Каменное литье

Каменным литьем принято называть сравнительно новый вид промышленного производства каменных изделий обладающих определенной формой и изготовленных путей кристаллизации расплавленных горных пород, искусственных смесей и шлаков.

 
Материалы из каменного расплава обладают высокой прочностью, износостойкостью и стойкостью в химически агрессивных средах. Это позволяет применять изделия для облицовки технологических аппаратов и узлов, работающих в наиболее тяжелых условиях, заменяя другие дорогостоящие материалы, в частности металлы.

 
Сырьем для получения каменного  литья служат горные порода магматического происхождения, преимущественно базальты и диабазы, обладающее пониженной вязкостью  в расплавах. По химическому составу  базальты более постоянны, и каменное литье из вех обладает высокой химической стойкостью и прочностью на истирание. Температура плавления их 1100-1450°С. Расплав базальта обладает хорошими литейными качествами и кристаллизуется в течение 5-15 мин. 
Температура, при которой расплавленный базальт превращается в твердое вещество, называется температурой замерзания или температурой кристаллизации. Обратное превращение вещества из твердого (кристаллического) состояния в жидкое, т.е. расплав, совершается тоже при строго определенной температуре, называемой температурой плавления. При постоянном давлении температура плавления и температура замерзания веществ определенного химического состава тождественны.  
В качестве сырья для получения светлого каменного литья используют кварцевый песок (45%), доломит (34%), мел иди мрамор (21%). Кроме основных материалов, в шихту для снижения температуры плавления добавляют плавиковый шпат (3%), а для отбеливания расплава – окись цинка (0,8%).

 

Перед загрузкой в печь сырьевые материалы измельчают, просеивают и  дозируют в заданном соотношении. 
Для плавки шихты используют шахтные, ванные, вращающиеся и электрические печи. Наиболее распространены ванные печи. Базальтовую шихту в ванных печах плавят при температуре 1450°С, Готовый расплав из ванны стекает в разливочный копильник, где охлаждается до 1250°С. 

 
Характерная особенность жидкого  состояния расплава заключается  в том, что составляющие его частицы  – ионы, атомы и молекулы находятся  непрерывно в сложно-хаотическом  – броуновском движении. С понижением температуры кинетическая энергия частиц уменьшается и движение их постепенно замедляется до тех пор, пока они утратят способность перемещаться в пространстве друг относительно друга. В таком состоянии конечное взаимное расположение этих частиц может быть упорядоченным, т.е. кристаллическим или беспорядочным – стекловидным.

 
Регулируя температурные условия  охлаждения расплава во времени, получают изделия каменного литья сой  или иной степени кристаллизации. Если же медленно кристаллизующийся  расплав подвергнуть быстрому охлаждению, он не закристаллизуется и превратится в стекло. Таким образом, основная сущность получения изделий каменного литья заключается в том, чтобы залитый в форму расплав закристаллизовать, подвергая его правильной температурной обработке. Охлаждение расплава перед разливкой благоприятно оказывается на структуре отливаемых изделий и уменьшает число усадочных дефектов (трещин, раковин). 
Для литья изделий применяют формы (кокили) из чугуна или жароупорной стали (постоянные формы), из силикатных материалов (временные формы) и земляные (одноразовые формы). Для уменьшения внутренних напряжений, возникающих при охлаждении, отливки подвергаются кристаллизации и отжигу. Степень кристаллизации расплава изменяется в зависимости от свойств расплава и размеров изделий. Кристаллизация и отжиг проводят в специальных печах (муфельных, туннельных, камерных) при температуре 800-900°С, затем изделия перемещают в зону отжига, а откуда на склад готовой продукции.

 

Технические свойства различных видов  каменного литья по некоторым  показателям во много раз превышают свойства естественных камней магматического происхождения. 
Изделия из каменного литья обладают следующими физико-техническими свойствами: 
– плотность 2900-3000 кг/м³; 
– предел прочности при сжатии 300-400 МПа, в отдельных случаях 1000 и даже 2000 МПа 
                              при изгибе – 60-65 МПа; 
– потери при истирании – 0,05-0,06 г/см²; 
– химическая стойкость – 99,0-99,8%; 
– твердость 7-8 и выше; 
– коэффициент теплопроводности – 0,85. 

Каменное литье обладает высокими электроизоляционными свойствами, отдельные виды его огнеупорны, стекло- и щлакоустойчивы. Стойкость изделий каменного литья по отношению к корродирующему воздействию растворов солей, кислот и оснований ставит его на первое место среди известных в настоящее время химически стойких материалов. 
Благодаря высоким техническим свойствам область применения изделий каменного литья с каждым годом расширяется.

