Технологичность материалов на основе алюминиевой пудры

Рассев навески может производиться вручную или на ратапе. фракция порошка, оставшаяся на сите 005, не прошедшая через сито 0063 обозначается - 0063 + 005.

Суммарная поверхность 1 грамма частиц порошка в см² называется удельной поверхностью.

Удельная поверхность порошка зависит от дисперсности и формы частиц: чем больше дисперсность порошка, тем больше частичек будет находиться в 1 гр, тем больше удельная поверхность.

К технологическим свойствам порошка относятся: насыпной вес (насыпная плотность), текучесть.

Насыпной вес является объемной характеристикой и представляет вес единицы объема свободно насыпанного порошка. Насыпкой вес выражает плотность укладки частиц порошка и зависит от формы и размера частиц. Наибольший насыпной вес имеют порошки сферической формы, т.к. шары дают наиболее плотную упаковку с наименьшим воздушным пространством между частицами. Проверку насыпного веса пульверизата производят в том случае, если из него будут получаться порошки марки ПA.

Для определения насыпного веса пользуется прибором волюметром.

Порошки по ряду свойств занимают промежуточное место между жидкостями и твердыми телами, подобно жидкости порошок легко заполняет объем, принимая форму сосуда. Однако у порошков текучесть выражена гораздо слабее, чем у жидкостей.

Текучесть порошка зависит от формы и размеров частиц. Сферические порошки имеют большую текучесть, чем порошки с частицами неправильной формы. В условиях пульверизации основным фактором, влияющим на текучесть, является температура в пылеосадителе.

2.2 Алюминий - сырье для получения порошковых материалов

порошковый металлургия алюминиевый пудра

Физико-химические свойства алюминия значительно зависят от степени его чистоты.

Плотность твердого металла чистотой 99,75 % Аl - 2,7 г/см³, а для металла 99,996 % Al - 2,6989 г/см³; плотность расплавленного металла чистотой 99,75 % Al при 1000^o - 2,289 г/см³.

Температура плавления алюминия чистотой 99,6% Аl составляет 658,7°С, а чистотой 99,996 % Аl - 660,2 °С.

Температура кипения алюминия при атмосферном давлении приближается к 2500 °С.

Электропроводность алюминия чистотой 99,5 % Аl составляет 62,5 % к электропроводности меди, а для металла чистотой 99,996 % Аl - 64,94 %.

Механические свойства также зависят от чистоты алюминия, алюминий высокой чистоты мягче, пластичнее, но имеет пониженную механическую прочность.

Алюминий чистотой 99,996 % Аl имеет сопротивление на разрыв 11,41 кг/мм² для холоднокатанного металла, и 4,81 кг/мм² для отожженного, сопротивление сжатию, соответственно 10,8 и 1,26 кг/мм².

Алюминий обладает большой химической активностью, отличительной особенностью алюминия является его способность соединяться с кислородом, в частности с кислородом воздуха. Поэтому на воздухе алюминий покрываете/, тонкой, но очень прочной пленкой окиси алюминия, которая защищает металл от дальнейшего окисления и обуславливают большую коррозийную стойкость металла. Толщина пленки на поверхности металла составляет 210^-5 см. Интенсивность окисления алюминия возрастает с повышением температуры, в особенности выше точки его плавления, причем зависит от примесей других металлов (Mg, Ca, Na, Si, Сu), которые способствуют интенсивности процесса окисления, сцепление окисленной пленки с алюминием в местах нахождения примесей снижается, что приводит к повышенному окислению алюминия в этих местах.

Реакция взаимодействия алюминия с кислородом, с получением глинозема 2Al + 1,5O₂ = Al₂O₃ идет c большим выделением тепла (экзотермическая).

Алюминий интенсивно взаимодействует с хлором практически вше 100° е образованием хлорида алюминия АlС1₃ и выделением тепла.

С фтором алюминий образует фторид АlР₃, который в большой степени отличается от хлорида алюминия по своим свойствам. Фторид алюминия при атмосферном давлении возгорается, не плавясь, будучи нагрет примерно до 1000 - 1100°. Попытки расплавить АlР₃ в бомбе под давлением при температуре 1500° не дали результатов. При нагревании с металлическим алюминием образуется субфторид 2Аl(ж) + АlР₃ (тв) АlР₃ (тв).

При продувке азотом жидкого алюминия наблюдается образование нитрида алюминия АlN при 660°. Наиболее интенсивно реакция идет при температуре выше 600° c значительным выделением тепла. Нитрид алюминия более активен при комнатной температуре разлагается водой с образованием Аl(OH)₃ гидрата окиси алюминия и NH₃ аммиака.

Первичный алюминий, получаемый методом электролиза, выпускается следующих марок по ГОСТу 3549-53.

Таблица 2 - Химический состав первичного алюминия

Марка	Al не менее	Примесей не более
		Сумма
		Fe	Si	Fe + Si	Cu	Всего
А 000	99,8	0,12	0,1	0,18	0,01	0,2
А 00	99,7	0,16	0,16	0,26	0,01	0,3
А 0	99,6	0,25	0,2	0,36	0,01	0,4
А 1	99,5	0,3	0,3	0,46	0,015	0,5
А 2	99,0	0,5	0,5	0,9	0,02	1,0
А 3	98,0	1,1	1,0	1,8	0,05	2,0

Из первичного алюминия получают порошки марки ПА, АП, пудру алюминиевую.

Для раскисления сталей и производства ферросплавов применяется алюминиевый порошок с довольно высоким допуском примесей, получаемый из вторичного алюминия.

Для производства порошка марки АГШ используется обычно алюминий Ач 3.

Таблица 3 - Химический состав вторичного алюминия в %

Марка	Al не менее	Примесей не более
		Si	Fe	Cu	Zn	Сумма Mn, Ni, Zn, P	Всего
Ач 1	96,5	1,5	2,0	0,05	0,1	-	3,5

Таблица

Марка	Al не менее	Примесей не более
		Si	Fe	Cu	Zn	Сумма Mn, Ni, Zn, P	Всего
Ач2ф	92,0	1,0	-	4,0	0,8	2,0 в т.ч. 5п + Рв 0,5	8,0
Ач2с	91,0	3,0	2,5	4,0	0,8	-»-	9,0
Ач 2	91,0	3,0	-	4,0	0,8	-»-	9,0
Ач 3	87,0	5,0	-	5,0	3,0	3,0 в т.ч. Р + п 0,7	13,0

2.3 Микроструктурные исследования частиц алюминиевых порошков

Методика приготовления шлифов отдельных частиц заключалась в следующем.

