автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка металлофосфатных теплоизоляционных смесей для повышения качества и выхода годного металла отливок

На правах рукописи

у/

00505Ьоэо

Журавлёв Андрей Фёдорович

РАЗРАБОТКА МЕТАЛЛОФОСФАТНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И ВЫХОДА ГОДНОГО МЕТАЛЛА ОТЛИВОК

Специальность 05.16.04 — Литейное производство

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

6 ЛЕН 2012

Нижний Новгород 2012

005056558

Работа выполнена в Чебоксарском политехническом институте (филиал) ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет»

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники

Российской Федерации и Чувашской Республики, доктор технических наук, профессор, действительный член РАЕН

Илларионов Илья Егорович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева (г. Н.Новгород) Сивков Владимир Лаврентьевич

- доктор технических наук, профессор Волгоградского государственного технического университета (г. Волгоград)

Кидалов Николай Алексеевич

Ведущее предприятие - ФГБОУ ВПО «Южно - Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет).

Защита диссертации состоится «21» декабря 2012 года в «13» часов на заседании диссертационного совета Д212.165.07 в Нижегородском государственном техническом университете имени Р.Е.Алексеева по адресу: 603950, ГСП - 41, Нижний Новгород, ул. Минина, д.24, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета имени P.E. Алексеева.

Ваш отзыв на автореферат диссертации, заверенный печатью организации, просим направлять по указанному выше почтовому адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета Д212.165.07, а также по факсу (8352) 30 - 43 — 82, 52 - 63 - 42 или по электронной почте по адресу: zhuraf@mail.ru.

Автореферат разослан « Q{ » ноября 2012 г.

Ученый секретарь -

диссертационного совета Д212.165.07 /^t/ibSit^ доктор технических наук, профессор l/Vv^ ß В.А.Ульянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Современное машиностроение требует постоянного совершенствования технологии получения отливок, повышения их качества, снижения себестоимости производства отливок и вредного воздействия на окружающую среду.

Применение теплоизолированных прибылей позволяет увеличить технологический выход годного металла и снизить себестоимость производства литых заготовок. Утепление стенок прибылей теплоизоляционными смесями способствует значительному улучшению питания отливки, повышению плотности подприбыльной зоны и уменьшению её размеров. Замедление отвода теплоты от прибыли к форме можно достичь подбором соответствующего теплоизолирующего материала.

Исследовали влияние теплоизоляционной добавки (5 - 60 % массовой доли) природного материала - торфа с низкой степенью разложения (не более 15%) на свойства теплоизоляционной смеси.

Основная причина исследования торфа - это теплоизоляционные свойства материала. Торфяное сырьё имеет волокнистую структуру мелкопористого строения с открытыми сообщающимися порами (с общей пористостью 97%), образованными за счет повышенного водозатворения и создания волокнистого каркаса.

Вторая причина исследования торфа - это его связующая способность. Образцы из чистого торфа после специальной обработки обладают механической прочностью на изгиб 0,25 - 0,45 МПа.

Третья причина - это возобновляемые ископаемые ресурсы. На территории Российской Федерации расположена практически половина всех запасов торфа на планете. Торфа образуется ежегодно в 125 раз больше, чем его добывают. Он «прирастает» на 0,5 - 1,5 мм в год. Так, в Чувашской Республике 216 торфяных месторождений общей площадью 9,2 тыс. га с общим ресурсом более 10 млн. т , а промышленная добыча ведется всего на одном месторождении объемом около 16 тыс. т в год.

Одной из экологически чистых смесей являются смеси с применением металлофосфатных связующих. В связи с этим в работе проведены исследования по разработке теплоизоляционных металлофосфатных смесей.

Металлофосфатные смеси обладают достаточно высокой прочностью и теплоизолирующей способностью и не содержат токсичных веществ. Трудами отечественных ученых С. С. Жуковского, И. Е. Илларионова, В. А. Копейкина, Ю. П. Поручикова, Л. Г. Судакаса, М. М. Сычева и других внесен существенный вклад в становление науки о металлофосфатных связующих как самостоятельной области материаловедения.

Таким образом, разработка новых теплоизоляционных металлофосфатных смесей и технологических процессов изготовления качественных отливок с их применением, является актуальной задачей.

