Zastosowanie pieca elektrycznego łukowego do syntezy mulitu

ZESZ YT Y N A U K O W E POLIT EC H NI KI Ś LĄSKIEJ

Seria; M E C H A N I K A z. 56 N r kol. 437

_ _ _ _ _ _ _ _ 1 9 7 5

J ózef GAWROŃSKI, Zb ig ni ew KALA ND YK Instytut O dl ew n i c t w a

ZAST O SO WA NI E PIECA E L E K T R Y C Z N E G O Ł U K O W E G O DO S Y N TE ZY M U L I T U

S t r e s z c z e n i e . W a rtykule prz ed at aw i on o wyniki badań n ad m o ż l iw o­

ścią- z a s t o s o w a n i a pi ec a e l e kt r yc zn eg o łukowego do syntezy mulitu p rz ez stapianie tech n ic zn eg o tlenku glinu i zgaru gli no we g o z gliną k aolitową. U zyskane wyni ki w s k a z u j ą na m oż liwość w y k o r z y s t a n i a m e ­ tody n a s z e r s z ą skalę.

1. Wstęp

P o s t ę p u j ą c a w o s t a t n i c h latach in t en s y f i k a c j a pr o ce s ó w metalurgicznych, stosowanie c oraz w y ż s z y c h t em p er a t u r w u r z ą d z e n i a c h c ie pl n y c h oraz rozwój n o w y ch technologii, po woduje wzros t z ap o tr ze bo w an ia na m a t e r ia ł y c e c h u j ą ­ ce się nie tylko w y s o k i m i w ł a s no śc ia m i w yt rz y ma ło śc i ow ym i, ale równ ie ż od­

p o r n oś ci ą na działanie w y s o k i c h temperatur. Do t a ki c h ma te ri a ł ó w zalicza się g l i n o k r z e m i a n o wzor ze c h e m i c z n y m SAlgO^ . 2Si02» zwany mulitem. M i ­ nerał mulit s p o t y k a n y jest w p rz y ro d z i e raczej rzadko, a do zna ny ch miejsc jego w y s t ę p o w a n i a n a l e ż y w y s p a Muli w Szkocji, skąd też pochodzi jego n a z ­ wa. Mulit p o s i a d a s zereg zalet, z k t ó r y c h n aj wa ż ni ej sz y mi są: stabi l no ść objętości w w y s o k i c h temperaturach, o d p o r no ść n a działanie c i e k ł y c h żu­

żli i metali, od po rn oś ć na działanie ścierające oraz od p orność n a w s t r z ą ­ sy cieplne. U j em n ą cechą mulitu jest stosun ko wo mała o dp orność na atmosfe­

ry redukcyjne, s z czególnie wodoru. *

Ze w z g l ę d u na jego własności, mulit znalazł szerokie zastosowanie w o d l e wn ic t wi e do pr o dukcji fo rm dla o d le wó w pr ecyzyjnych. Z uwagi n a zniko mą ilość m u l i t u w przyrodzie, opracowano szer eg te chnologii jego syntezy.

Opracowane d ot yc h c z a s m etody o t r z y m y w a n i a m ulitu syntetycznego, w y m a g a j ą o d p o wi e dn ie go p r zy go t o w a n i a m a t e r i a ł ó w w y j ś c i o w y c h oraz dużej ic h c z ys to ­ ści. W p ł y w a to w z n a c zn ym stopniu na p od wy ż s z e n i e k o sz tó w pr o dukcji m u l i ­ tu. T e n stan stwa rz a k o ni ec z no ść p r o w a d z e n i a da ls zy ch b adań nad doskonale­

n i e m procesu p ro dukcji m u li tu syntetycznego.

yo J ózef Gawroński, Zbigniew K alandyk

2. B a d an ia własne. Materiały do badań

Do badań n a d synt ez ą mulitu u ży to te c hn icznego tlenku g li nu,zgaru g li­

nowego oraz gliny G.|-Jaroszów. Skład ch em ic z ny m at er i ał ów w y j ś c i o w y c h za- w i e r u t a b l ic a 1.

T a bl ic a 1

Skład chemiczny m a te ri ał ó w w y j ś c i o w y c h na próbki topione w piecu łukowym

Lp. U a z w a m a ­ teriału

a i9o3

%

%

P e 20 3

%

%

%

* Cu

%

%

%

*

Str.

pr.