Навеска пудры 2--3 г замешивалась до сравнительно равномерного распределения частиц в 2--2,5 см3 разжиженной эпоксидной смолы ЭД-5 с добавками 15% пластификатора--дибутилфтилата и 10% отвердителя--полиэтилен-полиамина. Этот состав, обладая хорошими смачивающими свойствами, обеспечивает безукоризненное разделение частиц при полном исключении искажения контуров частицы оставшимися пузырьками воздуха. После замешивания порошка сметанообразная масса эпоксидной смолы заливалась в прямоугольные формочки и при комнатной температуре в течение суток шел процесс полимеризации. При наличии в пробе крупных шарообразных частиц размером 100--200 мкм и более необходимо изготовленный образец в процессе полимеризации несколько раз перевернуть с целью предотвращения преимущественного оседания на дно наиболее крупных частиц. Затвердевшие образцы торцевались, полировались, а затем травились реактивом Келлера - 1,1 мл HF; 11,5 мл HNO₃; 1,7 мл НСl; 100 мл Н ₂О.

Описанная методика позволяет изучать микроструктуру отдельных частиц, а также изменение их формы.

На рисунке 3 приведены микрофотографии структур отдельных частиц порошка после 6 ч размола пульверизата в шаровой мельнице. Частицы порошка имеют плоскую форму. Размер, частиц в среднем составляет в длину 50--100 мкм при толщине 5-- 10 мкм. При этом количество окиси алюминия в порошке пробы составляет 2,1%. Частицы порошка в шаровой мельнице все время подвергаются истирающему и ударному действию. При истирании происходит уменьшение толщины частиц со значительным ростом их длины. Высокая степень деформации приводит к оголению алюминия, который окисляется атмосферой, наведенной в шаровой мельнице. При ударном действии частицы дробятся на более мелкие и как бы втираются, склепываясь вместе. Такой конгломерат склепанных плоских частиц даже после 6 ч размола хорошо виден на рисунке.

Рисунок 3 - Микрофотографии отдельных частиц алюминиевого порошка после 6-ч размола пульверизата: а -- х200; б -- х800

Таблица 4 - Изменение физических характеристик алюминиевого порошка при размоле

№ пробы	Длительность размола, ч	Остаток на сите 0075, %	Насыпная плотность, г/см3	Содержание, А!, %	Содержание жиров, %
1	6	8,0	0,18	97,4	0,49
2	12	20,0	0,23	96,6	0,49
3	18	2,0	0,56	93,2	0,25
4	22	следы	0,92	92,0	0,31
5	34	8,0	1,06	89,1	0,30

Следовательно, даже на стадии размола и истирания частиц имеет место начальный процесс склепывания отдельных элементарных чешуек в общую пачку. Таким образом, внутрь пачки плоских частиц, даже на стадии размола, входит не сплошная окисная пленка, а ее фрагменты с участками алюминиевой матрицы. Алюминиевая матрица в процессе размола претерпевает наклеп и становится хрупкой, ломаясь на более мелкие пластинки.

При увеличении времени размола до 12 ч происходит дальнейшее изменение размера частиц (рисунок 4). Частицы алюминиевого порошка после 12-ч размола имеют форму еще более тонких пластинок, размеры которых по толщине и-длине меньше, чем после 6-ч размола. Преимущественные размеры пластинок: длина 50--100 мкм, толщина 1--5 мкм; содержание окиси алюминия составляет 3%.

На рисунке 5 представлена микрофотография отдельных частиц после 18-ч размола пульверизата. На этой микрофотографии четко видно, как резко изменились форма и размеры частиц. Частицы порошка приобретают неправильную форму, приближающуюся к шарообразной. Размеры частиц очень неоднородны -- от 10 до 100 мкм и более. Остались еще и пластинчатые частицы, которые образовались при размоле. Следовательно, в течение 18 ч размола, кроме дальнейшего дробления частиц на более мелкие, имеющих пластинчатую форму, происходит склепывание частиц до образования конгломератов. Количество окиси алюминия при этом увеличивается до 6,8%. В этом случае идет своего рода переходный процесс размола и комкования. В дальнейшем процесс размола полностью заканчивается и развивается в направлении образования комкованных частиц.

Рисунок 4 - Микрофотографии отдельных частиц алюминиевого порошка после 12 ч размола пульверизата: а-- х200; б -- х500; в-- х800

Рисунок 5 - Микрофотография отдельных частиц алюминиевого порошка после 18 ч размола пульверизата. х200

3. Расчетная часть

Газобетон приготовляют из смеси портландцемента (часто с добавкой воздушной извести или едкого натра), кремнеземистого компонента и газообразователя. По типу химических реакций газообразователи делят на следующие виды:

- вступающие в химические взаимодействие с вяжущим или продуктами его гидратации (алюминиевая пудра);

- разлагающиеся с выделением газа (пергидроль);

- взаимодействующие между собой и выделяющие газ в результате обменных реакций (например, молотый известняк и соляная кислота).

Чаще всего газообразователем служит алюминиевая пудра, которая, реагируя с гидратом окиси кальция, выделяет водород.

Физико-механические свойства ячеистых бетонов (газо- и пенобетонов) зависят от способов образования пористости, равномерности распределения пор, их характера (открытые, сообщающиеся или замкнутые), вида вяжущего, условий твердения и ряда других факторов.

Свойства ячеистых бетонов взаимосвязаны между собой. Так, коэффициент теплопроводности (л) в сухом состоянии зависит в основном от величины средней плотности. Несущественное влияние на величину л оказывает вид вяжущего, условия твердения и другие факторы. Это объясняется тем, что материал стенок, образующих поры, состоит из цементного камня или близкого к нему гидросиликатного каркаса. Поэтому, величина пористости и соответственно средней плотности преимущественно определяет теплопроводность ячеистого бетона. Пористость материала с ячеистой структурой образуется из воздушной пористости (макропористости) и пористости межпоровых перегородок (микропористости).

Характер ячеистой пористости определяется пространственным расположением пор (упаковкой), распределением пор по размерам (сочетания пор различных размеров), максимальным и средним размером пор, их формой, толщиной межпоровых перегородок.