Цель и задачи работы

Цель работы - исследование, разработка и внедрение в производств составов торфосодержащих теплоизоляционных смесей с применением мeтaJ лофосфатных связующих для повышения качества и выхода годного метал; отливок. Для достижения поставленной цели необходимо было решил

следующие основные задачи:

1. Применение торфа с низкой степенью разложения в литеино

производстве в качестве теплоизоляционной добавки.

2 Исследование влияния коэффициента теплопроводности теплоизол ционных материалов на продолжительность кристаллизации металла в прибьин 3. Разработка технологии теплоизоляции прибылей и составов теплоиз ляционных смесей с применением торфа и металлофосфатных связующих.

4 Исследование механизма физико - химического отверждения мета лофосфатного связующего с отвердителями на основе оксидов металлов физико - механических свойств смесей.

5 Исследование свойств смесей, разработка их составов и технологии из товления разделительных пластин для легкоотделяемых теплоизолированн

прибылей с применением торфа и шликера.

6. Проведение опытно - промышленных испытаний и внедрение разраО

танных технологических процессов.

Научная новизна:

1. Уточнён механизм физико - химического отверждения металл фосфатного связующего с порошкообразными отвердителями.

2 Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены спосо! по изменению коэффициента теплопроводности теплоизоляционных смесей

применением торфа.

3 Разработаны составы теплоизоляционных смесей для утеплен

прибылей отливок (патент РФ № 2356688 и № 2455108).

4 Определена область применения шликера в качестве огнеупорной добаг в смесь, реализованной в производстве разделительных пластин легкоотделяем теплоизолированных прибылей (патент РФ № 2189884).

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1 Разработаны составы стержневых, формовочных и теплоизо. ционных металлофосфатных смесей с использованием торфа, отхо; производств машиностроительного комплекса и шликера.

2 Выявлена и проанализирована зависимость физико - механическ свойств металлофосфатных смесей от содержания связующего, та отвердителя, улучшающих добавок и условий отверждения.

3 Разработана технология изготовления стопочных безопочных форм металлофосфатных смесей, позволяющая значительно улучшить качество от вок, снизить трудоёмкость финишных операций, брак по холодным и горя» трещинам, организовать повторное использование отработанных смесей.

4 Разработаны и внедрены составы смесей и отработана техноло изготовления разделительных пластин легкоотделяемых теплоизолиров ных прибылей, позволяющая значительно снизить трудоёмкость обрубь

операций на следующих предприятиях: ОАО «Баймакский литейно -механический завод им. Ш. Худайбердина», г. Баймак, Республика Башкортостан (ОАО «БЛМЗ») и ОАО «Чебоксарский агрегатный завод», г. Чебоксары, Чувашская Республика (ОАО «ЧАЗ»),

Основные положения, выноснмые на защиту:

1. Результаты исследования зависимости физико - механических свойств металлофосфатных смесей от связующего, типа и количества применяемого отвердителя, улучшающих добавок и условий отверждения.

2. Разработанные составы стержневых, формовочных и теплоизоляционных металлофосфатных смесей с применением торфа.

3. Результаты исследования влияния торфа, шликера и улучшающих добавок на качественные характеристики смесей.

4. Технологический процесс обработки торфа с целью получения заданных свойств, изготовления теплоизоляционных изделий и разделительных пластин легкоотделяемых теплоизолированных прибылей с применением металлофосфатных связующих.

5. Результаты опытно - промышленных испытаний.

Достоверность

Разработанные и исследованные технологические процессы и составы формовочных, стержневых и теплоизоляционных металлофосфатных смесей прошли промышленные испытания на ОАО «Чебоксарский агрегатный завод» (г. Чебоксары), ОАО «Баймакский литейно - механический завод им. Ш. Худайбердина» (г. Баймак).

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на конференциях в г. Чебоксары (2005, 2006, 2010, 2011 и 2012гг), г. Тула (2006г) и г. Нижний Новгород (2010, 2012 гг).

Личное участие

Все экспериментальные исследования по теме диссертации, как в лабораторных, так и в производственных условиях, а также обработка и анализ полученных результатов выполнены лично автором.

Публикации

По теме диссертации опубликовано в периодических рецензируемых изданиях 5 работ и получено 3 патента РФ на изобретение.