 

Каменное литье широко используется в угольной, горно-обогатительной и  металлургической промышленности для футеровки бункеров, течек, корпусов флотационных машин и т.д. Каменное литье широко используется в химической промышленности для кладки и футеровки кислотовместилищ, реактивных ванн, химически стойких аппаратов и сосудов, трубопроводов, желобов и т.д. Плитки из каменного литья с успехом заменяют металл; их используют для полов в цехах с агрессивными средами и для футеровки аппаратов, подверженных сильному истирающему воздействию. 
Стойкость каменного литья по отношению к атмосферным реагентам делает его незаменимым материалом для художественно-декоративной отделки зданий и сооружений. Из него изготовляют дорожные знаки, скульптуры, архитектурные украшения и т.д. 
Цвет и окраска изделий каменного литья зависит от химического состава отливки. Такие красящие окислы, как Fe₂O₃, TiO₂, MnO₂, Cr₂O₃ и другие, окрашивают изделия в темные и даже черные цвета. Отсутствие этих окислов дает возможность получать светлоокрашенные даже относительно белые изделия. 
Стоимость каменного литья, особенно светлого, сравнительно высока. Однако, если отнести стоимость изделий к сроку их службы, то применение каменного литья оказывается экономически выгодный.

 

 

 

 

К основным направлениям переработки металлургических шлаков наряду с производством вяжущих, заполнителей и бетонов на их основе относится получение материалов из шлаковых расплавов — шлаковой ваты, литых материалов, стекла и шлакоситаллов.

 

Эти строительные материалы объединяют общность сырьевой базы, включающей шлаки черной и цветной металлургии, стекловидная или стеклокристаллическая структура, возможность изготовления их непосредственно из шлаковых расплавов.

 

Шлаковая вата — это разновидность  минеральной ваты, занимающей ведущее  место среди теплоизоляционных  материалов как по объему выпуска, так  и по строительно-техническим свойствам.

Примерно 80% минеральной ваты производится из доменных шлаков. Для получения  минеральной ваты наряду с доменными  шлаками применяются также ваграночные, мартеновские и шлаки цветной  металлургии.

 

Химический состав шихты подбирается  в соответствии с условиями достижения оптимальной величины вязкости расплава. Рекомендуется такой состав шихты, при котором вязкость расплава не превышала бы 0,5 Пас при 1500 °С и 1,5 Пас при 1400 °С. При такой вязкости обеспечиваются достаточная текучесть и необходимые условия получения кондиционного минерального волокна.

Вместе с тем при чрезмерно  низкой вязкости затрудняется вытягивание  длинных волокон.

 

Условия раздува расплава, диаметр и длина волокон зависят  также от скорости нарастания вязкости при снижении температуры и отношения  вязкости к силам свободной энергии  поверхности расплава, т. е. от поверхностного натяжения.

Основным критерием  качества шлаков, как сырья для производства минеральной ваты, является значение модуля кислотности Мк — величины, обратной модулю основности. Минеральная вата марки 100 по средней плотности имеет Мк> 1,4, а марки 75 — Мк > 1,5.

 

Требуемое соотношение  кислотных и основных оксидов в шихте обеспечивается применением кислых шлаков. Кислые шлаки более устойчивы против распада, недопустимого в минеральной вате. Повышение содержания кремнезема расширяет температурный интервал вязкости, т. е. разность температур, в пределах которых возможно волокнообразование. Модуль кислотности шлаков корректируется введением в шихту кислых или основных добавок. В качестве кислых добавок обычно применяют бой глиняного или силикатного кирпича, золу теплоэлектростанций, различные кремнеземистые горные породы, а основными являются доломиты и известняки.

 

Для шлаков, содержащих повышенное количество оксидов железа и марганца, дополнительной качественной характеристикой  является коэффициент насыщения, представляющий собой отношение суммы процентного содержания Si02 + A1203 к суммарному процентному содержанию прочих оксидов. Этот коэффициент при плавке шихты в вагранках составляет 1,5—2.

 

Технологический процесс  производства шлаковой ваты , как и других разновидностей минеральной ваты, состоит из двух основных стадий: получения расплава и переработки его в волокно. Из шлаковой ваты с помощью органических и неорганических вяжущих или без них изготавливают разнообразные теплоизоляционные изделия и материалы.

Для получения шлаковых расплавов применяют печи шахтного типа (вагранки) и ванные печи. При использовании вагранок в верхнюю их часть периодически загружается газопроницаемая шихта. Оптимальная величина кусков шлака и кокса составляет 50—70 мм. Шихта опускаясь вниз, расплавляется. Продукты горения топлива поднимаются вверх и передают тепло расплавляемому материалу.

