автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Применение материала техногенного происхождения для повышения качества отливок и ресурсосбережения в литейном производстве

Введение.

1.Состояние вопроса и задачи исследований.

1.1. Пригар и методы его предупреждения.

1.2. Основные свойства и характеристика наиболее распространенных огнеупорных наполнителей покрытий.

1.3. Физико-химические свойства огнеупорных наполнителей противопригарных покрытий.

1.4. Методы разработки оптимальных составов противопригарных покрытий.

1.5. Реологические исследования противопригарных паст.

1.6. Выводы и постановка задач исследования.

2. Приборы и методика проведения исследований.

2.1. Определение термических деформаций.

2.2. Определение химического состава порошковых смесей оксидов металлов.

2.3. Проведение дифференциально-термического и термогравиметрического анализа (ДТА).

2.4. Определение фазового состава алюмохромового порошка.

2.5. Определение гранулометрического состава алюмохромового порошка.

2.6. Изучение формы и состояния поверхности частиц алюмохромового порошка.

2.7. Определение количества пригара и противопригарной стойкости покрытий.;.

2.8. Определение прочности покрытий в обычных условиях.

2.9. Реологическая установка и методика определения реологических параметров.

2.10. Прибор для определения седиментационной устойчивости.

2.11. Методика оптимизации содержания наполнителя.

2.12. Определение вязкости покрытий.

2.13. Определение плотности покрытий.

2.14. Выводы.

3. Экспериментальные исследования физико-химических свойств алюмохромового порошка и сравнительная характеристика с, наиболее применяемыми в настоящее время, дистенсиллиманитом (КДСП) и цирконом (КЦП).

3.1. Исследования химического состава алюмохромового порошка.

3.2. Исследование фазового состава алюмохромового порошка.

3.3. Дифференциально-термический анализ (ДТА, ДТГ, ТГ).

3.4. Исследование гранулометрического состава алюмохромового порошка.

3.5. Микроскопические исследования алюмохромового порошка.

3.6. Дилатометрические исследования алюмохромового порошка.

3.7. Выводы.,.

4. Теоретические и экспериментальные исследования по реологии противопригарных паст. Разработка реологической и математических моделей пастообразной композиции.

4.1. Введение.

4.2. Экспериментальное определение и анализ реологических кривых течения.

4.3. Построение реологической и математических моделей.

4.4. Определение напряжений релаксации.

4.5. Методика выбора конструктивно-силовых параметров установки для приготовления пастообразных композиций.

4.6. Выводы.

5. Экспериментальные исследования и разработка покрытий на базе алюмохрома и кремний-органических связующих.

5.1. Выбор состава наполнителя противопригарных покрытий, используемых при производстве чугунных отливок.

5.2. Разработка противопригарных покрытий.

5.3. Технологические испытания разработанных покрытий.

5.4. Выводы.

Вопросы повышения качества продукции, рентабельности и конкурентоспособности производства, экологии и ресурсосбережения как никогда остро встают сейчас перед отечественным машиностроением.

Эти проблемы в полной мере относятся и к области литейного производства. В современных условиях более 80% всего объема отливок изготавливают в разовых песчаных формах, свойства которых непосредственно определяют качество отливок.

Брак по вине литейной формы и стержня достаточно велик и достигает в некоторых случаях 30-40 %.

Пригар отливки - наиболее распространенный и трудоемкий вид брака. Пригар - это не только внешний вид отливки, но и предмет, по которому заказчик характеризует уровень производства, техническую оснащенность, квалификацию персонала и его культуру.

Пригар значительно затрудняет механическую обработку отливок, удлиняет цикл производства, его устранение является одной из наиболее трудоемких операций в литейном производстве.

Известным путем резкого сокращения поверхностных дефектов литья и пригара является применение облицовочных смесей и противопригарных покрытий на основе специальных огнеупорных наполнителей.

Эффективность противопригарных покрытий в основном определяется природой и свойствами наполнителя, его термохимической и термофизической устойчивостью.

В качестве огнеупорного наполнителя покрытий чаще всего используют циркон, дистенсиллиманит, эл.корунд, магнезит и другие материалы. В некоторых случаях применяют рутил, хромомагнезит и оливин.

