автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка технологических процессов приготовления связующего жидкостекольных смесей из наноразмерных кремнеземсодержащих материалов для производства стальных отливок

На правах рукописи

48эзиэI

ЮРАСОВ Владимир Владимирович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СВЯЗУЮЩЕГО ЖИДКОСТЕКОЛЬНЫХ СМЕСЕЙ ИЗ НАНОРАЗМЕРНЫХ КРЕМНЕЗЕМСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК

Специальность 05.16.04-Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 СЕН 2011

Нижний Новгород - 2011

4853097

Работа выполнена на кафедре «Машины и технология литейного производства» ГОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

КИДАЛОВ Николай Алексеевич

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор ИЛЛАРИОНОВ Илья Егорович

почетный работник высшей школы РФ, почетный металлург РФ, доктор технических наук, профессор КУЛАКОВ Борис Алексеевич

Ведущее предприятие ОАО «Буммаш», г. Ижевск

Защита состоится 7 октября 2011 г. в 13:00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 при Нижегородском государственном техническом университете им. P.E. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ГСП - 41, ул. Минина, д. 24, корп. 1., ауд. 1258.

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

Автореферат разослан » августа 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Ульянов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационного исследования. Развитие современных технологических процессов показывает, что изготовление форм и стержней в литейном производстве вступило в период, когда мероприятия, направленные на снижение трудоемкости производства отливок, улучшение качества продукции, а также сокращение вредных для здоровья рабочих операций, основываются, как правило, на использовании новых свойств и составов формовочных смесей.

Сегодня весьма перспективным, отвечающим современным требованиям литейного производства, является изготовление форм и стержней из смесей на жидкостеколь-ном связующем, что позволяет значительно сократить цикл изготовления отливок и снизить трудоемкость их изготовления, а также увеличить точность литья и устранить выделение токсичных веществ.

В нашей стране быстротвердеющие смеси с жидким стеклом получили промышленное применение с 1949 г. благодаря работам, проведенным специалистами ЦНИИТмаша, а также заводов тяжелого машиностроения и станкостроения.

Значительный вклад в разработку теории и практику производства отливок с использованием смесей с жидким стеклом был внесен такими исследователями как Берг П.П., Бречко A.A., Валисоеский И.В., Васин Ю.П., Ващенко К.И., Великанов Г.Ф., Дорошенко С.П., Жуковский С.С., Илларионов И.Е., Кулаков Б.А., Лясс A.M., Ромашкин В.Н., Рыжков КВ. и др. Работы этих ученых позволили получить и внедрить в промышленности жидкостекольные смеси, обладающие улучшенной выбиваемостью, позволившие существенно повысить уровень качества продукции литейного производства.

Тем не менее, несмотря на накопленный богатый теоретический и экспериментальный материал, проблема затрудненной выбиваемости смесей на жидкостекольном связующем до настоящего времени не является окончательно решенной. Операция выбивки стержней, особенно крупных и сложных отливок, является одной из наиболее тяжелых, составляя 20 ... 25 % общей трудоемкости изготовления продукции литейного производства. При этом, затраты на выбивку жидкостекольных смесей остаются более высокими по сравнению с песчано-глинистыми смесями и смесями с органическими связующими. Известные технологические приемы и рекомендации по улучшению выбиваемости не всегда эффективны, а в качестве специализированных добавок используются целевые дорогостоящие материалы, значительно увеличивающие стоимость литья и, в ряде случаев, существенно снижающие рентабельность производства.

Наиболее простое и предпочтительное техническое решение, облегчающее выби-ваемость смесей посредством сокращения в последних содержания жидкого стекла, неразрывно связано с понижением исходной прочности форм и стержней. Очевидно, что для улучшения выбиваемости данным способом необходимо использовать жидкосте-кольное связующее, свойства которого даже при пониженном содержании обеспечат требуемый уровень исходной прочности смеси. Однако из анализа литературных данных следует, что изготовить отвечающее вышеприведенным требованиям жидкое стекло известными на сегодняшний день способами не представляется возможным.

Таким образом, разработка новых научно обоснованных способов изготовления жидкого стекла, а также составов формовочных и стержневых смесей на его основе, обладаю-

Автор выражает глубокую благод арность кандидату технических наук Т.Ш. ('шьчеико за участие в формировании направления работы, а также неоценимую помощь, оказанную при проведа ши экспериментов и анализе результатов исследований.

