автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Осаждение жидких связующих на поверхность формовочного песка

На правах рукописи 003450469

БУРДАКОВ Кирилл Анатольевич

ОСАЖДЕНИЕ ЖИДКИХ СВЯЗУЮЩИХ НА ПОВЕРХНОСТЬ ФОРМОВОЧНОГО ПЕСКА

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

, о онт да

Екатеринбург - 2008

003450469

Работа выполнена на кафедре "Автоматизация технологий литейного производства" Нижнетагильского технологического института филиала ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор ГРУЗМАН В. М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ЧУРКИН Б. С.

кандидат технических наук, РЕНЖИНИ. П.

Ведущая организация: ОАО НТК " Уралвагонзавод"

(г. Нижний Тагил)

Защита состоится «17» ноября 2008 г. в «15.00» часов на заседании диссертационного совета Д 212.285.05 при ГОУ ВПО "УГТУ - УПИ", в ауд. I (зал Ученого совета). Ваш отзыв в одном экземпляре, скрепленный гербовой печатью, просим направить по адресу 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира 19, УГТУ-УПИ, ученому секретарю совета.

Факс (343)374-38-84

Адрес г. Екатеринбург, ул. Мира 19

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ".

Автореферат разослан «_[£у> октября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

УЕЛОВ С. В.

\

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время одним из основных источников экологических и экономических проблем бурно развивающегося литейного производства является связующая композиция формовочной смеси. Это обстоятельство особенно остро ставит проблему существенного снижения расхода связующего. Работы по снижению расхода связующего велись всегда, но они были связаны в основном с изменением состава смеси. Кроме того, интенсивно совершенствовалось оборудование для приготовления формовочных смесей. Единственное, что осталось неизменным - это принцип механического смешивания компонентов смеси. Вопрос рационального приготовления смеси в подобных условиях достаточно изучен. В частности, природа механического перемешивания содержит ограничения по равномерности распределения малого количества связующего на поверхности зерен песка. Исходя из этого, решение современной проблемы снижения расхода связующих материалов при сохранении высоких физико-механических свойств формовочных и стержневых смесей является актуальным.

Цель работы — разработка способов приготовления формовочных и стержневых смесей методом осаждения связующего, позволяющих существенно снизить его расход. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследование прочностных свойств тонких пленок осажденных связующих; выявление основных факторов, существенно влияющих на прочность этих плёнок.

2. Исследование процессов и разработка технологий приготовления формовочных смесей путем осаждения связующих в кипящем слое на поверхность полидисперсного материала.

Научная новизна. Выполненные исследования позволили получить следующие результаты:

1. Предложен новый способ приготовления формовочных смесей методом осаждения связующего на поверхность наполнителя.

2. Установлены условия осаждения изученных связующих на поверхность зерен песка, снижающие его расход при сохранении прочностных свойств смеси.

3. Предложен метод оценки непосредственного влияния толщины осажденных прослоек связующего на прочность сцепления частей кварца.

4. Установлены оптимальные условия осаждения изученных связующих материалов на поверхность кварца, обеспечивающих максимальную прочность склейки.

5. На основе анализа современных научных представлений и проведенных экспериментов создана система требований к эффективной организации процесса осаждения связующего, обеспечивающая получение равномерного распределения его в структуре формовочных смесей.

Практическое значение. Для реализации нового способа приготовления формовочных смесей путем осаждения связующего разработана, изготовлена и апробирована специальная технология и установка кипящего слоя, позволяющая снизить расход связующего материала и, как следствие, снизить экологическое давление на окружающую среду. Получен патент № 2281831 РФ на этот способ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Для обеспечения качественного приготовления смеси в кипящем слое для замороженных форм необходимо реализовать условия, при которых температура ожижающего агента должна быть в пределах 5-15 °С.

2. При организации приготовления смеси в кипящем слое необходимо ограничивать его толщину для предупреждения сегрегации зерен песка и, соответственно, опасности исключения из процесса осаждения мелкодисперсной составляющей. Для крупного формовочного песка (средний диаметр зерна 0,315 мм) эта толщина составляет 10 мм.

