автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Механизм активации и способы повышения прочности в зоне конденсации влаги бентонитосодержащих формовочных смесей

Введение.

Глава 1. Зона конденсации влаги и ее роль в формировании качества литейных форм и отливок.

1.1. Зона конденсации влаги в литейной форме и ее влияние на образование литейных дефектов.

1.1.1. Механизм образования зоны конденсации влаги в литейной форме.

1.1.2. Влияние зоны конденсации влаги на образование литейных дефектов.

1.2. Особенности бентонита как связующего в составе формовоч- 10 ной смеси.

1.3. Механизм формирования прочности формовочной смеси за 14 счет поверхностных и «мостиковых» связей.

1.4. Краткая характеристика бентонитов основных 18 месторождений России.

1.5. Методы повышения прочности формовочной смеси в зоне конденсации влаги.

1.5.1. Химическая одностадийная активация.

1.5.2. Механоактивация.

1.5.3. Двухстадийная активация.:.

Выводы.

Задачи исследования.

Глава 2. Методика проведения исследования.

2.1. Исследование глинистых связующих и формовочных смесей в соответствии с требованиями ГОСТ 28177-89 и ГОСТ 2340978.

2.2. Разработка новых методов исследования в соответствии с задачами работы.

2.2.1. Методика определения термостойкости бентонитов на образцах формовочной смеси.

2.2.2. Методика активации бентонитов.

2.3. Математическая обработка результатов экспериментов.

Глава 3. Исследование влияния одностадийной активации бентонитов на прочность в зоне конденсации влаги формовочных смесей с отечественными бентонитами.

3.1. Методика определения растворимого натрия в бентоните.

Влияние минералогического состава, суммы и состава обменного комплекса бентонитов на прочность формовочной смеси в зоне конденсации влаги.

3.3. Анализ механизма одностадийной химической активации бентонитов.

Выводы.

Глава 4. Исследование механизма. двухстадийной активации бентонитов и ее влияние на прочность формовочных смесей в зоне конденсации влаги.

4.1. Влияние фосфатов и комплексообразующих соединений на физико-механические свойства глинистых связующих.

4.2. Исследование физико-химических параметров двухстадийной активации бентонитов.

4.2.1. Влияние кислотности среды (рН).

4.2.2. Влияние времени перемешивания бентонита на первой стадии активации.

4.2.3. Влияние последовательности введения активаторов и их концентрации.

4.3. Исследование влияния состава и свойств комплексообразующих соединений на прочность формовочной смеси в зоне конденсации влаги.

4.4. Исследование процесса изменения состава обменного комплекса при двухстадийной активации бентонитов и его влияния на прочность формовочной смеси в зоне конденсации влаги.

4.5. Механизм формирования прочности формовочной смеси в зоне конденсации влаги при двухстадийной активации бентонитов.

Выводы.

Глава 5. Технологические основы применения и производства активированных бентонитов.

5.1. Анализ эффективности активации отечественных бентонитов.

5.2. Разработка оптимального техпроцесса двухстадийной активации бентонита.

5.3. Сравнительные испытания двухстадийно активированного бентонита при заливке технологических проб.

5.4. Внедрение техпроцесса активации Тарн-Варского бентонита наКЗКГ.

Выводы.

В настоящее время большая часть машиностроительных отливок получается методом литья в разовые песчано-глинистые формы.

В связи с широким распространением автоматических формовочных линий резко повысились требования к качеству формовочных смесей. Для обеспечения требуемого качества литейных форм, предотвращения поверхностных дефектов отливок необходим высокий уровень прочностных и технологических свойств формовочной смеси.

Одним из основных свойств является прочность смеси в зоне конденсации влаги (ПЗК), обеспечивающая предотвращение ужимин, повышение размерной и весовой точности отливок, предотвращение разрушения форм в опоках без крестовин при заливке металлом.

Формовочные смеси также должны обладать высокой прочностью при сжатии в сыром состоянии, термической устойчивостью, обеспечивать сохранение геометрии формы и отливки, а также обладать низкой остаточной прочностью (обеспечивающей выбиваемость смеси).

Высокие значения ПЗК могут быть получены при применении в составе формовочной смеси высококачественных натриевых и активированных бентонитов.

