автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование и разработка формовочных смесей с ДАШ-салахлинским бентонитом для производства стальных отливок

ТВ и»

Челябинский государственный технический университет

На правах рукописи ИОШШЗЗ Низами Шайы оглы

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА «ШВСНШХ СМЕСЕЙ С ДАШ-САЯАХШСКШ БЕНТОНИТОМ • ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛШХ ОТЛИВОК

Специальность 05.15.04 -"Литейное производство"

Автореферат

диссертации на соискание ученой-степени кандидата технических наук

Челябинск, 1993

Работа выполнена на кафедре литейного и сварочного производства Азербайджанского технического университета. ■' ,

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент. А.Я.Расулов.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор З.Я.Иткис ;; кандидат технически наук Ахыетдзянов Г.А. о

Ведущее предприятие - Челябинский завод дорогных машин

ш.Колэденко.

Защита состоится "^О'М/? Г-)В /4^ ч мин.

на заседании специализированного совета К 053.13.06 Челябинского государственного технического университета.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по адресу: 454080," г.Челябинск, пр.им.В.И.Ленина ЧГГУ, ченый овет университета, тел. 39-51-23.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке ЧГГУ.

Автореферат разослан " ^С/О-Р 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

К 053.13.06 кандидат технических наук, доцент

Б.З.КЩК5И

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

Актуальность рзботн. Подавляющее количество отливок в литейном производстве изготовляется в разовых песчаногглинистых формах. Получение отливок в песчаных формах и в перспективе останется основным и преобладайте в общем объеме производства отливок.- Поэтому задача совершенствования технологии получения отливок в песчаных формах является весь.'/,а актуальной.

В настрящее время в литейной производстве Азербайджана осно-знкм связующим материалом является каолинитовая глина. Однако запасы каолинитовнх'глин истощаются, а ее расход в среднем на одну тонну годных отливок составляет более 240 кг. Использование- низкосортных глин сопряяено с опасностью образования на поверхности отливок различного рода дефектов. Эти дефекты значительно затрудняют механическую обработку отливок, удлиняют цикл производства, их устранение и исправление является одной из наиболее трудоемких операций в литейном производстве.

Анализ основных технико-экономических показателей' подтверждает, что литейное производство Азербайджана 'является крупнш потребителем форыовОшых материалов, болшая часть которых доставляется из других регионов. Поэтому назрела настоятельная необходимость в обеспечении республики местными формовочными материалами.

В Азербайдяане разведаны большие залеаи бентонитовых глин. Наиболее крупным является Дат-Салахлинокое месторондение*, запасы которого оцениваются более чем в'30 млн."т. Однако его применение в литейном производстве сдерживается из-за отсутствия научно-обоснованных рекомендаций.

Цель работы. Исследование комплекса свбйств Даш-Салахлннско-го бентонита, оценка его пригодности как . литейного связующего, разработка и внедрение песчано-бентонитовнх смесей, обеспечивающих улучшение качества отливок.

Для достижения указанной цели в работе были поставлена следующие задачи:

- изучить структуру; минералогический состав, физико-хиш-ческие и технологические свойства и определить зозыокностя использования Даш-Салахлинского бентонита как литейного связующего;

- определить основные требования к подготовке бентонитового порошкообразного связующего и разработать оптимальный« рении,Г его пошла;

- разработать и оптимизировать составы песчано-бентонитовых смесей и исследовать их технологические свойства, обосновать эффективность активации Даш-Салахлинских бентонитов;

- исследовать процессы образования и устранения пригара на стальных отливках в песчано-бентонитовых формах;

- провести промышленные испытания и внедрить разработанные составы песчано-бентонитовых смесей.

Научная новизна. Исследованы структура, состав и свойства Даш-Салахлинского бентонита. Научно .обоснована и экспериментально подтверадена возможность применения Даш-Салахлинского бентонита как литейного связующего. Сформулированы основные требования к подготовке бентонитового порошка, установлен механизм и определены режимы его помола, позволяющие получать связующее с высокой дисперсностью, обменной емкостью катионов и коллоидальностью. Теоретически обоснована эффективность активации Даш-Салахлинского бентонита на основе расчетов электронной плотности оболочек. С использованием математических методов планирования получены яомограшы для определения оптимальных составов смесей различного функционального назначения. Современными методами исследований изучены особенности структуры уплотненных песчано-бентонитовых смесей, кинетика процесса проникновения аидкого металла в поры формы. Термодинамически обоснована возможность устранения прожилок металла при вводе гематита в песчано-бейго-нитовую смесь. Развиты представления о формировании и устранении пригара на стальных отливках в песчано-бентонитовых формах с окислительными добавками. '

Практическая значимость работы и реализация, ее в промышленности. На основании проведенных исследований разработаны пес-чано-бентонитовые смеси с использованием Даш-Салахлинского бентонита для машиностроительного стального литья, обэспечиз тющпе требуемую чистоту .поверхности отливок. Осуществлена широкая производственная проверка и внедрение песчано-бентонитовых смесей с добавкой гематита на СШ "Каспморсудорешнт" и Бакинском сталелитейном заводе, показавших следующие преимущества новых

смесей: легкая выживаемость, повышенные противопригарные свойства, снижение трудоемкости обрубки и очистки отливок, улучшение санитарно-гигиенических условий труда и экологии. Суммарный годовой экономический.эффект составил более 2Б5 тыс.руб.

