Физико-химические и технологические особенности местных кварцевых песков

Исмаилов Низами Шайы оглы,

доцент Азербайджанского технического университета.

В настоящее время необходимость повышения конкурентоспособности машиностроительной продукции на первое место выдвигает проблему технологического обеспечения качества отливок. Эту важную научно-техническую проблему можно решить бесперебойным обеспечением литейных цехов машиностроительных заводов республики качественными формовочными материалами, главными из которых являются кварцевые пески, глины и бентониты [1].

Особое внимание к качеству формовочных материалов обусловлено их существенным влиянием на точность, шероховатость поверхности, структуру и свойства, а также вероятности образования дефектов у отливок. Установлено, что имеется непосредственная взаимосвязь между качеством формовочных материалов и технологическими свойствами формовочных смесей, литейной формы и отливки [2].

Вместе с тем производство чугуна, стали и цветных сплавов, рост объемов машиностроительной продукции приводят к значительному увеличению потребности формовочных материалов, в первую очередь кварцевых песков. В литейном производстве используют в основном пески с наиболее высоким содержанием кварца и ограниченным содержанием оксидов.

Как показывают многолетние исследования, местные кварцевые пески в природном состоянии не отвечают требованиям ГОСТов по литейному производству, поэтому необходимо изыскивать пути улучшения их свойств различными способами, в том числе широким внедрением процессов активации, модифицированием, регенерацией и обогащением. Например, обогащение песка стабилизирует его минералогический состав и влияет на получение более однородной зерновой массы [3].

В Азербайджане кварцевые пески сосредоточены в основном в Апшероне, Гобустане и Кубинском районе. Месторождения кварцевых песков Адживелинское, Зейидское, Гекмалинское, Кирмакинское, Ясамальское и другие имеют богатые запасы природного сырья [4].

Машиностроительная и металлургическая промышленность Республики в настоящее время работает в основном на привозном сырье, используя в качестве основного компонента кварцевые пески России и Украины, что является нерентабельным. Поэтому выявление физико-химических и технологических особенностей и разработка методов улучшения свойств местных кварцевых песков с целью их рационального использования в составах формовочных смесей для производства серийных чугунных отливок являются актуальными научно-техническими задачами.

В качестве формовочного материала для литейных форм исследовали кварцевые пески Адживелинского, Гекмалинского, Зейидского и Ясамальского месторождений. По данным химических анализов, в Адживелинских песках содержание оксидов составляет: SiO₂ – 86,7%, Fe₂O₃ – 1,9%. При обогащении указанных песков методом мокрой классификации с обдиркой трением продуктивного класса 0,315 с последующей магнитной сепарацией содержание Fe₂О₃ снизилось до 0,13%. После обогащения пески отнесены к классу 2К марки 0315Б и являются пригодными для литейных форм.

Анализ гранулометрического состава показал, что пески неоднородны, хотя в большинстве проб преобладающей является фракция 0,2 – 0,1 мм, составляющая в среднем 59,8% всей массы песков. Содержание крупной фракции (>1 мм) в среднем – 1,1%, фракции 1,0 – 0,315 мм – 23,01%, фракции <0,063 мм – 14,5%. Таким образом, Адживелинские пески могут быть отнесены к полужирным, мелким, классу В и обозначаются П016Б [5].

Результаты технологических испытаний показали, что стандартные по составу смеси имеют удовлетворительную газопроницаемость (К=120 ед.), сырую и сухую прочность (s_сыр≈40…60 кПа, s_сух≈200…300 кПа) и эти пески могут быть применены в качестве формовочного материала для чугунного и цветного литья с применением соответствующих противопригарных материалов. В соответствии с результатами технологических испытаний после обогащения в минералогическом составе Адживелинских песков содержится: SiO₂ – 96,97% и Fe₂O₃ – 0,09 – 0,13%, что показывает эффективность процессов обогащения [6]. В табл. 1 приведены средние химические и гранулометрические составы местных кварцевых песков в природном состоянии.

Таблица 1.

Химический и гранулометрический составы местных кварцевых песков.