Наиболее широкое применение нашли покрытия на основе порошкообразного циркона и дистенсиллиманита. Однако наибольший эффект был достигнут с применением цирконовых покрытий.

Следует отметить, что циркон и дистенсиллиманит имеют высокую стоимость, а также экологически небезопасны. Многие предприятия вынуждены импортировать эти материалы из-за истощения их запасов на территории бывшего СССР, а новые месторождения пока еще не освоены;

Учитывая современный уровень развития литейного производства и достижений в области отраслевых наук, наиболее решаемой задачей является поиск таких новых огнеупорных наполнителей, в том числе и техногенного происхождения, применение которых позволило бы получить необходимое качество поверхности отливок при одновременном снижении их себестоимости и повышении ресурсосбережения.

Одним из таких материалов, может быть продукт переработки отходов нефтехимической промышленности - алюмохромовый порошок, имеющий экологический сертификат на применение в промышленности.

Применение материалов техногенного происхождения для повышения качества отливок и ресурсосбережения в литейном производстве является актуальной проблемой.

Таким образом, основной целью данной работы является повышение качества поверхности отливок, улучшение экологической безопасности и ресурсосбережения в литейном производстве, связанное с применением материала техногенного происхождения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ существующих противопригарных покрытий показал, что большинство из них не удовлетворяют технологическим, экономическим и экологическим требованиям; наиболее перспективным направлением представляется применение материалов техногенного происхождения во многом удовлетворяющих современным тенденциям развития литейного производства.

2. Исследованиями алюмохромового порошка, являющегося побочным продуктом нефтехимического производства, установлено:

- что алюмохромовый порошок содержит AI2O3 - 72,5%, Сг203 -16,2%, Si02 -5,8 % (несвязанный 0,3-0,6%), Fe203 - 1,4%, МпО - 0,05%;

- алюмохромовый порошок на 80% состоит из высокотемпературной рентгеноаморфной фазы, представляющей смесь неустойчивых фаз 8А120з, уА12Оз и соединений типа шпинелей: CrSi04, Cr2Si06, AlSi04, Al2Si06, FeAl204 и.т.д;

- в новом материале в интервале температур от 0 до 1000 °С не происходят эндотермические и экзотермические реакции (кроме удаления гигроскопической и кристаллической влаги) и фазовых превращений, а в интервале температур от 1000 до 1800 °С происходят не значительные фазовые превращения и выделения из рентгеноаморфной фазы составляют мение 10% от общей массы.

- он имеет незначительное термическое расширение в интервале температур от 0 до 1200°С, составляющее 1,1% от исходного объема при температуре 1200°С;

- огнеупорность алюмохрома составляет 1900 - 1950°С, что позволяет отнести материал к высокоогнеупорным наполнителям наряду с электрокоррундом и цирконом;

- по гранулометрическому составу - 85% частичек менее ЗОмкм, для сравнения: у циркона (КЦП) только 10%, а у дистенсиллиманита (КДСП) 15% частичек такого размера;

- алюмохром имеет закругленную форму частиц в отличие от сколообразной циркона (КЦП) и дистенсиллиманита (КДСП).

- в каждой единице элементарного объема алюмохромового порошка содержится одинаковое соотношение химических элементов, присущих всему объему материала; .

Результаты исследований показали, что алюмохромовый порошок можно отнести к разряду высокоогнеупорных мелкодисперсных наполнителей для противопригарных покрытий.

3. Разработаны реологическая и математическая модели упруго-вязко-пластической среды, отражающей специфику деформирования противопригарных паст с непрерывным изменением структуры в процессе приготовления.

4.На.основании реологической модели деформирования разработаны . методики:

- определение реологических параметров среды;

- выбора оптимальных режимов приготовления паст;

- выбора оптимальных конструктивно-силовых параметров смесителя лопастного типа для приготовления противопригарных паст.

5. Разработаны противопригарные покрытия на базе алюмохромового порошка и кремний-органических связующих для стержней и форм чугунных и стальных отливок, обеспечивающих получение отливок без пригара.

