Анализ технологии получения композиционного порошкового материала из шлака плавки вторичных алюминиевых сплавов для детонационного напыления покрытий, исследование его физико-технологических свойств. Химический состав шлака плавки вторичного алюминия.
Аннотация к работе
Луганск, Украина 2 Донецкий национальный технический университет, г. ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКА ИЗ ШЛАКА ПЛАВКИ ВТОРИЧНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ДЕТОНАЦИОННОГО НАПЫЛЕНИЯ Отработана технология получения композиционного порошкового материала из шлака плавки вторичных алюминиевых сплавов для детонационного напыления покрытий и исследованы его физико-технологические свойства.98 промышленность выпускает глинозем также других марок, отличающихся количеством ?-А12О3, примесей, гранулометрическим составом, величиной угла естественного откоса, характеризующего текучесть порошка. Глинозем марок Г-00, Г-0, Г-1, Г-2 имеет насыпную плотность 0,70?1,00 г/см , марки ГК - 0,65?075 г/см3. Так, согласно данных, приведенных в интернете, глинозем марок Г-00, Г-0, Г-1, Г-2 ГОСТ 30558-98 производства ОАО «Бокситогорский глинозем» содержит от 20 до 40 % ?-Al2O3, имеет насыпную плотность без уплотнения 0,70?1,00 г/см и гранулометрический состав, приведенный в табл. Известна работа [7], в которой приведены результаты исследований свойств электрокорунда марки 15А (ГОСТ 3647-71) и глинозема марки А-90 (ГОСТ 6912-74) (табл. Мелкую фракцию подвергали магнитной сепарации, обжигали при температуре 1200ОС в течении 45 мин., определяли потери при обжиге, состав до и после обжига, исследовали насыпную плотность с использованием воронки по ГОСТ19440-94, текучесть, которую определяли повремени истечения навески порошка массой 50 г из воронки с отверстием 5 мм в соответствии с ГОСТ 20899-75, форму частиц по ГОСТ 25849-83, гранулометрический состав по ГОСТ 23402-78, истинную плотность порошковых частиц методом пикнометрии.Технология переработки алюминиевого шлака, которая состоит из операций: очистка и сушка шлака, измельчение с поэтапным отсевом фракции с размером частиц менее 50 мкм, магнитная сепарация и обжиг с последующим финишным измельчением, обеспечивает получение композиционного материала, содержащего оксиды А1, Si, Fe, Ti, Ca, Mg, имеющих высокую твердость. Форма частиц порошка качество получаемого порошкового материала, а также плавления при обжиге и окисления частичек алюминия, приводящих к росту массы порошка, содержание Al2O3 в переработанном алюминиевом шлаке увеличивается.
Введение
Для получения износостойких покрытий методом детонационного напыления в качестве исходного порошкового материала может быть использован оксид алюминия (Al2O3) [1-4]. При работе покрытия, полученного из Al2O3 в паре с закаленной сталью в условиях сухого и полужидкостного трения с нагрузками 5?25 МПА, показатели износостойкости превосходят цементированные и азотированные стали в 2?2,5 раза, а белый чугун в 5?6 раз [2].
Для детонационного напыления применяют также смеси Al2O3 с оксидами титана, хрома и др. материалами. При высокой износостойкости покрытия на основе Al2O3 имеют невысокие прочностные и пластические свойства. Однако наиболее низкую прочность сцепления с основой имеет покрытие из Al2O3 без добавок [1].
Необходимо отметить, что приведенные литературные источники не содержат данных о марках и свойствах используемого для напыления Al2O3. Вместе с тем его свойства в зависимости от марок различаются.
Al2O3 - белый тугоплавкий порошок, средняя температура плавления - 2044°С, температура кипения - 3530°С, по твердости близок к алмазу [5]. Известно несколько кристаллических форм Al2O3, плотность которых изменяется от 3,61 до 3,99 г/см3 (табл. 1).
Таблица 1. Плотность Al2O3 различных модификаций
Модификация
Плотность, г/см3 ?-Al2O3
3,99
?-Al2O3
3,61 ?-Al2O3
3,68 k-Al2O3
3,77
Наиболее распространен ?-Al O (корунд). Его свойства следующие: плотность 3,99 г/см3, температура плавления - 2038?2054ОС; предел прочности, МПА: при растяжении - 260, изгибе - 150, сжатии - 4000. Модуль упругости - 382 ГПА, твердость по шкале Мооса - 9, микротвердость - 2050 ГПА [5].