Объем работы и структура

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, приложений и списка литературы. Изложена на 194 страницах машинописного текста. В ней 25 таблиц, 69 рисунков, список литературы (128 наименований) и 5 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена общая характеристика, обоснована акт; альность, сформулированы цель и задачи, показана новизна и практическ; значимость работы, перечислены основные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено современное состояние произведет! отливок в разовых песчано - глинистых формах, выявлены особенности специфика изготовления форм и стержней с применением различив связующих. Произведен системно - структурный анализ и литературно патентный поиск данных по применению экологически чистых мал отходных связующих, выявлены недостатки существующих технолог! изготовления форм и стержней. Намечены пути исследования и перспектиЕ применения металлофосфатных связующих в литейном производстве.

Определены общие закономерности отверждения металлофосфатш стержневых и формовочных смесей, свойства металлофосфатных связующих.

Одним из путей снижения себестоимости литых заготовок являет снижение металлоемкости формы, которое может быть достигнуто за сч применения теплоизоляции прибылей с использованием оболочек (вклад шей) из теплоизоляционных смесей. Применение теплоизоляционн! прибыльных оболочек позволяет снизить массу прибыли по сравнению

обычными на 30 — 60%.

Сформулированы предпосылки применения новых теплоизоляционн материалов и металлофосфатных связующих в теплоизоляционных смесях.

На основании этого обоснована актуальность работ, поставлены цели сформулированы задачи исследований.

Во второй главе приведен анализ закономерностей отверждек металлофосфатных смесей и кинетика структурообразования при различи соотношениях связующих и отвердителей - оксидов металлов в сме условий отверждения. Металлофосфатное связующее в чистом виде отверждается в интервале температур 291 - 303 К. Для отверждения свя ющего в упомянутом интервале температур применяют различные отвер, тели которые, чаще всего, представляют собой оксиды различных металл таких, как Ре, Мб, Си, Ве и др. Наиболее доступными и дешевыми моя считать отвердители на основе различных оксидов Бе - материалы, сод жащие свыше 50% оксидов железа.

При взаимодействии металлофосфатного связующего с желе содержащим отвердителем происходит отщепление двух атомов водорода связующего и одного атома кислорода от железосодержащего отвердител образованием одной или нескольких молекул воды и неорганических полимер

Образующаяся при отверждении структура, состоящая из сшит неорганических полимеров, характеризуется высокой прочностью, но являе достаточно хрупкой.

Исследованы свойства смесей и оптимизированы составы металло-фосфатных смесей, отверждаемые порошкообразными отвердителями на основе оксидов металлов.

Разработана технология изготовления стержней и форм с применением металлофосфатных смесей. Определены методы управления технологическими свойствами металлофосфатных смесей.

Для расширения границ применения металлофосфатных связующих на производственном объединении ОАО «ХИМПРОМ» г. Новочебоксарск отработан технологической процесс производства магнийалюмофосфатного связующего (МАФС). Технология производства была разработана сотрудниками кафедры технологии конструкционных материалов и литейного производства Чебоксарского политехнического института (филиал) МГОУ под руководством Д - ра техн. наук, профессора И.Е. Илларионова совместно с техническими специалистами ПО «ХИМПРОМ». Полученное по новой энерго- и ресурсосберегающей технологии металлофосфатное связующее, обладает высокой стабильностью физико - химических и эксплуатационных свойств. Опытные работы с данным металлофосфатным связующим были проведены на ОАО «ЧАЗ» и были получены положительные результаты.

Переход на металлофосфатные связующие от синтетических смол в литейном цехе значительно улучшает экологическую обстановку в цехе, позволяет организовать регенерацию формовочных и стержневых смесей с минимальными капиталовложениями.

В качестве отвердителей металлофосфатных смесей в исследованиях использовали железосодержащие отходы машиностроительного комплекса, что позволяет частично решить вопрос утилизации данных отходов. В наших исследованиях применяли отходы электросталеплавильного производства ОАО «ЧАЗ» и ООО «Промтрактор - Промлит». По реакционной способности в металлофосфатных смесях они значительно различаются, так как обладают разными гранулометрическими и химическими составами. Представлены результаты исследований зависимостей свойств металлофосфатных смесей от содержания и типа связующего, отвердителя, улучшающих добавок в виде графических и табличных данных.

Графики зависимостей свойств холоднотвердеющих металлофосфатных смесей (ХТС) от связующего МАФС, отверждаемых ОЭСП ОАО «ЧАЗ», представлены на рисунках 1, 2.

