автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка комплексного технологического процесса высокотемпературной физико-химической обработки стальных отливок в карбонатных расплавах

^ #

<гч На правах рукописи

\

Доценко Владислав Константинович

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ШСОКОТШПЕРАТУРНСЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК В КАРБОНАТНЫХ РАСПЛАВАХ •

Специальность 05.16.02 -металлургия чёрных металлов

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новокузнецк - 1996

Работа выполнена в АО "Алтайский научно-исследовательский институт технологии машиностроения" - АО АНИТИМ -

Научный консультант: кандидат технических наук,

доцент Бородин В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Хрущев U.C.

кандидат технических наук Лубяной Д.А.

Ведущее предприятие: АО "Алтайдизель", г.Барнаул

Защита диссертации состоится 1996 г

в ¿О часов на заседании диссертационного совета Д 063.99.01 при Сибирской государственной горно-металлургической академии по адресу: 654080, г.Новокузнецк, Кемеровской обл., ул. Кирова, 42

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирской государственной горно-металлургической академии.

Автореферат разослан сУ/7Р<2-7/? Х996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент ( ^ и А.Л.Николаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Получение отливок о чистой поверхностью является одной из основных задач литейного производства. Улучшение технологии формообразования во многих случаях не исключает образования пригара на отливках, поэтому проблема качественной очистки поверхности литых заготовок продолжает оставаться актуальной.

В производстве применяются в основном механические способы очистки, трудоёмкость которых достигает 40 % от общих затрат труда на изготовление отливок, при этом до 50 % работ производится с использованием тяжелого физического труда. Механические способы характеризуются избирательностью процесса, низким качеством обработки, сопровождаются шумом, вибрацией и пылевыделением, что приводит к профзаболеваниям рабочих. Передовые методы очистки, например с применением ультразвука или электрогидравлического эффекта, не обеспечивают окончательной чистовой обработки поверхности.

Высокое и стабильное качество очистки, отливок практически любой сложности и исключение профзаболеваний виброболезнью и силикозом гарантируют термохимические способы удаления пригара в растворах и расплавах едких щелочей, которые, однако, находят ограниченное применение из-за повышенной стоимости, дефицитности и токсичности используемых материалов. Поэтому проведение исследований и разработка технологического процесса термохимической очистки отливок на базе более доступных и малотоксичных материалов, в частности таких как карбонаты щелочных металлов, являются обоснованными.

Ранеа разрабатывались отдельные процессы, предусматри-ваицие только очистку отливок, термообработка осуществлялась по другой независимей схеме. Поэтому особый интерес представляет создание комплексной технология, совмещающей процессы очистки и термообработки .литых деталей.

Именно решению данной актуальной проблемы и посвящена настоящая работа.

Цель -работы. Разработка комплексного технологического процесса высокотемпературной очистки и термообработки точных стальных отливок в карбонатных расплавах, отличащэго-оя повышенной интенсивностью и экономичностью, высоким и стабильным качеством обработки, экологическими преимуществами.

Научная новизна работы заключается в получении новых . данных о физико-химических процессах, протекающих при взаимодействии основных компонентов кварцевой керамики в еэн-не с расплавленными карбонатами натрия или калия, обнаружении ускоряющего эффекта влияния щелочных хлоридов на про-цеоо растворения кварца в расплаве карбоната натрия и установлении природы этого влияния, разработке оптимального состава рабочего расплава и параметров соЕмещенного технологического процесса очистки от керамики и термообработки * точных стальных отливок.

Методы исследования. В работе использованы термодинамические расчеты для анализа возможных реакций компонентов керамики с карбонатами. Кинетику, динамику и стехиометрию реакций взаимодействия кварца с карбонатами щелочных металлов в смесях.и расплавах изучали методами изотермической 1"рав1шетрии образца в условиях свободной конвекции, дьри-ватографии, дифференциальнотермического и тер)логравиметрического анализа. Состав продуктов превращений устанавливали химическим и рентгенофазовым анализом.■ Для исследования свойств ыегалла применяли металлографические методы.

Практическая ценность. Результаты исследований использованы дуй создания промышленной технологии и автоматизированной линии термохимической очистки и совмещенной о ней термообработки точных стальных отливок. Информация о данной разработке включена в 3-е издание инженерной монографии (Литье по выплавляемым моделям / Под общ. ред. Я.И.Шкленника, В.А.Озерова.-1.1.: Машиностроение, 1984.-П,290; 291, 302).

Реализация результатов работы в промышленности. Разработанные процесс и линия использованы на трех заводах страны с экономическим эффектом 880 тыс.рублей в год

в ценах 1990 года.

Аптюбапия работы и публикации Материалы работы обсуждались на ряде научных конференций и семинаров, а также на I Всесоюзном съезде литейщиков и 222-м заседании Комитета точного литья НТО Машпром. Но теме диссертации опубликовано 28 работ, в т.ч. 13 авторских свидетельств на изобретение.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (169 наименований) и приложения. Она изложена на 178 страницах машинописного текста, включает 46 рисунков и 32 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проанализированы положительные стороны и недостатки известных методов очистки отливок, показана перспективность развития термохимических способов, обеспечивающих объёмность и высокое качество обработки поверхности .литых деталей.

Учитывая известные затруднения в более широком прима-нении расплавленных едких щелочей для очистки отливок от остатков керамической формы, в плане поиска более экономичных и.менее токсичных материалов обращено внимание на карбонаты щелочных металлов, рассмотрены их физико-химические свойства.

Основными компонентами пригара и остатков керамики на точном стальном литье являются кварц, силикаты и оксиды железа. Известные сведения о физико-химических процессах взаимодействия данных соединений с карбонатами относятся к другим областям техники, зачастую противоречивы и недостаточны для описания химических реакций, протекающих в рао-плавленной солевой ванне при термохимической очистке отливок.

