Разработка режимов охлаждения шлакокаменных отливок на основе изучения теплофизических свойств петрургического литья

В экономике России существует целый комплекс отраслей, осуществляющих многотоннажную промышленную переработку производственных ресурсов, — энергетика, металлургия, производство минеральных удобрений и др. Количество побочного продукта от промышленной переработки колеблется (по массе) от 10−15% в сталеплавильном производстве до 90% в производстве фосфора. Техногенные отходы (шлаки, золы, фосфогипс и пр.) могут стать дополнительной сырьевой базой в производстве некоторых видов изделий и строительных конструкций.

Одним из перспективных направлений по увеличению переработки техногенных отходов является получение для шлакокаменных сплавов.

Одно из преимуществ изделий и конструкций из шлаковых отходов состоит в возможности их получения на основе технологий и оборудования литейного производства. Наиболее рациональным является использование так называемых огненно-жидких шлаков, полученных в плавильных агрегатах после выпуска металла. В этом случае не требуется дополнительных затрат на получение расплава. Но даже расплавление отвальных шлаков для получения петрургических изделий намного эффективнее, чем многопередельная переработка путем гранулирования, помола, фракционирования для создания шлакобетона и вяжущих или для любых других применений. Как правило, изделия из шлакокаменного литья не нуждаются в дополнительной механической обработке, которая обязательна для природного камня.

Применение изделий из шлакокаменного литья не только экономически целесообразно, но также улучшает экологическую обстановку за счет сокращения шлаковых отвалов в промышленно развитых регионах России.

Высокие эксплуатационные свойства петрургического литья известны давно, однако, несмотря на многочисленные работы по его изучению, широкого применения шлакокаменное литье в ведущих отраслях промышленности России не получило. Это связано прежде всего как с высокими требованиями к культуре производства, так и с недостаточно изученной и систематезирова-ной теоретической базой по производству шлакокаменного литья.

Одним из важнейших параметров изготовления петрургических изделий, влияющих на получение качественного шлакокаменного литья с заданной микрои макроструктурой, является скорость и время охлаждения полученных расплавов. Данные параметры зависят как от условий охлаждения силикатных расплавов (ПГФ, кокиль), так и от конкретного химического состава, влияющего на теплофизические свойства сплава.

До сегодняшнего дня прогнозирование скоростей затвердевания и охлаждения шлакокаменного литья было довольно проблематично. Это обусловлено прежде всего как отсутствием баз данных по теплофизическим свойствам шлакокаменного литья, так и недостаточно проработанными математическими моделями по описанию процессов его охлаждения.

Применение математических моделей для описания процессов затвердевания металлических сплавов осуществляется довольно давно /1, 2/, но здесь следует учитывать, что процессы затвердевания шлакокаменного и металлического литья различны. Использование аналитических моделей, созданных для описания охлаждения литья на основе металлов, в петрургии невозможно в виду большой разности теплофизических характеристик процессов /3 — 6/. Употребляемые на данный момент методы прогнозирования затвердевания силикатных расплавов основаны на опытных данных и не учитывают изменения теплофизических характеристик сплавов от химического состава.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вьюод, что прогнозирование параметров затвердевания и охлаждения шлако-каменных отливок без достаточно обширной базы данных по изучению влияния химического состава на теплофизические свойства петрургических расплавов вызывает определенные затруднения.

Цель и задачи работы. Определение параметров охлаждения петрургическо-го литья на основе изучения его теплофизических свойств.

Для достижения данной цели решались следующие задачи:

— комплексное исследование основных теплофизических свойств шлакока-менных сплавов в стеклообразном и закристаллизованном состоянии с последующим созданием математических моделей, позволяющих адекватно прогнозировать теплофизические свойства сплава в зависимости от химического состава;

— адаптация математической модели для описания динамики охлаждения и затвердевания силикатного расплава;

— разработка методики расчета параметров охлаждения шлакокаменных отливок для определения режимов выдержки отливки в форме, кристаллизации и отжига полученных изделийполучение шлакокаменных расплавов на основе техногенных отходов идентичных по физико-химическим свойствам сплавам из природных материалов.

Практическая ценность заключается в том, что использование новых теоретических разработок позволяет получать качественное шлакокаменное литье с высокими свойствами при максимальном использовании недефицитных материалов — отходов производства.

Даны практические рекомендации по охлаждению щелочестойкого петрур-гического литья.

Результаты исследований использованы при подготовке технического задания на проектирование цеха шлакокаменного литья.