6. Разработанные противопригарные покрытия на основе алюмохромового порошка прошли обширные опытно-промышленные испытания на ОАО АМО "ЗИЛ", ОАО ММЗ «Серп и Молот» и рекомендованы к внедрению.

1. Анпилогов Р.И., Давыдов Н.И., Москаленко О.П., Ищенко Л.Г. Электрокорундовые противопригарные покрытия. Литейное производство. 1988.-№2. С. 9-10.

2. Авдокушкин В.П. и др. Прибор для определения реологических свойств формовочных смесей. Литейное производство. 2000. №4. С. 33-34.

3. Бабкин В.Г. Повышение эффективности противопригарных покрытий. Литейное производство. 2000. №3. С. 35-37.

4. Берг П.П. Формовочные материалы. М.: Машгиз, 1963. 408 с.

5. Белобров Е.А. Булыптейн Р.И. и др. Хромомагнезитовые материалы в литейном производстве. Киев.: Техника, 1980. 72 с.

6. Белов С.В. Пористые проницаемые материалы. М.: Металлургия. 1987. -335 с.

7. Берг П.П. Качество литейной формы. М.: Машиностроение. 1971. 292 с.

8. Борсук П.А. Исследование условий образования пригара на отливках из спецсталей. Труды ЦНИИТмаша. 1960. №6. С. 33-46.

9. Боровский Ю.Ф., Боговой М.В. Термостойкость покрытий литейных форм. В кн. Формирование качества поверхности отливок. М.: Наука. 1969. С.94-99.

10. Булыптейн Р.И., Белобров Е.А., Погосян Г.А. Дунитовые смеси и краски. Литейное производство. 1974. №6. С. 41.

11. Бегеба Н.В., Макаренкова Л.И., Валисовский И.В. Химическое взаимодействие высоколегированных сталей с противопригарнымиматериалами. М.: Тр. ЦНИИТмаш. 1978. №140. С. 54-60.

12. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. М.: Машиностроение. 1979. 334с.

13. Бельчук B.C. Разработка метода управления процессом уплотнения литейных форм на основе реологии формовочных смесей, дисс. к.т.н. МАСИ. М. 1989.- 175с.

14. Багров Д.Ф. Разработки и внедрения в производство технологии изготовления форм и стержней из модифицированных металлофосфатных смесей, дисс. к.т.н. Н-Новгород. 2000. 300с.

15. Булыптейн Р.Й. и.др. Производство формовочных материалов на Украине. Литейное производство. 2001. №10. С. 13-16.

16. Васильев В.А. Физико-химические основы литейного производства. М.: «Интермет инжиниринг». 2001. 335с.

17. Васин Ю.П., Иткис З.Я. Окислительные смеси в конвейерном производстве стального литья. Челябинск.: Южно-Уральское книжное издательство. 1973. 154 с.

18. Валисовский И. В. Пригар на отливках. М.: Машиностроение. 1983. -192с.

19. Валисовский И.В. Лаборатория качества поверхности отливок. Литейное производство. №10. 1999. С. 6.

20. Васин Ю.П. Пригар на чугунном литье. В кн. Прогрессивные технологические процессы производства отливок из различных сплавов. С.: Издательство Саратовского университета. 1976. С. 10-11.

21. Вейник А.И. Приближенный расчет процессов теплопроводности. Л.: Госэнергоиздат. 1959. 184с.

22. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М.: Высшая школа. 1978.-448с.

23. Гайсин Б.М. Противопригарные покрытия форм и стержней. Литейное производство. 1977. №6. С. 19.

24. Грузных И.В. Надежность и технологичность в производстве стальных отливок. Санкт-Петербург: «Политехника» 1992. 270 с.

25. Гусаров В.М. Теория статистики. М.: «Аудит», «ЮНИТИ». 1998.- 247с.

26. Гуляев Б.Б. Теория литейных процессов. Л.: Машиностроение. 1976. -214с.

27. Гамов Е.С. Ресурсосберегающие металлофосфатные связующие материалы. Сб., докладов 5-ого съезда литейщиков Р.Ф. 2001. 246с.