В связи с изложенным задачами исследований предусматривалось:

- изучить термодинамические и кинетические закономерности химических реакций, протекавших при взаимодействии

о

основных компонентов кварцевой керамики с расплавленными карбонатами натрия и калия, и использовать полученные результаты для организации и управления процессом очистки отливок;

- выбрать добавки, повншащие работоспособность карбонатного- расплава, определить его рабочий состав и оптимальные параметры процесса очистки отливок;

- изучить возможность совмещения процесса очистки стальных отливок с их термической обработкой;

- разработать комплексный технологический процесс высокотемпературной химической очистки и термообработки точных стальных отливок в карбонатных расплавах, дать технико-экономическое обоснование и рекомендации для внедрения в производство.

Во второй главе изложены результаты термодинамического анализа дня обоснования состава продуктов химического взаимодействия компонентов керамики {оС-кварца, оксидов и силикатов железа) с карбонатами натрия и калия, определения условий и последовательности реакций. Всего исследовано 39 возможных реакций.

Термодпнашка реакций в системах Мег0-рассмотрена ранее в работах Матвеева Г.М. Однако при этом не учитывалась возможность получения пиросиликата натрия, а также связанные с ним реакции, не анализировалось влияние парциального давления углекислого газа на получение силикатов. Кроме того, используемый в этих работах приём для определения состава первичного продукта в зависимости от соотношения кошоненгов в исходной смеси нельзя считать правильным, т.к. он находится в противоречии с экспериментальными данными.

Расчеты энергии Гиббса и теплового эффекта реакций проведены с использованием уточненных значений энтальпии (ЛН0,^), внутренне согласованных между собой, энтропии ( 5 °2эз) и высокотемпературных составляющих энтальпии и энтропии веществ, заимствованных из справочников либо вычисленных по теплоемкости.

Изменение энергии Гиббса ряда реакций в системах ичгС03-510г для стандартных условий при-

ведено в табл. I. Учитывая, что Е'реальных процессах парциальное давление С02 может существенно изменяться, расчет выполнили также при - 10"1,10-2, 10~3 и Ю-4 атм. " 2 .

Как следует из термодинамического анализа (табл.1), получение мета- и дисиликатов в иссле.цуемых системах возможно при достаточно низких температурах, а" основных силикатов - лишь выше 1000 К. Путём комбинирования равновесия реакций показано, что кислые силикаты в расплавленных 'карбонатах будут превращаться в нормальные и основные. Термодинамическая вероятность протекания этих процессов тем больше, чем выше температура, меньяе ' парщальное давление углекислого гвза и больше основность силиката, записанного в правой части уравнения реакции.

Представляло интерес определить последовательность химических превращений на основе сопоставления термодинамических характеристик, каждая из которых пропорциональна энергии Гиббса данной реакции и обратно пропорциональна затратам свободной энергии на разрушение химических связей в исходных веществах. Термодинамическую вероятность получения силиката в качестве первичного ( Р/,т) рассчитывали по формуле, предложенной, 0.Г.Зарубицким и Б.Ф.Дмздруком:

,р.т= __ (I)

т(л О разу,. +&(}а,Мегй) + пл &а,5ьОг

где л Су,г, л Страх*., ~ изменения энергии Гиббса соответственно. реакций образования силиката, разложения карбоната и атомиззции оксидов, а /77 и П - стехлометричес-кие коэффициента.

Из сопоставления'величин Р^,г следует, что состав первичного продукта определяется условиями проведения реакции. В частности з системе ЫагС03-810г при давлении СС^, равном его парциальному значению в воздухе (3 • КГ"* атм), до температуры примерно 1070 К более вероятно образование

го

œ cu fi, to

(U И Ol

«К

C^OCMOCOM'lOmiOCOWCOOiCnCOCOcOtr}

«ПШООИШЧ'О Ш И СМ СГ> СП 00 СО

Т Iii il

tf о о ш

N N 41 fO (О

СОСМСПСОЮСОЮОСОЮС^-ЫСОЮСО'^'Ш'Ф oomcocMincMtowcMWcooo-incMioioco

^ ¡D ф Ю Ю Ю « ГЧ'^МФМОПЧ'П I I I I I II I I CM WW

(OCOOCOC-OINCOCOC--QWOCOOCOC^

см см ts en ч1 w

I CjJ y LO 0J> P-

•ч»1>союа>сосост>спсоо

Tt< W ■^Ч'МНГ-Ч'^П

I I w WW

cotowo-^<o>CT>ocMir)i> a> ш n œ f □

lnONNN<f^HlD TfiONiOHCllí^U) I I I

t- IM DJ W t> I I

Ю Г-

со «tf

СО W

СО ^ СО СО

W W I I

m "i

Ci сэ

« u

u

О U

C4J C4J

+ o + -tí + K.O . w -г О +

O W

N О <ч1

О ° (M (M

w O a О

s ¿-к??о"

о т ^о

.^C^OCVJ 'о IM^A . —■ .

