Разработка составов ТИС

В. В. Назаратин

Литейное производство. 2008. № 12. С. 27...32

Теплоизоляционные изделия, используемые в ли­тейном производстве, должны обладать комплек­сом следующих свойств:

• высокой огнеупорностью;
• хорошими изолирующими свойствами (низкой теплопроводностью), предопределенными низ­кой плотностью изделия;
• достаточной манипуляторной прочностью;
• низкой газотворной способностью;
• достаточной эрозионной стойкостью.

Сами теплоизоляционные смеси (ТИС) в процессе изготовления изделий должны иметь не­обходимый уровень технологических и санитарно-гигиенических свойств. В качестве основных крите­риев оценки эксплуатационных свойств теплоизоляци­онных изделий были выбраны плотность и прочность.

Прочность изделий должна соответствовать условиям транспортировки, технологических мани­пуляций и применения. Из опыта работ со стержне­выми смесями было принято, что изделия из ТИС должны обладать прочностью >1 МПа.

Плотность пропорциональна теплопроводности, определяющей теплоизоляционные свойства смеси. Известно, что существенным теплоизоляционным эф­фектом и низким коэффициентом теплопроводности (по сравнению с условиями охлаждения прибыли в песчаных формах) обладают смеси с удельной плот­ностью <1...1,2 г/см³. Также известно, что теплопро­водность песчаных формовочных смесей в интерва­ле 20...1500 °С возрастает от 0,6 до 1,7  Вт/(м∙°С).

Рис. 1. Влияние содержания ЖС на прочность sigma (а) и плотность ρ (б) смесей на Кузнецкой (1...3) ρжс = (1,25; 1,32; 1,47) г/см3; Экибастузской (4) ρжс = (1,35; 1,40; 1,47) г/см3 и Подмосковной (5...7) золе ρжс =(1,2; 1,32; 1,47) г/см3

В связи с этим стояла задача - разработать состав ТИС на основе зол-уносов ТЭС, обладаю­щих при достаточно высокой прочности минималь­но возможными плотностью и теплопроводностью, при которых достигается существенный теплоизоля­ционный эффект.

Методика исследований

Исследования и разработку составов ТИС про­водили с использованием зол-уносов углей Экибастузского (Рефтинская ГРЭС), Подмосковного (ТЭС-17, Ступино) и Кузнецкого (ТЭЦ-22, Москва) месторож­дений (выбор зол сделан по рекомендации [1]). В качестве исходных связующих были выбраны хо­рошо исследованные и широко используемые в ли­тейном производстве жидкое стекло (ЖС) и ортофосфорная кислота (ОФК). Учитыва­ли их дефицитность, нетоксичность, отсутствие за­паха, возможность гарантированно получать тре­буемую прочность и другие технологические свойства.

При изучении влияния содержания связующего различной плотности на прочность смесей плот­ность ЖС варьировали от 1,2 до 1,47 г/см³, а плотность экс­тракционной ОФК составляла 1,3 г/см³. Количество связующего изменяли от 15 до 50 масс. ч. Смеси изготовляли в бегунах. Образцы уплотняли на копре и отверждали при 200 °С.

Определяли живучесть смеси. Исследовали плот­ность и прочность (на сжатие) образцов, термо­стойкость, влияние температуры на плотность и теплопроводность ТИС. Весь комплекс исследований выполняли по известным стандартным методикам.

На этапе I исследований выяснили, что ЖС, по сравнению с ОФК, менее чувствительно к колеба­ниям состава зол и дает более стабильные резуль­таты. Оказалось, что идентичные по прочности и плотности свойства смесей при использовании ЖС и ОФК можно получить лишь на золе Кузнецкого месторождения. Для достижения же необходимой прочности смесей с ОФК на Экибастузских и Под­московных золах требуется введение добавок, рез­ко увеличивающих плотность смесей и снижающих их теплоизоляционные свойства. В связи с этим дальнейшую отработку составов смесей вели с ис­пользованием ЖС в качестве связующего.