 

Наиболее выгодным шлаковым сырьем является литой шлаковый щебень. Использование его вместо несортированных  шлаков повышает производительность вагранок на 30%.

В последние годы для  плавления шлаков применяют ванные печи, тепловой КПД которых составляет 35—45%, в то время как у вагранок он 16—25%.

Наиболее эффективным  способом производства ваты является ее получение непосредственно из первичных шлаковых расплавов доменных печей. Расплавленный шлак подогревается в ванных печах до требуемой температуры; здесь же корректируется его состав.

 

Производство минеральной  ваты из огненно-жидких шлаков на 30—50% экономичнее, чем из холодных при  плавке в вагранках. Затраты условного  топлива на получение 1 т продукции из жидких шлаков в 4— 7 раз ниже, чем при плавлении шихты из горных пород.

Шлаковый расплав превращают в минеральное волокно, воздействуя  на него потоком пара, воздуха или  газа (дутьевой способ) или центробежной силой (центробежный способ).

 

 Дутьевой способ получения шлаковой ваты заменяется на центробежный и комбинированный способы, позволяющие получить длинноволокнистую вату с плотностью до 100 кг/м3 и минимальным содержанием неволокнистых включений.

 

Вату в зависимости  от назначения изготавливают трех типов: для производства плит повышенной жесткости из гидромассы, плит горячего прессования, полусухого прессования марки 200 и других изделий на синтетическом связующем — А; плит марок 50, 75, 125, 175, цилиндров, полуцилиндров на синтетической связующем, матов, шнуров и волокна — Б; плит на битумном вяжущем — В.

Технические показатели ваты указаны в табл. 2.13. Содержание органических веществ в вате должно быть не более 2%. Допустима изоляция поверхностей с температурой не более 700 °С.

На основе минеральной ваты изготавливают изделия различной формы с использованием в качестве связующих синтетических полимеров, битумов, эмульсий и паст. Основными видами изделий являются мягкие, полужесткие и жесткие плиты, цилиндры, полуцилиндры.

 

 

Ситаллы представляют собой стеклокристаллические материалы, получаемые из стекла в результате его полной или частичной кристаллизации. По внешнему виду ситаллы могут быть темного, коричневого, серого и кремового цветов, глухие (непрозрачные) и прозрачные. Материал обладает большой прочностью (до 5000 кГ/см2) и высокой стойкостью к химическим и тепловым воздействиям, хорошими диэлектрическими свойствами и может широко использоваться для производства различных электро- и термостойких изоляторов.

 

Ситаллы получают методом вытягивания, выдувания, прокатки и прессования, добавляя к стеклянным расплавам специальные вещества (минерализующие катализаторы), улучшающие кристаллизацию: соединения фторидов или фосфатов щелочных или щелочноземельных металлов, способных легко кристаллизоваться из расплавов. По сравнению с производством изделий из1 стекла технология ситаллов несколь^ ко сложнее — требуется дополнительная термическая обработка, в процессе которой происходит превращение стекла в стеклокристалличе-ское состояние.

На основе ситаллов получают различные клей для склеивания металла, стекла, керамики. Ситаллы могут использоваться и в виде конструктивного и отделочного материала в промышленном и гражданском строительстве.

 

Ситаллопласты — материалы, получаемые на базе пластических масс (фторопластов) и ситаллов. Они обладают высокой износоустойчивостью и химической стойкостью. Для изготовления ситаллопластов ситаллы измельчаются до получения порошка заданного гранулометрического состава. В дальнейшем процесс не отличается от технологии изготовления пластмасс, с той, однако, разницей, что с добавкой ситал-ла удадка пластмассы меньше. Ситаллопласты находят применение в качестве антифрикционных и конструктивных материалов, а также могут использоваться в промышленности, где ни. ситаллы, ни пластмассы, отдельно взятые, не удовлетворяют требованиям высокой пластичности, износоустойчивости и химической стойкости.

Шлакоситаллы и изделия из них. Большое внимание в производстве

строительных материалов уделяется  использованию местного сырья и

отходов других отраслей промышленности. Одним из новых микрокри

сталлических материалов, получаемых из огненно-жидких металлурги

ческих шлаков, являются шлакоситаллы. В настоящее время освоен

выпуск листового и прессованного  шлакоситалла и изоляторов на осно

ве холодных гранулированных металлургических доменных шлаков.

Шлакоситалловые изделия характеризуются  высокими физико-тех

ническими свойствами, обладают высокой  износоустойчивостью, проч

ностью, стойки к химической агрессии, хорошо сопротивляются атмос