см

¿Л ^О «¡2

m

J- -г

M

о

о +

<n

о

•«-I

■M С/}

О CM

O (d

s

<5*И «

11

rt и II

•T

a о ">

1 OO pg „ <4 (M CNjCJ

«tí о

M

CA

о1- »„¿v*-^ « -

* + ? w, - ♦ ^ V

J? «+ +OO

SSjo^Sje

N

о

u + +

-чО CD

CD - r«

L0

C/l <r ^ vS1« « * I cT "lU о (M

-H , «JIÖ

+ %

О S

О W t- <M

o1^

•H

ГМ

« О Й a)

'S

о tz,

<U C\J ^ «

Сч| « Il О m +

о _"»

4J5 я

«ч о

о +

<м

о

CD а} О Ь-| +• rá c\J*h

a см .4)

CM

о a ' < о

о и г^о н и ^ «Ni CMf-, о W J^C/l со U

s; Й «í* «I Cd g; ш га «

см fo Й ¡2; е; eg й г; <м

СО w + +

см

(Í)1—'

тО -<I

о ° w

О со см ея см Ч)

+

w Ol

«M см

a» cu

и, и,

II «M

о ю

о +

л) «П

о о о о

(tf (С + +

о о ai 4)

и, ti,

CM <м

°3

-I

Ь. lie

го

CM CVJ

и и

гм СМ

о О О

и

о

ГУ

<3 «o

It

О о

О CU

tu fc, « (в

с\| C4J

WWCOM'lOCOOCOCr. Ot-lcírO-yincOO-OO l-t W W W HH W W M w

+

при более высокой температуре большими величинами Р/,т характеризуется реакция получения Ыйц БсО/, . С повышением давления СО2 до Ю-2 атм в интервале температур 8001200 К первичным продуктом, согласно расчетам, будет лишь метасиликат. Аналогичное выводы касаются системы КгСОз~510г (табл. 2). Тагам образом, при повышенных температурах и низких давлениях СО2 в рассматриваемых системах возможно образование в качестве первичного продукта ортосиликатов щелочных металлов, в остальных случаях первичным продуктом будут метасиликаты. При преимущественном получении Мег$103 дальнейшие химические превращения с избытком карбонатов определятся реакциями 6, 7 и II (табл. I),которые в атмосфере СОр термодинамически невозможны, а в атмосфере воздуха должны протекать вине 1000 К.

Взаимодействие фаялита и оксидов железа с карбонатом натрия должно сопровождаться образованием феррита натрия (табл.1), дальнейшее превращение которого в ферраты при отсутствии окислителя шловероятно. При участии окислителя продуктом реакций может быть также ортофоррат натрия.

Таблица 2

Термодинамическая вероятность ( Р^г) преимущественного образования силикатов калия из карбоната калия и еС-кварца

Рсог, о тм. Т, К Р/, Г

Кг5*гО* \ Кг^Оз К* БсО//

I 800 0,86 0,75 0,78 -1,84

1000 1,43 1,70 2,22 -0,12

1200 2,19 2,80 3,90 1,82

Ю-2 800 1,32 1,58 2,17 0,21

1000 2,05 • 2,83 4,17 2,80

1200 3,00 4,32 6,56 5,97

3-Ю"4 800 1,68 2,22 3,25 1,82

1000 2,53 3,72 5,70 5,14 .

1200 3,63 5,50 8,69 9,35

Таким образом, при очистке отливок в ванне с расплавленным карбонатом натрия или калия будут накапливаться соединения Ме2Б£03> Ме^Юл, и МеГе. При обогащении ванны кислородом возможно накопление феррата Ме^РеО^. Содержание ортоснликата должно повышаться с увеличением температуры процесса- и длительности работы ванны.

Увеличение температуры и эффективная вентиляция должны способствовать развитию и интенсификации процесса очистки отливок. Однако с целью подавления реакций образования ортосшшкатов, требующих повышенного расхода карбонатного расплава, температуру процесса необходимо ограничивать.

Третья глава посвящена изучению кинетических закономерностей процессов химического взаимодействия киарца с карбонатными и карбонатно-хлоридными ^расплавами..

В керамике на точном литье ¡преобладает кварц, скорость* растворения которого в расплаве будет определять продолжи- . тельность очистки отливок.

В работе методом изотермической гравиметрии образца выполнены опыты по исследованию кинетики взаимодействия кварца с расплавленными карбонатами натрия и калия в интервале температур 870-980 °С. Образцы представляли собой прямоугольные пластины толщиной 0,2-0,3 см, площадью в среднем 8 см^, изготовленные из прозрачного кварцевого'стекла (99,98 %

Соли квалификации "ч.д.а." наплавляли в тигле из жаростойкой стали Х23Н18. Температуру расплава поддерживали с погрешностью + Ь Выдержка образцов кварца в расплаве составляла от 0,5 до 20 мин. По результатам опытов определяли потери массы образца с единицы поверхности ( стационарную скорость ( 1/ст ), вычисляемую по тангенсу угла наклона прямолинейно участков кинетических кривых V/- ГС> и, в ряда случаев, среднюю скорость (\/ср ) за время <£~.

Характер изотерм ~ 'С свидетельстгует о том, что при погружении образца в расплавленный карбонат на поверхности кварца' формируется слой продуктов'реакции, который через 2-3 шн взаимодейсграя достигает, вероятно, постоянной толщины, а о дальнейшим увеличением выдержки образца

в расплаве процесс контролируется диффузией реагентов.