На защиту выносятся:

— методика расчета шихты;

— результаты экспериментальных исследований, теоретического анализа и выявленные закономерности взаимосвязи химического состава и тепло-физических параметров шлакокаменного литья;

— методика определения теплофизических параметров отдельных компонентов сплава в стеклообразном состоянии;

— результаты исследований по адаптации математической модели применительно к условиям шлакокаменного литья;

— расчет охлаждения и затвердевания гцелочестойкого петрургического литья.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на научно-технических конференциях МГТУ, 2001,2002, 2003.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из 5 глав, общих выводов, приложений, изложена на 136 страницах, включает 71 рисунок, 25 таблиц и список используемых источников из 109 наименований.

1. Жуковский B.C. Основы теории теплопередачи. — М.: Государственное энергетическое издательство, 1960. -211 с.

2. Вейник А. И. Техническая термодинамика и основы теплопередачи. М.: Металлургия, 1965. — 376 с.

3. Бондарев В. А., Вейник А. И. Общая теплотехника: Лабораторный практикум. Минск: Высшая школа, 1965. — 132 с.

4. Белов И. Е., Евстигнеев А. И. Исследование тепловых процессов при затвердевании и охлаждении отливки в магнитной форме // Изв. вузов. Черная металлургия, 2001. — № 6. — С. 47 — 53.

5. Анисович Г. А. Влияние продолжительности течения металла в форме на затвердевание отливки // Литейное производство, 1997. — № 11. — С. 14−16.

6. Белов К Е., Евстигнеев А. И. Исследование тепловых процессов при литье в магнитную форму // Изв. вузов. Черная металлургия, 2000. — № 10. — С. 29 -34.

7. Чернявский И. Я., Миллер С. Н. Износоустойчивые металлошлаковые трубы. -М.: Стройиздат, 1973. 144 с.

8. Чечулин В. А., Карпов В. М. Особенности технологии изготовления и применения каменных отливок // Вопросы теории и технол. литейн. процессов. Комсомольск-на-Амуре: 1985. — С. 110−113.

9. Крупногабаритные изделия из каменного и шлако-каменного литья / В. В. Вагин, В. В. Килесо и др. // Черная металлургия, 1990. -№ 2. — С. 35 — 47.

10. Байрон В. Г., Вагин В. В. Шлако-камнелитые изделия и конструкции // Огнеупоры и техническая керамика. 1999. -№ 11. — С. 44 — 48.

11. Пеликан А. Плавленые камни.- М.: Государственное научно техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1959. 288 с.

12. Здановский В. Г., Буцьо З. Ю. Проблемы использования каменного литья в энергетике // Энергетик. 1993. -№ 6. — С. 26 — 27.

13. Коток А. П. Разработка шлако-каменных сплавов на основе металлургических отходов для производства износои корозионностойких отливок: Дис. на соиск. уч ст. к. т. н. / науч. рук. В. М. Колокольцев. Магнитогорск: МП У, 2001.-184 с.

14. Чернов В. П., Коток А. П Шлако-каменное литье один из способов утилизации отходов производства // Окружающая среда и здоровье. Под ред. проф. Черчинцева: Сб. науч. тр. Международного симпозиума Магнитогорск: МГМА, 1998. — С. 112−113.

15. Липовский И. Е., Дорофеев В. А. Основы петрургии.- М.: Металлургия, 1972. 320 с.

16. Производство каменного литья из доменного шлака Череповецкого металлургического комбината / М. Я Бикбау, Н. Н. Щеглова, Б. Я. Борухин и др. // Стекло и керамика, 1995. -№ 1−2. — С. 36 — 40.

17. Липовский И. Е., Дорофеев В. А., Развитие камнелитейного производства: -Донецк: Донбасс, 1965. 54 с.

18. Чернов В. П., Колокольцев В. М, Коток АП Влияние химического состава и технологических факторов на структуру и механические свойства шлако-каменного литья // Вопросы прикладной химии: Межвуз. сб. науч. тр. — Магнитогорск: Ml ТУ, 1999.-С. 135−142.

19. Гинзберг А. С. К вопросу об оценке сырья для камнелитейной промышленности. М.: АН СССР, 1934. 35 с.

20. Липовский И. Е., Дорофеев В. А. Камнелитейное производство. М.: Металлургия, 1965. 40 с.

21. Проблемы каменного литья: Сб. н. тр. Киев: ИПЛ, 1963. — 156 с.

22. Кузнецов В. Д Кристаллы и кристаллизация.- М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1953. 410 с.

23. Годовиков А. А. Минералогия. М.: Недра, 1983. 646 с.

24. Вертушков Г. Н., Авдонин В. Н. Таблицы для определения минералов по физическим и химическим свойствам. М.: Недра, 1980. — 289 с.