Основные положения, представляемые к защите:

- результаты исследований структуры, состава и свойств Даш-Салахлинского бентонита;

- механизм помола и оптимальные рекимы подготовки бентонитового порошкообразного связующего;

- разработанные и оптимизированные составы формовочных смесей на Даш-Салахяинском бентоните с окислительными добавками и их основные технологические свойства;

- результаты исследования физико-химического взаимодействия заливаемого металла с материалами пасчано-бентонятовой формы;

- технология изготовления машиностроительных стальных отливок с улучшенной чистотой поверхности. • ■

Апробация работы., Материалы диссертации докладывались и об' сундались на-следующих научно-технических конференциях: "Прогрессивные процессы изготовления.качественных отливок в песчаных формах", Челя0инск, 1987; 41- научно-техническая конференция ЯПИ; Челябинск, 1988; "Прогрессивные технологии производства литых заготовок", Челябинск, 1988; "Пути повышения качества и экономичности литейных процессов", Одесса, 1988, 1990; "Прогрессивные технологические процессы производства отливок", Чебоксары, 1988, 1990; "Рациональное использование материальных ресурсов в литейноы производстве",Челябинск, 1991; "Новые материалы и технологии в повышении эксплуатационной надениости машин и инструментов", Баку, 1990; научно-технические семинары ИПй АН Украины, Киев, 1989, 1990; научные конференции Азербайджанского технического университета, Баку, 1988-1992.

Публикации. По теме диссертант опубликовано 14 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов, списка литературы из 132 наименований, 4-х приложений; содернзт 147 страниц машинописного текста, 37 таблиц, 51 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОМ

Одним из путей улучшения качества отливок является замена каолшштовой глины бентонитовой, что снинает общее глиносодер-яание смеси в 2...3 раза- Однако широкое применение бентонитовых глин в качестве связуиздах смесей в литейном производстве Азербайджана сдераивается из-за отсутствия надегных данных по структуре, минералогическому составу, физико-химическим и технологическим свойствам бентонитов, что не позволяет дать научно-обоснованные рекомендации производству.

Исследование состава, структуры и свойств бентонитов

В качестве объекта исследований выбрана бентонита Дашуковс-кого, Асканского, Бкклянского, Махарадзевскоет, Дат-Салахлиа-ского кестороядений, а такие Никнеувельская огнеупорная глина. С помощью рентгеноструктурного анализа на дифрактометра ДРОН-ЗИ изучена структура и состав указанных бентонитов и глину.

Бентонит Дашуковского месторождения содержи? кварца (ДХ: • 3,34; 1,81; 1,37; 1,19), монтмориллонита (ДХ: 3,42; 3,06; 1,71; 1,67), каолинита (ДХ: 7,14; 3,57; 2,34; 1,48) и карбонаты кальция (ДХ: '3,03*, 1,91; 1,86; 1,04). Асканский бентонит содержит монтмориллонитмонотермит (ДХ: 4,35; 3,43"; 2,38; 2,06), гал-луазит (ДХ; 4,40; 3,50; 2,49; 2,32), бейдедда? (ДХ: 4,45; 3,53; 2,36), кварца. Биклянский бентонит содержит каолинит, кварц, мусковита (ДХ: 10,03; 3,34; 2,56; 1,49) и монтмориллонит. Ма- -харадзевский бен$онит содержит монтмориллонит, галлуаззк, вол-лостанит (ДХ: 3,83;< 3,52; 2,97; 2,18), псевдоводлосташя (ДХ: 3,23; 2,80; 1,97) и гидроалшината кальция (ДХ: 3,72; 2,69; 2,55; 1,64). Никнеувельская каолинитовая глина состоит из кварца, накрита (ДХ: 7,15; 3,59; 2,41), биотита.(ДХ: 2,65; 2,46; 2,19) и гвдрослюды (ДХ: 3,90; 3,53; 2,60; 1,71).

Результаты рентгеноструктурных исследований Даш-Салахлин-ского бентонита с получением дифрактометрических кривых указывают на его ыднтмор&ллонитовый состав, выраженный даоктаедри-чэской (1,49 А), щзлочно-зеыельной (14,2...14,6 Ъ, а также щелочной (13,5...13,7 А) разновидностями. При насыщении глице-р:-лсм указанще рефяексы увеличиваются, в рсновном до 17,8 1,

а тоща до 18,3 А. При нагревании до 600 °С в .исследуемых бентонитах наблюдается усадка слоев до 9,5..'.10,2 i и появление новых четких рефлексов 4,8...4,9 А, 3,17...3,26 А, что является одним из основных характерных признаков минералов монтмориллони-товой группы. Кроме монтмориллонита, составляющего основу (более 80 %) Даш-Салахлинского бентонита, такие обнарунены в небо-льпшх количествах сопутствующие'минералы, о чем свидетельствуют рефлексы:'гидрослюды (Э.'б^.ЛО.О; 4,96...5>01; 3,30...3,34 А), хлорита (14,7; 7,2; 4,70 А) и реке каолинита (7,1; g,5; 2,8 А). Наличие серии слабых линий (11,0; 5,56; 3,82; 2,64 А) указывает на незначительное количество смешаннослойннх образований.

