Пневмотранспорт кварцевого песка

Рассмотрены закономерности и определены рациональные режимы механоактивации и пневмотранспортирования кварцевых песков различных месторождений. 
Изучено влияние вида и режимов способа подготовки 
кварцевых песков на свойства формовочных смесей и самосохнущих покрытий.

ПНЕВМОТРАНСПОРТ
КВАРЦЕВОГО  ПЕСКА

Оглавление 

1 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ПНЕВМОТРАНСПОРТ 
КВАРЦЕВОГО  ПЕСКА 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2018 

Оглавление 

2 

УДК 621.867.8 
ББК 39.796 
         П408 
 
 
 
 
 
А в т о р ы: 
М. Н. Дьяконов, В. Я. Дьяконова, Т. Р. Гильманшина, 
В. Н. Баранов, Т. Н. Степанова, О. Н. Ковтун 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
И. Я. Шестаков, доктор технических наук, доцент, профессор Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнёва; 
А. А. Колмакова, начальник отдела оборудования и вспомогательных 
материалов Департамента по коммерции Инжинирингово-строительного 
дивизиона ООО «Русская инжиниринговая компания»  
 
 
 
 
 
 
 
 
П408           Пневмотранспорт кварцевого песка : монография / М. Н. Дьяконов, В. Я. Дьяконова, Т. Р. Гильманшина [и др.]. – Красноярск : 
Сиб. федер. ун-т, 2018. – 156 с. 
ISBN 978-5-7638-3988-3 
 
Рассмотрены закономерности и определены рациональные режимы механоактивации и пневмотранспортирования кварцевых песков различных месторождений. Изучено влияние вида и режимов способа подготовки кварцевых песков на свойства формовочных смесей и самосохнущих покрытий. 
Предназначена для научных и инженерно-технических работников, аспирантов, магистрантов и бакалавров металлургических вузов. 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 621.867.8 
ББК 39.796 
 
ISBN 978-5-7638-3988-3                                                           © Сибирский федеральный  
                                                                                                         университет, 2018 

Оглавление 

3 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
УСЛОВНЫЕ  ОБОЗНАЧЕНИЯ ......................................................................... 5 
 
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 7 
 
Г л а в а  1.  ВЛИЯНИЕ  ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ  НАГРУЗОК  
                     В  ПРОЦЕССАХ  ПОДГОТОВКИ  
    И  ПНЕВМОТРАНСПОРТИРОВАНИЯ  
КВАРЦЕВЫХ  ПЕСКОВ  НА  ИХ  СВОЙСТВА ........................ 8 
1.1. Химический и минералогический состав кварцевых песков .................. 8 
1.2. Свойства кварцевых песков и их влияние  
       на технологические параметры смесей и качество отливок .................. 12 
1.3. Механическая активация кварцевых песков в процессах 
       их подготовки, приготовления и восстановления смесей ...................... 25 
1.4. Режимы и особенности пневмотранспорта кварцевых песков ............. 33 
1.5. Расчет коэффициента активности зерен в массе песков ........................ 40 
 
Г л а в а  2.  ОБОСНОВАНИЕ  ВЫБОРА   
МЕТОДОВ  ПОДГОТОВКИ И  ИССЛЕДОВАНИЯ 
СВОЙСТВ  КВАРЦЕВЫХ  ПЕСКОВ ........................................ 51 
2.1. Выбор способов, оборудования и режимов  
       для механоактивации песков .................................................................... 52 
2.2. Разработка экспериментальной установки  
       для изучения параметров пневмотранспорта песков ............................. 56  
2.3. Методы исследования свойств песков ..................................................... 64 
 
Г л а в а  3.  ИССЛЕДОВАНИЕ  ВЛИЯНИЯ   
РЕЖИМОВ  АКТИВАЦИИ  НА  СВОЙСТВА  
КВАРЦЕВЫХ  ПЕСКОВ   
И  ФОРМОВОЧНЫХ  СМЕСЕЙ,  
ПОКРЫТИЙ  НА  ИХ  ОСНОВЕ ................................................ 68 
3.1. Исследование влияния режимов пневмотранспорта  
       на геометрические параметры песков ...................................................... 69 
3.2. Исследование влияния режимов механоактивации  
       в энергонапряженных мельницах  
       на геометрические параметры песков ...................................................... 70 