В работе также был опробован способ снижения плотности смесей введением легковесных добавок вспученного перлита объемной массой 0,2 г/см³ (5...15 масс. ч.).

Влияние содержания связующего на плотность и прочность смесей

Зависимость прочности (σ) и плот­ности (ρ) смесей от количества и плотности ЖС представлены на рис. 1. Из графиков видно, что смеси на золе Кузнецкого месторождения имеют большую прочность при меньшем содержании свя­зующего, но и более высокую плотность.

При плотности связующего ρ = 1,25...1,32 г/см³ плотность и прочность смесей достигают максималь­ных значений (соответственно, 1,2 г/см³ и 13 МПа) при 25...30 масс. ч. связующего. При увеличении плотности связующего до исходной плотность смеси уменьшается до 0,95 и 1,1 г/см³ при 20 и 30 масс. ч. ЖС, соответственно.

Смеси на Подмосковных золах имеют меньшую плотность (0,8...1 г/см³) и более высокие прочностные ха­рактеристики (до 6 МПа), чем смеси на золах углей Кузнецкого месторождения. Однако получение та­ких смесей связано с введением в их состав боль­шого количества связующего (30...50 масс. ч.).

Такое качественное различие смесей на разных золах можно объяснить формой и структурой частиц золы, определяющих плотность их упаковки. Золы Кузнецких углей находятся в аморфно-порошкооб­разном состоянии, представляют собой смесь остек­лованных частиц, преимущественно, сферической формы, вследствие чего имеют более плотную упа­ковку, по сравнению Экибастузскими и Подмосков­ными золами. Частицы этих зол представляют со­бой смесь частиц пемзообразного вида неправиль­ной формы, склонных к менее плотной упаковке и требующих для смачивания разветвленных ребрис­тых поверхностей большее количество связующего.

Исследования плотности и прочности составов смесей на Экибастузских золах показали, что они по свойствам занимают промежуточное положение между Кузнецкими и Подмосковными. Экибастузские золы позволяют получить стабильную низкую плотность 0,9...1,0 г/см³ и высокую прочность от 3 до 5...7 МПа при низком содержании связующего (10...20 масс. ч.). При увеличении содержания свя­зующего до 30...40 масс. ч. их прочность резко воз­растает и достигает 10...14 МПа при сохранении плотности смесей на уровне < 0,95...1,0 г/см³.

Рис. 2. Влияние содержания легкого наполнителя на прочность а (1, 2) и плотность р (3, 4) смеси с содержанием ЖС ρжс = 1,323: 1, 3 - Подмосковная зола, 20 масс. ч. ЖС; 2, 4 - Кузнецкая зола, 50 масс. ч. ЖС характерная особенность этих смесей - их свойства практически не зависят от изменения плотности связующего, поэтому на графиках даны усреднен­ные значения плотности и прочности смесей.

Из представленных данных следует, что смеси на Экибастузских и Подмосковных золах по иссле­дуемым свойствам в большей степени отвечают требованиям, предъявляемым к теплоизоляционным литейным материалам.

Была сделана попытка снизить плотность сме­сей и увеличить их теплоизолирующие свойства введением легковесных добавок, в частности, вспу­ченного перлита с объемной массой (0,23 г/см³) в несколько раз меньшей, чем у золы. На рис. 2 даны зависимости свойств смеси от содержания в ней вспученного перлита. Введение перлита требует повышенного содержания связующего для смеси на Подмосковной золе. Исследования показали, что > 15 масс. ч. перлита в смеси делает ее нетехноло­гичной - резко падает прочность и возрастает осыпаемость. Нецелесообразно введение <10 масс. ч. перлита в смесь на Подмосковной золе, поскольку плотность 0,65...0,9 г/см³ можно получить без пер­лита на золе с ЖС плотностью 1,25...1,323 г/см³.