щих, за счет пониженного содержания связующего, улучшенной выбиваемостью из отливок и необходимым уровнем технологических свойств, является весьма актуальной задачей.

Актуальность выбранной темы диссертационного исследования также подтверждается выполнением его в рамках программы Рособразования «Развитие научного потенциала высшей школы» тема № 1.120.04 (2006 - 2008 гг.).

Цель и задачи работы. Цель работы - создание для литейного производства жидко-стекольного связующего, обеспечивающего улучшение выбиваемое™ вследствие возможности снижения своего содержания в смесях без понижения прочностных свойств последних.

Для достижения цели в диссертационной работе поставлены и решены задачи, к основным из которых отнесены:

1. Выявление закономерностей процесса диспергирования силикат-глыбы ударно-волновой обработкой (УВО) при помощи энергии взрыва.

2. Исследование особенностей процесса изготовления жидкостекольного связующего способом безавтоклавного растворения щелочного силиката натрия, диспергированного ударно-волновой обработкой.

3. Исследование основных физико-химических свойств разработанного жидкостекольного связующего.

4. Выявление факторов, повышающих исходную прочность смеси, приготовленной на разработанном жидкостекольном связующем.

5. Разработка и внедрение в литейном производстве научно обоснованных технологических процессов изготовления из нанодиспергированного ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия жидкостекольного связующего, обеспечивающего повышение исходной прочности смесей на 25 ... 30 % по отношению к известным аналогам.

Научная новизна работы заключается в выявлении закономерностей и особенностей процесса изготовления из кремнеземсодержащих материалов, нанодиспергирован-ных ударно-волновой обработкой, жидкостекольного связующего для смесей литейного производства, а также раскрытии механизма увеличения прочности последних.

Установлено, что гранулометрический состав диспергированного УВО щелочного силиката натрия определяется величиной импульса давления, возникающего при отражении детонационной волны от металлической стенки пресс формы; при этом получение основной фракции с размером частиц 100 ... 200 нм достигается при реализации импульса давления в диапазоне 0,12 ... 0,16 МПа-с.

Обнаружен эффект существенного сокращения, до 5 минут, времени растворения наноразмерного щелочного силиката натрия безавтоклавным способом, при температуре воды 80°С.

Показано, что вследствие возрастания адгезии разработанного жидкого стекла к кварцу, краевой угол смачивания последнего сокращается по отношению к обычному связующему на 18 ... 20%, обеспечивая при приготовлении и отверждении смеси формирование более плотных пленок на зернах наполнителя и упрочнение манжет.

Установлено, что при высушивании разработанного жидкого стекла существенная, по отношению к обычному, неоднородность размеров частиц коллоидного кремнезема - 2 ... 30 нм, обеспечивает более плотные и компактные упаковки последних, приводя к возрастанию прочности пленок связующего на 27... 34 %, а, следовательно, и тождественному повышению предела прочности смесей, поскольку последние разрушаются по когезионному механизму.

Практическая значимость. Полученные результаты исследований легли в основу разработки научно обоснованных технологических процессов изготовления жидко-стекольного связующего, сокращение содержания которого в формовочных пластичных смесях до 4%, за счет повышения прочности последних на 25 ... 30%, существенно улучшило выбиваемость.

Внедрение разработанных технологических процессов на ЗАО «Машиностроительный завод «Плазма» и ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» позволило повысить качество литейной продукции, снизить трудозатраты на выбивку и очистку отливок, существенно сократить себестоимость жидкостекольного связующего и, в результате, получить в 2008 году общий экономический эффект в размере 1222500 руб.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 2-х международных конференциях (2007, 2009 - г. Волгоград), всероссийской конференции (2008 - г. Камышин), региональных конференциях молодых исследователей (2007, 2008 - г. Волгоград), а также на ежегодных научно-технических конференциях и научных семинарах ВолгГТУ.