Оглавление 

4 

3.3. Разработка формовочных и стержневых смесей  
       для стального литья с улучшенными свойствами .................................. 82 
3.4. Разработка самовысыхающего противопригарного покрытия  
       для чугунного литья ................................................................................... 85 
 
Г л а в а  4.  АНАЛИЗ  ПАРАМЕТРОВ  ПНЕВМОТРАНСПОРТА 
КВАРЦЕВЫХ  ПЕСКОВ  И  РАЗРАБОТКА  
МЕТОДОВ  МАТЕМАТИЧЕСКОГО  РАСЧЕТА ..................... 90 
4.1. Составление критериального уравнения движения  
       аэроматериального потока при пневмотранспорте  
       кварцевых песков ....................................................................................... 90 
4.2. Аналитическое определение скорости движения  
       сыпучих материалов при пневмотранспорте .......................................... 97 
4.3. Экспериментальные исследования параметров  
       пневмотранспорта кварцевых песков ..................................................... 104 
4.4. Решение составленного критериального уравнения движения  
       кварцевых песков при пневмотранспорте ............................................. 112 
4.5. Аналитический расчет основных параметров  
       пневмотранспорта кварцевых песков ..................................................... 114 
4.6. Определение рациональных параметров работы  
       промышленной установки ....................................................................... 117 
4.7. Разработка демонстрационно-расчетной программы  
       «Пневмотранспорт кварцевых песков» .................................................. 117 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 133 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ  СПИСОК .......................................................... 134 
 
ПРИЛОЖЕНИЕ ............................................................................................... 153 

Условные обозначения 

5 

 
УСЛОВНЫЕ  ОБОЗНАЧЕНИЯ 
 
 – коэффициент линейного расширения 
 – коэффициент диэлектрической проницаемости 
 – коэффициент теплопроводности 
в – коэффициент сопротивления при движении чистого воздуха 
м – коэффициент сопротивления при движении материала по трубопроводу 
 – концентрация аэроматериальной смеси 
 – кинематическая вязкость воздуха 
в – плотность воздуха 
м – плотность материала 
в – скорость воздуха 
вит – скорость витания материала 
м – скорость материала 
в – усредненное по кинетической энергии значение скорости воздуха 
м – усредненное по кинетической энергии значение скорости материала 
а – коэффициент температуропроводности 
b – коэффициент аккумуляции тепла 
C – коэффициент, учитывающий заполнение сечения трубопровода 
сечением материала, находящегося в газовом потоке 
с – удельная теплоемкость 
Св – расход воздуха 
Сf  – коэффициент аэродинамического сопротивления частицы 
Dтр – диаметр трубопровода 
dтр – внутренний диаметр трубопровода 
dэ – эквивалентный диаметр транспортируемой частицы 
Е – показатель электростатической эффективности 
Еu – критерий Эйлера 
Fм – суммарная площадь сечения материала, спроектированного на 
сечение трубопровода 
Fтр – площадь поперечного сечения трубопровода 
Frв – критерий Фруда для воздуха 
Frм – критерий Фруда для материала 
g – ускорение свободного падения 

Условные обозначения 

6 

Gв – секундный весовой расход воздуха 
Gм – секундный весовой расход материала 
L – линейный размер трубопровода 
Lтр – длина трубопровода 
М – масса транспортирующего воздуха 
m – масса одиночной частицы 
mм – масса транспортируемого материала  
Р – давление воздуха 
Рв – потери при движении чистого воздуха 
Рм – потери при движении материала 
Q – производительность установки 
Qм – средняя экспериментальная секундная производительность установки 
Reв – критерий Рейнольдса для воздуха 
t – время 
V – объем трубопровода 
Vм – объем частицы материала 
К – коэффициент скольжения 

