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

На правах рукописи Доценко Владислав Константинович

О

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ШС ОКОТЕЖЕРАТУРНСЙ ФИЗЖО-ХШИЧЕСКСЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК В КАРБОНАТНЫХ РАСПЛАВАХ

Специальность 05.16.02 -металлургия черных металлов

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новокузнецк - 1996

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

Научный консультант: кандидат технических наук,

доцент Бородин В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Хрущев М.С.

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 " ¿Г" 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета*-" кандидат технических наук, __

доцент ^ У А.Л.Николаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Получение отливок с 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 ига 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 шапочных металлов, являются обоснованными. .

Ранеа разрабатывались отдельные процессы, предусматривающие только очистку отливок, термообработка осуществилась по другой независимой схеме. Поэтому" особый интерес представляет создание комплексной технологии, совмещающей процессы очистки и термообработки литых деталей.

Именно решению данной актуарной проблемы и посвящена настоящая работа.

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

Научная новизна работы заключается в получении новых. данных о физико-химических процессах, протекающих прз взаимодействии основных компонентов кварцевой керамики в еэн-не с расплавленными карбонатами натрия или калия, обнаружении ускоряющего эффекта влияния щелочных хлоридов на процесс растворения кварца в расплаве карбоната натрия и установлении природы этого влияния, разработке оптимального оосгава рабочего расплава и параметров совмещенного технологического процесса очистки от керамики и термообработки 1 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 х"равнметрии образца в условиях свободной конвекции, дери-ватографии, дифферонциальнотершческого и теркюгравимэтри-ческого анализа. Состав продуктов превращений устанавливали химическим и рентгенофазовым анализом. ■ Для исследования свойств металла применяли металлографические методы.

Практическая ценность. Результаты исследований использованы для 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.М.Шкленника, В.А. Озерова.-!.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.

Апробация -работы и публикатаи. Материалу работа обсуждались на ряде научных конференций и семинаров, а также на I Всесоюзном съезде литейщиков и 222-м заседании Комитета точного литья НТО Машпром. Т1о тема 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 известии .методов очистки отливок, показана перспективность развития термохимических способов, обесле-чивэших объёмность и высокое качество обработки поверхности .литых деталей.

Учитывая известные затруднения в более широком применении 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 солеЕой ванне при термохимической очистке отливок.

В связи с изложенным задачами исследований предусматривалось:

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

о

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

- выбрать добавки, повышавдие 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 высоко температурной 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 для обоснования состава продуктов химического взаимодействия компонентов керамики («¿-кварца, оксидов и силикатов железа) с карбонатами натрия и калия, определения условий и последовательности реакций. Всего исследоЕа-но 39 возможных реакций.

Термодинамика реакций в системах Мег0-$1ОгМегС0^5с0г рассмотрена ранее в работах Матвеева Г.М. Однако при этом не учитывалась возможность получения пиросиликага 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 компонентов в исходной смеси нельзя считать правильным, т.к. он находится в противоречии с экспериментальными данными.

Расчеты энергии Гиббса и теплового аффекта реакций проведены с использованием уточненных значений энтальпии внутренне сошгасоБанных между собой, энтропии ( 5 °2эв) п высокотемпературных составляющих энтальпии и энтропии веществ, заимствованных из справочников либо вычисленных по теплоемкости.

Изменение энергии Гиббса ряда реакций в системах иагС03-510г ,для стандартных условий приведено в табл. I/ Учитывая, что в- реальных процессах парциальной давление С02 может существенно изменяться, расчет дСт выполнили также при Рпд = Ю-*,Ю-2, Ю-3 и Ю-4 атм. " 2 ,

Как следует из термодинамического анализа (табл.1), получение мета- и дисшгакатов в исследуемых 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, меньше • пардиальное давление углекислого газа 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/,г) рассчитывали по форвдпе, предложенной. О.Г.Зарубицким и Б.Ф.Дмздруком:

. р. - ___;- (!)