2 3
При нанесении детонационных покрытий из Al2O3 используется порошок глинозема марок Г-00, Г-0 [1]. Согласно ГОСТ 6912-87, ГОСТ 30558-98, ГОСТ 30559-
ISSN 2073-3216 Прогресивні технології і системи машинобудування № 3(49)-4(50)’2014
98 промышленность выпускает глинозем также других марок, отличающихся количеством ?-А12О3, примесей, гранулометрическим составом, величиной угла естественного откоса, характеризующего текучесть порошка.
Глинозем представляет собой белый кристаллический порошок, состоящий из различных модификаций оксида алюминия. В зависимости от марки, он содержит от 20 до 95% ?-Al2O3 и примеси, %: SIO2 - 0,02?0,12; Fe2O3 - 0,3?0,6; оксиды Ti, V, Cr, Mn до 0,03; Na2O K2O от 0,1?0,5; потери при прокаливании - от 0,2 до 1,5 %. Глинозем марок Г-00, Г-0, Г-1, Г-2 имеет насыпную плотность 0,70?1,00 г/см , марки ГК - 0,65?075 г/см3. Истинная плотность глинозема, г/см3 - 3,9?3,96. Угол откоса составляет у марок Г - 27?40о, ГК - 46?58о.
3
Данные о гранулометрическом составе противоречивы. Так, согласно данных, приведенных в интернете, глинозем марок Г-00, Г-0, Г-1, Г-2 ГОСТ 30558-98 производства ОАО «Бокситогорский глинозем» содержит от 20 до 40 % ?-Al2O3, имеет насыпную плотность без уплотнения 0,70?1,00 г/см и гранулометрический состав, приведенный в табл. 2.
3
Таблица 2. Гранулометрический состав глинозема марок Г-0 и Г-2
Марка
-100 63
Содержание частиц, %, размером, мкм
-63 40 -40 25 -25 10 -10
Средний размер, мкм
Г-0 4?7
Г-2 6?12
15?30 40?50
20?45 20?30
14?30 1?3 32?48
6?15 1?5 42?50
Согласно работы [6] глинозем марки Г-00 Ачинского глиноземного комбината состоит в основном из крупных частиц (табл. 3).
Таблица 3. Гранулометрический состав глинозема марок Г-00
Грансостав в % (сертификат) Г-00
156 мкм 12,08
125 мкм -45 мкм 23,10 22,90
Кроме глинозема известен электрокорунд - искусственно синтезированный синтетический корунд, содержащий 88?99 % Al2O3. Микротвердость электрокорунда лежит в пределах 1800?2400 ГПА, плотность - 4 г/см . Электрокорунд размягчается при температуре 1750ОС, плавится при температуре 2050ОС.
3
Известна работа [7], в которой приведены результаты исследований свойств электрокорунда марки 15А (ГОСТ 3647-71) и глинозема марки А-90 (ГОСТ 6912-74) (табл. 4). ГОСТ 3647-71 распространяется на шлифовальные материалы и характеризует их классификацию, зернистость и зерновой состав, указывает методы контроля и не содержит информации об электрокорунде марки 15А, а в ГОСТЕ 6912-74 нет данных о глиноземе марки А-90. Это снижает возможность сопоставить приведенные данные с результатами других исследований.
Известно [2, 3], что на качество детонационного покрытия значительное влияние оказывают размеры и форма порошковых частиц. Для детонационного напыления наиболее благоприятными по гранулометрическому составу являются порошки с размерами частиц 10?50 мкм. Нижний предел ограничивается снижением текучести,
217
ISSN 2073-3216 Прогресивні технології і системи машинобудування № 3(49)-4(50)’2014
что затрудняет дозирование. Кроме того, мелкие частицы при нагреве испаряются, а применение крупных частиц ограничивается возможностью их объемного нагрева до температуры плавления. Во многих случаях размер частиц порошкового материала зависит от метода его изготовления и особенностей технологической подготовки [8].
Таблица 4. Свойства электрокорунда марки 15А и глинозема марки А-90
Порошок
Электрокорунд марки 15А (ГОСТ 3647-71)
Глинозем марки А-90 (ГОСТ 6912-74)
Фракции, мкм
28?10
40?200
Текучесть, г/с не течет
89
Насыпная плотность, 104, н/м3
1,51
0,953
Угол откоса, град
63
32
Скорость истечения 106, см3/с
-
0,59
Большое значение имеет полидисперсность порошков. Для получения однородного покрытия необходимо иметь равномерный распыл. При большей однородности порошкового материала более удобно выбрать характеристики параметров работы установки детонационного нанесения покрытий (УДНП) для соответствующего размера частиц с целью оптимизации процессов их ускорения и нагрева [3].