Как обнаружено пр;: обработке экспериментальных данных, кипетика травления кварца в расплавленных карбонатах натрия и калия в исследуемом диапазоне температур не подчиняется едино;: экспоненциальной зависимости. Повышение стационарной скорости реакции тлеет меcío в интервалах, температур 870-900 °С и 930-980 °С. В частности, для температур 930-980 °С справедливо уравнение Аррениуса в виде

Vir, №rÄC0a 10* ■ ехр (-Í00000/R Т) ; (2) Ver,КгС03 = 5,83-10*- ехр (- ЩШû/RT) , (з)

где V сг выражено в мг/смЯ мин, энергия активации - в Дж/мсль, универсальная газовая постоянная R - в Дж/(моль-К),

3 интервале температур 870-900 °С величины энергии ак-тивашт принимают значения, очень близкие записанным в уравнениях. Что касается температур 9С0-930 °С, то здесь наблюдается даже некоторое понижение скорости травления кварца. Аномальное изменение скорости процесса в этом случае связано, очевидно, с началом заметного образования ортосиликатов по прямой или вторичной реакциям.

lia кинетику взаимодействия гаарца с карбонатным распла-всм определяющее влияние оказывает содержание растворенного в нем диоксида кремния. Зависимости скорости растворения кварца от загущения карбонатного расплава кремнеземом имеют типичный вид: с ростом концентрации 5lOz в расплаве до 18-2С мае. % фиксируется непрерывное пониженно величин V от (Vcp) до'значений, близких к нулевом. Больная крутизна при— всЯ наблюдается на начальном участке.

При прочих равных условиях интенсивность растворения кварца в расплава карбоната натрия выше, чем в расплава карбоната калия. Кроме того, на примере расчета старости асплывания пузырьков углекислого газа ;:з расплавленных Na¿CQ¿ и K¿CÚj при 920-97С °С показано, что овакуашш газа более затруднена во втором расплаве. Эх;: объекты обусловлены моньшеЯ вязкостью расплата }io¿CO¿ .

Для определения стехиометрии реакций кварца с карбонатами выполнены эксперименты, в которых контролировали изменение массы реаг.ентов, а также оснастки для осуществления опыта. Содержание Б10г в расплаве доводили до 10 мае. % при длительности опыта до 3 ч. Из материального баланса находили величину мольного соотношения С02:ЗЮ^ (у) , Такие-же величины рассчитывали по данным дериватограмм для смесей Яо^СОз - КС1 ~ , где мольное соотношение карбоната к

диоксиду кремния равнялось 2:1, а скорость нагрева составляла 10 град/мин. Содержание хлорида в смесях изменяли от 10 до 50 мае. %. Некоторые из полученных данных для реакций ¿10гс карбонатом натрия приводятся в табл.3.

Мольное соотношение С0о

Таблица 3 SiOg при растворении

в расплаве карбоната натрия до 10 мае- % кварцевого песка

Солевая часть системы | Температура ¡изотермы- ! !ческого ! ¡растворе- ! !ния ! °С макси- ! мума нагрева смеси Прореаги ровало Sl02> г -¡Выдели ¡лось !С 02> Г г ! -¡Г i № !; SiOg

Расплав Nü¿C0¿ 870 15,000 11,440 1,04

То же 930 16,680 14,430 1,18

970 12,910 15,190 1,60

Смесь Ná¿C0¿ (80 мае. %) -

КС((20 мае. %) 710 0,058 0,039 0,92

То же 740 0,058 0,040 . 0,94

880 0,060 0,050 1,14

pi __ 950 0,060 0,053 1,27

Из анализа мольного соотношения С02 : ¿102 в реакциях кварца с карбонатами следует, что с повышением темпера-

тури, в особенности выше 300 °С, усиливается образование основных силикатов. Опнтами установлено, что величины у для системы расплав SlO^ ■ существенно меньше тако-

вых для системы Ыа^СОз - SiQz •

Учитывая, что расплавы чистых карбонатов калия и натрия обладают высокой вязкостью, представлял интерес поиск добавок солей, улучшающих эту характеристику. Кроме того, з этом случае можно било рассчитывать на некоторое повышение скорости исследуемого процесса, лимитируемого диффузией. В качестве тагах солевых добавок выбраны хлориды натрия и калия. Действительно, изучение взаимодействия кварца со смесями и расплавами N<32COj-KGE, Na^CQj-NaСL методами дериватографии и изотермической гравиметрии образца позволило выявить ускоряющий эффект как в "чистых", так и в загущенных силикатами системах. В частности, изотермы скорости травления кварца в расплавленных карбонатно-хлоридных смесях имеют вид кривой с максимумом (рис. I). При этом для расплава NdpCOj- КС£ в точке максимума скорость взаимодействия более чем вдвое выше, чем для чистого No¿С0j . Ускоряющее влияние хлорида натрия выражено в меньшей мере. В загущенных силикатами карбонатно-хлоридных расплавах положительное,влияние хлоридов на процесс сохраняется (рис.2). Измерения показали, что в области температур 800-900 °С скорость растворения кварца в расплавленных смесях NctzCQj-KCi где содержание хлорида составляет 10-50 иаа.%, хорошо описывается уравнением Аррениуса. Относительная высота максимума с понижением температуры уменьшается.

Как уже отмечено, химические реакции в системах кварц-ДОа2СО3 и кварц-NfljCOj-KCi изучали также в неизотермических условиях на дериватографе системы О.Паулик, И.Паулик и Л.Ордеи. Стехиометрию реакций определяли по ТГ-кривым, состав силикатов идентифицировали с помощью рентгенофазового анализа. Максимальная температура нагрева достигала 950 °С, скорость нагрева составляла преимущественно 10 град/мин. Креме порошкообразных смесей, дериватографическому изучения, подвергали системы расплавlJa2C0j- кварц (кольцо), расплавы Qfa2C0j-KC£)- кварц (кольцо). Такая методика эксперимента, в отличие от традиционной, позволила сделать более точные

I т«н, пг^п'пм)

V, мфм'-мим)

и ¿о м *о та,тс.;;

■И

—™ Г 5

4" 10 15 В10г,мас.%

Рис. I, Влияние содержания хлорида в расплавленных смесях ЫйгС03-Ки (I) и НагС03-^оСЦ2) иа стационарную скорость растворения кварца при температуре 900 С.