Анализируя проведенную серию экспериментов, можно сделать выводы:

1. Применение ОЭСП сталелитейного цеха ОАО «ЧАЗ» позволяет достичь изменения физико - механических свойств металлофосфатных ХТС: прочности на растяжение через 4ч - 0,31 - 1,16 МПа; прочности на сжатие через 4ч -1,4-3,15 МПа; живучести 3-13 мин; осыпаемости - 0,02 - 0,21 %; газопроницаемости - 116 - 185 ед.

2. Установлено, что оптимальным содержанием металлофосфатного связующего в смеси (при массовой доле ОЭСП 4 %) является 4 - 6,5 %.

3. При массовой доле связующего МАФС более 6,5 % в смеси происходит незначительное увеличение прочности на растяжение и сжатие; снижение газопроницаемости и осыпаемости; увеличение живучести и удорожание смеси.

, МПа

асж, МПа

1,6 1,4 1,2 1

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

. ■

. ■

м ассовая 10.1 к МА ФС, % -

Л-1- 2,5 3,0 3 ,5 4 ,0 4 ,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,

2,5

1,5

-- прочность на растяжение через 4 ч - - прочность на сжатие через 4 ч

Рисунок 1. Зависимость прочности на растяжение и прочности на сжатие ХТС от содержания связующего МАФС

5190

1180

а» (Я

= 170

X

1160 О

ел се

" 150 140 130 120 110 100

V 1 газе ось про ■пае ниц мое аеш ть >сть -

\

--

м ассо — вая - доля — МА ФС, — % — ■

>1

Ь-

с,

0,25 =

С

с

0,2 <

0,1

0,05

2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8

Рисунок 2. Зависимость газопроницаемость и осыпаемость ХТС от содержания МАФС

4. Уменьшение мае; вой доли связуюшег МАФС менее 4 % в смес; ведет к повышению га зопроницаемости и осыпе. емости; снижению проч ностных характеристик н растяжение и сжатие.

В условиях небол[ шого литейного произвол ства и проведения в одни и тех же печах выплавк разных марок черны сплавов, ОЭСП обладав нестабильным химически составом, что затрудняв его применение в качесть отвердителя по прич^ постоянной корректоров^ массовой доли в смеси.

Поэтому были пров: дены исследования свойс'1 металлофосфатных смесе1 отверждаемые магнезит выми каустическими п рошками, в т.ч. прокаленнь: при 1473 - 1513К. Испол зование магнезитового к устического порошка мар]. ПМК - 80, обладающее высокими физико - мех ническими свойствам позволяет получить ХТ, со стабильными характер стиками.

Химический состав м незитового каустичсскс порошка марки ПМК - ' %: MgO - 80; СаО - 3. 8Ю2 - 2,5; Ре203 (РеО) - 2, и др. примеси. Изменен массы при прокаливании 10%.

Лабораторные исс. дования влияния связу щего, отвердителя в см« на свойства ХТС прово;

лись в лабораториях кафедры технологии конструкционных материалов и литейного производства ЧПИ (филиал) ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет», а опытно - промышленные испытания проводили в условиях чугунолитейного цеха ОАО «БЛМЗ».

Особый интерес вызывает применение прокаленного при 1473 -1513 К магнезитового каустического порошка марки ПМК - 80, позволяющего значительно увеличить активность отвердителя (более чем на 45 %), снизить его расход в смеси, устранить разупрочнение и улучшить физико -механические свойства металлофосфатной ХТС.

Исследованиями отмечено, что применение улучшающих добавок и катализаторов отверждения значительно изменяет свойства металло-фосфатных смесей.

Приведены результаты исследований и разработки оптимальных составов формовочных металлофосфатных смесей для стопочных безопочных форм, отверждаемые тепловой подсушкой. Представлены результаты экспериментов влияния на свойства стержневых смесей связующего, улучшающих добавок, температуры и времени подсушки форм и стержней. Опробование проводилось на ОАО «БЛМЗ».

Актуальным является вопрос утилизации или вторичного использования отработанных стержневых смесей. В связи с этим отработана технология регенерации отработанных смесей и повторного их использования.

Исследована зависимость физико - механических свойств металлофосфатных смесей от регенерата.

