. Мостом переменного тока Р-38 с питанием от гене-
ратора ГЗ-34 с питающей частотой 500 гц. Электропро-
водность измеряли при планомерном снижении темпера-
туры расплава от 1355 до 20° С. При этом для выяснения
процесса минералообразования провели серию опытов со
стабилизацией и закалкой образцов в воле от температу-
ры: 1215 (образцы № 2), 1100 (образцы № 3). 1070 (об-
разцы № 4), 940 (образцы № 5). 850°С (образцы № 6).
Паралллельно отлили образцы (№ 1). охлажденные на
воздухе.
2. С помощью вольтметра-амперметра наблюдали за
падением напряжения на активном сопротивлении Rs
(см. рис. 83). 11змеренне температуры и электросопротив-
ления производили в диапазоне 1240—650°С с регистра-
цией этих данных на фотопирометре ФПК-55. Отдельные
участки графика (см. рис. 84) с достаточной степенью
точности описываются следующими уравнениями:
для АВС:
1пх = 3,78— 10,54^-, (81)
для CDE:
1пх -9,57—10,18-у-. (87)
Как следует из
рис. 85 и 86, актив-
ное протекание про-
цесса кристаллиза-
ции наблюдается
при температуре око-
ло 1200°С (АВ), что
связано с интенсив-
ным выделением
тепла и падени-
ем электропроводно-
сти. Кристаллиза-
ция начинается при
1200° С и прибли-
жается к заверше-
нию при 1060° С.
Рис. 86. Температурная зависи-
мость электропроводности рас-
плава из:
1 — базальта: 2 — медных шла-
ков; 3 — габропоритов
Экспоненциальные зависимости %—Т°К характеризу-
ются ростом энергии активизации с 21,1 при 1300°С до
173 ккал/моль при 1060—1700° С, что связано, очевидно,
с усложнением структуры силикатного расплава при кри-
сталлизации (рост содержания SiO2) и с изменением ти-
па ионных токоносителей по мере обособления кристал-
лических агрегатов. Ниже 1060° С существенную роль
начинает играть электронная проводимость, при этом
278
наблюдается падение энергии активации электропровод-
ности.
Минералогический анализ подтверждает приурочен-
ность экстремума зависимости р,;—т к кристаллизации
пироксеновых агрегатов, составляющих 85—90% объема
образцов и в основном определяющих структуру литых
изделий. Структура отличается некоторой сериальностью
от мелкосферолитовой с преимущественным развитием
радиально-микролитовых и аксилолитовых типов. Меж-
кристаллитное стекло в агрегатах развивается в виде
пленочных покрытий и индивидов пироксена и по коли-
честву не превышает 20%. Пироксены по составу отно-
сятся к моноклинным с превалирующим развитием ав-
гита, у которого Mg=l,70; Np= 1,671; CA'g=54';
+ 2и = 60°. На рис. 84 второй участок графика ВС (об-
разца № 3) характеризуется началом кристаллизации
пироксенов. Одновременно продолжается кристаллиза-
ция магнетита с размером образований 2—3 мкм. Как
правило, более ранний магнетит является центром кри-
сталлизации сферолитов пироксенов; а вторая генерация
магнетита имеет диспергенный характер развития. Пи-
роксены кристаллизуются в виде сферолитовых агрега-
тов радиально-лучистого или аксиолитового строения с
довольно высоким содержанием межкристаллитного
стекла (до 30%). Изучение агрегатов пироксенов в им-
мерсии (Ng= 1,692, Np = 1,662) позволяет отнести их к
диопсидам. Суммарное содержание кристаллической фа-
зы в образцах № 3 не превышает 50%. Остаточное стек-
ло имеет желтовато-зеленый цвет и Xg= 1,586. Сферолито-
вые агрегаты пироксена периферийных областей образ-
ца содержат примерно до 40% межкристаллитного
стекла. Свободное стекло в этих участках не наблюда-
ется.' Структура здесь мелкосферолптовая с дендритовид-
ным или радиально-волокнистым строением агрегатов.
Таким образом, второму участку зависимости х—Т соот-
ветствует второй этап кристаллизации, характеризую-
щийся началом выпадания из расплава пироксенов и
продолжающейся кристаллизацией магнетита.
Третий участок графика CD (образцы .Хе 4) характе-
ризует массовую кристаллизацию пироксенов в виде аг-
регатов радиально-микролитового или аксиолитового
строения со средним размером сферолитов 0,08—0,1 мм.
Межкристаллитное стекло составляет в агрегатах не
менее 20%. Иммерсионное изучение этой структурной
разновидности пироксенов позволяет установить принад-
лежность их к авгитам: Ne = 1,716; 1,682; Ne —
— Np -0,024.
Кристаллики магнетита на третьем участке несколько
укрупняются, однако количественно магнетита стано-
вится меньше, возможно за счет частичного растворения
и образования железистой составляющей пироксена.
Четвертый участок графика DE изучен на образцах
№ 1, 5 и 6. Характерен он прежде всего структурными
преобразованиями минералов. Намечается тенденция
(образец № 5) к преобразованию сферолитов пироксена
в спутанно-микролитовую форму агрегатов и образова-
нию призматических скелетных форм. По составу эти ав-
гиты имеют характеристики: A’g —1,702, Л% — 1,678,
Ng—Np —0,024. Аналогичные результаты показали об-
разцы № 6 и I.
Структурные преобразования относятся прежде всего
к метаморфизму пироксенов из стеклокристаллических
агрегатов в монокристаллические. Межкристаллитное
стекло концентрируется в виде реликтов размером 3—
5 мкм, преимущественно оранжевого цвета с буроватым
оттенком. Количественно стекло составляет более 11 %.
По этим реликтам развиваются игольчатые кристаллы
буроватой окраски, по-видимому представляющие собой
щелочные разновидности амфибола.
Магнетит отмечается в виде правильно ограниченных
кубиков, равномерно распределенных по всему объему,
нередко находящихся внутри пироксеновых кристаллов.
Структура из среднесферолитовой преобразуется в круп-
нозернистую, гипидиоморфную, с преимущественным раз-
витием призматических и скелетных форм пироксена.
Скелетность призматических форм вызывается за-
хватом кристаллами пироксена мелких включений
стекла и магнетита. Имеются некоторые изменения
и в минеральном составе пироксенов. Ос-
новная масса представлена авгитом: Ng — 1,703;
Np = —1,680; CN —45,0°; + 2и —58°. В количественном от-
ношении пироксен составляет 70% всего объема.
Рентгенографический анализ, произведенный на об-
разце № 1, показывает, что линии этого образца иден-
тифицируются с эталонами авгита и магнетита и все ин-
тенсивные линии принадлежат этим минералам. В об-
280.
разце также наблюдаются линии щелочного пироксена.
Таким образом, четвертый участок кривой х—Т отража-
ет процессы структурного преобразования и частичной
кристаллизации остаточного стекла. Приведенные дан-
ные показывают связь между процессом кристаллизации
и электропроводностью каменного литья.
Каменное литье в кристаллическом и стекловидном
состоянии, как отмечено выше, является диэлектриком.
Диэлектрики должны обладать высокой сопротивляемо-
стью. В них проверяют удельное поверхностное и объемное
сопротивления, пробивную напряженность, тангенс угла
диэлектрических потерь, диэлектрическую проницаемость
и температурный коэффициент диэлектрической проница-
емости.
Известны исследования закристаллизованного и сте-
кловидного базальтового литья на диэлектрическую про-
ницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь [60].
Для определения указанных диэлектрических величин
использован мост Ширенга (Р-525).
Испытываемые образцы диаметром 100 мм и высотой
3 мм помещают между электродами и тангенс угла ди-
электрических потерь рассчитывают по уравнению
tg 6 = сп, (88)
где с— емкость, мкф.
Диэлектрическую проницаемость определяют по урав-
нению
е = 14,4с°Rid , (89)
где с0—емкость образцового конденсатора, мкф;
Rt—безреактивное сопротивление, ом;
R3— безреактивное сопротивление, отсчитывае-
мое непосредственно на верхнем ряду ручек
моста;
d— высота образца, см;
D— диаметр верхнего электрода, см.
Экспериментально получено, что исследованное ка-
менное литье имеет тангенс утла диэлектрических потерь
около 0,1, а диэлектрическую проницаемость близкую к 8.
В ЧССР исследована пробивная напряженность ба-
281
зальтового литья, которая оказалась равной 7,18—
7,86 л/лг2 для испытываемых пластин высотой от 8,86 до
12,51 мм.
ФАЗОВЫЙ СОСТАВ
Стеклокристаллические материалы слагаются из раз-
личных минералов в основном силикатных или алюмоси-
ликатных. Кристаллы минералов состоят из двух элемен-
тов: кремнекислородных радикалов, в виде цепочек, лент,
сеток, колец и других и многогранников — полиэдров, об-
разующихся вокруг катионов металлов.
Из последних исследований академика И. В. Белова
в области кристаллохимии силикатов следует, что из двух
указанных выше строительных материалов, слагающих
кристаллы силикатов, главными являются не кремнекис-
лородные радикалы, а массивные полиэдры вокруг кати-
онов.
Для определения кристаллических фаз петрургичес-
кого литья применяют оптические, рентгено-дифрактомет-
рические, химические, петрохимические и минерало-пет-
рографические методы исследования.
Фазовые и структурные соотношения изучают с по-
мощью микроскопа МИН-8. Тонкую структуру образцов
исследуют на электронном микроскопе «ТЭСЛА» Рент-
генограммы снимают на дифрактометре ДРОН-1 при
С и К - излучении. В качестве внутреннего эталона ис-
пользуют оптически чистый NaCl. В некоторых случаях
используют рентгеновский дифрактометр УРС-504 с же-
лезным излучением. Базальтовое каменное литье имеет
плотную мелкозернистую структуру, сложенную из сфе-
ролитовых образований. Главная минеральная фаза
представлена моноклинным пироксеном типа авгита с
оптическими показателями преломления в следующих
пределах: = 1,712-: 1,735; Np = 1,688-н 1,716, содержа-
ние этого минерала — до 90%. Кроме того, имеются ми-
нералы: магнетит (до 15%), хромит (1,5—2%) и иногда
зерна оливина.
Горнблендитовое литье содержит авгит (85%) и ча-
стично шпинели. Магнетита имеется мало, поэтому от-
ливки относительно более термостойки. Базальто-шлако-
вое литье наряду с авгитом (80%) содержит магнезио-
феррит (5%). Медношлаковое литье содержит оливин
282
в виде фаялита (50%), пироксен в виде
авгита (30%) и магнетит (10%). Габропоритовое литье
сложено из кристаллических образований минералов пи-
роксена в виде авгитдиопсида (80%), магнетита (10%)
и плагиоклаза (5%).
Светлокаменное литье имеет крупнокристаллическую
структуру и по минеральному составу содержит 65—
80% диопсида и 15—30% волластонита. Диопсид пред-
ставлен в виде листовых и сферолитовых зерен размером
0,1—0,15 мм. Заметно взаимное прорастание зерен, плот-
но прилегающих друг к другу. В узких пространствах
между зернами диопсида расположены зерна волласто-
нита размером 0,005—0,006 мм. Нередки случаи прора-
стания кристаллов диопсида и волластонита.
Литье из шахты на основе топливных зол имеет сфе-
ролитовую структуру, слагаемую из агрегатов листова-
то-лапчатой формы размером 0,02—0,03 мм. Среди этих
образований имеются игольчатые кристаллы размером
0,01—0,05 мм. Минеральный состав представлен авги-
том и частично клиноэнстатитом и энстатитом.