Рио. 2. Шшяние содержания диоксида кремния в расплаве ЫвгСОлЩи смесях Ы^Щ-КМ (2,3,4 на скорость растворения кварца при температуре 900 °С. Содержание хлорида в исходной смеси, мао. %'. 2-10; 3,5-20; 4-30.

определения скорости процесса и обусловило другие преимущества. Проведенные исследования позволили выявить особенности протекания реакций кварца с карбонатом натрия в присутствии хлорида калия, описать кинетику взаимодействия.

Совместное рассмотрение результатов изотермической гравиметрии, дериватографических и рентгенофазових исследований, а также термодинамического анализа возможности обменного взаимодействия в системе Ыа2С0э-Ш ~510г показало, что добавление в карбонатный расплав хлорида калия не изменяет последовательности химических превращений и состава продукта на кварце и в объёме расплава, а следовательно, и механизма взаимодействия в целом. Ускоряющий эффект добавок хлори дов обусловливается, главным образом, влиянием их на физико-химические свойства расплава. Так, по мере роста содержания хлорида вязкость расплава уменьшается. Это способствует

ускорении диффузии ионов, массопереноссм которых лиинш-руется скорость процесса. Однако параллельно с оп;.-л действует фактор разбавления, т.е. понижения концентрации активного реагента. Первоначально превалирует первый фактор, и скорость процесса повышается. Далее происходит компенсация и определяющее влияние начинает оказывать понижение концон-

о

трации ионов СОд', вследствие чего реакция затухает.

Выполненные исследования позволили выявить прошдуще-ства расплава ЫагС03-КС£ для удаления кварцевой керамики. Для технологических целей целесообразно нспочьзоаание расшгаза карбоната натрия, содержащего до 20 мае. % хлорида калия.

В четвертой главе изложены результаты исследований по выбопу оптимального состава рабочего расплава ц отработке оптимальных параметров технологического процесса.

Управление процессом очистки отливок может осуществляться добавлением в карбонатный расплав активных добавок.

В работе о применением методики планирования окспери-ментов, позволяющей получить уравнение модели процесса в виде суммы нелинейных функций, исследовано совмос-тноо влияние добавок к карбонатному расплаву хлорида калии, фторида натрия, древесного угля, диоксида кремния и оксида железа на дкорость растворения кварца и жидкотекучесть расплава при изменении температуры опытов а пределах 870-Э60 °С.

Обработка в расплаве кварца производилась ао ранее наложенной методике, а жидкотекучесть расплава оценивалась по величине его выноса на пластинах 1x35x45 т из стали Х18Н10Т.

Согласно выбранным факторам и уровням их варьирования, был реализован многофакторныЯ эксперимент 5x5 (всего 25 опытов). Для каждого из опытов безводные солевые компоненты загружали в тигель, температуру расплава доводили до заданного значения, посла чего в расплавленную ванну в контейнере из стальной сетки погружали доавасний уголь и вводили небольшими порциями в течение 2,5-3 ч смесь Ре О

и кварцевого песка (1:5). После удаления контейнера расплав перемешивали, выдерживали 30-40 мин, затем обрабатывали образцы.

Результаты опытов показали, что- максимальная скорость растворения кварца достигается при 960 °С и .содержания в расплаве 20 мае. % KCl, 2 мае. % JtfaF и 0,5 мае. % древесного угля, а минимальный вынос расплава - при 900 °С, содержании в нем 20 мае. % KCl, 5 мае. % NaF и 0,75 мае. % древесного угля.

Полученные данные обстоятельно уточнены в лабораторных и производственных условиях путем очистки от остатков керамики стальных отливок, что позволило разработать оптимальный состав рабочего расплава, содержащего, мае. % : калия хлорид 10-15 натрия фторид 1-5 натрия карбонат остальное, при периодическом добавлении в расплав древесного угля в ко-' отчестве 0,1-0,3 % от массы обрабатываемых отливок. Оптимальная температура очистки 900-920 °С. Рабочий расплав используется до содержания в нем 18-20 мае. % растворенной керамики, после чего подлежит замене. По сравнению с расплавом карбоната натрия без добавок рекомендованный расплав обеспечивает примерно 2-кратное повышение скорости очистки отливок и уменьшение расхода солей в 1,5-2 раза. " •

В ходе выполнения технологических исследований отработана оптимальная схема охлаждения и отмывки отливок от солей, изучены микроструктура и механические свойства ряда конструкционных доэвтектоидных марок стали, показана возможность совмещения очистки с термической обработкой отливок, оценена коррозионная и обезуглероживающая активность расплава по .отношению к металлу отливок, определен удельный расход ьатериалов.

На базе выполненных исследований разработан совмещенный процесс очистки и термической обработки точных стальных отливок (рнс.З),включающий следующие операции:

- подогрев отливок до температуры 200-250 °С в течение 15-20 мин;

- химическая очистка и аусгенизация отливок при температуре 900-920 °С в течение 20-30 мин в карбонатном расплаве с добавками хлорида калия (10-15 мае, %) и фторида натрия (1-5 мае. %);

- изотермическое охлаждение отливок до температуры 650-680 °С в течение 20-30 мин в расплаве,, содержащем карбонат натрия (50 % мае. %) и хлорид калия (50 мае. %);

- охлавденио и предварительная промывка отливок в проточной воде в течение 5-10 мин;

- осветление отливок в 15-20 $-ном растворе ингибиро-ванной соляной кислоты при комнатной температуре в течение 10-15 мин;

- окончательная промывка и пассивация отливок б растворе нитрата натрия 6 г/л и карбоната натрия 4 г/л при температура 80-90 °С в течение 5-10 мин;

- сушка отливок на воз,духе за счет аккумулированного тепла.

