Вібролиті корундошпінельні і корундопериклазові тиглі для плавки жароміцних сплавів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.17.11 - технологія тугоплавких неметалічних матеріалів

Вібролиті корундошпінельні і корундопериклазові тиглі для плавки жароміцних сплавів

Чаплянко Світлана Володимирівна

Харків - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у ВАТ “Український науково-дослідний інститут вогнетривів імені А.С. Бережного” Міністерства промислової політики України, м. Харків

Науковий керівник: доктор технічних наук Примаченко Володимир Васильович, ВАТ “Український науково-дослідний інститут вогнетривів імені А.С. Бережного”, голова правління - директор.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Ілюха Микола Григорович, Українська інженерно-педагогічна академія, завідувач кафедри хімії і машин та апаратів хімічних виробництв;

кандидат технічних наук, доцент Литовченко Сергій Володимирович, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, доцент кафедри матеріалів реакторобудування.

Провідна установа: Український державний хіміко-технологічний університет, кафедра хімічної технології кераміки та скла, Міністерство освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

В.о. вченого секретаря спеціалізованої вченої ради Семченко Г.Д.

Анотація

Чаплянко С.В. Вібролиті корундошпінельні і корундопериклазові тиглі для плавки жароміцних сплавів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.11 - технологія тугоплавких неметалічних матеріалів. - Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2005. Дисертацію присвячено питанню розробки технології вібролитих випалених корундошпінельних і корундопериклазових тиглів, призначених для плавки жароміцних сплавів в індукційних печах в умовах швидкого нагріву та охолодження, а також ерозійного впливу сплавів, що виплавляють. Встановлено вплив високих температур і часу витримки на розпад твердих розчинів Al₂O₃ в плавлених алюмомагнезіальних шпінельних матеріалах з вмістом MgO / Al₂O₃ від 25,50 / 72,80 до 9,98 / 89,18 %. Встановлено оптимальну кількість і склад добавки плавленого шпінельного матеріалу, що дозволяє отримувати корундошпінельні тиглі з високими показниками властивостей. Встановлено кількість і співвідношення ефективної розріджуючої добавки для інтенсифікації вібролиття, закономірності утворення і відновлення структур та коагуляційно-кристалізаційний характер структуроутворення в зернистих корундошпінельних масах при використанні диспергуючих глиноземів марки ADS, ADW фірми „Алматіс”. Встановлено оптимальну кількість і зерновий склад плавленого периклазу, що забезпечує отримання корундопериклазовових тиглів із заданим фазовим складом і високими показниками властивостей. Розроблено технологію і впроваджено виробництво та використання вібролитих випалених корундошпінельних і корундопериклазових тиглів.

Ключові слова: корунд, плавлений шпінельний матеріал, периклаз, вібролиття, фазоутворення, структуроутворення, корундошпінельні тиглі, корундопериклазові тиглі.

Аннотация

Чаплянко С.В. Вибролитые корундошпинельные и корундопериклазовые тигли для плавки жаропрочных сплавов. Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.11 - технология тугоплавких неметаллических материалов. - Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2005.

Диссертация посвящена вопросу разработки технологии вибролитых корундошпинельных и корундопериклазовых тиглей, предназначенных для плавки жаропрочных сплавов в индукционных печах в условиях быстрого нагрева и охлаждения, а также эрозионного воздействия выплавляемых сплавов.

Проведены исследования, направленные на изучение распада твердых растворов в алюмомагнезиальных шпинельных материалах с содержанием MgO / Al₂O₃ от 25,50 / 72,80 до 9,98 / 89,18 % при воздействии температур от 900 до 1750С и времени выдержки от 2 до 6 часов. Установлено, что максимальное выделение тонкокристаллического корунда соответствует шпинельному материалу с наибольшим содержанием Al₂O₃ при температурах отжига более 1500С: количество выделившегося корунда в интервале температур 900 -1500С и 1500-1700С составляет, соответственно до 5 и 5 - 10 об.%.

Исследовано влияние количества и зернового состава плавленого шпинельного материала на свойства корундошпинельных образцов и установлено, что рациональным, с точки зрения получения термо- и эрозионностойких изделий, является введение шпинельного материала фракции 2-0,5 мм в количестве 10 мас.% и менее 0,5 мм в количестве 20 мас.%.

Исследованы закономерности текучести при вибрации вибролитых зернистых корундошпинельных масс. Установлено количество и рациональные соотношения эффективной разжижающей добавки -- диспергирующих глиноземов марки ADS-1, ADS-3 и ADW-1 для различных температурных интервалов, а также исследованы процессы образования и восстановления структур при коагуляционно-кристаллизационном структурообразовании.

Исследовано влияние химического состава плавленого алюмомагнезиального шпинельного материала на показатели свойств корундошпинельных образцов и тиглей. Установлено, что увеличение содержания Al₂O₃ в шпинельном материале приводит к понижению открытой пористости с 18,7 до 16,7 %, увеличению предела прочности при сжатии с 98,1 до 167,9 МПа и термостойкости (при режиме 950С-вода) -- от 5 до более 20 теплосмен.

