автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка легковыбиваемых самотвердеющих смесей с магнезиальными связующими и технологии их применения для получения массивных стальных отливок

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО ТЕХЮДОШ 2ШЙН0СТР02Ш

- цвдитшш -

На правах рукописи

БЕШЗАРОВ Акав Балабекович

РАЗРАБОТКА ЛЕПСОВЫБИВАВШ САМОТВЕР.ЩЩХ СЫЕИЙ

С МАГНЕЗИАЛЬНЫМИ СВЯЗЛШШ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ ДНЯ ШШЧШИЯ МАССИВНЫХ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК

Специальность - 05.16.04 - "Литейное производство"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992 г.

Работа выполнена в Научно-производственном объединении по технологии :дашиностроеняя "ЩСИШАШ"

- доктор технических наук, профессор Еорсук П.А.

Научный руководитель Научный консультант Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

- кандидат технических наук, Ренхин И.П.

- доктор технически:: наук, профессор Медведев Я.И.

- кандидат технических наук Иванов A.A.

- ПО "Ляорский завод"

Защита диссертации состоится ^^¡^ в /т

часов на заседании специализированного совета Д 145.03.01 при Научно-производственном объединении по технологии машиностроения "ЦНЖШАШ" по адресу: 109088, г.Москва £-88, Шарикоподшипниковская ул., 4.

С диссертацией можно ознакомиться з научно-технической библиотеке ЦНЖШАШ.

Автореферат разослан - с£Уй)Ьх/Кх 1992 г.

Ученый секреФарь Специализированного совета кандидат технических наук

Г.И.Васильева

РОСС'ИСЧ: БИБЛИй!сг

общая характеристика работы

Актуальность работы. В последнее время в литейном производстве все больше внимания уделяется повышению качества и надек-ности отливок, удельный вес которых в малинах а механизмах доходит до 70-в0£. В свою очередь качество отливок в значительной степени определяется свойствами формовочных, стеряневых смесей и технологией изготовления форм и стержней. По некоторым данным , около 40-60% дефектов отливок возникает вследствие плохого качества стержней и форм.

В технологическом процессе получения отливок операции выбивки, обрубки и очистки литья являются наиболее трудоемкими и вредными для здоровья. В первую очередь это относится к изготовлению крупных стальных отливок, где обрубка и очистка литья практически не поддастся механизации. Здесь затраты на обрубку, очистку и исправление дефектов составляют 30-35^ от общей трудоемкости изготовления отливок. Применение известных и широко распространенных в литейном производстве при изготовлении стальных отливок холоднотвердеющих смесей (ХГС) с синтетическими смолами и на жидком стекле имеет ограничение ло массе и толщине стенок отливок.

ГГС с синтетическими смолами на стальном литье вызывают образование металлизированного пригара, "просечек", а в ряде случаев и трещин. Поэтому они находят применение преимущественно при изготовлении отливок с толщиной стенок до 100-120 мм.

Кидкостеколъные ХГС имеют затрудненную выбиваеыость из отливок, смеси отверждаемые СО2, склонны к образованию дефектов типа "плен" и "ужимин", жидкие самотвердеющие смеси (ЕСС) приводят к возникновению металлизированного пригара, а при большом металлостатическом напоре - к нарушению размерной точности отливок.

Обычные песчано-глинистые смеси требует длительной тепловой сушки форм и стержней и не обеспечивают необходимого качества отливок. Поэтому при изготовлении крупных массивных отливок часто приходиться применять двухслойные стержни и формы с использованием в качестве облицовочной - смеси на хромистом железняке или хромомагнезите с техническими лигносульфэнатами (ЛСТ), а в качестве наполнительной - обычной песчано-глинистой смеси. Изготовление 2-х слойных стержней и форм связано с большой трудоемкостью и длительным процессом их тепловой сушки.

Серьезными недостатками ХГС с синтетическими смолами является их неудовлетворительные экологические характеристики, большой дефицит компонентов для синтеза смол и высокая стоимость связующего. В последнее время так же резко возрос дефицит силикат-глыбы для получения гадкого стекла, ограничивающий применение жвдкостеколышх смесей. Поэтому разработка новых легковыби-заемых, экологически чистых, с хорошими противопригарными свойствами самотвердеющих смесей, для приготовления которых могли бы применяться доступные, относительно дешевые компоненты, представляется весьма актуальным.