г/> т (А в разу,. +&Са,Мг£0) п л бд, 5г02 Х'де л лСразА. л &а - изменения энергии Гиббса соответственно реакция образования силиката, разложения карбоната и ато:.п:зации оксидов, а ГП и П - сгехиометричес-кие коэфЪицсенги.

Из сопоставления'величин Ррг следует, что состав первичного продукта определяется условиями проведения реакции. В частности в системе ЫйгС0з~510г при давлении СО2, равном его парциальному значению в воздухе (3 • Ю-4 атм), до температуры примерно 1070 К более вероятно образование Маг&03г

(н ID

Р,о ф О

m

ГО я

ш

с^осмосс^юююсомюааспсосоою

^Nniûooœaj'io-footorf

Ы1рп СМ Ol СП СО 10 N W TÍ га о

Ml III I I N M M I I J

H n to

CO ^ 00

I M I I

этс^сьсоюююсосою^мсоюсо^ю-^

s

CO CM Ю CM Ю M N

ю oo ю m см i м<

III I

CD О О W CD CJ I I

Ю (M in Ю О

О CO TP CO CM МП

I I

cocoonor-c~-cocor-o

Г-"

? ï I (

M о о о iß £>- ю

CM N N tn з I CM Ю CJ>

NnincimiDmoiíflon

I M M M I I I

COCÛMO^OîCTlOCMWC^ O) «q< Щ П (О ^ О

inOMNNTfNHia •^iOCvJCOMffltOVlO I I I

Е-СМСМЮС^-СО'Ч'МЕ«-M Г- I СО xi Ш Ч1 со со

I

N О л|

О О СМ N + ° о О

* ° О + + S

CM

О g

о V о °

«5 а

W

о

gs

+ N-O

о +

(M

2 а

>ta 7 ¿S О

«ч

rig О

s*

4-

««I

10 (Mr л .

г? СО + -Г

о

—«¿Кг-?—1I <и -Т/М ^ со <NJ Í2 (0 Л

KJ

II

(tío

ь. г; гд^ и » *

II rti "> J*1 Г, V-"

il ^ „ о о «>сэ

11 О о О и „

wO II CM <М <мО и -

а

lo "> + 1 *• J? + О о «lo

SSjo-^sîsSg4

см смГГ tj со <МС/1 сл о ^Srtjcarti^njrosc

<МС0 s ju ° N° ^ Vä " $ fe; fe

з и ^ О fe; + ё СМ м 'i й ? 11 «

3 «л t»« <NJ g о О

* C4J Ч +

«1 о о

*0 о

^° ч* + + :

+ + СО fM

СЛ ^Г CM II

11 сэ -

« I 0пи° 11 + ^ 0 И «lO Jî1 Í41 Ч Ч w „

мо с^о о* (У о ^ ¡3 ¿¡

+ 01 2 «2 <NJ ir) J? N't Й tf + + ^ £ £

>o o

+ +

CM

Q) q>

U 4 N M смгГ Й ¡2

CM CM <U <u <D ^ ÎTÎ

« « b-, Сц ^ ^ ^

MMMMMMMMM

при более высокой температуре большими величинами Р/,т характеризуется реакция получения Nüí/SlOj, . С повышением давления С0? до 10огм в интервале температур 8001200 К первичным продуктом, согласно расчетам, будет ллшь гло га силикат. Аналогичные выводы касаются системы Kz^03-SiO¿ (табл. 2). Таким 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 метасиллкаты. При преимущественном получении Me¡>SlO¿ дальнейшие химические превращения с избытком карбонатов определятся реакциями 6, 7 и II (табл. I), которые в атмосфере COg термодинамически невозможны, а в атмосфере воздуха должны протекать выше 1000 К.

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

Таблица 2

Термодинамическая вероятность (Р/',г) преимущественного образования силикатов калия из карбоната калия и рС-кварца

Рсог, Т, К

EÍ,jl

агн.