3. Зависимость прочности склейки от толщины осажденной прослойки носит нелинейный характер. Значения прочности склейки в области «тонких» пленок (4-10 мкм) достигают уровня прочности в области «толстых» пленок (20-30 мкм).

Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Материалы доложены на 4-й Всероссийской научно-практической конференции, г. С. Петербург, 2003; на конференции «Проблемы металлургии, механики и машиностроения», г. Екатеринбург, 2002; на научно-технической конференции «Экологические проблемы промышленного района», г. Н. Тагил. 2002; на ежегодной отчетной конференции молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ, г. Екатеринбург, 2003; на конференции «Наука и производство: опыт и перспективы развития», г. Н. Тагил, 2004; на международной конференции литейного производства Польской Академии Наук, г. Краков, 2003; на международной конференции «Исследования и достижения в Литейном производстве» в Остраве, Чехия, 2005.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержание работы изложено на 110 страницах машинописного текста и включает 30 рисунков и 57 таблиц, а также библиографический список из 125 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность темы диссертационной работы, дана ее общая характеристика, указаны цели и задачи диссертации, показана научная новизна и практическая значимость исследования.

В первой главе приведен анализ имеющихся в литературе сведений о структуре дисперсных и, в частности, формовочных материалов. Во всех проанализированных работах по литейному производству структура формовочных смесей рассматривается как результат механического перемешивания песка со связующим, другими словами, происходит «размазывание» связующего по поверхности формовочного песка. Анализ структур, полученных методом осаждения, не рассматривается. Большое внимание уделяется механизму формирования и потери прочности формовочных смесей, влиянию на эти процессы толщины пленок связующего. Однако совершенно не рассматривается влияние ау-тогезии на прочность пленок, и отсутствуют данные о влиянии на нее осажденных пленок с толщиной меньше 4 мкм. В то же время, в работах по коллоидной химии и технологии применения тонких пленок показана возможность увеличения прочности склейки за счет аутогезии, а также возможность осаждения пленок с толщиной меньше 4 мкм.

На основе анализа современного состояния вопроса в первой главе сформулированы основные задачи исследования, которые приведены выше.

Вторая глава посвящена исследованию влияния условий осаждения тонких пленок на их прочность, а также исследованию процессов осаждения с фазовым переходом воды на поверхности зерен песка в кипящем слое.

Моделирование процессов осаждения связующего и исследование влияния толщины его пленок на прочность целесообразно проводить не на зернах песка, а на макрообразцах кварца. Для чего была разработана методика осажде-

ния связующих на макрообразцы кварца с последующим определением прочности их сцепления. Реализация методики представлена на схеме (рис. 1).

Напыление

А з

О <=

Восьмерки

О,

О

Конденсация

к 5 Печь

3

(Ф О :Ф-\

Разрыв образцов

ш

Зажимное устройство

ДО

6

а

Аналитические весы

Рис. 1. Методика испытания пленок связующего В работе для измерения толщины пленки использован гравиметрический

метод, широко применяемый в электротехнической промышленности. Метод позволяет измерить среднюю толщину пленки с точностью, достаточной для данной работы. Если подложка очень гладкая и имеет простую геометрию, погрешность подсчета площади составляет всего лишь порядка ± 1 %. При этом

погрешность взвешивания порядка ± 1 мг позволяет определить толщину от 0,1 мкм.

В качестве подложки осаждения использованы половинки из цельного куска кристаллического кварца, аналогичные восьмерке для испытания прочности на разрыв формовочной смеси. Рабочие поверхности половинок притерты друг к другу, а их площадь составила 4 см2 каждая.

Установлено, что зависимость прочности пленки от ее толщины носит нелинейный характер. В области «тонких» пленок (2-10 мкм) наблюдается одинаковая прочность с прочностью в области «толстых» пленок (20-30 мкм).