Цель работы состояла в разработке самотвердеющих, легковы-биваемых смесей гидратанионного твердения на основе кварцевого песка и каустического магнезита (КМ) и методов ускорения их затвердевания. Дня достижения этой цели решались следующие задачи:

- исследование и выбор основных компонентов для приготовления смесей - полупродуктов огнеупорного производства, представляющих собой каустический магнезит с различным содержанием и растворов солей одно, даух- и трехвалентных металлов в качестве ускорителей твердения;

- исследование физико-химических особенностей их затвердева-!шя и изучение основных технологических свойств смесей при ком-

ватных температурах и при нагреве;

- разработка технологии изготовления стержней и форм из новых смесей и технологических особенностей получения отливок с их использованием;

- широкие производственные испытания и освоение технологии.

Инициатива в постановке данной работы принадлежит ПО Трал-

маш", в больших количествах изготовляющем крупные массивные стальные отливки.

Научная новизна. Разработаны новые самотвердевдие смеси гидратационного твердения на основе кварцевого песка с КМ и технология их применения при изготовлении крупных стальных отливок. Смеси обладают легкой выбиваемостыэ, хорошими противопригарными свойствами, они экологически чистые и для их приготовления применяются недефицитные и относительно дешевые компоненты. При разработке оптимальных составов смесей использованы математические методы планирования экспериментов.

- Изучение с привлечением рентгеноструктурных, дифференциально-термических, термогравкметрических и электронномикроско-пических исследований физико-химических особенностей твердения системы каустический магнезит-водные растворы хлористых солей, показало, что в процессе взаимодействия компонентов образуются оксихлорпды магния - ответственные за формирование прочности смесей с КМ.

- В связи с гидратационшм характером твердения смесей с КМ и повышенной их исходной влажностью изучены газотворность и газовый режим при заливке опытных стержней сталью. При этом определены условия использования смесей, исключающих образование в отливках газовых раковин, необходимость тепловой подсушки стержней или отказа от нее в зависимости от сложности стержней и продолжительности их хранения до заливки.

- Проведены исследования структуры и аэродинамических свойств смесей с КЫ позволивших предложить систему классификации структуры смесей по их зерновому составу и соотношению зернистых и пылевидных фракций, что дало возможность, во-первых, объяснить противопригарные свойства смесей с КМ, во-вторых, предложить новую, весьма ваадпо характеристику смеси с КЫ - аэродинамический диаметр зерна ( ). Пользуясь значениями С^ для смесей с КМ, можно оценивать их структуру и решать ряд технологических и практических задач в процессе производственного использования новых смесей.

- Исследованы прочностные свойства смесей с КМ методом не-разрушающего контроля. С использованием ультразвукового прибора определены значения модуля Юнга £ затвердевающей смеси с Ю2. Показано, что характер изменения прочности 4* и модуля Юнга £ от пористости ГП идентичен. Установленные аналитические зависимости 6с* , и Е от пористости т , а такае бс* от £ позволяют по одной из этих величин, определяемых экспериментально, например Е , рассчитывать , Г п т форм и стержней.

- Разработаны методы механической и тепловой активации КМ и смесей с КМ, позволяющих значительно ускорить процесс твердения смесей и в 2*4 раза повысить их прочность в первые часы твердения.

Практическая ценность. Разработана технология изготовления стераней и форм и получения отливок с применением новых смесей. Осуществлена широкая производственная проверка и освоение технологии изготовления крупных стальных отливок с применением смесей на основе кварцевого песка с КМ на ПО "Урадыаш" и Черноморском судостроительном заводе (г.Николаев), показавших следующие преимущества новых смесей: легкая выбиваеыость, повышенные противопригарные свойства, хорошая податливость, исключающая образова-

ние трещин в отливках, отсутствие каких-либо вредных выделений при использовании смесей.

Установлено, что новые смеси могут применяться при изготовлении стальных отливок массой до 40 т с толщиной стенок до 350-400 ш, надежно заменяя в целом раде случаев 2-х слойные стержни и формы с хромитовой облицовкой и расширяя тем самым область применения самотвердеющих смесей на основе кварцевого песка при изготовлении крупных массивных отливок. Смеси с ИЛ могут также успешно применяться при изготовлении отливок из марганцовистой стали, обеспечивая хорошее, свободное от пригара качество поверхности.

Апробация работы. Основное содержание работы доложено и обсуждено на отраслевой конференции молодых специалистов (г.Боровск, 1989 г.), научно-техническом совещании литейщиков (г.Боровск, 1990 г.). Всесоюзном семинаре "Формирование, резервы и пути повышения точности гтливок, получаемых в разовых формах" (г.Москва, 1991 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований имеется 4 публикации, в том числе I' положительное решение на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, 5 приложений и изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 33 таблицы, 59 рисунков, список литературы состоит из 110 наименований.

выбор и исследование свойств исходных .материалов ш приготовления смесей

Одним из основных компонентов магнезиального связующего для получения холоднотвердеющих формовочных смесей (ГГС) является каустический магнезит (ИЛ), представляющий собой окись магния ( McjO). Получают его обжигом магнезита ( M^COj ) выше температуры диссоциации, но ниже температуры спекания.