Введение 

7 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Для повышения качества литых изделий и снижения брака из-за литейной формы, который достигает 60–70 % от всех видов брака, важное 
значение имеет выбор материалов и составов с оптимальными свойствами [1–13]. 
Основным наполнителем формовочных смесей является кварцевый 
песок (90–97 %). Его физико-химические свойства определяются генезисом, 
т. е. условиями образования и формирования. Генезис влияет на зерновой 
состав, форму зерен, состояние поверхности зерен песка, химический              
состав аутигенных пленок, наличие активных поверхностных центров,           
поверхностную энергию зерен песка и, как следствие, технологические  
параметры смесей и расход связующего [14–18 и др.]. 
С целью улучшения свойств и снижения расхода кварцевого песка на 
тонну литья его активируют различными способами, обогащают, внедряют 
процессы регенерации песков из отработанных смесей. Во всех процессах, 
включая его пневмотранспортирование, на песок воздействуют механически. Однако до настоящего времени для перечисленных процессов нет 
обобщающих данных по влиянию механических энергий на комплекс геометрических параметров частиц, определяющих активность песка по отношению к компонентам формовочных и стержневых смесей в зависимости 
от режимов обработки и генезиса песка. 
Использование эффекта механоактивации в процессах подготовки 
исходных материалов, в том числе и песка, или при изготовлении формы 
и регенерации смесей позволяет изменить поверхностную энергию зерен 
материала, что дает возможность прогнозировать и регулировать составы 
формовочных и стержневых смесей, обеспечивая необходимое качество 
отливок [19–22].  
Для транспортировки кварцевого песка в литейном производстве 
широко используется пневмотранспорт. Применение пневмотранспорта 
способствует увеличению производительности труда, сокращению потерь 
транспортируемого песка и улучшению санитарно-гигиенических условий 
на производстве.  
Данная работа посвящена исследованию возможности улучшения 
свойств формовочных смесей и покрытий для литейного производства за 
счет оптимизации режимов активации кварцевых песков в процессах подготовки и пневмотранспорта. 

Г л а в а  1.  Влияние энергетических нагрузок в процессах подготовки и пневмотранспортирования… 

8 

 
Г л а в а  1 

 
ВЛИЯНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК 
В ПРОЦЕССАХ ПОДГОТОВКИ 
И ПНЕВМОТРАНСПОРТИРОВАНИЯ 
КВАРЦЕВЫХ ПЕСКОВ НА ИХ СВОЙСТВА 
 
Сегодня в разовых литейных формах выпускается около 80 % литых 
изделий, при этом для изготовления 1 т чугунных или стальных отливок 
в сырых песчано-глинистых смесях (ПГС) расходуется 7–20 т смеси              
(в среднем 10 т) [23–26]. Около 50 % брака отливок связано с качеством 
формовочных материалов и составов [27–34]. 
Основным огнеупорным наполнителем смесей для разовых литейных форм является кварцевый песок (до 90–97 % от состава смеси). 
Истощение запасов высококачественных природных кварцевых песков все больше обостряет проблему полной регенерации песков из любых 
типов отработанных смесей [26]. 
Повышение требований к качеству отливок определяет актуальность 
проблемы поиска новых технологий, обеспечивающих высокое качество 
материалов формы, в том числе и кварцевых песков; разработки экономически и экологически прогрессивных процессов получения смесей и изготовления форм [35–37]. 
 
 
1.1. Химический и минералогический состав  
кварцевых песков 
 
Кварцевые пески – осадочные горные породы, которые образовались 
в результате последовательного отложения минеральных продуктов. Их 
важнейшими характеристиками являются время отложения и кратность 
переноса, причем наиболее округлые и однородные по величине зерна 
имеют те пески, которые в течение длительного времени подвергались 
многократным переносам и повторным отложениям. К ним относятся пески, 
отложение которых произошло в третичный период кайнозойской эры [38]. 
Минералогический состав позволяет оценить качество кварцевых 
песков, количество примесей и их природу. Также он влияет на огнеупорность песка, его инертность или активность в химических реакциях при 
высоких температурах [39].  