Априори известно, что псевдоожижение присуще сухим сыпучим материалам. Присутствие влаги мешает реализации этого процесса. Были исследованы условия для образования твердого слоя воды на поверхности кварца из влажного воздуха. Для склеивания полученной твердой фазы использована микроволновая печь. Здесь, как известно, происходит нагрев только воды, подложка остается холодной. При этом существует возможность кратковременного оттаивания льда.

Обзор литературы, посвященной процессам конденсации тонких пленок, показал, что толщина пленки зависит от начальной температуры подложки, времени осаждения и концентрации осаждаемого вещества в рабочей среде, исходя из чего, отобраны варьируемые факторы (табл. 1).

Таблица 1

Уровни варьируемых факторов

Название Температура подложки Влажность воздуха Время осаждения

Величина Т Ф т

Единица измерения К % с

Нижний уровень 203 50 10

Верхний уровень 237 90 20

Среднее значение 220 70 15

Интервал варьирования 17 20 5

Интервалы варьирования определены из практических соображений. Для температуры подложки выбраны наиболее распространенные уровни замораживания, интервал варьирования влажности, его верхний и нижний уровни ограничивались лабораторным оборудованием, а нижний уровень времени осаждения диктовался процессом получения сплошной пленки, верхний уровень -процессом ее стаивания. Осаждение производилось при температуре окружающего воздуха 20 °С. При этом на поверхности кварцевых образцов наблюдалось образование инея.

Было исследовано влияние этих факторов на прочность а (МПа) и толщину пленки Н (мкм):

а = 8,86 - 0,039Г- 0,05567<р - 0,22277т + 0,00027Г<р + 0,000957т, Я= 11,05373-0,051477' + 0,375т.

Исследование полученных зависимостей показало существование одинакового уровня прочности (0,56 МПа) у плёнок с разной толщиной (4,38 мкм и 6,32 мкм) при разных условиях осаждения (табл. 2). Проверка адекватности полученных уравнений дает удовлетворительное схождение экспериментальных и расчетных данных.

Таблица 2

Результаты поиска оптимальных условий процесса осаждения

Замораживание

Глубокое Среднее

а Мах Мах

§ Т> 203 220

о в Т< 238 238

>> 4) <Р> 50 50

¿1 Ф< 100 100

К я т> 10 10

& т< 20 20

Н> 1 1

Т 203 238

<и к Ф 90 100

и т 10 20

<и О* с 0,56 0,56

Я 4,38 6,32

Найдена возможность получения прочности пленок при толщинах меньше 4 мкм, равной прочности пленок, получаемых при традиционных толщинах (20-30 мкм).

Предварительные эксперименты с осаждением воды в жидком состоянии на зерна песка в кипящем слое показали прекращение кипения песка с 0,5... 1,0 % влажности, что недостаточно для обеспечения требуемой прочности замороженных форм. Поэтому были исследованы условия осаждения на поверхности песка твердой пленки воды, что снимает ограничения по содержанию влаги в такой смеси и создает возможность повышения ее прочности.

Сухой формовочный песок охлаждался до возможного уровня замораживания (-70 °С) и переводился в псевдоожиженное состояние влажным (94 %) воздухом (+20 °С). Затем через 5 с охлаждался снова до заданной температуры, и процедура повторялась. Параллельно замерялась влажность смеси: после первого цикла влажность составила 0,3 %, после второго - 0,5 %, а в последующих циклах стабилизировалась на этом уровне. Эта стабилизация влажности возни-

кает из-за того, что в процессе очередного замораживания смеси происходит ее сублимационная сушка, поэтому чтобы преодолеть этот эффект стабилизации, необходимо за один цикл больше осаждать влаги на поверхность песка. Аналогичные опыты при температуре воздуха + 15 °С и его влажности 94 % показали, что после первого цикла (5 с) влажность смеси составила 0,6 %, после второго -0,9 %, после третьего - 1,3 % и росла при последующих циклах. Дальнейшее понижение температуры воздуха до 0 °С при влажности воздуха 94 % показало, что осаждение влаги на песок практически отсутствует. Поэтому наиболее подходящей температурой влажного (94 %) воздуха, подаваемого в слой, должна быть 5-15 °С.

