Технология лабораторной, опытной и промышленной переработки горных пород для производства симиналов

УДК 621.745.35

A.M. Игнатова, C.B. Наумов, А.О. Артемов, М.Н. Игнатов, А.М. Ханов

Пермский государственный технический университет

ТЕХНОЛОГИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ, ОПЫТНОЙ И ПРОМЫШЛЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ГОРНЫХ ПОРОД ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СИМИНАЛОВ

Изготовлены лабораторные плавильные устройства и рассмотрены лабораторные, опытные и промышленные печи с целью получения синтетических минеральных сплавов, а также разработаны методики плавки в них.

Пермский край обладает обширной минерально-сырьевой базой, которую можно применить для организации производства сварочных материалов. Аналитические данные говорят о высокой оценке пригодности и доступности горных пород Пермского края, но для экспериментальной оценки, и в дальнейшем - для производства сварочных материалов необходима более глубокая работа. В частности, необходимо на первом этапе разработать методику экспериментальной оценки пригодности горных пород для производства сварочных материалов и определить схожие технологии для того, чтобы в будущем применить их для получения сварочных материалов.

Актуальность данной работы заключается в разработке технологии и оборудования для получения сварочных материалов из горных пород Пермского края: плавленого сварочного флюса, обмазки для электродов, порошковой сварочной проволоки. Горные породы Пермского края отличаются низким содержанием вредных примесей, таких как сера и фосфор. Это способствует высокому качеству сварочных материалов, не уступающих заграничным аналогам, в частности возможности использования данных пород в изготовлении плавленого сварочного флюса. Дополнительным преимуществом при изготовлении плавленых сварочных флюсов из сырья Пермского края является небольшие транспортные затраты, по сравнению с привозными флюсами из стран ближнего и дальнего зарубежья. Ввиду ухудшения качества ввозимых в страну сварочных материалов данный вопрос является особенно актуальным.

Переплавив сырье, мы получаем однородную массу, в которой химический состав и содержание каждого элемента одинаковы во всем объеме. Обычно сварочные флюсы изготавливаются путем смешивания компонентов, поэтому они могут быть неоднородны по химическому составу и содержанию элементов.

Исходным сырьем для получения сварочных материалов в конкретном случае при изучении минерального сырья Пермского края служат породы базальтоидной и габброидной группы. Для практической оценки производства сварочных материалов нужно рассмотреть печи для камнелитейного производства, описать и дать оценку их применения в сварочной отрасли.

После переплава базальтоидных пород получается расплав, имеющий однородный химический состав, строение, свойства во всем его объеме. Данный расплав получил название «симинал». Симиналы - комплексные компоненты сварочных материалов, полученные в результате сплавления шихтовых материалов, в своем составе содержат оксиды, связанные в сложные соединения. Отличаются симиналы минимальным содержанием вредных примесей (Б и Р), могут легировать металл сварного шва и обеспечивают устойчивость сварочной дуги. Симиналы могут быть получены путем сплавления минеральных пород или техногенных образований.

Рис. 1. Процесс плавки на рабочем месте сварщика

Лабораторная установка разработана таким образом, что позволяет плавить на рабочем месте сварщика, сварочное оборудование легко и быстро перенастраивается под режимы плавки, сокращая время на выполнение работы (рис. 1). Когда необходимо получать расплав в небольших количествах, наиболее целесообразно использовать дуговые установки для выплавки сварочных плавленых материалов (рис. 2).

В твердом состоянии шлак неэлектропроводен, поэтому для начала процесса зажигают дугу между электродом 4 и графитовым тиглем 3 и подают порошкообразную шихту в зону дуги. После образования жидкого расплава в тигле процесс идет через этот расплав [1].

Работа включает несколько этапов. Первый этап - оценка заданного материала на пригодность его в качестве петрургического сырья и расчет шихты методом разбавления и др. На основе расчетов составляется по 500 (1000) г шихты по вариантам, рассчитанным различными методами.

сварочный стол; 2 - теплоизоляционный асбестовый кожух тигля; 3 - графитовый тигель; 4 - электрод; 5 - электрододер-жатель; 6 - вытяжной зонт; 7 - сварочный трансформатор; 8 -защита от теплового излучения

Второй этап заключается в подготовке оборудования к работе. Приготовление специального металлического листа для получения флюса сухим методом и тигля для плавки шлака осуществляется установкой листа на сварочный стол 1 в флюсоплавильной лабораторной установке. После этого графитовый сварочный электрод 4 закрепляется в электрододержатель 5.