Доказано, что металлофосфатная смесь с массовой долей 10 - 50 % оборотной составляющей обладает следующими физико - механическими свойствами: прочность на растяжение через 4ч - 0,8 - 0,91 МПа; на сжатие через 4ч -2,6 - 3,1 МПа; живучесть - 12 - 16 мин; осыпаемость - 0,14 - 0,18 %; газопроницаемость - 195 - 222 ед. Установлено, что при массовой доле более 50 % оборотной составляющей в составе смеси увеличивается осыпаемость образцов, снижается прочность на сжатие и растяжение, ухудшается уплотняемость и текучесть смеси.

В третьей главе представлены результаты исследования влияния коэффициента теплопроводности на эффективность теплоизоляции смеси, рассмотрены вопросы применения специальных прибылей облицованных экзотермическими и теплоизоляционными вставками. Приведен сравнительный анализ разных методов теплоизоляции и обогрева прибылей отливок. Применение теплоизоляционных смесей экономически выгодно; технология изготовления теплоизоляционных оболочек и вставок не вызывает затруднений и изготавливается на существующем стержневом оборудовании литейного цеха.

Значительное влияние на коэффициент теплопроводности могут оказывать температура, давление, а у пористых материалов еще и влажность. С увеличением средней плотности материала теплопроводность возрастает. С увеличением влажности материала теплопроводность также резко возрастает, при этом понижаются его теплоизоляционные свойства. Теплоизоляционные материалы необходимо хранить в сухом помещении.

Средний коэффициент теплопроводности у исследуемого теплоизо.

ционного материала составляет 0,48 Вт/(м К).

Торф - это сложный многокомпонентный природный материал, физико химические свойства которого изменяются в широком диапазоне не тольк по глубине залегания, но и в пределах одного горизонта выработки торфяног месторождения. Для выравнивания требуемых технологических свойст торфа необходимо механическое перемешивание по глубине и горизонт

извлекаемого сырья.

Химический состав торфа, который определяется условиями генезис

химическим составом растений - торфообразователей и степенью разложени

следующий, %: углерод 50 - 64; водород 5,2 - 6,8; азот 0,6 - 1,4; сер

0,02 - 0,08; кислород 26,0 - 45,0.

Групповой состав, %: битумы 2-16; водорастворимые и легкогидролр зуемые 10 - 58; гуминовые кислоты 10-50; целлюлоза 12 - 27; лигнин 2-18.

В диссертации изложена разработанная нами технология обработк торфа и изготовления теплоизоляционных оболочек, заключающаяся

нижеследующем:

1. Очищенный торф с низкой степенью разложения расчесывается распушителе и подается в варочный смеситель, куда поступает горячая вода, смесителе при температуре 338...343К торф варится до расщепления торфянь волокон, получения однородной массы и выделения смоляных веществ. Продо жительность обработки и механического перемешивания составляет 20 - 25 мин.

2. Сухие составляющие трепел и кварцевый песок смешивают в катк вых бегунах в течение 3 мин. Готовую однородную пастообразную торфяну массу и металлофосфатное связующее в соответствующей пропорции пода* в смешивающие катковые бегуны. Продолжительность перемешивав 5-10 мин. Готовую однородную теплоизоляционную смесь подают стержневой участок, где происходит формовка теплоизоляционных оболочек.

3. Отформованные теплоизоляционные оболочки на поддонах пост пают в сушильную камеру. Сушка производится при температуре 413 К течение 5 - 6 ч. Остаточная влажность не должна превышать 5 %.

Полученные составы смесей обладают высокими теплоизоляционны] свойствами за счет того, что торфяное волокно не разрушается и отфор!^ ванная оболочка обладает высокой пористостью.

В исследованиях дополнительно применяли трепел, который являет хорошим огнеупорным теплоизолятором и катализатором отвержден металлофосфатной смеси при тепловой подсушке.

Химический состав трепела, %: оксиды кремния 60,3 - 72,5; жел< 2,8 - 4,2; алюминия 2,8 - 4,2; кальция 2,6 - 12,3; магния 0,9 - 1,3; натр 0,18 - 0,29; калия 1,4-1,5. Плотность трепела составляет 800 кг/м .

Исследованы и разработаны оптимальные составы теплоизоляционных металлофосфатных смесей, отверждаемых тепловой подсушкой. Представлены (графическими и табличными данными) результаты изучения влияния связующего, теплоизоляционных добавок на свойства смесей. Опробование проводилось на ОАО «ЧАЗ».