Литье из шихты на основе горелых шахтных пород со-
стоит из лапчато-перистых пироксеновых агрегатов, со-
держащих точечные включения стекла. Независимо от
вида каменного литья каждый содержит, кроме указан-
ных выше минеральных фаз, остаточное стекло в коли-
честве от 10 до 15%.
Следует отметить, что приведенные выше данные по
структуре и минеральному составу некоторых видов ка-
менного литья непостоянны и при соответствующих ус-
ловиях могут изменяться. Как отмечено выше, стекло-
кристаллические материалы даже постоянного состава в
зависимости от режима плавления и термической обра-
ботки могут приобретать различную структуру и мине-
ральный состав. Следовательно, регулированием техно-
логического процесса и исходного состава сырьевых
материалов можно получать литье с заданными техничес-
кими свойствами.
ГЛАВА VIII
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
КАМЕННОГО ЛИТЬЯ
В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Камнелитые изделия обладают высокими механичес-
кими и физико-химическими свойствами, в силу чего их
применение в народном хозяйстве дает высокую технико-
экономическую эффективность.
Основными свойствами каменного литья, как отмече-
но выше, является его высокая антикоррозионная стой-
кость. Практически каменное литье противостоит воздей-
ствию всех кислот, щелочей и солей и заменяет такие
защитные материалы, как свинец и другие цветные ме-
таллы и сплавы.
Вторым наиболее ценным свойством каменного литья
является его отличная сопротивляемость абразивному
истиранию. Применение каменного литья в качестве аб-
разивного материала позволяет успешно заменять защит-
ную броню из чугуна и стали.
Кроме того, каменное литье имеет высокие диэлектри-
ческие свойства и хорошо противостоит выветриванию.
Исходя из отдельных специфических свойств, по характе-
ру применения камнелитые изделия подразделяют на
следующие группы:
1) химические стойкие изделия и материалы—плиты,
фасонное литье и кислотоупорный порошок. Эти изделия
предназначены для защиты химического оборудования
от воздействия агрессивных сред. Кислотоупорный поро-
шок служит наполнителем кислотоупорной замазки, ис-
пользуемой в качестве связующего материала при монта-
же камнелитых изделий, а также в качестве самостоя-
тельного антикоррозийного материала;
2) износоустойчивые изделия применяют для обли-
цовки каналов, желобов, течек, бункеров, различного
транспортного и другого оборудования, передающих аб-
разивные материалы. В ряде случаев камнелитые изде-
лия служат одновременно для защиты оборудования от
абразивного и агрессивного износа;
3) строительные изделия в основном в виде крупнога-
баритных плит из светлокаменного литья, используют
для облицовки цоколей зданий, мостовых путепроводов
284
и других целей, обычно предназначены для облицовки
конструкций взамен гранитных и мраморных материалов.
Такие изделия обладают достаточной механической
прочностью и устойчивостью атмосферной коррозии;
4) диэлектрические изделия в виде изоляторов, при-
меняемых в электротехнической промышленности;
5) огнеупорные плавленые изделия в виде блоков из
муллита, бокора и других материалов. Эти изделия
должны обладать высокой химической и термической
стойкостью, так как применяют их для футеровки ванн
стекловаренных печей;
6) тепло- и звукоизоляционные изделия в виде пори-
стых силикатных отливок и минеральной ваты. Эти изде-
лия нашли применение в строительстве, электротехничес-
кой и других отраслях промышленности. Преимущест-
вом таких изделий является достаточная механическая
прочность при малой объемной массе, низкая теплопро-
водность и звукопроницаемость. В настоящее время кам-
нелитейными предприятиями нашей страны производится
ежегодно около 70 тыс. т каменного литья. Из выпускае-
мых изделий ведущее место занимают различные плиты,
меньше фасонного литья и незначительно труб.
Структура производимых камнелитых изделий в на-
шей стране и за рубежом, по состоянию на 1967 г., вид-
на из табл. 29 (по данным Б. X. Хана).
Таблица 29
Структура производимого каменного литья
Страна Выпуск литья, в год тыс. г, Виды изделий
ПЛИТЫ фасонные трубы
т % т 1 % т 07 О
СССР 35 28,5 80 5 16 1,5 4
ПНР 6 3 50 1 17 2 33
ЧССР 8,5 3,5 41 1,5 18 3,5 41
ФРГ 6 3,5 58 1 17 1.5 25
Из многообразия производимых камнелитных плит
более широко применяются следующие [ЮЗ].
Футеровочные плиты размером 180X115Х
Х18 мм, массой 1,1 кг. На большинстве камнелитейных
285
предприятий производство таких плит занимает ведущее
место. Применяются они в основном для защиты от кор-
розии различной химической аппаратуры, травильных и
электролизных ванн, кислотохранилищ и всевозможных
химических коммуникаций. В ряде случаев такие плиты
применяют для футеровки аппаратов, подверженных аб-
разивному износу.
Броневые плиты. Гладкие, прямоугольные раз-
мером 200X180X20, 200X200X30, 220X150X44, 250 X
X150 X 40, 250 X 200 X 30, 250 X 50 X 30,250 X 250 X 30,250 X
X 250X40, 300X250X30, 350X230X35, 360x250X40,
360X300X40 мм; гладкие косоугольные 250X200X40 мм;
гладкие прямоугольные с отверстиями: 200x200x30,
250X180X30, 250X250X30, 300X210X40, 330x200x40,
350X220X40 мм; трехгранные с отверстиями:
190X190X30, 240X240X30 мм; четырехугольные
усеченные с отверстиями: 300X210x50x40 мм и др.
"Перечисленные броневые плиты и детали применяют для
футеровки бункеров, каналов, течек. Для футеровки ша-
ровых мельниц производят кирпичи размером 224X
Х116Х70Х43, 280X114X110X40, 74X45X52X60 мм.
Для полов промышленных зданий выпускают плиты
рифленые четырехгранные размером 240X240X40, 250Х
X250X40, 250x250X50 мм шестигранные 250X250X
40 мм и трехгранные 250X250X40 мм.
Из фасонного литья камнелитейные предприятия
производят: детали для футеровки гидроциклонов — пло-
скостные с одной сферической поверхностью размером
300X200X60X30, 325X250X45X25, 350X250X60X30,
358X262X30, 340X310X50X30, 360Х100Х80Х60Х
Х40 мм; патрубки гидроциклонов размером 680Х250Х
X25/30 мм; гидроциклоны из отдельных секций в метал-
лических кожухах и без них; цельнолитые гидроциклоны
со вставными патрубками.
На отдельных предприятиях, а также на эксперимен-
тальных установках по разовым заказам производят
шары для шаровых мельниц; детали грохотов для сорти-
ровки кокса — валки с круглыми и треугольными ребра-
ми и звездочки для валков; детали футеровки смешиваю-
щих бегунов, ролики для ленточных транспортеров;
детали футеровки флотационных машин; импеллеры для
флотационных машин; детали и корпуса центробежных
насосов для перекачки абразивных и агрессивных сред;
286
Наголовники для электролитных ванн; баки для гидро-
сепараторов и др.
Камнелитейные предприятия выпускают следующие
виды труб:
Патрубки (короткие трубы) длиной 500—600 мм,
наружным диаметром до 400 мм, толщиной 40 мм. Такие
патрубки производят в металлических каркасах, в метал-
лических кожухах и без них.
Трубы напорные с раструбными соединениями
и без них диаметром от 100 до 500 мм, длиной до 2 м;
трубы в металлических кожухах с фланцами, диаметром
100, 150, 200, 250, 300 мм длиной 1—2 м для пневмо- и гид-
ротранспорта абразивных материалов. В эксперименталь-
ном порядке изготовляют армированные трубы в метал-
лических кожухах диаметром 800 мм и более, длиной
1 м, толщиной стенки 35 мм.
Вместе с трубами отливают тройники для трубопро-
водов в металлических кожухах с фланцами, колена в
металлических кожухах и без них с различным утлом по-
ворота.
Как видно, ассортимент производимых камнелитых
изделий недостаточно велик. С увеличением потребности
в каменном литье ассортимент изделий может быть суще-
ственно расширен, на что имеются достаточные теорети-
ческие данные и практические навыки.
Камнелитые изделия нашли широкое применение в
химической, угольной, металлургической и других отрас-
лях народного хозяйства, успешно заменив черные и
цветные металлы, а также дефицитные материалы.
Высокая эффективность применения камнелитых из-
делий в различных отраслях народного хозяйства видна
из многочисленных примеров, приводимых ниже.
КАМЕННОЕ ЛИТЬЕ В ХИМИЧЕСКОЙ
И КОКСОХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Каменное литье не вступает в реакцию с химически-
ми агрессивными средами, поэтому служит отличным ан-
тикоррозийным материалом. На химических и коксохи-
мических предприятиях каменным литьем футеруют кор-
пуса и ловушки сатураторов, оборудование реакционных
башен, кастрюли токов, коксовые рампы, отстойники
для генерированной кислоты, змеевики, перегонные кот-
287
лы, травильные ванны, кислотопроводы с крапами, трой-
никами и клапанами, различные фильтры, сборники ав-
токлавной жидкости и купоросного масла, дистилляци-
онные башни, сборные баки для выпарки, напорные баки
для кислот, мешалки для котлов, генераторы для полу-
чения ацетальдегида, рекуперационные колонки, цистер-
ны и сборники для кислот, газовые шиберы, аккумуля-
торные сооружения, диски насосов, электролизные ван-
ны, раковины, ковши и эксгаустеры для кислотных паров,
коксовые платформы, днища флотаторов и другое обо-
рудование.
На Константиновском химическом заводе Донецкой
области каменное литье успешно применяют с 1959 г.
На этом заводе защищены камнелитой футеровкой рабо-
чие поверхности брызгоуловителей, циркуляционных
сборников, адсорбционных камер, погружных холодиль-
ников, промывных башен, газоходов и другого оборудо-
вания с общей площадью около 3 тыс. ж2. Опыт эксплу-
атации показал, что камнелитая футеровка на указанном
оборудовании служит без ремонта до 5 лет.
На Горловском азотно-туковом заводе Донецкой об-
ласти тоже с 1959 г. применяется каменное литье для
защиты от коррозии следующего оборудования: окисли-
тельных емкостей, башен и газоходов к ним, циркуляци-
онных и промежуточных емкостей, погружных холодиль-
ников, электрофильтров ЛА-184. Общая площадь камне-
литой футеровки составляет около 4 тыс. ж2. За счет ка-
менного литья завод сократил расход свинца и других
металлов на 400 т в год.
Сравнение эксплуатационных сроков показало, что
в условиях воздействия 20%-ной серной кислоты при
температуре 60° С свинцовая футеровка служит шесть
месяцев, а камнелитая пять — шесть лет. На Московском
химическом заводе им. Войкова каменным литьем зафу-
терованы емкости с серной, азотной и соляной кислота-
ми. В условиях нагрева такая футеровка служит от трех
до пяти лет, а без нагрева значительно больше. На Ал-
малыкском химическом заводе Ташкентской области с
конца 1969 г. успешно применяется каменное литье для
защиты оборудования от воздействия фосфорнокислых
сред.
В настоящее время на большинстве химических заво-
дов нашей страны каменное литье заменило свинцовую
288
защиту. В последнее десятилетие каменное литье широ-
ко внедрено в коксохимическую промышленность в ос-
новном для футеровки коксовых рамп. На Донецком кок-
сохимическом заводе каменное литье для футеровки рамп
используется с 1959 г. Опыт эксплуатации показал, что
камнелитая футеровка служит до 10 лет.