Следующий этап - выплавка сварочного плавленого флюса. Прежде чем осуществить операцию плавки, необходимо на режиме 150 А в течение 5-10 мин прогреть графитовый тигель. Существует возможность обеспечить дополнительный нагрев тигля во время плавки до 650 °С с помощью шахтной печи сопротивления. С целью уменьшения теплообмена тигля с окру-

жающей средой без применения шахтной печи для дополнительного нагрева было решено использовать теплоизоляцию из асбестового материала по всей внешней поверхности тигля, контактирующей с окружающей средой 2 (рис. 3). Решение этой задачи улучшило процесс плавки без применения дополнительного оборудования.

Рис. 3. Графитовый тигель с теплоизоляцией

После прогрева тигля повторно зажигают дугу между графитовым тиглем и электродом на режиме 150-200 А, после чего подается небольшая порция порошкообразной шихты в тигель. С появлением жидкого расплава в тигле расстояние между графитовым тиглем и электродом увеличивают. По мере расплавления твердой шихты в тигль вводятся новые порции шихты. Продолжительность всей операции плавки 20-25 мин.

Последний этап методики по плавке во флюсоплавильной установке заключается в том, что после расплавления всей шихты расплав разливается на специальном железном листе, расплаву дают закристаллизоваться, закристаллизовавшийся расплав дробят, после чего рассеивают на гранулы необходимого диаметра 0,25-2,80 мм, регламентированные ГОСТ 9087-81.

В ходе работы электрододержатель подвергся доработке (рис. 4), позволяющей произвести плавку много раз подряд. Конструктивно электрододержатель состоит из таких элементов, как металлическая трубка 1, соединенная с пластиной 3 (длина выбиралась в соответствии с размерами тигля), пластина менее нагревается тепловым потоком, вертикально идущим из тигля (рис. 5, а), на металлической пластине располагается щиток 4, защищающий от теплового воздействия руки. Вся эта конструкция крепится к сварочному электрододержателю 5, выбор его зависит от режимов плавки. Было предло-

жено использовать электрододержатель на 550 А, исключая сильный нагрев его в течение 50 мин на токе 200 А непрерывной плавки. Для крепления графитового электрода в металлическую трубку вставляется фиксатор 2, который не позволяет электроду выпадать и вращаться внутри трубки.

Рис. 4. Электрододержатель для плавки горных пород: 1 - трубка для вставки графитового электрода; 2 - фиксатор электродов; 3 - пластина; 4 - щиток; 5 -сварочный электрододержатель

В ходе выплавки был выбран оптимальный режим переплавки базальтовых пород: одна плавка производится в течение 40 мин на токах 150-160 А (меньший ток увеличивает время и при нем сложнее поддерживать жидкую ванну во всем объеме единичной плавки), при токах 120-130 А процесс стабильнее, при превышении оптимального режима плавки 180-200 А идет интенсивное выгорание оксидов. Повышенный ток позволяет производить плавку быстрее и увеличивать объем жидкой ванны, однако при этом происходит вспучивание расплава, он получается пористым, неплотным. Это происходит из-за выгорания оксидов, газы которых проходят через весь расплав, насыщая его.

Плавку базальтоидных горных пород провели три раза, этого объема хватает, чтобы провести сварку под флюсом, в итоге было получено 300 г переплавленного базальтового материала. С точки зрения технологичности полученный материал уступает флюсу серии АН-348, так как обладает более высокой вязкостью. Этот недостаток может быть скорректирован путем введения в шихту плавикового шпата.

Преимущество данного способа в том, что возможно получать опытный образцы флюса со специальными свойствами или улучшать свойства и качество флюса, производя проверку его на опытных образцах. После положительного результата уже можно будет выплавлять флюс в промышленном масштабе.

Установка ДКПП-05 (дуговая камнеплавильная печь серии 05) - мало-тоннальная печь, предназначена для получения каменного расплава на ос-

нове горных пород, слюдокристаллических материалов, шлаков единичного и мелкосерийного опытного производства. В основу ее работы положен принцип дуговой плавки постоянным или переменным током неплавящимся графитовым электродом. Схема дуговой камнеплавильной печи ДКПП-05 представлена на рис. 6 [2].