Проведенные рэнтгеноструктурные исследования позволили установить особенности структуры и минералогический состав бентонитов. По сравнению с другими местсрондениши бентонитов Даш-Сала-хлинский бентонит содержит большое количество минералов монтмо-риллонитовой группы, которые обеспечивает их высокую связующую способность.

Термический анализ бентонитов и глин указанных месторождений проводили на деризатографе 0-1500Д "Паулик" (Венгрия). Исследование показало, что для Дащуковских бентонитов характерные эндотермические эффекты происходят при 50...150 °С (удаление ад- ' сорбированной воды), 200...235 °С (удаление меяпакетьой воды), 500...760 °С (удаление конституционной воды) и 800...860 °С (разрушение кристаллической решетки). Наблюдаемый при 900... ...1000 °С экзотерглический эффект связан с образованием нового кристаллического соединения. Для Аскавского бентонита эндотермические эффекты происходят при 50...ЮО °С и'450...500 °С, а . экзотермический.эффект при 955...975 °С. Это соответствует генеральному' составу Асканского бентонита, яоторай содержит ¿яне-ралы монотермита, галлуазита й.бейделдита. Биклянскнй бентонит содержит мусковит с данными ДТА: эндотершческиа эффекты при 750..'.850 °С и 1020...1090 °С. В Махарадзевском бентоните, кроме монтмориллонита", проявляются по данным ДТА гидроалкшнаты кальция: эндоэффэктн с максимумами при 155 и 285 °С; экзотермические эффекты при 545 и 930 °С. Термический анализ Никнеувель-скоп огнеупорной глины подтвердил ее-каолинитовуи основу с определенным содерзангем биотита: эндоэффект приТ160 °С и знзо-эффект при 1200 °С, обезвокивание происходит при Т50...200 и 400...450 °С.

На дифференциальных кривых нагревания бентонитов Даш-Салах-линского месторождения отмечаются характерные данные ДТА" монтмориллонита: эндоэффекты при 80...250 °С (с максимумом 150... ...210 °С), обусловленные потерей адсорбционной воды (Ю...12 %) и при 600...760 °С с максимумом 680...730 °С (удаление конституционной воды ~ 5 %). Третей эндоэрект при 790...850 °С, где происходит полная дегидратация и разрушение кристаллической решетки монтмориллонита. Как правило, после указанного эндотермического эффекта следует небольшой экзотермический пик в интервале 900...1000'°С, обусловленный кристаллизацией аморфных продуктов разрушения глинистых материалов.

Проведенные термографические исследования подтверждают, что минеральный состав Даш-Салахлинских бентонитов преимущественно включает монтмориллонит. По сравнению с бентонитами Дашуковско-го, Биклянского, Махарадзевского месторождений дегидратация Даш-Салахлинских бентонитов происходит при более высокой температуре, что свидетельствует о его высоком качестве.

Электронноыикроскопические исследования каолинита, Дашуков-ского и Даш-Салахлинского бентонитов выполнены на растровом электронном микроскопе РЭМ-200. Исследования показали, что частицы каолинита имеют наибольшие размеры в плоскости чешуек б пределах 0,3.j.0,4 мкм, а толщина их 0,05...2 -мкм. Частицы Да-шуковского бентонита более мелкие и округлые, отдельные чешуйки имеют размера 0,1...0,2"мкм.

Электронномикроокопический снимок Даш-Салахлинского бентонита показал, что структурные составляющие бентонита очень мелкие и тонкие, почти прозрачные," часто образуют хлопьевидные агрегаты. Основные размеры чешуек колеблются от 0,01...О,02 до 0,1... ...0,2 мкм. Преобладают частицы округлой формы.

Методом инфракрасной спектроскопии изучали характер химической связи воды с структурными составляющими глинистых связующих. .Спектры записывали на спектрофотометре " S/oecor-c//Sn в области частот 4000... .40 см-1. На основании сравнительного анализа спектров'каолинита и Даш-Салахлинского бентонита установлено, что полоса.3695 cm"*, которая отсутствует в спектре монтмориллонита, относится к внутриповерхностныгл ОН" группам каолинита; полоса 3610 см"1 является общей для спектроз каолинита и

монтмориллонита. Монтмориллонит в области ОН-валентных колебаний обнаруживает полосы в следующих интервалах частот: 3705...

3695; 3670...3663; 3650 и 3635...3620 см-1. Полосы поглощения —т

около 3695 и 3620 см х очень сильные и имеют сходную интенсивность, тогда как полосы. 3670 и 3650 см"-1' слабые. Единичные молекулы воды имеют узкие полосы поглощения - две полосы в области 3750...3650 и одну в области 1600...1580 см-1.

.Различиями в ИК-спектрах каолинита и монтмориллонита объясняется вы'сокая связующая способность бентонитов. Монтмориллонит в большей степени способен участвовать в водной среде в реакциях катионно-анионного обмена. Это позволяет изменять структурно-механические параметры системы "бентонит-вода", следовательно, дает возможность регулировать прочностные свойства песчвно-бентонитовых смесей.