1.1. Химический и минералогический состав кварцевых песков 

9 

Кварц представляет собой химическое соединение SiO2. Плотность 
чистого кварца составляет 2,65 г/см3, твердость по шкале Мооса – 7, температура плавления кварца – 1 713–1 760 С. Окраска кварца зависит от 
содержащихся в нем примесей: он может быть бесцветным или серым, 
желтым, черным и других оттенков [26, 40]. 
Наиболее распространенной разновидностью кварца является кремнезем, представляющий собой пространственный полимер (поликсилоксан), 
состоящий из отрицательно заряженных ионов (SiO4)4–, сгруппированных 
в кремнийкислородные тетраэдры (SiO4+-группы) [40].  
При нагреве кварц претерпевает следующие модификационные превращения: -кварц при 573 С (изменение объема составляет 2,4 %) переходит 
в -кварц, который при 870 С (изменение объема – 15,1 %) преобразуется 
в -тридимит; последний при 1 470 С перерождается в -кристобалит  
(изменение объема – 4,7 %), а затем при 1 713 С в расплав (изменение 
объема – 0,1 %) [26, 39, 41].  
Подобные модификационные превращения осуществляются в формовочном песке при заливке формы сплавом и вызывают растрескивание 
и разрушение кварцевых зерен [38].  
При механическом измельчении кварц переходит в коэсит (при этом 
гексагональная кристаллическая решетка преобразуется в моноклинную) [42]. 
Кроме коэффициента термического расширения на свойства кварцевого песка оказывает влияние и состояние поверхности частиц. Свойства 
смесей на зерновом и покрытий на пылевидном кварце должны ощутимо 
зависеть от степени аморфизации поверхности частиц, которая определяет 
процессы гидратации и дегидратации, катализируемые ионами ОН– [25, 26]: 

                                                                    
Гидратация 
(SiO2)x + 2H2O
(SiO2)x–1 + Si(OH)4 
                                                                     Дегидратация 

или 

2SiO2 + 4H2O
SiO4
4– + Si(OH)4 + 2Н2О 

Процессы полимеризации молекул мономера Р. Айлер представляет 
следующей схемой [25]: 

[SinO2n – (nx/2)(OH)nx] + mSi(OH)4 = 
= [Sin + mO2n – (nx / 2) + 2m(2 – p)(OH)nx + 4(m – p)] + 2pmH2O 

Здесь n – число атомов кремния в молекуле поликремниевой кислоты, или 
в частице, или в полимерной сетке; х – число групп ОН (не более 4), которое 
приходится на один атом кремния; m – число присоединенных к полимеру 
молекул монокремниевой кислоты; p – доля гидроксильных групп (в рас

Г л а в а  1.  Влияние энергетических нагрузок в процессах подготовки и пневмотранспортирования… 