а б

Рис. 5. Получение сварочного плавленого флюса из базальтовых пород: а - тепловое излучение из тигля во время плавки; б - получение флюса

В плавильное пространство, заполненное шихтовым материалом, погружаются электроды, на которые подается напряжение 380 В от силового трансформатора. В силу малого сопротивления расплава между электродами ток достигает больших величин, за счет выделения большого количества тепла происходит плавление. В жидком состоянии расплав является токопроводящим материалом, что позволяет производить плавку, полностью опустив электрод в расплав с целью его меньшего выгорания. Величина рабочего тока зависит от степени погружения электрода в расплав. С этой же целью плавка ведется на прямой полярности (верхний электрод имеет значительно меньший диаметр и перегрев его недопустим). В процессе плавления возможно подсыпание шихтового материала до выхода на рабочую мощность.

Благодаря водяному охлаждению печи в плавильном пространстве образуется гарнисаж из плавикового материала, и дальнейшая плавка осуществляется в так называемом «каменном мешке», который препятствует прямому контакту расплава со внутренними стенками печи. В связи с этим в установке ДКПП-05 отсутствует футеровка плавильного пространства. Роль футеровки выполняет образовывающийся во время плавки гарнисаж.

Рис. 6. Схема дуговой камнеплавильной печи ДКПП-05:

I - корпус печи; 2 - электрододержатель с системой подъема и опускания электрода; 3 - верхний электрод;

4 - летка; 5 - медный токоподвод; 6 - графитовая заглушка; 7 - механизм наклона печи; 8 - падина печи;

9 - станина электрододержателя; 10 - электродвигатель;

II - ременная передача; 12 - редуктор; 13 - система во-

дяного охлаждения

Процесс наклона печи осуществляется вручную за счет рычагов наклона.

Силикатная система для получения камнелитых изделий содержит неорганические фториды, которые при плавлении шихты в интервале 1300-1500 °С становятся летучими. Летучесть их усиливается в случае плавления влажной шихты. В связи с этим шихта на плавку должна поступать только в сухом состоянии [3].

Плавление шихты в электропечи является циклическим процессом, включающим следующие основные операции: старт, периодическая загрузка шихты и отходов, расплавление их и слив готового расплава в разливочный ковш.

Старт - начальный период плавки. Электрод опускают вниз, и при соприкосновении его с донным электродом зажигается электрическая дуга. Из-за недостаточной эмиссии и плохих условий ионизации в межэлектрод-ном промежутке дуга горит неустойчиво. В это время необходимо работать на пониженном значении подводимой мощности, подавая небольшие порции шихты вокруг электрода в район действия электродуги. От воздействия тепла электрической дуги начинается расплавление шихты. Расплав, накапливаясь на подине печи, формирует ванну, по достижении глубины около 20-50 мм дуговой разряд гаснет, и ток, проходя через расплав, нагревает его за счет сопротивления расплава. По мере проплавления шихты производится загрузка очередных порций, при этом не допускается в печи открытого зеркала расплава. С увеличением количества (объема) расплава и повышения его температуры электрод постепенно поднимают вверх, регулируя межэлектродным расстоянием процесс плавления. С момента образования ванны расплава глубиной 100-150 мм процесс плавления проводят на повышенной мощности, не допуская при этом дугового режима работы печи. В течение всего периода плавки электрод должен быть погружен в расплав. Плавка шихты осуществляется при температуре 1400-1500 °С.

Процесс плавки условно подразделяют на два периода: первый - плавление шихты, второй - доводка расплава. Во время первого периода наплавляют 70-80 об. % необходимого количества расплава шихтой и отходами в соотношении 70:30. При получении излома пробы с показателями структуры, отличающимися от необходимых, производят корректировку расплава, догружая либо шихтой, либо отходами изделий.

При выпуске расплава в печи оставляют часть расплава (глубина ванны расплава 50-100 мм) для поддержания электрической цепи и проведения последующих плавок.

Силикатный расплав после выпуска из плавильной печи должен иметь температуру 1450-1500 °С. За время транспортировки температура понизится на 60-80 °С, и к началу разливки расплав будет иметь температуру 1390-1420 °С, оптимальную для литья. В смену в среднем реализуется две плавки.

