Механохимическая активация каолиновых и бентонитовых глин для формовочных смесей и противопригарных красок

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

МЕХАНОХИМИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ КАОЛИНОВЫХ И

БЕНТОНИТОВЫХ ГЛИН ДЛЯ ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ И

ПРОТИВОПРИГАРНЫХ КРАСОК

Специальность 05.16.04 - «Литейное производство»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Лесив Елена Михайловна

Челябинск - 2007

Работа выполнена на кафедре «Литейное производство» ГОУ ВПО Государственного университета цветных металлов и золота, (г. Красноярск).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Л.И. Мамина.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Л.Г. Знаменский;

кандидат технических наук,

А.М. Московенко.

Ведущее предприятие - ЗАО «Сибтяжмаш» (г. Красноярск).

Защита диссертации состоится 28 февраля 2007 г., в 12.00 часов, в ауд. 201 (гл. корп.) на заседании диссертационного совета Д 212.298.06 при Южно-Уральском государственном университете.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, ЮУрГУ, ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮУрГУ.

Автореферат разослан « » 2007 года.

Ученый секретарь совета И.А. Щуров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Песчано-глинистые смеси для сырых и сухих форм являются универсальными для любых видов литья металлов и сплавов. Они экологически чисты, не содержат дорогих и дефицитных компонентов, а при подборе освежающих материалов легко восстанавливают свои свойства, благодаря чему находятся в постоянном обороте без регенерации. Однако с увеличением содержания глины в смесях увеличивается пригар на отливках, накапливается неактивная глина, что приводит к ухудшению рабочих свойств смесей.

В природном состоянии глины обладают различным кристаллохимическим строением основных минералов: монтмориллонита и каолинита. Высокомарочные каолиновые глины обеспечивают сухим смесям при достаточной прочности и высокую термостойкость, но для сырых форм, особенно для АФЛ, они не обеспечивают формовочным смесям высокую пластичность и прочность. Этим требованиям удовлетворяют качественные бентониты, но кристаллохимическая особенность строения монтмориллонита по составу обменных катионов вызывает необходимость дополнительной активации бентонита с целью перевода его из магниевого и кальциевого в натриевый, что способствует увеличению набухаемости, пластичности бентонита и прочности сырых форм.

В Красноярском крае сосредоточены значительные запасы каолиновых и бентонитовых глин. В настоящее время широко эксплуатируются месторождения каолиновых (Кампановское и Кантатское) и бентонитовой (Черногорское) глин.

Ведутся постоянные исследования и разрабатываются новые технологии подготовки бентонитовых глин с целью повышения их качества и снижения расхода их в составах формовочных смесей, противопригарных покрытий. Однако до настоящего времени не проводились исследования по разработке комплексных способов активации в процессе подготовки глин различными натрийсодержащими соединениями. Поэтому разработка способа механо- и механохимической активации глин Красноярского края является весьма актуальной проблемой, решение которой позволяет изменять энергию, геометрию и состав глинистых частиц; улучшать свойства формовочных смесей и противопригарных покрытий, что в итоге позволяет повышать качество отливок. глина бентонитовый отливка натрий

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Создание управляемых технологий, обеспечивающих повышение качества отливок на основе изучения закономерности влияния механо- и механохимической обработки глин на структуру и свойства песчано-глинистых смесей, противопригарных покрытий.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ:

- выбрать способы и модифицирующие добавки для активации глин различного кристаллохимического строения в процессе их подготовки;

- исследовать зависимость активности частиц глин по изменению их геометрических и энергетических параметров от режимов активации;

- изучить механизм влияния модифицирующих сложных соединений натрия на структуру и свойства глин;

- опробовать активированные глины в составах песчано-глинистых смесей для сухих и сырых форм;

- опробовать активированные глины в составах водных противопригарных покрытий для чугунного и цветного литья;

- разработать программу для компьютерного анализа качества и расчета геометрических параметров сыпучих зерновых и дисперсных материалов;

- провести производственные испытания активированных глин в составах формовочных смесей и красок на предприятиях Красноярского края.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

1. Выявлены зависимости диспергируемости и активности бентонитовых и каолиновых глин от режимов обработки в энергонапряженных мельницах планетарного типа;

2. Установлены зависимости геометрических и энергетических параметров бентонитовых глин от режимов их механохимической активации;

3. Определены зависимости свойств смесей от строения и активности глин; разработаны новые процессы приготовления формовочных смесей с механохимически активированными глинами;

4. Установлена эффективность применения комплексного способа активации по технологии «Изакт-процесс», позволяющего получать активированные глины и формовочные смеси с улучшенными свойствами.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ:

1. Определены рациональные режимы активации глин различного кристаллохимического строения в АГО-2 с варьированием времени активации от 60 до 120 с в атмосфере воздуха при соотношении массы глины и мелющих тел 2:1, и постоянной скорости х_об=1500 об/мин, позволяющие получать механоактивированые глины с улучшенными свойствами марок КС3(А), КМЗ(А), БМ2Т₂(А) и БП1Т₁(А);

2. Разработан комплексный способ механохимической активации кальциевых и магниевых бентонитов с модифицирующими натрийсодержащими соединениями;

3. Разработан процесс активации бентонита по технологии «Изакт-процесс» в планетарно-центробежной мельнице АГО-2 с применением комплекса натрийсодержащих добавок;

4. Оптимизированы составы формовочных смесей для чугунного литья с механо- и механохимически активированными глинами, что обеспечивает повышение прочности смесей на 15-25 % в зависимости от свойств зернового наполнителя;

5. Разработана технология приготовления универсального активированного водного графито-бентонитового противопригарного покрытия с улучшенными свойствами для чугунного и цветного литья;

6. Разработано методическое и программное обеспечение для комплексной оценки качества сыпучих зерновых, дисперсных материалов и расчета их геометрических параметров на языке программирования Object Pascal в среде разработки Borland Delphi 7.0.

ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ обеспечена использованием современного оборудования, сертифицированных средств измерения, широкими производственными испытаниями активированных глин и технологических процессов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы работы докладывались и обсуждались на межрегиональных конференциях «Материалы, технологии, конструкции», г. Красноярск (2001-2005 гг.), 6-м съезде литейщиков, г. Екатеринбург (2003 г.), 7-м съезде литейщиков, г. Новосибирск (2005 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы машиностроения и новые материалы», г. Красноярск (2006 г.), на Международной научно-технической конференции «Современные технологии освоения минеральных ресурсов», г. Красноярск (2006 г.) и на 4-й Международной научно-практической конференции «Внутривузовские системы обеспечения качества подготовки специалистов», г. Красноярск (2006 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 15 работах, в том числе 3 работы входящие в перечень Высшей аттестационной комиссии.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, содержащего 157 источников и 6 приложений. Основной материал изложен на 112 страницах, включая 31 таблицу и 45 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены задачи исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе дано описание состава, структуры и свойств каолиновых и бентонитовых глин, области их применения. Особое внимание в разделе уделяется описанию влияния различных способов подготовки (активации, обогащения, измельчения) на качество глин различного кристаллохимического строения, свойства литейной формы.

В работах по механической активации установлено, что общая активность частиц сыпучих материалов зависит не только от их химического состава и размера их частиц. Основной вклад в общую активность (А_общ) материалов вносят структурные преобразования в них.

Активность частиц глин можно оценивать по изменению геометрических параметров: средний размер, удельная поверхность, форма и микрорельеф поверхности частиц, фракционный состав (А_г).

Энергетические параметры материалов (А_э) можно оценивать методом сравнительного анализа характеристических отражений на рентгенограммах, то есть по интенсивности и ширине пиков можно судить о степени аморфизации кристаллической решетки и количестве микроискажений в кристаллической структуре материалов.

Более объективной, простой и доступной для экспресс-анализа считается оценка А_э через энергию активации проводимости, диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь материала.

Количество «запасенной» материалом энергии, то есть активность его частиц в химических и физико-механических связях, зависит от природы и мощности действующих на него сил. Подтверждением этому могут служить и различные способы активации (механохимическая, механическая и комплексная), при которых активность частиц резко изменяется.

Здесь же приведено описание основных способов обработки глин. Химическая и комплексная обработка позволяет повысить технологические свойства глин за счет перехода кальциевых катионов в натриевые.

Отмечается, что оптимизировать требуемые свойства исходных компонентов и формовочных смесей, сокращать расход дефицитных материалов или заменять их более доступными можно различными методами активации, осуществляемыми на стадии подготовки исходных материалов или готовых составов формовочных смесей. Известные способы активации можно разделить по виду воздействия на следующие: механическая или механохимическая обработка, обработка высокими или пониженными температурами, обработка химическими реагентами, физическими полями и комплексными методами.

Активированные каолиновые и бентонитовые глины обладают высокими технологическими свойствами, позволяют значительно улучшить свойства формовочных смесей и красок. Углеродные материалы, такие как графит, могут быть использованы в качестве интенсификаторов помола для более эффективной активации глин в различных агрегатах.

Во второй главе приведен минералогический, химический и фазовый состав исследуемых глин. Для исследования были выбраны глины различного кристаллохимического строения: каолиновые глины Красноярского края Кампановского и Кантатского месторождений, Хакасские бентонитовые глины Черногорского месторождения в природном состоянии (из карьера) и активированные содой по фабричной технологии следующих марок: Кампановская - КС3, Кантатская - КМ3 и Черногорский бентонит - БМ2Т₂, БП1Т₁.

Приведено описание разработанной программы «Анализ качества сыпучих зерновых и дисперсных материалов и расчет их геометрических параметров» на языке программирования Object Pascal в среде разработки Borland Delphi 7.0 для комплексной оценки геометрических параметров зерновых и дисперсных материалов. Основой для разработки являлась методика оценки размера зерен песка по окружностям.

Программа может работать под управлением операционной системы Microsoft Windows 9х/2000/ХР, не требует инсталляции и не изменяет значений системного реестра. Для экспорта данных из программы необходимо наличие установленного приложения Microsoft Word, которое входит в состав пакета MS Office.

Разработанная программа состоит из следующих блоков:

- анализ зерновых и дисперсных материалов по микрофотографиям;

- анализ зерновых и дисперсных материалов по результатам ситового анализа;

- сравнение результатов микроскопического и ситового анализов материалов;

- расчет коэффициентов формы и микрорельефа частиц.

В первом блоке разработанной программы микрофотографии сканировали и проецировали на них ряд окружностей, диаметр которых выбирался в соответствии с размером частиц, подлежащих подсчету. Анализ начинали с частиц с наименьшим диаметром, затем диаметр окружностей постепенно увеличивали. После расстановки окружностей производится автоматический подсчет количества частиц по каждому диаметру и строятся гистограммы по результатам ситового и микроскопического анализов (рис.1, 2).

