Synthesis of Phosphosulphate Substance and Properties of Its Structured Mixture with Quartz Sand
Loading...
Date
2022
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Dnipro University of Technology, Ukraine
Abstract
ENG: Purpose. Creation of binder based on orthophosphoric acid and aluminum sulfate, study on its structure and physicochemical patterns of formation, determination of the properties of structured mixtures for the needs of foundry. Methodology. In the work, X-ray qualitative and quantitative analysis was performed on the Rigaku Ultima IV unit, and differential thermal analysis was performed on the STA 449 C Jupiter synchronous thermal analyzer. Orthophosphoric acid, technical thermal, of 85% concentration, 18-hydrous sulfate of aluminum Al2(SO4)3 18H2O and quartz sand of brand 3K5O3025 were used. The strength of core mixtures was determined on the US-700 unit on standard cylindrical samples with a diameter and height of 50mm. The roughness of the cast surfaces was determined on a profilometer model 107622 with computer processing of the obtained data and construction of profilograms. To determine the propensity of the core mixtures to form caking, a hexagon sample was used according to the method by M. Fedorov. Breakability was determined on standard cylindrical samples with a diameter and height of 50 mm according to the original method described in the text of the article. Findings. For the first time, the mechanism of formation of aluminum phosphates with binding properties during the interaction of aluminum hydrate crystal sulfate Al2(SO4)3 18H2O with orthophosphoric acid in the temperature range of 100200 has been investigated. The formation is proved of an intermediate phase during heating aluminum hydroxide Al(OH)3, which, in contrast to its sulfate, according to the results of thermodynamic analysis is able to interact with acid. Formation of aluminum in the system of ortho- and metaphosphates, which features binding properties and ensures high strength of samples based on quartz filler, has been established. The thermal transformations of the obtained binder, which consists of a combination of aluminum phosphates with its residual sulfate, are studied. Stages of gradual disintegration of crystal hydrates, formation of new aluminum phosphates and thermal decomposition of residual sulfate are recorded. The tendency to burn and knockout of the developed core mixtures was determined. Originality. For the first time, a description has been developed of the mechanism of formation of aluminum phosphates with binding properties during the interaction of its sulfate crystal hydrate Al2(SO4)3 18H2O with orthophosphoric acid in the temperature range of 100200. Practical value. A new inorganic binder from orthophosphoric acid and 18-aqueous aluminum sulfate has been obtained for foundry production. The scheme of its preparation involves preliminary mixing and heating of the specified reagents with the resulting formation of a dry powder material which consists of phosphates and residual aluminum sulfate, and therefore it is called phosphosulfate. The binding has a long shelf life and is introduced into the mixture in a ready-made form while the technology of its production is less energy-intensive and long-lasting compared to the preparation of traditional metal phosphate binding.
UKR: Мета. Створення зв’язувального компонента на основі ортофосфорної кислоти й сульфату алюмінію, вивчення його будови та фізико-хімічних закономірностей утворення, визначення властивостей структурованих сумішей для потреб ливарного виробництва. Методика. У роботі проводили рентгенофазовий якісний і кількісний аналіз на установці «Rigaku Ultima IV», диференційний термічний аналіз – на синхронному термічному аналізаторі «STA 449 C Jupiter». У роботі використовували ортофосфорну кислоту технічну термічну 85 % концентрації, 18-водний сульфат алюмінію Al2(SO4)3 · 18H2O технічної чистоти та кварцовий пісок марки 3К5О3025. Міцність стрижневих сумішей визначали на установці УС-700 на стандартних циліндричних зразках діаметром і висотою по 50 мм. Шорсткість литих поверхонь визначали на профілометрі мод. 107622 з комп’ютерною обробкою отриманих даних і побудовою профілограм. Для визначення схильності стрижневих сумішей до утворення пригару використовували зразок шестикутника за методикою М. Федорова. Вибиваємість визначали на стандартних циліндричних зразках діаметром і висотою по 50 мм за оригінальною методикою, описаною в тексті статті. Результати. Уперше досліджено механізм утворення фосфатів алюмінію із зв’язувальними властивостями під час взаємодії кристалогідратного сульфату алюмінію Al2(SO4)3 · 18H2O з ортофосфорною кислотою в інтервалі температур 100–200 °С. Доведено утворення при нагріванні проміжної фази – гідроксиду алюмінію Al(ОН)3, який, на відміну від його сульфату, за результатами термодинамічного аналізу здатен взаємодіяти з кислотою. Установлено утворення в системі орто- та метафосфату алюмінію, що наділені зв’язувальними властивостями й забезпечують високу міцність зразків на основі кварцового наповнювача. Досліджені термічні перетворення отриманого зв’язувального компонента, що складається із поєднання фосфатів алюмінію з його залишковим сульфатом. Зафіксовані стадії поступового розпаду кристалогідратів, утворення нових фосфатів алюмінію й термічного розпаду залишкового сульфату. Визначена схильність до пригару й вибиваємість розроблених стрижневих сумішей. Наукова новизна. Уперше розроблено опис механізму утворення фосфатів алюмінію зі зв’язувальними властивостями під час взаємодії його сірчанокислого кристалогідрату Al2(SO4)3 · 18H2O з ортофосфорною кислотою в інтервалі температур 100–200 °С. Практична значимість. Отримано новий для ливарного виробництва неорганічний зв’язувальний компонент із ортофосфорної кислоти та 18-водного сульфату алюмінію. Схема його приготування передбачає попереднє змішування й нагрівання вказаних реагентів з утворенням у підсумку сухого порошкового матеріалу, що складається із фосфатів і залишкового сульфату алюмінію, а тому його названо фосфосульфатним. Зв’язувальний компонент має тривалий термін придатності, уводиться до складу суміші в уже готовому вигляді, а технологія його виготовлення менш енергоємна та тривала в порівнянні із приготуванням традиційних металофосфатних зв’язувальних компонентів.