Печь ДКПП-05 позволяет выплавлять партии среднего объема и повышает производительность по сравнению с выплавкой в тигле. Процесс выплавки происходит в автоматическом режиме, что повышает уровень безопасности. Плавка происходит внутри печи, поэтому персонал защищен от воздействия высоких температур и газов, образующихся в процессе плавки. Недостатки данного способа: большое количество потребляемой энергии при средних объемах выплавки флюса; нет полностью автоматического режима, что требует наличия персонала, работающего при высоких температурах.

Для плавки шихты применяют шахтные, ванные, вращающиеся и электрические печи. Наиболее распространены ванные печи. Расплав получается при температуре 1400-1500 °С. При непрерывной отливке изделий расплавленный материал поступает в копильники, в которых создается запас однородной массы с температурой 1180-1250 °С.

Плавка шихты в промышленном масштабе осуществляется в плавильной двухдуговой печи Первоуральского завода горного оборудования (ПЗГО) (рис. 7). Техника плавки на дуговой электропечи сводится к следующему. Во время запуска печь разогревают электрической дугой, возникающей между подвижными электродами 2 и токопроводящей пластиной 3 в течение 3-5 мин. После образования жидкой фазы дуговой разряд гаснет и электрический ток проходит непосредственно через расплав синтетической слюды, обладающий значительной электропроводностью. Процесс плавления осуществляется за счет тепла, выделяющегося в расплаве 9 при прохождении через него электрического тока. Шихту загружают периодически на зеркало расплава, чтобы уменьшить потери тепла. Одновременно с шихтой загружают измельченные отходы слюдокристаллического материала.

Рис. 7. Промышленная печь ПЗГО: 1 - корпус из огнеупорного кирпича; 2 - электроды; 3 - пластина;

4 - электрододержатель; 5 - приводные ролики; 6 -смотровое окно; 7 - слив; 8 - отверстие для слива с заслонкой; 9 - расплав

Для плавки на электродуговой печи характерны электродинамическое и тепловое движение расплава в ванне печи, способствующее получению однородного гомогенного расплава и его равномерной температуры.

Получение доброкачественного расплава зависит от правильного проведения всех технологических операций и особенно от температурновременных режимов плавки. В частности, необходимо:

1. Применять качественные, однородные по химическому и гранулометрическому составу шихтовые материалы.

2. Проводить плавку форсированно, по оптимальному электрическому и тепловому режиму, не перегревая расплав (не выше 1600 °С).

3. Выдерживать расплав некоторое время (2-3 мин) в ковше перед заливкой для снижения температуры и дегазации.

4. В период отладки технологии, а в дальнейшем - периодически, перед выпуском расплава берется проба (специальной ложкой-цилиндром на металлической штанге) и замеряется температура термопарой погружения (с корундовым наконечником) через рабочее отверстие в своде печи.

б

Рис. 8. Операция слива расплава горных пород (а) и разлива в формы из ковша (б) на ПЗГО

Данная печь имеет большую производственную мощность выплавки флюса. В ней также можно переплавлять отходы от производства флюса или забракованные партии, процент отходов составляет 20 мас. % от загружаемой шихты. Существенный недостаток данной печи заключается в том, что при неправильной технологии бракуется вся полученная партия флюса при больших энергетических затратах на плавление шихты. Данная печь также не имеет автоматического режима разлива, поэтому так же, как печь ДКПП-5, нуждается в персонале, работающем на разлитии расплава из печи (рис. 8, а) и непосредственно у ковша (рис. 8, б).

Подытоживая сказанное об оборудовании, отметим, что печь, используемая на ПЗГО, пригодна в качестве плавильной печи шихты для получения симиналов с некоторыми доработками. Данную печь выгодно использовать только при масштабном производстве флюса по отработанной технологии на опытно-промышленной печи. При малых объемах ее использование невыгодно из-за больших энергетических затрат, а при неотработанной технологии бракуется большое количество переплавленной шихты.

Существует два способа грануляции жидкого шлака: «мокрый» и «сухой». «Сухой» способ дает меньшее качество сварочного флюса по однородности свойств частиц, но обладает более простыми процессами получения продукции, поэтому в лабораторных условиях проще использовать сухую грануляцию ручным дроблением, но качественней гранулометрический состав получается при грануляции «мокрым» способом [4].

При получении расплава путем переплава шихты в тигле применен «сухой» способ грануляции. Расплав в тигле выливался на металлический лист (см. рис. 5, б), из-за того, что базальты имеют свойство «тянуться», в тигле оставалась часть расплава, которая легко отделялась от стенок, после проводилось еще несколько плавок, весь материал собирался и дробился до гранул нужного размера.