Для предупреждения окисления и обезуглероживания поверхности отливок их перенос из ванны очистки в ванну изотермического охлаждения и из последней на промывку в воде должен быть ограничен до 20-30 с.

В пятой главе дано описание комплексного технологического процесса и оборудования для химической очистки и термо-т. обработки точного стального литья.

В целях применения нового процесса в условиях массового и крупносерийного производства стального литья по выплавляемым моделям создана автоматизированная линия.

Техническая характеристика

Производительность, кг/ч Мощность установленная, кВт Напряжение питающей сети, В Емкость контейнера, к£ Темп подачи контейнеров, мин Цикл обработки отливок, ч

500-800

835

380

50-70

2,5-10

1,5-2

ваздух РАСПЛАВ РАСПЛАВ РАСТВОРЫ

злгр азк*

млл

ЛЛЛЛ 7/Л//}

выгрмм

I

I I '. I

подогрев очистм и /асгеюшция изотермическое охалх- атныенл I плсскыция

декие I освегление |

<080 800

и

г" ьоо I т

т к

200

( \ I 1 ! , _ '_!_ !

V ! 1 ! 1.1 !

' 1 ! 1 1 1 1

1 ' 1 1 1 | '

15 10 65 30

ВРемЯ ОБРАБОТКИ, ми»

Рис. 3. Схема совмещенного технологического процесса химической очистки и термической обработки точных стальных отливок в расплавах солей

Габаритные размеры, мм: длина

22000 8500 4500

ширина (о рельсами) высота

Работа линии осуществляется следующим образом.

Отливки с остатками керамики загружаются автоматически дозатором в контейнеры, закрепленные на подвесках автоматического конвейера, и транспортируются через печь подогрева. Том самым гарантируется отсутствие влаги на отливках ¡три их погружении в расплав солей.

Далее контейнеры с отливками специальным устройством -перзкидом, работающим синхронно с конвейером, переносятся в первую олектродно-соляную ванну. В этой ванне, футерованной хромомагнезитовым кирпичом и содержащей до 2 т расплава карбоната с добавками, отливки перемещаются в течение времени, необходимого для их нагрева, очистки и выдержки, которая требуется для завершения фазовых и протекания диффузионных процессов.

После обработки в первой печи-ванне контейнеры с отливками переносятся перекидом во вторую печь-ванну, содержащую расплав эвтектической смеси карбоната и хлорида, гдо отливки промываются от остатков расплава первой печи-ванны и выдерживаются в течение времени, необходимого душ изотермического превращения аустенита в перлит.

Конструктивно печь-ванна выполнена аналогично первой. Отличие состоит в том, что для ускорения охлаждения отливок и исключения перепадов температур по сечению расплави предусмотрено его перемешивание с помощью механических активаторов.

После завершения перлитного превращения контейнеры о отливками переносятся в камеру, где потоком воды охлаждаются до температуры 30-50 °С. Затем контейнер, попадая в зону действия кантователя, автоматически разгружается. Порожние контейнеры возвращаются подвесным конвейером на позицию загрузки, а отливки из приёмного бункера подаются транспортером в барабан-накопитель, где отмываются в воде от остатков солей.

Из барабана-накопителя отливки автоматически перегружаются в барабан осветления, а затем в барабан окончательной промывки и пассивации. В последнем обработка производится при температура 80-90 °С, поэтому извлеченные из него отливки высыхают на воздухе за счёт аккумулированного гепла.

Технологические агрегаты линии изолированы от атмосферы цеха кожухами и снабжены эффективной вытяжной вентиляцией.

Положительные результаты производственных испытаний подтвердили преимущества новой разработки и позволили внедрить процесс и линию на трёх заводах страны с суммарным годовым экономическим эффектом 880 тыс. рублей в ценах 1990 года.

Достоинства нового процесса в сравнении с традиционной технологией очистки литья по выплавляемым моделям в растворах едких щелочей и последующей термообработки в проходных нормализационных агрегатах заключаются в следушем:

- совмещаются операции очистки отливок от керамики, литейных окислов и термообработки;

- с 10-15 до 1,5-2 ч сокращается цикл обработки отливок;

- исключаются из производства дорогие к токсичные едкие щелочи, улучшаются санитарно-гигиенические условия труда;

- обеспечивается высокое качество термообработки отливок за счет сочетания его ускоренного безокислительного нагрева и изотермического охлаждения;

- исключается применение для термообработки защитных газовых сред, ликвидируется'взрывоопасное производство;

- в 2-3 раза снижается трудоёмкость Обработки отливок;

- в среднем на 33 рубля в ценах 1990 года снижается себестоимость I тонны отливок.

Результаты диссертационной работы должны найти более широкое применение, учитывая, что в аналогичной высококачественной обработке нуждается значительная номенклатура отливок из стали и чугуна, полученных литьем в обычные песчано-глинистые и кидкостекодьные формы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Исследование физико-химического процесса обработки стальных отливок в расплавах солей на основе щелочных ¡карбонатов, в частности кальцинированной соды, позволило установить перспективность, экологическую и экономическую эффективность этого метода для качественной очистки и термообработки точных стальных отливок, получаемых по выплавляемым

ждолям.

2. С использованием термодинамического анализа обоснован состав продуктов хишчоского взаимодействия основных компонентов кварцевой керамики с карбонатами натрия и калия, определены условия и последовательность реакций в интерпале температур 800-1400 К. Установлено, что при очистке отливок

в атмосфере воздуха в ванне с расплавленным карбонатом должны накапливаться метасиликат, ортосиликат и феррит щелочного металла, при этом содержание, ортосшшкага должно повышаться, а метасиликата уменьшаться с увеличением температуры н длительности работы ванны.

