Камнелитейное производство

Ка́менное литьё (петрургия от др.-греч. pétros — камень и др.-греч. érgon — работа) — производство материалов и изделий путём литья из расплавов горных пород (таких, как базальт и диабаз) методом литья на промышленных предприятиях

Горные породы для камнелитейного производства — расплавы обладающие лучшими литейными и кристаллизационными свойствами, среди них преобладают магматические породы основного состава (диабазы, габбро-диабазы, базальты, андезитобазальты) и близкие к ним по валовому химическому составу метаморфические (амфиболиты, сланцы и др.) и осадочные (глины, пески и др.) образования.

Иногда в качестве сырья для литья и прессовки используются некоторые виды шлака, золы из промышленных отходов.

История

Природные вулканические капли базальта

Каменное литьё в природе может осуществляться путём формовки расплавленной вулканической лавы.

Одно из первых производств по каменному литью было организовано во Франции.

В 1902 году в России лабораторные работы по подготовке промышленной технологии начал Ф. Ю. Левинсон-Лессинг.

Работами по искусственным каменным системам (металлургические и топливные шлаки, динас, шамот и другие огнеупоры, цементные клинкеры, керамика, абразивы, камни в стекле, неметаллические включения в стали и другие) в 1940-е годы руководил академик Д. С. Белянкин. Опыты по кристаллизации базальтовых стёкол для камнелитейщиков проводила Лаборатория Отдела экспериментальной петрографии ИГН АН СССР под руководством А. И. Цветкова.

Получение и физико-химические свойства

Изделия из каменного литья используются в промышленности (в частности добывающей и металлургической, угольной и др.).

Каменное литьё получают в электродуговых или газовых печах. Процесс плавки каменного литья аналогичен плавке металла, температура плавления близкая. Для получения плотной структуры, камнелитые изделия проходят отжиг при плавном снижении температуры от 800 до 200 °С. Поэтому производство каменного литья является более энергоёмким процессом чем, например, производство стали.

Есть два основных типа каменного литья — износостойкое и термостойкое, У термостойкого литья чуть ниже физико-механические свойства, но оно может работать при температурах до 800 °С (износостойкое — при температурах до 400 °С).

Физико-механические свойства каменного литья:

Показатель	Износостойкое каменное литье	Термостойкое каменное литье	Серый чугун	Огнеупорный бетон
Объёмная масса, кг/м³	2900—3000	2800—2900	7200	1990
Водопоглощение, %	0,13	0,70	—	10,1
Предел прочности при сжатии, МПа	250—500	100—260	500	44,4
Предел прочности при изгибе, МПа	30—50	10—30	280	3,6
Ударная вязкость, кДж/м²	1,25	1,06	3	1,2
Модуль упругости, ГПа	100,6	43,7	120,0	18,0
Теплопроводность, Вт/(м⋅°C) при 200 °С	1,52	1,07	51	0,83
Удельная теплоёмкость, кДж/(кг⋅°C) при 200 °С	0,77	0,67	0,46	0,79
Температурный коэффициент линейного расширения, 1/°С	83,0	60,0	132	21
Коэффициент истираемости, кг/м²	1,0	1,4	—	—

Стойкость каменного литья в кислотах и щелочах:

Наименование кислоты	Износостойкое каменное литье	Термостойкое каменное литье
H2SO4 (конц.)	97	92
HCl (конц.)	90	80
HCl (раствор 20 %)	94	не иссл.
CH3COOH (конц.)	97	не иссл.
HNO3 (раствор 56 %)	95	не иссл.
H3PO4 (раствор 85 %)	95	не иссл.
HF (раствор 45 %)	40	не иссл.
NaOH (раствор 20 %)	95	не иссл.
NaOH (раствор 20 %)	87	не иссл.
KON (раствор 20 %)	98	не иссл.
KON (раствор 40 %)	95	не иссл.
KON (раствор 50 %)	85	не иссл.

Применение и эксплуатационные свойства

• Высокая стойкость к абразивному износу: поскольку каменное литьё имеет 7—8-ю группу твёрдости по шкале Мооса (фактически уступает по этому показателю только алмазу и корунду), то его износостойкость значительно превышает все стали, включая марганцовистую, чугуны (в том числе износостойкие хромистые), резины, пластмассы и др.
• Высокая химическая стойкость к большинству промышленно применяемых кислот и щелочей, за исключением плавиковой кислоты.
• Механические свойства ниже, чем у стали и чугуна, однако достаточны для того, чтобы каменное литьё работало в качестве несущего материала и качественно выполняло свои защитные функции.
• Низкая теплопроводность и низкий коэффициент линейного расширения. Придаёт определённые теплоизоляционные свойства.
• Плотность каменного литья 2,8—2,9 г/см³, то есть в 2,7 раза меньше, чем у стали, то есть чтобы зафутеровать одну и ту же площадь, каменного литья нужно в 2,7 меньше по весу, чем, например, стали. То есть в дополнение к техническим свойствам каменного литья добавляется экономическая целесообразность его применения.
• Есть также ряд специальных свойств: это низкое водонасыщение, электроизоляционные свойства, а также то, что каменное литьё не подвержено старению (то есть его свойства со временем не изменяются) и не образует радиоактивной пыли при взаимодействии с радиоактивными веществами