KzS¿^09 ) KzSi¿Qs j Кг Si Os j K^SCOj,

1

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

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

80Ó" .1,68 2,22 3,25 1,82

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

1200 3,63 5,50 8,59 9,36

3-I0"4

Та иол образом, ори очистке отливок в ванне с расплавленным карбонатом натрия или калия будут накапливаться соединения Ме2Зс03> Ме^си МеГеО^ . При обогащении ванны кислородом возможно накопление феррата Ме+РеО^. Содержание ортосиликата 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 ортосиликатов, требувдих повышенного расхода карбонатного расплава, температуру процесса необходимо ограничивать.

Третья глава посвящена изучению кинетических закономерностей процессов химического взаимодействия кварца с карбонатными и карбонатно-хлоридными расплава™..

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 % Б 10г).

Соли квалификации "ч.д.а." наплавляли в тигле из жаростойкой стали Х23Н18. Температуру расплава поддерживали с погрешностью + 5 Выдержка образцов кварца в расплаве составляла от 0,5 до 20 шн. По результатам опытов определяли погори массы образца с единицы поверхности ( \Л/ ), стационарную скорость ( Уст ), вычисляемую по тангенсу угла наклона прямолинейных участков кинетических 1фивых V/-и,в ряда случаев, среднюю скорость (\/ср ) за время СС.

Характер изотерм V/ - Т сввдегельсггуег о том, что при погружении образца в расплавленный карбонат на поверхности кварца формируется слой продуктов реакции, который через 2-3 шн взаимодейсгрпя достигает, вероятно, постоянно!! гс-лишш, а с дальнейшим увеличением выдержки образца ■

в расплаве процесс контролируется диффузией реагентов.

Как обнаружено при обработке экспериментальных данных, кинетика травления кварца в расплавленных карбонатах натрия и катия в исследуемом диапазоне температур не подчиняется едино;: экспоненциальной зависимости. Повышение стационарной скоросги реакции имеет Meció в интервалах, температур 870-900 °С и 930-980 В частности, для температур 930-980 °С справедливо уравнение Аррениуса в виде

Ver, N<*¿co¿ "SS г- w* • exp (- tooooo/R T) ; (2)

Vct.KsCOj = 5,¿3-(0y-exp (-«SOOO/RT), (3)

где \J от выражено в мг/см2. мин, энергия активации - в Дж/мсль, универсальная газовая постоянная R - в Дж/(моль-К),

3 интервале тешетзатур 870-900 °С величины энергии активации принимают значения, очень близкие записанным в уравнениях. Что касается температур SC0-930 °С, то здесь наблюдается даже некоторое понижение скорости травления кварца. Аномальное изменение скорости процесса в этом случае связано, очевидно, с началом зомогиого образования оргосиликатов по прямой или вторичной реакция!,i.

IIa кинетику взаимодействия кварца с карбонатным расплавом определящеа влияние оказывает содержание растворенного в ном диоксида кремния. Зависимости скорости растворения кварца от загущения карбонатного расплава кремнеземом имеют типичный вид: с ростом концентрации . SlOz в расплаве до 1820 мае, % фиксируется непрерывное пониженно величин V ст СVcp) до'значений, близких к нулевом. Большая крутизна кри-BCÜ наблюдается на начальном участке.

При прочих равных условиях интенсивность растворения кварца в расплаве карбоната натрия выше, чем в расплава карбоната калия. Кроме того, на примере расчета скорости веллывания пузырьков углекислого газа из расплавленных nö2c0j и К2 С03 при 920-37С °С показано, что оваку&шш газа более затруднена во втором расплаве. Зт;: эффекты обусловлены меньшей вязкостью расплава НогС03 .

Для определения стехиометрии реакций кварца с карбонатами выполнены эксперименты; в которых контролировали изменение массы реагентов, 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 С0г:5Юг (¡р . Такие-же величины рассчитывали по данным дериватограмм для смесей ЦогСО} - КС1 - вСО^ , 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 с карбонатом натрия приводятся в табл.3.