В строительной практике находит применение магнезиальный цемент, приготовляемый на основе с некоторыми ускорителями

твердения. Магнезиальные вяжущие используют в составе противопригарных красок при производстве отливок из марганцовистых сталей, обеспечивающих получение хорошего качества поверхности. Однако для приготовления формовочных смесей в литейном производстве КМ ранее не находил применения.

При обжиге магнезита во вращающихся печах в пылеосадатель-ной системе образуется отход, содержащий главным образом частица недорога, так называемый "кальцинированный каустический магнезит", который ыожно применять как вяжущее вещество.

В настоящей работе использовался каустический магнезит, получаемый на комбинате "Магнезит" (г.Сатка, Челябинской обл.). Его следует рассматривать как побочный продукт технологического процесса производства металлургического магнезита. При обжиге магнезиального сырья каустический магнезит в виде мелкодисперсной пыли отводится из вращающейся наклонной, барабанной печи через "циклоны" и электрофильтры наружу. Количество такого продукта составляет свыше 80 тыс. т в год. Долгие годы этот материал вывозился в отвал, нарушая тем самым экологический баланс местности.

В работе исследовались следующие марки каустического магнезита, имеющегося на комбинате "Магнезит": ПЫК-75, ПМК-63, ПМ1С-87, ПМКМ-75, ПМКМ-80, отличакщиеся между собой содержанием М^О и дисперсностью. Цифры после буквенных обозначений указывают на процентное содержание ЩО , а буква "М" в буквенных обозначениях означает "мелкозернистый".

При изучении влияния различных ускорителей на кинетику твердения смесей с КМ и выборе наиболее эффективных ускорителей смеси готовились на порошке' марки ПМК-83. Содержание его в сг/леи

принято равным 10,0 масс.ч. при 7 масс.ч. жидкой фазы - растворов различных солей и 100 масс.ч. кварцевого песка. Наилучшие результаты достигнуты при использовании в составе связувдей композиции с КЫ водных растворов солей магния ( MtjSO^, М$Свг ). Аналогичные результаты были получены с водным раствором бишофи-та, содержащего 24-2655 .

На прочность и скорость твердения смесей с КМ существенное влияние оказывает концентрация раствора (рИС. I). Макси-

мальные прочности достигается при 30£-ной концентрации >

однако при этом наблвдается "высаливание" МдСИг t пнешне Еыра-жащееся в появлении белого налета избыточной соли на поверхности образцов. Поэтому оптимальной концентрацией раствора следует считать 24-2б£.

На рас. 2 представлена кинетика твердения смесей с каустическим магнезитом различных марок (ПЖ-75, ПЫК-83, ПЫК-67, ШК1Л-80), затворенных водиым раствором . Смесь содержала

100 масс.ч. кварцевого песка, 10,0 масс.ч. КМ при 7,0 масс.ч. раствора ЩМг .

Скорость твердения и прочность смесей в большой степени зависит от содержания в ЮЛ MfjO и дисперсности материала. Чем выше содержание в КМ ЩО и больше дисперсность, тем выше прочность и скорость твердения смесей.

Из приведенных экспериментальных данных следует, что для приготовления смесей необходимо пользоваться белее высокими марками км с более высоким содержанием MflO .

С учетом доступности, стоимости и удобства транспортировки для приготовления смесей предпочтительней пользоваться км марки пмк-83.

о 4 8/2 16 ¿0 {,чис

Рис. I. Влияние концентрации водного раствора хлористого магния на кинетику твердения самотвердеющих смесей с каустическим магнезитом марки ПМК-83 I - 1052; 2 - 2055; 3 - 252; 4 - 30^

О 4 в 12 16 '¿О 1,час

Рис. 2. Кинетика твердения смесей с каустическим магнезитом различных марок

Марки каустического магнезита: I - ПМК-75; 2 - ПМК-83; 3 - ШЖ-87; 4 - ПШ1-80

- II -

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ЖШЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТВЕРДЕНИЯ СМЕСЕЙ С КЛ

Связудцую композицию изучали методами дифференциальнотермя-чесг.ого, термогравиметрического, рептгеноструктурного, электрон-ноыикроскопического и химического анализов.

При рентгеновских исследованиях различных композиций после 24 часового твердения не удалось выявить четких линий новых фаз. Обнаруженные линии неизвестной фазы перекрывается дифракционными линиями других фаз, поэтому однозначно идентифицировать ее затруднительно. Вероятнее всего структура этой фазы близка к соединению типа *Mg(0fyhЧдСИгуНгО

После 5-ти дневной выдержки в композиции обнаружена фаза SMpH^Mfe^O с неустойчивым составом. С течением времени она переходит з стабильную фазу состава 5:1:8.