Ранее для футеровки рамп применяли чугунные плиты
размером 500X500X30 мм, срок службы которых соста-
влял 10 месяцев. Экономическая эффективность от при-
менения каменного литья на заводе составляет
52 тыс. руб в год.
На Ясиновском коксохимическом заводе Донецкой
области длительное время эксплуатируются рампы, за-
футерованные светлокаменными плитами. Кроме эконо-
мии металла, камнелитая футеровка значительно улуч-
шает сход кокса с рампы. На Щербиновском коксохими-
ческом заводе Донецкой области камнелитая футеровка
в корпусах центрифуг служит до 6 лет, в то время
как без футеровки — до 16 месяцев. Флотационные ма-
шины с камнелитой футеровкой работают 5—6 лет. а без
нее — не более 2 лет. Срок службы камнелитой футеров-
ки на отсадочных машинах достигает 10 лет. в то время
как футеровка из металлических бронеплит высотой
12 мм — только лишь один год.
Показательно удлинение срока службы другого обо-
рудования вследствие применения камнелитой футеров-
ки. Скрубберы вместо одного года службы эксплуатиру-
ют теперь без ремонта шесть лет. Скребковые транспор-
теры вместо шести месяцев — шесть лет; пеногасители
десять лет вместо одного года; ванны вакуумфильтров—
восемь лет вместо двух; желоба и течки — шесть лет
вместо шести месяцев. Завод ежегодно в результате при-
менения каменного литья экономит ПО т листовой стали.
Аналогичны примеры применения каменного литья на
Запорожском коксохимическом заводе.
Перспективно внедрение каменного литья на коксо-
химических заводах при облицовке трубопроводов для
транспортирования агрессивных сред, кристаллоприем-
ников в сульфатных цехах п емкостей в ректификаци-
онных цехах, а также при изготовлении камнелитых
валков для валковых грохотов коксосортировок. при вы-
стилке полов в моечных отделениях нафталиновых и
ректификационных цехов и др.
19—1058
289
Характерен зарубежный опыт применения каменного
литья в качестве антикоррозионного материала. На ко-
ксохимическом заводе в Карвине ЧССР с 1951 г. приме-
няется камнелитая футеровка на лотках перед грохота-
ми. Эксплуатация показала, что за 4 года износ составил
всего лишь 3—4 мм, в то время как чугунную футеровку
заменяли через 10—12 месяцев.
На сернокислотном заводе ЧССР для транспортирова-
ния кислотного шлака внедрен составной камнелитой
трубопровод длиной 200 м, диаметром 200 мм, который
эксплуатировался без ремонта три года. Применявшийся
до этого стальной трубопровод нуждался в капитальном
ремонте через три месяца. На химическом заводе в Буб-
чице, ЧССР, каменным литьем зафутерована емкость
для травления. Ранее эту емкость футеровали свинцом и
срок ее службы не превышал двух лет. На заводе в За-
луже, ЧССР, для пневматической подачи углекислым га-
зом горячего кокса применен камнелитой трубопровод,
который служит без ремонта шесть лет, стальной трубо-
провод выходит из строя через четыре-пять месяцев экс-
плуатации.
Подсчеты показали, что применение в химической
промышленности каждой тонны каменного литья дает
годовую экономию примерно 50—60 руб. Потребность в
каменном литье химической и коксохимической промыш-
ленности непрерывно растет.
КАМЕННОЕ ЛИТЬЕ В УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Наиболее широко внедрено каменное литье в уголь-
ной промышленности УССР. В Донбассе почти на всех
углеобогатительных фабриках транспортные средства,
бункера, емкости и другие устройства зафутерованы
стеклокристаллическим материалом, в том числе камен-
ным литьем и шлакоситаллами.
На Чумаковской центральной обогатительной фабри-
ке (ЦОФ) Донецкой области в сушильном отделении
каменным литьем футеруют сепараторы СК-20, желоба
и отсадочные машины ОМ-12, скребковые транспортеры
и бункера, трубопровод скрубберных вод и другое обо-
рудование. Скрубберы ранее футеровали бетоном, желе-
зобетоном, резиной, метлахской плиткой, деревом, при
этом такая защита стояла не более полутора-двух
290
месяцев. Камнелитая футеровка на указанном объекте
служит в три-четыре раза дольше.
Во флотационном отделении каменным литьем футе-
руют днища флотомашин и трубопровод для передачи
пульпы. Камнелитой трубопровод служит до 10 лет и за
это время пришлось лишь несколько раз заменять сты-
ковые металлические фланцы, которые подвергаются
коррозии.
В гравитационном отделении каменным литьем зафу-
терованы течки и желоба для транспортирования мок-
рого угля на отсадочные машины и магнетита на сепа-
раторное колесо. Футеровку камнелитых плит производят
на глиноземистом цементе. Ранее указанные желоба
футеровали чугунными плитами, при этом расходы в три
раза превышали расходы при применении камнелитой
футеровки.
В других отделениях фабрики каменное литье приме-
нено для футеровки скребковых конвейеров, ванн обез-
воживающих кривошипных грохотов и др. Общая годо-
вая экономия от применения каменного литья на фабри-
ке составляет свыше 50 тыс. руб.
На Куйбышевской обогатительной фабрике Донец-
кой области камнелитыми плитами зафутерованы: при-
емники разгрузочных ям, горловины и стенки качающих-
ся питателей, пылеуловители, корпуса флотационных и
отсадочных машин, желоба, течки, ванны грохотов и др.
В 1961 г. камнелитыми плитами зафутерованы бунке-
ра для концентрата и угля и приемно-разгрузочная яма.
Эта футеровка за восемь лет эксплуатации нуждается
лишь в текущем ремонте. Ранее бункера футеровали
строительным кирпичом, при этом уголь часто зависал.
Камнелитая футеровка качающихся питателен служит
более трех лет, в то время как металлическая — 8—10
месяцев.
Течки и желоба с камнелптой футеровкой служат до
пяти лет. Ранее их защищали броневой сталью толщиной
6 мм и срок службы не превышал шесть месяцев. Позд-
нее стали применять чугунную броню, которая выходила
из строя через полтора-два года эксплуатации. Ана-
логичные данные получены при футеровке каменным
литьем течек и желобов на Никитовскон ПОФ Донецкой
области. Широко применяется каменное литье на Ново-
Коидратьевской обогатительной фабрике (г. Горловка).
19*
291
Длительное время на фабрике эксплуатировали флота-
ционные машины без футеровки. С 1959 г. их стали
футеровать каменным литьем, при этом срок эксплуата-
ции без капитального ремонта вырос в 3—3,5 раза и
достиг восьми лет.
Отсадочные машины для обогащения углей ранее
футеровали листовой сталью и срок службы не превышал
полутора лет. Примененная камнелитая футеровка слу-
жит без ремонта 3—4 года.
Применение каменного литья на другом оборудова-
нии фабрики позволило удлинить срок службы: контакт-
ных чанов с двух-трех до четырех лет; сгустительиых
воронок и рессиверов вакуум-фильтров с двух-трех до
семи лет; скребковых конвейеров с одного года до трех
лет; течек с одного-полутора до двух-трех лет.
На Дзержинской обогатительной фабрике (г. Дзер-
жинск) каменным литьем зафутерованы желоба, течки,
бункера, отсадочные машины, пылеуловители, скребко-
вые транспортеры, трубопроводы и др.
На ЦОФ «Комсомолец» (г. Горловка) применена
камнелитая футеровка на отсадочных и флотационных
машинах, сборниках под обезвоживающими грохотами,
элеваторах ковшовых, скребковых конвейерах, центри-
фугах, желобах, течках и др. Такое же оборудование
зафутеровано каменным литьем на Горловской ЦОФ.
На Кальмиусской ЦОФ каменным литьем зафутеро-
ван ряд агрегатов, особое внимание заслуживает камне-
литой трубопровод для стока шламовых вод. Этот трубо-
провод был смонтирован в 1959 г. и прослужил до 1967 г.
Остановка трубопровода была связана с выходом из
строя металлической оболочки, в то время как сама
футеровка имела незначительный износ.
Относительно широко внедрено каменное литье на
обогатительных фабриках Донецкой области: Пролетар-
ской, Колосниковской, Советской, Калининской и др.
На этих фабриках кампелитой футеровкой защищены
бункера углей и концентрата, приемные ямы и разгру-
зочные камеры, днища скребковых конвейеров, желоба,
течки, питатели, днища флотомашпн, пенные газофильт-
ры, трубопроводы. Также широко применяется каменное
литье на обогатительных фабриках Луганской области:
Ново-Ирмипской, Верхпе-Дувапской, Максимовской и
др. На указанных фабриках каменное литье применяют
292
для защиты от абразивного износа ванн резонансных
грохотов для гидравлической классификации угля, ванн
грохотов для регенерации магнетитовой суспензии, же-
лоба, течки, воронки, ванны дуговых сит и отсадочных
машин, зумпфы. Срок службы всего этого оборудования
вследствие применения камнелитой футеровки возрос в
3—5 раз.
Имеется опыт применения каменного литья на обога-
тительных фабриках других областей нашей страны. На
Криворожской ЦОФ каменным литьем зафутерованы
желоба, транспортирующие концентрат и подрешеточные
воды, конусные части дозировочных установок, центри-
фуги. Кислотоупорной замазкой зафутерованы выхлоп-
ные трубы скруббера сушильной установки.
На Брянской ЦОФ применена камнелитая футе-
ровка на обезвоживающих грохотах, контактных чанах,
дозировочных столах, скребковых конвейерах, течках и
желобах. Судя по данным ЦБТИ Министерства уголь-
ной промышленности за 1969 г., применение каменного
литья позволило сократить удельный расход металла на
одну тонну перерабатываемого угля в среднем по тресту
«Донецкуглеобогащение» на 48% и по тресту «Луганск-
углеобогащение» на 30%.
Применение каменного литья на предприятиях уголь-
ной промышленности дает большой экономический эф-
фект. Данные только по некоторым фабрикам показыва-
ют, что на Ново-Кондратьевской ЦОФ ежегодно эконо-
мится 14,3 т металла и 2,7 тыс. руб., на ЦОФ
«Комсомолец» — 29,7 т листового металла и 9,5 тыс. руб.,
на обогатительной фабрике «Колосниковая» — 69,3 т
металла.
Подсчеты показали [71], что применение каменного
литья для защиты от абразивного износа оборудования
одной лишь углеобогатительной фабрики дает услов-
ную экономию 6,8 тыс. руб. и высвобождает 416 т
металла.
Успешно применяется каменное литье на ряде топли-
воперерабатывающих предприятий. На Моспннскон бри-
кетной фабрике Донецкой области каменным литьем
зафутерованы погрузочно-аккумулирующие и приемные
бункера, постели скребковых конвейеров, течки и жело-
ба. Для транспортирования магнезитовой суспензии
взамен металлического установлен камнелитой трубо-
293
провод, который эксплуатируется без ремонта три-
четыре года. Металлический трубопровод для тех же
целей служит всего лишь семь месяцев.
На Донецкой брикетной фабрике используется ка-
мнелитая футеровка на брикетных агрегатах БАКС-1,
скребковом конвейере, бункерах, ямах привозных углей,
течках и желобах.
На одном из комбинатов «Кузбассуголь» с помощью
камнелитого трубопровода к обогатительной фабрике
подают 30—35 тыс. л/3 материала. Применявшийся ра-
нее металлический трубопровод пропустил всего лишь
около 6 тыс. ж3 материала и вышел из строя.