Таблица 3

Мольное соотношение СО^: ¡>№2 при растворении в расплаве карбоната натрия до 10 мае. % кварцевого песка

Солевая часть системы

Температура, °С

I

.1

¡изотермического ¡растворе-¡ния

Прореаги- ¡Выдели-! V» ровало ¡лось ! ( макси- ! 5^о2 ¡С 02>

г А г «

! адума на! грева ! смеси

Расплав ЫагС03 То же

Смесь ЫагСОл (80 нас. %) -

870 930 970

15,000 11,440 1,04 16,680 14,430 1,18 12,910 15,190 Г,60

КСН20 мае. %) 710 0,058 0,039 0,92

То же 740 0,058 0,040 . 0,94

и 880 0,060 0,050 1,14

и 950 0,060 0,056 1,27

Из анализа мольного соотношения С02 '• Ог в реакциях кварца с карбонатами следует, что с повышением темпера-

туры, в особенности выше 900 °С, усиливается образование основных силикатов. Опытами установлено, что величины f для системы расплав KgCOj- SlQi ■ существенно меньше таковых для системы СО3 -SlOz •

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 было рассчитывать на некоторое повышение скорости исследуемого процесса, лимитируемого диффузией. В качестве таких солевых добавок выбраны хлориды натрия и калия. Действительно, изучение взаимодействия кварца со смесями и расплавами Nq^COj- КС£, Na^COs~NaCi методами дериватографии и изотермической гравиметрии образца позволило выявить ускорякщий эффект как в "чистых", так и з загущенных силикатами системах. В частности, изотермы скорости травления кварца в расплавленных карбонатно-хлоридных смесях имеют вид кривой с максимумом (рис. I). При этом для рэсплава NQgCOj - /<С2 в точке максимума скорость взаимодействия более чем вдвое выше, чем для чистого ¡^(¡¿COj . Ускоряющее влияние хлорида натрия выражено в меньшей мере. В загущенных силикатами карбонатно-хлоридних расплавах положительное влияние хлоридов на процесс сохраняется (рис.2). Измерения показали, что в области температур 800-900 °С скорость растворения кварца в расплавленных смесях НагС03-№, где содержание хлорида составляет 10-50 мае. ¡2, хорошо описывается уравнением Аррениуса. Относительная высота максимума с понижением температуры уменьшается.

Как уяе отмечено, химические реакции в системах кварц-№агС03 и KBapn-i^^iffj-KCi изучали также э ноизотермических условиях на дериватографе системы Ф.Паулик, И.Паулик и Л.Зрдеи. Стехиометрии реакций определяли по ТГ-крияым, состав силикатов идентифицировали с помощью рентгенофазового анализа. Максимальная температура нагрева достигала 950 °С, скорость нагрева составляла преимущественно 10 град/млн. Кроме порошкообразных смесей, дериватографическому изучения, подвергали системы расплав$агС0р кварц (кольцо), расплавы ((ТагС03 -№}- кварц (кольцо). Такая методика эксперимента, в отличие от традиционной, позволила сделать более точные

Ш/^'пим)

V, мфм*-мин)

¡яака- » 1„. . г4 — 2

г --5

м «а м»а.««.7.

(0 15 ¿^.«ае.^

Рио. I. Влияние содержания хлорида в расплавленных смесях ЫагС03-КСПП и №гС03-МоС?(г) на стационарную скорость ра сто рения кварца при температуре 900 С.

Рио. 2. Нлияние содержания диоксида кремния в расплаве

№гС0# смосяхЫагЩ-№ <2,з,4),1УагС03-/\/а£ЗД на скорость растворения кварца при температуре 900 °С. Содержание хлорида в исходной смеси, мае. 2-10; З.Ь-20; 4-30.

определения скорости процесса и обусловила другие преимущества. Проведенные исследования позволили выявить особенности протекания реакций кварца с карбонатом нягрия в приоут-отвии хлорида калия, описать кинетику взаимодействия.