Интенсивность дифракционных линий МуО после термообработки увеличивается ~ в 2 раза. Это может свидетельствовать о том, что в образовании оксихлоридов участвует лишь часть ~ 50Х- , содержащегося в смеси.

Характерные кривые ДГА позволяют сделать вывод, что в зависимости от количества и соотношения Е:Т з связующей композиции, а также времени выдержки смесей образуются оксихлориды различного состава. На фотографиях композиций ГОД + Mty^z > сделанных через электронный микроскоп, можно рассмотреть затвердевший конгломерат с крупными и мелкими частицами И.! с светлыми участками новообразованна. Из-за недостатка жидкой фазы в формовочной смеси (низкое Е:Т = 0,7) раствор реагирует с частицами

КМ только на поверхности, что подтверждается рентгеноструктурным анализом: увеличением интенсивности дифракционных лини:" М^О после термообработки ~ в 2 раза.

Кроме указанного соединения в продуктах твердения дргсутст-

руюгг такяе непрореагировавшая часть МцО и незначительное количество г которые, по-видимому, не оказывает какого-либо влияния на формирование прочности.

Схему протекания физико-химического взаимодействия между

, содержащимся в КМ и водными растворами МцСР^ ыогжо представить в следующем виде:

- \>>>>">>'\ ( XМ3<Щ-Щ^г-УМ

+ ^ Шш -

3 соответствии с этой схемой порошкообразные частицы КМ в виде ЬЦО взаимодействуют с водным раствором > образуя

на поверхности твердых частиц слой новообразований Сзаштрихованная часть), которые и являются ответственными за формирование прочности смесей с КН.

РАЗРАБОТКА. ОПТИШЪНЫХ СОСТАВОВ СМЕСЙ! С КМ МАГШАТИЧЗЗКИМ НЕГОДОЫ ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИШГГА

Разработка оптимальных составов смесей с КМ марки ПЫК-83 проводилась с использованием математической модели смеси в виде уравнений множественной регрессии. Разрабатывались модели 1-го порядка с использованием взаимодействий между факторами.

Из полученных уравнений были составлены функции для построения номограмм.

В расчетах приняты следующие обозначения:

- содержание 1Щ в масс.ч.; - количество нидкости зат-ворения ( МЦ^г ); % - удельная поверхность порошка КМ в м^/г;

- концентрация водного раствора МдСёг в у у^, у^, у^, 7д - прочность смесей на сжатие через I, 3, 5, 24 и 72 часа тЕзр-дэниясоответственно.

Анализ функций проводился для различных фиксированных зна-

МдО

- 13 -

чений Х3 = 0,35 и 0,45 м2/г и Х4 = 10, 20, 25£.

Основными из полученных ^нкций следует считать функции и ?2> т.к. по ним можно определить кшш границ? качества помола порошка ПЫК-83, необходимого для приготовления смеси с нужными свойствами яивучести и прочности через I час и 3 часа. Исходя из рассмотренных выше закономерностей формирования прочности составлены номограммы состав-свойства (приведены в приложении к диссертации) в координатах И-^ъ для трех вариантов значений ¿3 и 14: 1з = 0,40 ы2/г, Х4 = Х3 = 0,45 м2/г, Х4 = 20$; Х3 = 0,45 м2/г, Х4 = 25$.

Руководствуясь полученными номограммами и исходя из возможностей дозирующих устройств, мокно определить оптимальные области составов и свойств смесей с различным содержанием Ж марки ПМК-83 для разных условий производства.

Для практических целей, применительно к наиболее распространенным производственная условиям, целесообразно пользоваться более узкой областью оптимальных составов смесей. Составы и свойства таких смесей с исходным (неактивпрованным) КМ марки ПМК-83 и ИЛ, подвергавшимся ыеханоактивации, приведены в табл.1.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЖШ С КМ

Исследована структура формовочных смесей, определяемая зерновым составом смеси и характером размещения в уплотненном состоянии ее составляющих: наполнителя, добавок а связующего. По результатам исследований предложена классификация структуры смесей по их зерновому, составу и соотношению зернистых и пылевидных фракции. Согласно этой классификации с учетом перечисленных характеристик смеси условно разделены на три вида: I) с сосредоточенной зерновой структурой; 2) с рассредоточенной зерновой структурой; 3) со смешанной зерновой структурой, в составе кото-

рой кроме основиого наполнителя - кварцевого песка, содержатся мелкодисперсные добавка. Смеси с КМ имеет смешанную структуру и откосятся к третьей группе.