Форма пор - параметр, характеризующий степень деформирования сферических пор в правильные многогранники. Повышение ячеистой пористости системы, снижение поверхностного натяжения, повышение устойчивости массы, быстрая фиксация структуры путем отверждения приводит к формированию пор - многогранников. О степени деформирования пор можно судить по объему ячеистой пористости: если ее значение превышает 75-80%, это указывает на возможность перехода сферических пор в многогранники. Чем выше пористость, тем более правильной формы должны быть многогранники. Стремятся к таким параметрам поризации, которые обеспечивают формирование пор с плотной, гладкой поверхностью.

Повышение пористости достигается тогда, когда поры имеют разный размер и характеризуются несферической формой. Полидисперсный характер распределения пор по размерам обеспечивает высокую вероятность равномерного размещения пор меньших размеров между порами больших диаметров. Размер пор преимущественно определяется вязкостью суспензии и видом пенообразователя.

Рисунок 6 - Структура газобетона

Пористость и макроструктура структура ячеистого бетона. К ряду физических свойств, которые характеризуют особенности структурного состояния свойства ячеистого бетона, следует отнести: плотность; средняя плотность; пористость.

Ячеистые поры создаются в бетоне специальными технологическими приемами посредством поризации растворной части бетонной смеси, а капиллярные поры - в результате удаления избыточной воды затворения из межпоровых перегородок

Поры разделяют по размерам:

ячеистые - 10^-4ч0,2 см;

капиллярные - 1 ^-5ч10^-4 см;

гелевые - менее 10^-6 см.

Проф. Ю.П. Горлов и А.П. Меркин [2] пористость ячеистого не зависимо от ее способа создания по объему подразделяли.

Таблица 5 - Характеристика пористости ячеистого бетона [2]

Плотность ячеистого бетона, кг/м3	Общий объем пористости Побщ, %	Объем твердой фазы, Vт, %	Ячеистые поры, Пя	Капиллярные поры, Пкап	Гелевые поры, Пг
			размер, м	объем, %	размер, м	объем, %	размер, м	объем,%
200	92	8	10-6 - 0,25·10-2	83	10-7 - 10-6	7,5	<10-8	1,5
300	88	12	10-6 - 0,2·10-2	76	10-7 - 10-6	9	<10-8	3
400	84	16	10-6 - 0,15·10-2	70	10-7 - 10-6	10,5	<10-8	3,5

Таблица 6 - Расчет состава газобетона, в котором в качестве порообразователя применяется алюминиевая пудра

Наименование материала	Доля в %, теорет.	Доля в %, факт.	Массовая доля,кг
Песок молотый	38-43	41,6	250
Зола - унос ТЭЦ	15-18	16,6	100
Портландцементмарки 400	40-42	41,6	250
Алюминиевая пудра, кг	0,1-,3	0,2	0,5
Всего:		100	600,5
вода	30%		310 л

Практические рекомендации

Пудра Алюминиевая Пигментная представляет собой тонкоизмельченный порошок алюминия, в Зависимости от размера чешуек различают два вида ПАП-1 и ПАП-2. Используется алюминиевая пудра (ПАП) как пигмент для красок, эмалей, резиновых клеев. За счет своей высокой химической активности применяется для производства газобетона. Алюминиевая пудра (ПАП), или Серебрянка - краска применяемая как декоративное покрытие для металлических, деревянных и других поверхностей, характеризуется высокой прилипаемостью к стали. Алюминиевая пудра предназначена в этом случае для обеспечения сохранности стальных конструкций, и иных металлических элементов, подвергающихся воздействию температуры до 450°С.

Применение алюминиевой пудры для производства:

1 ЭМАЛЬ ХВ-125 СЕРЕБРИСТАЯ. ГОСТ 10144-74. Состав: эмаль ХВ-125 представляет собой суспензию алюминиевой пудры ПАП-2 и наполнителя в растворе смолы ПСХ-ЛС в смеси органических растворителей, с добавлением пластификатора. Применение: для окраски загрунтованных металлических, тканевых, деревянных поверхностей, бетонных и железобетонных строительных конструкций, эксплуатируемых в атмосферных условиях.

2 Эмаль ПФ-837 ТУ 2312-021-05015319-98 Материал двухупаковочный (полуфабрикат и алюминиевая пудра). Эмаль ПФ-837 предназначена для окраски поверхностей подвергающихся воздействию высоких температур. Допускается применять для окраски черных металлов без предварительного грунтования в условиях умеренного и тропического климата.

Применение алюминиевой пудры в качестве компонента в строительном композите, в частности, газобетоне.

4. Технологический раздел

4.1 Производство алюминия

Алюминий получают электролизом глинозема в расплавленном криолите Na₃AlFe, в котором хорошо растворяется глинозем.

Постоянный электрический ток, протекая через электролитную ванну разлагает глинозем, при этом алюминий выделяется на катоде, а кислород на аноде. Выделяющиеся при прохождении электрического тока тепло поддерживает электролит в расплавленном состоянии. Накапливающийся на подине ванны алюминий периодически выливают.

Загрузка глинозема в электролит ванны производится периодически.

Полученный при электролизе алюминий загрязнен перешедшим из сырья железом, кремнием, титаном, а также механически увлеченным электролитом глиноземом и угольными частицами. Для удаления примесей алюминий рафинируют хлорированием. Для получения алюминия высокой чистоты алюминий сырец подвергают электролитическому рафинированию.

Глинозем - сырье для электролитичекого способа получения алюминия.

Глинозем является основным исходным сырьем в производстве алюминия и должен отвечать следующим требованиям;

а) высокой степенью чистоты, т. к. примеси могут загрязнять металл;

б) содержать минимальное количество влаги;

в) иметь определенный размер кристаллов

Техническими условиями предусмотрено к изготовлению 6 марок Г₀₀, Г₀, Г, Г₂, Г₃ и Г₄.

Основным сырьем для получения глинозема являются бокситы, нефелины, алуниты, каолиты и глины, причем предпочтение в настоящее время отдается бокситам.

Примерный состав бокситов:

51,0 - 57,0 % А 2 03 2,5 - 8,5 % 02

20 - 22 % Fe 2 03 25 - 30 % T 02

Основные способы получения глинозема:

a) гидрохимический способ Байцера (мокрый) при котором первоначальную обработку боксита осуществляют раствором щелочи;

б) способ спекания, при котором боксит первоначально спекают с содой, и известняком во вращающихся печах.