3. Исследованы с применением методов изотермической гравиметрии образца в условиях свободной конвекции, дериватогра-фического и рентгенофазового анализа кинетические закономерности процесса взаимодействия кварцевого стекла с карбонатными и карбонатно-хлоридными расплавами, что позволило обнаружить аномальное снижение скорости растворения кварца в интервале температур 900-930 °С, связанное с изменением состава продуктов реакции, выявить предпочтительность применения для очистки отливок карбоната натрия, установить возможность интенсификации процесса за счет добавления к карбонату до 20 % по массе хлорида калия, объяснить ускоряющее влияние хлорида изменением физико-химических свойств расплава.

4. С использованием методики рационального планирования многофакторного эксперимента и математического анализа полученных результатов разработана приближенная математическая модель растворения кварценоЯ керамики в расплавах карбоната, содержащих ряд полезных добавок, и получены сведения по оптимизации процесса очистки отливок.

5. Результаты экспериментальных исследований позволили разработать для термоочистки отливок от остатков керамики и оовмещенной с ней термообработки следутаций оптимзльный состав рабочего расплава (мае. %)•. хлорид калия 10-15

фторид натрия 1-5 карбонат натрия остальное В расплав следует периодически вводить древесный уголь в количестве 0,1-0,3 % от массы обрабатываемых отливок.

6. Установлена целесообразность .совмещения процесса термохимической очистки стальных отливок от остатков керамики с их термической обработкой - изотермическим отжигом, повышающим служебные'свойства литой стали.

7. Экспериментальные и технологические исследования, подтвержденные результатами производственных испытаний, позволили разработать комплексный технологический- процесс термохимической очистки от остатков кварцевой керамики и термообработки точных стальных отливок.

8. Для использования в условиях крупносерийного и массового производства стального литья по выплавляемым моделям разработана промышленная технология и создана автоматизированная линия для термохимической очистки и совмещенной с ней термической обработки отливок.

9. Внедрение комплексного технологического процесса подтвердило его интенсивность и "экономичность, позволило получить экономический эффект в суше 880 тысяч рублей в ценах 1990 года.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

I. Зарубицкий О.Г., Дштрук Б.Ф., Доценко В.К. Использование реакций тугоплавких оксидов с гидроксидами и карбонатами для очистки поверхности металлов в расплавах // У Конференция социалистических стран по химии расплавленных солей: Тез. докл. - Киев, 1984. - С.18.

2. Зарубицкий О.Г., Доценко В.К., Дмитрук Б.Ф., Поль-гуев Ю.В. Исследование, разработка и опыт промышленного освоения совмещенного процесса очистки и тормообработки сталь • них отливок в карбонатных расплавах // Тез. докл. У111 Всесоюзной конф. по физической химии и электрохигдш ионных расплавов и твердых электролитов. Т.1. - Л.: Наука, 1983. -

С.174-176.

3. Зарубицкий О.Г., Дмитрук Б.Ф., Дубовой II.Г., Доценко В.К., Польгуев Ю.В. Исследование, разработка и внедренне процессов химико-термической обработки литья в расплавах солей // Термодинамика и электрохимия расплавленных солей. -Киев: Наукова думка, 1982. - С.80-95.

4. Зарубицкий О.Г., Дмитрук Б.Ф., Грочзша Т.Н., Доценко В.К., Польгуев Ю.В. Плотность и жидкотекучесгь расплавленных карбонатно-хлоридных смесей // Физическая химия ионных расплавов и твердых электролитов: Сб. науч. тр. - Киев: Наукова думка, 1983. - 0.165-167.

5. Дмитрук Б.Ф., Доценко Ь.К., Зарубицкий О.Г. Исследование взаимодействия.кварца с карбонатами щелочных металлов // Термодинамические ц электрохимические свойства ионных расплавов: Сб. науч. тр. - Киев: Наукова думка, 1984. -

С.126-137.

6. Дмитрук Б.Ф., Зарубицкий О.Г., Доценко В.К. и др. Исследование взаимодействия кварца с карбонатом натрия в расплавленных смесях НагС03- КС1 // Укр. хим. ж. - 1985. -Т.51, й II. - С.1167-1171.

7. Доценко В.К. Перспективы распространения совмещенного способа очистки и термической обработки отливок в расплавах солей // Основные направления и перспективы развития технического перевооружения литейного производства предприятий Минтракгоросельхозмаша на 1976-80 годи: Тез. докл. и сообщений Всесоюзной науч.гТвхнич. конф. - Волгоград, 1976. -С.35-38.

8. Доценко B.K,, Севрук O.K., Углянская P.A., Польгу-ев Ю.В. Термохимический способ очистки и упрочнения стального литья в расплавах солей // Применение новых материалов в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении: Материалы семинара. - Барнаул, 1977, - С.20-23.

9. Чекалин Н.П., Доценко В.К., Севрук O.K. и др. Комплексная механизация процесса очистки и термообработки отливок в расплавах солей // Применение новых материалов в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении: Материалы семинара. - Барнаул, IS77. - С. 26-29.

10. Чекалин Н.П., Доценко В.К., Кудряшов С.А. и др. Опыт механизации и автоматизации очистки и термообработки стального литья в расплавах солей // Повышение эффективности литейного производства и качества литых заготовок: Тез. докл. I Всесоюзного науч.-технич. съезда литейщиков. -Минск, 1978. - С.23-24,

11. Доценко В.К., Севрук O.K., Углянская P.A., Польгу-ев Ю.В. Совмещенный процесс очистки и термообработки точных отливок в расплавах солей // Литейное производство. - 1979. Ä 9. - С.23-24.