Исследованы физико-химические и технологические свойства Даи-Салахлияских бентонитов, регламентируемые по ГОСТ 3226-77 и ГОСТ 3594-77. Определены гранулометрический состав к'Дисперсность, содержание влаги и глинистых составляющих, коллоидальность, химический состав, емкость обменных катионов, связующие свойства, долговечность, огнеупорность и др. характеристики в сравнении с соответствующими свойствами Махарайзевского и других бентонитов, широко используемых в литейном производстве.

Установлено, что по гранулометрическому составу Даш-Салахли-нские бентониты характеризуются следующими данными: 04 - 0,2... ...0,7 %\ 016 - 2,40...3,40 %; 010 - 93,88...94,60 %, тогда как Махарадзевские бентониты: 04 - 0,28...0,88 %\ 016 -1,96... '...2,68 %\ ОЮ - 92,80. ..92,20 %. 'Дисперсность данных бентонитов составляет соответственно 70,84...74,3 % и 63,3...70,14 % (частиц размером менее 0,001 ш). Относительная высокая дисперсность Даш-Салахлинских бентонитов обусловливает их высокую коллоидальность, которая составляет 96...99 %, а для Махарадзе-вских - 84...90 %. При этом содержание глинистых составляющих для первых превышает 83,50 %, для вторых достигает 82,70 %. По химическому составу, емкости обменных катионов и по содернанию примесей Дащ-Салахлинскйе бентониты отвечают требования;.! ,предъ-являемшл к литейным связующим. Химический состав бентонита Дащ-Салахлы, <%\2сОг - 57,0...62,0;/44" 17,0...21,0;/^^--3,0...5,0\Са0- 3,0...6,0\М2О + К2О - 2,0...3,6. Со-

держание основных составляющих монтмориллонита ($10г+№г03 ) превышает 70 %, что свидетельствует о хорошем качестве исследуемых бентонитов. Относительное низкое содержание оксидов металлов обусловливает термохимическую устойчивость Даш-Салахлинских бентонитов. Емкость обменных катионов составляет 93...100,42 мг-экв., что намного превышает аналогичный показатель широко используемых в литейном производстве бентонитов Дашуковского (84,60), Биклянского (48,4) и Махарадзевското (60,0) месторон-денш.

Даш-Салахлинские бентониты отличаются относительно высокой концентрацией водородных ионов в водной вытяяке (ïH = 9,0... ...9,5), что указывает на щелочной характер бентонитов. По этому показателю исследуемый бентонит не уступает Огланлинскому и превосходит Дашуковский (7,0...7,1) и Махарадзевский (8,0... ...8,5).

Связующую способность Даш-Салахлинских бентонитов оценивали по пределу прочности при сжатии в сухом и влажном состояних (ГОСТ 3594.7-77). Исследованиями'установлено, что прочность, при сгатии песчано-бентонитовой смеси в зависимости от количества вводимой воды изменяе.тся в пределах 450...550 кПа (по-сухому) и НО...130 кПа (по-сырому). По связующим свойствам исследуемые бентониты несколько уступают Огланлинским бен.тонитам (650 л 150 кПа), однако превосходят Биклянские, Да'шуковские и . Махзрадзевские. ■

В целях повышения качества бентонитового связующего исследсь ван процесс механической диспергацда воздушно-сухих глин в шаровой мельнице. Рентгеноструктурным анализом установлено, что монтмориллонит увеличивает меяплоскостное -расстояние в процессе гидратация, В кальциевых бентонитах базисные поверхности в ¡"кроагрегатах могут- отойти друг от друга до 19 А. На наружной базисной поверхности микро- и макроагре^атов монтмориллонита ' • формируется более мощный щдратно-ионный дис|фуьный слой за счет интенсификации процессов диссоциации и набухания частиц. ■

На основании исследований выдвинуты полокения, определяющие ?.-.ехаш:з!д и pesai,1а помола бентонита. При сухом помоле механическая дкспергация должна решать две задачи. Процесс должен протекать таким образом, чтобы, во-первых, обеспечивалось преиму-

■щественное разрушение естественных агрегатов глин па плоскости спайности, т.е. расслоение агрегатов на тонкие пакеты, что обусловливает увеличение эффективной удельной поверхности частиц глин за счет высвобождения базальных поверхностей кристаллов. Во-вторых, должна достигаться преобладающее разламывание кристаллов в направлении перпендикулярном базальным плоскостям. После 8...9 ч сухого помола Даш-Салахлинского бентонита значительно повышаются гидрофильные свойства и емкость обменных катионов (рис.1.).

Рис.1. Зависимость влажности верхнего {¡редела пластичности (I), влажности максимального набухания (2) и емкости обменных катионов (3)' Даш-Салахлинского бентонита от продолжительности сухого помола

Влажность верхнего предела йластичности (Щ- достигает" от 220 до 260, влазность максимального набухания {1% ,%) от

500 до 600 и емкость обменных катионов (Е, мг-экв.) от 90 до НО. При этом удельная поверхность частиц увеличивается Ът 100...140 до 300...330

Результаты сравнительных -испытаний отечественных бентонитов с привлечением современных методов исследований позволяют считать, что Даш-Салахлинские бентониты относятся к бентонитам марки БС1Т2 и полностью отвечают требования!,1 литейного связующего, а по ряду физических,-химико-минералогических и технологических характеристик превосходят широко применяемые в настоящее время бентонитовые глины.