28. Денисов В.А. Противопригарные пасты для стального углеродистого литья. Труды ЦНИИТМАШ. 1960. №6. С. 68-80.

29. Дорошенко С.П., Дробязко В.Н., Ващенко К.И. Получение отливок без пригара в песчаных формах. М.: Машиностроение. 1978. 208 с.

30. Дорошенко С.П., Авдокушин В.П., Русин К., Мацащек И. Формовочные материалы и смеси. Киев: Выща школа. 1990. Прага. СНТЛ. 1990. -425с.

31. Давыдов Н.И. Противопригарные покрытия для окраски стержней в массовом производстве чугунных отливок, дисс. на соиск. к.т.н. М. 1983. -156с.

32. Давыдов Н.И. Проникновение жидкого металла. М.: Наука. 1985. С. 246249.

33. Ефимов В.А., Анисович Г.А., Бабич В.Н. и др. Специальные способы литья. Справочник. Под общ. ред. Ефимова В.А. М.: Машиностроение. 1991. -436 с.

34. Жудро О.М., Юрченко Л.А., Денисов В.А., Меринов И.В. Жидкие самотвердеющие смеси на основе огнеупорных наполнителей. Литейное производство. 1981. №7. С. 10.

35. Жуковский С.С. Холодно-твердеющие смеси в современных технологиях изготовления стержней и форм. 2002. 10-16с.

36. Звеницкая Р.Б., Петриашвили Б.В. Влияние состава хромомагнезитовой облицовки на качество поверхности чугунного литья. Труды Грузинского Политехнического института. 1968. №8. 28-й вып. С. 209-215.

37. Игнаткина О.И., Лукьянова О.И., Борсук П.А., Андрианов B.C. Реологические свойства гелей, образующихся при взаимодействии жидкого стекла и отвердителей сложного типа. Литейное производство. 1999. -№10. С. 39-41.

38. Ипатов А.А. Исследование адгезионной прочности противопригарных красок и выбор способов окраски стержней, изготовляемых в нагреваемой остнастке. М.: Завод ВТУЗ при ЗИЛе. 1980. 16с.

39. Иванов В.Н. Словарь справочник по литейному производству. Изд. 2-е. М.: «Машиностроение». 2001. - 460с.

40. Илларионов И.Е., Васин Ю.П. Формовочные материалы и смеси. Чебоксары.: Чувашского Университета. 1992. ч1. 223с.

41. Иванов В.Н., Казеннов С.А., Кручман Б.С. и др. Литье по выплавляемым моделям. Под общ. Ред. Я.И. Шкленника., В.А. Озерова. -3-изд. перераб. и доп. М.: Машиностроение. 1984. 408с.

42. Информационный бюллетень ИТЦМ-«Металлург» ЗАО Инженерно-технологический центр машиностроения. М. 1997г. -№42-43. 16с.

43. Куманин И.Б. Вопросы теории литейных процессов. М.: Машиностроение. 1976. 216 с.

44. Концентрат цирконовый. ТУ-У-14-10-015-98 (КЦП). Украина. 1998. -28с.

45. Корн Г. и Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров под общей ред. Армановича И.Г. М.: Наука. 1984. 831с.

46. Кащеев И.Д. Футеровочные материалы, применяемые в индукционноплавильных печах. Литейщик России. 2002.-№5. 45-49с.

47. Кухлинг X. Справочник по физике. Пер. с немецкого, под ред. Лейкина Е.М. М.: «Мир». 1985.' 519с.

48. Киев «Наукова думка». 1977. №3. С. 4-6.

49. Карпов. Ю.И. Напряженно-деформированное состояние формовочной смеси при динамическом нагружении. Литейное производство. 2001. №10. -13с.

50. Лясс A.M., Валисовский И.В., Багров А.А. Химический пригар на чугунных отливках. Литейное производство. 1975. №5. С. 22-24. •

51. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа. 1967. 599с.

52. Матвеенко И.В., Головня А.А. Материалы техногенного происхождения для производства противопригарных покрытий. Литейное производство. 2002. № 4. С.26-27.