Таблица-1

Состав и" свойства смесей с КМ марки ШК-83

Ус.ч Наименование,, Масс.т. Прочность на ежа- ¿авучесть,

смеси компонентов тие, Ша, через _

час

I 3 24

I. КМ (2д = 0,355 м2/г) (Х4 = 24-26$) 15 10,5 о,аз- 0,05 од- 0,3 2,53,5 30-35

2. ВЫ = 0,355 м2/г) (Х4 = 24-26$) 20 14 0,050,09 0,20,4 4,65,6 30-35

3. КМ (]£д = 0,465 м2/г.) активирован. 20 мин. (Х4 = 24-26$) 15 10,5 0,10,14 0,40,6 6,08,0 18-20

к - Кварцевый песок - 100 масс.ч.

Показано, что для получения отливок без пригара структура противопригарных смесей, за счет определенного соотношения крупных и дисперсных фракций и распределения последних на поверхности зерен наполнителя, должна обеспечивать более низкие значения пористости в уплотненном состоянии по сравнению со смесями с сосредоточенной зерновой структурой.

Так, если в смесях с сосредоточенной структурой после уплотнения нижний предел пористости составляет 0,3, то для смесей с КМ при содержании его в смеси 30 масс.ч. составит 0,1.

Изучены аэродинамические свойства смесей с ЮЛ и установлено, что важнейшей характеристикой ее структуры, нар,аду с пористостью (Ш ) и проницаемостью ( К ) является аэродинамический диаметр зерна смеси ( <2'а ), который по физическому смыслу является экшх-

Валентины диаметром шара фиктивного грунта, имеющего одинаковые со смесью значения ГП и К . По значениям с!а у смесей с КМ могло оценивать содержание и распределение мелкодисперсной фракции, устанавливать оптимальный реяим приготовления смесей, рассчитывать газопроницаемость смеси в формах и стержнях.

С использованием акустических методов определены значения модуля Рига Е смесей с КМ и установлен характер изменения прочностных свойств смесей с КМ и модуля Юнга от пористости, что позволило по значениям Е определять прочностные свойства на стандартных образцах без их разрушения, а тахзе замерять прочностные свойства на отдельных участках формы или стержня.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ! СВОЙСТВ СМЕС1Й С НМ

К числу изучавшихся технологических свойств нами отнесены свойства смесей при комнатных температурах: влияние относительной влажности воздуха на кинетику твердения и прочность, гигроскопичность смесей; свойства смесей при нагреве: газотворность а газовый реким при запивке смесей металлом, зцбшзаемость д противопригарные свойства.

Как показали исследования, на кинетику твердения л величину прочности смесей с ЮЛ существенное влияние оказывает высокая относительная влажность воздуха. Теш роста прочкости и ее абсолютная величина снижаются по гдерэ увеличения относительной влажности воздуха.

Смеси с КМ гигроскопичны. Повышенная гигроскопичность смесей объясняется присутствием непрореагировавшей части №§0 и способных адсорбировать влагу из воздуха.

Смеси с КМ имеют повышенную газотворность при относительно невысокой газопроницаемости, что является следствием значит ель ного содержания в смеси КМ и образующихся при твердении кристал-

-ТБ -

логидратов. Это может вызвать опасность образования в отливках газовых раковин. Определены две критические температуры газовы-делексй в смесях с КМ: первая при Л0°С, связанная с удалением из смеси свободной влаги и вторая - в области температур 350--ЗвО°С, вызванная дегидратацией кристаллогидратов.

Изучено газовое давление в смесях с КЫ при заливке технологической пробы марганцовистой сталью и определена его критическая величина, составляющая 26-28 г/см^. На основании полученных экспериментальных данных и по результатам производственных испытаний установлено, что при изготовлении из смесей с ШИ стержней повышенной сложности с большой обливаемой металлом поверхностью и небольшими знаками, во избежании образования в отливках газовых раковин, стержни следует подвергать тепловой сушке при 250°С в течение 1,5 часов и выполнять в них вентиляционные каналы для уменьшения длины пути фильтрации газов. При изготовлении относительно простых стержней с большими знаковыми частями заливка их может осуществляться без подсушки при выдержке стержней на воздухе не менее 15-20 часов и выполнении в стержнях вентиляционных каналов при содержании в смеси КЫ не более 2С$.

Выбиваемость смесей с КЫ изучалась определением остаточной прочности смесей после нагрева и заливкой сталью технологической пробы с пятью стержнями из испытуемых составов смесей. Получены однозначные результаты, свидетельствующие о легкой выбиваемости из отливок смесей с КМ. Их выбиваемость в 5-6 раз лучше выбиваемости известных жидкостекольных смесей с 6 масс.ч. связующего и сопоставима с выбиваемостью ХГС с синтетическими смолами.