В кипящем слое при увеличении его толщины неизбежна сегрегация песка по размерам зерен. Определение гранулометрического состава проб песка, взятых на разных уровнях кипящего слоя, показало равномерность этого состава при высоте слоя в среднем не более 10 мм.

Схема процесса осаждения пленок инея на поверхность формовочного песка в кипящем слое выглядит следующим образом. Ожижающий агент представляет собой паровоздушную смесь, которая подается в кипящий слой при температуре 5-15 °С и относительной влажности более 94 %. Осаждение инея идет из этой парогазовой смеси. Эксперименты показывают, что температура газа в кипящем слое по мере удаления от газораспределительной решетки уменьшается по экспоненциальному закону. Причем температура газа резко меняется лишь в прирешеточной зоне, толщина которой составляет не больше 10 диаметров частиц (по данным А. П. Баскакова), а на всей остальной высоте температура газа практически одинакова. Процесс массообмена также завершается в прирешеточной области с завершением теплообмена. Скорость кристаллизации (0,02-10 см/с) при переохлаждении воды существенно выше скорости ее конденсации (4,4x10'6 см/с) и, следовательно, вся осажденная вода мгновенно кристаллизуется на поверхности кварца, создавая визуальную иллюзию аб-лимации.

Из вышесказанного следует, что на процесс осаждения, а в итоге и на влажность песка, влияет: начальная температура песка Тв0; температура ожи-жающего агента T¿, конечная температура песка Т0, по изменению которой косвенно определялось время осаждения инея; высота кипящего слоя Н. Остальные параметры при заданном диаметре песчинки можно принять постоянными.

Исследования выполнялись на установке, представленной на рис. 2. Охлажденный до заданной температуры Г3 песок загружался в агрегат кипящего слоя. Туда же подавался подготовленный в теплообменнике воздух с постоянной температурой Гт и влажностью около насыщения (более 94 %). Скорость подачи "и>кр ожижающего воздуха не должна выходить за пределы интервала 0,43-0,46 м/с. Процесс осаждения ведет к нагреву песка и, соответственно, повышению со временем температуры отходящих газов. Процесс кипения-осаждения был прекращен после достижения заданного конечного значения температуры Готх отходящих газов. Готовая смесь выгружалась из аппарата, и производился замер ее влагосодержания.

Аналитическое описание физической картины осаждения связующего в кипящем слое применительно к установке (рис. 2) затруднительно.

Рис. 2. Установка кипящего слоя

1 - Воздухонагнетатель

2 - Система трубопроводов

3 - Распределительный кран

4 - Агрегат кипящего слоя

5 - Холодильная камера

6 - Теплообменник

Поэтому для исследования влияния физических факторов был применен метод планирования эксперимента (табл. 3).

Таблица 3

Варьируемые факторы

Название Температура отходящего газа Температура подходящего газа Толщина слоя Скорость потока газа Температура песка

Обозначение То Тг Я

Единица измерения К К мм м/с К

Нижний уровень 263 278 5 0,4 203

Верхний уровень 273 283 10 0,46 237

Среднее значение 268 280,5 7,5 0,43 220

Интервал варьирования 5 2,5 2,5 0,03 17

Уровни варьирования: Т0 выбрана в интервале возможного начала таянья льда с учетом градиента температур по высоте кипящего слоя; Т% — из ранее установленного интервала 5-15 °С, Я - из условий предупреждения сегрегации песка; Т$ - из возможностей максимального охлаждения песка доступными жидкими хладагентами.

Получена адекватная зависимость массы конденсата от этих факторов:

М = - 6159,6 + 23,32Гв+ 21,8159Гг+ 1.57135Я + + 112,7833и"кр + 26,5417; - 0,420837>кр - 0,082597„Гг -- 0,094627^7; - 0,00577^2 - 0,10065 Т0Т, + 0,0003597^7;,

где М - процентное содержание осажденной воды в песке.