Термостойкое литьё по своим характеристикам может выдерживать до 800 °С не менее 40 циклов «нагрев — охлаждение» (по производственным данным — в 3—4 раза больше). Это выгодно отличает термостойкое каменное литьё от большинства огнеупорных материалов.

Обладая вышеперечисленными свойствами, каменное литьё нашло широкое применение в промышленности, из него изготавливаются трубы и отводы для изготовления и футеровки пульпо-, шламо-, золопроводов диаметром до 1220 мм. Срок службы таких трубопроводов, зафутерованных изнутри каменным литьём, увеличивается в 5—7 раз. В таблице приведены сравнительные данные стойкости между металлическими трубами и трубами, футерованными каменным литьём. Стыки между патрубками замазываются специальной замазкой, наполнителем которой является кислотоупорный порошок — размол каменного литья.

Вид производства, характеристика породы	Срок службы металлической трубы, лет	Срок службы футерованной трубы, лет
Железные руды и их шламы	1—2,5	не менее 10
Кварцевые пески	до 2	не менее 7
Медно-цинковые соединения	до 2	не менее 8
Золы ТЭЦ	1—2	20—25

Кроме того, из каменного литья изготавливаются:

• Трубы и отводы для пневмопроводов подачи сыпучих материалов. В местах, где идёт пневмоподача сыпучих материалов (которые обычно очень абразивные и подаются на больших скоростях), каменное литьё надёжно защищает основную трубу (или отвод) от износа, соответственно трубопровод надёжно работает без свищей и аварий. Такие трубы используют не только заводы по производству цемента, нерудных материалов, стекольные заводы, предприятия стройиндустрии, но и добывающие и металлургические комбинаты.
• Камнелитые желоба используются для гидросмыва золы, окалины, шлаков, в основном внутри помещений. Их используют угольные ТЭЦ, металлургические комбинаты, обогатительные фабрики.
• Плитка из каменного литья. В основном применяется для футеровки бункеров, течек, газоходов, очистителей, каналов, также используется для выкладки желобов, полов, футеровки различного оборудования. Укладывается на специальный раствор или специальный клей, щели промазываются кислотоупорной замазкой.
• Эффективно применение камнелитых мультициклонов в системах газоочистки агломерационных фабрик.
• Термостойкое каменное литьё используется в основном для футеровки рамп коксохимического производства. Оно создаётся из специального расплава на основе доломита. Выдерживает более 50 термоциклов. Базальтовое литьё выдерживает 25 термоциклов.

Литература

• Базальтовая вата: история и современность. — Пермь: Изд-во ИИЕТ РАН, 2003. — 124 с.
• Гинзберг А., Обручев В. В., Осипов М., Семёнов Ф. Первая электропечь для плавки диабаза должно положить начало мощной ленинградской петрургии // Техника. — 1933, 21 апреля. — № 37 (184).
• Липовский И. Е. Камнелитейное производство. — М., 1965.
• Липовский И. Е., Дорофеев В. А. Основы петрургии. — М. : Металлургия, 1972. — 319 с.
• Обручев В. В. Библиография по каменному литью // Минеральное сырьё. — 1933. — № 10. — С. 76-78.
• Обручев В. В. Свойства каменного литья // Новости техники. — 1932. — № 10. — С. 186.
• Обручев В. В. Применение изделий из каменного литья // Минеральное сырьё. — 1933. — № 10. — С. 67—68.
• Обручев В. В. Новый путь использования камня // Наука и техника. — 1933. — № 22.
• Пеликан А. Плавленые камни. Производство и использование в промышленности. — М., 1959.
• Печенкин И. Г. Начала отечественной петрургии // Базальтовые технологии. — 2013. — № 3. — С. 16—25.
• Печенкин И. Г. Становление петрургии в СССР (1920—1940-е гг.) // Вопросы истории естествознания и техники. — 2016. — Т. 37. — № 2. — С. 251—268.
• Чуйко А. В. Искусственные камни. — М. : Московский рабочий. — 197, [3] с. : ил. — 8000 экз. — УДК 671.16.
• Петрургия // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.