Результаты технологических испытаний показали, что Адживелинские кварцевые пески могут быть применены в формовочных смесях для чугунного и цветного литья только после обогащения, поскольку в песках отмечается повышенное содержание глинистых частиц и высокое содержание вредных оксидов, снижающих огнеупорность формовочных смесей.

Установлено, что средний химический состав кварцевых песков Гекмалинского месторождения следующий: SiO₂ – 83,27%; CaO – 4.38%; AI₂O₃ – 2.9%; Fe₂O₃ – 1.87%. Химический состав Сулутапинских кварцевых песков в среднем: SiO₂ – 89,5-95%; AI₂О₃ – 0-3,38%; Fе_гО₃ – 0,3-2,0%. Средний химический состав Ясамальских кварцевых песков: SiO₂ – 81.12%; AI₂О₃ – 3.74%; Fe₂0₃ – 1.33%; Р₂О₅ – 0.11%; СаО – 5.33%; МgО – 0.93%; К₂О – 0.55%; Na₂О – 0.56%; SО₃ – 0.11%.

Балаханские кварцевые пески в основном – среднезернистые, отмечается преобладание угловатых зерен, иногда с неравномерно разбросанными, хорошо окатанными частицами темно-серых глин. Содержание SiO₂ в кварцевых песках колеблется в пределах 76 – 87%, глинистых минералов – 3 – 8%, карбонатов в среднем – 15%. Как показали технологические испытания, Балаханские пески после обогащения могут быть применены в качестве наполнителя для литейных форм отливок чугуна и цветных сплавов.

Перспективным считается месторождение Загирдаг (Гобустан), прогнозные запасы которых составляют не менее 20 млн. т. Однако кварцевые пески Загирдаг также требуют обогащения с промывкой, и необходимо решить вопросы водоснабжения для обогатительной фабрики. Проведенные технологические испытания указанных песков в природном состоянии в составе формовочных смесей показали, что сырая прочность составляет величину в пределах 40…60 кПа [7].

Петрографическими и электронно-микроскопическими исследованиями установлено, что низкая прочность и огнеупорность смесей связана с недостаточно ровной и чистой поверхностью зерен, содержащих примеси галлуазита и тонкие аморфные пленки, препятствующие образованию прочных связей (рис. 1).

Рис. 1. Зерна (а ×400) и участок поверхности кварцевого песка (б ×15000), покрытые бентонитом.

Однако при обогащении и обработке на конусно-инерционных дробилках и пневмоклассификаторах удается получить пески с относительно чистой поверхностью и как следствие, удовлетворительные физико-механические и технологические свойства смесей.

Таким образом, для обеспечения литейного производства республики формовочными материалами Адживелинские, Зейидские, Сулутепинские и Балаханские кварцевые пески могут рассматриваться, как возможные сырьевые базы и применены в формовочных смесях для литейных форм отливок из чугуна и цветных сплавов.

Заключение

Установлены некоторые физико-химические, минералогические и технологические свойства кварцевых песков крупных месторождений Азербайджана. Определены химический, гранулометрический составы, особенности морфологии поверхности и важные технологические характеристики местных кварцевых песков. Для обеспечения потребности литейного производства республики перспективными признаны пески Адживелинского, Зейидского, Сулутепинского и Балаханского месторождений.

Литература

1. Берг П.П. Формовочные материалы. М.: Машгиз, 1963, 408 с.

2. Баландин Г.Ф., Василев В.А. Физико-химические основы литейного производства. М.: Машиностроение, 1981, 260 с.

3. Арсов Я.Б. Стальные отливки. Пер.с болг. М.: Машиностроение, 1997, 176 с.

4. Геология Азербайджана. Полезные ископаемые. Баку, Элм, 1997, 780 с.

5. Боровский Ю.Ф., Шацких М.И. Формовочные и стержневые смеси. Л.: Машино­стро­­­­ение, 1990, 186 с.

6. Трухов А.П. Технология литейного производства. Литье в песчаные формы М., Академия, 2005, 580 с.

7. Исмаилов Н.Ш. Технология литейной формы. Баку, Элм, 2000, 250 с. (на азерб. яз.)

Поступила в редакцию 18.01.2010 г.