На защиту выносятся:

1.Результаты исследования влияния параметров взрывного нагружения ударно-волновой обработки на гранулометрический состав порошков щелочного силиката натрия и кремнеземсодержащих компонентов (кварцевого песка, стеклянного боя);

2. Результаты экспериментального исследования растворимости сырьевых материалов производства жидкого стекла после ударно-волновой обработки;

3. Результаты экспериментального исследования особенностей основных физико-химических свойств разработанного жидкостекольного связующего;

4. Результаты расчетной оценки изменения прочности смесей на разработанном жидкостекольном связующем;

5. Результаты исследования особенностей процессов, протекающих при отверждении тепловой сушкой и углекислым газом смесей на жидкостекольном связующем, полученном из нанодиспергированного ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия;

6. Результаты сравнительного исследования основных технологических свойств отверженных наиболее распространенными в литейном производстве способами смесей на жидком стекле, приготовленном из нанодиспергированного ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия;

7. Результаты испытаний и внедрения разработанного на основе проведенных исследований технологического процесса приготовления смеси на предложенном жидкостекольном связующем.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 статьи в российских периодических рецензируемых изданиях (2 из которых рекомендованы ВАК РФ), 2 статьи в сборниках трудов международных научно-технических конференций, 3 тезиса докладов на всероссийской и региональной конференциях, а также получен патент РФ на изобретение.

Достоверность результатов и личный вклад автора. Обобщения, выводы и рекомендации диссертационной работы основаны на анализе теоретических и экспериментальных данных, обработанных статистическими методами и полученных с использованием об-

щепризнанных методик при помощи современной сертифицированной периодически поверяемой аппаратуры. Личный вклад автора в работу заключается в определении основных идей и направлений исследований, анализе и обобщении результатов экспериментального изучения особенностей процесса изготовления из наноразмерных кремнеземсодержащих материалов жидкостекольного связующего и свойств смесей на основе последнего, создании нового способа производства жидкого стекла, а также организации и проведении опытно-производственного внедрения смеси на разработанном связующем.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 181 страницу машинописного текста, 71 рисунок, 21 таблицу. Список использованной литературы включает 197 наименований. В приложении приведены результаты экспериментов по определению основных физико-механических и технологических свойств жидкосте-кольных смесей, а также копии патента РФ на изобретение и актов внедрений, подтверждающие практическую ценность и актуальность данного исследования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационного исследования, сформулированы цель исследования и научная новизна, перечислены основные положения, выносимые на защиту, представлена структура диссертации.

В первой главе дана общая характеристика жидкого стекла и его применению в литейном производстве, проведен анализ основных факторов, влияющих на выбивае-мость жидкостекольных смесей, рассмотрены известные способы промышленного производства жидкого стекла, а также основные схемы, параметры и особенности ударно-волновой обработки неметаллических материалов с использованием энергии взрыва.

На сегодняшний день жидкое стекло является одним из крупнотоннажных продуктов неорганического синтеза, производимого во всех индустриально развитых странах мира. Благодаря комплексу ценных свойств, дешевизне и доступности сырья, жидкое стекло нашло применение в самых разнообразных отраслях промышленности.

Наиболее широко жидкое стекло используется в литейном производстве в качестве связующего в составе форм и стержней для ведущего технологического процесса - литья в разовые формы, а также для приготовления противопригарных красок и литья по выплавляемым моделям. Приготовление жидкостекольных смесей позволяет создавать формы и стержни с требуемыми технологическими свойствами, обеспечивающими противостояние тепловому и силовому воздействиям горячего металла. Применение жидкого стекла позволяет значительно ускорить производственные процессы литейного производства, повысить производительность труда и сократить производственный цикл.

Тем не менее, несмотря на то, что жидкое стекло употребляется в технологических процессах литейного производства еще с 40-х годов прошлого столетия и сегодня в данной области накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал, жидкостекольные смеси имеют ряд недостатков, сдерживающих их применение.

Так, до настоящего времени остается нерешенной проблема затрудненной выби-ваемости жидкостекольных смесей, особенно при изготовлении крупногабаритных отливок сложной конфигурации. Известные технологические приемы по улучшению выби-ваемости смесей на жидкостекольном связующем являются недостаточно эффективными

либо весьма трудоемкими и значительно увеличивающими производственные затраты, в связи с чем их применение при изготовлении в условиях массового производства высококачественных отливок нерентабельно. Сегодня отечественными и зарубежными учеными исследования возможностей улучшения выбиваемости ведутся по нескольким направлениям, основным и наиболее перспективным из которых представляется снижение содержания жидкостекольного связующего в составах смесей, однако неизбежное ухудшение прочностных свойств последних является серьезным препятствием широкому практическому применению этого технологического приема Поэтому постановка задачи создания для литейного производства жидкостекольного связующего, обеспечивающего улучшение выбиваемости вследствие возможности снижения своего содержания в смесях без понижения прочностных свойств последних, представляется актуальной.