При увеличении массовой доли в теплоизоляционной смеси специально обработанного торфа снижается коэффициент теплопроводности А., прочность на растяжение в сухом состоянии (рисунок 3, 4).

При увеличении массовой доли торфа до 35 % в смеси происходит увеличение осыпаемости образцов, но при дальнейшем увеличении массовой доли торфа осыпаемость

уменьшается по причине наличия вяжущих свойств самого торфа. Следует отметить, что масса исследуемых образцов уменьшается пропорционально увеличению массовой доли торфа в смеси.

Приведена структура и классификация различных теплоизолирующих материалов. Приведены сравнительные характеристики теплоизоляционных материалов.

стСж, МПа 1,3

1,2 1,1

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

■ ■

" \

м ассо вая доля -1- горфа в с -1- иеси,% -1-

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Рисунок 3. Зависимость прочности на растяжение в сухом состоянии от содержания торфа в теплоизоляционной смеси

^4,6

§4,5

* 4,4

-с

ё 4,3

Е

о>

3 4,2

§ 4,1 4,0 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5

■ Д. --

/

/

/ ■

Массов ая до ля т — орфа в см геи, %

-- 0,7 =

0,6

0,5

0,4

г) £

Л

z ^ — (—

—

0,3

-е--е-

0,2 0,1

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

й - осыпаемость

■ - коэфффициенттепло про водности при 1573К, Вт/(м2'К)

Рисунок 4. Влияние торфа на осыпаемость и коэффициент теплопроводности теплоизоляционной смеси

К потенциометру

Рисунок 5. Схема установки термопар в форму

Разработаны оптим^ ные составы теплоизоляц. онных смесей с различи! ми теплоизоляционные добавками: минеральная г' шлаковая вата, ваграног ный шлак, опилки, торф т.д. Представлены график:; зависимостей физико - ме ханических свойств смесе (прочность, теплопрово/ ность, осыпаемость, п зопроницаемость, жив} честь и другие) от массово ! доли теплоизоляционно добавки, связующего, тех нологических добавок, спс соба изготовления оболочек.

В лабораторных уело ! виях теплоизоляционны^ оболочки (внутренние раз-размеры 0100X150 мм I толщиной стенки 10 мм были заформованы в еди ную формовочную смесь и проведены сравнительные исследования эффективности работы данных ! оболочек (рисунок 5). Хромель - алюминиевая термопара №1 подключена к электронному самописцу и установлена на расстоянии 10 мм от полости отливки - границе теплоизоляционная оболочка - форма. Термопару № 2 поместили в центр полости формы для определения характеристик кристаллизации отливки. Форму сверху закрывали теплоизолиро-

0 4 5 « 7 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Тликвидус--Тсолидус —I■— контр.форма

—*—с20%торфа —♦—с40%торфа —4— с60%торфа

Рисунок 6. Кривые охлаждения отливки (термопара №2) при разном составе смеси

ванной верхней полуформой.

Формы заливали сплавом АЛ2 при температуре 1023 К. Были записаны температурные кривые прогрева литейной формы на границе теплоизоляционная оболочка - форма при заливке, соответствующих термопарам 1 и 2 и температурные кривые (скорости) охлаждения отливки (соответствующие термопаре №2) в зависимости от состава теплоизоляционной смеси (рисунок 6). Запись температур осуществлялась на потенциометре ЭПП-09МЗ.

При сравнительных исследованиях в лабораторных условиях выявлено, что расплав в теплоизоляционных оболочках находится в жид-

Ораст,

МПа

3,5 3,3 3,1 2,9 2,7 2,5 2,3 2,1 1,9 1,7 1,5

1

/ Ч. «»

■ ■■

I V-

/ / 1 . ( Массо I 1 вая 1 ОЛЯ 1 шик — ера в - м/ф - смес! - 1, %" —

с МПа 0,110

0,105

0,100

0,095

0,090

0,085

0,080

0,075

0,070

0,065

0,060

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

-- прочность на растяжение - -прочность на сжатие во влажном состоянии

Рисунок 7. Зависимость прочности на сжатие в сыром состоянии и на растяжение в сухом состоянии от массовой доли шликера в смеси

ком состоянии по сравнению с песчано - глинистой формой (контрольная смесь) значительно дольше по времени, что связано с низкой теплопроводностью разработанной смеси. В связи с этим продолжительность работы прибыли может быть значительно увеличена.