Исследованы процессы фазо- и структурообразования в корундопериклазовых образцах при различном количестве и размере зерен плавленого периклаза. Установлено оптимальное количество периклаза в шихте (6 мас.%), которое обеспечивает синтез шпинели в количестве 20-23 %, причем сама шпинель представлена твердым раствором с избыточным содержанием Al₂O₃. Снижение содержания в шихте тонкозернистого корунда позволяет компенсировать термическое расширение периклаза и объемные изменения синтезируемой алюмомагнезиальной шпинели при обжиге, что позволило увеличить термостойкость корундопериклазовых образцов в 2,4 раза.

На основании проведенных исследований разработана и внедрена на опытном производстве ОАО “УкрНИИО имени А.С. Бережного” технология изготовления вибролитых корундошпинельных и корундопериклазовых тиглей.

Изготовленные опытные партии тиглей указанных составов прошли успешные испытания при индукционной плавке жаропрочных сплавов широкого ассортимента на никелевой и кобальтовой основах и используются на трех предприятиях Украины.

Ключевые слова: корунд, плавленый шпинельный материал, периклаз, вибролитье, фазообразование, структурообразование, корундошпинельные тигли, корундопериклазовые тигли.

Annotation

Chaplianko S.V. Vibrocasteded corundumspinel and corundumpericlase crucibles for melting of heatproof alloys. - Manuscript.

The thesis for a candidates degree of technical science on the specialty 05.17.11 - technology of hard-melting non-metallic materials. - National Technical University „Kharkov Polytechnic Institute”, Kharkov, 2005.

The thesis is dedicated to the development of manufacture technology of vibrocasted fired corundumspinel and corundumpericlase crucibles, which are meant for melting of heatproof alloys in induction furnace at fast heating and cooling conduction and melted alloys erosive influence. Influence of high temperatures and holding period of hard solutions Al₂O₃ disintegration in melted aluminamagnesia spinel materials with the content MgO / Al₂O₃ from 25,50 / 72,80 to 9,98 / 89,18 % is determined. The optimal amount and composition of addition of melted spinel material is determined, that allows to get corundumspinel crucibles with high indexes of properties. It was determined the quantity and correlation of effective dilution addition for vibrocast intensification, formation and regeneration regularity of the structures and the coagulative - crystal character of structurization in grainy corundumspinel masses while using the dispersive alumina marks such as ADS, ADW of the “Almatis” company. The optimal amount and grain composition of melted periclase is determined, that provides obtaining of corundumpericlase crucibles with indicated phase composition and high indexes of properties. The technology is developed, the production and usage of fired vibrocasted corundumspinel and corundumpericlase crucibles is introduced.

Keywords: corundum, melted spinel material, periclase, vibrocasted, phase-creation, structure-creation, corundumspinel crucibles, corundumpericlase crucibles.

1. Загальна характеристика роботи

вібролитий жароміцний шпінельний

Актуальність теми. Плавку жароміцних сплавів здійснюють переважно у вакуумних печах як малої (до 15 кг), так і середньої (до 70 кг) місткості. Висока температура плавління і тривалість витримки розплаву, а також вимоги до його хімічної чистоти обумовили підвищені вимоги до матеріалу використовуваної футерівки. Вибір вогнетривких матеріалів для футерівки індукційних тигельних печей проводять виходячи з того, щоб було зведено до мінімуму їхній вплив на властивості сплавів, що виплавляють.

До 80 років сторіччя футерівку вакуумних індукційних печей для плавки жароміцних сплавів виконували з набивних корундових або периклазових мас. Набивні футерівки були причиною високого вмісту неметалічних включень у сплавах, що виплавляють. З 80-х років вказаного сторіччя почали застосовувати випалені тиглі, використання яких забезпечило різке зниження вмісту неметалічних включень у сплавах, в порівнянні з набивними футерівками. В даний час у країнах СНД використовують випалені мулітокорундові, корундові і периклазові тиглі. Кожний з цих видів тиглів має свої переваги і недоліки. Мулітокорундові тиглі є термостійкими, однак вони не здатні адсорбувати оксидні полони сплаву та їх неможливо застосовувати для розплавів, що мають температуру вище 1650С, через розпад муліту. Корундові і периклазові тиглі мають більш високу ерозійну стійкість, однак вони недостатньо термостійкі через свій монофазний склад.

Одним з перспективних напрямків подальшого підвищення якості цих виробів, що одночасно мали б високу термо- і ерозійну стійкість, а також здатність адсорбувати оксидні полони сплаву, є створення корундошпінельних і корундопериклазових тиглів.

В Україні й інших країнах СНД технологія виробництва зазначених тиглів відсутня. Тому проблема розробки науково обґрунтованої технології та організації вітчизняного виробництва корундошпінельних і корундопериклазових тиглів є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до тематичного плану науково-дослідних робіт ВАТ “УкрНДІВ імені А.С. Бережного”, спрямованих на розробку технології та впровадження у виробництво корундошпінельних і корундопериклазових тиглів (номери державної реєстрації 0103U004351, 0104U006298, шифри робіт 2.10-4-К-24-2000-ТП, 2.10-3-М-736-2000-ВП, 2.10-4-К-59-2001-ТП, 2.10-3-М-7.2-2002-ВП, 2.10-3-К-7.2-2003-ВП, 2.10-3-М-7.2-2004-ВП). Результати роботи відображені в 6 звітах з науково-дослідних робіт, співавтором яких є здобувач.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка технології вібролитих випалених корундошпінельних і корундопериклазових тиглів і організація їх виробництва для застосування при індукційній плавці жароміцних сплавів.