Противопригарные свойства смесей с КМ на основе кварцевого песка изучались по принятой в ЦЕШИТМАШе методике с изготовлением технологической пробы "Крест", имитирующей условия образования пригара в "тепловых узлах" отливки. При этом определялось также

влияние содержания КМ з смеси на качество и чистоту поверхности отливок. Оценивалось качество поверхности по ГОСТ 25142-82 "Шероховатость поверхности" с определением параметра , характеризующего шероховатость поверхности. Исследования и производственные испытания подтвердили повышенные противопригарные свойства смесей с КМ и положительное влияние на качество поверхности КМ при содержании его в смеси до 25^.

Повышенные противопригарные свойства смесей с ЮЛ объясняются нами действием следущпх факторов: присутствием в смеси значительных количеств мелкодисперсной фракции Ю1, снижалцей пористость смеси с 0,42 (при отсутствии КМ) до 0,15 (при 20 ыасс.ч. ГОЛ), повышающей ее теплоаккумулирующую способность и тем самкм уменьшает опасность проникновения а смесь металла; высокой огнеупорностью ЩО и отсутствием химического взаимодействия между ЩО (КМ) и (кварцевый песок); сильным окаслявдим и охлат-дагацим действием на поверхность отливок образующихся при разложении кристаллогидратов паров воды, а также частичным растворением МдО в образующихся продуктах окисления стали, увеличивающего вязкость окиского слоя на границе "металл-форма". Одновременное действие этих факторов препятствует образованию как меха--нического, так и химического пригрра.

РАЗРАБОТКА, ПР0ИЗВ0ДСТЗШНАЯ ПРОВЕРКА И ОСВОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

В процессе предварительной производственной прозерки выявились некоторые особенности смесей с КЫ, касавдаеся необходимости применения тепловой подсушки стержней повышенной сложности п от-нсси?елз>по длительного цикла твердения смесей. Поэтому при разработке технологии отрабатывались оптимальные резльш подсушки стертаей и изыскивались методы интенсификации процессов ¿рдения смесей. Изучалось два метода ускорения твердения смесей:

I) механическая активация порошка К1Л; 2) тепловое воздействие на смесь, находящуюся а оснастке.

Определены оптимальные регида подсушки стержней и форы из смесей с КН: температура подсушш - 250°С, продолжительность -1,5-2,0 часа.

Ыеханоактивация порошка КЛ осуществлялась в виброшаровой ыельЕице типа СВМ-2 со стальными шарами диаметром 10-20 им, частотой колебаний 28,3 и амплитудой колебаний 5 км.

В табл. 2 приведены данные по влиянию продолжительности обработки КМ марки ПшК-83 на свойства смесей, содержащих (масс.ч.) кварцевый песок 100, каустический магнезит - 15,0, водный раствор бишофита плотностью П5С кг/ы3 - 10,5.

Таблица 2

Свойства самотвердевдих смесей с каустическим магнезитом марки ПМК-83 в зависимости от времени его обработки в вибропаровой мельнице

Время обоабст- Свойства самотвердеюцих смесей

пп ки ПЫК-83, ---

мин прочность на сгатие, Ша, осыпаемость,

через %, через 24 ч

I ч 3 ч 5 ч 24 ч

I. 0 0,02 0,25 0,45 3,2 0,08

2. 15 0,12 0,4 1,85 7Д 0,01

3. 30 0,12 0,57 2,0 7,2 0,01

4. 45 0,22 0,97 2,15 8,0 0,01

5. 60 0,23 1,4 2,35 8,5 0,01

Кз табличных данных видно, что обработка в виброшаровой мельнице порошка К.1 приводит к значительному росту прочностных характеристик, особенно в начальный период твердения (1-3 ч).

Так, даже при кратковременной 15-ти минутной механоактивации

исходного порошка прочность смеси через I ч возрастает в 6 раз, через 3 ч - в 13 раз. Продолжительность механоактивации должна составлять от 15 до 45 мин. Повышение реакционной способности КМ в процессе механоактивации объясняется в первую очередь увеличением его дисперсности, -г.е. возрастанием удельной поверхности, а также освобождением поверхности частиц КМ от инертной "рубашки" и появлением свежеобразованных активных поверхностей, ростом поверхностной энергии системы и пр.

Как показали исследования, для ускорения твердения смесей с КМ может быть также рекомендована фильтрация горячего воздуха через смесь в оснастке, нагретого до 75-85°С в течение 25-30 млн. Начальные прочности при этом возрастают в 3-5 раз.

Производственные испытания и освоение технологии применения самотвердеющих смесей с КЫ проводились на ПО "Уралмаш" (г.Екатеринбург) и Черноморском судостроительном заводе (г.Николаев, "ЧСЗ") при изготовлении крупного стального литья.

