Выбор оптимального состава защитных покрытий для металлотрактов для литья алюминиевых сплавов

Введение 7
1 Огнеупорные материалы: свойства, разновидности 10
1.1 Огнеупорные материалы в производстве алюминиевых сплавов 10
1.2 Анализ действующей технологии 28
2 Защитные огнеупорные покрытия: взаимодействие с расплавленным алюминием, требования, способы нанесения 32
2.1 Защитные покрытия футеровки металлотрактов при работе с алюминиевыми расплавами. 32
2.2 Взаимодействие алюминиевого расплава с огнеупорными материалами 32
2.3 Адгезия, когезия, поверхностное натяжение и смачивание огнеупорных материалов расплавом алюминия 35
2.4 Исходные материалы для приготовления защитных покрытий 43
2.5 Способы нанесения защитных покрытий 46
2.6 Требования, предъявляемые к защитным покрытиям при литье алюминиевых слитков 47
3 Исследование компонентов защитного покрытия 49
Заключение 53
Список сокращений 56
Список использованных источников 57

Весь текст будет доступен после покупки

Достижения промышленности в настоящее время тесно связаны с развитием конструкционных материалов и сплавов. В последние годы в стремлении к облегчению силовых конструкций и повышению технологичности в алюминиевой промышленности стали активно развивать алюминиевые сплавы и композитные материалы на их основе.
Алюминиевая промышленность на сегодняшний день занимает первое место по производству готовой продукции в цветной металлургии.
По итогам семи месяцев 2022 года мировые алюминиевые предприятия выпустили в общей сложности 39,538 млн. т. металла. Если проанализировать объемы выпуска прошлых лет, можно сделать вывод о том, что мировые предприятия сохраняют производственные показатели на прежнем уровне. По сравнению с 2021 годом общемировой прирост выпуска товарного алюминия составил 0,3 %.
Россия и странны Восточной Европы в первой половине 2022 года выпустили 2,397 млн. т. металла, сократив производительность на 1,2 %. В то же время на 1,1 % увеличились объемы производства в Китае и составили 23,171 млн. т. алюминия за тот же период.
Самые высокие темпы роста в Международном институте алюминия зафиксированы в Китае. За июль 2022 года алюминиевые предприятия страны выпустили 5,848 млн. т. готовой продукции – что на 2,1 % больше, чем в июле 2021 года. Страны Восточной Европы и Россия в сумме выпустили около 350 тыс. тонн металла, что равнозначно показателю 2021 года.