В литейной практике теплоизоляцию для утепле­ния прибылей стальных отливок применяют в широ­ком диапазоне размеров от d 100 до 1000 мм и более [2]. Плотность теплоизоляции может изме­няться при этом от 0,3 до 1,0...1,3 г/см³ в зависи­мости от вида литья и размеров прибылей или над­ставок слитков. На рис. 3 дана результирующая за­висимость прочности теплоизоляции от плотности, по­зволяющая выбирать параметры смеси плотностью 0,75...1,2 г/см³.

Данные исследований, представленные на рис. 1...3, позволяют выбирать и оптимальные составы сме­сей для получения характеристик, учитывающих условия применения теплоизоляции. Проверка жи­вучести смесей показала, что за 6 ч прочность не изменяется, ее падение через 24 ч составляет 25 % для смесей на ЖС и 10 % для смесей на ОФК.

Рис 3. Влияние плотности смеси на прочность: • - Куз­нецкая зола + перлит + ЖС; x - Кузнецкая зола + ЖС; o - Подмосковная зола + перлит + ЖС; □ - Подмосков­ная зола + ЖС; А - Экибастузская зола + ЖС

Исследование термостойкости смеси

Термостойкость смеси определяли по стандарт­ной методике на приборе "G. Fisher" при 1000...1200 °С под воздействием нагрузки 0,4 МПа (вре­менным интервалом с начала приложения нагрузки до разрушения образца).

Исследовали смеси на основе Экибастузской золы со связующими на ЖС и ОФК. Результаты срав­нивали с термостойкостью обычной песчаной ЖС-смеси. Составы исследуемых смесей 1...3, масс, ч., и их механические свойства приведены ниже.

Температурное изменение плотности и тепло­проводности теплоизоляционных смесей

Интенсивность теплопередачи в ТИС, представ­ляющих собой капиллярно-пористые системы, свя­зана с теплопроводностью и зависит от их структу­ры, количества добавок, связующих, а также от объемной массы или плотности смеси.

Плотность ТИС в процессе затвердевания под воздействием металлостатистического давления и температуры будет изменяться во времени. Нали­чие в составах смесей ЖС, глины, перлита предпо­лагает уплотнение смеси в процессе ее прогрева. В то же время наличие в золе углерода и летучих веществ может приводить к вспучиванию смесей и увеличению объема пор и, следовательно, умень­шению ее плотности. В связи с этим особенности изменения свойств теплоизоляции на основе зол-уносов исследовали, изучая закономерности изме­нения плотности смеси и ее теплопроводности в зависимости от температуры.

Зависимость плотности смесей от температуры

При исследовании кажущейся плотности, представ­ляющей собой отношение массы тела ко всему за­нятому им объему, включая поры, определяли плот­ность образцов методом гидростатистического взвешивания. Исходную плотность просушенных образцов находили при 20 °С.

Влияние температуры на плотность исследовали при 300...1400 °С с интервалами в 100 °С, для чего образцы обжигали 30 мин при заданной темпера­туре. Для сравнения, исследовали смеси на основе диатомита и кварцевого песка. Составы и свойства исследуемых смесей приведены в табл. 2, а химсостав зол - в табл. 3. Результаты исследований представлены на рис. 4.

Результаты исследований представлены в табл. 1 (время до разрушения образца под нагрузкой для 1 и 2 в с, 3 - в мин).

Как следует из табл. 1, песчаная ЖС-смесь / и ТИС 2 имеют практически одинаковую термостойкость. ТИС 3 на ОФК обладает термостойкостью, многократно превышающей это свойство у смесей 1 и 2. Образцы не разрушались 15 мин, после чего испытания прекратили.