Основным из промышленных способов производства, использующегося в качестве связующего в составе форм и стержней натриевого жидкого стекла, является автоклавное растворение в воде натриевой силикат-глыбы. Второй способ заключается в прямом растворении кремнеземсодержащих компонентов в едкой щелочи №ОН с получением готового продукта в один этап на одном технологическом переделе. Оба способа, характеризуются повышенной энергоемкостью и малой производительностью, что обусловлено низкой скоростью растворения, зависящей, в первую очередь, от степени предварительного измельчения сырья, неразрывно связанного с величиной удельной поверхности последнего. Вследствие этого, в качестве наиболее рационального принципиально нового подхода к решению поставленной задачи в настоящей работе предложено изготавливать жидкостекольное связующее из наноразмерных порошков сырьевых растворяемых материалов, поскольку практически все свойства наноматериалов значительно отличаются от свойств крупнозернистых аналогов.

Изготавливать наноразмерные порошки сырьевых растворяемых материалов производства жидкого стекла наиболее технологично ударно-волновой обработкой при помощи энергии бризантных взрывчатых веществ, поскольку данный способ обеспечивает высокие силовые параметры нагружения без значительных капитальных затрат, за счет исключения применения сложных энергоемких машин и механизмов, а также не накладывает каких-либо ограничений на объем обрабатываемого материала. Вместе с тем, особенности процесса ударно-волновой обработки сырьевых растворяемых материалов производства жидкого стекла не изучены до настоящего времени, что предопределяет необходимость рационального выбора схем и определения оптимальных параметров режима взрывного нагружения на основе экспериментальных исследований.

Это послужило основой для проведения научных изысканий в рамках сформулированных в работе цели и задач исследования.

Во второй главе в соответствии с поставленной целью и задачами исследования проанализированы физико-химические свойства сырьевых материалов, применяемых для изготовления жидкого стекла, используемого в качестве связующего смесей литейного производства. Показано, что в экспериментальных исследованиях ударно-волновой обработки наиболее рационально использовать взрывчатую смесь аммонит бЖВ+кварцевый песок, как не уступающую традиционной смеси аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой по технологическим свойствам, но более дешевую. Обоснован выбор экспериментальных методов, позволяющих контролировать параметры режима ударно-волно-вой обработки с применением энергии взрыва, исследовать особенности рельефа и оценивать размеры частиц порошков, извлечен-

ных из пресс формы после проведения УВО, а также экспериментально определять средний размер наибольшего (превалирующего) количества коллоидных частиц, присутствующих в жидком стекле. Показано, что для исследования основных технологических и физико-механических свойств жидкостекольных смесей, оценки степени достоверности и отсева грубых погрешностей измерений достаточно применения общеизвестных методик, а также статистической и математической обработки экспериментальных данных.

Третья глава посвящена исследованиям особенностей влияния параметров ударно-волновой обработки на гранулометрический состав и свойства сырьевых материалов производства жидкого стекла (натриевой силикат-глыбы, кварцевого песка и стеклянного боя), а также основных физико-химических свойств полученного жидкостекольного связующего.

При помощи метода атомно-силовой микроскопии экспериментально доказано, что ударно-волновая обработка натриевой силикат-глыбы с применением энергии взрыва позволяет получать наноразмерные порошки с наибольшими линейными размерами Ь частиц основной фракции в интервале 100 ... 200 нм (рис. 1), причем гранулометрический состав образцов не зависит от величины силикатного модуля и схемы взрывного нагружения.

При аналогичном же диспергировании кремнеземсодер-жащих компонентов (кварцевого песка и стеклянного боя) было обнаружено, что наибольший линейный размер частиц основной фракции получаемых порошков находится в среднем на уровне ~1 мкм и, следовательно, величина удельной поверхности последних существенно меньше по сравнению наноразмерными образцами щелочного силиката натрия.