Гидрохимический способ Байера

Процесс Байера представляет замкнутый цикл, сущность которого определяется химической реакцией.

Аl₂O₃ nH₂O + 2 NaOH 2NaAlO₃ +(n + 1) AlO₂.

Поступающий боксит дробят, измельчают, после чего подвергают выщелачиванию в автоклавах растворами едкого натрия для получения растворе алюмината натрия. Пульпу после выщелачивания разбавляют водок горячей и охлаждают раствор до состояния пересыщения по окиси алюминия и вводят в раствор для затравки гидроокись алюминия, в результате алюминиевый раствор разлагается с выделением в осадок кристаллической гидроокиси алюминия. Пульпа фильтруется, отфильтрованную гидроокись подвергают кальцинации во вращающихся печах, где получают глинозем для электролиза.

Способ спекания используется для переработки высококремнистых бокситов. Боксит совместно с известью, содой и оборотным раствором размалывается в мельницах, после шихту спекают при температуре 1200 - 1300. Полученный спек, содержащий алюминат натрия, направляют на измельчение и довыщелачивание водой или содовым раствором, очищенный алюминатный раствор для извлечения гидроокиси алюминия разлагают методом карбонизации (через раствор пропускают поточные газы с СО₂.

Гидроокись отделяет на вакуум-фильтрах и подвергают кальцинации.

При плавке вторичного алюминия в отражательных печах широко применяются флюсы. Следует отметить, что применение флюсов при плавке алюминия в электрических печах сопротивления весьма ограничено из-за разрушающего действия компонентов флюсов на нагреватели, в этом случае небольшие добавки флюса используются для чистки печей.

Назначение флюсов:

а) защита металла от окисления в процессе плавки;

б) удаление окислов и других неметаллических примесей с образованием при этой влахов.

К флюсам предъявляются следующие требования:

1) температура плавления должка быть близка к температуре плавления алюминия;

2) плотность должна быть ниже плотности алюминия, чтобы расплав флюса располагался на поверхности алюминия для защиты от воздействия кислорода;

3) должен хорошо смачивать поверхность расплавленного алюминия для удаления о киек со шлаком;

4) иметь небольшую вязкость для лучшего отделения от металла;

5) должен понижать поверхностное натяжение на границе жидкий металл жидкий флюс в целях слияния и укрупнения мелких частичек жидкого металла.

Флюсы для алюминиевых и магниевых сплавов обычно представляют смесь галоидных солей щелочных и щелочно-земельных металлов: Na₃AlF₆, AlF₃, NaF, CaF₂, NaCl, KCl, MgCl₂.

Наибольшее распространение получили флюсы на основе двух солей - NaCl, KCl.

Эти соли обладают полной растворимостью, как в жидком, так и в твердом состоянии, т.е. образуют твердые рас то воры.

Если температура плавления чистых солей КСl и NaCl относительно высокая, то растворы этих солей плавятся при значительно меньших температурах. Смесь содей 50:50 плавится при температуре около 650 °С. Плотность жидкого флюса такого состава при 700 - 800 °С около 1,5 - 1,6. Добавка во флюс небольших количеств CaF₂ и Na₃AlF₆ способствует слиянию капель алюминия.

Важной характеристикой флюсов является вязкость: чем меньше вязкость, тем лучше отделяется флюс от металла, следовательно, меньше будет увлечение металла со шлаком. С повышением температуры до 800° вязкость флюса снижается. Дальнейшее нагревание в меньшей степени влияет на изменение вязкости, поэтому перегревать флюс выше 800° не рекомендуется, т.к. при этом сильно возрастает потери вследствие испарения.

Нужно отметить, что между расплавленным алюминием и солями жидкого флюса происходят химические реакции. Например, при температурах 700 - 800° образуются, субхлориды АlCl и субфториды АlF алюминия

,

причем эти реакции протекают с большим выделением тепла. Поэтому в результате реакции алюминия с флюсом некоторое количество металла теряется в шлаках. Наличие в составе флюсов фторидов, например, криолита, увеличиваем потери алюминия в десятки раз. Поэтому следует воздерживаться от применения фтористого флюса.

Рекомендуемый состав флюса:

KCl - 55 %, NaCl - 45 %, Na₃AlF₆ - 3,5 %, CaF₂ - 1,5 %.

Соли применяемые для составления флюсов необходимо предварительно высушивать при температуре 150 - 200° в течение 12 - 16 часов. Составляющие флюса предварительно размалывают до крупности зерен 2 - 6 мм и тщательно смешивают. При применении отработанного электролита магниевых ванн (кариалитовый флюс) предварительно размалывается и смешивается с криолитом и фтористым кальцием.

Готовый флюс должен храниться в закрытой железной таре в сухих и теплых помещениях, во избежание поглощения флаги из воздуха.

Применение мелкого флюса нежелательно из-за большого вспыливания и попадания на нагреватели.

Из строительных материалов, применяемых для постройки печей большое значение имеет огнеупоры.

Огнеупорными называются материалы, деформирующиеся при температуре не ниже 1580 °С. Большинство огнеупорных материалов не является чистым химическим соединением. Обычно к главному окислу примешивается химические вещества, оказывающие при нагревании флюсующее действие на главный окисел.

Огнеупорность материалов определяется температурой размягчения, при которой образец испытуемого материала в виде трехгранной пирамидки согнется и вершина коснется подставки.

Классификация огнеупорных материалов.

До огнеупорности материалы разделяются на классы: А, Б и В.

По внешнему виду - по отбитости углов и кромок, трещинам, точностью размеров - на сорта 1, 2, 3. Сыпучие огнеупоры на сорта разделяются по тонкости помола.

По химической природе - на кислые, полукислые, основные и нейтральные.

Кислые огнеупоры имеют в качестве главного окисла кремнезем SiO₂ и стойки по отношению к кислотам.

Полукислые огнеупоры имеют два главных окисла, кремнезём SiO₂ и глинозем Al₂O₃. Содержание кремнезема не менее 65 %, глинозема до 30 %.

Основные огнеупоры характеризуется наличием главного окисла магнезии MgO или окиси кальция СаО, стойки по отношению к щелочам.

Нейтральные огнеупоры не имеют ясно выраженных кислых или основных свойств.