25. Кручинин Ю. Д, Иванова Л. В., Кендзерская А. Д Влияние некоторых компонентов и восстановительной среды при плавке на кристаллизационные свойства синтетических шлаков // Технология силикатов: Сб. науч. тр. УПИ. -Свердловск: УПИ, 1966. С. 130 138.

26. Торопов Н. А. О последовательности выделения кристаллических фаз различного состава из силикатных расплавов // Стеклообразное состояние. Вып. 1. Катализованная кристаллизация стекла. Сб. науч. тр. М.-Л.: АН СССР, 1963. -С. 5 32.

27. Чечулин В. А., Букман Г. Д, Карпов В. М. Каменное литье в оболочковые формы для энергетического оборудования // Повыш. качества и эффектив. литья по выплавл. моделям. М. 1986. — С. 136−139.

28. Тухватулин И. X. Долгополова JI. Б. Применение нейросетей для изучения влияния свойств сталей на износостойкрсть // Теория и технология металлургического производства. Вып. 1.: Межрег. сб. науч. тр.: МГТУ. Магнитогорск: МГТУ, 2001. — С. 118−124.

29. Тухватулин И. Х., Колокольцев В. М. Экспертная система оценки свойств сплавов // Литейное производство. 2000. — № 3. — С. 51 — 52.

30. Новиков Б. А. Нейроинформатика. Новосибирск: Наука, 1998. — 296 с.

31. Затвердевание и кристаллизация каменного литья / Б. Х. Хан, И. И. Быков, В. П. Кораблин и др. Киев: Наукова думка, 1969. — 161 с.

32. Влияние строения и температуры на механические и упругие свойства каменного литья / Б. Х. Хан и др. // Изв. АН УССР. Неорганические материалы. 1969. т.5, № 9. С. 1629 1634.

33. Попов О. Н. Производство и применение плавленолитых огнеупоров. М: Металлургия, 1985. — 256 с.

34. Тумашов В. Ф., Цимерманис Ф. Х., Чернявский ИЯ Ктехнологии получения камнелитых изделий из пироксенового порфирита // Строительные материалы на основе вермикулитов, шлаков и зол: Сб. науч. тр. Челябинск: УралНИИст-ромпроект, 1975. — С. 107 — 113.

35. Арутюнов В. А., Бухмиров В. В., Крупенников С. А. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей: Учебник для вузов.- М.: Металлургия, 1990. -239 с.

36. Производство отливок из каменного и шлако-каменного литья / В. В. Вагин, В. В. Килесо, Е. Г. Скотаренко и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1991. -№ 2.-С. 35−46.

37. Вагин В. В., Ермаков В. В. Блочные камнелитые мультициклоны // Литейн. пр-во. 1976. № 8. — С. 42−43.

38. Каменное литье: А. с. 1 331 853 СССР, МКИ' С 04 В 30/00 / Ю. Ф. Садовой, А. И. Ващенко, И. М. Кущ. (СССР).-2 с. 98.

39. Каменное литье: А. с. 1 294 785 СССР, МКИ' С 04 В 30/00 / Л. К. Тимофеева, М. В. Недосеева, М. О. Костец. (СССР).- 3 с.

40. Каменное литье: А. с. 1 293 152 СССР, МКИ' С 04 В 30/00 / К. С. Яроков, Н. М. Абовян, ЛК. Бчамян. (СССР). 2 с.

41. Декоративное каменное литье: А. с. 1 289 851 СССР, МКИ' С 04 В 30/00 / Е. К. Назимова, Г. В. Вебер, А. А. Предовский. (СССР). 2 с.-12 853. Каменное литье: А. с. 114 649 СССР, МКИ' С 04 В 30/00 / JI.K. Тимофеева, И. В. Лошкарев. (СССР).- 3 с.

42. Каменное литье: А. с. 1 031 943 СССР, МКИ' С 04 В 30/00 /М.В. Недосеева, Л. К. Тимофеева, И. М. Ярославский. (СССР).- 2 с.

43. Каменное литье: А. с. 1 010 037 СССР, МКИ' С 04 В 30/00 / Л. К. Тимофеева, И. П. Мыщенкова, В. В. Нечаев. (СССР). 2 с.

44. Цветное каменное литье: А. с. 996 376 СССР, МКИ' С 04 В 30/00 / Н. Г. Джахва, Р. Д. Верулашвили, Ц. Г. Нанетворидзе. (СССР). 3 с.

45. Жаростойкое каменное литье: А. с. 992 471 СССР, МКИ' С 04 В 30/00 / А В. Косинская, Б. Х. Хан. (СССР).-1 с.