Разработка формовочных смесей и исследование их свойств

Анализ и сравнение стандартных смесей показали, что Даш-Салахлинские бентонитовые порошки стабильно обеспечивают прочности по-сыроыу 110...130 кПа, по-сухому 450...550 кПа, тогда как Махарадзевские 100...120 и 300...490 кПа. При этом технологические свойства смесей являются вполне удовлетворительными (формуемость 70...75 %, уплотняемость 45...50 %, текучесть 55...70 %, осыпаемость 0,2...0,6 %). Опыты, проведенные с бентонитовой суспензией, показали, что смеси отличаются лучшими физико-механическими. и технологическими свойствами по сравнению со смесями на бентонитовых порошках. Установлено, что оптимальная плотность бентонитовой суспензии составляет 1,25...1,30 г/см3 при примерном соотношении воды и бентонита, равном 3:1. Исследованы некоторые свойства песчано-бентонитовых смесей с суспензией в зависимости от лродолнительности выдергки образцов на воздухе. Показана возможность снижения на 10...15 % расхода бентонита, что подтверждает эффективность применения его суспензий в качестве связующего.

Исследованиями экспериментально установлена возмоншость и целесообразность, активации исследуемых бентонитов, обусловленная протекающими обменными процессами. Теоретически обоснована эффективность процесса, подтвержденная расчетами электронной плотности оболочек. Электронная плотность -оболек (ОС- ) атомов определялась отношением числа электронов «/Г в оболочке к объему иона,, участвующему в. образовании той или иной структура: -

п

•Л" зж

_ о

где £ - радиус иона, А. 2+

Расчеты с учетом замещения каадого иона Са> * в обменной реакции двумя ионами Жо? показали, что эквивалентная электрон. ная плотность двух^ ионов в 1,3 раза превышает электронную плотность иона Си . Повышение эквивалентной электронной плотности ионов в кристаллической решетке связующих материалов долено привести к закономерному увеличению прочности смесей. На основании изложенных сообрагений и расчетов эквивалентной электронной плотности ионов Со-2"' и А'а-* подтвераден положительный э<1>-фект активации солями натрия, Даш-Салахлинского бентонита, в обменном комплексе которого преобладают ионы кальция. Выполнены расчеты количества активирующей добавки для смеси с Даш-Салах-линским и другими бентонитами, широко используемыми в литейном производстве. Установлено, что для активации Даш-Салахлинского бентонита необходимо взодить 0,25 % соды от массы смеси, что позволяет повысить прочность смеси на 10...15 %.

Результаты лабораторных исследований показали, что при изготовлении смесей с использованием Даш-Салахлинского бентонита ' для формовки по-сырому удовлетворительные физико-механические свойства во влажном состоянии достигаются при содержании составляющих, масс.ч.: кварцевого песка 9...81; бентонита 2,5... ...7,5; железной руды 2,5...7,5; остальное - оборотная смесь. При этом свойства смесей изменялись в пределах: прочность при снатии 40...80 кПа, газопроницаемость 138...264 ед. и влажность 4,0...5,0 %.

В указанных интервалах проведена оптимизация составов и свойств смесей методом математического планирования эксперт,'.ентов, позволивши!,1 установить математические модели второго порядка с учетом взаимодействия-между факторами. После обработки данных экспериментов с уровнем значимости =0,05 на ЗВМ были получены математические' модели исследуемых величин в виде регрессионных уравнений для газопроницаемости (К ), прочности ( б'.), осыпаемости. (3 ) и текучести( Т ) смесей:

2 " 2

К = 246,9 - 5,1731! - 5,45832X3 - 25,591х - 23,33 \ -

2 • - 40,82Хд ;

€> = 83,54 - 2,522Х1 - 9 ,946Х3 + З.ББЗХ^ + 3,583%Х3 -

- 7,218Х1 - 7,218х| -21,89Х§ ; "

в = 0,2279 - аДЗОЭ-Ю-2^-- 0,222Хз + 1,75-Й"^^ ~ .

- 1,8333-Ю^Х^ - 2 ,16В7*10~2Х2Х3 + 1,9919-Ю"2х| +

+ 0,1373Хл ;

с о

Т = 72,79 - 1,053X2 + 1,053Х3 + 0,973х| - 3,878.х| + 0,973Х§ •

На основе полученных уравнений регрессии физико-механических свойств смеси построена номограмма (рис.2) и определены области оптимальных составов песчано-бентониговых смесей различного функционального назначения.

К*иде$. бЧОкЛа т*е7

5,0

£мтонит//0 к,о

Песок, %

№ Б1МГ>онат//о

Рис.2, Номограмма для определения оптимальных составов песчано-бентонитовых смесей различного функционального назначения

Установлено, что достаточными физико-механическими и технологическими свойствами .обладают смеси, содержащие, масс.ч.: 40.,.50 песка; 3,0...5,0 бентонита и 3,0...5,0 руды, остальное - отработанная смесь. При этой достигаются следующие свойства смеси: прочность 60...80 кПа, газопроницаемость 190...237 ед., осыпаемость 0,2...0,6 %, текучесть 60...70 %.