По степени огнеупорности изделия подразделяются:

а) Огнеупорные с огнеупорностью от 1580° до 1770°;

б) Высокоогнеупорные с огнеупорностью выше 1770° до 2000°;

в) Высшей огнеупорности выше 2000°.

Сведения о главнейших видах огнеупоров.

Динасовые изделия изготовляются из кварцевых пород на известковой или другой связке посредством обжига. Термостойкость динаса значительно выше 600°. Применяются в зонах воздействия на огнеупорную кладку кислых шлаков и высокой температуры.

Шамотные изделия изготавливаются из огнеупорных глин или каолинов содержание Al₂O₃ от 30 до 45 %. Но огнеупорности разделяются на три класса:

А - огнеупорность 1730°;

Б - огнеупорность 1610°;

В - огнеупорность 1610°.

Обладает хорошей термической устойчивостью составляющей 5 - 25 теплосмей.

Магнезитовые изделия получают из обоженного до спекания или плавленного магнезита содержащего окись магния не менее 85 %. Применяются для кладки подин и стенок печей, работающих при высокой температуре. Не разрешается применять для кладки влажного магнезитового кирпича, т.к. такой кирпич растрескивается в результате значительного увеличения объема.

Талько-магнезитовый кирпич Шабросского месторождения получается выпиливанием из цельной горной породы.

Тальк, представляющий природный водный силикат магния 3МgO4O₂H₂ при нагревании до 90° разлагается с образованием кристаллита.

Это препятствует усадке талька при обжиге и обеспечивает постоянство объема.

Хромомагнезитовые изделия изготавливаются из хромита и обоженного магнезита. Главными окислами являются С₂О₃ и МgО, Содержание С₂О₃ колеблется от 10 до 30 %, МgО - от 30 до 70 %. Огнеупорность 1900 - 2000. Применяется для кладки подин и стенок печей.

Углеродистые изделия применяются для футеровки плавильных промышленных печей главным образом в виде крупных углеродистых или графитированных блоков. Содержание углерода не менее 92 %.

Легковесные огнеупоры имеют объемный вес 400 - 1300 кг/см³. Наибольшее распространение имеют легковесные огнеупоры с объемным весом 600 - 1000 кг/м³. Существуют три способа производства, легковесных огнеупоров; а) выгорающих добавок, б) пеношамотный, в) химический. Применяются для теплоизоляции плавильных печей (стен, сводов, подины).

Мертели огнеупорные представляют смесь огнеупорного порошка и огнеупорной глины. По химическому составу мертели подразделяются:

а) шамотный, содержащий Аl₂O₃ + O₂ не менее 30 %

б) полукислый, содержащий Аl₂O₃ + O₂ от 20 до 30 %.

По зерновому составу мертель делится на три группы: тонкого помола Т, среднего помола - С, крупного помола - К.

4.2 Производство алюминиевых порошков

В настоящее время алюминиевые порошки в основном, получаются распылением (пульверизацией) расплавленного алюминия форсункой сжатым воздухом или азотом давлением от 6 до 25 ат. При этом получается полуфабрикат с широким диапазоном по размеру частиц от 5 мкм до 05 мм, называемый в практике пульверизатом.

Полученный пульверизат рассевается на грохотах с получением готовых порошков марш АП или ПА или направляется на размол для получения алюминиевой пудры. Получение алюминиевого пульверизата осуществляется в плавильно-пульверизационных установках, которые включают следующее оборудование:

1) плавильная печь (газовая, электрическая);

2) распылительная (пульверизационная) форсунка;

3) пылеосадитель с раструбом;

4) разгрузочное устройство с грохотом;

5) система подвода сжатого воздуха или азота;

6) мультициклоны;

7) маслофильтр;

8) центробежный вентилятор;

9) трубопровод, соединяющий вентилятор, маслофильтр, мультицикло- ны, пылеосадитель;

10) контрольно-измерительные приборы.

4.3 Технологический процесс получения пульверизата распылением расплавленного алюминия

Кладка и разогрев электропечей сопротивления.

Огнеупорная кладка должна удовлетворять следующим требованиям:

а) обладать достаточной огнеупорностью, т.е. способностью не плавиться и не размягчаться в условиях воздействия высоких температур.

б) иметь необходимую прочность, т.е. не разрушаться от воздействия механических нагрузок и тепловых напряжений.

в) обладать достаточной газоплотностью и химической устойчивостью, т. е. не пропускать газы и воздух, не разрушаться от химического воздействия флюсов, металла, газа и пыли.

Перевязка швов. Места премыкания смежных кирпичей друг к другу называются швами. Чем тоньше шов, тем прочнее и долговечнее кладка. Для того, чтобы швы не образовывали сквозных щелей, кладку обычно ведут с перевязкой швов: швы одного ряда кладки перекрываются кирпичами другого ряда.

Для замоноличивания кладки, увеличения газоплотности и прочности швы кладки заполняются раствором или порошком. Обычно применяются растворы, приготовленные из смеси огнеупорной глины, замешанные водой.

Раствор в горизонтальных швах под действием веса кладки достаточно уплотняется и не требует перевязки.

Вертикальные швы перевязываются в обязательном порядке, за исключением случаев, особо оговоренных в чертежах.

В зависимости от тщательности выполнения кладки и толщины швов, ее разделяют на следующие категории:

Категория кладки Толщина шва, мм

Особо тщательная (1) не более 1

Тщательная (2) не более 2

Обыкновенная (3) не более 3

Грубая более 3.

Кладка печей для плавки алюминия относится к категории тщательной. Температурные швы.

При нагревании огнеупорная кладка расширяется с деформацией каркаса. При незначительных объемах и протяженности кладки компенсация ее роста происходит за счет уплотнения раствора в швах. При значительных объемах кладки необходимо принять меры для компенсации температурных расширений. Такой мерой является устройство температурных швов. Величина расширения кладки пропорциональна ее геометрическим размерам, температуре нагрева и коэффициенту расширения кладки.

Заполнение температурных швов производят или выгорающими прокладками (досками или фанерными пластинами) или сжимающимся материалом - глиной с асбестом, асбестовым шнуром и т.п.

Для ориентировочного определения толщины температурных швов, (если размер не указан в чертеже) можно пользоваться следующими средними величинами:

Вид кладки Средняя величина температурного

шва на 1 пог. метр кладки в мм

шамотная - 5 - 6;

динасовая - 12;

магнезитовая - 8.