46. Кристаллизация шлакового литья / В. П Чернов, Ю. В Кочубеев, А. П. Коток и др. // Теория и технология металлургического производства Вып. 1.: Межрег. сб. науч. тр. МГТУ. -Магнитогорск: МГТУ, 2001. С. 183 — 188.

47. Изучение свойств шлаколитых изделий / Чернов В. П., Кочубеев Ю. В, Коток А. П., и др. // Теория и технология металлургического производства Вып. 2.: Межрег. сб. науч. тр. МГТУ. -Магнитогорск: МГТУ, 2001. С. 178 — 183.

48. Чернов В. П., Кочубеев Ю. В., Савинов А. С. Химическая стойкость шлакокаменного литья // Литейные процессы: Межрег. сб. науч. тр. МГТУ. Магнитогорск: МГТУ, 2002. — С. 189 — 191.

49. Чернявский И. Я., Зятькова Л. Р. К вопросу об оценке влияния состава на физико-химические свойства // Переработка промышленных отходов в строительные материалы: Сб. науч. тр. Челябинск: Урал НИИстромпроект, 1981. — С. 3 -19.

50. Краткий справочник доменщика.: Под ред. Е. Ф. Вегмана М.: Металлургия, 1981.-238 с.

51. Сталеплавильное производство. Справочник. Т. 2: Под ред. Ю. В. Самарина М.: Металлургия, 1964. — 1039 с.

52. Миляев А. Ф., Тухватулин И. Х. Выбор легирующих комплексов для разработки износостойких сталей с помощью нейросетей // Теория и технология металлургического производства. Вып. 2.: Межрег. сб. науч. тр. МГТУ. -Магнитогорск: МГТУ, 2001. С. 188 -193.

53. Камнелитые трубы / В. А. Чечулин, Э. Э Рут и др // Пути решения техн. пробл. литейн. произ-ва: Тез. докл. М:. 1971. — С. 170−171.

54. Юсупова А. И., Абдеева М. А. Получение труб из шлаков свинцово-цинковой промышленности // Теория и практика произв-вакамнелит. труб. Алма-Ата 1972. С. 74−81.

55. Чернов В. П., Савинов А. С., Кочубеев Ю. В. Влияние химического состава петрургического расплава на его физико-химические свойства // Литейные процессы: Межрег. сб. науч. тр. МГТУ. Магнитогорск: МГТУ, 2000. — С. 179 -183.

56. Чернов В. П Использование отходов металлургического производства для получения износостойких шлако-каменных отливок // Литейное производство. 2000. № 3. — С. 31 — 32.

57. Новые неметаллические материалы для износостойких деталей / В. П Чернов, В. М Колокольцев, АП Коток и др. // Прогрессивные технологии в машиностроении: Мат. Межд. Науч.-техн. конф. Одесса, 1999. — С. 35 — 39.

58. Сранительный анализ методов математического моделирования / В. П. Чернов, И. Х. Тухватулин, АС. Савинов и др. // Литейные процессы: Межрег. сб. науч. тр. МГТУ. Магнитогорск: МГТУ, 2002. — С. 221 — 225.

59. Чернявский И. Я. Расчет заполнения форм каменных и шлаковых отливок // Литейн. пр-во. 1975, № 9. С. 27 — 28.

60. Методика определения остаточных напряжений в изделиях из каменного и шлако-каменного литья // Свойства, способы переработки и использ. шлаков черн. металлургии. В. В Вагин., В. В. Ермаков, Д. А. Килесо, и др. Свердловск: УНТИ, 1986. — С. 62−68.

61. Чернявский И. Я., Зятькова Л. Р. К вопросу об оценке влияния состава на физико-химические свойства// Переработка промышленных отходов в строительные материалы: Сб. науч. тр. Челябинск: Урал НИИстромпроект, 1981. — С. 3 -19.

62. Тухватулин И. Х. Моделирование и разработка составов литейных износостойких сталей нейросетевым методом: Дис. на соиск. уч ст. к. т. н. / науч. рук. А. Ф. Миляев. Магнитогорск, 2002. — 189с.

63. Панкин Ю. П. Адаптивные сети с самостоятельной адаптацией / Препринт ТО № 4 Института биофизики СО РАН, Теоротдел. Красноярск, 1998. — 17 с.

64. Панкин Ю. П., Хлебопрос Р. Г. Нейроинформатика: самоадаптирующиеся нейронные сети в экологии (возможности сетей с поисковым поведением)// Инженерная экология. 1999. — № 2. — С. 28−37.