Прибавка влажности за один цикл при устойчивом процессе кипения составила 0,94 %. Для получения большей влажности необходимо повторение цикла осаждения.

Результаты исследования процесса осаждения воды на поверхность зерен песка в кипящем слое позволяют сделать следующие выводы:

1. Из полученной зависимости влажности смеси от параметров кипящего слоя установлено, что наибольшее влияние оказывает скорость ожижения кипящего слоя.

2. Непрерывным осаждением инея в кипящем слое практически невозможно получить влажность более 1 %. Для получения влажности выше 1 % необходимо применение прерывистого осаждения, чередующегося с периодическим охлаждением.

Третья глава посвящена напылению водного литейного связующего на поверхность кварцевого песка. В качестве распыляемого агента выбран лиг-носульфонат технический (ЛСТ) ТУ 13-0281036-029-94 марки А. На сегодня ЛСТ - одно из самых распространенных дешевых водных связующих.

Прочность тонких напыленных пленок связующего исследовалась с помощью вышепредставленной методики (см. рис. 1). При этом распыление ЛСТ велось при помощи форсунок под давлением 3 ат., расход связующего составил 0,25 г/с, а дисперсность его капель 1-5 мкм.

При напылении на поверхности кварца наблюдались дискретные и непрерывные пленки (рис. 3). Границей осаждения определили 7,75-9,00 мг/см2. До 7,75 мг/см2 осаждение дискретное, после 9,00 мг/см2 - непрерывное. Результаты испытаний представлены на рис. 3, 4.

Чистая поверхность Дискретное Непрерывное

Рис. 3. Виды осаждения

<т, МПа

1,6

1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

/

/

/

2,5

7,5

О, МПа 1,6

1,4

1,2

1,0

0,8 •

0,6 •

0,4 ■

0,2 •

0 • 8,75 10

X

12,5

15 17,5 ш, мг/см2

Рис. 4. Влияние количества связующего на прочность Исследование процесса напыления производилось на установке (рис. 5), состоящей из воздухонагнетателя 5, подающего воздух в агрегат кипящего слоя 4, и распылителя 3 с компрессором высокого давления 1. Распыление велось сверху над кипящим слоем с целью обеспечения высокой производительности. Скорость псевдоожижения менялась в интервале 0,41...0,45 м/с. Расход связующего при распылении составил 0,25 г/с.

Рис. 5. Схема установки приготовления смеси в кипящем слое: 1 - компрессор; 2 - баллон со связующим; 3 - распылитель; 4 - аппарат кипящего слоя; 5 - воздухонагнетатель; 6 - система трубопроводов

Работа на установке осуществляется следующим образом: песок засыпается в аппарат кипящего слоя 4, затем воздухонагнетателем 5 воздух по трубопроводу 6 подается к аппарату 4, где начинается процесс кипения песка. Компрессором 1 создается давление в баллоне со связующим 2. При помощи распылителя 3 связующее осаждается в кипящем слое песка.

В результате анализа литературных источников в качестве факторов были выбраны скорость ожижающего воздуха, дисперсность связующего, время напыления, толщина слоя (табл. 4). Уровни варьирования: скорости воздуха выбирались из соображений предупреждения уноса мелкой фракции; дисперсности капель определялись возможностями лабораторного оборудования; время нанесения связующего ограничивалось устойчивостью кипящего слоя; толщины слоя диктовались предупреждением сегрегации.

Таблица 4

Факторы, влияющие на удельную прочность смеси

Скорость Дисперсность Время Толщина слоя

Название потока ожиже- капель напьиения смеси

ния связующего связующего

Обозначение V Л т Я

Ед. изм. м/с мкм с мм

Ниж.уров. 0,41 3 4 3

Верх.уров. 0,43 9 9

Сред.зн. 0,45 6 6 6

Инт.вар. 0,02 3 2 3

Получены зависимости удельной прочности с (МПа/%) и равномерности

распределения связующего от этих факторов К.