Весь текст будет доступен после покупки

1.1 Огнеупорные материалы в производстве алюминиевых сплавов

Огнеупорными материалами называют материалы, изготовленные на основе минерального сырья и отличающиеся способностью сохранять без существенных нарушений функциональные свойства в разнообразных условиях службы при высоких температурах. [3]
По принятой классификации, огнеупорные изделия подразделяют по следующим основным признакам: химико-минералогическому составу, огнеупорности, пористости, способу формования, термической обработке, форме и размерам.
Пригодность различных видов огнеупорных материалов для эксплуатации в тех или иных условиях определяется совокупностью их свойств. Важнейшие свойства, которыми должны обладать огнеупоры, можно разделить на следующие группы: микроструктура, макроструктура, механическая прочность, термомеханические, теплофизические, термические, химические, электрофизические свойства, точность формы и размеров.
Микроструктура – показывает природу кристаллических фаз, характер их строения, сочетание со стекловидной фазой и порами.
Макроструктура – количественно оценивает соотношение и взаимное распределение зерен вещества и пор. Макроструктура огнеупорного материала характеризуется пористостью, газопроницаемостью и удельной поверхностью [4].
Пористость – совокупная характеристика размеров n-го количества пор в огнеупорном материале. Огнеупорные материалы, по пористости подразделяется на общую (истинную), открытую (кажущуюся), закрытую, непроницаемую (тупиковые поры, «мешки», мертвое пространство и др.), проницаемую (эффективную), некапиллярную, капиллярную, канальную (>5 мкм), неканальную (<5 мкм) [3].
Газопроницаемость – функция среднего поперечника пор. Наибольшая газопроницаемость соответствует размеру пор 20 – 100 мкм так как проникновение, например, шлака в огнеупор зависит от размера пор. В то же время зависимость между «шлакоразъеданием» и газопроницаемостью является не линейной и пока недостаточно выяснена. Единицей газопроницаемости служит перм (Пм). В качестве практической единицы газопроницаемости принят наноперм (нПм), равный 10-9 Пм.
Прочностные свойства огнеупоров оцениваются величинами временной прочности при сжатии, изгибе, кручении и растяжении. Широко используют лишь первые две оценки прочности.
Термомеханические свойства огнеупоров включают в себя кратковременную прочность при высоких температурах, температуру начала деформации под нагрузкой 2 кгс/см2, пластическую деформацию (ползучесть) и длительную прочность в области температур службы (при пластической деформации).
Теплофизические свойства огнеупорных материалов включают в себя теплопроводность, термическое расширение, испаряемость.
Термические свойства включают в себя огнеупорность, постоянство объема при высоких температурах, термическую стойкость и термическое старение.
Химическая стойкость – способность огнеупорных изделий противостоять растворяющему или разрушающему действию жидких, твердых или газообразных веществ. При этом оценивая химическую стойкость, обычно рассматривают явления на границе огнеупор – расплав, процессы смачивания, растекания расплавов и их химического взаимодействия.
К электрофизическим свойствам огнеупоров относят электропроводность, диэлектрическую проницаемость, диэлектрические потери и электрическую прочность. В практических условиях обычно определяют величину электропроводности, а другие характеристики оценивают лишь для специальных целей. [4]
Динас – огнеупорный материал с содержанием > 93 % SiO2, изготовленный из кварцевых пород на известковой или иной связке и обожженный при температуре, обеспечивающей полиморфное превращение в модификации более низкой плотности – тридимит и кристобалит. Химический состав динасовых огнеупоров приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Химический состав динасовых огнеупоров.
Соединение Содержание, %
SiO2 93–98,5
А12О3 0,1– 2,5
TіО2 до 2,0
Fe2O3 0,2–2,5
CaO 0,2 - 3,0
MgO до 0,7
R2O до 0,4