10 

чете на одну молекулу монокремниевой кислоты), превращающихся в воду 
в процессе реакции полимеризации.  
Гидратированный слой может адсорбировать ионы других компонентов в процессе полимеризации, от чего будет зависеть прочность связей 
на поверхности частиц. 
Кроме кварца, в состав песков входит ряд минералов, ухудшающих 
его качество: полевые шпаты, слюда, оксиды и гидраты окислов железа, 
кальцит, рутил, глауконит и др. Так, например, сернистые соединения имеют 
температуру плавления 300–550 С, температура плавления полевого шпата – 1 100–1 550 С, слюды – 1 150–1 400 С, карбонатов – 500–950 С [25, 26]. 
Полевые шпаты (MeO·Al2O3·6SiO2) подразделяются на калиевые 
(K2O.Al2O3
.6SiO2), ортоклаз, микроклин и натриево-известковые (плагиоклазы) от альбита (Na2O.Al2O3
.SiO2) до анортита (СаO.Al2O3
.2SiO2). Полевые 
шпаты имеют твердость по шкале Мооса 6,0–6,5; температуру плавления – 
1 170–1 550 С, термическое расширение при 1 000 С – до 2,75 %.  Плотность, г/см3: ортоклаза – 2,54, альбита – 2,61, анортита – 2,76. Все полевые 
шпаты близки по химическому составу и физическим свойствам [26, 41]. 
Слюда имеет плотность 2,7–3,2 г/см3, температуру плавления 1 150–
1 400 С, термическое расширение при 1 000 С составляет 1,55 %.                  
В 
природе 
наиболее 
распространены 
белая 
калийная 
слюда 
[K2O·3Al2O3·6SiO2·H2O] – мусковит и черная железо-магнезиальная слюда 
[K2O·6(Mg, Fe)O·Al2O3·6SiO2·2H2O] – биотит. Слюда ухудшает огнеупорность песка. Она присутствует в песках в виде блестящих темных или            
серебристых чешуек [23, 26, 41]. 
Полевые шпаты и слюды содержатся в некоторых песках в значительных количествах (до 15 %). Из-за более низкой, чем у кварца, температуры плавления и взаимодействия с оксидами расправленного металла эти 
примеси вызывают образование пригара на отливках. Полевошпатовые 
пески распространены в Санкт-Петербургской области, Закавказье и в Сибири [26].  
К соединениям железа относятся гематит, магнетит, ильменит,               
гетит, пирит. 
Желтая или бурая окраска песков свидетельствует обычно о наличии 
гидроксидов железа в виде тонких пленок на поверхности зерен, существенно снижающих качество песка (табл. 1.1). 
Пирит (температура разложения около 325 С) является наиболее 
вредной примесью в песках, приводящей к образованию пригара на отливках, присутствует в некоторых песках на Урале и в Закавказье. Наличие 
этого химического соединения в песках вызывает повышенную пригораемость формовочной смеси к поверхности отливок [26, 38]. 
 

1.1. Химический и минералогический состав кварцевых песков 

11 

Таблица 1.1  

Характеристика соединений железа, содержащихся в песках [26, 38] 

Минерал 
Химическая 
формула 

Твердость по 
шкале 
Мооса 

Плотность, 
г/см3 

Температура 
плавления,С 
Примечание 

Гематит  
Fe2O3 
5,5–6,2 
5,0–5,3 
1 560 

Устойчив при окислении 
Магнетит, 
или 
магниевый железняк  
FeO.Fe2O3 
5,5–6,6 
4,9–5,2 
1 540 

Ильменит 
FeO.TiO2 
5,0–6,0 
4,72 
– 
Перед паяльной трубкой 
не плавится 

Гетит 
FeO.OH 
4,5–5,5 
4,0–4,4 
– 
Перед паяльной трубкой 
не плавится; начало выделения воды – 250 С 

Пирит  
FeS2 
6,0–6,5 
4,9–5,2 
– 
Разлагается при 575 С 

 
Гидраты окислов железа имеют формулу [nFe2O3·xH2O]. В зависимости от содержания воды различают несколько разновидностей гидратов 
окислов железа, которые неустойчивы и при нагревании теряют воду, снижая свойства песка и способствуя образованию легкоплавких силикатных 
сплавов, вызывающих пригар на отливках [41]. 
Карбонаты ухудшают огнеупорность формовочного песка (табл. 1.2). 
В состав песков чаще всего входят кальцит CaCO3, магнезит MgCO3, доломит CaCO3·MgCO3, сидерит FeCO3 [41]. 
 
Таблица 1.2 

Характеристика карбонатов, содержащихся в песках [39] 

Минерал 
Химическая 
формула 
Твердость по 
шкале Мооса 
Плотность, 
г/см3 
Температура  
диссоциации, С

Кальцит (известковый шпат) 
CaCO3 
3 
2,6–2,8 
885 

Магнезит 
MgCO3 
4,0–4,5 
2,9–3,1 
525 

Доломит 
CaCO3
.MgCO3 
3,5–4,0 
1,8–2,9 
700–750 
900–950 

Сидерит 
FeCO3 
3,5–4,5 
3,7–3,9 
500–600 

 
Карбонаты кроме снижения огнеупорности способствуют образованию 
различных дефектов в отливках, так как они при нагревании до 500–900 С 
разлагаются с выделением газообразных продуктов [39]. 
В формовочных песках встречается несколько глинистых минералов: 
каолинит, гидрослюды – промежуточные продукты разложения от слюд 
к каолиниту, монтмориллониты [41].