Разработанные составы успешно прошли производственные испытания теплоизоляции прибылей чугунных и стальных отливок в условиях ОАО «ЧАЗ».

Применение легкоотделяемых теплоизолированных прибылей значительно снижает трудоёмкость обрубных операций, повышает производительность труда и снижает себестоимость литья.

К шейке легкоотделяемой прибыли прямого действия предъявляются дополнительные требования: она должна затвердевать позже питаемого узла и её высота должна быть по возможности минимальной - для хорошего прогрева

разделительной пластины.

Форма отверстия и конфигурация сужения шейки должна создавать условия возникновения дополнительных внутренних напряжений, способствующих снижению общей работы по отделению прибыли от отливки. На практике получили распространение диафрагмы с отверстиями в виде прямоугольника или эллипса.

К разделительным пластинам легкоотделяемой теплоизолированной прибыли предъявляются повышенные требования по термостойкости, эрозионной стойкости, прочности в сыром состоянии и после просушки,

хорошей выбиваемости и т.д. На производстве фаянсовых изделий керамики образуется большое количество высокодисперсного отхода шликера с высоким содержанием БЮг и А1203 в пастообразном состоянг (на ОАО «Сантек», г. Чебоксары образуется около 2 тонн данного отхода месяц).

Химический состав шликера, %: 8Ю2 - 88,3; А1203 - 10 7' К20 - 0 №20-0,4;Ре203-0,1.

Были проведены и представлены результаты исследования свойств смесе в зависимости от массовой доли добавки шликера в специальную металлофо( фатную смесь (рисунок 7) и связующего МАФС.

Установлено, что оптимальный массовой долей шликера в смеси составляе 20 - 25 %. В состав специальной смеси вводили мелкодисперсный торф в массово долей 0,1 % для облегчения выбиваемости диафрагм, повышения поверхностно прочности высушенных изделий, улучшения пластических свойств и повышени сырой прочности на 30 - 40 %.

В четвертой главе приведены результаты опытно - промышленны испытаний и внедрений технологических процессов изготовления стержней 1 стопочных безопочных форм на металлофосфатном связующем на ОА( «Баймакский литейно - механический завод». Отработаны оптимальные составе металлофосфатных формовочных и стержневых смесей для производств; отливок из износостойкого чугуна и стали.

На ОАО «Чебоксарский агрегатный завод» проведено промышленньи опробование теплоизоляции прибылей при получении отливки корпуса буксы позволившее уменьшить массу прибылей на 32 %.

Ожидаемый экономический эффект от применения разрабатываемы; технологий на ОАО «ЧАЗ» и ОАО «БЛМЗ» составляет 1100 тыс. рублей

Общие выводы

1. Изучены закономерности отверждения металлофосфатных смесей и механизм взаимодействия алюмохромфосфатного и магнийалюмофосфатного связующих с отвердителями на основе оксидов металлов. Проведены исследования изменения свойств металлофосфатных смесей в зависимости от типа и количества применяемых отвердителей (отхода электросталеплавильного производства, магнезитовых каустических порошков, в т.ч. прокаленных при Т = 1473 - 1513 К) и улучшающих добавок, торфа и трепела и др.

2. Разработаны составы формовочных металлофосфатных смесей, отвер-ждаемые кратковременной (=0,5 ч) тепловой подсушкой при Т = 448 - 453 К, с высокими физико - механическими свойствами для стопочной безопочной формовки (прочность на растяжение в пределах 3,12 МПа, осыпаемость - 0,02 %, газопроницаемость >175 ед.), что позволило повысить качество поверхности литых заготовок, производительность труда более чем 2,5 раза и улучшить экологическую обстановку в литейном цехе.

3 Установлено что коэффициент теплопроводности исследуемых смесей с применением торфа изменяется в пределах 0,76-0,21 Вт/(м2' К). Проанализированы существующие теплоизоляционные смеси, применяемые теплоизоляционные и связующие материалы.