В программе для оценки формы и микрорельефа частиц песков, глин и других сыпучих материалов предусмотрен расчет коэффициентов угловатости, шероховатости поверхности, пористости по данным микроскопического и ситового анализов.

Таким образом, разработанная программа для комплексного анализа геометрических параметров зерновых и дисперсных материалов позволяет провести расчет гранулометрического состава по данным ситового и микроскопического анализа, провести сравнение полученных результатов микроскопического и ситового анализов, оценить форму и микрорельеф поверхности частиц материала, что позволит оценить активность частиц и оптимизировать свойства материалов на их основе.

Рис. 1. Пример расстановки и подсчета окружностей при микроскопическом анализе Черногорского бентонита

Рис. 2. Пример построения гистограммы фракционного состава песка по результатам микроскопического и ситового анализов

Программное и методическое обеспечение для комплексной оценки качества сыпучих зерновых, дисперсных материалов и расчета их геометрических параметров на языке программирования Object Pascal в среде разработки Borland Delphi 7.0. внедрено в учебный процесс кафедры «Литейное производство» ГОУ ВПО ГУЦМиЗ.

В третьей главе приведены свойства глин различного кристаллохимического строения. Наиболее перспективным способом повышения качества глин является механоактивация, которую можно совмещать с процессом измельчения. Глины различных марок обрабатывали в энергонапряженной планетарно-центробежной мельнице АГО-2, которые эффективно эксплуатируются в различных производственных процессах. Исходные и активированные глины оценивали по следующим группам параметров:

- геометрические: средний размер частиц (d_ср); фракционный состав; расчетная удельная поверхность, (S_расч); форма и микрорельеф поверхности частиц. Размер частиц по фракциям оценивали по электрономикроскопическим фотографиям с компьютерным анализом. Форму и микрорельеф поверхности частиц оценивали на электронном микроскопе просвечивающего типа УЭВМ-100К;

- энергетические: степень аморфизации кристаллической решетки и насыщенность дефектами кристаллической структуры. Аморфизацию решетки и дефектность структуры оценивали косвенно по интенсивности и ширине характерных пиков на рентгенограммах, снятых на дифрактометре ДРОН-3;

- технологические: набухаемость, водопоглощение, коллоидальность, предел прочности в зоне конденсации влаги, оценивали стандартными методами.

С целью определения рациональных режимов механического воздействия на глину, время активации в планетарно-центробежной мельнице АГО-2 варьировали: для каолиновых глин - 15-300 с, для бентонитовых глин - 30-180 с, при массовом соотношении глины к мелющим телам 2:1, при постоянной скорости х_об=1500 об/мин.

Свойства исходных и активированных глин представлены в таб.1. Из полученных данных видно, что в глине КС3 содержание частиц размером < 1 мкм увеличивается на 4 % и 1-10 мкм на 6 %. В глине КМ3 содержание фракции размером < 1 мкм увеличивается на 16 %. В бентоните БМ2Т₂ содержание частиц размером < 1 мкм увеличивается на 25 %. Исследования фракционного состава глин показали, что после активации в течение 120 с в бентоните отсутствуют частицы размером более 50 мкм. В бентоните БП1Т₁ содержание фракции размером < 1 мкм увеличивается - на 16 %.

Для оценки формы частиц каолиновых и бентонитовых глин приняли пятибалльную шкалу. Форма частиц (рис. 3) механоактивированных каолиновых и бентонитовых глин становится более окатанной, с однородной поверхностью, без микронеровностей (до измельчения - остроугольная, осколочная); форму частиц можно оценить в 4 балла (до измельчения - 2 и 3 балла).

Средний размер частиц всех исследуемых глин приведен табл. 1. Так, средний размер частиц глин КС3 и КМ3 составляет 2,5 мкм, КС3(МА90) - 2,2 мкм, а КМ3(МА60) - 1,8 мкм. Бентонит марок БМ2Т₂ и БП1Т₁ имеет средний размер частиц 2,5 мкм. После активации средний размер частиц БМ2Т₂(МА120) - 1,5 мкм, а БП1Т₁(МА120) - 1,9 мкм.

Расчетная поверхность глины КС3 до активации составляет 92 м²/г, КС3(МА90) - 105 м²/г; КМ3 - 92 м²/г, а КМ3(МА60) - 128 м²/г. Расчетная поверхность бентонита БМ2Т₂ - 114 м²/г, БМ2Т₂(МА120) - 190 м²/г, БП1Т₁- 110 м²/г, а БП1Т₁(МА120) - 150 м²/г.

Результаты расчета активности глин различного кристаллохимического строения представлены в табл. 1. Коэффициенты по каждому параметру для глин в состоянии поставки приняты за 1. Относительные коэффициенты по отдельным параметрам учитывают степень их изменения относительно стандартного состояния.

Геометрические и энергетические параметры исходных и активированных в рациональных режимах глин позволили оценить относительные коэффициенты активности А_г и А_Э. Из табл.1 видно, что интенсивность характерных пиков глины КС3 до и после активации составляет 15 и 14 мм, ширина пиков глины - 7 и 8 мм соответственно.

Интенсивность пиков глины КМ3 до и после активации составляет 12 и 10 мм, ширина - 13 и 16 мм соответственно.

Снижение интенсивности характерных пиков и увеличение их ширины различно для каолиновых глин. Так, после активации у глин КС3 дополнительная аморфизация составляет 7 %, а для КМ3 - 17 %.