Контроль кладки

Толщина швов кладки определяется проверкой в 10 местах на площади каждых 5 квадратных метров поверхности кладки.

Число мест с утолщением против нормы швами допускается не более:

в стенах - 5;

на подине - 4.

Причем утолщение швов не должно превышать более чем на 50 % допустимую толщину шва. Толщина швов проверяется контрольным металлическим щупом, имущим ширину 15 мм и толщину, равную проектной ширине контролируемого шва. Швы считаются годными, если незаостренный и нестертый конец щупа входит в шов от усилия руки на глубину не более 20 мм.

Вновь выполненная кладка печи содержит влагу, которая перед пуском печи в эксплуатацию должна быть удалена.

Процесс удаления влаги из кладки называется сушкой. Сушка может разделяться на два типа:

а) естественная сушка, при открыта загрузочных окнах, длительность операции составляет 3 - 4 суток;

б) сушка с подогревом, продувка горячим воздухом от колорифера или подключается нагреватель с установкой температуры на потенциометре по зонам 120 - 130 °С. На этом режиме печь должна выдерживаться не менее 3-х суток.

При сушке кладки не следует торопиться, т.к. быстрый разогрев может привести к бурному испарению влаги с разрушением швов, после окончания сушки приступают к разогреву печи.

Доведение температуры печи до рабочей называется разогревом. После окончания сушки температура в течение 2-х суток поднимается до 400 С. Разогрев печи должен производиться строго по графику, предусмотренного инструкцией. Разогрев лечи после капитального ремонта с 400 °С до 800 °С должен производиться не менее 72 часов, т.к. при загрузке металла в "холодную» печь возможно резкое охлаждение подины и образование "козла", что значительно удлиняет время наплавления металла.

Плавка алюминия в электропечах сопротивления

Перед загрузкой чушки металла загружаются на порог загрузочных окон для предварительного подогрева. После подогрева чуйки сталкиваются на подину, где под воздействием тепла выделяемого электронагревателями, расплавляются, металл по наклонному поду стекает в пульверизационную камеру. По мере расплавления производят загрузку подогретого на пороге металла и постепенно поднимают уровень металла. Нагрев металла производится вверху, поэтому верхние слои расплавленного металла нагреваются больше нижних. Погружение чушек в жидкий металл достигается за счет разности плотности твердого и жидкого алюминия. Перемешивание жидкого металла и чушек усиливает тепловой обман между жидким и твердым металлом, разрушает с поверхность чушек окисную пленку, что ускоряет процесс плавки. В жидкой ванне по мере нагрева аккумулируется тепло. Чушки погружаемые в расплав, сказываются в нагретом расплавленном металле, быстро нагреваются и расплавляются, при этом они изолируются от печной атмосферы, что предохраняет чушки при расплавлении от чрезмерного окисления.

Окисление ванны жидкого алюминия значительно меньше, чем загруженных чушек, вследствие сопротивления поверхности соприкосновения металле, с атмосферой печи, поэтому в процессе работы необходимо следить за тем, чтобы не снижался уровень металла и плавка чушек алюминия должна производиться в жидкой ванне.

При расплавлении чушек алюминия металл стекает по наклонному поду, а примеси электролита, окиси алюминия, железа, кремния, меди осаждаются на подину и должны систематически удаляться из печи скребками после слития металла или частичного отсоса. Как отмечалось выше, в процессе плавки алюминий активно взаимодействует с атмосферой печи. Окисление алюминия при повышенных температурах идет не только при контакте со свободным кислородом, но и при взаимодействии с водяными парами, углекислым газом

4Al + 3O₂ = 2AlO₃ + 3H₂,

2Al + 3H₂O = Al₂O₃ + 3H₂,

2Al + 3CO₂ = Al₂O₃ + 3CO.

Кроме того, находясь во время плавки в контакте с футеровкой печи, жидкий алюминий взаимодействуют с некоторыми огнеупорами по реакциям

4Al + 3SiO₂ = 2Al₂O₃ + 3 Si,

2Al + 3FeO = AlO₃ + 3 Fe,

2Al + Fe₂O₃ = Al₂O₃ +2Fe,

2Al + Cr₂O₃ =Al₂O₃ + 2Cr.

В результате этого огнеупоры частично разрушаются, образуя настыли на поду и стоиках печи. Настыли сокращают полезный объем печи, а попадая в металл загрязняют его неметаллическими включениями.

При шамотной футеровке настыли печей для плавки алюминия содержат до 90 % Al₂O₃ остальное SiO₂ + Fe₂О₃ + ТiО₂. Несмотря на взаимодействие SiО₂ с алюминием, шамотный кирпич применяется довольно широко, он хорошо выдергивает температурные колебания. При работе необходимо следить за тем, чтобы осколки кирпича при разрушении футеровки и засыпке печи не попадали в металл, т.к. это вызывает загрязнение металла кремнием.

Магнезитовый кирпич не реагирует с жидким алюминием и поэтому более подходит к условиям плавки алюминия. Однако применение его в печах ограничивается, он не выдергивает резких колебании температуры (при отключении и последующем разогреве).

Распылительная форсунка, ее техническая характеристика и сборка

Производительность плавильно-пульверизационной установки, качество пульверизата предопределяется, в основном, распылительной форсункой. Поэтому вопрос сборки форсунки при производстве первичного пульверизата и дисперсного пульверизата АСД приобретает очень важное значение, так как это определяет экономические показатели работы установки.

Технические параметры и их влияние на работу форсунки

Вакуумная характеристика промышленных форсунок

Технические размеры распылительных форсунок: диаметр выходного отверстия ниппеля, диаметр отверстия в крышке, выход ниппеля под крышкой, ширина цели подобраны на основании практика работы пульверизационных установок.

При подборе размеров форсунки учитывались производительность, температура в пылеосадителе, содержание фракции минус 100 мкм в пульверизате, длина факела.

Следует учитывать, что на вакуумную характеристику форсунки влияет конфигурация ниппеля, конусность носика и крышки, размер щели, качество сборки, эти величины зависят от сборщика форсунок. Поэтому изготовление деталей форсунки и ниппеля должно производиться строго по чертежам с определенным допуском.