Оптимизированный состав облицовочной смеси был принят для дальнейших исследований. Исследованиями подтверждена чувствительность песчано-бентонитовнх смесей к испарению влаги,- которая определяется температурой и влакностыо окружающей среды. Уста- . новлено, что требуемые свойства снеси формируются до 4-х ч ее вылеживания и заливку форм необходимо производить в этот период. По истечение этого времени возрастает опасность образования дефектов поверхности отливок в процессе заливки форм металлом.

Исследование процессов образования и устранения пригара на стальных отливках ■

На процесс пригарообразования оказывают влияние различные факторы. Среди них особое место занимает структура формовочных смесей, которая исследована на растровом электронном микроскопе РЭМ-200. Определено, что в отличие от касшшитового .связующего бентонит лучше обволакивает зерна наполнителя, что указывает на преимущества структурных характеристик пеочано-бентонитовых смесей. Установлено, что структура реальных смесей существенно отличается от "шдрозой модели". Вследствие неправильной формы зерен шаровой контакт реализуется крайне редко. Найдено, что средняя протяженность я толщина шняет бентонитового связующего составляет 60...180 мкм и 3...Ю мкм соответственно. Под-тверздеяо, что по структурным характеристикам песчано-беатони-товая смесь превосходит песчако-глинистую, и это долкно способствовать снижении глубины проникновения металла в поры формы. Исследована кинетика проникновения металла в поры формы методом моделирования процесса. С отой целью усовершенствована установка Иткиса З.Я., позволяющая, определить критическое давление проникновения металла в поры'форма и эффективный диаметр пор.

Установлено, что из.исследованных смесей наибольшее давление« проникновения характерно для песчано-беатонитовой смеси с добзв-

кой 5 % мелкодисперсного гематита. Гематит закупоривает поры в песчано-бентонитовой смеси, повышая давление проникновения металла,более чем на 20 % уменьшает с1эр . Следовательно, указанное должно способствовать снижению высоты и толщины прожилок металла. Проведенными исследованиями проникновения металла в поры формы на отливках, изготовленных в производственных условиях, установлено, что на цеховых смесях высота прояилок металла имеет более высокие значения (0,7.-.1,0 мм), чем в песчано-бентонитовнх с добавкой гематита (0,1...0,3 мм).

Подтверждено выдвинутое ранее положение, что с вводом в смесь озсислительяых добавок создаются условия для устранения прожилок металла и снижения пригара на поверхности стальных отливок.

Термогравиыетрическими исследованиями различных смесей и их составляющих объяснены происходящие превращения в форме и установлено их влияние на качество поверхности отливок.

Изучение микроструктуры поверхности контакта, прикоутактной зоны и матричного металла слшки прогедено на микроскопе Ме? -2 фирмы п Яеесбег'б ". Определены глубина обезуглероженного слоя контактной зоны отливки, образующегося в форме из различных формовочных смесей, структура поверхностного и основного металла отливки. Установлено, что поверхность стальной отливки в форме подвергается обезуглероживанию при использовании смесей с добавками гематита и без них. Применение окислительных добавок способствует увеличению содераания свободного'кислорбда в газовой фазе более продолжительное время, что приводит к интенсификации процессов 'обезуглероживания и окисления. Установлена ли-неПная зависимость глубины обезуглероженного слоя.от толщины стенки отливок.

Исследование с помощью рентгеноспекгральпого микроанализатора' РЭМ-ЮОУ химического состава контактной зоны металл-форма " позволило установить, что в поверхностном слое стальных отливок (0,2 юл), изготовляемых в формах с применением гематита, увеличивается содержание Зс , превышающее содержание в основном металле в 2...3 раза. Это связано с тем, что на отливке остаются следы продуктов реакции незду окислами железа и кремнеземом, которые тлеют фаялитовую природу. Для отливок, изготовленных

•из цеховой смеси, характерным является наличие неполностью окисленных прояилок. Наличие прогллок металла - одна из основных причин прочного сцепления поверхности отливки со слоем формовочной смеси.

Исследованиями установлено, что при изготовлении отливок на песчано-бентонитовых смесях с добавкой мелкодисперсного гематита происходит в большинстве случаев полное устранение прояилок, что приводит к ослаблений сил связи пригарной коркп с металлом. Это связано с усилением окислительных процессов на границе металла с формой.

Рассмотрены термодинамические условия процессов, протекающих на границе металл-форма. Приведены возможные реакции разложения ГегОл , рассчитаны упругость диссоциации оксидов яелеза, температура разложения гематита, определены изменения энтальпии, энтропии и энергии Гиббса некоторых реакций в системе Г&О- ¿¿¿К . Исследозана окислительная способность формовочных смесей различного состава при температурах 900, 1100, 1300 °С. Эксперименте:.;!! установлено, что песчано-бентонитовые смеси с добавкой гематита имеют более высокую окислительную способность и обеспечивают окисление прожилок металла, проникших в поры формы.