Для досягнення поставленої мети здобувачем використано обширні наукові матеріали з фізичної хімії високовогнетривких оксидів, з технології і служби вогнетривів і кераміки, а також інші чисельні дані, викладені у літературі.

В роботі необхідно вирішити наступні задачі:

-- провести дослідження процесів розпаду твердих розчинів Al₂O₃ в плавленому алюмомагнезіальному шпінельному матеріалі при дії температур понад 900С і вивчити їх вплив на структуру і властивості матеріалу і виробів на його основі;

-- вивчити вплив кількості, зернового і хімічного складів плавленого шпінельного матеріалу і периклазу на властивості корундошпінельних і корундопериклазових зразків;

-- дослідити закономірності текучості при вібрації та процеси утворення і відновлення коагуляційних структур у зернистих корундошпінельних масах під впливом найефективнішої розріджуючої добавки;

-- дослідити вплив температури випалу на властивості корундошпінельних і корундопериклазових зразків;

-- розробити технологічні параметри виготовлення корундошпінельних і корундопериклазових тиглів для плавки жароміцних сплавів.

Об'єкт досліджень - вібролиті випалені корундошпінельні і корундопериклазові тиглі для індукційної плавки жароміцних сплавів.

Предмет досліджень - технологічні процеси виготовлення вібролитих випалених корундошпінельних і корундопериклазових тиглів.

Методи досліджень. Хімічний склад матеріалів визначали методами хімічного аналізу відповідно до існуючих ДСТУ і ГОСТів. Визначення рН суспензій здійснювали хімічним методом на рН-метрі 673. Фазовий склад і структуру матеріалів визначали за допомогою петрографічного, рентгенографічного, мікрорентгеноспектрального і електронно-мікроскопічного методів фізико-хімічного аналізу. Визначення відкритої пористості, уявної та істинної щільності, межі міцності при стиску, залишкової зміни розмірів, температури начала розм'якшення під навантаженням, термостійкості здійснювали стандартними методами відповідно до діючих ДСТУ, ГОСТів і ISO. Визначення окалино- і шлакостійкості проводили тигельним методом. Визначення межі міцності при стиску при температурі 1400С проводили згідно з розробленою співробітниками ВАТ “УкрНДІВ імені А.С. Бережного” методикою вимірювань МІ 14-430-65-89. Визначення текучості при вібрації зернистих мас - розтікання конуса маси проводили згідно з методикою prEN 1402-4: 2002. Визначення міцності структури зернистих мас проводили згідно з методом визначення пластичної міцності. Визначення вмісту вільного MgO проводили методом хімічного аналізу згідно з розробленою співробітниками ВАТ “УкрНДІВ імені А.С. Бережного” методикою МВІ № 831-90.

Наукова новизна одержаних результатів виконаної роботи полягає в тому, що здобувачем вперше:

-- виконано дослідження і встановлено вплив високих температур і часу витримки на розпад твердих розчинів Al₂O₃ в плавлених алюмомагнезіальних шпінельних матеріалах з вмістом Al₂O₃ від 72,80 до 89,18 %;

-- ґрунтуючись на дослідженні процесів фазо- і структуроутворення в шпінельному матеріалі при високих температурах, встановлено і науково обґрунтовано оптимальний хімічний склад шпінельного матеріалу, що забезпечує отримання корундошпінельних виробів з високими показниками властивостей;

-- встановлено закономірності текучості при вібрації зернистих корундошпінельних мас і на основі цих закономірностей встановлено кількість і співвідношення ефективної розріджуючої добавки - диспергуючих глиноземів марки ADS-1, ADS-3 і ADW-1, що забезпечують зниження вологості маси, підвищення міцності сирцю і випалених виробів;

-- встановлено коагуляційно-кристалізаційний характер структуроутворення в суміші глинозему марки ГК-2 (-форми) і диспергуючих глиноземів марки ADS-1 і ADW-1, що зачинена водою;

-- встановлено закономірності утворення і відновлення коагуляційних структур в зернистих корундошпінельних масах, що містять оптимальну кількість розріджуючої добавки, і на основі цих закономірностей встановлено час зберігання мас без втрати текучості;

-- ґрунтуючись на дослідженні процесів фазо- і структуроутворення, встановлено і науково обґрунтовано оптимальну кількість і зерновий склад плавленого периклазу, що забезпечує отримання корундопериклазових виробів із заданим фазовим складом і високими показниками властивостей.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі одержаних наукових результатів досліджень розроблена технологія виробництва вібролитих випалених корундошпінельних і корундопериклазових тиглів для індукційної плавки жароміцних сплавів, які забезпечують в умовах служби разом з високою термо- і ерозійною стійкістю адсорбцію оксидних полон сплаву, що значно збільшує вихід придатної металічної продукції високої вартості.