53. Матвеенко И;В., Головня А.А. Определение реологических критериев огнеупорных пастообразных покрытий и методика выбора силовых параметров установки для их приготовления. Литейщик России. 2002. №9. С. 25-26.

54. Матвеенко И.В., Исагулов А.З., Дайкер А.А. Динамические и импульсные процессы и машины для уплотнения литейных форм. Амата.: Гылым. 1998. -342с.

55. Матвеенко И.В., Бельчук B.C. «Реологические и математические модели прочессов уплотнения формовочных смесей». Сб. Литейное производство в автомобилестроении. М.: МАСИ ВТУЗ ЗИЛ. 1989. -89с.

56. Матвеенко И.В. Управление качеством литейных форм на основе реологии. СБ. Научных трудов МГИУ. 1997. С. 65-69.

57. Матвеенко И.В., Бельчук B.C. Применение электронных моделей в реологии формовочных смесей. Литейное производство. 1988. №12.С.13-15.

58. Миронов А.С. Разработка технологии изготовления тормозных дисков автомобилей в условиях малых предприятий, авт. дис. к.т.н. М.: МАМИ. 2002.24с.

59. Митько М.М., и д.р. Свободная поверхностная энергия на границах раздела твердое тело жидкость. Тр. 1. Международной научно-технической конференции. Генезис, теория и технология литых материалов. 2002. - 350с.

60. Медведев Я.И., Валисовский И.В. Технологические испытания формовочных материалов. М.: Машиностроение. 1973. 310 с.

61. Курс высшей математики. Под редакцией Миносцева В.Б учебное пособие, ч. 1, ч.2. М.:РИЦ МГИУ. 2002. 432с.

62. Международная научно-практическая конференция «Прогрессивные литейные технологии». Тезисы докладов. М.: МИСИС. 2000. 200с.

63. Нуралиев Ф. А. Разработка и исследование хромитовых самотвердеющих смесей для производетва стального литья. М.: 1992. -218с.

64. Тресвятский С.Г., Черепанов A.M. Высокоогнеупорные материалы и изделия из окислов. М.: Металлургиздат. 1957. -208с.

65. Нуструев B.C. Моисеев Н. К. Автоматизированное проектирование технологических процессов литья. М.: МАТИ. 1994. -255с.

66. Небел Б. Наука об окружающей среде. Т.1 М.: «Мир». 1994.-424 с.

67. Оболенцев Ф. Д. Качество литых поверхностей. M.-JL: Машгиз. 1961. -183с.

68. Осипов В.И. Природа прочности и деформационных свойств глинистых пород. М. 1979. 180с.

69. Пивинский Ю.Е. Новые огнеупорные бетоны и вязкие системы -основополагающие направления в разработке, производстве и примененииогнеупоров в 21 веке. Ж. Огнеупоры. 1998. №4. С. 12-25.

70. Ромашкин В. Н. Особенности образования поверхностных дефектов отливок. Литейное производство. 2000. №10. С. 27-28.

71. Ромашкин В.Н., Степашкин Ю.А., Нуралиев Ф.А. Теоретические предпосылки разработки противопригарных красок. Россия. М.: ЦНИТМАШ. 2001. С. 183-185.

72. Ромашкин В.Н., Степашкин Ю.А., Нуралиев Ф.А. Влияние удельной поверхности наполнителей на свойства противопригарных красок. М. Литейное производство. №10. 1999. 43с.

73. Ромашкин В.Н. Луканин В:Л. Жидкостекольные холоднотвердеющие смеси на кремний-полимерных композициях. М.: ЦНИТМАШ. -№164, 1981. С. 79-82.

74. Ромашкин В. Н. Теоретические основы разработки термостойкости формовочных смесей и технология их применения, обеспечивающая получение высококачественных отливок, дисс. д.т.н. М.: ЦНИТМАШ. 1991. -504с.

75. Рипан Р, Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. Пер. с румынского д.физ-мат.наук И.Б. Берсукера, к.х.н. Н.И. Беличука. Под ред. Академика В.И. Спицина и к.х.н И. Д. Колли. М.: «МИР». 1971. С. 120-121.