Таким образом, порошки глинозема, используемые при детонационном напылении, имеют различные физико-механические свойства, которые не всегда удовлетворяют требования технологических параметров работы УДНП, и в зависимости от марки и производителя имеют различные свойства, что, безусловно, оказывает влияние на качество и свойства покрытий.
Поэтому представляет интерес разработка технологии получения композиционного материала, содержащего Al2O3, имеющего детерминированные свойства с более узким диапазоном гранулометрического состава.
Ежегодно в Украине производится 210 тыс. тонн алюминия. Около 100 тыс. тонн производится методом вторичного переплава алюминиевого лома, в результате чего образуется значительное количество шлака, содержащего большое процент оксида алюминия [9]. До последнего времени ни в Украине, ни за рубежом нет рационального способа переработки шлака алюминия в ценную продукцию. Поэтому представляется целесообразным переработать его в композиционный порошковый материал, содержащий оксид алюминия и пригодный для нанесения износостойких покрытий методом детонационного напыления.
Основное содержание и результаты работы
Литературные данные о составе шлаков противоречивы. Как видно из табл. 5, шлак плавки вторичных алюминиевых сплавов может содержать от 20 до 70 % Al2O3 и другие компоненты, в основном, SIO2 (7?14 %), что связано с различиями в технологии плавки на различных предприятиях, видах выплавляемых сплавов, применяемых флюсах [9-11].
218
ISSN 2073-3216 Прогресивні технології і системи машинобудування № 3(49)-4(50)’2014
Поэтому важным условием получения качественного продукта является использование шлака одного производителя, проведение операции усреднения и выполнение контрольных операций.
Таблица 5. Химический состав шлака плавки вторичного алюминия
Al Al2O3 SIO2 MNO Fe2O3 CAO MGO KCL NACL S P ППП 30?40 20?30 8?10 0,2?0,3 - - - - - - - -
Для получения порошка был использован шлак одного производителя - СП "Интерсплав" г. Свердловск, Украина. Шлак трех различных плавок смешивали в лабораторной шаровой мельнице, отсеивали фракцию менее 50 мкм, а крупную фракцию измельчали в той же мельнице. Мелкую фракцию подвергали магнитной сепарации, обжигали при температуре 1200ОС в течении 45 мин., определяли потери при обжиге, состав до и после обжига, исследовали насыпную плотность с использованием воронки по ГОСТ19440-94, текучесть, которую определяли повремени истечения навески порошка массой 50 г из воронки с отверстием 5 мм в соответствии с ГОСТ 20899-75, форму частиц по ГОСТ 25849-83, гранулометрический состав по ГОСТ 23402-78, истинную плотность порошковых частиц методом пикнометрии.
Шлак сушили и просеивали через сито с размерами ячеек 50 мкм. Установлено, что содержание в шлаке частиц с размерами менее 50 мкм составляет всего 11,3 %. Поэтому шлак измельчали в лабораторной шаровой мельнице, периодически отсеивая мелкую фракцию и добавляя в мельницу новые порции шлака. Полученный порошок подвергали магнитной сепарации, в результате которой было удалено 0,34% магнитной составляющей. Насыпная плотность полученного порошка составила 0,56 г/см3.
При обжиге на поверхности шлака образуется корочка, которая легко разрушается при обработке в шаровой мельнице. После обжига наблюдается увеличение массы порошка в среднем на 14,8%, при росте содержания А12О3 и уменьшение количества примесей (табл. 6).
Таблица 6. Химический состав шлака до и после обжига
Об- А12О3 SIO2 Fe2О3 TIO2 CAO MGO Р2О5 K2О Na2 SO3 A1 жиг О до 28,52 22,54 3,15 0,36 17,76 3,61 0,16 1,84 4,38 0,82 18 после 54,14 19,9 1,88 0,29 17,24 3,18 - - 4,33 - -
Насыпная плотность порошка повысилась и составила 0,69 г/см3. Текучесть равнялась 89 г/с. Гранулометрический состав порошка, полученный в результате его обработки, приведен в табл. 7.
Таблица 7. Гранулометрический состав порошка
Содержание частиц, %, размером, мм
<0,05 <0,04 <0,03
17 22 18
<0,02 <0,01
22 21
219
ISSN 2073-3216 Прогресивні технології і системи машинобудування № 3(49)-4(50)’2014 d
?
Рассчитан средний размер частиц порошка отклонение размеров частиц от их среднего значения: характеризующий степень полидисперсности [13]: ? dcp, среднеквадратичное ? , коэффициент вариации, dcp ? ?midi
? i m
; ? ?[?(di ?dcp)2mi ]0,5; ? ? ? , i cp где dcp ? средний размер частиц порошка;
? m mi- масса i ? той фракции порошка;
d - средний арифметический размер частиц порошка в i ? той фракции; ? ?среднее квадратичное отклонение размеров частиц порошка от их i среднего значения;
?