Розроблено та затверджено технологічні інструкції на виробництво вібролитих випалених корундошпінельних і корундопериклазових тиглів для індукційної плавки жароміцних сплавів, а також технічні умови для даного виду продукції. Розроблена технологія виробництва корундошпінельних і корундопериклазових тиглів впроваджена в Україні у ВАТ “УкрНДІВ імені А.С. Бережного”, де здійснюється випуск вказаних виробів. Застосування корундошпінельних тиглів для плавки жароміцних сплавів переважно на нікелевій основі впроваджено на ДП НВКГ “Зоря” - “Машпроект”, м. Миколаїв. Застосування корундопериклазових тиглів для плавки жароміцних сплавів переважно на нікелевій основі впроваджено на ВАТ “Мотор Січ”, м. Запоріжжя, на кобальтовій основі - на ДП ЗМКБ “Прогрес”, м. Запоріжжя.

Сумарний економічний ефект від впровадження в умовах ВАТ “УкрНДІВ імені А.С. Бережного” виробництва вібролитих випалених корундошпінельних і корундопериклазових тиглів, розрахований як збільшення маси прибутку за рахунок виробництва нового виду продукції, в період 2000-2004 рр. склав 36247,0 грн. за 760 і 105 одиниць продукції відповідно.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем виконано детальний огляд науково-технічної літератури за темою дисертаційної роботи, а також аналіз одержаних даних, що дозволило здійснити вибір напрямків досліджень. В основу дисертаційної роботи покладено результати досліджень, котрі одержано при безпосередній участі здобувача у науково-дослідних роботах, спрямованих на розробку технології вібролитих випалених корундошпінельних і корундопериклазових тиглів. Здобувачем проведено обробку результатів, аналіз, випуск дослідних партій тиглів, що проводилися у ВАТ “УкрНДІВ імені А.С. Бережного” в період 2000-2004 рр., і реалізація результатів роботи в промисловості. Окремі дослідження виконано здобувачем спільно з фахівцями ВАТ “УкрНДІВ імені А.С. Бережного” та інших організацій, що відображено у роботі.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались здобувачем та обговорювались на Міжнародній науково-технічній конференції “Технологія та застосування вогнетривів і технічної кераміки в промисловості” (Харків, 2001, 2002, 2003, 2004 рр.), X Міжнародній науково-технічній конференції “Теорія і практика процесів подрібнення, розділення, змішування та ущільнення матеріалів” (Одеса, 2004 р.), Других наукових читаннях імені академіка НАН України А.С. Бережного “Фізико-хімічні проблеми в технології тугоплавких неметалічних і силікатних матеріалів” (Харків, 2004 р.), основні результати роботи в повному обсязі доповідались на засіданні вченої ради ВАТ “УкрНДІВ імені А.С. Бережного ” (прот. № 3 від 22.03.2005 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи відображено у 10 роботах: 4 статті у фахових виданнях ВАК України, 5 тез доповідей, 1 патент України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з списку умовних скорочень, вступу, 5 розділів, висновків, 12 додатків. Повний обсяг дисертації складає 176 сторінок; 14 рисунків по тексту; 11 рисунків на 11 сторінках; 34 таблиці по тексту; 5 таблиць на 5 сторінках; 12 додатків на 27 сторінках; 237 використаних літературних джерел на 23 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, а також шляхи їх реалізації, викладено наукову новизну і практичне значення роботи, а також приведено результати застосування в промисловості, надано загальну характеристику роботи.

У першому розділі проведено аналіз науково-технічної літератури з питань роботи індукційних печей і вимог до їх футерівки, розглянуто способи її виготовлення і матеріали, які при цьому використовують. Порівнянний аналіз літературних даних показав, що при індукційній плавці жароміцних сплавів найперспективнішим є застосування швидкозмінних випалених тиглів, які не тільки інтенсифікують і стабілізують процес плавки, але і забезпечують значне зниження браку відливок за неметалічними включеннями в порівнянні з набивною футерівкою. Вказано вимоги, що пред'являють до тиглів індукційних печей: високі термо- і ерозійна стійкість, здатність адсорбувати оксидні полони сплаву, висока міцність на холоду і при температурі та ін. Аналіз властивостей різних вогнетривких матеріалів показав, що найбільшу цінність для вказаних цілей представляють матеріали системи MgO-Al₂O₃ (корунд, алюмомагнезіальна шпінель і периклаз). Для отримання виробів з необхідними властивостями доцільним є застосування способу вібролиття, оскільки він не вимагає використання дорогого устаткування і ним можна виготовляти вироби особливоскладної конфігурації.

Аналіз літературних даних показав доцільність розробки вітчизняної технології виготовлення корундошпінельних і корундопериклазових тиглів для плавки жароміцних сплавів, що обумовило необхідність проведення досліджень по впливу різних чинників на процеси фазо- і структуроутворення, а також розробку технологічних параметрів виготовлення випалених тиглів вказаних складів.

У другому розділі наведено властивості матеріалів, які використано під час проведення роботи, технологію отримання електроплавлених корунду і алюмомагнезіального шпінельного матеріалу різного складу (вміст Al₂O₃ від 72,80 до 89,18 %), а також підготовку матеріалів для проведення досліджень. Викладено способи виготовлення зразків і методи досліджень, зокрема метод дослідження розпаду твердих розчинів Al₂O₃ у шпінельному матеріалі, тигельний метод визначення окалино- і шлакостійкості, межі міцності при стиску при температурі 1400С, текучості при вібрації зернистих мас, механізму утворення і відновлення структур у віброрухомих масах, вмісту вільного MgO в зразках.