Дополнительное насыщение кристаллической структуры дефектами для КС3 составляет 14 %, а для КМ3 - 23 %.

Интенсивность характерных пиков бентонита БМ2Т₂ составляет 16 мм, а ширина - 6 мм. После активации интенсивность пика снижается до 14 мм, ширина пика увеличивается до 8 мм. Интенсивность пика бентонита БП1Т₁ составляет 12 мм, ширина пика - 18 мм. После активации интенсивность пика уменьшается до 9 мм, ширина пика увеличивается до 21 мм. После активации БМ2Т₂ дополнительная аморфизация составляет 13 %, а БП1Т₁ - 25 %. Дополнительное насыщение кристаллической структуры дефектами для БМ2Т₂ составляет 33 %, а для БП1Т₁ - 16 %.

Для каолиновых глин КС3(МА90) и КМ3(МА60) геометрическая активность возрастает с 5,0 до 7,0 отн.ед. Энергетическая активность глины КС3(МА90) возрастает с 2 до 2,2 отн.ед., глины КМ3(МА60) - с 2 до 2,5 отн.ед.

Наибольший вклад в общую активность частиц Кампановской каолиновой глины вносит геометрическая составляющая (около 75 % от общей активности).

а 500 б 500

в 1000 г 1000

Рис. 3. Форма и микрорельеф частиц каолиновых и бентонитовых глин:

а - КС3(МА90); б - КМ3(МА60); в - БМ2Т₂(МА120); г - БП1Т₁(МА120)

Геометрическая активность бентонита БМ2Т₂(МА120) в процессе механоактивации возрастает от 5 до 7,5 отн.ед., а для бентонита БП1Т₁(МА120) - от 5 до 7 отн.ед. Энергетическая активность бентонита БМ2Т₂(МА120) увеличивается от 2 до 2,5 отн.ед., а для бентонита БП1Т₁(МА120) - от 2 до 2,5 отн.ед.

Установлено, что с увеличением времени активации у глин происходит увеличение общей активности (А_г). Так, общая активность КС3 и КМ3 возрастает с 7 до 9,5 отн.ед. (вклад геометрической активности составляет - 70 %, энергетической - 20 %), у БМ2Т₂ и БП1Т₁ с 7 до 10 отн.ед.

Полученные данные можно объяснить тем, что использование механоактивации направленно на улучшение качества глин за счет изменения его геометрических характеристик (уменьшение среднего размера частиц, увеличения содержания фракции менее 1 мкм, увеличения балла формы частиц). Вклад химических параметров в общую активность (А_общ) не учитывали, т.к. при выбранных режимах активации изменений в химическом составе глин не происходит. Коллоидальность активированных глин возрастает: для КС3 с 23 до 39 %, для КМ3 с 14 до 25 %, а для БМ2Т₂ с 55 до 69 % и для БП1Т₁ с 62 до 73 %. Более высокая дисперсность бентонитовых глин, совершенная спайность слоев и наличие ориентированной воды обусловливают коллоидальность в 2-3 раза большую, чем у каолиновых глин, (рис. 4).

а

б

в

г

Рис. 4. Зависимость свойств глин от времени активации:

а, в - каолиновых; б, г - бентонитовых; МА - механическая активация

Так, глины КСЗ(МА90) и КМЗ(МА60) обеспечивают в 1,5-2,0 раза большую коллоидальность глинистым суспензиям при увеличении на 5-7 % набухаемости глин. Коллоидальность суспензии на фабричном бентоните БП1Т₁ за счет активации содой повышается с 55 до 62 % по сравнению с природным БМ2Т₂. Механоактивация бентонита в течение (90-120 с) позволила повысить коллоидальность БМ2Т₂ с 55 до 70 %, а БП1Т₁ с 62 до 73 % при увеличении набухаемости для обеих марок на 10-15 %. Однако для природного бентонита на 20 % снижается водопоглощение, что позволяет снизить влажность формовочных смесей, растрескивание и деформацию формы.

В четвертой главе представлены результаты исследования активации бентонита с интенсификатором помола и модифицирующими поверхностно-активными веществами (ПАВ). В качестве модифицирующих поверхностно-активных веществ были выбраны различные натрийсодержащие соединения. Использование разных типов добавок было обусловлено тем, что модифицирующие добавки по-разному изменяют условия формирования коагуляционной структуры бентонитов и, следовательно, по-разному влияют на основные технологические свойства бентонита.

На основе проведенных расчетов определили оптимальное содержание реагентов: 1-3 % от массы природного бентонита БМ2Т₂.При деформации бентонита в присутствии ПАВ в частицах развиваются микротрещины. Адсорбированные слои, мигрируя по поверхности, достигают их устья и препятствуют смыканию. Пленки ПАВ между твердыми поверхностями оказывают на них расклинивающее действие, которое в случае очень узких щелей способствует их расширению.

Из полученных результатов видно, что наблюдаются общие тенденции как при активации в АГО-2, так и при перемешивании в бегунах. Так, с увеличением содержания поверхностно-активных веществ набухаемость бентонитов повышается, увеличивается коллоидальность и предел прочности в зоне конденсации влаги. Для активации использовали различные модифицирующие натрийсодержащие добавки. Свойства активированного бентонита оценивали в сравнении со свойствами бентонита, активированного с кальцинированной содой. Из различных классов добавок были выбраны лучшие (Nа₅P₃O₁₀, Nа₂SO₄ ·10 H₂O, Nа₂CO₃).