Для производственных испытаний смесей в фасоно-сталелитейноы цэхе ПО "Уралмаш" были выбраны типовыз представители отливок из марганцовистых и углеродистых марок сталей различной массы и толщины стенок.

Некоторые из наиболее типовых отливок, изготовлявшихся с применением смесей с КЫ, приведены в табл.3.

Часть стержней для отливок "зуб ковша" и станины ротора из окрапиватись противопригарными красками, остальные стержни покрывались корундовой краской, применяющейся на ПО "Уралмаш". Все стержни сушились в камерных печах при температуре 250°С в течение 1,5 часов. Смесь с ИЛ выбивалась из отливки "зуб ковша" значительно легче по сравнению со смесью по ^-процессу - удаление ее происходило на выбивной репетке. Качество поверхности отливок "зуба ковша" было хорошим, без пригара. Более высокое качество

Таблица 3

Отливки, изготовлявшиеся со стержнями из смесей с ЮЛ на ПО "Уралмаш"

Наименование Масса отливок отливки, т

Толщина Масса 1£арка

стенок стерж- стали

отливки, ня,

мм кг

Кол-во Заиенявшие-изго- ся смеси товлен-ных отливок

Зуб ковша

Рама экскаватора

Ласа

Венец

Зубчатое колесо

Станина ротора

0,15 40-50 6 35-40

150- 35Л 200

ПОПЗЛ 30 4

4,2 45-70 50-60 351

3,5 150-200 600 35Л

40 150-220 500- 35Д 600

2,5 45-70 550 35Л

6 6 5

COg-процесс

песч&но-гли-нистая с опилками;ХТС со смолами

двухслойные стержни: облицовочная -хромистая ЛСТ, наполнительная — песчано-гли-нистая

ЕСС

5

поверхности было получено со стороны стержней, сокрывавшихся противопригарной краской.

При изготовлении отливки "рама экскаватора" по принятой на зазоде технологии со стержнями из песчано-глинисткх смесей и 2ТС с синтетической смолой на отливках наблюдались трещины. При использовании для этих стержней смесей с I-G.I тревдны отсутствовали, что свидетельствует о хорошей податливости смеси.

Замена двухслойных стершей для отливок "лапа", "венец" и "зубчатсе колесо" стержням из смесей с lu обеспечила значительное улучшение выбиваемости и хорошее качество поверхности.

Производственные испытания НС с К<; проводилась также на Черноморском судостроительном заводе (г.Николаев) при изготовлении крупных, массивных отливок из углеродистой стали (отливка

цяладдр массой 7 т, толцана стенок 50-300 мм; "траъерса" массой 5 т, толщина стенка 100-350 "плата" массол 10,5 т, толэлна стенки 70-200 мы; "лапа" массой 2,3 т, толщина стенки 150-400 мм). Стеркнл для этих отлазок изготовляется на заводе в основном из дСС и имеют затрудненную внбиваемость. Стержни аз смесей с КМ для отливок "цпландр" а "траверса" устанавливались в форму и заливались металлом без подсушш через 20 часов после изготовления (стержни Е-1У класса сложности). "Кипа" металла не наблюдалось, выбивались смеси легко, качество поверхности отловов было хороши. Часть стержней супилась при температуре 250-300°С в течение 2-х часов. Стеркна даазды покрывались с&човысыхащей противопригарной краской.

Все отливка, изготозленные со стержнями из смесей с КМ имели чистую, без дефектов, поверхность, выбивались они из отливок значительно лучше по сравнению с 2СС. Таким образом, широкие производственные испытания и освоение технологии получения отливок с применением смесей с КМ на основе кварцевого песка показали возможность их использования при изготовлении отливок из углеродистой стали массой до 40 т с толщиной стенок до 300-400 мм, а также отливок из марганцовистой стали. Смеси обладают повышен- • ныш противопригарными свойствами, легко выбиваются из отливок, шлет хорошую податливость, при их использовании отсутствуют какие-либо токсичные выделения. При изготовлении крупных, массивных отливок они могут заменять хромитовые смеси, приыенящиеся в качестве облицовки для получения двухслойных стержней.

основные вывода

I. В результате проведенных исследований разработаны новые Х1С гидратационного твердения с КМ на основе кварцевого песка, обладающие легкой выбиваемостью, хорошей податливостью и повы-

пенными противопригарными свойствами, обеспечивагщпмл получение чистой, хорошего качества поверхности крупных, массивных стальных отливов, в той числе отливок из марганцовистой стали. Смеси с КМ не токсичны, для их приготовления используется недефицитные, относительно дешевые компоненты.