У третьому розділі викладено результати досліджень з розробки технології виготовлення корундошпінельних тиглів із застосуванням завчасно синтезованого плавленого алюмомагнезіального шпінельного матеріалу різного складу.

З метою отримання тиглів, що характеризуються високими службовими характеристиками, вперше проведено вивчення розпаду твердих розчинів Al₂O₃ в плавленому шпінельному матеріалі з вмістом MgO / Al₂O₃ 25,50 / 72,80; 23,80/75,10; 20,40/78,10; 14,77/84,39; 9,98 / 89,18 % (склади № 1 - 5) і встановлено, що величина розпаду залежить більшою мірою від температури, ніж від часу термообробки. Максимальне виділення тонкокристалічного корунду має місце у шпінельному матеріалі з найбільшим вмістом Al₂O₃ (склади № 4 і 5) при температурах термообробки понад 1500С (табл. 1).

Таблиця 1. Залежність кількості корунду, що виділився, від температури термообробки плавленого шпінельного матеріалу

В результаті розпаду твердого розчину відбувається зсув його складу до рівноважного стану, тобто повна стехіометрія не досягається: згідно з даними мікрорентгеноспектрального аналізу після термообробки при температурі 1580С з витримкою 6 годин концентрація Mg у твердому розчині матеріалу складу № 4 зросла на 5-7 %, порівняно з вихідною. Дані зміни забезпечують отримання виробів з високою ерозійною стійкістю, а корунд, що виділився по краях спайності кристалів матеріалу і сконцентрувався поблизу пор і тріщин - ущільненню структури. При збільшенні часу витримки термообробки матеріалу з 2 до 6 годин кількість корунду зросла лише на 0,5-1 об.%. Повторна термообробка матеріалу, при тій самій температурі - 1580С з витримкою 6 годин, яка відповідає температурі випалу тиглів і наближена до температур їх служби, практично не приводить до подальшого розпаду твердого розчину - кількість корунду, що додатково виділився, не перевищує 1 об.%, а отже даний шпінельний матеріал в службі практично не зазнаватиме змін.

Проведено дослідження з визначення кількості та зернового складу шпінельного матеріалу у корундошпінельній шихті. З позиції отримання термо- і ерозійностійких тиглів, ґрунтуючись на даних тигельного методу визначення окалино- і шлакостійкості при температурі іспиту 1580С з витримкою 6 годин, встановлено кількість і співвідношення фракцій шпінельного матеріалу.

Оптимізація зернового складу шихти дозволила при співвідношенні фракцій шпінельного матеріалу 2-0,5 мм и меншої від 0,5 мм як 1:2 (при загальній кількості -- 30 мас.%) отримати корундошпінельні зразки з найліпшими показниками властивостей: відкрита пористість 20,9 %, межа міцності при стиску 84 МПа, термостійкість (950С-вода) більш 20 теплозмін.

Проведено дослідження з виготовлення тиглів способом вібролиття: встановлено найефективнішу розріджуючу добавку -- диспергуючі глиноземи марки ADS-1, ADS-3 і ADW-1, що в різних підібраних співвідношеннях забезпечують при температурах повітря від 8 до 27С отримання корундошпінельної маси з низькою вологістю 4,9-5,5 % і необхідною текучістю при вібрації -- розтікання 80-120 %, а також зниження відкритої пористості до 15,2-18,9 % і підвищення межі міцності при стиску сирцю і випалених зразків відповідно до 4,2 і 177,9 МПа, порівняно з гідрофобізуючою рідиною марки А -- ГКР-11Н, при якій вологість мас складала 6,5-6,7 %, розтікання 160-180 %, а відкрита пористість і межа міцності при стиску сирцю і випалених зразків - відповідно 18,1-21,9 % і 0,9 та 84 МПа. Встановлено коагуляційно-кристалізаційний характер структуроутворення віброрухомих корундошпінельних мас при використанні добавок ADS-1, ADW-1: при зачиненні маси водою відбувається диспергування частинок за рахунок електростатичних і стерічних сил відштовхування і утворення дисперсної системи з виділенням твердої фази, яка має високий ступінь полімеризації. Виниклі в перші хвилини зачинення гнучкі структури ланцюжків, що складаються з найдрібніших сферичних частинок, акумулюють воду і є одночасно основою дисперсійного середовища і структурними елементами гідратної фази, що утворюється у системі і впливає на подальше її зміцнення. Між зернами, що не стикаються щільно один з одним, виникають гелеобразні містки, які з часом стають щільнішими і утворюють мікроблокову структуру з кристалів гідроксиду алюмінія. Збільшення концентрації твердої фази внаслідок хімічного і фізичного скріплення води, а також непропорційного приросту об'єму твердої фази і специфіки утворення шару гідратів на поверхні частинок, приводить до зростання геометричних розмірів частинок дисперсної фази в часі і зміни тонини водних прошарків між ними, що створює в системі обмежений стан. Головне в наростанні міцності - підвищення ролі валентних сил в контактних областях, тобто часткова трансформація когезіонних і адгезіоних контактів у валентні (хімічні). По зміні пластичної міцності маси встановлено ступінчастий механізм утворення і відновлення структури, подібний до дисперсних систем, та визначено технологічні параметри виготовлення тиглів методом вібролиття: час, протягом якого маса зберігає вібраційну рухливість, що забезпечує якісне вібролиття - до 4 годин (без її вакуумування), і час, протягом якого відформований сирець набуває міцність, що достатня для виймання його з форми.