Таблица 1

Видно, что при изменении температуры от 20 до 800 °С плотность смесей, полученных на основе зол Кузнецких и Подмосковных углей, несколько уменьшается, а для смесей на Экибастузской золе, песке и диатомите - практически не изменяется. В интервале от 800 до 1100...1200 °С для всех сме­сей наблюдается резкое увеличение плотности до 2 г/см³. С дальнейшим повышением температуры плотность смесей на песке и диатомите сохраняет­ся на предельно высоком уровне (> 2 г/см³) и даже продолжает расти. Для смесей же на основе зол наблюдается резкое падение плотности до исход­ных значений и ниже, что вызвано вспучиванием и разрыхлением смесей за счет интенсивного выгорания в этом интервале темпе­ратур остатков углерода. В отли­чие от обычных песчаных сме­сей, вспучивание зол-уносов по­зволяет сохранить теплоизоляци­онные свойства этих смесей прак­тически на исходном уровне, при­чем в интервале температур, со­ответствующем реальным усло­виям затвердевания прибыли.

Таблица 2

Таблица 3

Несмотря на то, что в экспе­риментах не учитывали факторы, связанные с металлостатическим давлением, условиями отвода га­зов, взаимодействием металла и смеси на поверхности раздела и др., в какой-то степени влияющие на теплопроводность, картина распределения плотности смеси в интервалах реальных темпера­тур прогрева (<1400 °С) по сече­нию теплоизоляционного слоя бу­дет близка к полученной на об­разцах.

Анализ результатов показы­вает, что наилучшими парамет­рами изменения плотности при 20...800 °С обладают смеси на Экибастузской золе.

Определение теплопровод­ности смесей

Зола-унос топлива в общем случае - это смесь кристаллической и аморфной фаз (с преобладанием стекловидной). Теплопроводность золовых сме­сей, в основном, зависит от их плотности и пористости. Тепло­проводность пор обусловлена конвекцией внутри пор и пере­дачей тепла излучением.

Теплопроводность золы как многофазной и пористой струк­туры трудно поддается каким-ли­бо закономерностям и во мно­гом зависит не только от ориен­тации кристаллических фаз, но и от формы и размеров пор. При высокой пористости материала последний фактор наиболее существенен.

Измерение теплопроводности может быть выполнено двумя методами: при стационарном и нестационарном тепловом режиме. При стационарном тепловом режиме искомая величина теплопроводности λ,  Вт/м∙°С, может быть определена из зависимости:

q = dt/(λ/δ)
где q - величина теплового по­тока, Вт;
dt - перепад темпера­тур направленного теплового по­тока,  °С;
δ - толщина образца, м.

Методы определения тепло­проводности, базирующиеся на нестационарном режиме, изме­ряют фактически температуро­проводность, к тому же они ме­нее надежны и имеют малую точность применительно к порис­тым материалам, к которым от­носятся золовые смеси.

Рис. 4. Зависимость плотности о температуры образцов на основе золы Подмосковного угля (а), Кузнецкого угля (б), Экибастузского угля (в) и образцов на основе диатомита песка (г); 1...12 по табл. 2

Поэтому в этой работе был выбран метод стационарного теплового потока с использованием тепломера ОГРЭС, который осуществляется по схеме, представленной на рис. 5. На источник тепла 2 уста­навливали образец 3, на кото­рый накладывали высокотемпе­ратурный тепломер 4. С обеих сторон образца вмонтированы термопары для измерения пере­пада температур (не показаны). Источник тепла, образец и теп­ломер засыпали теплоизоляци­онным материалом 5 до уровня верхней плоскости тепломера.

После включения источника теп­ла через 30...40 мин производили первое измерение темпера­тур с верхней и нижней сторон образца и мощность нагревате­ля тепломера, которая опреде­ляется после установления нулевой разницы температур выше и ниже теплоизоляционной про­кладки тепломера по дифферен­циальной термопаре. В этом слу­чае удельный тепловой поток с площади экрана равен удельно­му тепловому потоку, проходя­щему через испытуемый обра­зец. Далее все измерения перио­дически повторяли до наступ­ления установившегося состоя­ния. Общая длительность одного опыта 3...4 ч.

Определение коэффициента теплопроводности проводили при 300....800  °С на образцах диаметром 60 мм, высотой 20 мм. Результаты из­мерений представлены на рис. 6 (1...12 по табл. 2).