Совместное рассмотрение результатов изотермической гравиметрии, дериватографических и рентгонофазовых исследований, а также термодинамического анализа возможности обменного взаимодействия в системе Ма2С03-КС£ - 51 £32 показало, что добавление в карбонатный расплав хлорида калия не изменяет последовательности химических превращений и состава продукта на кварца 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

ускорению диффузии ионов, массоиереноссм которых лимнш-руется скорость процесса. Однако параллельно с о:;;,-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 концентрации ионов вследствие чего реакция затухает.

Выполненные исследования позволили выявить преимущества расплава КС£ для удаления кварцевой карами -ки. Для технологических целей целесообразно использование расплаза карбоната натрия, содержащего до 20 мае. % хлорида калия.

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

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

В рабств с применением методики планирования экспериментов, позволяющей получить уравнение модели процесса в виде оуммы нелинейных функций, исследовано со илис гное или-яние добавок-к карбонатному расплаву хлорида калия, фторида натрия, древесного угля, диоксида кремнии и оконца железа на дкорость растворения кварца и жидкотекучесть расплава при изменения температуры пиитов в пределах Й70-Э60 °С.

Обработка з расплаве кварца производилась по ранее изложенной методике, а якдкотекучеогь расплава оценивалась по величине его выноса на пластинах 1x35x45 мм из стали Х18Н10Т.

„Согласно выбранным факторам и уровням их варьировании, был реализован многофакгорный эксперимент 5x5 (воого 25 опытов). Для каждого из опытов безводные солевые компоненты загружали в тигель, температуру расплава доведши до заданного значения, посла чего в расплавленную ншшу в контейнере из стальной сетки погружали доевасниМ уголь и ейо-дили небольшими пошиями 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. % KaF и 0,5 глас. % древесного угля, а минимальный вынос расплава - при 900 °С, содержании в нем 20 мае. % KCl, 5 мае. % NO.F и 0,75 мае. % древесного угля.

Полученные данныо 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-' личества 0,1-0,3 % от массы обрабатываемых отливок. Оптимальная температура очистки 900-920 °С. Рабочий расплав попользуется до содержания в нем 18-20 мае. % растворенной керамики, после чего подлэнит 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 материалов,

На базе выполненных исследований разработан совмещенный процесс очистки к термической обработки точных стальных отливок (рис.3),включающий следуицие операции:

- подогрев отливок до тетера туры 200-250 °С в течение 15-20 шн;

- химическая очистка.и аустенизация 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 в течение 20-30 мин в расплава, содержащем .карбонат натрия (50 % мае. %) и хлорид калия (50 мае. %);

- охлаждение 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 а течение 10-15 мин;

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

- сушка отливок на воздухе 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 термообработки 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 500-800

Мощность установленная, кВт 835

Напряжение питащей сети, В 380

Емкость контейнера, к£ 50-70

Темп подачи контейнеров, шн 2,5-10

Цикл обработки отливок, ч 1,5-2

злгрщка

МАЛ ЛЛЛЛ

ш

7777р

вы грим

I

1 I . '. I 1

ПОДОГРЕВ ОЧИСТКЛ И ¿«СГЕШШЦИЛ ИЗОТТРМИЧЕСКОС (КШ- отмыв!м I лдссивлцил

Д£НМ£ I ОМЕГ/ЯЦиЕ I

03

0Р£МЯ 06Р«вТО», МИН

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

Габаритные размеры, мм: длина

22000 6500 4500

ширина (с рельсами) высота

Работа линии осуществляется следующим образом.

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

Далее контейнеры с отливками специальным устройством -перекидом, работающим синхронно с конвейером, переносятся в первую электродно-соляную ванну. В это!' ванне, фугерованной 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-вашш контейнеры с отливками перонослгся перекидом во вторую печь-ванну, содержащую расплав эвтектической смеси карбоната и хлорида, где отливки промываются от остатков расплава первой печи-ванны и выдерживаются в течение времени, необходимого для 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 расплава предус-( мотрено 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 контейнера возвращаются подвесным конвейером на позицию загрузки, а отливки из приёмного бункера подаются транспортёром в барабан-накопитель, где отмываются в воде от остатков солей.