76. Рейнер М. Реология: пер. с англ. М.: Наука. 1965. -224с.

77. Се Цзуси. Новый способ определения механических свойств формовочных смесей. Литейное производство. 2001. №10. - 17с.

78. Трухов А.П„ Сорокин Ю.А. Влияние конструктивно-технологическихпараметров песчано-глинистых форм на образование пригара на отливках.

79. СБ. Литейное производство в автомобилестроении. М.: МАСИ-ВТУЗ ЗИЛ. 1989.-3-10с.

80. Концентрат дистенсиллиманитовый. ТУ-У-14-10-017-98 (КДСП). Украина. 1998. 30с.

81. Технические условия. Ед. Сист. Кнстр. Документации. ГОСТ 2.114-95. Межгсуд. Совет по стандартизации метрологии и сертификации. Минск. 1966.-72с.

82. Фрейденберг А.С., Порхунов Р.В., Бойченко А.С., Перепелицын В.А. Использование кытлымских дунитов в качестве формовочных материалов. Литейное производство. 1984. №4. С. 13. .

83. Формовочные материалы и технология литейной формы. Справочник под общей редакцией С.С Жуковского М.: Машиностроение. 1993. 43с.

84. Фролов ЮГ. «Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы». Учебник для вузов Москва.: Химия. 1988. -464с.

85. Фалитнов А.И, Ковалев Ф.И и Степанов B.C. Новые технологии в литейном производстве для повышения конкурентной способности конкурентоспособности автомобилей. Литейное производство. 2000. -№5. С. 47-53.

86. Химический энциклопедический словарь. Гл. ред. Кнунянц. М.: Советская энциклопедия. 1983. 790с.

87. Царевский Б.В. Попель С.И. Лазарев Л.П. Проникновение сплавов железа в уплотненный песок. Известия АН СССР, Отдел техн. Наук.: Металлы и топливо. 1962. №6. С. 14-18.

88. Цибрик А.Н. Физико-химические процессы в контактной зоне металл-форма. М.: Машиностроение. 1992. 92с.

89. Цибрик А.А., Семенюк JI.A., Цибрик В.А. Физико-химические постоянные материалов и параметры процессов литья. Справочник. Киев.: Наукова думка. 1987. 270с.

90. Чеботарев И.Е., Валисовский И.В., Кузьмин Н.Н. Повышение проникающей способности формовочных красок. Литейное производство. 1981.-№4. С. 10-11.

91. Чикунов В.М. Что такое No-banc. Литейщик России. 2002. -№3. С. 25-28.

92. Шукле Л. Реологические проблемы механики грунтов. Пер. с англ. М.: Строй-издат. 1976. 486с.

93. Шеклейн Н.С. Разработка и внедрение метода исследования релологических свойств и оптимизация составов формовочной смеси, дисс. к.т.н. Завод- ВТУЗ при ЗИЛе. М. 1985. 183с.

94. Шумов И.Д. Разработка связующих композиций и оптимизация составов формовочных и стержневых смесей на основе эпоксидных смол. авто. Дисс. д.т.н. Липецк. 1999. 24с.

95. Шумов И.Д. Разработка связующих композиций и оптимизация составов формовочных и стержневых смесей на основе эпоксидных смол. Липецк. 1997.-470с.

96. Литье по выплавляемым моделям: Инженерная монография. Под общ. ред. Шкленника Я. И., Озерова В.А. М.: Машиностроение. 1971. 436с.

97. ШулЯЙ B.C. Производство отливок по газифицированным моделям. М.: РИЦМГИУ. 2001. 324с.

98. Kolorz A., Hofmann В., Siefer W. Einfluss der Formstoffeigenschaften auf Werkstoffkenngrossen undBeschaffen von Rohteilen aus shahlguss.Dusselldorf-Feil 1 :Grundlagen, Giesserei forschung. 41. 1989. - №1. S. 14-19.

99. Lukacek G., Heine H.T. Using Core and Mold Coatings a new understanding. «Foundry management and technology». March. 1982. P.70-83.

100. Middleton T.M. Factors affecting the surface quality of steel castings. «British Foundryman». 1964. №1. P. 1-19.