а =2,403 -4,135 К- 0,474 0,056 т- 1,091 Я + + 1,122 У й- 0,206 Ут + 2,494 УН + 0,034 (1-е + 0,145 </Я + +0,125 т Я-0,086 У 4 т-0,343 У(1Н-0,284 УхН-

- 0,020 </т Я +0,047 У(1тН Л" =-040,715 + 100,25 У+ 7,022 </+ 4,742 т + 6,323 Я--16,708 Vй- 11,5 Ут- 15,083 УН-0,797 ¿т - 1,054 йН--0,797 тЯ + 1,917 У(1х + 2,514 У(1Н+ 1,917 УхН+ + 0,133 </т Я-0,319 Ус!хН

С учетом наличия явления сегрегации в кипящем слое возникает проблема равномерного распределения связующего между мелкими и крупными фракциями, которая, в конечном счете, будет определять и прочность смеси. Для оценки равномерности К этого распределения связующего использован следующий метод, включающий в себя:

1. Рассеивание смеси на две фракции через сито среднего диаметра песка 0,32 мм.

2. Прокаливание отдельных фракций и определение % потерь по массе.

3. Нахождение соотношения потерь по массе в % мелкой фракции к крупной.

Полученные зависимости показали, что определяющей является толщина слоя песка в кипящем слое и скорость ожижающего газа. Проверка адекватности при увеличенном плане эксперимента показала удовлетворительное схождение экспериментальных и расчетных данных.

В результате исследования процесса напыления связующего установлена принципиальная возможность нанесения водного органического связующего в кипящем слое на поверхность зерен песка. Установлены оптимальные условия для получения наилучшей удельной прочности (0,52 МПа) на пилотной установке: скорость ожижения 0,45 м/с; средняя дисперсность связующего 3 мкм; толщина слоя смеси 9 мм

Четвертая глава посвящена сравнительным практическим испытаниям предложенных методов получения формовочных смесей путем осаждения и традиционных методов, основанных на механическом перемешивании.

После получения инея на поверхности песка смесь насыпают в форму и уплотняют вибрацией. Полученный образец помещают в микроволновую печь для получения необходимой начальной прочности смеси. Затем образцы дополнительно охлаждают при температуре -35 °С. Установлено существенное увеличение прочности замороженных смесей при малом содержании воды. При

влажности 2 % прочность замороженной смеси в 2 раза превышает прочность такой же смеси, полученной механическим перемешиванием (рис. 6).

0,4

I 0,35

| 0,3

I 0,25 с

0,2 0,15 0,1 0,05 О

Рис. 6. Результаты сравнительного испытания прочности смесей, приготовленных путем осаждения и механического перемешивания После напыления пленок ЛСТ на песок в кипящем слое влажность смеси составляет менее 0,5 %. Для увлажнения смесь продувают паром до влажности 3-4 %. Далее готовят образцы для испытания на прочность, уплотняя смесь вибрацией. Отверждение идет при 180 °С. При оптимальном режиме напыления в кипящем слое, как и следовало ожидать, лучшей равномерности соответствует большая прочность. При малом содержании связующего в смеси, оно более равномерно распределяется в кипящем слое, чем в бегунах. На рис. 7. представлены фотографии (число светлых пикселей определено в %), полученные сканированием 3,8 г формовочной смеси, отожженной при температуре 300 °С. Толщина сканируемого слоя 5 мм.

2 % воды

2 % воды

•- -•- А • 1 иплы А

А • -•- -•-•

1 % воды

1 2 3 4 5

Номер эксперимента

• Смесь, приготовленная в смесителе а Смесь, приготовленная в кипящем слое

а б в г

Рис. 7. Структура смесей, приготовленных: а - в смесителе с 3 % ЛСТ и сухой прочностью 0,30 МПа; б - в смесителе с 1,7 % ЛСТ и сухой прочностью 0,16 МПа; в - в кипящем слое с 3 % ЛСТ и сухой прочностью 0,47 МПа; г - в кипяшем слое с 1,5 % ЛСТ и сухой прочностью 0,23 МПа.

