Способ изготовления изделий методом синтетического каменного литья
METHOD FOR MANUFACTURING ARTICLES BY SYNTHETIC STONE CASTING

Изобретение относится к производству изделий (напольной износоустойчивой плитки, футеровки оборудования) эксплуатируемых с высокими абразивными нагрузками, методом синтетического каменного литья и может быть использовано в строительной, металлургической, горнодобывающей и химической промышленности.
2
2
3
2
2
3
Известен состав шлакоситалла (Патент SU №1123996, МПК С03С3/22, 1984), содержащий следующие компоненты, % масс.: SiO – 38,0-39,5; AlO – 11,0-12,5; CaO – 33,0-36,0; MgO – 13,5-15,0; S – 0,3-0,5; FеO – 0,20-0,65; MnO – 0,20-0,65.
Недостатком указанного состава шлакоситалла является низкое количество инициатора кристаллизации, вследствие чего увеличение химической стойкости и износостойкости сравнительно низкое.
2
2
3
2
3
2
2
3
Известен также шлакоситалл, содержащий следующие компоненты, % масс.: SiO – 50,0-60,0; AlO – 5,0-10,0; СаО – 15,0-20,0; MgO – 10,0-15,0; FeO – 2,0-6,0; NaO – 2,0-6,0; CrO – 0,5-2,0 [Патент SU 391073, МПК С03С3/04, 1973].
Недостатком указанного состава шлакоситалла является высокое содержание оксида натрия, вследствие чего не удается достичь высоких значений химической стойкости.
2
2
3
2
2
2
3
2
2
2
5
Известен золошлакоситалл [Патент SU № 1813076, С03С10/06, 1993], содержащий в своем составе следующие компоненты, % масс.: SiO – 36,68-44,52; AlO – 13,54-16,19; CaO – 20,74-27,69; MgO – 1,28-3,39; TiO – 0,64-0,73; S – 0,23-1,50; FеО – 5,73-6,41; FeO – 0,70-0,84; NaO – 2,60-4,12 KO – 0,69-1,93; PO – 0,98-5,74; F – 0,60-1,26.
Недостатками данного изобретения является повышенное содержание токсичного фтора и оксидов фосфора.
Известен шлакоситалл, получаемый из следующих компонентов, % мас.: природный песок 60-80; доменный шлак 0-40; сталеплавильный шлак 0-40; растворимое стекло 0-5 [патент RU 2374206, МПК C04B35/16, 2009]. Достигаемым техническим результатом является повышение прочности на сжатие и морозостойкости материала, использование в качестве основного компонента сырьевой смеси - природного песка и утилизация различных отходов производства (доменных и сталеплавильных шлаков).
Недостатком данного технического решения является высокое содержание природного песка, характеризующегося существенной зависимостью состава от месторождения и содержание растворимого стекла до 5 % мас., что приводит к снижению устойчивости к агрессивным средам.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ получения изделий из синтетического каменного литья, включающий совместное плавление корректирующих добавок, содержащих кварцевый песок и другие компоненты, смешивание доменного шлака с полученной смесью и их последующее плавление при температуре 1470 – 1500 °С [CN107879631, МПК С03С10/00, опубл. 2018].
Недостатком данного способа, как и ранее описанных, является использование холодных шлаков или ископаемых горных пород, что приводит к значительным энергозатратам на процесс разогрева и плавления сырья и значительной эмиссии углекислого газа при сжигании ископаемого топлива для плавления шихты. Применение шлаков, взятых из отвалов или ископаемых горных пород также требует проведения дробления и смешения с пошихтовочными компонентами.
Задачей настоящего изобретения является разработка состава исходной сырьевой смеси и способа производства из нее изделий методом синтетического каменного литья, позволяющего существенно снизить энергозатраты и «углеродный след» получаемой продукции.
Технический результат достигается тем, что способ изготовления изделий методом синтетического каменного литья из смеси содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%:
огненно-жидкий доменный шлак
60-90,0
природный песок
10-40,
2
2
3
2
при суммарном содержании SiO и AlO в смеси 35-65 % и 5-15 % соответственно, включает заливку в печь огненно-жидкого доменного шлака с температурой 1200-1400 °С, ввод песка с содержанием SiOне менее 85 % мас., нагрев полученной смеси до температуры 1410-1500°С, выдержку полученного расплава при указанной температуре в течение 20-90 минут и последующую разливку расплава в формы.
Осуществляют введение в огненно-жидкий доменный шлак модификатора скорости кристаллизации в количестве 0,5-5,0 мас.% смеси. Выполняют подогрев форм до температуры 300–550 °С перед разливкой в них расплава. Производят охлаждение форм с расплавом до температуры менее 300 °С со скоростью не более 0,5 град. в минуту.
Сущность изобретения.