Дробление произведено ручным способом, камнелитой расплав дробили в специальной стальной дробилке с помощью цилиндра весом 6 кг. Следующая операция - просеивание до нужного размера гранул, регламентированного стандартами, крупные частицы повторно проходили дробление в чугунной ступе.

В результате всех технологических операций по разработанной методике и с использованием стандартов получен сварочный плавленый флюс на основе базальтовых горных пород.

Для каждого из этих способов характерны свои преимущества и недостатки. Большинство способов можно сделать полностью автоматическими, обезопасив человека от воздействий высоких температур и вибраций. Большинство способов «мокрой» грануляции нуждается в больших пароуловите-

лях, работающих при высоком давлении пара и температурах пара, превышающих 1000 °С, требует больших площадей, следовательно, повышенного уровня техники безопасности. Также при «мокрой» грануляции образуются вредные химические вещества, разъедающие трубопроводы и быстро выводящие их из строя. В то же время данный вид грануляции более производителен по сравнению с «сухим», тепло остывания переплава можно использовать для других нужд. «Сухие» способы нуждаются в частой зачистке рабочей зоны от налипшего застывшего флюса. В «сухих» способах не используется тепло от расплава, что понижает КПД по сравнению с «мокрыми», но здесь исключается химическое загрязнение воды.

Мы считаем, что при производстве сварочных плавленых флюсов желательно применять «мокрую» грануляцию, так как она имеет ряд преимуществ: простое оборудование, обеспечение лучших технологических свойств материала, возможность использовать тепло от застывания расплава - все это говорит о перспективных возможностях для реализации в промышленных масштабах. Но следует также отметить, что рассмотренные способы «сухой» грануляции за рубежом не уступают по качеству «мокрой» грануляции (и по созданию качественного гранулометрического состава в соответствии с ГОСТом на сварочные плавленые флюсы).

Рис. 9. Структурная схема получения флюса из горных пород: 1 - в лабораторных условиях; 2 - при опытно-промышленном производстве; 3 - при промышленном

производстве

В лабораторных условиях было применено ручное дробление слитка симинала. Данный способ имеет очень низкую производительность, большие потери, дает образование пыли, осколков материала, требует частого просеивания дробленого материла, размеры гранул изменяются в широких пределах. Данный способ непригоден для промышленного производства (рис. 9).

Для серийного производства лучше подходит схема энерготехнологического использования расплавленного шлака. Она отличается простой конструкции, приемлемой производительностью, простотой использования, не-

высокой температурой работы, не требует пароуловителя, что повышает уровень безопасности. Также данную схему можно использовать для отопления цеха в холодный период, подключив вентиль от бойлера с «грязной» водой к системе отопления. Но в данной схеме не удается исключить химического загрязнения воды, что требует применения специальных фильтров.

В итоге проделанной работы по переплаву горных пород и последующей грануляции была разработана методика выплавки горных пород и грануляции полученного расплава на гранулы, соответствующие размеру флюса. Рассмотренное оборудование, применяемое на ПЗГО для каменного литья, применимо в производстве сварочных материалов. Лабораторная установка позволит исследовать больший спектр минерального сырья Пермского края с целью определения пригодности горных пород для производства сварочных материалов. Опытно-промышленная установка поможет наладить производство, произвести корректировку шихты, подобрать необходимые режимы, а промышленная печь обеспечит выпуск конечного продукта, предварительно прошедшего грануляцию.

Список литературы

1. Еремин Н.И. Неметаллические полезные ископаемые: учеб. пособие. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГУ; Академкнига, 2007. - 459 с.

2. Конструкция лабораторной малогабаритной электродуговой установки для плавки фторфлогопита ДКПП-05 / М.Н. Игнатов [и др.]. // Современные организационные, технологические и конструкторские методы управления качеством: тез. докл. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та. -С.135-137.

3. Технологические особенности получения каменного литья: сб. ст. / Ин-т технической информации. - Киев, 1965. - 237 с.

4. Матюшенко В.И., Ишутин В.И., Кожушко Э.А. Технология промышленного изготовления электроплавленных флюсов для сварки, наплавки и электрошлакового переплава // Сварочные флюсы и шлаки. - Киев, 1974. -С. 94-99.

Получено 20.09.2010