4. Разработаны специальные смеси, содержащие отход производства фаянсовых изделий и торфа. Исследуемые смеси получили применение при изготовлении разделительных пластин теплоизолированных легкоотделяемых прибылей Исследованы и представлены зависимости свойств смесей от содержания шликера в пределах 5 - 50 %. При массовой доле шликера в смеси 20 - 25 % исследуемые смеси обладают повышенными прочностными характеристиками (прочность на растяжение 2,8 - 3,1 МПа, на сжатие во влажном состоянии до 0,1 МПа, осыпаемость 0,072 - 0,095 %) и улучшенными пластическими свойствами.

Добавка торфа в состав специальной смеси позволяет значительно улучшить отпечаток при формовке, уменьшить прилипаемость смеси к модельной оснастке на 16 % и снизить индекс выбиваемости.

5. Выявлена динамика изменения температурного поля в оболочках и формах из различных теплоизоляторов. Установлено, что массовая доля торфа в теплоизоляционной смеси до 60% позволяет увеличить время активной работы прибыли в 2 раза, при уменьшении объема прибыли в 1,7 - 2,1 раза. Применение оболочек из металлофосфатных смесей для теплоизоляции прибылей не оказывает отрицательного влияния на химический состав отливок.

6. Результаты выполненных исследований прошли опытно - промышленные испытания на ОАО «Чебоксарский агрегатный завод» и ОАО « Баймакский литейно - механический завод им. Ш. Худайбердина». Ожидаемый экономический эффект от внедрения выполненных исследований и внедрения в производство составит 1100 тыс. рублей.

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в работ!

1. Журавлев А.Ф. О применении торфосодержащих теплоизоляционнь смесей на металлофосфатных связующих/ И.Е.Илларионов, А.Ф. Журавлев Литейное производство. - М., 2011. -№6. - С.34 - 36.

2. Журавлев А.Ф. Особенности применения специальных смесей для ле коотделяемых прибылей/ И.Е.Илларионов, И.А. Стрельников, А.Ф. Журавле! Заготовительное производство в машиностроении. - М., 2011. - №9. - С.8 - 9.

3. Журавлев А.Ф. Разработка методики исследования зависимости вод| родного показателя магнийалюмофосфатного связующего от разбавления bi дой/ И.Е. Илларионов, А.В.Решетников, Н.В.Петрова, А.Ф. Журавлев, Иj Стрельников// Заготовительные производства предприятий Волго-Вятского р. гиона: тр. 2-й науч. - практ. конф. - Н.Новгород, 2010. - С.142 - 149.

4. Журавлев А.Ф. Разработка и исследование составов торфосодержащи металлофосфатных смесей для изготовления разделительных пластин тепле изолированных легкоотделяемых прибылей/ Н.В. Петрова, И.Е.Илларионо1 А.Ф. Журавлев, И.А. Стрельников // Вестник Чуваш, гос. пед. ун - та им. HJ Яковлева. Чебоксары, 2010. -№4(68). - С. 159 - 162

5. Журавлев А.Ф. Разработка и исследование торфосодержащих тепле изоляционных смесей на металлофосфатных связующих/ Н.В. Петрова, И.Е Илларионов, А.Ф. Журавлев, В.В. Музянов // Вестник Чуваш, гос. пед. ун - т им. И.Я. Яковлева. Чебоксары, 2010. -№4(68). - С.153 - 158.

6. Пат. 2189884 РФ, МПК 7 В22С1/02. Формовочная смесь для изготовле ния литейных форм / А.А.Евлампиев, A.B. Королев, А.Ф.Журавлев// Заявх 10.10.2001. №2001127613/02. Опубл. 27.09.2002.

7. Пат. 2356688 РФ, МПК B22D 27/06. Теплоизоляционная смесь для утеп ления прибылей отливок/ И.Е.Илларионов, И.А. Стрельников, А.Ф. Журавлев Н.В Петрова// Заявл. 27.11.2007. № 2007144151/02. Опубл. 27.05.2009. Бюл. № 15.

8. Пат. 2455108 РФ, МПК B22D 27/06. Теплоизоляционная смесь дл) утепления прибылей отливок/ И.Е.Илларионов, И.А. Стрельников, А.Ф. Журав лев// Заявл. 03.05.2011. № 2011117816/02. Опубл. 10.07.2012. Бюл. № 19.

Объем 1,0 п.л. Тираж ЮОэкз. Отпечатано в типографии ЧПИ (ф)МГОУ 428000, г. Чебоксары, ул.П.Лумумбы, 8