%

ny a i2o3 99,0 0,49 0,05 - 0,05 0,03 - - - - -

2 Zgar g l i ­

nowy 82,5 6,20 1,65 0,35 - 0,53 0,46 0,46 0,49 ślad 8,25

3 G lina G.,-

Jaro s zó w 37,0 47,2 1,15 0,11 0,10 0,71 - - - - 13,10

Wszystkie ma teriały wy j śc io we były suszone w suszarce laboratoryjnej w t e m ­ p eraturze 3 53 °K w czasie 1 godziny. Po wy su sz e n i u mielono je w młynku m ło tk o w y m i przes ie wa no przez sito o pr ze ś wi ci e oczka 0,088 mm. Z materia­

łów w y j ś c i o w y c h sporządzono masy syntetyczne, mieszając je w odpowiednich proporcjach. Substraty mi eszano w mi e szarce laboratoryjnej n a sucho,a na­

stępnie z d o d a tk i em wody. Z p r z y g o to w an yc h mas sporządzono próbki o śred­

nicy 0 50 mm n a ubijaku laboratoryjnym. Próbki suszono w suszarce w t e m ­ peraturze 37 8° K w czasie 1 godziny. Skład ch em iczny w y k o n a n y c h p ró be k za­

w ie ra tablica 2.

T a bl ic a 2

Skład ch em ic z ny p r ó b e k t op io n yc h w piecu e le kt rycznym łukow y m ' Lp. Materiał

’wyjściowy

AlgOj

%

Si02

%

P e 2 °3

%

N a 20

%

%

%

%

%

?'

%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

2

G li na G.j +

eo%

30%

72,67

53,08 27,56

41,17 0,41

2,62 1,62

0,92

0,55 0,10

0,56 0,15 0, 11 0,16

3 40‘,S zgar glinowy +

G 1 58,39 36,23 2,48 1,39 0,47 0,48 0,20 0,15 0,21

Z a s t o s o w a n i e p i e c a e l e k t r y c z n e g o . .

cd. t a b li cy 2

1 2 3 4 5

' S " 1 i

4 50 ® zgar g l i n o w y +

63,71 31,44 2,36 1,16 0,40 0,40 0,25 0,19 0,26

5 60 ® zgar g l i n o w y +

G 1 69,22 27,99 2,23 0,93 0,32 0,32 0 ,3 0 0,22 0,31

3. Opis st an ow i s k a ba da w c z e g o

Wyko n an e prób ki topio no w piecu e l e k t r y c z n y m łukowym, w t y g l a c h g r a f i ­ towych. T yg le z p róbkami u s t a w io no n a dnie pieca, bezpośrednio p od e l e k ­ trodami. W celu z ap ew n i e n i a p r z ew od n oś ci prądu e l e k t r y c z n e g o m i ę d z y tygla mi, dno p ie ca w y s y p a n o d r o b n y m koksem. W r a m a c h

b a d a ń

dzono z piecem, a n a s t ę pn ie po w y b i c i u z p i ec a k r u s z o n o w łamac zu szczęko­

wym. R o z d r o b n i o n y mat er ia ł m i e l o n o w m łynie k u l o w y m przez 24 godziny.

4. Prz e bi eg ba d ań

W p i e r w s z y m etapie b a d a ń ok r eś lo no w p ł y w czasu t o p ie ni a n a zawartość mulitu w p r óbkach. Próbki topio no w p i e c u e l e k t r y c z n y m ł u k o w y m po czasie 2,4,6,8 i 10 minut. W celu o k r e ś l e n i a składu f az ow e g o przetopu, r o z m i e ­ szczenia s k ł a d n i k ó w s t r u k t u r a l n y c h ora z zawartości m u l i tu w p rz e to p i e , s t o ­ piony produ kt p o dd an o b a d a n i o m re n tgenowskim, m i n e r a l o g i e z n y m i an alizie chemicznej. B a d a n i a r e n tg en ow s ki e w y k o n a n o na d yf ra k t o m e t r z e

TUR-M61.

Kit,.

Napięcie p rą du w cz asie p o m i a r ó w w y n o s i ł o 35 k V a na tę ż e n i e 12 mA. Prę d­

kość k ą t o w a g on io m et ru w y n o s i ł a 1°/minutę, p r z y sz yb ko śc i prz es u wu taśmy w r e je s t r a t o r z e 2 om/minutę. B a d a n i a m i n e r a l o g i c z n e p r z e p r o w a d z o n o n a w y ­ b r a ny c h próbkach, z a w i e r a j ą c y c h stosu nk ow o dużo mulitu. Zdjęc ia mikro st ru k ­ tur w y b r a n y c h p r ó b e k w y k o n a n o a p a r a t e m Neofot-1 pr zy p o w i ę k s z e n i u 500 x.