Как отмечалось выше, распылительная форсунка работает на принципе эжекции, где рабочей средой, эжектирующей, является воздух или азот, а подсасываемой средой, эжектируемой - расплавленный алюминий поэтому, производительность форсунки зависит от количества металла поступающего через ниппель в факел распыления. Чем выше, вакуум развиваемый форсункой, тем больше металла поступает на распыление, т.к. в этом случае возрастает скорость движения металла

, (3)

где Q - количество расплавленного алюминия, проходящего через выходное сечение ниппеля м³/с;

Р - скорость движения расплавленного алюминия м/с.

При одинаковом сечении выходного отверстия ниппеля производительность форсунки зависит от развиваемого вакуума.

Если пренебречь сопротивлением, возрастающим при увеличении скорости, то при различных диаметрах ниппеля и одинаковом вакууме, производительность форсунок будет равной, только скорость движения в ниппеле, меньшего диаметра, будет больше.

Практически при одном и том же вакууме и различных диаметрах ниппелей производительность будет выше у форсунки с увеличенным диаметром, т.к. в этом случае сопротивление при движении металла будет меньше и через ниппель будет больше проходить металла.

Поэтому нельзя судить о производительности форсунки по одному диаметру ниппеля без учета вакуумной характеристики.

Рабочие параметры форсунки, при производстве первичного пульверизата: диаметр отверстия в крышке - 18 мм, диаметр выходного отверстия ниппеля - 8,0 - 8,5 мм, внешний диаметр ниппеля на выходе - 9,9 - 10,5 мм; ширина цели - 3,0 - 3,5 мм, давление воздуха перед форсункой 13 - 14 ат, развиваемые вакуум - 400 - 500 мм. рт. ст., производительность 600 - 620 кг/час выход ниппеля над крышкой и 0,6 - 1,0 мм.

При распылении расплавленных металлов существенное значение для получения дисперсного пульверизата, имеет турбулентность факела в зоне дробления. Для достижения необходимой турбулентности ввод воздуха в камеру форсунки выполняют тангенциально (по касательной) и дополнительно устанавливают завихрители с различным количеством лепестков.

Завихрители, как правило используются в форсунках с низким давлением до 8 атм, т.к. в этом случае истечение воздуха через щель носит ламинарный характер, что снижает эффективность дробления струи.

Работа форсунки на этом режиме сопровождается повышенным коркообразованием.

При прохождении черев лепестки завихрителя, воздух получает вращательное движение (турболизируется), создается благоприятные условия для эффективного дробления металла.

С повышением рабочей давления до 14 ат перед форсункой, необходимость в применении завихрителя отпадает, т.к. достаточная турбулентность (вращение) факела достигается за счет тангенциального ввода и увеличения скорости истечения воздуха через щель. Поэтому в этом случае завихритель двухлепестковый устанавливается только для предохранения от вырыва ниппеля и выбивания воздуха через колено.

Турбулентность факела может быть достигнута и за счет снижения размеров цели до 1,6 мм и повышения рабочего давления до 24 атм (достигается сверхзвуковая скорость истечения), тангенциональность ввода теряет свое значение. Этот факт доказан на форсунках для производства пульверизата АСД.

Ширина щели для истечения воздуха

Размер щели определяется диаметром отверстия в крышке и внешнем диаметре ниппеля. Гранулометрический состав пульверизата в значительной степени предопределяется размером выходной щели распылительной форсунки. При постоянном рабочем давлении воздуха перед форсункой с увеличением размера щели возрастает расход воздуха, а следовательно, возрастает и кинетическая анергия факела распыления, струя расплавленного алюминия дробится интенсивнее. В связи с тем, что компрессор имеет постоянную производительность, увеличение размера щели может привести к повышенному расходу воздуха, а, следовательно, и к снижению давления воздуха перед форсункой.

Сборка форсунки

Перед сборкой все детали форсунки тщательно очищаются от окалины, всплесков металла. Талькохлоритовый ниппель должен плотно входить во втулку корпуса форсунки, для обеспечения плотности под ниппель подматывается асбестовая нить, а поверхность смазывается смесью жидкого стекла с двуокисью циркония, затвердевающей под воздействием температуры. Ниппель перед установкой должен тщательно проверяться на микропорошок и механические повреждения. При установке необходимо следить за соотностью ниппеля и корпуса. При сборке между корпусом и фланцем колена, крышкой и корпусом устанавливаются асбестовые прокладки, т.к. в месте соединения корпуса и колена возможен подсос воздуха, что при работе форсунки вызовет пульсацию. Затяжку болтов следует производить равномерно, при этом следить за равномерностью щели по окружности.

После сборки производится окончательная регулировка, подгонка выхода ниппеля над крышкой.

4.4 Технология распыления

Технология распыления наряду с качеством сборки является важнейшим фактором, определяющим технико-экономические показатели процесса и качества получаемого пульверизата. Самая совершенная сборка форсунки гарантирует получения качественного пульверизата и высоких показателей:

Загрузка печи

Перед загрузкой в печь чушки должны быть высушены и очищены от грязи, после чего загружаются на порог загрузочных окон для предварительного подогрева.

При выполнении этой операции плавильщик должен находиться несколько в стороне от окна, предохраняя себя от излучения и ожогов, от "выброса" металла. Выброс металла возможен при попадании холодной и влажной чушки в расплавленный металл.

Отходы производства "корку", вел левы, крупные отсевы, стружку грузят в разогретую до температуры 760 жидкую ванну, образуя горку, погружающуюся под действием собственного веса в жидкий металл. Для снижения угара металла корку и др. отходы вмешивают в массу металла. Вмешивание производится скребком, плавильщик проталкивает корку под поверхностью металла движением от себя и на себя, всплывающие кусочки утапливаются шумовкой, после чего поверхность быстро присыпается флюсом. Флюсы загружаются в печь веерообразным движением лопаты для лучшего покрытия поверхности металла. При выполнении операции смешивания нужно стараться не разбрасывать корку по поверхности ванны и не вызывать разбрызгивания металла, чтобы не увеличивать угар. Во время работы форсунки, плавильщик должен постоянно следить за уровнем металла и не допускать снижения от центра пульверизационной плиты ниже 170 мм.

Единовременную загрузку металла следует производить не более 30 чушек (460 кг) в каждое окно по 15 чушек. При снижении уровня металла ниже допустимого нельзя единовременную загрузку превышать более 500 кг т.к. при большой загрузке 70 - 80 чушек печь резке охлаждается, причем верхние чушки экранизируют нижние от воздействия выделяемого тепла электронагревателями. По этой причине процесс плавки металла во времени значительно удлиняется, следовательно, увеличиваются непроизводительные простои. При выполнении операции загрузки, размешивания и др. плавильщик должен соблюдать осторожность и не допускать попадания металла на электронагреватели (разбрызгивания).