Использование кипящего слоя требует распыления всех вносимых в смесь компонентов. Для некоторых из них (например, глины) это невозможно. Более универсальным методом в данном случае является совмещение смешивания и напыления. В этом случае макрораспределение связующего в лопастных смесителях улучшается, и происходит сокращение времени приготовления, за счет чего не снижается связующая способность пленкообразующего, наблюдаемая при длительном перемешивании.

Для практического испытания была взята смесь: песок Кичигинский -100 %, ЛСТ ТУ 13-0281036-029-94 марки А - 6 %, глина Нижне-Увельская - 4 %, опил - 1 %.

В производственных условиях смесь готовят следующим образом: песок с глиной загружают в смеситель РМ-200 и мешают 1 мин., затем добавляют ЛСТ и мешают 3 мин., в конце вводят опил, и еще мешают 1 мин.

При апробировании метода напыления ЛСТ требуемое количество связующего наносили в кипящем слое и загружали в смеситель уже плакированный связующим песок. Необходимую влажность смеси регулировали внесением воды пульверизатором одновременно с началом 2 стадии перемешивания, за счет чего она сокращалась с 3 мин. до 1 мин. В результате было получено ста-

тистически значимое' увеличение на 70 % газопроницаемости, на 22 % сырой прочности и на 30 % сухой прочности (табл. 5, 6).

Таблица 5

Смешивание и напыление

№ опыта Влажность, % Газопроницаемость, ед. Сырая прочность, МПа Сухая прочность, МПа

1 4,0 341 0,010 0,51-0,53

2 3,8 326 0,011 0,75-0,80

3 3,5 341 0,011 0,73-0,75

4 3,5 376 0,011 0,72-0,72

5 3,5 341 0,012 0,68-0,69

6 3,2 417 0,011 0,57-0,67

Среднее значение 3,6 357 0,011 0,66-0,69

Таблица 6

Смешивание

№ опыта Влажность, % Газопроницаемость, ед. Сырая прочность, МПа Сухая прочность, МПа

1 3,3 215 0,006-0,008 0,43-0,46

2 3,8 202 0,005-0,008 0,39-0,44

3 4,8 120 0,008-0,009 0,62-0,65

4 3,7 375 0,010-0,012 0,51-0,56

5 4,3 128 0,009-0,012 0,56-0,61

Среднее значение 4,0 208 0,008-0,010 0,50-0,54

Общие выводы

1. Разработаны способы приготовления смесей на основе метода осаждения связующего на поверхность зерен формовочного песка, обеспечивающие равномерное распределение связующего в смеси, повышение его удельной прочности и возможность снижения его расхода в смеси.

2. Выявлено, что современные представления о структуре формовочных смесей и свойствах тонких пленок связующих ограничены изучением структур формовочных смесей, полученных механическим перемешиванием компонен-

тов. Равномерное и тонкое распределение связующего по поверхности зерен песка в таких структурах затруднительно. Анализ информации применения тонких пленок веществ в промышленности указывает на возможности радикального снижения толщины пленок при их осаждении на заданную поверхность.

3. С помощью разработанной методики исследования процессов осаждения и прочностных свойств тонких пленок установлены условия осаждения твердой фазы воды на поверхность кварца. Определено, что прочностные характеристики тонких пленок (3-9 мкм), полученных осаждением на поверхности кварца, не уступают и даже превосходят прочностные характеристики пленок с толщиной 20-30 мкм, получаемых механическим перемешиванием.