Zawartość m u l it u w p r ó b k a c h o k r e ś la no m e t o d ą o p r a c o w a n ą w

IMO [

,

40

f

P r z e pr o wa dz on o r ó w ni eż b a d a n i a n a d m o ż l i w o ś c i ą z a s t o s o w a n i a do syntezy mulitu pr od uk t u od p ad o w e g o prz y pr od uk c ji aluminium, j a k i m jest zgar g l i ­

9 2 J ó z e f G a w r o ń s k i , Z b i g n i e w K a l a n d y k

nowy. Oprócz b a d a ń l a b o r a t o r y j n y c h w y k o n an o w y t op y w s a d ó w n a skalę pół- techniczną. W s a d y spor z ąd zo no z m i es za ni a g li ny C

1

w y m o d zi ałaniu b ezpośrednim, w y ł o ż o n y m grafitem.

9. Wynik i badan

P rz ep r o w a d z o n o bada ni a w p ły wu czasu t o p ie n ia na z miany zawartości m u ­ litu w pr ze t o p i e w y ka zały, że o p ty malny czas topi en i a pr óbek wy nosi

10

nut. Ra p od stawie ba da ń r en tg e n o g r a f i c z n y c h i anal iz y chemicznej s t w i e r ­ dzono, że próbki topi o ne w t y m cz asie zawierały m ak s ym al ną ilość mulitu m o ż li w ą do u z y s k a n i a p r z y d a n y m składzie chemicznym.

W pł yw czasu topienia n a zmiany zawartości mulitu w p r ó b ka c h przed st aw i a rys. 1. Wyniki a n a li zy chemicznej b a d a n y c h p ró be k zawiera tablica 3.

Muld

Rys. 1. W pływ czasu top ie ni a n a zmiany ilości mulitu w próbkach:

1 - GOS Al j Oj + 4 0 S g l i n a G.,

>

3

4

50

50

5 -

60S

Z a s t o s o w a n i e p i e c a e l e k t r y c z n e g o 9 3

T a b l i c a 3

Wyniki anal i zy chemicznej b a d a n y c h p r ó b e k

Łp. Składniki masy

%

(2/min )

(4

1 G ii ua G1 + 6055 AijO^ 55,3 76,5 86,7 93,4 94,2

2 309? zgar glin. + G. 35,5 42,1 49,3 42,9 53,6

3 40 & zgar g l i n o w y + G^ 38,7 49,6

60,2

4 505? zgar glin. + G 1 40,4 62,0 70,5 7 5, 8 75,9

5 6 0 ^ zg ar glin. + G 1 50,0 65,2 76,7 85,3 36,1

A n a l i z a c h e m i c z n a m u l it u syntetycznego, u zy sk a n e g o w w y t o p i e n a skalę p ó ł t e c h n i c z n ą w y k a z a ł a n i ew ie lk i e różn ic e w zawartości mulitu, pomi ę dz y m u l i t e m syntetycznym, u z y s k a n y m ze zgaru g l i n o we go a m u l i t e m z t le nk u gli­

nu. Zawartość mulitu w próbce ze z ga re m była mn ie j s z a o 8^ od próbki z t l e n k i e m g linu. Wyniki a n a l i z y chemicznej mulitu s yn t et y c z n e g o zawie ra ta­

blica 4.

T a b l i c a 4

Wyniki anal i zy chemicznej mulitu s y n t e ty cz n eg o

lip. S kładniki mas y M ulit (*) Szkliwo

(%)

2.

G l i n a G-j + AlgOj 605? zg a r glin. + G 1

93,9 86,5

6,1 14,5

W celu u s t a l e n i a składu fazowego m ul it u s y n t et yc z ne go ot r zy m a n e g o n a ska­

lę p ó ł t e c h n i c z n ą s to so w a n ą metodą, w y k on a no badania rentge no w sk ie .

Wyniki t y c h ba da ń wykazały, że g ł ó w n ą fa zą mu litu s yn te t y c z n e g o jest m u ­ lit o wz orze 3A12 0 .j . 2Si02 z n i ew ie l k i m i domi es z ka mi t ry d ymitu i krysto- balitu (tablica 5).

B a da ni a m i n e ra lo g ic zn e um oż li w i ł y określ en i e r o z ł o ż e n i a faz st r uk t u r a l ­ n y c h oraz rodz aj u k r y s z t a ł ó w mulitu, w y s t ę p u j ą c e g o w próbkach. N a p o d s t a ­ wie w y k o n a n y c h zdjęć stwierdzono, że mulit w y s t ę p u j ą c y w p r ó b k a c h ma po­

stać p o d ł u ż n y c h igieł.