На Петровском торфопредприятии Шатурского трес-
та каменным литьем футеруют рабочую поверхность
циклонов. В настоящее время имеется много примеров
применения каменного литья в угольном производстве за
границей.
Каленборнская фирма «Шмелт — базальт» (ФРГ)
широко футерует каменным литьем бункера и силосы
для кокса, угля, песка и гравия. В этой же стране гид-
равлический шламопровод, облицованный каменным
литьем, эксплуатируется до 20 лет.
Более широко применяют каменное литье в ЧССР.
На шахте «Дукла» в Дольни Сухе применен камнели-
той трубопровод для пневматического транспортирова-
ния пустой породы, срок службы которого по сравнению
с металлическим возрос в шесть раз. На шахте «Глу-
бина» успешно эксплуатируется трубопровод с камне-
лигыми вкладышами для транспортирования породы.
На обогатительной фабрике шахты «Дюриш» в г. Крас-
не надежно эксплуатируются бункера с камнелитой фу-
теровкой. На коксовом заводе в г. Карвоне каменным
литьем зафутерованы колосниковые грохота. Как пока-
зал опыт эксплуатации, ежегодный износ футеровки не
превышает 1—1,3 мм. Применявшаяся ранее футеровка
из чугунных плит изнашивалась в течение 10—12 меся-
цев. На коксовом заводе в г. Пязне каменным литьем
зафутерованы коксовые бункера. Ранее применялись
деревянные бункера, которые постоянно ремонтирова-
лись. Каменное литье стали внедрять в угольной про-
мышленности Польской Народной республики. На кок-
совом заводе им. «Победоносного февраля» в г. Острове
каменное литье применяют во вращающихся грохотах
294
для сортировки кокса, при этом срок эксплуатации воз-
рос в 3—4 раза по сравнению с применением металли-
ческих грохотов.
КАМЕННОЕ ЛИТЬЕ В ГОРНОРУДНОЙ
И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В горнорудной промышленности значение каменного
литья весьма велико. При обогащении руд все оборудо-
вание, начиная от карьера, кончая складами продукции,
подвергается активному абразивному износу. Как пока-
зали подсчеты, потери от износа металла составляют
около 50% себестоимости получаемого концентрата.
Наиболее широко и эффективно внедрено каменное
литье на обогатительных предприятиях Криворожского
горнорудного бассейна. На предприятиях этого бассейна
каменным литьем футеруют хвостопроводы, пульпопро-
воды, сливные каналы, лотки, воронки, желоба, гидро-
циклоны, классификаторы, бункера и другое оборудова-
ние. На указанных предприятиях внедрение каменного
литья началось в 1959 г., причем в первую очередь на
Южном горно-обогатительном комбинате. В первые го-
ды на комбинате каменным литьем футеровали желоба,
течки, лотки и другое простое оборудование. В дальней-
шем внедрение каменного литья на комбинате стало
приобретать более широкий характер, что видно из дан-
ных, приведенных в работе [104].
Хвостопроводы на первой обогатительной фабрике,
зафутерованные каменным литьем, служат в течение
десяти лет. Ранее деревянную футеровку меняли еже-
месячно. С 1961 г. эксплуатировался без ремонта в те-
чение пяти лет камнелитой трубопровод протяжением
3650 м. Металлический трубопровод для тех же целей
служил всего лишь 6 месяцев. Годовая экономия за счет
камнелитого трубопровода составляет 78.4 тыс. рублей.
С 1964 г. эксплуатируется камнелитой желоб, сече-
нием 400X400 мм, длиной 6 ль массой 1200 кг. смонти-
рованный из отдельных секций длиной 1 м. В ходе
эксплуатации выяснено, что ежегодно износ рабочей
поверхности футеровки составляет 1 мм (начальная
толщина стенки отливки 30 л/лг). Износ металлической
брони в аналогичных условиях составлял 6—10 мм в год.
Высокую эффективность показало применение на
295
комбинате гидроциклонов, которые представляют собой
неподвижный аппарат, состоящий из цилиндрической,
конической и дисковой частей. В цилиндрической части
имеется отверстие для питающего патрубка. На обога-
тительных фабриках гидроциклоны применяют: а) в ка-
честве самостоятельных классифицирующих аппаратов;
б) как классифицирующие аппараты, работающие в за-
мкнутых циклах измельчения с шаровыми мельницами;
в) для сгущения, обезвоживания и дешламации различ-
ных продуктов обогащения.
На обогатительных фабриках обычно гидроциклоны
соединяют в батареи. Пульпа внутри гидроциклонов
движется по спирали с большой скоростью и под дейст-
вием центробежной силы осуществляется классификация
материала. В результате абразивного воздействия под-
вижной пульпы внутренние стенки гидроциклона под-
вергаются износу, поэтому нуждаются в защитной
футеровке.
На комбинате примененный с 1961 г. гидроциклон
диаметром 750 мм прослужил без ремонта два года.
Чугунные гидроциклоны без футеровки работали всего
лишь шесть месяцев. Широко на комбинате применяют-
ся камнелитые трубы различных диаметров, воронки,
баки и др.
Данные экономической эффективности применения
каменного литья на ЮГОКе за 1962—1968 гг. приведены
в табл. 30.
За десять лет на ЮГОКе установлено 4 тыс. т изде-
лий каменного литья, что дает ежегодно не менее 100 тыс.
руб. экономии.
На Ново-Криворожском горно-обогатительном ком-
бинате в течение десяти лет эксплуатируется камнели-
той хвостопровод длиной 600 м, сечением 800 и 1500 мм.
Металлический хвостопровод в тех же условиях служит
всего лишь два года. Применение каменного литья в
этом случае позволяет ежегодно экономить 45 т ме-
талла.
Опыт применения гидроциклонов с камнелитой фу-
теровкой на обогатительных фабриках Соколовско-Сар-
байского и Коржуповского горно-обогатительных ком-
бинатов показал, что срок службы верхних корпусов
возрос до 24 месяцев, а нижних корпусов до 12 месяцев
вместо 6 и 3 месяцев циклонов без футеровки.
296
Таблица 30
Показатели эффективности применения каменного литья
Изделия Срок службы Количество установлен- ного камен- ного литья Экономия металла, т Экономичес- нпй аффект, ТЫС. руб
металли- ческих изделий камнели- тых изде- ЛИЙ
шт. | г J
Грубы диам. 100— 300 мм, длиной 1 м 6—8 48 мес. 5093 272,8 1252 62.5
Трубы диам. 800 мм, длиной 1 м мес. 2 года 10 лет 3150 787,5 2835 220.5
Желоба R = = 400 мм, дли- ной 1 м . . . . 1,5 4,5 года 1450 181,4 639 36.3
Гидроциклоны диаметром, мм: 350 года 3 мес. 6 мес. 1516 226,5 1168 330.0
500 3 мес. 6 мес. 94 28,7 117 , 25,7
750 , ... . 6 мес. 24 мес. 40 20,0 138 1 35.3
Питающие трубы 3 мес. 24 мес. 436 46,2 320 49.4
Воронки .... 6 мес. 30 мес. 57 6,9 2В О X
Распределитель- ные баки . , . 12 мес. 60 мес. 40 15,2 49 2,6
Насадки песковые 40 ч 120ч 4840 24.2 133 10,6
Колена разные . 3 мес. 15 мес. 1676 50,2 396 36,7
Итого . . 1 - — — 1460.6j 7072 1 1 5 833.4
Свыше 20 лет применяется местное каменное литье
на обогатительной и дробильной фабриках Норильского
металлургического комбината. Эксплуатация камнели-
той футеровки желобов для возврата руды с верхних
классификаторов к мельницам показала, что ее износ
на 1 мм протекает при переработке 51 тыс. г ру5,ы. в то
время как износ 1 мм металлической брони происходит
при транспортировании 11,4 тыс, г руды. Следовательно,
камнелитая футеровка служит в 3 раза дольше, чем
металлическая. Опыт эксплуатации камнелитой футе-
ровки желоба разгрузки мельниц показал, что ее стой-
кость выше металлической в 7.5 раза. Срок службы
297
камнелитых течек от дробилок к грохотам больше, чем
металлической, в 2 раза. В общем итоге на фабриках
комбината применено около 10 тыс. ж2 камнелитой фу-
теровки, что дало годовой экономический эффект
35 тыс. руб.
На обогатительной фабрике Еленовского рудоуправ-
ления Донецкой области плитами из каменного литья
зафутерован шламопровод, который эксплуатируется
без ремонта 5 лет. Без футеровки шламопровод нужда-
ется в ежегодном ремонте. По ориентировочным под-
счетам каждая тонна установленного каменного литья
в горноперерабатывающей промышленности позволяет
ежегодно экономить 300—400 руб. и сберечь 3—4 т ме-
талла. По данным Криворожского института «Механ-
обрчермет» потребность в каменном литье по Криво-
рожскому и Никопольскому бассейнам на ближайшие
годы составляет: 1973 г. 35 тыс. т; 1975 г. 40,5 тыс. т.
Многочисленны примеры применения каменного литья
на предприятиях черной металлургии [105]. Успешно
эксплуатируется футеровка из крупногабаритных шлако-
литых плит на грануляционной установке и бункерах
доменного цеха и сточные хвостопроводы в прокатном
цехе Криворожского металлургического завода. Следует
отметить, что шлаколитые изделия нашли широкое при-
менение на обогатительных фабриках Криворожья,
рудоуправления им. Коминтерна, им. Дзержинского и
др. На этих фабриках желоба и течки для подачи кон-
центрата и транспортирования шламопульпы зафутеро-
ваны каменным литьем. На Енакиевском металлурги-
ческом заводе камнелитая футеровка на коксовых ворон-
ках доменной печи служит до трех лет, в то время как
стальная футеровка служила 10 месяцев. На этом же
заводе надежно эксплуатируется камнелитая футеровка
коксовых бункеров. Хорошо служит камнелитая футе-
ровка коксовых воронок и бункеров на заводе «Азов-
сталь», Краматорском и Донецком металлургических
заводах. Износ этой футеровки в год составляет 2—2,5%
(по толщине), в то время, как использовавшаяся ранее
футеровка из марганцовистой стали толщиной 40 мм из-
нашивалась за 1—1,5 года. На Ново-Липецком метал-
лургическом заводе на одном из участков за счет футе-
ровки каменным литьем оборудования для подачи кокса
сокращен расход металла в два-три раза. На Кузнец-
298
ком металлургическом комбинате каменное литье при-
менено для защиты коксовых бункеров.
Надежно служит каменное литье в промышленности
цветных металлов. На обогатительной фабрике Зыря-
новского металлургического комбината применяется
каменное литье местного производства. Каменным лить-
ем зафутерованы отдельные узлы флотомашин, пульпо-
проводов первой стадии измельчения сырья, классифи-
каторы, гидроциклоны, приемные зумпфы насосов и
пробоотборщиков, классификаторы, контактные чаны,
желоба, течки между флотомашинами, телескопы та-
рельчатых питателей, полы под маслосистемами и др.
Показательна эффективность применения каменного
литья на отдельных объектах: на одной флотомашине
экономия составляет 740 руб., на пульпопроводе 10230
руб. на зумпфах пробоотборщиков и течках к флото-
машинам 792 руб., на 50 тарельчатых питателях 3087
руб. в год.