С использованием модернизированной известной методики определения растворимости в открытом сосуде впервые установлено, что наноразмерные порошкообразные щелочные силикаты натрия (М= 2,2 ... 3,0), полученные УВО с применением энергии взрыва, безавтоклавно растворяются в нагретой до 80°С воде без образования нерастворимого осадка за время, составляющее в среднем 5 ... 5,5 минут, в десятки раз меньшее по сравнению с известными (автоклавным, полуавтоклавным) способами, используемыми при производстве жидкого стекла растворением силикат-глыбы.

Экспериментально доказано, что в случае производства жидкого стекла путем прямого растворения в щелочи кремнеземсодержащего компонента (кварцевого песка, стеклянного боя) ударно-волновое дробление последнего наиболее технологично производить совместно с твердым гидроксидом натрия, в результате чего время растворения получаемой смеси в нагретой до 95°С воде составляет 50 ... 60 мин.

Показано, что основным критерием, определяющим гранулометрический состав и, в конечном итоге, скорость растворения нанодиспергированных ударно-волновой обработкой сырьевых материалов производства жидкого стекла, является величина удельного импульса г, возникающего при отражении детонационной волны от поверхности металлической пресс-формы.

—.-•"- - ~ • ¿,~182нм

Риг. 1. Полученная на сканирующем атомно-снловом микроскопе воЬегРКО 31) визуализация рельефа поверхности частиц щелочного силиката натрия после ударно-волновой обработки

Экспериментально доказано, что при УВО натриевой силикат-глыбы получение порошков с размером частиц основной фракции 100 ... 200 нм достигается при реализации импульса давления в диапазоне 0,12 ... 0,16 МПа-с. Сформулированы рекомендации к выбору схемы взрывного наг-ружения.

Таким образом, ударно-волновая обработка с применением энергии взрыва предоставляет реальную возможносгь на порядок повысить производительность технологического процесса изготовления жидкого стекла различного модуля с одновременным снижением энергозатрат, во-первых, в результате значительного сокращения длительности производственного процесса, обеспечиваемого быстротечностью операций дробления и рас-

Рис. 2. Сравнительная гистограмма средних продошжитспьностей процессов растворения натриевой силикат-глыбы н кремнеземсодержащих компонентов различными способами:

творения сырьевых материалов 1 - растворение натриевой силикат-глыбы в стационарном авто-

клаве; 2 - растворение натриевой силикат-глыбы во вращающемся автоклаве; 3 - безавтоклавное растворение щелочного силиката натрия, нанодиспергированного УВО; 4 - автоклавное прямое растворение кварцевого песка в едкой щелочи №ОН; 5 - безавтоклавное растворение в воде смеси кварцевого песка и твердого ЫаОН. предварительно диспергированной УВО

(рис. 2) и, во-вторых, за счет отказа от сложного специализированного оборудования и сопряженных с его использованием энергозатрат.

Следующим шагом в работе стали экспериментальные исследования полученного различными способами жидкого стекла с целью выявления различий основных физико-химических свойств последнего, оказывающих, в конечном итоге, влияние на процессы, происходящие на разных стадиях формирования прочности формовочных и стержневых смесей.

Результаты экспериментов показали, что краевой угол смачивания кварца разработанным жидким стеклом сокращается по отношению к обычному связующему на 18 ... 20%, вследствие возрастания адгезии нового связующего к кварцу. Также в ходе сравнительных исследований обычного и разработанного связующего было обнаружено существенное повышение прочности высушенных пленок последнего на 27 ... 34 %.

Такое отличие когезионной прочности высушенных пленок разработанного и обычного связующих при практически одинаковом (также экспериментально определенном) уровне прочности жидких пленок последних является следствием особенностей химического строения жидкого стекла - водного раствора щелочного силиката натрия, предварительно нанодиспергированного УВО. Поэтому, при помощи метода фотонной корреляционной спектроскопии была проведена серия экспериментов, це-

лью которых являлась сравнительная оценка размеров коллоидных частиц кремнезема, присутствующих в жидкостекольных связующих, полученных из нанодиспергирован-ного УВО щелочного силиката натрия и обычным автоклавным растворением силикат-глыбы.

На рис. 3, а представлена типичная фотография функционального экрана программного комплекса ОупаЬ8, отображающего результаты распределения по размерам коллоидных частиц в полученном из наноразмерного силиката натрия жидком стекле с величиной модуля 2,6. Обработка результатов всей серии экспериментов позволяет сделать заключение, что независимо от модуля пробы средний размер наибольшего (превалирующего) количества коллоидных частиц кремнезема в полученном из нано-

зошаоп

О.?-

0.8 —

0.7-о.с-0.5-

,

1

и

0.30.2- ц

1 и

I 1

1 II к 1

0.' —1 ПНР—гу 01 1 100 1«И 1 1 1 ИП-ГТ1 14« 1«« г^спь (м)]

ЭоХисЮи

О.в-

о.с- 1

!