? степень полидисперсtrial.
Средний размер частиц порошка составил 0,0242 мм; отклонение размеров частиц от их среднего значения полидисперсности = 0,578. среднеквадратичное = 0,014; степень
Форма частиц, полученная в результате обработки в шаровой мельнице, показана на рис. 1.
?
Истинная плотность порошковых частиц, определенная методом пикнометрии, составила 3,42 г/см3.
Вывод
Технология переработки алюминиевого шлака, которая состоит из операций: очистка и сушка шлака, измельчение с поэтапным отсевом фракции с размером частиц менее 50 мкм, магнитная сепарация и обжиг с последующим финишным измельчением, обеспечивает получение композиционного материала, содержащего оксиды А1, Si, Fe, Ti, Ca, Mg, имеющих высокую твердость.
В результате магнитной сепарации и обжига происходит удаление примесей (P2O5, K2O, SO3). За счет устранения примесей, снижающих необходимое
Рис. 1. Форма частиц порошка качество получаемого порошкового материала, а также плавления при обжиге и окисления частичек алюминия, приводящих к росту массы порошка, содержание Al2O3 в переработанном алюминиевом шлаке увеличивается.
Разработанная технология позволяет получить из шлака плавки вторичного алюминия порошковый композиционный материал с высоким процентным содержанием Al2O3. Полученный композиционный порошковый материал имеет удовлетворительные физико-технологические свойства и может быть использован для нанесения детонационных покрытий с управляемыми эксплуатационными свойствами.
220
ISSN 2073-3216 Прогресивні технології і системи машинобудування № 3(49)-4(50)’2014
Список литературы
1. Поляк М.С. Технология упрочнения. - М.: Л.В.М. «СКРИПТ». Машиностроение, 1995, т. 1 - 832 с., т. 2 - 688 с.
2. Бартенев С.С., Федько Ю.П., Григоров А.И. Детонационные покрытия в машиностроении. - Л.: Машиностроение, 1982. - 216 с.
5. Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.
6. Юшкова (Белоногова) О.В., Юшков В.В., Журавлева Е.Н., Антонов М.М., Орелкина Т.А., Пономарева С.В. Влияние механоактивации на топографию поверхности частиц различных глииноземов // Электронный научный журнал. Современные проблемы науки и образования. - 2014 - № 1.
7. Каденаций Л.А. Технологические характеристики порошковых материалов, применяемых при гозотермическом напылении / Л.А. Каденаций, А.П. Мурашов, Н.Б. Лисовская, Л.Я. Кочаток // Порошковая металлургия. - 1988. - №10. - С. 35-37.
8. Богуслаев В.А. Детонационное нанесение покрытий на детали авиадвигателей и технологического оснащения с последующей магнитно-абразивной обработкой / В.А. Богуслаев, А.И. Долматов, П.Д. Жеманюк, А.И. Кулагин, В.Г. Михайлуца, В.А. Симоненко. - Запорожье: Дека, 1996. - 366 с.
9. Чернявский И.Я. Шлаки цветной металлургии. - Л.: Наука, 1984. -374 с.
10. Шутько А.П. Басов Б.П. Использование Al содержащих отходов промышленных производств. - К.:Техника, 1989. - 112 с.
11. Никитин В.В. Исследование процессов компактирования шлаков производства вторичного алюминия. / Вісник СУДУ. - № 1. - Луганск, 2000. С. 96-99.
Надійшла до редколегії 12.05.2014р.
А.Т. Циркін, О.М. Михайлов, О.М. Перов, В.В. Головятинська, М.Г. Петров
ОДЕРЖАННЯ ПОРОШКУ З ШЛАКУ ПЛАВКИ ВТОРИННИХ АЛЮМІНІЄВИХ СПЛАВІВ ДЛЯ ДЕТОНАЦІЙНОГО НАПИЛЕННЯ
Відпрацьована технологія отримання композиційного порошкового матеріалу зі шлаку плавки вторинного алюмінієвого сплаву для детонаційного напилювання покриттів та дослідженні його фізико-технологічні властивостей.
A. Tsirkin, A. Mikhaylov, А. Petrov, V. Holovyatinskaya, М. Petrov POWDER GETTING FROM SMELT
SLAG OF SECONDARY ALUMINUM COMPOSITION FOR DETONATION SPRAYING
It is worked the technology of the compositional powder material getting from smelt slag of secondary aluminum composition for detonation spraying of the coverings and its physic-technological features researching.