Каменное литье нашло применение на молибденовой
обогатительной фабрике Балхашского горнометаллурги-
ческого комбината. С 1964 г. на фабрике эксплуатирует-
ся песковый желоб реечного классификатора, зафутеро-
ванный камнелитыми плитами. Эта футеровка служила
без текущего ремонта три года, в то время как металли-
ческая броня служила не более шести месяцев. Желоба
к гидроциклонам, футерованные каменным литьем,
эксплуатируются до двух лет, а применявшаяся ранее
металлическая броня служила до одного месяца.
В сушильно-фильтровальном цехе скрубберы мокрой
очистки защищены камнелитыми плитами и срок их
службы возрос до двух лет, в то время как без футе-
ровки он составлял три месяца. Применение каменного
литья на этом оборудовании позволило фабрике еже-
годно экономить 10 тыс. руб.
Каменное литье внедрено также на медной обогати-
тельной фабрике того же комбината. Более 10 лет
эксплуатируется 12 песковых желобов спиральных клас-
сификаторов с камнелитоп футеровкой. Применявшаяся
ранее защита деревянными досками служила всего лишь
2—3 года. Камнелитая футеровка также применена на
сливных желобах, подинах гпдроциклонов. коробках
песковых насосов пульпоотделителях. течках параболи-
ческих бункеров. Срок службы этих объектов возрос в
299
3—5 раз. Подсчитано, что применение одной тонны
каменного литья в металлургической промышленности
дает годовую экономию до 160 руб.
Показательны примеры использования каменного
литья на горных предприятиях по переработке нерудных
материалов. На обогатительной фабрике Ловозерского
комбината Мурманской области длительное время экс-
плуатируется хвостопровод, зафутерованный шлаколи-
тыми плитами. Ежегодный износ футеровки по толщине
не превышает 1 мм.
На апатитонефелиновой обогатительной фабрике № 2
г. Кировска, Мурманской области без капитального ре-
монта эксплуатируется около пяти лет камнелитая
футеровка на желобах песковых мельниц. Ранее метал-
лическую футеровку на желобах заменяли через восемь
месяцев. Камнелитые узлы на гидроциклонах эксплуа-
тируются без существенного износа три года, в то время
как металлическая футеровка служила не более одного
года. С 1967 г. на фабрике эксплуатируется сборный
камнелитой хвостопровод длиной 60 м, диаметром 1 м.
Износ камнелитой футеровки за три года эксплуатации
не превышает 15%, в то время как металлический
хвостопровод полностью заменяли через шесть месяцев.
Годовая потребность фабрики в каменном литье со-
ставляет 300 т.
Представляет интерес опыт применения каменного
литья за границей. В Югославии длительное время экс-
плуатируют рудные бункера с камнелитой футеровкой
на шахте «Гостии» в Сербии. Применяемую ранее на
бункерах металлическую футеровку полностью заменя-
ли через шесть месяцев службы.
В ЧССР, имеющей развитую камнелитейную про-
мышленность, камнелитые изделия применяют для фу-
теровки оборудования обогатительных предприятий:
трубопроводов для гидро- или пневмотранспортирова-
ния различных абразивных материалов; каналов, днищ
и боковин конвейеров и бункеров; желобов и спусков
для транспортирования шлама и пульпы; шаровых мель-
ниц; грохотов и другого оборудования.
На рудных шахтах «Студена» и «Пловы» с 1952 г.
действует наклонный трубопровод из камнелитых вкла-
дышей, передающий руду из бункеров к валковым мель-
ницам. Капитальный ремонт трубопровода производили
300
лишь через 10 лет эксплуатации. Длительное время
эксплуатируют бункер с камнелитой футеровкой на
карьере в Жел иве. На металлургическом заводе им. Кли-
мента Готвальда лотки и емкости с камнелитой футе-
ровкой транпортируют горячий кокс без ремонта до
одного года. При применении стальной футеровки срок
ее службы составлял 7—10 дней.
На заводе «Ковосмальт-филинава.» каменным литьем
зафутерованы циклоны, при этом срок эксплуатации
возрос в 4—5 раз.
КАМЕННОЕ ЛИТЬЕ
В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В энергетической промышленности каменное жье
в основном применяется на тепловых электростанциях.
Оборудование электростанций имеет специфические ус-
ловия эксплуатации: а) сочетание коррозии и абразив-
ного износа; б) многофазность сред — твердая, жидкая
и газообразная в сочетании с высокой температурой;
в) большие колебания температуры рабочей среды.
Таким образом, в этих условиях велики потери ме-
таллов. Так, например, металлические элементы диффу-
зоров гидроаппаратов гидрозолоудаления полностью
выходят из строя за 6—8 суток эксплуатации. Чугунная
броня мельничных вентиляторов топлнвоподачи толщи-
ной 60 мм изнашивается через 20—25 рабочих дней.
В багерных насосах, откачивающих золошлакозую пуль-
пу, рабочие колеса, бронеднеки, патрубки и другие
металлические детали выходят из строя через 25—30
дней. Такое положение дел вызвало необходимость з
применении каменного литья.
Имеющийся небольшой опыт применения камнели-
тых изделий на тепловых электростанциях дал положи-
тельные результаты. На тепловых электростанциях
Краматорской, Мироновской и Зуевской Донецкой об-
ласти используют каменное литье для футеровки бун-
керов, течек, скрубберов, аппаратов Москалькова и др.
На электростанциях «Мосэнерго* используют камне-
литые трубы Московского камнелитейного завода для
устройства водопроводов. Опыт применения показал,
что несколько километров водопроводов. футерованных
камиелигымп патрубками за год экеплхагапия практи-
301
чески износа не имели. Применяемые ранее металличес-
кие трубопроводы служили 3—4 года, после чего пол-
ностью выходили из строя. Подсчитано, что годовая
экономия от применения 1 км трубопровода с камнели-
тыми трубами для золоудаления составляет 3 тыс. руб.
На Добротворской ГРЭС Львовской области в 1966 г.
камнелитыми плитами был зафутерован скруббер с об-
щей площадью 100 м2. Проверкой футеровки в патрубке
и цилиндре через 2 года и 3 месяца эксплуатации выяс-
нено, что ее износ еле заметен. Успешно эксплуатирует-
ся камнелитая футеровка на коагуляторах гидрозоло-
удаления Березовской ГРЭС, БССР и желобах Шатур-
ской ГЭС.
Более широко внедряется каменное литье на тепло-
вых электростанциях ЧССР. На электростанции г. Ганд-
лово эксплуатируется трубопровод из камнелитых труб
для пневматической подачи угольной пыли от мельниц
к топкам котлов. Этот трубопровод действует без ре-
монта несколько лет, в то время как трубопровод из
металлических труб изнашивается за 8—12 месяцев.
В г. Готвальдов на электростанции Свиш плитами
из каменного литья зафутерован транспортер длиной
56 м, производительностью 40 т/ч. Судя по износу за
первые три года, этот транспортер должен служить
около 25 лет. Такой же транспортер с металлическим
основанием (толщиной 4 мм) служил всего лишь четыре
года. Камнелитая футеровка применяется на электро-
станциях в насосах в г. Гандлово и на вытяжных элева-
торах в г. Ославане.
На ряде электростанций для спуска жидкого шлака
из топок котлов применяют камнелитые диффузоры, ко-
торые служат 56 дней, в то время как чугунные 14 дней.
По данным Второго научно-технического совещания
по исследованиям и внедрению каменного литья в энер-
гетику (июль 1969 г.) в настоящее время доказана тех-
ническая возможность и экономическая целесообразность
применения многих разновидностей камнелитых изделий
на электростанциях: футеровочных плит для систем
гидрозолоудаления, бункеров, скрубберов, дымоходов,
углепылепроводов и др.; труб для золопроводов и пуль-
попроводов; желобов и вкладышей для футеровки трак-
тов гидрозолоудаления; брони для мельничных венти-
ляторов; литого огнеупора; разбрызгивающих устройств
302
градирен; элементов входных решеток скрубберов; высо-
ковольтных изоляторов и минеральной ваты.
По расчетам института «Киевгипростройиндустрия»
потребность в каменном литье только лишь для энерге-
тики Украины по состоянию на 1970 г. составляет 50 тыс.
т в год.
Каменное литье в промышленности строительных
материалов. По трубопроводам и желобам с камнелитой
футеровкой можно транспортировать такие абразивные
материалы, как песок, глину, известь, клинкер, цемент
и др. До сего времени при транспортировании указанных
материалов расходуется большое количество черных
металлов. По данным Всесоюзного научно-исследова-
тельского института цементного машиностроения <г. То-
льятти), за 1964 г. в цементной промышленности на вос-
становление и замену изношенных частей и узлов
израсходовано около 270 тыс. т металла. Удельный рас-
ход металла равен 3,2 кг на тонну цемента. Тем же ин-
ститутом сделан анализ примеров эффективного при-
менения каменного литья в цементном производстве на
Жигулевском комбинате и других предприятиях строи-
тельных материалов.
1. Колена цементопровода для воздушного транспор-
тирования цемента из помольного отделения в силосы.
Для этих целей обычно использовали стальные трубы
диаметром 125, 150, 175, 200 и 250 мм, толщиной стенки
8—12 мм, которые служили от 8 месяцев до 1.5 лет.
Применение камнелитых колен показало, что их еже-
годный износ не превышал 1,2—1,4 лиц тем самым срок
предполагаемой их службы составляет от 10 до 15 лет.
2. Разводки цементопровода металлические служат
1 —1,2 года, а камнелитые за четыре года эксплуатации
имеют еле заметный износ; ожидаемый срок их службы
12 лет.
3. Тройники из серого чугуна служат 1.2—1,5 года,
а с камнелитой футеровкой за четырехлетний срок экс-
плуатации имеют ежегодный износ 1,5 мм\ предполага-
емый срок службы 12—15 лет.
4. Прямые секции шламопровода металлические, слу-
жат 1,5—2 года, а с камнелитой футеровкой могут слу-
жить 20 лет.
5. Циклоны металлические имеют максимальный
срок службы в конусной части 6—8 месяцев, в нилиндри-
303
ческой 3—4 года. Четырехлетний срок эксплуатации
циклонов с камнелитой футеровкой показал, что ежегод-
ный износ футеровки не превышает 0,5 мм.
6. Бороны металлические для приготовления([шлама 1
из глины служили 4—6 месяцев, из каменного литья
эксплуатируются без ремонта 1,5—2 года. ,
7. В шламовом насосе применена втулка и футеровка
из каменного литья, при этом срок службы возрос в 3—
4 раза, металлический насос служит от 15 дней до 1 ме-
сяца.
На Криворожском цементном заводе каменным лить-
ем зафутерованы тарельчатые питатели. В целом при-
менение каменного литья в цементной промышленности '
увеличивает срок эксплуатации узлов и деталей обору-
дования в 6—15 раз. $
В строительстве и коммунальном хозяйстве имеются >
большие возможности для применения светлокаменного !
литья.
Плитами из светлокаменного литья облицовывают
общественные здания и путепроводы. Так, здание и
скульптуры Московского государственного университета '
на Ленинских горах частично облицованы светлокамен-
ными плитами с общей площадью в 10 тыс. м2. Светлока-
менное литье использовано в облицовке стен и колонн !
Института нефти им. Губкина и один из путепроводов к i
стадиону им. В. И. Ленина в г. Москве.