0 4 !

О.Э-0.2-ОА-

1

1 и 1 1

0.1 >1 ......"I 1 1 11 .... ..... 1 100 1*»4 и 1*10 1нс*« псу шипе (1ш>!

б)

Рис. 3. Функциональные экраны программного комплекса Г)упа1Д отображающие распределение по размерам частиц коллоидного кремнезема в жидком стекле (М= 2,6), полученном из наноразмерного щелочного силиката натрия (а) и автоклавным растворением силикат-глыбы (б)

диспергированного УВО щелочного силиката натрия жидком стекле колеблется в пределах 2 ... 30 нм. В результате проведенной серии экспериментов с пробами жидкого стекла, изготовленного традиционным автоклавным растворением силикат-глыбы, было установлено, что также независимо от модуля пробы коллоидные частицы кремнезема характеризуются большей однородностью по размерам, укладывающимся в интервал 20 ... 30 нм (рис. 3, б).

Таким образом, при высушивании разработанного жидкого стекла существенная, по отношению к обычному, неоднородность размеров частиц коллоидного кремнезема - 2 ... 30 нм, обеспечивает более плотные и компактные упаковки последних, приводя к возрастанию когезионной прочности пленок связующего.

В четвертой главе выполнена расчетная оценка изменения прочности смесей на разработанном жидкостекольном связующем, рассмотрены особенности процессов, протекающих при отверждении пластичных жидкостекольных смесей тепловой сушкой и углекислым газом, приведены результаты сравнительных исследований основных физико-механических и технологических свойств пластичных смесей, отверждае-мых тепловой сушкой и ССЬ-лроцессом, а также холоднотвердеющих смесей (ХТС) на жидком стекле, изготовленном различными способами.

Расчеты, основанные на известных принятых A.M. Ляссом допущениях, показали, что высушенные смеси, приготовленные на разработанном жидкостекольном связующем, будут (равно как и приготовленные на обычном жидком стекле) иметь коге-зионный вид разрушения - по пленкам связующего. Также, согласно результатам расчетной оценки при приготовлении формовочных и стержневых смесей на разработанном жидкостекольном связующем, теоретически, возможно сокращение содержания последнего до 4,3...4,4 мае. % при поддержании прочностных свойств на уровне соответствующем смесям, содержащим 6,0 мае. % обычного жидкого стекла.

С учетом того, что на практике существенное влияние на прочность жидкостеколь-ной смеси могут оказывать способы отверждения последней, способные по-разному влиять на поведение пленок связующего, при помощи методики, разработанной сотрудниками кафедры «Машины и технология литейного производства» Волгоградского государственного технического университета были проведены экспериментальные исследования особенностей процессов, протекающих при отверждении смесей тепловой сушкой и С02-процессом. Исследованию подвергали две пластичные смеси, первая из которых содержала 6,0 мас.% жидкого стекла, изготовленного традиционным автоклавным растворением силикат-глыбы, а вторая - 4,0 мас.% жидкостекольнош связующего, полученного безаигоклавным растворением нанодиспергированного УВО щелочного силиката натрия.

На рис. 4 приведены две фотографии, отражающие различие поведения жидкого стекла, изготовленного различными способами, в процессе отверждения пластичной смеси тепловой сушкой. Так, на фотографии, представленной на рис. 4, а, отчетливо видно, что нагрев до температуры 150 °С смеси на связующем, полученном автоклавным растворением силикат-глыбы, приводит к вспучиванию жидкого стекла и образованию рыхлых пленок. Совершенно иначе ведут себя смеси на жидком стекле, приготовленном из нанодиспергированного УВО щелочного силиката натрия - на зернах формируются плотные пленки связующего (рис. 4, б), способствующие упрочнению манжет. Полученные результаты экспериментов легко удалось воспроизвести и при исследованиях аналогичных смесей, отверждаемых С02-процессом.