В непосредственной связи с химическим составом находится окраска динаса. Многочисленными исследованиями установлено, что окраску динаса нельзя считать признаком его качества. Огнеупорность качественного динаса, как правило, составляет 1 700 – 1 720 оС.
Колебания фаз в промышленном динасе существенны %: кварц 0 – 50; кристобалит 10 – 80; тридимит 10 – 80; псевдоволластонит 0 – 5; окислы железа 0 – 1,5; стекловидное вещество 5 – 20.
Открытая пористость динаса изменяется в широких пределах в зависимости от плотности изделий. У массовых огнеупоров она составляет
18 – 25 %, а у высокоплотных и плотных 8 – 12 %. Средний размер пор высокоплотного динаса 0,5 мкм, а обычного 18 – 20 мкм.
Для динасовых огнеупоров установлено два максимума на кривой распределения пор. Например, у мартеновских марок динаса 1 – 4 и 20 мкм.
Кажущаяся плотность изделий изменяется от 0,45 г/см3 у легковесных и до 2,18 г/см3 у плотных. У массовых изделий она составляет 1,80 – 1,94 г/см3.
Коэффициент газопроницаемости динаса находится в пределах 1 – 1,25 нПм, а предел прочности при сжатии при обычной температуре 300 – 620 кгс/см2. При нагревании прочность динаса уменьшается, при этом наиболее существенно выше 1 000 оС.
Температура начала деформации динасовых огнеупоров на 10 – 20 оС ниже температуры плавления тридимита и составляет 1 640 – 1 660 оС.
Теплопроводность динаса относительно небольшая и повышается с увеличением температуры.
Коэффициент теплопроводности мартеновского динаса и электродинаса при 200 – 1 400 оС составляет от 1,1 – 1,25 до 1,65 – 1,95 ккал/(м*ч* оС).
Термостойкость динасовых огнеупоров крайне низкая, но не превышает
1 – 2 теплосмен (1 300 оС – вода).
Динас – кислый огнеупор, поэтому его интенсивно разрушают основные оксиды и шлаки. Динасовые огнеупоры могут разрушаться оксидами углерода вследствие отложения в порах сажистого углерода. Активные катализаторы этой реакции – металлические железо, кобальт, никель, хром. Разрушающее действие на огнеупор так же оказывает метан (при 900 оС) и водород (при температуре > 975 оС).
Динас хорошо противостоит кислым шлакам, действию хлора (при 1 000 оС), этилена (до 800 оС), парам и расплавам кадмия, цинка олова. Медью динас не корродируется, вольфрам взаимодействует с кремнеземом при 1 600 оС, а молибден при 1 500 оС.
Железо и многие нежелезистые расплавленные металлы не смачивают кремнезем и динасом обычно не впитываются. При действии железа на кремнезем в восстановительных условиях силикатный расплав не образуется, в то время как в окислительных условиях наблюдается образование расплава с низкой вязкостью и кремнезем интенсивно растворяется.
Большое влияние на стойкость динаса при эксплуатации оказывает его взаимодействие с другими огнеупорными изделиями. При 1 500 оС динас взаимодействует с магнезитовыми и шамотными огнеупорами. При 1 600 оС это взаимодействие усиливается, а при 1 650 оС наблюдается их полное взаимное разрушение. В этих же условиях контакт динаса с хромомагнезитовыми и высокоглиноземистыми огнеупорами не приводит к их разрушению.
При необходимости создания между динасом и огнеупором, который может с ним взаимодействовать, нейтральной прослойки, могут быть успешно использованы мертель из хромита или хромитового кирпича, а также высокоглиноземистые огнеупоры.
Алюмосиликатные огнеупоры – полукислые, шамотные, каолиновые и высокоглиноземистые характеризуются последовательным изменением соотношения оксидов Al2О3 и SiО2, которые в их составе являются основными. Содержание Al2О3 в алюмосиликатных огнеупорах изменяется в широких пределах.
Изменению химического состава алюмосиликатных огнеупоров соответствует изменение их фазового состава, что предопределяет различие и в физико-химических свойствах.
Шамотными – называют огнеупорные изделия с содержанием 28 – 46 % Al2О3 изготовленные путем обжига сырца, сформованного из смеси огнеупорных глин или каолинов и шамота (шамот – обожженная до спекания глина).
В зависимости от исходного сырья различают шамотно-каолиновые огнеупоры, которые изготовляют с применением каолина, и обычные шамотные огнеупоры, изготовляемые из одних огнеупорных глин.
По количеству шамота в массе различают бесшамотные и малошамотные изделия, когда количество шамота в массе не превышает 20 – 30 %, шамотные 40 – 65 % шамота и многошамотные – более 80 % шамота.
Шамотные огнеупоры – наиболее массовые огнеупорные изделия. Они широко выпускаются отечественной промышленностью. Так как шамотные изделия готовят самого различного вида и назначения, то они могут существенно отличаться по свойствам. Химический состав и типичные значения свойств шамотных огнеупоров приведены в таблице 2 и 3 соответственно.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Алюминий: объемы производства, уровень спроса и прогноза // Портал для недропользователей : официальный сайт. – 2022. – URL: https://dprom.online/metallurgy/rinok-alyumeeneeya-obzor-2022/ (дата обращения: 15.05.2023).
2. Электронный журнал : сайт / Коммерсантъ // Деятельность «Русала». 2022. – URL: https://www.kommersant.ru/doc/5269679 (дата обращения: 15.05.2023).
3. ГОСТ 28874-2004. Огнеупоры. Классификация = Refractories. Classification : межгосударственный стандарт : издание официальное : внесен Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии : принят Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации протоколом № 26 от 8 декабря 2004 г. : введен впервые : дата введения 2006-01-01 / разработан ОАО "Санкт-Петербургский институт огнеупоров" (ОАО "СПбИО"), Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 9 "Огнеупоры". – Москва : Стандартинформ, 2005. – 20 с.
4. Багров, О. Н. Справочник теплоэнергетика предприятий цветной металлургии : справочник / О. Н. Багров, З. Л. Берлин ; Издательство «Металлургия». – Москва : 1982г. – 456 с.
5. Будников, П. П Химическая технология керамики и огнеупоров : учебник для студентов химико-технологических специальностей вузов / П. П. Будников, Д. Н. Полубояринова ; Издательство литературы по строительству. - Москва : Стройиздат, 1972. – 552с.
6. Электронный журнал : сайт / Про бетон // Огнеупорный (огнестойкий) бетон: виды и область применения. 2023. – URL: https://nordtool.ru/pro-beton/ogneupornyj-sostav.html (дата обращения: 17.05.2023).

Весь текст будет доступен после покупки