Возможна замена светлокаменным литьем гранита и
мрамора при изготовлении цоколей, карнизов, порталов, I
лестничных ступеней и фасонных архитектурных дета- *
лей зданий. |
В настоящее время в Москве, Ленинграде и некого- .<•
рых других городах светлокаменными плитками выложе-
ны уличные переходы. В Ленинграде этими плитами
частично выложены полы станций метро. Представляет
интерес применение каменного литья для защиты бере-
говых укреплений от размыва морской водой. Сущест-
вующие волноотбойные бетонные стены недолговечны.
Для защиты бетона от морской воды хорошо зарекомен-
довала себя облицовка из каменного литья участка по-
бережья между гг. Батуми и Кабулети. Каменное литье I
для этих целей получено из медных шлаков на экспери- и
ментальной установке Ереванского горнометаллурги- ,
ческого института.
304 l
Имеется опыт получения из светлокаменного литья
архитектурных и художественных изделий. Методом
точного литья изготовляют скульптуры, фонтаны и раз-
личные архитектурные изделия. Производство таких
изделий экономически целесообразнее, чем использова-
ние в этих целях гранита и мрамора. Несмотря на малый
опыт, применение каменного литья достаточно эффек-
тивно и в других отраслях промышленности.
В электротехнической промышленности применяют
камнелитые изоляторы, щеткодержатели, штанги для
масляных выключателей; камнелитую футеровку акку-
муляторных сосудов, электролизных ванн, сосудов для
кислот.
Из светлокаменного литья изготавливают матрицы
для штамповки электробатарей.
В машиностроительной промышленности каменным
лигьем футеруют травильные ванны, хранилища для
агрессивных сред, выкладывают полы производственных
помещений. Возможно применение камнелитых фунда-
ментов и станин для машин и станков, маховых колес
и других деталей. Из некоторых видов каменного литья,
обладающих высокой твердостью, возможно изготовле-
ние резцов.
На заводах эмалевой и лакокрасочной промышлен-
ности нашли применение из светлокаменного литья ша-
ры и кирпичи для футеровки шаровых мельниц. Воз-
можна также отливка валов и лопастей для краско-
терок.
В пищевой промышленности каменное литье уже на-
шло применение. Светлокаменным литьем облицованы
полы пивоваренных заводов, кондитерских фабрик и
мясокомбината в г. Москве. В г. Донецке в разливочном
цехе пивоваренного завода тоже выложены полы из
камнелитых плит серого цвета.
Возможно применение каменного литья на сахарных
заводах для футеровки свекломоек, подающих желобов,
разделочных площадок.
В бумажно-целлюлозной промышленности камнели-
тые изделия пригодны для футеровки варочных котлов,
трубопроводов для агрессивных сточных вод и др.
На транспорте из каменного литья можно изготавли-
вать устои мостов и облицовки для них. сегменты для
20—1058 305
туннелей, бордюрные камни для дорог, арки для мости-
ков и др.
В сельском хозяйстве плитами из каменного литья
можно облицовывать силосные башни и ямы, сточные
желоба, кормушки для скота, полы для свинарников,
лотки для транспортировки кормов. Камнелитые трубы
приемлемы для ирригации и обеспечения нужд живот-
новодческих ферм.
Как видно из приведенных многочисленных приме-
ров, сфера применения каменного литья весьма широка
и потребность в нем непрерывно растет. Одновременно
с этим приведенные примеры свидетельствуют о том,
что каменное литье является прогрессивным конструкци-
онным материалом, хорошо зарекомендовавшим себя в
различных отраслях народного хозяйства.
Долговременная и эффективная эксплуатация про-
мышленного оборудования, защищенного камнелитой
футеровкой, зависит не только от технических свойств
каменного литья, но и от условий его использования и
техники монтажа футеровки.
При использовании камнелитой футеровки для защи-
ты от абразивного износа ее прочность зависит от угла
подачи материала. Практически выяснено, что угол по-
дачи абразивного материала к зафутерованной поверх-
ности не должен превышать 15°, в противном случае
износ футеровки существенно возрастает. За счет удар-
ных нагрузок футеровка в этом случае скалывается и
выкрашивается.
Немаловажную роль также играет скорость движения
абразивного материала. Чем выше эта скорость, тем зна-
чительнее износ футеровки.
Прочность камнелитой футеровки зависит также от
наличия температурных перепадов, характера гранича-
щих сред и других факторов.
В этом плане, несмотря на высокие физико-химичес-
кие свойства каменного литья, известны отдельные слу-
чаи разрушения камнелитой футеровки в процессе ее
эксплуатации.
На Красноуральском медеплавильном заводе был
случай досрочного выхода из строя камнелитой футеров-
ки за счет контакта с плавиковой кислотой.
В результате значительных термических ударов за-
фиксировано разрушение камнелитой футеровки вароч-
306
пых котлов Приозерского и Краснокамскою и скруббера
Котласского целлюлозно-бумажных комбинатов.
Из-за повышенного содержания в базальтовой за-
мазке окислов железа разрушилась футеровка на иодо-
бромном заводе.
Хотя приведенные примеры выхода из строя камне-
литой футеровки единичны, однако они указывают на
необходимость знания не только сильных, но и слабых
сторон каменного литья.
Как уже сказано выше, прочность камнелитой футе-
ровки зависит от качества ее монтажа.
Перед началом футеровочных работ осуществляют
ряд подготовительных мероприятий. Первым из этих
мероприятий является правильный выбор размера и
формы литых изделий для футеровки рабочей поверх-
ности оборудования. При выборе следует учитывать
физические свойства транспортируемого материала, его
гранулометрический состав, высоту падения. С увеличе-
нием удельного веса и размера кусков транспортируе-
мого материала и высоты его падения износ футеровки
растет. При таких условиях целесообразно применять
камнелитые плиты с небольшими площадями рабочей
поверхности, но более утолщенные.
Состояние футеровки зависит также от жесткости
футеруемой конструкции. Основное требование, предъ-
являемое к конструкции, — это недопущение вибрации.
За счет вибрации в цементной подушке появля-
ются трещины, способствующие проникновению воды
и агрессивных сред и снижению прочности футе-
ровки.
Эксплуатационные сроки службы камнелитой футе-
ровки, кроме того, зависят от степени контакта футеров-
ки с футеруемой поверхностью. При монтаже следует
придерживаться принципа, чтобы изделия всей плос-
костью опирались на монтируемую поверхность. В этом
случае футеровка работает в основном на сжатие без
изгибающих усилий.
Монтаж камнелитых изделий ведут на цементной
подушке толщиной от 10 до 20 мм в зависимости от со-
стояния футеруемой поверхности и размера применяемых
изделий.
При монтаже футеровки на конструкциях, предназна-
ченных для транспортирования абразивных материалов,
20*
307
в основном применяют цементный раствор марки не
ниже 400.
В ЧССР монтаж футеровки ведут на растворе порт-
ландцемент марки 350 и мелкого речного песка в соот-
ношении I : 1. Там же практикуется применение раствора
из цемента и песка в соотношении 1:2 с химическими
добавками.
В ФРГ камнелитую футеровку монтируют на замазке
из цемента, речного песка, извести и жидкого стекла.
Монтаж футеровки конструкций, предназначенных для
защиты от агрессивных сред, производят на кислото-
упорных замазках.
Кислотоупорные замазки изготавливают из химичес-
ки нейтрального силикатного наполнителя, жидкого
стекла и кремнефтористого натрия. В качестве наполни-
теля применяют кварцевый песок, андезит, плавленый
базальт, топливные золы. Более качественным наполни-
телем является порошок из плавленого базальта, имею-
щего кислотостойкость более 99%. Для монтажа камне-
литых изделий кислотоупорную замазку приготовляют
из смеси: порошка 100 весовых частей, кремнефтористого
натрия 5 весовых частей и жидкого стекла с модулем
2,8—3—375 г на 1 кг суммарного состава порошка и
кремнефтористого натрия.
В случае применения кислотоупорной замазки в ка-
честве самостоятельного шпаклевочного материала ее
приготавливают из 100 весовых частей порошка, 6 весо-
вых частей кремнефтористого натрия и 475 г жидкого
стекла с модулем 2,6—2,8.
Кремнефтористый натрий до известного предела
ускоряет процесс схватывания замазки и повышает водо-
устойчивость. С другой стороны, с повышением содержа-
ния кремнефтористого натрия механическая прочность
замазки снижается.
Базальтовая замазка в сравнении с андезитовой име-
ет свойства, изложенные в табл. 31.
Для усиления сцепляемости каменного литья с за-
мазкой применяется пескоструйная или механическая
обработка поверхности камнелитых изделий. Кроме того,
при производстве камнелитых изделий их поверхность
делают ребристой или рифленой.
Процесс приготовления замазки слагается из до-
зировки и смешения сухих компонентов, просева полу-
308
Таблица 31
Некоторые свойства кислотоупорной замазки
Свойства Замазка базальтовая Замазка андезитовая
Объемная масса, г!см3 2,04 1,90
Плотность, г!см3 . 2,34 2,37
Общая пористость, % 14,5 20.0
Керосинопоглощение, % 7,5 8.5
Предел прочности, кГ/см2-.
при сжатии 280—330 250—300
при растяжении 30—35 20—30
Работа адгезии (на отрыв), кГ[см2
по отношению:
к каменному литью 25—35 2.5—35
к керамике 25—30 25—30
к шлакоситаллу 30—40 20—35
к металлу 25—30 25—30
к полиизобутилену 15—20 1 о—20
ценной смеси и дальнейшего добавления жидкого стекла
с непрерывным перемешиванием. Учитывая быструю
схватываемость замазки, ее приготовляют не более чем
на 0,5 ч футеровочных работ. В процессе монтажа сле-
дует добиваться, чтобы швы были ровные и имели ши-
рину не более 5—8 мм. Для надежной защиты конструк-
ций от воздействия агрессивных сред камнелитые плиты
футеруют в несколько рядов в сочетании с другими ме-
нее дефицитными антикоррозионными материалами.
При уплотнении замазки в ходе монтажа нередко при-
меняют электровибрирование. В ряде случаев для усиле-
ния прочности футеровки ее монтаж производят с при-
менением металлических уголков, закрепляемых к стен-
кам конструкций.
В нашей стране при облицовке бункеров камнелиты-
ми плитами без отверстий, предварительно замуровыва-
ют металлическую решетку. Далее на решетку наносят
слой цементного раствора и укладывают плиты, скреп-
ляя через каждые 3—4 ряда горизонтальными металли-
ческими угольниками размером в сечении 30x30 мм.
В ЧССР при облицовке бункеров металлическую сет-
ку приваривают таким образом, что образуется зазор
между ней и стенкой бункера в 5 мм. Сетку между
309'
угольниками закрепляют привариваемыми к стенке бун-
кера металлическими квадратиками размером 30Х30Х
Х5 мм. При футеровке железобетонных бункеров
угольники не применяют.
Монтаж трубопроводов из камнелитых вкладышей
ведут чаще всего в металлических кожухах с фланцами.
Зазор между вкладышами и кожухом размером до 10мм
заполняют цементным раствором или кислотоупорной
замазкой в зависимости от назначения трубопровода.
В стыки между вкладышами закладывают резину или
свинец. Бесфланцевые трубы и колена в металлических
кожухах стыкуют электросваркой или специальными
бандажами. Работами по монтажу камнелитых изделий
в основном занимаются специализированные тресты
«Монтажхимзащита» — Московский, Украинский и др.