Вперше досліджено вплив хімічного складу плавленого шпінельного матеріалу на властивості корундошпінельних зразків і тиглів. Підвищення у шпінельному матеріалі вмісту Al₂O₃ від 72,80 до 89,18 % приводить при випалі до збільшення виділення з нього тонкокристалічного корунду, як зазначалося вище, його взаємодії з компонентами шихти та зменшенню пористості і збільшенню міцності корундошпінельних зразків. Вища термостійкість зразків пояснюється структурними змінами, що супроводжують розпад твердих розчинів.

Проведено дослідження впливу температури випалу від 1450 до 1750С на властивості корундошпінельних зразків, які дозволили за комплексом властивостей визначити оптимальну температуру -- 1580С.

З використанням отриманих наукових результатів розроблена технологія корундошпінельних тиглів та випущена дослідна партія. Випробування корундошпінельних тиглів в службі показали, що, незалежно від складу використаного шпінельного матеріалу, на всіх тиглях спостерігалася адсорбція оксидних полон сплаву. Максимальну стійкість 180-189 плавок мали тиглі, виготовлені з використанням плавленого шпінельного матеріалу складів № 4 і 5, при середній стійкості 81-82 плавки. Корундошпінельні тиглі повністю задовольняють технологічному процесу індукційної плавки широкого асортименту жароміцних сплавів на нікелевій основі в умовах виробництва ДП НВКГ “Зоря” - “Машпроект” та забезпечують стійкість в 1,5-2 рази вищу за мулітокорундові тиглі.

У четвертому розділі викладено результати досліджень з розробки технології виготовлення корундопериклазових тиглів, в яких внаслідок твердофазової реакції у випалу утворюється алюмомагнезіальна шпінель.

Плавлений периклаз вводили до складу шихти в кількості від 3 до 14,2 % середне- і тонкозернистих фракцій. Ліпші показники властивостей зразків одержані при введенні периклазу в кількості 3 і 6 мас.%. Підвищення відкритої пористості зразків, при збільшенні добавки периклазу, обумовлене розширенням щільнішої початкової суміші корунду і периклазу, що переходить в менш щільну шпінель, а зниження межі міцності при стиску -- розпушуванням структури і утворенням дифузійної пористості внаслідок об'ємних змін при шпінелеутворенні. Утворення кільцевих пор - тріщин навколо зерен периклазу пояснюється різницею коефіцієнтів лінійного розширення: при випалі розмір зерен периклазу збільшується при одночасному спіканні і усадці глинозему зв'язки з їх подальшою взаємодією і утворенням алюмомагнезіальної шпінелі. Збільшення вмісту в шихті периклазу від 3 до 14,2 мас.% приводить до збільшення кількості синтезованої шпінелі від 10 до 40 об.%, причому шпінель наведена трьома складами з параметром кристалічної гратки (а) від 0,8023 до 0,8072 нм і коефіцієнтом заломлення від 1,726 до 1,730, що свідчить про утворення ряду твердих розчинів Al₂O₃ у шпінелі. Оптимальною за комплексом властивостей і фазовим складом (20-23 мас.% шпінелі) є шихта, що містить 6 мас.% периклазу, на основі якої виконано дослідження за визначенням впливу розміру фракції периклазу на властивості корундопериклазових зразків.

Добавка периклазу фракції меншої від 1 мм забезпечує отримання зразків з найнижчою відкритою пористістю 23,5 %, високою міцністю 60,1 МПа і термостійкістю 12 теплозмін. Зниження розміру фракції периклазу приводить до збільшення кількості як синтезованої шпінелі від 19 до 30 мас.%, так і складів твердих розчинів. Дослідження з шпінелеутворення показали, що зерна периклазу розміром меншим за 0,15 мм повністю вступають в реакцію утворення шпінелі, а зерна розміром 1-0,2 мм - лише по поверхні, однак вони забезпечують отримання термостійкої структури за рахунок утворення пор - тріщин, величина яких безпосередньо залежить від розміру зерна периклазу.

З метою збільшення термостійкості тиглів застосували засіб Гріффітса: зменшували вміст корунду фракції меншої від 0,5 мм за рахунок фракції 3-0,5 мм. Вища термостійкість зразків, що містять корунд фракції меншої від 0,5 мм в кількості 10 мас.%, при рівній відкритій пористості, пояснюється тим, що в процесі спікання, при термічному розширенні периклазу, шпінель, що синтезується, ущільнює менш щільну структуру вогнетрива з меншими об'ємними змінами. В результаті утворюється зерниста структура з вищим ступенем свободи в переміщенні зерен один відносно одного при термічних ударах, що істотно знижує величину виникаючих внутрішніх термічних напруг.