На основании проведенных исследований процессов образования и устранения пригара на отливках, изготовленных в форг.:ах из песчано-бентонитовой смеси с добавкой гематитозой руды, подтвержден механизм улучшения чистоты поверхности стальных отливок и образование легкоотделимой пригарной корки за счет окисления прожилок металла и формирования оксгвдного слоя, сникающего сцепление металла-с формой. •

Промышленные испытания-и внедрение разработанных смесей в производство стальных отливок

Производственная проверка разработанных песчано-бентонитовых смесей осуществлена на СПО "Каспморсудоремонт" и Бакинском сталелитейном заводе.

Промышленные испытания в литейном цехе СПО "Каспморсудоре-. монт" показали, что песчано-бентонитовые.смеси с использованием в качестве дротивопрпгарной добавки гематитсвОй руды обеспети-вают получение отливок без пригара на большей части поверхности.

На Бакинском сталелитейном заводе была поставлена задача ликвидировать металлизированный пригар на отливках, изготовляемых в формах из яидкостекольной смеси.

Промышленные испытания показали, что разработанные формовочные смеси с использованием Даш-Салахлинского бентонита успешно заменяют жидкостекольные смеси, а по выбиваемости и достигаемой чистоте поверхности отливок превосходят их. Подтверждено, что в производственных условиях использование в качестве противопригарной добавки гематитовой руда обеспечивает получение отливок с чистой, без пригара поверхностью.

По результатам производственного опробования выязлены суше-ственные преимущества разработанных смесей. Применение бентонита позволяет сократить расход песка, заменить привозные огнеупорную глину и жидкое стекло местным бентонитом. При этом содержание глинистого связующего в смеси уменьшается в 2...3 раза снижается брак отливок на 2 %, увеличивается' производительность труда, сокращаются расход топлива и цикл производства, устраняется пригар и поливаются трудозатраты на очистку отливок.

Широкое использование разработанных формовочных смесей с использованием в качестве связующего Даш-Салахлинского бентонита и усовершенствование технологии изготовления стальных-отливок на их основе 'подтверждено техническими актами испытаний и. внедрения. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения песчано-бентонитовых смесей на СПО "Каслморсудоремонт" и Бакинском сталелитейном заводе составил более 265 тыс.руб.

.• . основные-вывсда

X. Анализ литературных источников, а также отечественный и зарубежный опыт свидетельствуют о.том, что в настоящее время • и обозримом будущем наиболее перспективным связующим литейных форм являются бентонитовые глины, а наиболее распространенными смесями - песчано-бентонитовне.

' 2. С привлечением современных методов исследования изучены структура, минералогический и химический состав бентонитов, проведены сравнбния по термическим превращениям, физико-химическим и технологическим свойствам. Установлено, что Даш-Салах-линские бентониты отвечают требованиям литейного производства .. и мо!ут быть применены как связующее для смесей.

3. Определено, что Даш-Салахлинский бентонит содержит более 50 % монтмориллонита, относится к кальциевым с достаточно высоты содержанием емкости обменных катионов (более 100 мг-экэ.), плеют высокую дисперсность и коллоидальность (97...99 %), которые обусловливают их хорошие связующие свойства и могут быть слассифяцированы как БС1Т2 по ГОСТ 3226-77.

4. Сформулированы основные требования и установлен механизм [одготовки высококачественного бентонитового порошка. Устанозле-[о, что оптимальный режим помола продолжительностью 8...9 ч >беспечивает достаточную дисперсность, высокую обменную емкость

[ коллоидальность бентонитов.

5. Показана возыокность использования суспензии Даш-Салахлин-кого бентонита в качестве связующего формовочных смесей и усыновлено, что использование суспензия бентонита в смесях позво-'яет сократить расход порошкообразного связующего на Ю...15 %. еоретически и экспериментально обоснована эффективность акти-ации Даш-Салахлинского бентонита. ' -'.•-•

о. С привлечением математического. метода планирования экспе-иментов построена математическая модель песчано-бентонитовой меси. Получены уравнения регрессии, позволяющие оценить основ-ые технологические свойства смесей. По Результатам :йтсш*атгчбе-ого моделирования на ЭВМ построены номограммы, для определения бласти оптимальных составов смесей ■ различного функционального азначения. \: ~

7. Исследовано влияние продолжительности выдержки образцов з.песчано-бентонитовых смесей на предел прочности при сжатии, ззопронилаемость, осыпаемость а изменение' массы, характеризуйте процессы'в литейной форме. Определены оптимальное время

ля вылеживания песчано-бентонитовых смесей и допустимая про-элкительность выстаивания форм до заливки. Установлено, что таимальные свойства песчано-бентонитовой смеси формируются з гчение первых 4-х ч после ее изготовления. .

8. Изучены особенности структуры уплотненных песчано-гливис-к и песчано-бентонитовых смесей на растровом электронном мик-зскопе. Исследована кинетика процесса проникновения жидкого гталла в поры формы методом моделирования. -Определены величины шлення цроликновения.и эффективный диаметр пор. Подтверждено, го при использовании песчано-бентонитовых смесей потенциально !еньшается проникновение металла в поры формы.'

