СЫРЬЕВАЯ ФОРМОВОЧНАЯ СМЕСЬ Российский патент 1998 года по МПК C04B35/05 C04B9/00 

Изобретение относится к составам сырьевых смесей на основе магнезиального вяжущего и может найти применение в станкостроении при изготовлении деталей с металлическими корпусами типа борштанг, фрез и т.п., а также строительных изделий и конструкций, имеющих металлический корпус, во внутреннюю полость которых заливают предлагаемую сырьевую формовочную смесь в виде литого раствора.

Известен состав сырьевой смеси [1], содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.%:
Каустический магнезит - 6,5 - 7,0
Отвальный металлургический шлак - 8 - 9
Мраморно-гранитный бой - 8 - 9
Фуриловый спирт - 0,03 - 0,05
CaCl₂ - 1 - 1,4
Волокнисто армирующий алюмосиликатный компонент-стекловолокно - 0,38 - 0,5
Раствор хлористого магния (бишофит) плотностью 1,2 г/см² - 5 - 6
Железосодержащий компонент (FeCl₃) - 0,15 - 0,2
Наряду с большими достоинствами сырьевой смеси (сравнительно высокая прочность при сжатии R_сж = 70 - 72 МПа, повышенная водостойкость, сокращенные сроки схватывания, утилизирование отходов) у нее имеются и недостатки:
низкая прочность при изгибе (R_из = 9 - 10,5 МПА);
низкая адгезия с поверхностью стали (усилие отрыва от поверхности стали 1,5 - 1,8 МПа);
не обладает свойствами подвижности, что лимитирует ее применение для целей заливки, тампонирования внутренних емкостей изделий со стальными корпусами.

Наиболее близким к изобретению является состав [2], содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.%:
Каустический магнезит - 22,12 - 27,09
Отходы доменного производства - 36,15 - 43,98
Алюмосиликатная добавка (молотый цементный клинкер) - 3 - 4
Бишофит (на MgCl₂) плотность 1,3 г/м³ - 8,61 - 12,78
Вода (с учетом химически связанной в бишофите) - Остальное
Наряду с достоинствами известной сырьевой формовочной смеси (безусадочный эффект твердения, продолжительная жизнедеятельность, высокая подвижность и обладание способностью тампонировать щели, пустоты) у нее имеются и недостатки:
низкая прочность при изгибе (R_из = 8 - 10,5 МПа);
низкая адгезия с поверхностью металла (стали), удельное усилие отрыва от поверхности 1,5 - 1,8 МПа.

Задача предлагаемого изобретения - увеличение прочности изделий при изгибе, изготавливаемых из предлагаемой смеси, а также увеличение адгезии смеси с поверхностью стали с сохранением прочности при сжатии и безусадочного эффекта при твердении.

Задача решается тем, что в известном составе сырьевой формовочной смеси, включающей каустический магнезит, отходы доменного производства, раствор бишофита плотностью 1,3 г/см³ и алюмосиликатную добавку, в качестве отходов доменного производства взят молотый основной доменный гранулированный шлак и немолотые железосодержащие отходы доменного производства - колошниковая пыль или шлам газоочистки, а в качестве алюмосиликатной добавки - муллито-кремнеземистая вата при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Каустический магнезит - 25,2 - 27,0;
Молотый основной доменный гранулированный шлак - 30,1 - 31,75
Немолотые железосодержащие отходы доменного производства (колошниковая пыль или шлам газоочистки) - 4,2 - 9,34
Раствор бишофита плотностью 1,3 г/см³ ( в пересчете на безводный MgCl₂) - 32,77 - 37,6
Муллито-кремнеземистая вата - 0,94 - 1,1
Для реализации предлагаемого состава сырьевой формовочной смеси проведены опыты испытаний с применением нижеследующих компонентов.