Результаты исследований по влиянию типа и содержания модифицирующих поверхностно-активных веществ в присутствии графита как интенсификатора помола представлены на рис. 5. Полученные результаты показывают, что основные технологические свойства бентонита, активированного в присутствии интенсификатора помола, резко отличаются от свойств, полученных без его применения. Более высокую набухаемость имеют бентониты, активированные в АГО-2 и в бегунах при использовании добавок Nа₅P₃O₁₀ и Nа₂SO₄ ·10 H₂O (на 15-20 %), чем при использовании добавки Nа₂CO₃. Характер изменения набухаемости бентонита, активированного в АГО-2 и в бегунах, различен. Это связано с тем, что добавка Nа₅P₃O₁₀, имеет 5 ионов na⁺, что способствует более полному замещению ионов Са²⁺ и Mg²⁺ на ионы na⁺, чем при добавке соды.

Наиболее высокие значения набухаемости имеет бентонит активированный с 1-3 % добавок Nа₅P₃O₁₀ и Nа₂SO₄ ·10 H₂O. Коллоидальность его увеличивается в среднем на 5-10 %, что вероятно, можно объяснить тем, что после активации графит, как и бентонит, способствует деполяризации воды и увеличивает электрическую компоненту в силовых взаимодействиях, в результате чего образуется система: графит-вода-бентонит. Механизм действия графита, как понизителя вязкости, заключается в создании структурированных защитных оболочек на поверхностях частиц бентонита и капель воды, препятствующих непосредственному контакту между частицами.

С другой стороны, на увеличение коллоидальности бентонита оказывает влияние и образование молекулярных связей. Молекулярные связи в системе «графит-вода-бентонит» возникают в результате полимеризации близко расположенных электрически нейтральных молекул (например, графит-вода или бентонит-вода), когда каждая из молекул при взаимном влиянии своих полей становится электрическим диполем и притягивается к другим. Предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги при использовании добавок Nа₅P₃O₁₀ и Nа₂SO₄ ·10 H₂O возрастает, а при использовании добавки Nа₂CO₃ существенно не изменяется. При этом прочность больше после активации бентонита в мельнице АГО-2. Это можно объяснить тем, что прочностные свойства бентонита определяются дисперсностью и прочностью контактов частиц:

чем больше дисперсность и прочность единичных контактов, тем больше прочность бентонита в зоне конденсации влаги.

При этом наиболее прочные конденсационно-кристаллизационные структуры формируются в случаях, если новообразования локализуются на реакционных поверхностях частиц добавки интенсификатора и образуются структурированные гидросиликаты в зоне контактов. Возникающая упорядоченная коагуляционная сетка служит основой для развития более прочной кристаллизационной структуры смеси на основе бентонита, активированного с интенсификатором помола.

а

б

В г

Рис. 5. Зависимость свойств БМ2Т₂ от типа и содержания химических добавок с интенсификатором помола при активации в АГО-2 (1-Nа₅P₃O₁₀, 2-Nа₂SO₄·10 H₂O, 3-Nа₂CO₃)

На основе полученных данных можно сделать вывод о том, что наиболее оптимальными технологическими свойствами обладает природный бентонит, активированный с натрийсодержащими добавками Nа₅P₃O₁₀ и Nа₂SO₄ ·10 H₂O в присутствии графита как интенсификатора помола, который предотвращает коагуляцию частиц бентонита за счет чего и происходит увеличение его технологических свойств в 1,5-2 раза.

Оптимизацию режимов механохимической активации бентонита по «Изакт-процесс» (Ф.С. Кваша, патент № 2044587) проводили в бегунах (Б) и мельнице-активаторе АГО-2 (А). В качестве комплекса добавок использовали те, которые обеспечивают оптимальные технологические свойства бентонита: триполифосфат натрия (Na₅P₃O₁₀), пирофосфат натрия (Na₄P₂O₇·10H₂O) и 10-водный сульфат натрия (na₂SO₄·10H₂O). Результаты исследования приведены в табл.2. Анализ полученных результатов показал, что после перемешивания в бегунах и активации в АГО-2 со всеми комплексными добавками набухаемость бентонита в 1,2-1,5 раза больше. Это можно объяснить тем, что все используемые комплексы добавок способствуют эффективному замещению катионов кальция на катионы натрия. При этом необходимо отметить, что набухаемость бентонита, активированного в АГО-2 в 1,5 раза выше, чем в бегунах. После активации в АГО-2 частицы бентонита могут более эффективно поглощать влагу, в результате чего кристаллическая решетка бентонита может более интенсивно увеличиваться по оси с.

Аналогичную зависимость коллоидальности от состава добавок имеет бентонит после активации в бегунах. Это можно объяснить тем, что при активации бентонита в мельнице АГО-2 происходит резкое уменьшение размера частиц бентонита, в результате чего бентонит может образовывать более устойчивые гели при замачивании его в воде. В ходе перемешивания бентонита в бегунах существенного изменения среднего размера частиц не происходит.

Таблица 2 Составы модифицирующих добавок

№ стадии	Тип добавки	Состав и содержание добавок, %
		1	2	3
1	Na2CO3 (ГОСТ 5100-85)	1	-	0,8
	NaОН (ГОСТ 4328-77)	-	1,8	0,6
2	Na4Р2О7 ·10Н2О (ГОСТ 342-77)	-	4	-
	Na5Р3О10 (ГОСТ 3493-86)	4	-	3,6

Максимальная коллоидальность бентонита (100 %), активированного в АГО-2, достигается при использовании комплекса добавок 3.