65. Панкин Ю. П. Некоторые методы самостоятельной адаптации для нейронных сетей // VI Всероссийская конференция «Нейрокомпьютеры и их применение» с международным участием «НКП-2000». М.: ИПРЖР, 2000. — С. 482 485.

66. Барцев С. И., Панкин Ю. П. Автоматизированное проектирование аналоговых нейропроцессоров // VI Всероссийская конференция «Нейрокомпьютеры и их применение» с международным участием «НКП-2000». М.: ИПРЖР, 2000. -С. 411−415.

67. Цыганков В. Д. Нейрокомпьютер и мозг. М.: Синтег, 2001. — 242 с.

68. Басканова Т. Ф., Панкин Ю. П. Алгоритмы самостоятельной адаптации для нейронных сетей / Препринт ТО № 5 Института биофизики СО РАН, Теоротдел. Красноярск, 1998. — 14 с.

69. Формовочные материалы и технология литейной формы. Справочник.: Под ред. С. С. Жуковского, Г. А. Анисовича М.: Машиностроение, 1993. — 431 с.

70. Жуковский B.C. Основы теории теплопередачи. JL: Энергия, 1969. — 224 с.

71. Курс общей химии. И. Н. Путилова, Г. Е Левант, Г. А. Райцын и др.- М.: Металлургия, 1964. 446 с.

72. Баландин Г. Ф. Основы теории формирования отливки. М.: Машиностроение, 1976;335 с.

73. Баскаков А. П., Гуревич М. И. Общая теплотехника. М.: Государственное энергетическое издательство, 1963. — 394 с.

74. Лебедев П. Д Щукин А. А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. М.: Энергия, 1978.-410 с.

75. Антонова А. М., Старых С. В., Старых П. В. Некоторые задачи теплопроводности, возникающие в камнелитейном производстве // Деп. в УкрНИИНТИ. -Киевский ун-т. Киев, 1985. № 540.

76. Физико-химические свойства окислов. Справочник.: Под ред. Г. В. Самсонов аМ.: Металлургия, 1978. 320 с.

77. Справочник физических свойств горных пород / Под ред. В. В. Ржевского и R Н. Протодьяконова. М.: Недра, 1975. — 279 с.

78. Корнилов И. И., Глазова В. В., Взаимодействие тугоплавких металлов переходных групп с кислородом. М.: Наука, 1971. 612 с.

79. Герасимов Я. И. Химическая термодинамика в цветной металлургии. М.: Металургиздат, 1963. — 238 с.

80. Термические константы веществ. Справочник: Под ред. В. П. Глушко М.: АН СССР, 1972. — 369 с.

81. Вол А. Е. Строение и свойства двойных металлических систем. М.: Физ-матгиз, 1962. — 621 с.

82. Кей Дж., Лэби Т. Таблицы физических и химических постоянных. Пер с англ. М.: ИЛ, 1962. 491 с.

83. Кржижановский Р. Е., Штерн З. Ю. Теплофизические свойства неметаллических материалов. Л: Энергия, 1973. 334 с.

84. Филипов Л. П. Прогнозирование теплофизических свойств жидкостей и газов. М: Энергоатомиздат, 1988. — 167 с.

85. Диаграмм состояния силикатных систем. Справочник.: Н. А. Торопов, В. П. Барзаковский, В. В. Лапин и др. М.: Наука, 1965. — 536 с.

86. Агеева Д. Л. Шведов Л. В. Диаграмы состояния окисных систем: В Зт. -М.: ВИНИТИ, 1976.-Т. 11.-110 с.

87. Зигель Р., Хауел Дж. Теплообмен излучением. Пер. с англ. М.: Мир, 1975. — 840 с.

88. Исаченко В. П., Осипова В. А. Теплопередача: Учебник для вузов. М.: Энергоиздат, 1981. — 416 с.

89. Щукин А. А. Промышленные печи и газовое хозяйство заводов. Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. М.: Энергия, 1973. — 224 с.

90. Воробьев М. Л. Новое в камнелитейном производстве // Литейное производство. 1972. — № 5. — С. 38.

91. Кристаллизация шлакового литья / В. П Чернов, А. С. Савинов, Ю. В. Кочубеев и др. // Теория и технология металлургического производства Вып. 1: Межрег. сб. науч. тр.: МГТУ. Магнитогорск: МГТУ, 2001. — С. 176−181.

92. Андреев С. М. Оптимизация режима нагрева металла в методических печах: дис на соиск. уч ст. к. т. н. / науч. рук. Б. К Парсункин. Магнитогорск, 2000. -153 с.

93. Могилев В. К Лев О. И. Справочник литейщика. Справочник. М.: Машиностроение, 1988. — 272 с.