Характеристика компонентов, используемых в сырьевой формовочной смеси
1. Каустический магнезит. Цвет белый, без примеси серы. Удельная поверхность 6000 - 6500 см²/г, содержание MgO - 98%. Отвечает требованиям ПМК-90 (ГОСТ 1216-87 "Порошки магнезитовые каустические").

2. Молотый основной доменный гранулированный шлак. Удельная поверхность 2900 - 3000 см³/г. Насыпная плотность 1140 - 1150 кг/м³. Модуль основности 1,05 - 1,1. Химический состав шлака, мас.%:
SiO₂ - 39,4 - 40
Al₂O₃ - 6,5 - 9,05
CaO - 42,26 - 43,36
S - 1,74 - 1,92
MgO - 7,27 - 7,90
FeO - 0,31 - 0,32
MnO - 0,23 - 0,26
3. Бишофит (MgCl₂ • 6H₂O).

В эксперименте принят жидкий природный бишофит Волгоградского месторождения с плотностью 1,3 г/см³. Отвечает требованиям ГОСТ 7759-73.

4. Немолотые железосодержащие отходы доменного производства.

4.1 Колошниковая пыль (отсев, прошедший через сито 0,63 мм).

Насыпная плотность 1650 - 1700 кг/м³. Гранулометрический состав отсева, просеянного через сито с d = 0,63 мм, мас.%:
Фракция 0,315 - 0,63 мм - 2 - 2,8
Фракция 0,14 - 0,315 мм - 12,7 - 16,0
Фракция менее 0,14 мм - 80 - 85,5
Химический состав, мас.%:
SiO₂ - 11,76 - 12,5
Al₂O₃ - 1,52 - 1,75
CaO - 9,97 - 10,77
MgO - 1,76 - 2,1
Na₂O - 0,19 - 0,23
K₂O - 0,13 - 0,23
MnO - 0,065 - 0,101
P₂O₅ - 0,12 - 0,14
P - 0,08 - 0,084
Fe - 1,63 - 1,7
FeO - 9,81 - 10,3
Fe₂O₃ - 41,08 - 43,29
C - 18,53 - 19,4
S - 0,3 - 0,47
Всего железосодержащих, мас.%: 52,52 - 55,29.

4.2. Высевки от агломерации (флюсования) железной руды, просеянные через сито с ячейками d=0,63 мм.

Насыпная плотность 1850 - 1900 кг/м³. Гранулометрический состав отсева. мас.%:
Фракция 0,315 - 0,63 мм - 12 - 18
Фракция 0,14 - 0,315 мм - 38 - 40
Фракция менее 0,14 мм - 44 - 48
Химический состав отсева с d < 0,63 мм, мас.%:
SiO₂ - 8,4 - 10,28
Al₂O₃ - 3,12
CaО - 8,1 - 10,3
FeO - 36 - 44,3
Fe₂O₃ - 25,5 - 29,7
C - 9,1 - 12,7
Всего (FeO+Fe₂O₃) - 61,7 - 74 мас.%.

4.3 Шлам газоочистки доменного производства.

Это смесь из гидроотвальной и колошниковой пыли (70 - 80 мас.%) и (20 - 30 мас.%) уловленные циклонами отходы от флюсования руды, т.е. смесь материалов с характеристическими данными, приведенными в 4.1 и 4.2.

Всего (FeO+Fe₂O₃) мас.%: 55,26 - 64,3.

5. Муллито-кремнеземистая вата.

Использовали муллито-кремнеземистую вату типа МКРВ с длиной волокон 30 - 100 мм, диаметром 3 - 4 мкм.

Способ получения сырьевой формовочной смеси заключается в следующем.