Обобщая приведенные выше данные по применению
камнелитых изделий в различных отраслях народного
хозяйства, можно сделать вывод о высокой эффектив-
ности каменного литья, которое: экономит средства и
металлы; повышает надежность эксплуатации оборудо-
вания и увеличивает сроки его службы; сокращает вре-
мя межремонтных простоев, следовательно, снижает
себестоимость перерабатываемого сырья; обеспечивает
ритмичность технологического процесса; повышает про-
изводительность и снижает себестоимость продукции;
ускоряет технический прогресс; повышает культуру про-
изводства.
Камнелитейное производство имеет большие пер-
спективы.
Новым пятилетним планом на 1971 —1975 гг. намеча-
ется обширное расширение горнодобывающей и горно-
перерабатывающей промышленности, металлургии, хи-
мии, нефтегазовой промышленности, энергетики и стро-
ительства. Все эти производства связаны с потреблением
большого количества металлов, расход которого увели-
чивается также вследствие коррозии и истирания. От-
сюда и проблема расширения камнелитейного произ-
водства, продукция которого весьма эффективно заменя-
ет металлы.
По недостаточно полным расчетам Научно-исследо-
вательского института камня и силикатов АССР потреб-
ность нашей страны в каменном литье составляет
500 тыс. т в год. Ожидаемый выпуск камнелитых изделий
310
составляет в 1975 г.—168 тыс. г и в 1980 г. 244 тыс. т,
т. е. в два раза ниже проектной потребности.
Производимое в настоящее время каменное литье
ежегодно сохраняет 150 тыс. т металлов и дает экономию
около 5 млн. руб. Камнелитейное производство в целом
рентабельно и срок окупаемости капиталовложений от
1 до 2 лет. Расчетами установлено, что при организации
камнелитейного предприятия мощностью 50 тыс. т в год,
экономия по себестоимости продукции составит около
675 тыс. руб. Учитывая дополнительную экономию в ре-
зультате замены металла каменным литьем и удлинения
срока службы футеруемого оборудования, общая эконо-
мия выражается в сумме свыше 2 млн. руб. Стоимость
камнелитейного предприятия указанной мощности около
4 млн. руб.
Наша страна располагает достаточными сырьевыми
и энергетическими ресурсами для успешного развития
камнелитейного производства. Известно свыше 100 ме-
сторождений горных пород, пригодных в качестве сырья
для получения каменного литья. Из указанных место-
рождений полностью изучены: Янова Долина и Бересто-
вецкое в Ровенской области; балка Антон-Тарама и
Камышеваха в Донецкой области, Роп-Ручейское и Кон-
допожское в Карельской АССР; Усть-Норильское в Ир-
кутской области, Ханганское в Хабаровском крае; Сата-
клинское в Грузинской ССР; Нор-Баязетское и Халадж-
ское в АССР; Сулюк-Терское в Киргизской ССР и др.
Перспективен для камнелитейного производства шлак
черной и цветной металлургии. Наличие природного
газа невдалеке от большинства промышленных цент-
ров страны позволяет размещать новые камнелитейные
предприятия ближе к месторождениям сырья.
В перспективе намечается строительство камнелитей-
ных предприятий мощностью 50 тыс. т в год в Восточно-
Казахстанской и Кемеровской областях; мощностью в
25 тыс. т в год в Армянской и Грузинской ССР. в Хаба-
ровском крае, Ровенской, Свердловской и Пермской
областях. На указанных предприятиях, в отличие от
действующих, выпускающих в основном плиточные изде-
лия и мало — фасонного литья, ведущее место будет
занимать производство труб и арматуры к ним.
В народном хозяйстве наиболее эффективно приме-
нение камнелитых труб для транспортирования абразив-
311
ных материалов типа золы, песка, угля, руд и концент-
ратов, а также различных агрессивных сред. Практика
показала, что применение в металлических трубопрово-
дах камнелитых вкладышей повышает срок их службы
в 10—20 раз и годовая экономия от каждого километра
камнелитых труб составляет от 3 до 6 тыс. руб.
Работники петрургического производства вместе с
исследователями принимают действенные меры по усо-
вершенствованию технологического процесса получения
камнелитых изделий и механизации и автоматизации
основных производственных операций с тем, чтобы
повысить качество изделий, расширить их ассортимент,
снизить себестоимость и тем самым повысить эффектив-
ность их применения в многочисленных отраслях народ-
ного хозяйства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Л и по век ий И. Е., Дорофеев Б. А. Развитие камнелитей-
ного производства. Донецк. Изд-во «Донбасс», 1965.
2. Золотов И. Н. Московскому камнелитейному заводу Т5 лет.
ЦНИИ Промстройматериалов. Серия «Стекольная промышлен-
ность», 1968, вып. I.
3. Шапошников А. П. Из практики камнелитейного пдоезвод-
ства. Труды IV совещания по экспериментальной минералогии и
петрографии. Изд-во АН СССР, 1953, вып. 2.
4. Дорофеев В. А., ЛиповскийИ. Е. Донецкий камнелитей-
ный завод. Донецк, Облиздат, 1964.
5. Дорофеев В. А., Липовский И. Е. Эффективные мате-
риалы из минерального сырья. Донецк, Изд-во «Донбасс». 1969.
6. Дорофеев В. А., Безбородный В. С.. Липов-
ский И. Е. Безопасность труда при производстве каменного
литья. Изд-во «Химия», 1969.
7. Дорофеев В. А., Липовский И. Е. и др. Теория и прак-
тика камнелитейного производства. Аннотированный библиогра-
фический указатель. Изд-во ВНИИЭСМ Министерства пром-
стройматериалов СССР, 1970.
8. Г и н з б е р г А. С. О современном состоянии петрургкческсй
проблемы в СССР. Труды III совещания по экспериментальной
минералогии и петрографии. Изд-во АН СССР. 1940.
9. Г и н з б е р г А. С., С е м е н о в Ф. Г. Изучение физике -техниче-
ских свойств литого камня. Минеральное сырье. 1936. Xi л.
10. Г и н з б е р г А. С. и др. Кристаллизация литых изделий без от-
жига. Труды II совещания по экспериментальной минералогии
и петрографии. Изд-во АН СССР. 1936.
И. Борухин Я. О. К практике камнелитейного дола. Труты III со-
вещания по экспериментальной минералогии и петрография. Изд-
во АН СССР, 1940.
313
12. Во л аров и ч М. П. Исследование вязкости расплавленных гор-
ных пород. ДАН СССР, 1934, № 9.
13. Боларов и ч М. П., Л е о н т ь е в а А. А, Исследование упру-
гих свойств расплавов. ДАН СССР, 1936, № 15.
14. В о л а р о в и ч М. П., Толстой Д. М. Исследование вязкости
расплавленных диабазов для целей петрургии. Минеральное
сырье, 1935, № 10.
15. Леонтьева А. А. К вопросу о температурной зависимости си-
ликатных расплавов. ЖФХ, 1945, т. 20, № 10. ;
16. Леонтьева А. А. Определение плотности расплавленных гор-
ных пород и шлаков. Минеральное сырье, 1936, № 5. I
17. Сб. «Проблемы каменного литья». Изд-во АН УССР, 1968, вып. 2.
18. Сб. «Каменое литье». Ин-т технической информации, Киев, 1964.
19. Нашельский А. М., Л и по веки й И. Е. Определение ли-
тейных свойств каменного расплава. Литейное производство,
1966, № 8.
20. Кор а блин В. П., Хан Б. X. Взаимосвязь вязкости и жидко-
текучести силикатных расплавов. Литейное производство, 1966,
№ 6. I
21. Т о б о л ь с к и й Г. Ф. Некоторые литейные свойства шлаковых !
расплавов. Сб. «Вопросы шлакопереработки». Челябинск, Гос-
стройиздат, 1960.
22. Чернявский И. Я. Об усадке шлаковых расплавов. Литейное >
производство, 1963, № 3.
23. Ч е р н я в с К и й И. Я. Определение величины и расположения |
усадочных раковин в шлаковых отливках. Литейное произвол- i
ство, 1964, № 5.
24. Липовский И. Е. Исследование некоторых механических и *
теплофизических свойств каменного литья в 'зависимости от
строения и температуры. Изд-во АН УССР, 1966. ?
25. Леонтьева А. А. Плавленые базальты, их свойства и приме- f
нение. Труды ИГИ АН СССР, петрографическая серия, 1950,
№ 39. ‘
26. Ковалев Ю. Г., Чечулин В. А. В сб. «Новое в теории и ,
практике литейного производства». Литье из горнблендита. Пермь. ‘
Изд-во ЦБТИ, 1964.
27. Брагин Б. А. Исследование шлаков медеплавильных произ-
водств Казахстана с целью переработки их в литые и другие из-
делия. Алма-Ата. Изд-во ин-та металлургии и обогащения, 1968.
28. Л а дохи н С. В. и др. Причины химической неоднородности I
расплавов для каменного литья. Стекло и керамика, 1965, № 3. F
29. Арутюнян Ф. Г. и др. Исследование условий кристаллизации j
плавленых базальтов, Минеральное сырье, 1935, № 11. ]
314
30. Цветков А. И. Некоторые данные по кристаллизации плав-
леного диабаза. Труды II совещания по экспериментальной ми-
нералогии и петрографии. Изд-во АН СССР, 1936.
31. Леонтьева А. А. Вычисление линейной скорости кристалли-
зации твердых фаз в силикатных расплавах. Труды V совещания
по экспериментальной и технической минералогии и петрогра-
фии. Изд-во АН СССР, 1958.
32. О р м о н т Н. Н„ Батанова А. М. Петрографическое иссле-
дование зависимости структуры каменного литья от условий
кристаллизации. Вестник Московского университета, 1958, № 3.
33. Сб. «Проблемы каменного литья». Изд-во АН УССР, 1963, вып. I.
34. Раш и и Г. А. Роль алюминия в минералообразовании при кри-
сталлизации основных силикатных расплавов. Изв. АН СССР,
серия геологическая, 1959, № 12.
35. Рашин Г. А., Черемухин Е. П. Регулируемая кристалли-
зация расплавленных горных пород. Стекло и керамика, 1965г
№ 7.
36. Быков И. И., Хан Б. X. Влияние теплообмена в форме на ка-
чество отливок из силикатного расплава. Литейное производство.
1966, № 3.
37. Быков И. И., X а н Б. X. Теплофизические процессы формиро-
вания литых силикатных кристаллических материалов. Изв. АН
СССР, Неорганические материалы, 1966, т. II, № 2.
38. Сб. «Промышленное использование петрургического сырья Ук-
раины», Киев. Изд-во АН УССР, 1959.
39. Котлова А. Г. Некоторые данные по кристаллизации базаль-
товых пироксеновых расплавов и стекол. Труды ин-та геологии
рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии.
Изд-во АН СССР, 1958, вып. 30.
40. Лапин В. В. К вопросу о кристаллизации шлаков, их фазово-
го состава и структурах. Сб. «Вопросы шлакопереработки». Че-
лябинск, Госстройиздат, 1960.
41. Сб. «Технологические особенности получения каменного литья»
Ин-т технической информации, Киев, 1965.
.42. Дорофеев В. А., Л и п о в с к и й И. Е. Структурно-минера-
логические особенности изделий из силикатных расплавов. Сб.
«Эксперимент в технической минералогии и петрографии». Изд-во
«Наука», 1966, т. I,
43. Роти и ян ц Л, A., Alan вел я и М. Г. Исследование процес-
са кристаллизации базальтов, плавленных с добавкой хромита.
Минеральное сырье, 1938. ЛЬ 1.
315
44. Ульянов В. Л. и др. Влияние ультразвука на кристаллизацию
базальтовых расплавов. Инф. НИИПТМАШ, Краматорск, 1963,
№ 22 (82).