94

T a b l ic a 5

Józef G a w r o ń s k i , Z b i g n i e w K a l a n d y k

W yn ik i b a d a ń r e n t g e n o g r a f i c z n y c h próbki n r 1

Lp • 2 0 °

A/A )

K

stobalit

y - t r y d y ­ mi t

1

2

13 ,0 0

3 17,60 2 ,5 40 7 111 +

4 18,19 2 ,200

n \

5 20 , 48 2,196 9 211 +

6 21 ,65 1,596 4 220 +

7 26,26 1,597 7 041 +

8 28,75 1,594 5 401 +

30,65 1 ,403 4 520 +

10 33,25 1 ,401 4 2 50 +

1 1 34,10 1 ,379 3 151 +

12 38,42 1,371 2 214 -t

6- A n a l i z a w y n i k ó w

Ha p o d s t a w i e w y k o n a n y c h b a d a ń rentge no ws k ic h, m i n e r a l o g i c z n y c h i anali­

zy c hemicznej n a l e ż y sądzić, że z as to sowanie gl i ny G-j-Jaroszów i tec h­

ni c zn eg o t l e n k u g l i n u do syntezy muli tu da p oz yt y wn e wyniki. Il oś ć mulitu jest t ym w i ę k s z a i m skład m a t e r i a ł ó w w y j ś c i o w y c h do jego syntezy jest bar­

dziej zbli żo n y do składu r ów nowagowego.

P rz ep ro w ad zo ne b a d a n i a n a d w p r o w a d z e n i e m do mas y wy jś c io we j zgaru glin ow e ­ go zamiast t e c h n i c z n e g o tlenku glinu d a ł y także p oz ytywne wyni k i. Na p o d ­ stawie b a d a ń c h e m i c z n y c h i r e n t g e n o g r a f i c z n y c h s tw ierdzono bowiem, że za­

w a r t oś ć muli tu w p r ó b k a c h ze z g ar em k l i n o w y m jest prawie r ó w na iloś ci m u ­ litu w p r ó b k a c h z t l e n k i e m glinu. Sugeruje to twierdzenie, że mulit o t r z y ­ m a n y z obu substx’a t ó w i g l i n y kąolinitowej n i c z y m się od siebie n ie różni.

P rz ep r o w a d z o n e b a d a n i a laborat o ry jn e i n a skalę p ó ł t e c h n i c z n ą p oz wa l aj ą sądzić, że z a s t o s o w a n i e zgaru gl in ow e go i g l i n y G.j-Jaroszów da poyztywne wyniki w p r o c e s i e p r odukcji mulitu sy nt e ty cz ne g o n a skalę przemysłową, pr z y c z y m z a st os ow a ni e zgaru glinowego, będącego p r o d u k t e m odpadowym, w y ­ d atnie o b n i ż y koszt p ro dukcji mulitu.

7. Wnioski

Z a s t os ow a ni e pi ec a e l ek tr ycznego łukowego io p ro dukcji mu litu s y nt e ty ­ cznego n a skalę p ó ł t e c h n i c z n ą daje p oz ytywne wyniki.

Z a s t o s o w a n i e p i e c a e l e k t r y c z n e g o . 9 5

G li na G.j - J a r o s z ó w oraz t e c h n i c z n y t l e n e k g li n u n a d a j ą się do s p or zą ­ dzania m a t e ri a łu w s a d o w e g o do synte z y m u li tu m e t o d ą topienia.

Z as tąpienie tlenku g l in u z ga re m g l i n o w y m daje p oz y ty wn e w yn i ki muli ty - zacji, a także pozw o li n a osiąg n ię ci e z n a c z n y c h e f e k tó w ekonomicznych, dzięki niższej c enie tego odpadu p r z e m ys ł ow eg o .

L IT ER A T U R A

[1] W. Sakwa,-T. W a c h e l k o - T e o r i a i p r a k t y k a tech n ol og ii m a t e r i a ł ó w f o r ­ mierskich, W y d a w n i c t w o "Śląsk", Katowice, 1971.

[

2

[

3

[

4

[

5

[fil

[

7

HCI10JIb3OJBAHHE 3JIEKT P H H B C K O H JUrOBOH IIEHH

J M

P

e 3

M

B ciaifce ĄajoTC

a

rjm

ajia-

Óojiee

T HE A P P L I C A T I O N OP ARC F U R N A C E F O R T H E W I N N I N G OF S YN THETIC M U L L I T E

S u u . m a r"y

The artx. l e pr es en ts some of the i n v e s t i g a t i o n r e s ul ts c on ce r ni ng the p os si b il it y of o b t a i n i n g synthetic m u ll it e by me an s of fusin g in the arc furnace a mixt u re of technical a l u m i n i u m oxide w i t h ka o li ni te clay.The ob­

t ained r e su lt s sign i fy the p o s s i b i l i t y of app ly i ng this m e t h o d i n large.