4. Осаждение воды в кипящем слое с образованием её твердых пленок на поверхности зерен песка реализуется с использованием насыщенного влажного воздуха в интервале температур (5-15 °С). Работой установлено, что прочность замороженной смеси, полученной осаждением, с влажностью 2 % в 2 раза превышает прочность такой же смеси, полученной механическим перемешиванием

5. Осаждение пленок тонкодисперсным напылением обеспечивает возможность получения требуемой прочности смеси при снижении расхода связующего за счёт повышения равномерности его распределения. Оптимальными характеристиками процесса напыления связующего по прочности смеси являются скорость ожижения 0,43-0,46 м/с и толщина слоя смеси 9 мм. Напыление связующего при приготовлении смесей позволяет повысить прочность смеси на 20-30 % при сокращении его расхода.

6. Разработан и запатентован технологический процесс приготовления смеси с применением осаждения связующего на поверхность зерен песка в кипящем слое.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Грузман В.М., Бурдаков К.А.Исследование математической модели системы кварц -тонкая пленка // Проблемы металлургии, механики и машиностроения. Материалы научно-технической конференции, посвященной 300-летию металлургии Урала. Н.Тагил:НТИ ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» 2002. - С. 21.

2. Грузман В.М., Бурдаков К.А. Исследования возможности осаждения связующего на зерна песка // Экологические проблемы промышленного района. Материалы докладов научно-технической конференции. Н.Тагил: НТИ ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ».-2002. -С. 33.

3. Грузман В.М., Бурдаков К.А. Исследование условий нанесение тонких пленок связующего на зерна песка //Литейное производство сегодня и завтра: Материалы 4-Й Всероссийской научно-практической конференции. СПб., 2003. -С. 95.

4. Грузман В.М., Бурдаков К.А. Влияние толщины пленки связующего на прочность // Научные труды IV отчетной конференции молодых ученых НТИ ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ»: Сборник статей, В 2 ч. Екатеринбург: НТИ ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ». - 2003. - С. 86

5. В.М. Грузман, К.А. Бурдаков Исследование возможности увеличения прочности формовочной смеси И Arhives of foundry, Year 2004, Volume 4, №13 С. 81-82

6. B.M. Грузман, К.А. Бурдаков Новые методы нанесения связующего // Наука и производство: опыт и перспективы развития Н.Тагил: НТИ ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ». - 2004. - С. 171

7. Попенов В.А., Бурдаков К.А., Грузман В.М. Приготовление стержневой смеси в кипящем слое // Наука, производство, экономика: опыт и перспективы взаимодействия: материалы научно-практической конференции (27 апреля 2005 г., г Н.Тагил) в 2-х т. Т.1 - Н. Тагил НТИ(Ф) УГТУ-УПИ, 2005. - С. 83

8. Sbornik mezinarodni konference Vyzkum a vyvoj ve slevarenstvi venovano pamatce prof. Dr. Ing. Josefa Pribyla, DrSc. (1915-1996) 6.-7.9.2005 Hotel Relax

Roznov pod Radhostem/ Exploration of preparation sand mixtures in a fluidized bed /Gruzman V.M. N.A. Gerasimenko, K.A. Burdakov C. 157-162.

9. Грузман B.M., Бурдаков K.A. Исследование прочности связующих прослоек кварца. // Труды 7-го съезда литейщиков России. T.II Новосибирск: 2005 -С. 53

10. Патент РФ №2281831 Способ приготовления формовочных смесей. Приоритет от 31 декабря 2004 Зарегистрирован 20 августа 2006.

11.Грузман В.М., Бурдаков К.А. Приготовление формовочных смесей путем осаждения связующих на зерна песка. //Литейщик России. - 2006. - №12, - С. 34-35.

Бурдаков Кирилл Анатольевич

ОСАЖДЕНИЕ ЖИДКИХ СВЯЗУЮЩИХ НА ПОВЕРХНОСТЬ ФОРМОВОЧНОГО ПЕСКА

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 14.10.2008 Формат 60x90

Бумага офсетная Гарнитура «Тайме» Ризография

Усл. печ. л. 1,50 Уч.-изд. л. 1,27 Тираж 100 экз. Заказ №1293

Отпечатано в РИО НТИ (ф) УГТУ-УПИ 622031, Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 59