Зависимость предела прочности бентонитовой смеси (ПГС) в зоне конденсации влаги от типа активатора и типа комплекса добавок представлена на рис.6. Предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги ПГС, активированной в АГО-2, в 1,5-2 раза больше, чем предел прочности ПГС, перемешанной в бегунах. Это также можно объяснить тем, что в процессе активации в АГО-2 достигается большая дисперсность, общая активность частиц бентонита, чем при перемешивании в бегунах.

А б

Рис. 6. Зависимость свойств бентонита от типа активатора и комплекса добавок (Б-бегуны, А-АГО-2): а - коллоидальность; б - предел прочности в зоне конденсации влаги

Полученные в результате исследований данные свидетельствуют о том, что наиболее рациональным является использование комплекса 3 при активации бентонита по «Изакт-процесс» в АГО-2.

В пятой главе представлены результаты исследования свойств песчано - глинистых смесей с активированными глинами на песках различных марок: Нижне-Ингашский марки 1Т₁О₁016 и Игирминский марки 1К₁О₁03. Выбор песков данных месторождений обусловлен широким применением их на заводах Сибири, а также большим различием их свойств.

Активация каолиновых глин Кампановского и Кантатского месторождений осуществлялась в планетарно-центробежной мельнице АГО-2.

За основу была выбрана песчано-глинистая смесь состава, %: каолиновая глина - 6; вода - 4; песок - до 100.

Так, увеличение содержания глины с 6 до 10 % способствует увеличению прочности в сухом состоянии в 1,5-2 раза для обеих глин исходных марок и 2- 3 раза для активированных при рациональном времени (60-90 с) глин:

- прочность Кампановской глины в сухом состоянии увеличивается с 2 до 10·10⁵ Па;

- прочность Кантатской глины в сухом состоянии увеличивается с 1,5 до 8·10⁵ Па. Улучшение свойств смесей с активированными глинами имеет одинаковую зависимость при влажности - 4-6 %, (рис. 7).

Вода - 4 % Рис. 7. Прочность в сухом состоянии ПГС с каолиновыми глинами (КС3, КМ3)

При формовке по-сырому имеют значение три взаимосвязанных показателя качества песчано-бентонитовых формовочных смесей: прочность при сжатии во влажном состоянии, газопроницаемость и влажность. При выборе состава смеси необходимо стремиться к получению заданной прочности смеси при минимальном количестве бентонитовой глины, что обеспечивает достаточно высокую газопроницаемость. Для решения поставленной задачи было исследовано влияние времени активации природного и фабричного бентонита Черногорского месторождения на основные свойства песчано-бентонитовой смеси следующего состава, %: бентонит - 7; вода - 3,5; кварцевый песок - до 100.

Механоактивацию бентонита проводили в планетарно-центробежной мельнице АГО-2 в течение 30-180 с и механохимическим способом в мельнице-активаторе АГО-2 в течение 90-120 с с использованием модифицирующих натрийсодержащих соединений. Результаты исследований представлены на рис.8.

Так, увеличение содержания природного бентонита с 5 до 9 % способствует повышению прочности в 2 раза. При замене природного бентонита на механоактивированный прочность смеси повышается в 1,1-1,3 раза. Повышение содержания активированного бентонита с 5 до 9 % приводит к увеличению прочности во влажном состоянии в 1,2-1,6 раз (рис. 8).

Полученные зависимости хорошо согласуются с экспериментальными и расчетными данными, полученными при исследовании геометрических и энергетических параметров природного и фабричного бентонита: после активации в планетарно-центробежной мельнице АГО-2 в течение 90-120 с частицы природного и фабричного бентонита достигают максимальной активности.

Использование натрийсодержащих соединений в качестве модифицирующих добавок при активации бентонита в планетарно-центробежной мельнице АГО-2 позволяет повысить в 1,5-2 раза его технологические свойства. Поэтому было исследовано влияние влажности смеси и количества активированного с различными добавками бентонита на прочность смеси во влажном состоянии. Полученные результаты показали, что использование в составе смесей глин, активированных с добавками Nа₅P₃O₁₀; Nа₂SO₄ ·10 H₂O; Nа₂CO₃, позволяет регулировать прочность формовочной смеси во влажном состоянии (рис.9).

Вода - 3 % Рис. 8. Прочность ПГС во влажном состоянии с бентонитом (БМ2Т_2, БП1Т₁)

При использовании в смесях Игирминского песка при влажности 3, 4 и 5 % прочность увеличивается в среднем в 1,3-1,5 раз, а у смесей с Нижне-Ингашским песком в 1,5-2,5 раза, так как Нижне-Ингашский песок более мелкий. При использовании активированного бентонита двойной электрический слой между кварцевым зерном и глинистыми мицеллами увеличивается за счет увеличения общего дипольного момента и для более мелкого Нижне-Ингашского песка этот эффект проявляется значительнее.

