Циркониевый электрокорунд, его получение, свойства, применение (стр. 1 из 3)
Министерство образования и науки Российской Федерации
Волжский институт строительства и технологий
(филиал)
Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Факультет МТ
Кафедра ТОМП
Курсовая работа
по дисциплине: «Технология производства»
«Циркониевый электрокорунд, его получение, свойства, применение»
Выполнила: ст.гр. ПМКМП-2-07
Тарасова Я.А.
Проверил: к.т.н., доцент
Орлова Т.Н
Волжский 2010
Содержание
Введение
Циркониевый электрокорунд
Свойства циркониевого электрокорунда
Микроструктура циркониевого электрокорунда
Фазовые равновесия в электрокорунде системы А12О3-ZrO2
Заключение
Список литературы
Введение
В курсовой работе будет рассмотрен технологический процесс плавки циркониевого электрокорунда, особенности его структуры, физических и химических свойств, а также их изменение от скорости охлаждения расплава и др. Данная работа опирается на опыты проводимые во ВНИИАШе под руководством В.В. Карлина, и с участием И.П. Васильева Г.М. Зарецкой и др.
Циркониевый электрокорунд
Циркониевый электрокорунд будем рассматривать как продукт кристаллизации двойной системы. В этой системе, по данным Г. Вартерберга, при массовой доле ZrO2, равной примерно 40 %, появляется эвтектика с температурой плавления 2193 К. Р.Ф. Геллер определил наличие эвтектического сплава при массовой доле в нем ZrO7, равной 55 %, с температурой плавления 2158 К. Поданным японских исследователей температура плавления эвтектики составляет 2163 К. А.С. Бережной, исследуя систему А17О3—ZrO^, построил расчетную диаграмму состояния (рис. 2.42), согласно которой массовая доля ZrO2 в эвтектическом сплаве составляет 32 %, а температура его плавления 2183 К.
Характерной чертой системы А12О3—ZrO2, содержащей 20—25 % ZrO7, является присущая корунду высокая твердость в сочетании с повышенной вязкостью разрушения. При этом наиболее эффективное повышение вязкости разрушения достигается при использовании в композиции тетрагональной формы ZrO2, стабилизируемой введением в материал 2—3 % (по массе) оксида иттрия Y2O3. Стабилизация кубической формы диоксида циркония более высокими концентрациями (5-6 % Y2O3 по массе), напротив, приводит не к повышению, а к снижению вязкости разрушения материала. Моноклинная форма ZrO2 в циркониевом электрокорунде также повышает прочность и вязкость разрушения корунда, но в меньшей степени, чем тетрагональная форма. Это обстоятельство чрезвычайно важно учитывать при получении циркониевого электрокорунда, применяемого для силового шлифования, где роль прочности, ударной вязкости и трещиностойкости абразивного зерна для его эксплуатационных характеристик существенно возрастает. В зависимости от условий кристаллизации существенно изменяются свойства циркониевого корунда (табл. 1). Изменение прочностных показателей зерен циркониевого электрокорунда связано с дефектами его микроструктуры, определяемой наличием микротрещин между корундом и баделеитом, обусловленных различием коэффициентов термического расширения этих минералов и возможными модификационными переходами диоксида циркония. С уменьшением размеров кристаллов циркониевого электрокорунда возрастает их сопротивляемость разрушению. Например, уменьшение кристаллов, образующих эвтектические участки со 150 до 30 мкм, увеличивает сопротивление разрушению зерен крупностью 125 мкм более чем в два раза.
Таблица 1
Некоторые свойства зерен циркониевого электрокорунда в зависимости от скорости охлаждения расплава (по данным ВНИИАШа)
| Скорость охлаждения, ◦С/мин | Прочность единичного зерна № 125, Н/зерно | Прочность совокупности зерен, % | Насыпная масса, кг/м3 | Износостойкость, мин/мм |
| 816601702000 | 163197249287351 | 66,079,383,187,087,0 | 19101930199019702030 | 4124705356141200 |
Размер кристаллов циркониевого электрокорунда зависит от условий охлаждения расплава. Так, по данным ВНИИАШа, с увеличением скорости охлаждения расплава от 12—20 до 1000— 2000 °С/мин размер первичных кристаллов уменьшается с 300—400 до 30—10 мкм и растет число участков эвтектического строения. Скорость охлаждения расплава можно изменять, разливая его в металлическую изложницу, аналогичную изложнице такой же емкости, но с металлическими шарами, ускоряющими охлаждение расплава, и на валках-кристаллизаторах. В последнем случае расплав из печи поступает в зону формирования ленты, образуемую усилием прижима двух охлаждаемых валков (рис. 2.43), вращающихся навстречу друг другу. На поверхности каждого из вращающихся валков / и 2 образуются твердые "корочки" расплава, которые, встречаясь в точке А (см. рис. 1), сливаются (свариваются) в одну общую "корочку" — твердую полосу циркониевого электрокорунда. Температура расплава в печи при этом составляет 2323— 2373 К, в струе — 2173—2253 К, а в зоне формирования полосы 4 в клине расплава 3 между валками — 2123—2163 К. Оптимальная скорость формирования электрокорундовой полосы в этих условиях составляет 0,17 м/с, а ее толщина— 2,5— 3,5 мм. Выход крупного шлифзерна (размер частиц 2—1 мм) из такой полосы составляет 65,3 %, а насыпная масса его изменяется в пределах 2010—1920 кг/м3. Сравнительная характеристика химического состава и некоторых свойств зерен циркониевого электрокорунда отечественного производства, полученного из различных шихтовых материалов и охлажденного в валках-кристаллизаторах, по сравнению с зарубежными аналогами приведена в табл. 2.