Из барабэна-накопигеля отливки автоматически перегружаются в барабан осветления, а затем в барабан окончательной промывка и пассивации. В последнем обработка производится при температуре 80-90 °С, поэтому извлеченные из него отливки высыхают на воздухе за счёт аккумулированного тепла.

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 послэдухщвй термообработки в проходных нормализационных агрегатах заключаются в следутем:

- 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 и токсичные едкие щелочи, улучшаются санитарно-гигиенические условия труда;

- обеспечивается высокое качество термообработки отливок за счет сочетания его ускоренного безокисяительного 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 жидкосгекольные формы.

ОБЩИЕ В и В О Л И

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 ,пля качественной очистки и термообработки точных стальных отливок, получаемых но выплавляемым моделям.

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

в атмосфере воздуха в ванне с расплавленным карбонатом должны накапливаться метасиликат, ортосиликаг и феррит щелочного металла, при этом содержание ортосиликата 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 рентгене фазового анализа кинетические закономерности процесса взаимодействия кварцевого стекло с карбонатными и карбонатно-хлоридными расплавами, что позволило обнаружить аномальное снижение скорости растворения кварца н интервале температур £00-930 °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 кварцевой керамики в расплавах карбоната, содержащих ряд полезных добавок, и получены сведения по оптимизации процесса очистки отливок.

0. Результаты экспериментальных исследований позволили разработать для термоочистки отлинок от остатков керамики и совмещенной с ней термообработки следующий оптимальный 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 ог остатков кварцевой керамики и термообработки точных стальных отливок.

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

3. 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 следукдтх работах:

I. Зарубицкий О.Г., Дмитрук Б.Ф., Доценко В.К. Использование реакций тугоплавких оксидов с гидроксидзми 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., Польгуев Ю.В. Исследование, разработка и опит промышленного освоения совмещенного процесса очистки и гормообрабогки стальных отливок в карбонатных расплавах // Тоз. докл. У111 Всесоюзной конф. по физической химии и электрохимии ионных расплавов и твердых электролитов. ТЛ. - Л.: Наука, 1983. -

С.174-176.

3. Зарубицкий О.Г., Дмитрук Б.Ф., Дубовой И.Г., Доценко В.К., Польгуев Ю.В. Исследование, разработка и внедрение 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., Грочина Т.Н., Доценко В.К., Польгуев В.В. Плотность и жидкотекучеегь расплавленных карбонатно-хлоридиих смесей // Физическая химия ионных расплавов и твердых электролитов: Сб. науч. тр. - Киев: Наукова думка, 1983. - С.165-167.

• 5. Дмитрук Б.Ф., Доценко В.К., Зарубицкий О.Г. Исследование взаимодействия кварца с карбонатами щелочных металлов // Термодинамические и 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 нагрия в расплавленных смесях Ыа2С0з - КМ // Укр. хим. ж. - 1985. -Т. 51, № II. - С,1167-1171.

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

8. Доценко B.K,, Соврук O.K., Углянская P.A., Лольгу-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 H.II., 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, 1977. - С.26-29.

10. Чекалин Н.П., Доценко В.К., Кудряшов Ю.А. и др. Опыт механизации и автоматизации очистки и термообработки стального литья в расшивах солей // Повышение эффективности литейного производства л 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. № 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 литья по выплавляемым моделям: Материалы семинара. - М.: МДНТП, 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. - & 6. - С.25-27.

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

15. Доцонко В.К., Углянская P.A., Севрук O.K. Совмещенный технологический процесс очистки и термообработки отливок: Информ. .чисток. Серия 10.09. - М.: ЦНШТЭИТракторосель-хозмаш. - 1975. - Л 52 (246). - 2 с.