Дозировали по массе 1 кг 350 г каустического магнезита (25,2% от состава смеси), 1 кг 700 г тонкомолотого основного гранулированного доменного шлака (31,7% от состава смеси), 500 г колошниковой пыли (9,34% массы). Компоненты перемешивали в отдельной емкости без затворителя и без ваты. В отдельную мешалку залили 1 л 350 мл раствора бишофита плотностью 1,3 г/см³ (1 кг 755 г или 32,77% от массы смеси) и раствор поместили 50 г (0,94% от массы) муллито-кремнеземистой ваты. Бишофит с ватой перемешивали до состояния однородной суспензии, в которую поместили сухую смесь из остальных, предварительно смешанных, компонентов и предложили перемешивание до получения однородной литой смеси. Из полученной смеси формовали методом литья с кратковременным вибрированием (30 с) образцы балочки 3 штуки размером 16•4•4 см, а остальную смесь испытали на адгезию с полированной поверхностью стали по способу, приведенной на чертеже.

В основу определения указанного усилия на отрыв стали от поверхности сырьевой смеси приняли прибор по определению липкости металла к поверхности теста вяжущего (чертеж). В форме 1 размером 16•12•4 см сформовали предлагаемую смесь методом вибрирования (30 с) до крайнего уровня. Сверху положили лист стали 2 с отверстием в центре ⊘ 8 см. На открытую поверхность в центре положили стальной полированный диск 3 ⊘ 5 см и толщиной 0,5 см с припаянным к ней крючком 4, к которому прикрепили прочный тонкий шнур 5. Последний, в свою очередь, через блоки 6 соединили с контргрузом 7. Контргруз предотвратил погружение диска 3 в массу адгезионной смеси и обеспечил ее контакт (прилипание) с составом предлагаемой смеси. В таком состоянии оставили смесь в контакте со стальным диском на 28 сут естественного твердения при температуре 20 ± 2^oC. В таких условиях твердения находились и опытные образцы-балочки, но в распалубленном виде.

Через 28 сут борты стального диска 8 стационарно закрепили к основанию стола 9 и начали постепенно по 0,1 кг увеличивать контргруз 7, пока стальной диск не оторвалась от поверхности исследуемой смеси, затвердевшей в емкости 1. К массе груза отрыва прибавили массу отрываемого стального диска 3 и шнура 5 и определили удельное усилие отрыва по формуле
R_отр = m_гр • q/S, кгс/см² (• 10^-1 МПа),
где
R_отр - удельное усилие отрыва стали от поверхности сырьевой затвердевшей смеси, МПа;
m_гр - масса груза в момент отрыва, кг;
q - ускорение свободного падения, м/с²;
S - площадь прилипания (адгезии) стального диска, см².

Три балочки 16•4•4 см после 28 сут твердения испытали на прочность при сжатии и изгибе. Результаты испытаний приведены в табл. 1 (смесь N 1). Одновременно испытали образцы на степень усадки. Аналогичным образом изготовили и испытали адгезионные смеси композиционных составов NN 0 и 2, 3 и 4, а также смесь состава прототипа N 5.

В табл. 2 показаны свойства затвердевших образцов из сырьевой формовочной смеси.

Анализ результатов свойств предлагаемый сырьевой формовочной смеси в сравнении с известным составом (прототипом) показал следующие преимущества:
увеличивается прочность при изгибе в 3,6 - 3,9 раза;
удельное усилие отрыва от поверхности увеличивается в 1,4 - 1,95 раз, т. е. на 43 - 46%.

увеличивается прочность при сжатии почти в два раза;
сырьевая формовочная смесь так же, как и прототип, обладает безусадочным эффектом.

Достижение поставленной цели в сравнении с известным прототипом, в котором не используется волокнисто-армирующие компоненты алюмосиликатного состава или вводятся в виде стекловолокон в аналоге, объясняется следующими физико-химическими процессами.