9. Металлографическими и рентгеноспектральными методами исследована поверхность стальных отливок, изготовленных в формах из различных смесей. Изучен химический состав смесей и пригар-ных корок. Подтверждено, что поверхность стальных отливок при использовании смесей с окислительными добавками подвергается окислению и обезуглероживанию. Определены глубина обезуглерожен-ного слоя и микроструктура контактной зоны для различных смесей в зависимости от толщины стенки отливки.

Ю. Исследованиями окислительной способности песчано-бентони-товых смесей при высоких температурах установлено, что с вводом гематита интенсифицируются окислительные процессы на границе металл-форма и возникают условия полного окисления прожилок металла. Установлено, что эффективной противопригарной добавкой для песчано-бентонитовых смесей является молотая железная руда.

II. Промышленные испытания в литейных цехах подтвердили,что разработанные на Даш-Салахлинском бентоните формовочные смеси с окислительной добавкой позволяют получать стальные отладки без пригара. Разработанные песча'")-бентонитовые смеси внедрены в-производство при изготовлении форм мелких и средних стальных отливок на СПО "Каспыорсудоремонт" и на Бакинском сталелитейном заводе..Экономический.эффект от.внедрения составил более-265 тыс. рублей (в ценах 1991 г.). ■ * _

Основные положения диссертация опубликованы в следущих работах: . •

1. Расулов А.я;, Исмаилов Н.Ш. К'вопросу применения бентонитовой глины в литейном производстве'// Пути повышения надежности конструкционных материалов: Тематический сборник научных трудов: Баку: АзПИ, 1980. - С.36-40.

2. Исмаилов Н.Ш., Расулов А.Я. Даш-Салахлшская бентонитовая глина - эффективный связующий материал для формовочных смесей //

.Прогрессивнее методы производства литых заготовок: Тезисы докладов научно-технической конференции - Челябинск, 1988. - С.41.

3. Им 1ЭИЛОВ Н.Ш., Расулов А.Я. Беспрзгарная формовочная смесь для конвейерного стального литья с применением Даш-Салахлинской бентонитовой глины // Пути повышения качества и-экономичности литейных процессов: Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции - Одесса, 1988. - С.18.

4. Исмаилов Н.Ш., Расулов А.Я. Термографические исследования бентонитовой смеси // Прогрессивные технологические процессы производства отливок, материалов и их обработка: Тезисы докладов Мекреспублкканской научно-технической конференции - Чебоксары, 1988. - С.36.

5. Исмаилов Н.Ш., Расулов А.Я. Повышение качества поверхности стальных отливок для нефтехимического машиностроения // Охрана труда и прогрессивные"технологические процессы в литейном производстве, порошковой металлургии и машиностроении: Тезисы докладов Межреспубликанской научно-практической конференции. -Чебоксары, 1990. - С.47.

6. Исмаилов Н.Ш., Расулов А.Я. Качество поверхности Стальных отливок и теплоаккумулирующая способность песчано-бентонитовой смеси // Повышение качества и экогэмкзности литейных процессов: Тезисы докладов Республиканской научно-технической конференции. - Одесса, 1990. - С.34.

7. Исмаилов Н.Ш. Высокотемпературные превращения материалов песчано-бентонитовой смеси // Пути повышения надежности конструкционных материалов: Тезисы докладов научно-технической конференции АзПИ, Баку, 1990. - С. 12.

8. Исмаилов Н.Ш. Расчет формовочных смесей методом планирования эксперимента // Тезисы докладов научно-технической конференции АзПИ, Баку, 1990. - С.21.

9. Исмаилов Н.Ш., Расулов А.Я. Новая беспрпгарная формовочная смесь для сырой формовки мелкого и среднего стального конвейерного литья У/ Пути повышения надежности конструютонных материалов: Тематический сборник научных трудов АзПИ, Баку, 1920.. - .

С.71-76.

10. Расулов А.Я., Исмаилов Н.Ш., Нуралиев- Ф.А. О механизме улучшения чистоты поверхности стальных отливок при использовании бентонитовой смеси'с железной рудой У/ Пути повышения надежности конструкционных материалов: Сборник научных трудов АзПИ, Баку, 1991. - С.76-80.- .

11. Исмаилов Н.Ш. Электронномикроскопические исследования песчано-бентонитовой смеси УУ Новые материалы и технологии в повышении эксплуатационной надежности машш я инструментов: Тезисы докладов'республиканской научно-технической конференции. - . Баку, 1991. - С.43.

12. Исмаидов Н.Ш. Некоторые физико-химические особенности бентонитов Азербайджана И Рациональное использование материальных ресурсов в литейном производстве: Тезисы докладов научно-технической конференции. - Челябинск, 1991. - С.69.

13. Искаилов Н.Ш. Литейное производство в Азербайджане // Рациональное использование материальных ресурсов в литейном производстве: Тезисы докладов научно-технической конференции. - Челябинск, 1991. - С.68.

14. Исмаплов Н.Ш. Беспрнгарная формовочная смесь для стального литья // Информационный листок й 12-92, ЦНТИ, Челябинск, 1992.

С.1-4

Подписано к печати 30.03.93. Формат 60X90 1/16. Печ. л. 1,25. Уч.-г.зя. г.. I. Тиса* 100 зкз. Заказ 67/189. -

Издательство при ЧГГУ.454080,г.Челябинск,"пр.км.В.И.Ленина,76.