12. Доценко В.К., Углянская P.A., Севрук O.K. Совмещение операций очистки от остатков керамики и термической обработки отливок в расплавах солей // Перспективы развития производства .питья по выплавляемым моделям: Материалы семинара. - М.: МДНШ. 1975. - С. 166-169.

13. Чекалин Н.П., Доценко В.К., Севрук O.K. и др. Линия очистки и термообработки отливок в расплавах солей // Литейное производство. - 1981. - Ji 6. - С.25-27.

14. Доценко В.К.; Углянская P.A., Севрук O.K., Польгу-ев Ю.В. Совмещенный техпроцесс очистки и термообработки лить ч в расплавах солей // Молодежь и технический прогресс: Материалы конференции. - Барнаул, 1975. - С.74-77.

15. Доценко B.K., Углянсная P.A., Севрук O.K. Совмещенный технологический процесс очистки и термообработки отливок: Информ. .листок. Серия 10,09. - М.: ЦНИИТЭИТракторосель-хозмаи. - 1975. - J5 52 (246). - 2 с.

16. A.C. 231746 СССР, МКИ В 22 29/00. Способ очистки отливок от остатков керамики / В.А.Черников, В.К.Доценко, Б.П.Толмачев (СССР). - № 1093430/22-2; Заявлено 26.07.66; Опубл. 28.11.68, Бил. Й 36 // Открытия. Изобретения, - 1968.

- й 36.

17. A.c. 444820.СССР, 1КИ C2I d 1/82: Способ очистки отливок от остатков керамики/ В.К.Доценко, O.K.Севрук, Р.А.Углянская (СССР). - й I8I3937/22-I; Заявлено 24.07.72; Опубл. 30.09.74, Бш. й 36 // Открытия. Изобретения. - 1974,

- й 36. .

18. A.c. 576440 СССР, МКИ2Р 04F 10/00. Устройство для перелива жидкостей/ O.K.Севрук, А.С.Мушаков, В.К.Доценко и др. (СССР). - й 2367703/06; Заявлено 01.06.76; Опубл. 15.10.77, Бил. й 38 // Открытия. Изобретения. - 1977. - й 38.

19. A.c. 607751 СССР, МКИ2 B65ß 1/06. Устройство для дозирования деталей /Н.П.Чекалин, В.А.Марченко, Г.А.Кобзева, В.К.Доценко, O.K.Севрук, Ю.В.Польгуев (СССР). - й 2446220/ 28-13; Заявлено 25.01.77; Опубл. 25.0b.78, Бил. й 19 // Открытия. Изобретения. - 1978. - й 19. i

20. A.c. 727712 СССР, МКИ2 C23G3/00. Конвейер для перемещения обрабатываемых изделий через вашш/ Н.П.Чекалин, О.С.Веретенова, Л.К.Подщнвалов, В.К.Доценко, O.K.Севрук, (СССР). - й 2132704/22-2; Заявлено 05.05.75; Опубл. 15.04.80, Бкш; й 14 // Открытия. Изобретения. - 1980. - й 14.

21. A.c. 789636 СССР, МКИ3 C23ÖI/28. Расплав солей для очистки отливок от оотатков кварцевой керамики/ В.К.Доценко, Р.А.Углянская, О.К.Севрук, Ю.В.Польгуев. - й 2540061/22-02; Заявлено 03.11.77; Опубл. 23.12.80, Бш. й 47 // Открытия. Изобретения. - 1980. - й 47.

22. A.c. 897865 СССР, МКИ3 C2ID 1/46. Электродная печь-ванна/ О.К.Севрук, В.К.Доценко, В.А.Марченко и др. (СССР). - Я 2893630/22-02; Заявлено 13.03.80; Опубл. 15.01.82, Бад. Я 2 // Открытия. Изобретения. - 1982. -»2.

23. A.c. 950801 СССР, МКИ3 C23G1/28. Способ очистки отливок от остатков формовочной или керамической смеси/ Ю.В.Польгуев, В.К.Доценко, О.К.Севрук и др. (СССР). -

Ii 3213935/22-02; Заявлено 22.10.80; Опубл. 15.08.82, Бил. № 30 // Открытия. Изобретения. - 1982. - № 30.

24. A.c. 1039841 СССР, МКИ3 B65G 49/02. Линия для химической и термической обработки изделий/ В.И.Дорофеев, В.П.Дигятев, В.К.Доценко и др. (СССР). - № 3401698/27-03; Заявлено 23.02.82; Опубл. 07.09.83, Бюд. Я 33 // Открытия. Изобретения. - 1983. - № 33.

25. А.ö. II16097 СССР, МКИ3 С23 1/28. Способ очистки отливок от остатков литейной формы/ В.К.Доценко, О.Г.Зару-бицкий, Ю.В.Польгуев и др. (СССР). - Я 3600845/22-02; Заявлено 06.06.83; Опубл. 28.08.84, Бил. № 36 // Открытия. Изобретения. - 1984. - № 36.

26. A.c. II279I7 СССР, МКИ3 C23GI/28. Способ химической очистки отливок от керамики и устройство душ его осуществления/ О.Г.Зарубицкий, .В.А.Марченко, В.К.Доценко и др. (СССР). - Я 3634573/22-02; Заявлено 16.08.83; Опубл. 15.11.84, Бнм. Я 45 // Открытия. Изобретения. - 1984. - № 45.

27. A.c. I171565 СССР, МКИ4 C23G 3/00. Способ химической очистки отливок и линия для его осуществления/ В.К.Доценко, Н.П.Чекалин, А.К.Кисляков и др. (СССР). - Ji 3570470/ 22-03; Заявлено 29.03.83; Опубл. 27.06.85, Бюл. Я 29 // Открытия. Изобретения. 1985. - Я 29.