2
2
3
Выбранное соотношение компонентов обеспечивает оптимальное содержание SiO и AlO в смеси, необходимое для формирования цепочечных полисиликатных структур и режима зародышеобразования. Это придает высокие механические свойства готовым изделиям (в частности, твердость по Викерсу не менее 150 НV; модуль упругости более 10 ГПа).
Выбор огненно-жидкого доменного шлака в заявленном количестве в качестве одного из компонентов смеси, обусловлен его высоким теплосодержанием, а также близостью его состава к конченым продуктам, получаемым методом синтетического каменного литья.
Повышение содержания песка в сырьевой смеси в количестве более 40% увеличивает расходы на подогрев смеси и повышает вязкость расплава. Снижение содержания песка менее 10% повышает склонность конечных продуктов к растрескиванию и ограничивает размеры отливок.
2
3
Сырьевая смесь может содержать модификаторы скорости кристаллизации в количестве 0,5-5,0 мас.%. В качестве модификаторов скорости кристаллизации могут использоваться хромитовая руда или отходы, содержащие не менее 20% оксида хрома СrО.
2
3
Уменьшение содержания модификаторов скорости кристаллизации менее 0,5 % (при выполнении условия по содержанию не менее 20% оксида хрома СrО) приводит к снижению твердости и износостойкости конечных продуктов. Увеличение содержания модификаторов скорости кристаллизации в количестве более 5,0 % экономически не целесообразно.
Подогрев огненно-жидкого доменного шлака совместно с песком до температуры 1410-1500 °С и последующая выдержка, обеспечивают гомогенизацию получаемого расплава и оптимальную его вязкость, требуемую для разливки в формы. Выдержка в печи полученного расплава в течение менее 20 минут приводит к неравномерности температурного поля расплава.
Для обеспечения равномерности режима охлаждения и снятия внутренних напряжений в изделиях, разливку расплава осуществляют в формы, предварительно подогретые до температуры 300 – 550 °С.
Формы с расплавам охлаждают до температуры менее 300 °С со скоростью не более 0,5 град. в минуту. Извлечение конечных продуктов из форм при температуре более 300 °С, а также охлаждение с большей скоростью, приводит к бракам и дефектам структуры конечных продуктов.
Согласно заявленной технологии, шлак вводится в печь в огненно-жидком виде при температуре 1200–1400 °С непосредственно после слива из доменной печи, исключая стадию охлаждения и размещения на полигоне.
Также, исключение стадии дробления шлака обеспечивает дополнительное снижение себестоимости процесса получения изделий методом синтетического каменного литья.
Достижение заявляемого технического результата подтверждается следующими примерами.
Во всех экспериментах применяли огненно-жидкий доменный шлак с составом, указанным в таблице 1.
Пример 1
2
Для приготовления сырьевой смеси использовали доменный шлак (температура 1200–1400 °С), карьерный песок с содержанием SiO 93 % мас. Соотношение компонентов доменный шлак / песок составляло  70/30.
Таблица 1
Состав доменного шлака
Компонент шлака
% мас.
SiO<sub>2</sub>
36-38
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
12-14
Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
0,3-0,6
CaO
35-37
MgO
10-12
Прочие примеси
1-4
Совмещение компонентов осуществлялось введением песка в огненно-жидкий доменный шлак. Полученную смесь нагрели до температуры 1470 °С и выдержали в течение 63 минут. Полученный таким способом расплав разлили по формам, предварительно подогретым до температуры 400 °С и далее охладили со скоростью 0,4 град. в минуту до температуры извлечения 245 °С.
Конечным продуктом являлся шлакоситалл, преимущественно состоящий из мелкокристаллических силикатов кальция-алюминия и кальция-магния (фазы анорита и акерманита) и характеризующийся твердостью по Викерсу 153 НV и модулем упругости 11 ГПа.
Пример 2
2
Для приготовления сырьевой смеси использовали доменный шлак (температура 1200–1400 °С), карьерный песок с содержанием SiO 93 % мас. и хромитовую руду. Соотношение компонентов доменный шлак / песок / хромитовая руда составляло  60/37/3.
Совмещение компонентов осуществлялось введением песка и хромитовой руды в огненно-жидкий доменный шлак. Полученную смесь нагрели до температуры 1450 °С и выдержали в течение 35 минут. Полученный таким способом расплав разлили по формам, предварительно подогретым до температуры 310 °С и далее охладили со скоростью 0,4 град. в минуту до температуры извлечения 265 °С.
Конечным продуктом являлся шлакоситалл, преимущественно состоящий из мелкокристаллических силикатов кальция-алюминия и кальция-магния (фазы анорита и акерманита) и характеризующийся твердостью по Викерсу 157 НV и модулем упругости 12 ГПа.
Проведенные расчеты показали, что изготовление изделий методом синтетического каменного литья по заявленной технологии, позволяет снизить энергозатраты на производство шлакоситалла до 50 %, по сравнению с технологиями, использующими в качестве шихтовых материалы с температурой окружающей среды.