Вода - 3 %

а б

Рис. 9. Зависимость прочности ПГС на сжатие от типа модифицирующей добавки, марки песка и влажности смеси: а - Игирминский песок; б - Нижне-Ингашский песок; (1-Nа₅P₃O₁₀; 2-Nа₂SO₄ ·10 H₂O; 3-Nа₂CO₃)

Таким образом, установлено что бентонит, активированный с модифицирующими натрийсодержащими добавками в планетарно-центробежной мельнице АГО-2 в течение 90-120 с, позволяет регулировать прочность смеси и выбирать наиболее оптимальные значения прочности смеси во влажном состоянии: при влажности 3 % прочность смеси возрастает в среднем в 1,5 раза; при влажности 4 % в 1,5-2 раза; при влажности 5 % в 2-3 раза.

В настоящее время для чугунного литья, наряду с другими, широко используют и водные графито-бентонитовые противопригарные покрытия для форм и стержней. Для разработки составов водного покрытия использовали исходный бентонит марок БП1Т₁, БМ2Т₂ и активированный марок БП1Т₁(МА120) и БМ2Т₂(МА120).

В результате проведенных исследований установлено, что использование активированного бентонита различных марок способствует увеличению расхода воды на 20 % и повышению вязкости покрытия с 8 до 12 с. Это можно объяснить тем, что бентонитовые частицы становятся более активными и притягивают к себе больше молекул воды, в результате чего увеличивается структурная вязкость суспензии. Повышение структурной вязкости влечет за собой улучшение качества покрытия по важным технологическим свойствам:

- седиментационной устойчивости и приведенной прочности (рис.10).

А б

Рис. 10. Зависимость свойств противопригарного водного покрытия от свойств бентонита: а - приведенная прочность; б - седиментационная устойчивость (24 часа)

Установлено, что при использовании активированных каолина и бентонита в составах сухих и сырых форм ПГС прочность смесей увеличивается на 15- 20 %; качество отливок улучшается за счет снижения шероховатости и пригара.

Покрытия с активированным бентонитом марок БП1Т₁(МА120) и БМ2Т₂(МА120) имеют седиментационную устойчивость 99-100 %. Приведенная прочность покрытий увеличивается более чем в 2 раза (с 1,9 до 4 кг/мм). Это связано с тем, что уменьшение размера частиц бентонита и повышение их активности способствует более прочному сцеплению частиц между собой, а также с графитом и связующим.

Опытно-промышленные испытания проведены в литейном цехе ОАО «АОМЗ» города Абакана. Механоактивированые бентонит и каолин были опробованы в составах песчано-глинистых смесей и покрытий для чугунного и стального литья. Объем литых изделий, полученных в формах с активированными глинами, представлен в табл.3.

Графито-бентонитовые покрытия с активированным бентонитом различных марок имеют прочность в 2 раза больше по сравнению с аналогом, седиментационную устойчивость выше на 5-10 %, термостойкость на 20-30 % при снижении расхода сухих компонентов на 15-20 %.

Таблица 3 Объем литых изделий с активированными глинами

№	Сплав	Масса отливок, кг	Количество отливок, шт.
Песчано-глинистая смесь (ПГС)
1	Ст50Л	1-110	414
2	СЧ20	0,84-23	660
Всего:	8427	1047
Водное противопригарное покрытие
3	СЧ20	1-60	745
Всего:	2682	745
Всего отливок:	11109	1792

Анализ качества отливок с окрашенными стержнями показал, что использование в покрытии активированного бентонита позволяет улучшать качество отливки со стороны стержня, способствует снижению шероховатости поверхности отливок с R_Z 40 до R_Z 20. При этом соответственно уменьшаются и затраты на механическую обработку отливок.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выявлено, что при рациональных режимах активации каолиновых глин содержание частиц размером менее 1 мкм повышается на 15-25 %, а у бентонитовых на 30-40 %, при увеличении удельной поверхности с 92 до117 м²/г и 170 м²/г, соответственно.

2. Определенны рациональные режимы активации глин различного кристаллохимического строения в АГО-2: временя активации 60-120 с при массовом соотношении глины к мелющим телам 2:1 и постоянной скорости х_об=1500 об/мин, что позволило получить механоактивированные глины с улучшенными свойствами за счет увеличения общей активности частиц каолиновых глин на 20-25 %, бентонитовых на 25-30 %.

3. Разработана компьютерная программа «Анализ качества сыпучих зерновых и дисперсных материалов и расчет их геометрических параметров», позволяющая по гранулометрическому составу и микрофотографиям рассчитывать фракционный состав, средний размер частиц, коэффициент формы, удельную поверхность, модуль мелкости, строить гистограммы и таблицы.

4. Установлено, что использование 1-3 % ПАВ сложных соединений натрия при механохимической активации бентонита в бегунах и мельнице АГО-2 с Курейским графитом ГЛС-3 в качестве интенсификатора помола позволяет повысить основные технологические свойства глин: коллоидальность в 2-4 раза, прочность смесей в 2-3 раза, набухаемость в 1,5-2 раза, при снижении водопоглощения в 1,2-1,5 раза.

5. Найдено новое решение реализации процесса активации бентонита по технологии «Изакт-процесс» в планетарно-центробежной мельнице АГО-2 с применением комплекса натрийсодержащих добавок, заключающееся в по стадийном вводе добавок при активации, что позволяет оптимизировать свойства бентонита подбором добавок в зависимости от требуемого уровня свойств.

6. Оптимизированы составы песчано-глинистых формовочных смесей с механохимически активированным в рациональных режимах бентонитом, которые имеют прочность на 15-25 % выше.