Подготовка форсунки к работе

Перед установкой распылительная форсунка прогревается до 600 С (до темно-малинового цвета), недостаточно прогретая форсунка при пуске как правило замерзает. Нельзя допускать перегрева форсунки: при длительном воздействии высокой температуры выше 600 С асбестовые прокладки выгорают и нарушается плотность сборки. Прогрев форсунки должен производиться в зоне загрузочных окон в течение 25 - 30 минут. В процессе работы нельзя охлаждать разогретую форсунку, это может привести к растрескиванию ниппеля и его полному разрушению при пуске. При отрыве носика возможен выброс воздуха через колено с разбрызгиванием металла и попаданием его на электронагреватели. Алюминий, попадающий на нагреватели, сгорает, при горении развивает температуру за 3000°, в результате нихром расплавляется и нагреватель подлежит замене.

Распыление алюминия

а) Пуск пульверизационной плавильной установки в работу.

Пуск установки производится в следующей последовательности:

1 Открытием вентиля вода подается в систему охлаждения.

2 Для удаления из воздухопровода конденсата и масла, попадавшего с воздухом из компрессора, воздухопровод продувается до прекращения выделения воды и масла. Прекращение выделения конденсата определяется поднесением листа бумаги, если на листе бумаги не остается следов влаги и масла воздухопровод продут. Продувка воздухопровода производится после остановки более 12 часов.

3 Устанавливается и закрепляется в плите распылительная форсунка, трубка присоединяется накидной гайкой к трубопроводу сжатого воздуха. Форсунка должна крепиться клином надежно, т.к. при работе от воздействия реактивных сил воздушной струны возможно выпадание форсунки.

4 Производится запуск вытяжного вентилятора и маслофильтра.

5 Постепенным открытием вентиля сжатый воздух подается в пульверизационную форсунку. Увеличение давления воздуха на форсунку должно производиться постепенно, плавным поворачиванием вентиля. При резкой подаче большого количества воздуха корпус форсунки и ниппель охлаждаются и металл при поступлении замерзает в ниппеле. Поэтому увеличение давление с 6 до 14 атм. нужно производить в течение 3 - 2 минут. После вывода форсунки на рабочий режим производят регулировку разряжения в пылеосадителе в пределах 10 - 15 мм. вод. ст. Наблюдение за факелом форсунки производят через приоткрытый люк раструба, длина видимого факела (красное свечение) не должна превышать 20 - 30 см.

Длина факела зависит от угла раскрытия струи, чем меньше угол, тем длиннее факел. При работе форсунки поверхность факела увлекает в движение окружающую среду, а так как факел ограничен стенками и подсос окружающей среды ограничен в зоне внезапного расширения факела образуются вихревые зоны, в которых воздух движется по самостоятельным замкнутым контурам. Между ядром факела и атмосферой вихревых зон совершается постоянно материальный обмен: при поступлении воздуха из вихревых зон образуется вакуум, куда устремляются потоки из факела и т.д. Скорость потоков в различных частях циркуляционной зоны неодинакова. Большие скорости в циркуляционных зонах наблюдаются на их периферии, т.е. на границе с факелом и у стенок раструба, минимальные в центре зоны.

Потоки периферии факела увлекают мелкие частицы порошка, которые при соприкосновении с разогретой плитой осаждаются и частично спекаются. В случае работы форсунки с длинным факелом (угол небольшой 8 - 12 °) вихревая зона увеличивается, больше увлекается порошка и значительно быстрее образуются отложения порошка на форсуночной плите и в расширяющейся части раструба. Когда факел соприкасается с отложениями (при достижении последних больших размеров) поверхность их покрывается расплавленными частицами алюминия, что приводит к образованию раскаленных "корольков" алюминия. Попадание этих корольков в разгрузочный узел пылеосадителя может вызвать возгорание разгрузочного рукава.

Поэтому рекомендуется через 20 - 25 минут после пуска форсунку остановить и проверить состояние раструба и пылеосадителя: при образовании больших отложений в раструбе и корки на стенках пылеосадителя, необходимо произвести замену форсунки.

Чистку раструба и пылеосадителя после остановки форсунки разрешается производить только после выдержки в течение 15 - 20 мин для охлаждения отложений порошка и корки, причем корольки должны извлекаться в люк раструба. Запрещается производить чистку раструба и пылеосадителя при работавшей форсунке т.к. раскаленная корка или корольки могут попасть в конус пылеосадителя и вызвать загорание порошка.

б) Режим пульверизации алюминия

Регулировка температуры расплавленного металла в печи осуществляется установкой на потенциометре ЭПР-12 температуры по зонам, при нормальной работе температура по зонам устанавливается в пределах 800 - 850, это обеспечивает нормальную температуру металла 720 - 780°.

Температура металла зависит от ведения технологического процесса.

Производительность печи по расплавленному алюминию при температуре металла 740° составляет 600 - 700 кг/час. При производительности форсунки 600 кг/час загрузка металла должна быть равной 600 кг/час, соблюдение баланса по приходу и расходу обеспечит стабильную температуру металла. Поэтому в процессе работы плавильщик температуру металла регулирует загрузкой.

Температура металла при расплавлении определяется гранулометрическим составом получаемого пульверизата и содержанием примесей в расплавленном алюминии.

При повышении температуры снижается вязкость алюминия, повышается температура факела в зоне дробления металла, в этих условиях пуль веризат получается с повышенным содержанием фракций менее 100 мкр.

Поэтому для получения пульверизата из алюминия АО - 99,5 % с содержанием фракции минус 100 мкр более 50 %, для получения тонких порошков (ПА-4) температура расплава должна, быть 770 - 790 . i

Примеси кремния, железа, меди, свинца, магния, цинка содержащиеся в алюминии снижают его температуру плавления и вязкость, поэтому получение алюминиевого пульверизата с повышенным содержанием фракции 100 мкр может производиться при более низкой температуре 740 - 760 °С.

Получение пульверизата с содержанием фракции минус 100 мкр менее 30 % из алюминия Ао - 99,5 % производится при температуре расплавленного алюминия 720 - 750 С, с содержанием примесей кремния и железа более 1 % - при температуре 690 - 720 °C.