Анализ данных табл. 2. показывает, что используя различного состава шихты, можно получать материалы с высокими физико-механическими свойствами. При этом зарубежные аналоги, несмотря на более низкое содержание в них ZiO2, отличаются более высокими значениями насыпной массы, что, по-видимому, можно объяснить различием в технологии получения зерна. Особенность зарубежной технологии заключается в том, что кристаллизация циркониевого электрокорунда осуществляется в формах с добавлением в них в ходе слива расплава металлических шаров или кусков циркониевого электрокорунда предыдущих плавок, ускоряющих процесс охлаждения расплава. После этого измельчение материала производится в шаровых или стержневых мельницах, обеспечивающих более изометричную форму зерна и более высокую его насыпную массу по сравнению с зерном, полученным из материала, закристаллизованного в валках.
Недостатком способа кристаллизации циркониевого электрокорунда в валках-кристаллизаторах является малая их удельная производительность и низкая стойкость.
Таблица 2
Сравнительная характеристика зерна циркониевого электрокорунда, полученного из различных шихтовых материалов в валках-кристаллизаторах.
Технологический процесс промышленной плавки циркониевого электрокорунда аналогичен плавке белого и легированного электрокорунда способом "на выпуск" и производится в таких же электрических трехфазных дуговых печах. При этом в качестве глиноземсодержащего сырья используют шлифматериалы белого и нормального электрокорундов, взятых, как правило, из избыточных номеров зернистостей, находящих ограниченное применение в производстве абразивного инструмента. В качестве второго компонента применяют диоксид циркония, содержащий порядка 98 % ZrO2 или циркониевый концентрат. Для получения мелкокристаллической структуры циркониевого корунда в России и за рубежом выпуск расплава корунда производят в изложницу, 50 % объема которой заполняется стальными шарами, или применяют специальные изложницы, обеспечивающие охлаждение расплава в виде пластин толщиной 20-50 мм; применяют также охлаждение в валках-кристаллизаторах, о чем было изложено выше.
Свойства циркониевого электрокорунда
При формировании микроструктуры фаз циркониевого электрокорунда, как и других электроплавленых оксидных материалов, важное значение имеют скорость разливки сплава и последующие условия охлаждения. Так, непрерывнолитые заготовки, полученные на валках-кристаллизаторах, имеют улучшенную микроструктуру и обеспечивают более высокое качество абразивного зерна (изделий). В опытах расплав циркониевого электрокорунда на основе технического глинозема и нормального электрокорунда разливали со скоростью формирования слитка-ленты 0,16 м/с. Ввиду хрупкости слиток, попадая в приемный короб, разламывался на куски различных размеров. Раздельное охлаждение кусков на воздухе позволяло иметь более высокую скорость снижения температуры по сравнению с охлаждением кусков в стопке в коробе. Исследования показали, что минералогический (фазовый) состав и разрушаемость фракции < 1600 и < 1250 мкм шлифзерна циркониевого электрокорунда зависят от применяемого в шихте глинозем содержащего материала (технического глинозема или нормального электрокорунда), количества фазы ZrO2T и условий охлаждения слитка-ленты. Разрушаемость шлифзерна X определяли по выражению, % Х = (1—G/P) 100, где G — масса остатка шлифзерна после испытания и рассева на сите с размером стороны ячейки 1000 мкм; Р — масса исходной навески шлифзерна (100 г).
Таблица 3
Химический и фазовый состав циркониевого электрокорунда и разрушаемость шлифзерна.
В табл.3 приведены данные, характеризующие изменение фазового состава циркониевого электрокорунда, полученного на основе технического глинозема (плавка А), нормального электрокорунда без присадки алюминия (плавка Б) и с присадкой алюминия (плавка В). Количество а-А12О3 и эвтектики относятся к случаю охлаждения кусков слитка-ленты каждой плавки в стопке, а количество фазы ZrO2T для обоих случаев — для охлаждения в стопке и в виде отдельных кусков на воздухе. К сожалению, авторы не привели полный фазовый состав сплавов с указанием количества сопутствующих фаз, как-то: Na2O-11А12О3 (для плавки А), СаО-6А12О3, анортита, титановых минералов и др. (для плавок Б и В).