45. Бор ухи н Я. О. К практике камнелитейного дела. Труды III со-
вещания по экспериментальной минералогии и петрографии. Изд-
во АН СССР, 1940.
•46. Жилин А. И. Шлаковое литье и вопросы его технологии. Тру-
ды IV совещания по экспериментальной минералогии и петро-
графии. Изд-во АН СССР, 1963, вып. № 2,
47. Ч е р н ы ш е в В. В. и др. Светлый литой камень. Инф. бюллетень,
ИТЭИН АН СССР, 1954, № 12.
48. М е л и к - А г а м е р я н А. Р. и др. Исследование базальтов
г. Камо как камнелитейного сырья. Труды НИГМИ, Ереван, 1964,
вып. 4.
49. М е л и к - А г а м е р я н А. Р. Халаджские базальты как камне-
литейное сырье. Труды НИГМИ, Ереван, 1964, вып. 6.
50. Косинская А. В. и др. Технология производства каменного
литья из андезито-базальтов Закарпатья. Сб. «Новое в литейном
производстве». Киев. Изд-во «Техника», 1964.
51. Хан Б. X. и др. Каменное литье из маложелезистых расплавов.
Стекло и керамика, 1967, № 8.
52. М а н а к и в А. М. и др. Пути развития камнелитейного произ-
водства. Труды НИИПТМаш, Краматорск, 1962, № 3.
53. Ульянов В. А. Исследование сырья и камнелитых изделий на
основе волновахских базальтов. Труды НИИПТМаш, Крама-
торск, 1961, вып. 2.
54. Кручинин Ю. Д. Получение кислотоупорного й износостойко-
го литья на основе доменных шлаков. Стекло и керамика, 1966,
№ 6.
55. Кручинин Ю. Д., Вагин В. В. Каменное литье на основе
горнблендита. Промышленно-экономический бюллетень, Сверд-
ловский СНХ, 1959, № 4.
56. Д о р о ф е е в В. А., Липовский И. Е. Использование золы
электростанций для каменного литья. Энергетик, 1962, № 8.
57. Дорофеев В. А., Липовский И. Е. Каменное литье для
промышленности. Металлург, 1960, № 3.
58. Дорофеев В. А., Липовский И. Е. Получение каменного
литья из амфиболитов. Киев. Изд-во «Машиностроение», 1963,
№ 1.
59. Липовский И. Е., Дорофеев В. А. Волновахские базаль-
ты—сырье для каменного литья. Стекло и керамика, 1963, № 1
60. Л и п о в с к и й И. Е., Дорофеев В. А. Камнелитейное произ-
водство. Изд-во «Металлургия», 1965.
316
61. Давыдов Г. М., Овчаренко Ф. Д. Минеральные рееурсы
Украины — на службу народному хозяйству, Коммунист, 1956,
№ 4.
62. Р о с с и н с к и й Е. Е., Брянцев Б. А. Физико-химические
свойства шлаковых расплавов комбината «Североникель». В сб.
«Металлургические шлаки Мончи и Печенги». Изд-во «Наука»,
1965.
63. Г и н з б е р г А. С. К вопросу об оценке сырья для камнелитей-
ной промышленности. Труды Петрографического ин-та АН СССР,
1934, 8, вып. 6.
64. О р м о и т Б. Ф. О применении несимметричной диаграммы со-
стояния для оценки пригодности базальтов и диабазов для ка-
менного литья, Вестник МГУ, 1951, № 11.
65. К о р е н ь Л. И., О ж и г о в Е. П. Андезито-базальты Приморско-
го края как сырье для получения литых и пористых материалов.
Изв. Сибирского отд. АН СССР, 1960, № 7.
66. Коровниченко Г. М. Базальты бассейна р. Волновахи как
петрургическая сырьевая база Донбасса. Минеральное сырье,
1935, № 12.
67. С и б и л е в А. И., Липовский И. Е. Производство и приме-
менение изделий из каменного литья. Изд-во «Донбасс», Донепк.
1960.
68. Вонгровский Ф. И., Григорян Р. М. Об использовании
дальневосточных базальтов для каменного литья. Труды научно-
исследовательского горнометаллургического ин-та, Ереван, 1961,
№ 2.
69. Л а д о х и н С. В. и др. Получение крупногабаритных отливок.
Литейное производство, 1967, № 5.
70. Титл ян о в А. А., Литвин В. А. Кристаллизация расплавов
горных пород на амфиболитовой основе. Труды Криворожского
горного ин-та, Кривой Рог, 1962, № 9.
71. Липовский И. Е., Дорофеев В. А. Каменное и шлаковое
литье для обогатительных фабрик. Изд-во «Недра». 1969.
72. Брагин Б. А. Исследование шлаков медеплавильных произ-
водств Казахстана с целью переработки их в литые и другие из-
делия, Алма-Ата. Ин-т металлургии и обогащения. 1968.
73. Баженов П. И. Зола горючих сланцев — Сырье для каменного
литья. Промышленность строительных материалов. 1940.
№ 10—11.
74. Пилипенко Л. II. и др. Новый заменитель металлов. Труды
Харьковского горного ин-та, 1964, Хг 13.
75. Хаи Б. X., Быков П. II. Производство и применение каменно-
го литья, Киев. Пи-т технической информации. 1968
317
76. Шапошников А. П. и др. Каменное литье — прочный, хими-
чески стойкий, износоустойчивый, эффективный материал. Прос-
пект ВДНХ, Москва, 1964.
77. Вагин В. В., Пирогов Б. И. Каменное литье из амфиболи-
тов, Горный журнал, 1960, № 4.
78. Хан Б. X., Быков И. И. Затвердевание каменных отливок в
песчаных формах. Литейное производство, 1964, № 2.
79. Хан Б. X., Быков И. И. Получение каменного литья в тепло-
изоляционных формах. Киев. Изд-во «Машиностроение», 1963,
№ 5.
80. Ковалев Ю. Г., Чечулин В. А. Гидравлический расчет лит-
никовых систем каменных отливок. Литейное производство, 1967.
№ 4.
81. Пеликан А. Плавленые камни. Перевод с чешского. Изд-во
«Металлургия», 1959.
82. Д о р о ф е е в В. А. Производство каменного литья в ЧССР, Киев.
Гостехиздат, 1961.
83. Дорофеев В. А. Производство камнелитых труб статическим
методом. Литейное производство, 1965, № 3.
84. Шапошников А. П., Золотов И. Н. Трубы из каменного
литья. Стекло и керамика, 1965, № 3.
85. Т о б о л ь с к ий Г. Ф. Крупные литые блоки из огненно-жидких
шлаков с наполнителями. Промышленное строительство, 1958,
№ 12.
86. Тобольский Г. Ф. Поточный способ производства крупнораз-
мерных литых шлаковых блоков с наполнителем. В сб. «Шлаки
в строительстве», Харьков. Госстройиздат, 1962.
87. Чернявский И. Я., Миллер С. Н. Центробежное литье из
шлаковых расплавов. Литейное производство, 1966, № 2.
88. Дорофеев В. А., Липовский И. Е. Литые изделия из син-
тетической слюды, Киев. Строительные материалы и конструк-
ции, 1970, № 1.
89. Гуменюк Е. Л. и др. Кислотоупорные каменно-керамические
изделия из базальта. Строительные материалы и конструкции,
Киев, 1968.
90. А б р а м я н А. В. и др. Получение каменно-керамических изде-
лий из отвальных шлаков цветной металлургии, Ереван. Техиз-
дат АССР, 1960.
91. Дорофеев В. А., Липовский И. Е. Спектральный анализ
каменного литья. Заводская лаборатория, 1964, № 2.
92. Абрамян А. В. Исследование процесса выщелачивания стекло-
видных базальтов. Стекло и керамика, 1963, № 7.
318
93. Дорофеев В. А., Липовский И. Е. Абразивная и химиче-
ская стойкость каменного литья. В сб. «Новые защитные мате-
риалы», Коммунарск. Металлургический ин-т, 1966.
94. Сулейменов С. Т. и др. Тефрито-базальты Чимкентской об-
ласти сырье для камнелитейного производства. В сб. «Произво-
дительные силы Южного Казахстана», Алма-Ата. Изд-во «Нау-
ка», 1966, т. 1.
95. Липовский И. Е. Прочность каменного литья в зависимости
от фазового состава. Стекло и керамика, 1969, № 4.
96. Липовский И. Е. Свойство изделий из каменного литья. Ли-
тейное производство, 1961, № 12.
97. Липовский И. Е., Нашельский А. М. Исследование ме-
ханической прочности каменного литья при высокой температу-
ре. Стекло и керамика, 1965, № 3.
98. Белой в ан А. Ф. и др. Исследование эффекта масштаба и тем-
пературной зависимости прочности базальтового каменного
литья. Киев. Проблемы прочности, 1969, № 5.
99. Липовский И. Е. и др. О диапазоне пластичности каменного
литья. Стекло и керамика, 1961, № 5.
100. Л и п о в с к и й И. Е. и др. К методике измерения некоторых теп-
лофизических свойств каменного литья. Заводская лаборатория,
. 1966, № 4.
101. Нашельский А. М. Электропроводность каменного литья
при высоких температурах. Литейное производство, 1965, № 2.
102. Нашельский А. М., Чечулин В. А. Особенности электро-
проводности силикатных расплавов для пироксенового литья.
[ Тезисы докладов на конференции литейщиков, Свердловск.
Уральский политехнический ин-т, 1965.
. 103. Дорофеев В. А., Липовский И. Е. Каталог-справочник
продукции Донецкого комбината камнелитых и керамических
изделий. Донецк. Изд-во «Донбасс», 1969.
104. Вагин В. В., Пирогов В. Н. Каменное литье. Пзд-во
«Машгиз», 1962.
105. Дорофеев В. А., Липовский II. Е. Каменное литье для
промышленности. Металлург, 1960, № 3.
106. Кузнецов В. Ф. Кристаллы и кристаллизация. Гостехиздат,
1954.
107. Саусвелл Р. В. Введение в термоупругости. ИЛ, 1948.
108. Бережной А. И. Ситаллы и фотоснтал.ты. Машиностроение.
1966.
Стр.
5
ЛИПОВСКИЙ Илья Евсеевич
11
ДОРОФЕЕВ Владимир Александрович
69
ОСНОВЫ ПЕТРУРГИИ 87
96
Редактор издательства В. И. Голякова
Технический редактор Л. Г. Челышева
Переплет художника С. А. Киреева
Сдано в производство 3/VIII 1971 г. Подписано
в печать 28/XII 1971 г. Бумага типографская № 2,
84х108‘/зг —5,0 бум. л. 16,80 печ. л. (усл.)
Уч.-изд. л. 16,95. Зак. 1058. Изд. № 5362. Т-30908.
Тираж 1150 экз. Цена 1 р. 01 к.
108
136
140
173
Зак. 1058
Издательство <Металлургия»,
Москва, Г-34, 2-й Обыденский пер., 14
Владимирская типография Главполиграфпрома
Комитета по печати
при Совете Министров СССР.
Гор. Владимир, ул. Победы, д. 18-6.
Замеченные опечатки
Строка Напечатано ДОЛЖНО бЪПа
4 СИ. Камнелитные Камнелитые
8 св. 25 1,6
2—3 св. мелкокристалличес- кую полнокристалличес- кую
17 св. 9% 95%
14 сн. ниже не ниже
8 св. 600 65
10 св. 80а 800а
И сн. транспортерами кокилями
20 сн. wr z-r
g g