7. Разработана технология приготовления универсального водного графито-бентонитового противопригарного покрытия с улучшенными свойствами для чугунного и цветного литья, прочность которого в 2-3 раза больше, седиментационная устойчивость 100 %, при снижении расхода сухих компонентов на 15-20 % и затрат на механическую обработку отливок на 15-20 %.

8. Оптимизированы составы смесей и покрытий с механохимически активированными глинами, которые опробованы и приняты к внедрению на предприятиях Красноярского края. Получены акты производственных испытаний смесей и покрытий для чугунного и стального литья. Изготовлена большая номенклатура отливок общим весом 11190 кг. Акты промышленных испытаний содержатся в Приложениях диссертационной работы.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО РАБОТЕ

1. Лесив, Е.М. Повышение качества Черногорского бентонита механохимической активацией [Текст]/ Е.М. Лесив, В.Н. Баранов, М.Н. Дьяконов. Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика: сб. науч. тр. - Вып.7. - Красноярск. - 2001. - С. 13-14.

2. Дьяконов, М.Н. Механоактивация кварцевых наполнителей для литейных форм [Текст]/ М.Н. Дьяконов, Е.М. Лесив, В.Н. Баранов / Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика: сб. науч. тр. - Вып.7. - Красноярск. - 2001. - С. 103-105.

3. Лесив, Е.М. Механохимическая активация Черногорского бентонита [Текст]/ Е.М. Лесив, Н.Е. Жоголева // Литейное производство.- М.- 2003. - №2. - С. 22-23.

4. Жилин, Г.П. Возможности использования Раздолинского переклаза в литейных огнеупорных составах [Текст]/ Г.П. Жилин, Е.М. Лесив, В.И. Новоженов, Т.Н. Тюнева // Литейное производство.- М. -2003. - №2. - С. 30 - 31.

5. Бабкин, В.Г. Применение неформованных огнеупоров в литейном производстве и металлургии алюминиевых сплавов [Текст]/ В.Г. Бабкин, И.А. Пихутин, Е.М. Лесив, // Литейщик России.- М. - 2004. - №1. - С. 22-23.

6. Мамина, Л.И. Механическая активация глин Красноярского края применяемых в литейном производстве [Текст]/ Л.И. Мамина, Е.М. Лесив, Л.П. Мирсанова // Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика: сб. науч. тр. - Вып.10, ч. 1. - Красноярск. - 2001. - С. 13-15.

7. Дьяконов, М.Н. Оптимизация режимов активации кварцевых песков в процессах их подготовки и пневмотранспорта [Текст]/ М.Н. Дьяконов, Л.И. Мамина, Н.И. Вершинина, Е.М. Лесив // Труды седьмого съезда литейщиков России: сб. ст. - Т. 2. - Новосибирск. - 2005. - С. 54-60.

8. Мамина, Л.И. Повышение качества графитовых изделий для литейного производства [Текст]/ Л.И. Мамина, В.И. Новоженов, Г.А. Королева, Т.Р. Гильманшина, В.Н. Баранов, Е.М. Лесив // Труды седьмого съезда литейщиков России: сб. ст. - Т. 2. - Новосибирск. - 2005. - С. 197-204.

9. Мамина, Л.И. Механическая активация каолиновых глин, применяемых в литейном производстве [Текст]/ Л.И. Мамина, Е.М. Лесив, М.К. Сарлин, С.А. Попов, А.В. Бурцев/ Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика: сб. науч. тр. - Вып.11. - Красноярск. - 2005. - С. 11-13.

10. Лесив, Е.М. Механическая активация слоистых минералов, применяемых в литейном производстве [Текст]/ Е.М. Лесив, Л.И. Мамина, А.В. Бурцев, А.С. Подосельников //Вестник университетского комплекса: сб. науч. тр. - Вып.6 (20). - Красноярск. - 2005. - С. 34-36.

11. Лесив, Е.М. Механическая активация каолиновых и бентонитовых глин используемых в литейном производстве [Текст]/ Е.М. Лесив, Л.И. Мамина //Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика: сб. науч. тр. - Вып.12. - Красноярск. - 2006. - С. 11-13.

12. Лесив, Е.М. Механическая активация каолиновых и бентонитовых глин в процессе их подготовки [Текст]/ Е.М. Лесив, Л.И. Мамина //Современные технологии освоения минеральных ресурсов: сб. науч. тр. - Вып.4. - Красноярск. - 2006. - С. 392-394.

13. Лесив, Е.М. Механическая активация глин различного кристаллохимического строения [Текст]/ Е.М. Лесив, Л.И. Мамина //Проблемы машиностроения и новые материалы (Борисовские чтения): Материалы Всероссийской научно-технической конференции. - Вып.4. - Красноярск. - 2006. - С. 44-46.

14. Лесив, Е.М. Противопригарные краски для чугунного литья [Текст]/ Е.М. Лесив, А.В. Бурцев // Молодежь и наука - третье тысячелетие: Сборник материалов Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученных. - Красноярск.- 2006. - С. 387-388.

15. Лесив, Е.М. Разработка программного обеспечения для оценки качества сыпучих зерновых и дисперсных материалов и расчет их геометрических параметров [Текст]/ Е.М. Лесив, Л.И. Мамина // Внутривузовские системы обеспечения качества подготовки специалистов: Материалы 4-й Международной научно-практической конференции: сб. научных трудов; [под ред. Осокина Е.Н.]. - Красноярск.- 2006. - С. 173-175.

Размещено на Allbest.ru

...