2. Проведены исследования по выбору и изучении свойств исходных материалов для приготовления ХТС с КЫ.

При исследовании различных марок КМ показано, что их связующая способность определяется содержанием в них МдО , а также их дисперсностью. С учетом доступности: стоимости и удобства транспортировки выбран КМ марка ПМК-83. Из всех изучавшихся ускорителей твердения наиболее сильными и эффективная: оказались водные растворы . По комплексу показателей длч

получения смесей выбран и технический продукт - бишофит

содержащий 25-26? МдС?г .

3. С применением современных методов рентгеноструктурногс, дафференциальнотермического, дифференциально-теркогравиметричес-кэго и электроняомикро скопич ее кого исследований впервые изучены физико-химические процессы твердения формовочных смесей с КМ. Установлено, что при твердении композиции на основе КМ и

в конечном счете образуются оксихлорвды магния состава

1:8). Это новообразование является основной структурообразующей фазой, ответственной за формирование прочности смеси.

4. С использованием математических методов планирования эксперимента разработаны оптимальные составы смесей с ¡0.1 и построены соответствуйте номограммы, возводящие выбрать смеси с заданными свойствами применительно к различным условиям производства.

5. Изучена структура и аэродинамические свойства смесей с

КМ, позволивших:

- предложить систему классификации структуры смесей по их зерновому составу и соотношению зернистых и пылевидных фракций;

- установить, что важнейшей характеристикой структуры смесей с КМ, наряду с пористостью и проницаемостью, является аэродинамический диаметр зерна смеси С Ягг ), по значению которого можно оценивать содержание и распределение мелкодисперсной фракции, установить оптимальный режим приготовления смесей в смесителях периодического и непрерывного действия, рассчитывать газопроницаемость отдельных участков форы и стержней.

6. Исследованы технологические свойства смесей с КМ: влияние относительной влажности воздуха на кинетику твердения и прочность, гигроскопичность и газовый режим при заливке смесей металлом, выбиваемость и противопригарные свойства смесей. При этом установлено следущее:

- Изменение относительной влажности в пределах от 30 до 70$ практически не оказывает влияния на кинетику твердения. Лишь при высокой относительной влажности - 90-100$ наблвдается резкое снижение скорости твердения и прочности. Смеси с км гигроскопичны. Они имеют повышенную газотворность при относительно невысо- ■ кой газопроницаемости, что может вызвать опасность образования в огливках газовых раковин. Установлены дае критические температуры газовлделений в смесях с км - при П0°С и в области температур 350-360°С.

- При изучении газового давления выявлены два максимума дазлеши: первый, большой максимум, возникает из-за испарения большого количества свободной влаги после покрытия стержня металлом; второй - меньший максимум, является следстзием пспаре'тя сконденсированной в непрогретых слоях смеси влаги и дегидратации кристаллогидратов. Определена критическая золичина газового дав-

ления для марганцовистой стали (26-28 г/см2). Установлена необходимость применения тепловой подсупкг. стержней ферм из смесей с К/! или возможность ее исключения в зависимости от сложности стержней к продолжительности их выдержки до заливки.

- Исследованиями показано, что выбиваемость смесей с Ж в 5-€ раз луч^е выбиваемости жидкостекольных смесей с 6% связувде-го г сопсставиш с выбпваемостью ХГС с синтетические сколами.

- Экспериментальными исследованиями на специальной технологической пробе "Крест" £ производственные испытаниям подтверждены повышенные противопригарные свойства смесей с КГ.!, позволяющих получать хорошего качества, свободную от пригара поверхность крупных массивных стальных отливок, в том числе отливок из марганцовистой стали. Дано объяснение шшаешшх противопригарных свойств смесей с КЫ. Они обусловлены действием ряда факторов: снижением пористости смеси за счет введения мелкодисперсного Кы, ио&шиенлеи теплогккукулирупдей способности сиеси, сильные: окис-лягсда действием образувдпхея при заливке паров воды и пр.

7. Разработаны методы интенсификации процессов твердения смесей с КМ путеа механоактивации порошка К! в вкбрзшаровых мельницах или других аналогичных агрегатах. Определены режимы механоактивации. При этом прочность смесей на сжатие через I ч может быть увеличена в 6-11) раз, через 3 ч - в 10-13 раз, через 5 ч - в 4-5 раз.

8. Разработана технология изготовления стержней и ферм из смесей с КМ и на двух заводах (ПО "Уралмаш" и Черноморском судостроительном заводе в г.Николаеве) осуществлена ее широкая производственная проверка и освоение при изготовлении разнообразной номенклатура крупных стальных отливок из углеродистой к отливок из марганцовистой стали. Предварительно определена ериентировоч-нал область применения новых смесей.