1) Муллито-кремнеземистая вата в растворе бишофита хорошо диспергирует и равномерно распределяется, так как волокна избирательно временно адсорбируют воду из раствора бишофита и благодаря этому не стремятся всплывать и комковаться. Полученный суспензионный раствор хорошо перемешивается с остальными компонентами смеси, а диспергированные волокна до размера 0,5 - 1 см равномерно распределяются по объему смеси. Кроме того, волокна муллито-кремнеземистой ваты (каолинитовой) обладают эластичностью, большой гибкостью и способностью химически взаимодействовать на граничной поверхности "матрица - армирующее волокно". Роль матрицы выполняет дисперсно-армированный шлакомагнезиальный бетон. Эти причины обеспечивают увеличение прочности при изгибе. Подобным свойством не обладают клинкер или стекловолокна, так как они разрушаются с течением времени в кислой среде и являются хрупкими. Муллито-кремнеземистые волокна относятся к числу кислото- и щелочестойким материалам.

2) Муллито-кремнеземистая вата частично диспергирует до размера коллоидных частиц, гранулы которых приобретают в среде бишофита и, в целом, в смеси вязко-коллоидное липкое свойство, повышающее адгезию с металлом и предел прочности при изгибе.

3) Поверхность металла по своей природе обладает положительным зарядом, а сырьевая смесь - отрицательным, при этом, известно, что металлические микрочастицы в воде или водных растворах приобретают положительный заряд, а все силикатные коллоидные частицы - отрицательный. Отрицательным зарядом обладают и коллоидные частицы минералов молотого граншлака. Это явление обеспечивает повышенную адгезию смеси с металлом, так как отрицательно заряженная смесь электростатически притягивается к положительно заряженной поверхности металла.

Таким образом, задача изобретения решена специфическим поведением муллито-кремнеземистой ваты в составе матрицы шлакомагнезиального бетона.

Предлагаемый состав в сравнении с прототипом имеет и некоторые технико-экономические преимущества:
экономится расход дорогостоящего бишофита на 2,3 - 6,38%, что компенсирует затраты на муллито-кремнеземистую вату;
предельное количество каустического магнезита в заявляемой смеси 27%, а в составе прототипа 30%, т.е. в среднем одинаковые затраты на данный компонент;
себестоимость предлагаемой смеси, способной частично заменить сталь в конструкциях, на 80 - 85% ниже стали.

Изобретение относится к составам сырьевых формовочных смесей на основе магнезиального вяжущего и может найти применение в станкостроении при изготовлении деталей с металлическими корпусами типа борштанг, фрез и т.п., а также строительных изделий и конструкций, имеющих металлический корпус, во внутреннюю полость которых можно залить предлагаемую сырьевую формовочную смесь в виде литого раствора. Сырьевая формовочная смесь включает следующие компоненты, мас. %: каустический магнезит 25,2 - 27,0; молотый основной доменный гранулированный шлак 30,1 - 31,75; немолотые железосодержание отходы доменного производства (колошниковая пыль или шлам газоочистки) 4,2 - 9,34; раствор бишофита плотностью 1,3 г/см³ (в пересчете на безводный MgCl₂) 32,77 - 37,6; муллито-кремнеземистая вата 0,94-1,1. При этом увеличивается прочность изделий при изгибе, а также смеси с поверхностью стали с сохранением прочности при сжатии и безусадочного эффекта при твердении. 1 ил., 2 табл.

Сырьевая формовочная смесь, включающая каустический магнезит, отходы доменного производства, раствор бишофита плотностью 1,3 г/см³ и алюмосиликатную добавку, отличающаяся тем, что в качестве отходов доменного производства взяты молотый основной доменный гранулированный шлак и немолотые железосодержащие отходы доменного производства - колошниковая пыль или шлам газоочистки, а в качестве алюмосиликатной добавки взята муллито-кремнеземистая вата при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Каустический магнезит - 25,2-27,0
Молотый основной доменный гранулированный шлак - 30,1-31,75
Немолотые железосодержащие отходы доменного производства (колошниковая пыль или шлам газоочистки) - 4,2-9,34
Раствор бишофита плотностью 1/3 г/см³ (в пересчете на безводный MgCl₂) - 32,77-37,6
Муллито-кремнеземистая вата - 0,94-1,1в