Теплопроводность смесей на Экибастузской золе при 300...700 °С практически не изменяет­ся (~0,4  Вт/(м∙К)), в то же время, как у всех других смесей под­тверждается общая закономер­ность - увеличение теплопро­водности при повышении темпе­ратуры. Теплопроводность сме­сей с ЖС, по сравнению со сме­сями на ОФК, выше. Теплопро­водность смеси с диатомитом имеет более высокие значения, чем у смесей с Экибастузской золой, причем с повышением тем­пературы наблюдается значитель­ный рост (до 0,7  Вт/(м∙°С) при 800 °С) при неизменной плотнос­ти. Смесь с перлитом имеет наи­меньшую теплопроводность, что связано с ее низкой плотностью. Высокие значения теплопровод­ности смеси на песке объясняют­ся ее высокой плотностью и со­ответствуют имеющимся в лите­ратуре данным.

Полученные при 300...900 °С значения теплопроводности не могут в полной мере характеризировать служебные свойства ТИС, поскольку в реальных усло­виях прогрев теплоизоляционно­го слоя, примыкающего к прибы­ли, достигает 1200...1400 °С, рез­ко снижаясь по толщине слоя до ~400...500 °С на расстоянии ~ 0,2∙D_пр.

Рис 6. Зависимость коэффициента теплопроводности λ от температуры образцов на основе золы Подмос­ковного угля (а), Кузнецкого угля (б), Экибастузского угля (в) и образцов на основе диатомита и песка (г)

Учитывая, что мощность изме­рительной аппаратуры не позво­ляет установить коэффициенты теплопроводности смесей при 1200...1400 °С, определение этих параметров было выполнено рас­четным способом по отработан­ной в ВТИ им. Ф. Э. Дзержин­ского методике [3], учитывающей представленные на рис. 4 факти­ческие данные по изменению плотности исследуемых образ­цов в зависимости от температу­ры испытаний.

Результаты этих расчетов для образцов на основе зол-уносов, песка и диатомита представлены в табл. 4 (номера образцов по табл. 2). Как следует из представленных данных, средние значения коэффициен­та теплопроводности образцов на основе зол-уно­сов Экибастузских углей (7...9) при 1200...1400 °С практически не изменились, по сравнению с опре­деленными при 300...900 °С, и равнялись ~0,4...0,55  Вт/(м∙°С).

Таблица 4

Несколько выше эти значения у зол-уносов Под­московных (0,55...1,0  Вт/м∙°С) и Кузнецких (0,99...1,8  Вт/(м∙°С)) углей. Что касается песчаных смесей и диатомита, коэффициент их теплопроводности рез­ко вырос и составил 1,8...2,8  Вт/(м∙°С).

Полученные результаты подтверждают достаточно высокие, по сравнению с обычными песчаными смесями, теплоизоляционные параметры смесей на основе зол и перспективность их использования в качестве теплоизоляционных материалов прибылей стальных отливок в литейном производстве.

Список литературы

1. Назаратин В. В. Новые теплоизоляционные смеси для утепления прибылей стальных отливок и слитков // Металлургия машиностроения. 2008. № 5. С. 45...49.

2. Назаратин В. В. Технология изготовления стальных отливок ответственного назначения. - М.: Машиностроение, 2006. 233 с.

3. Залкинд И. Я. и др. Исследование свойств зол-унос ТЭС с целью использования их в качестве теплоизоляционного материала при приготовлении крупных лить заготовок энергооборудования ТЭС и АЭС // Отчет ВТИ им. Ф.Э.Дзержинского. Тема К-120-85. М 1985.

4. Investigations into the production of heat-insult ting mixes designed for heat insulation of risers, based on fly ashes from coal of the Ekibastuz, near Moscow and Kuznetsk deposits, with SS (sodium silicate) and OPA (orthophosphoric acid) binders, having the lowest possible density and thermal conductivity at a sufficiently high strength are described.