Месторождения натриевых бентонитов на территории России отсутствуют, а использование импортных природно- или искусственно активированных бентонитов чрезвычайно дорого.

Используемые в настоящее время методы активации большинства отечественных бентонитов не позволяют повысить их свойства до уровня, необходимого для производства литья на современных АФЛ, поэтому целесообразно на основе более подробного изучения процессов, протекающих в бентоните при его активации, разработать технологию, которая позволила бы получить на основе отечественных бентонитов высококачественный связующий материал, отвечающий технологическим требованиям к бентонитам для высокопрочных формовочных смесей.

Таким образом, целью работы является повышение ПЗК формовочных смесей путем оптимальной активации, и обеспечение за счет этого возможности использования отечественных бентонитов в современном литейном производстве.

Исследования механизма активации выполнены на образцах бентонитов -представительных пробах, полученных от геологических экспедиций, а также на пробах Дашуковского, Черногорского, Греческого, Тарн-Варского и других бентонитов, представляющих собой промпродукт, отобранный в действующем производстве.

Гпава 1. Зона конденсации влаги и ее роль в формировании качества литейных форм и отливок.

Выводы.

1. В результате двухстадийной активации ПЗК большинства российских бентонитов возрастает до уровня, необходимого при использовании бентонитов в составе формовочных смесей для АФЛ.

2. Оптимальным способом проведения активации является обработка бентонита в состоянии пасты при влажности приблизительно 30%.

3. Использование в составе формовочной смеси двухстадийно активированного бентонита позволяет увеличить стойкость к образованию ужимин по сравнению с неактивированным и одностадийно активированным бентонитом.

Заключение.

1. Используемый в настоящее время метод одностадийной активации не позволяет достичь высоких значений предела прочности при разрыве в зоне конденсации влаги (ПЗК) для бентонитов с низким содержанием монтмориллонита и суммой обменного комплекса, к которым относится большинство бентонитов России.

2. С целью повышения ПЗК бентонитов с низким содержанием монтмориллонита предложен и исследован механизм их двухстадийной активации. Показано, что в этом случае вводимые на второй стадии активаторы образуют комплексные соединения с катионами металлов обменного комплекса и кристаллической решетки бентонита. Увеличение ПЗК достигается за счет дополнительного связывания этими соединениями диполей свободной воды.

3. Активация указанным способом позволяет повысить ПЗК формовочных смесей на 25-30% по сравнению с одностадийной активацией. Двухстадийная активация позволяет повысить ПЗК таких бентонитов, как Татарский, Зыряновский, Воронежский и др. до уровня, приближающегося к высокосвязующим бентонитам, что позволяет использовать их в составе смесей для АФЛ.

4. При двухстадийной активации первый активатор должен обеспечивать создание оптимального рН среды для осуществления реакции комплексообразования. Максимальные значения ПЗК достигаются при проведении второй стадии активации при рН=9,75-9,85, что достигается введением 1,0-2,5 % кальцинированной соды или едкого натра, т.е. в 1,5-2 раза меньше, чем при одностадийной активации.

5. При проведении двухстадийной активации бентонита оптимальное время перемешивания на первой стадии должно составлять 3-4 минуты, на второй стадии - 3-5 минут. Максимальные значения ПЗК при двухстадийной активации достигаются только при последовательном введении активаторов и перемешивании в течение указанного времени.

6. Максимально эффективными активаторами на второй стадии активации являются комплексообразующие соединения - алкилен- и полиалкилен фосфоновые кислоты и моноаминные комплексоны, содержащие от 2 до 5 фосфоновых групп, а также триполифосфата натрия.

7. Разработаны новые методы контроля процесса активации бентонита: определение содержания растворимого натрия в бентоните и определения термической устойчивости активированных бентонитов.

8. Оптимальная технология активации бентонита внедрена на Казанском заводе керамзитового гравия.

1. Кваша Ф.С. «Исследование механизма и способов предотвращения ужимич на чугунных отливках, получаемых в сырых формах», диссертация, Москва, 1964.

2. Трухов А.П. «Теплообмен отливок с формой», Москва, 1970, 51-54.