UKR: Мета. Створення зв’язувального компонента на основі ортофосфорної кислоти й сульфату алюмінію, вивчення його будови та фізико-хімічних закономірностей утворення, визначення властивостей структурованих сумішей для потреб ливарного виробництва. Методика. У роботі проводили рентгенофазовий якісний і кількісний аналіз на установці «Rigaku Ultima IV», диференційний термічний аналіз – на синхронному термічному аналізаторі «STA 449 C Jupiter». У роботі використовували ортофосфорну кислоту технічну термічну 85 % концентрації, 18-водний сульфат алюмінію Al2(SO4)3 · 18H2O технічної чистоти та кварцовий пісок марки 3К5О3025. Міцність стрижневих сумішей визначали на установці УС-700 на стандартних циліндричних зразках діаметром і висотою по 50 мм. Шорсткість литих поверхонь визначали на профілометрі мод. 107622 з комп’ютерною обробкою отриманих даних і побудовою профілограм. Для визначення схильності стрижневих сумішей до утворення пригару використовували зразок шестикутника за методикою М. Федорова. Вибиваємість визначали на стандартних циліндричних зразках діаметром і висотою по 50 мм за оригінальною методикою, описаною в тексті статті. Результати. Уперше досліджено механізм утворення фосфатів алюмінію із зв’язувальними властивостями під час взаємодії кристалогідратного сульфату алюмінію Al2(SO4)3 · 18H2O з ортофосфорною кислотою в інтервалі температур 100–200 °С. Доведено утворення при нагріванні проміжної фази – гідроксиду алюмінію Al(ОН)3, який, на відміну від його сульфату, за результатами термодинамічного аналізу здатен взаємодіяти з кислотою. Установлено утворення в системі орто- та метафосфату алюмінію, що наділені зв’язувальними властивостями й забезпечують високу міцність зразків на основі кварцового наповнювача. Досліджені термічні перетворення отриманого зв’язувального компонента, що складається із поєднання фосфатів алюмінію з його залишковим сульфатом. Зафіксовані стадії поступового розпаду кристалогідратів, утворення нових фосфатів алюмінію й термічного розпаду залишкового сульфату. Визначена схильність до пригару й вибиваємість розроблених стрижневих сумішей. Наукова новизна. Уперше розроблено опис механізму утворення фосфатів алюмінію зі зв’язувальними властивостями під час взаємодії його сірчанокислого кристалогідрату Al2(SO4)3 · 18H2O з ортофосфорною кислотою в інтервалі температур 100–200 °С. Практична значимість. Отримано новий для ливарного виробництва неорганічний зв’язувальний компонент із ортофосфорної кислоти та 18-водного сульфату алюмінію. Схема його приготування передбачає попереднє змішування й нагрівання вказаних реагентів з утворенням у підсумку сухого порошкового матеріалу, що складається із фосфатів і залишкового сульфату алюмінію, а тому його названо фосфосульфатним. Зв’язувальний компонент має тривалий термін придатності, уводиться до складу суміші в уже готовому вигляді, а технологія його виготовлення менш енергоємна та тривала в порівнянні із приготуванням традиційних металофосфатних зв’язувальних компонентів.
Description
R. Liutyi: ORCID 0000-0001-6655-6499; M. Tyshkovets: ORCID 0000-0001-9621-5249; M. Yamshinskij: ORCID 0000-0002-2293-2939; V. Selivorstov: ORCID 0000-0002-1916-625X; V. Ivanov: ORCID 0000-0002-9216-3493
Keywords
binding, foundry core, orthophosphoric acid, aluminum sulphate, thermogravimetric analysis, phase analysis, aluminum phosphate, зв’язувальний компонент, ливарний стрижень, ортофосфорна кислота, сульфат алюмінію, термогравіметричний аналіз, фазовий аналіз, фосфат алюмінію, КЛВ
Citation
Liutyi R. V., Tyshkovets M. V., Yamshinskij M. M., Selivorstov V. Yu., Ivanov V. G. Synthesis of Phosphosulphate Substance and Properties of Its Structured Mixture with Quartz Sand. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2022. No. 4. P. 59–65. DOI: https://doi.org/10.33271/nvngu/2022-4/059.