Дослідження впливу температури випалу від 1450 до 1750С на властивості корундопериклазових зразків показали, що при її збільшенні зростає відкрита пористість при одночасному зменшенні межі міцності при стиску і термостійкості зразків. Дані зміни властивостей пояснюються зростанням об'ємних змін при шпінелеутворенні. Дослідження дозволили визначити оптимальну температуру випалу -- 1580С.

З використанням отриманих наукових результатів розроблена технологія корундопериклазових тиглів та випущена дослідна партія. Випробування корундопериклазових тиглів в службі показали, що при плавці жароміцних сплавів на нікелевій і кобальтовій основі спостерігалася адсорбція оксидних полон сплаву поверхнею тигля, що дозволило збільшити вихід придатних відливок на 10 абс.% (за неметалічними включеннями), порівняно з відливками, одержаними в мулітокорундових тиглях. Середня стійкість тиглів склала 15-17 плавок, що на 10 % вище за стійкість мулітокорундових тиглів. Металева скориночка, що утворилася в процесі адсорбції оксидної полони, легко відділялася з тигля при механічному натиску.

В цілому випробування корундопериклазових тиглів показали перспективність їх застосування зі стійкості і адсорбційної здатності, а показники властивостей тиглів повністю задовольняють технологічному процесу індукційної плавки жароміцних сплавів на нікелевій основі в умовах виробництва ВАТ “Мотор Січ” і на кобальтовій основі в умовах виробництва ДП ЗМКБ “Прогрес”.

У п'ятому розділі викладено впровадження в Україні технології виготовлення вібролитих корундошпінельних і корундопериклазових тиглів на дослідному виробництві ВАТ “УкрНДІВ імені А.С. Бережного” за наслідками досліджень, приведених в розділах 2-4. Застосування корундошпінельних тиглів для плавки жароміцних сплавів переважно на нікелевій основі впроваджено на ДП НВКГ “Зоря” - “Машпроект”, м. Миколаїв; корундопериклазових тиглів для плавки жароміцних сплавів переважно на нікелевій основі впроваджено на ВАТ “Мотор Січ”, м. Запоріжжя, на кобальтовій основі - на ДП ЗМКБ “Прогрес”, м. Запоріжжя.

У додатках приведено: титули технологічних інструкцій і технічних умов на випуск дослідних партій корундошпінельних і корундопериклазових тиглів, копію патенту України, розрахунок економічного ефекту, акти виготовлення, акти випробувань і акти використання дослідних тиглів.

Висновки

На підставі аналізу літературних даних і результатів виконаних досліджень вирішено науково-практичну задачу отримання вібролитих швидкозмінних випалених корундошпінельних і корундопериклазових тиглів, що використовують для індукційної плавки жароміцних сплавів.

1. Встановлено залежність розпаду твердих розчинів Al₂O₃ в плавлених алюмомагнезіальних шпінельних матеріалах з вмістом Al₂O₃ від 72,80 до 89,18 % і показано, що величина розпаду більшою мірою залежить від температури, ніж від часу термообробки. З підвищенням вмісту Al₂O₃ в твердому розчині збільшується виділення тонкокристалічного корунду, що призводить до зміни складу шпінельного матеріалу.

2. Дослідженнями за визначенням впливу кількості і зернового складу плавленого шпінельного матеріалу на властивості корундошпінельних зразків встановлено, що шлакостійкість максимальна при добавці шпінельного матеріалу в кількості 30 мас.%. Раціональним, з погляду отримання термо- і ерозійностійких виробів, є введення шпінельного матеріалу фракції 2 - 0,5мм в кількості 10 мас. % і меншої від 0,5 мм в кількості 20 мас. %.

Дослідженнями процесів фазо- і структуроутворення в шпінельному матеріалі при дії високих температур встановлено його оптимальний хімічний склад: збільшення вмісту Al₂O₃ в шпінельному матеріалі приводить до зниження відкритої пористості з 18,7 до 16,7 %, збільшення межі міцності при стиску з 98,1 до 167,9 МПа і термостійкості при 950С-вода від 5 до більш 20 теплозмін корундошпінельних зразків.

Дослідженнями процесів фазо- і структуроутворення в корундопериклазових зразках встановлено, що введення периклазу фракції меншої від 1 мм в кількості 6 мас.%, при співвідношенні фракцій 1 - 0,2 мм і меншої від 0,2 мм як 50/50, забезпечує прямий синтез шпінелі в кількості 20 - 23 %, а сама шпінель представлена твердими розчинами з надлишком Al₂O₃. Зниження вмісту в шихті тонкозернистого корунду дозволило компенсувати термічне розширення периклазу і об'ємні зміни синтезованої алюмомагнезіальної шпінелі при випалі, що дозволило збільшити термостійкість зразків в 2,4 рази.

3. Вивчено закономірності текучості при вібрації зернистих корундошпінельних мас при застосуванні ефективної розріджуючої добавки -- диспергуючих глиноземів марки ADS-1, ADS-3 і ADW-1 і встановлено їх кількість і раціональне співвідношення для різних температурних інтервалів, що забезпечує отримання маси з вологістю 4,9-5,5 %, розтікання конуса маси 80-120 % і часом вібраційної рухливості не менш 4 годин. Застосування диспергуючих глиноземів, замість гідрофобізуючої рідини ГКР-11Н, дозволило понизити відкриту пористість з 18,6-21,9 % до 15,2-18,9 % і збільшити межу міцності при стиску до 177,9 МПа випалених корундошпінельних зразків.