3. Тринчер В.К., Трухов А.П., «Термическое расширение сырой, формы как расширение растущей сухой корки».

4. Вольмир А.С. «Устойчивость упругих систем», Физматгиз, М, 1963.

5. Patterson W., Boenisch D, "Giesserei", 1961, 48, N 4.

6. Кваша Ф.С., Таланов П.И., «Условия образования ужимин», Литейное производство, N 10, 1965, с . 32-34.

7. Таланов П.И., Кваша Ф.С., Медведев Я.И. «Литейное производство», 1964, N 11.

8. Мерабишвили М.С. «Бентонитовые глины», Тбилиси, 1979.

9. Гримм Р. «Минералогия и практическое использование глин», «Мир», Москва, 1967, с. 225-232.

10. Ю.Берг П.П. «Качество литейной формы», «Машиностроение», М.,1971, с. 167.

11. Уоррел У. «Глины и керамическое сырье», «Мир», Москва, 1978.

12. Наседкин В.В., Кваша Ф.С., Стаханов В.В. «Бентонит в промышленности России», «ГЕОС», Москва, 2001.

13. Boenisch D. Casting surfaces improved by water desalination, Giesserei, 1979, 66, N11,334-344.

14. Norrish K., Manner of Swelling of Montmorillonite, "Nature", 173, 1954, 256257.

15. Smiernow G. A., Doheny E.L., Kay J.G. Bonding Mechanisms in Sand Aggregates, "Trans. Amer. Foundrymens Soc. Proc. 84th Annu. Meet. St. Lous, Miss. 1980. Vol. 88." Des Plaines, III, 1980, 659-682.

16. Влияние катионов и анионов на мокрую прочность литейных формовочных смесей с глинистым связующим, "Giesserei", 1964, 14, 2, 117-125.

17. Brummer G., Moosburg, "Aktivierung, Desaktivierung und K+-Fixierung", "Giesserei", 83,1996, 18, 22-26.18. «Формовочные материалы и технология литейной формы» (справочник), под ред. Жуковского С.С., «Машиностроение», Москва, 1993, с.28-33.

18. Петров В.П. «Сырьевая база бентонитов СССР и их использование в народном хозяйстве», «Недра», Москва, 1972, с. 195.

19. Ефимов А.И. и др., «Свойства неорганических соединений», справочник, «Химия», Ленинград, 1983.20.0вчаренко Ф.Д. «Гидрофильность глин и глинистых минералов», изд-во АН УССР, Киев, 1961, с. 126-128.

20. Уоррел У. «Глины и керамическое сырье», «Мир», Москва, 1978, 105-107, 110-116.

21. Грей Дж.Р., Дарли Г.С.Г. «Состав и свойства буровых агентов», «Недра», Москва, 1985.

22. Гуменский Б.М. «Основы физико-химии глинистых грунтов и их использование в строительстве», «Стройиздат», 1965.

23. Мдивнишвили О.М., Виноградов Г.В. «Коллоидный журнал», т.ХХ, вып. 5, 1958.

24. Сафронов В.А., Кузьмин Н.Н., Титова И.А. «Новые процессы производства и применения бентонитовых связующих в формовочных смесях для массового производства отливок», 55-й международный конгресс литейщиков, техническое сообщение, Москва, сент. 1988.

25. Сафронов В.А., Титова И.А. «О целенаправленном регулировании свойств природных бентонитов для формовочных смесей».

26. А.с. 1337182 (СССР), Активирующая добавка для формовочных смесей, 1987.

27. А.с. 1468643 (СССР), 1989.

28. ЗЗ.Одарченко И.Б. «Перспективные направления активации бентонитов», «Металлургия и литейное производство», Сб. научн. трудов Белорусской ассоциации литейщиков, Минск, 1997, с. 65-67.

29. Alther G.R. Low Grade \>entonites Improved by Chemical Activation and Compaction, Mining Engineering, 1983, September, 1312-1314.

30. Сафронов В. А., Кузьмин H.H., Отрошенко Э.Л., «Активированный бентонит», Литейное производство, 1989, N 4, с. 8-9.

31. А.с. 1294788 (СССР), Способ активации щелочно-земельных бентонитов, 1987.