16. A.ö. 231746 СССР, МКИ В 22 29/00. Способ очистки отливок от остатков керамики / В.А.Черников, В.К.Доценко, В.П.Толмачев (СССР). - й 1093430/22-2; Ейязлвно 26.07.66; Опубл. 28.11.68, Бил. Л 36 // Открытия. Изобретения, - 1968.

- Л 35.

17. A.c. 444820. СССР, МКИ C2I с( 1/82: Способ очистки отливок от остатков керамики/ В.К.Доценко, O.K.Севрук,

Р.А.Углянская (СССР). - J6 I8I3937/22-I; Заявлено 24,07.72; Опубл. 30.09.74, Бил. № 36 // Открытия. Изобретения. - 1974,

- Я 36.

18. А.о. 576440 СССР, МЭД2 f 04f IO/Oü. Устройство для перелива жидкостей/ O.K.Севрук. А.С.Мушаков, В.К.Доценко и др. (СССР). -№ 2367703/06; Заявлено 01.06.76; Опубл. 15.10.77, Бкш. JS 38 // Открытия. Изобретения. - 1977. - № 38.

19. A.c. 607751 СССР, 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). - № 2446220/ 28-13; Заявлено 25.01.77; Опубл. 25.Ob.78, Еюл. И 19 // Открытия. Изобретения. - 1978, - № 19. !

20. A.c. 727712 СССР, МКИ2 C23G3/ÜO. Конвейер для перемещения, обрабатываемых изделий через ванны/ Н.П.Чекалин, О.С.Вэретенова, Л.К.Подшивалов, В.К.Доцонко, O.K.Севрук, (СССР). - № 2132704/22-2; Заявлено 05.05.75; Опубл. 15.04.80, Бал; № 14 // Открытия. Изобретения. - 1980. - № 14.

21. A.c. 789636 СССР, МКИ3 C23GI/28. Расплав солей для очистки отливок от остатков кварцевой керамики/ В.К.Доценко, P.A.Углянская, 0.К.С8врук, Ю.В.Польгуев. - J4 2540061/22-02; Заявлено 03.11.77; Опубл. 23.12.80, Бш. И 47 // Открытия. Изобретения. - 1980. - № 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). - Ä 2893630/22-02; Заяапено 13.03.80; Опубл. 15.01.82, Бш. Л 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). -

№ 3213935/22-02; Заявлено 22.10.80; Опубл. 15.08.82, Бал. !Ь 30 // Открытия. Изобретения. - 1982, - № 30.

24. A.c. I03964I СССР, МКИ3 Е65649/02. Линия для химической и термической обработки изделий/ В.И.Дорофеев, В.П.Дитятев, В.К.Доценко и др. (СССР). - tö 3401698/27-03; Заявлено 23.02.82; Опубл. 07,09.83, Бш. № 33 // Открытия. Изобретения. - 1983. - № 33.

25. А.о. III6097 СССР, МКИ3 С23 Г/28. Способ очистки отливок от остатков литейной форма/ В.К.Доценко, О.Г.Зару-бицкий, Ю.В.Польгуев и др. (СССР). - № 3600845/22-02; Заявлено 06.06.83; Опубл. 28.08.84, Бш. № 36 // Открытия. Изобретения. - 1984. - А 36.

26. A.c. II279I7 СССР, МКИ3 C230I/28. Способ химической очистки отливок от керамики и устройство для его осуществления/ О.Г.Зарубицкий, В.А.Марченко, В.К.Доценко и др. (СССР). - Л 3634573/22-02; Заявлено 16.08.83; Опубл. 15.II.8' Бил. ¡i 45 // Открытия. Изобретения. - 1984. - Л 45.

27. A.c. II7I5S5 СССР, МКИ4 C23G3/00. Способ химической очистки отливок и линия для его осуществления/ В.К.Доценко, Н.ПЛекалии, А.К.Кисляков и др. (СССР). - J« 3570470/ 22-03; Заявлено 29.03.83; Опубл. 27.06.85, Бюл. К 29 // Открытия. Изобретения. 1985. - * 29.