Досліджено процеси утворення і відновлення структур, в результаті яких встановлено, що в корундошпінельних масах відбувається ступінчасте утворення колоїдної структури. Знайдений механізм співпадає з таким для дисперсних систем, а сам процес структуроутворення відноситься до коагуляційно-кристалізаційного. На підставі досліджень визначено час ефективної вібраційної рухливості мас і час, протягом якого сирець набуває міцність достатню для виймання його з форми.

4. Встановлено оптимальну температуру випалу -- 1580С, яка дозволяє отримати корундошпінельні і корундопериклазові зразки з високими показниками властивостей, відповідно: відкрита пористість 17,7 і 23,2 %, межа міцності при стиску 158,7 і 63,0 МПа, термостійкість при 950С-вода -- більш 20 теплозмін.

5. Виготовлено дослідні партії тиглів корундошпінельного і корундопериклазового складів та випробувано на промислових підприємствах при плавці жароміцних сплавів:

- випробування корундошпінельних тиглів при плавці сплавів на нікелевій основі показало максимальну стійкість 180-189 плавок при добрій адсорбції оксидних полон сплаву внутрішньою поверхнею тигля;

- випробування корундопериклазових тиглів при плавці жароміцних сплавів відповідального призначення на нікелевій і кобальтовій основах показало середню стійкість 15-17 плавок при збільшенні виходу якісних відливок на 10 абс.% за рахунок зниження попадання в них неметалічних включень, що визначається високою здатністю корундопериклазових тиглів адсорбувати оксидні полони сплаву.

6. Розроблено технологічні параметри виробництва корундошпінельних і корундопериклазових тиглів, а також затверджено технологічну інструкцію та технічні умови на їх виробництво. Технологія виробництва тиглів впроваджена на дослідному виробництві ВАТ “УкрНДІВ імені А.С. Бережного”.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Исследования по разработке корундопериклазовых тиглей на основе плавленых материалов / В.В. Примаченко, В.А. Устиченко, С.В. Чаплянко и др. // Збірник наукових праць ВАТ „УкрНДІВогнетривів імені А.С. Бережного”. - Харків: Каравелла, 2003. - № 103. - С. 49-57.

2. Примаченко В.В., Устиченко В.А., Чаплянко С.В. Исследование влияния плавленой шпинели с содержанием Al₂O₃ более 72% на свойства корундошпинельных огнеупоров // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2004. - № 33. - С. 120-126.

3. Чаплянко С.В., Устиченко В.А., Примаченко В.В. Исследование влияния диспергирующих глиноземов фирмы “Алматис” на свойства корундошпинельных тиглей // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2004. - № 40. - С. 30-36.

4. Влияние зернового состава корунда на термическую стойкость корундопериклазовых тиглей / В.В. Примаченко, В.А. Устиченко, С.В. Чаплянко и др. // Збірник наукових праць ВАТ „УкрНДІВогнетривів імені А.С. Бережного. - Харків: Каравелла, 2004. - № 104. - С. 19-24.

5. Патент України, МКИ С04В35/10. Шихта для виготовлення вогнетривких виробів / В.В. Примаченко, В.А. Устіченко, Л.М. Золотухіна, С.В. Чаплянко та інш.; ВАТ „Український науково-дослідний інститут вогнетривів імені А.С. Бережного”; № 70373; Заявл. 03.01.2002; Опубл. 15.10.04 // Промислова власність. - 2004. - № 10. - С. 3.69.

6. Сопоставительные испытания в службе муллитокорундовых и корундошпинельных тиглей при плавке жаропрочных сплавов / В.В. Примаченко, В.А. Устиченко, Л.М. Колесников, Л.В. Белик, С.В. Чаплянко др. // Тезисы докладов международной научно-технической конференции “Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности”. - Харьков: Каравелла. - 2001. - С. 4-5.

7. Высокостойкие корундошпинельные тигли для плавки жаропрочных сплавов / В.В. Примаченко, В.А. Устиченко, Л.В. Белик, С.В. Чаплянко // Тезисы докладов \/ научно-технической конференции “Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов”.- Обнинск: ОНПП Технология. - 2001. - С. 35-36.

8. Устиченко В.А., Чаплянко С.В. Исследования по получению алюмомагнезиальной шпинели в высокочастотной и электродуговой печах / Тезисы докладов Международной научно-технической конференции “Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности”. - Харьков: Каравелла. - 2002. - С. 32-33.

9. Примаченко В.В., Устиченко В.А., Чаплянко С.В. Изготовление опытных периклазсодержащих тиглей и их испытание при вакуумной плавке жаропрочных сплавов // Тезисы докладов международной научно-технической конференции “Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности”.- Харьков: Каравелла. - 2003. - С. 17.

10. Исследования по повышению термической стойкости корундопериклазовых тиглей / В.В. Примаченко, В.А. Устиченко, С.В. Чаплянко и др. // Тезисы докладов международной научно-технической конференции “Технология и применение огнеупоров и технической керамики в промышленности”.- Харьков: Каравелла. - 2004. - С. 6-7.

Размещено на Allbest.ru