32. А.с. 1742265 (СССР), Способ активации бентонитов, 1992.

33. Кваша Ф.С., Туманова Л.П. «Литейное производство», 1996, 6, с.11-12.

34. Кваша Ф.С., Аксенов П.Н, Леснов В.Н., Трухов А.П., Туманова Л.П. «Разработка единых формовочных смесей для автоматических линий», МАМИ, Сборн. научн. тр. посвящ. 50-летию автомоб. пром-ти, вып.5, Москва, 1976. I

35. Берг П.П., Хинчин А.С. Зависимость теплофизических констант формовочной смеси от температуры. «Инженерно-физический журнал», 1960, т. III, N3.

36. Шупов Л.П. «Прикладные математические методы в обогащении полезных ископаемых», «Недра», Москва, 1972.

37. Шенк X. «Теория инженерного эксперимента», «Мир», Москва, 1972, с.241-266.

38. Сафронов В.А., Титова И.А. и др. «Реалогические свойства бентонитовых суспензий для формовочных смесей», Литейное производство, 1989, N 5, с. 9-11.

39. Murton А.Е., Tests of activation of clays and the effect of activation on casting quality, Modern casting, 1970, t. 57, N5.

40. Квирикашвили В.Л. «О действии карбоната и пирофосфата натрия на суспензии глин», «Коллоидный журнал», 1954, t.XYI, N 6, с. 442-446.

41. Руди В.П., Мандельэйль "Влияние полифосфатов на глинистые суспензии", "Коллоидный журнал", 1961,т. XXIII, N 2, с. 190-193.

42. Кистер Э.Г. «Химическая обработка буровых растворов», «Недра», Москва, 1972.

43. Продан Е.А., Продан Л.И., Ермоленко Н.Ф. «Триполифосфаты и их применение», «Наука и техника», Минск, 1969, с.50,99,109.

44. Гринберг А.А. «Введение в химию комплексных соединений», «Химия», Москва-Ленинград, 1966.

45. Гликина Ф.Б., Ключников Н.Г. «Химия комплексных соединений», Москва, 1982.

46. Лимановский В.М., Масюкова И.А., Гарьян С. А. (ВНИИКрнефть), «Нефтяное хозяйство», 4985, N 12, с. 17-19.

47. Москвин В.Д., Люшин С.Ф., Дытюк Л.Т. «Использование комплексонов в нефтедобывающей промышленности», ЖВХО им. Менделеева, t.XXIX, 3, 1984.

48. Люшин С.Ф., Галеева Г.В., Рудомино М.В. «Изыскание и разработка рецептур реагентов ингибиторов солеотложения на базе химпродуктов отечественного производства», тр. БашНИПИНефть, Уфа, 1983, вып. 66.

49. А.с. N 1424216 (СССР), Состав суспензии для формовочных смесей, Петров Б.Н., Титова И.А., Жуковский С.С., 05.12.86.

50. А.с. N 1478484 (СССР), Состав суспензии для формовочных смесей, Титова И.А., Петров Б.Н.

51. А.с. N 900925 (СССР), Смесь для изготовления литейных форм, Вишняков Х.И., Лимонова А.А.

52. А.с. N 827239 (СССР), Глинистая суспензия для формовочных и стержневых смесей, Решетов В.Т., Валисовский И.В.

53. Кабачник М.И., Дятлова Н.М., Медведь Т.Я. «Новые комплексообразующие реагенты фосфороорганические комплексоны», ЖВХО им. Менделеева, т. XIII, N5, 1968.

54. Яцимирский К.Б., Васильев В.П. «Константы нестойкости комплексных соединений», Москва, АН СССР, 1959.123

55. Саламатов М.А., Калашников В.Н., Фролов С.Г. «Физико-механические основы процесса механоактивации», Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердых полезных ископаемых», тематич. сборник, Екатеринбург, 1997, с.46-49.

56. Boenisch D., Patterson W. Discussion of the scabbing tendencies of green sand,

57. The british foundryman, November, 1967, 438-440.

58. Уравнения зависимостей прочности при разрыве в зоне конденсации влаги от количества активаторов приодностадийной активации.