а) хЮО б) хЮО

Рис. 4. Поведение пленок жидкостекольного связующего (М=2,6), изготовленного традиционным автоклавным растворением силикат-глыбы (я) и безавтоклавным растворением нанодиспергировянного УВО щелочного силиката натрия (о), в процессе отверждения пластичных смесей тепловой сушкой при температуре 150°С:

1 - жидкостекольная манжета; 2 - зерно кварцевого песка

Таким образом, независимо от способа отверждения на зернах смеси, содержащей 4 мас.% разработанного жидкого стекла, формируются плотные пленки связующего, способствующие упрочнению манжет и обеспечивающие требуемый уровень прочностных свойств.

Последующие же исследования заключались в сравнительном экспериментальном определении (на базе стандартных методик) основных физико-механических и технологических свойств пластичных смесей, отверждаемых тепловой сушкой и ССЬ-процессом, а также холоднотвердеющих смесей, приготовленных на жидкостекольных связующих, полученных как из нанодиспергированного УВО щелочного силиката натрия, так и традиционным автоклавным растворением силикат-глыбы. С целью определения истинного влияния связующего на свойства смесей последние приготавливали из кварцевого песка и жидкого сгекла, не вводя дополнительно никаких технологических добавок (за исключением ХТС, содержащих жидкие сложноэфирные отвердители АЦЭГ).

Результаты исследований особенностей изменения работы выбивки смесей показали, что величина последней независимо от способа отверждения при снижении содержания жидкостекольного связующего (как предложенного, так и полученного автоклавным растворением) в составе смеси, а также с возрастанием величины силикатного модуля сокращается во всем исследуемом интервале температур, не противореча принятым научным взглядам. При этом во всех, без исключения, экспериментах работа выбивки смесей на жидком стекле, полученном безавтоклавным растворением диспергированного УВО щелочного силиката натрия, оказалась даже несколько выше относительно смесей аналогичного состава, но с жидкостекольным связующем, изготовленном традиционным автоклавным растворением.

В ходе последующих экспериментов выяснилось, что смеси на предлагаемом жидкостекольном связующем вне зависимости от способа отверждения обладают повышенными прочностными свойствами по отношению к смесям на жидком стекле, полученном автоклавным растворением силикат-глыбы. Так на графических зависимостях (рис. 5) отчетливо видно, что во всем интервале исследований кривые 2, отображающие характер изменения прочностных свойств смесей на связующем, полученном из

2,5

н «

о? = «4

а

а з

1-Г и

£ *

с =

2,5

3,5 4 4,5 5

количество жидкого стекла, мае.'

а)

3,5 4 4,5 5

количество жидкого стекла, мае. %

6)

¿л часа

часа

2 часа

|

3,5 4 4,5 5

количество жидкого стекла, мае. '

5,5

в)

■1

Рис. 5 Изменение прочностных свойств отвержценных различными способами смесей в зависимости от содержания жидкостекольного связующего, полученного обычным автоклавным растворением силикат-глыбы (/) и безавтоклавным растворением нанодиспергированного УВО щелочного силиката натрия (2):

а) жидкостекольные (Л/=2,60) пластичные смеси, отвержденные тепловой сушкой;

б) жидкостекольные (М=2,28) смеси, отвержденные ССЬ-процессом;

в) жидкостекольные (М=2,Щ холоднотвердеющие смеси со сложноэфирным отвердителем АЦЭГ марки ЗСМ при различном времени выдержки образцов.

о

400 600 800 Т, °С

а)

Ь)

-+-1 -ш-2 -О -3 Л4 -и-5 6

Рис. 6. Изменение работы выбивки смесей в зависимости от содержания жидкостекольного связующего, полученного безавтоклавным растворением нанодиспергированного УВО щелочного силиката натрия:

а) жвдкостекольные {М= 2,60) пластичные смеси, отверждаемые тепловой сушкой;

б) жвдкостекольные (М=2,28) смеси, отверждаемые С02-процессом;

е) жидкосгекольные (М=2,60) холоднотвердеющие смеси со сложноэфирным огвердагелем АЦЭГ марки ЗСМ

1, 2, 3,4, 5 и б - содержание жидкостекольного связующего в смеси 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 5,0 и 6,0 мас.% соответственно

нанодиспергированного УВО щелочного силиката натрия, лежат выше кривых 1, соответствующих результатам экспериментальной оценки прочности аналогичных смесей на жидком стекле, полученном автоклавным растворением силикат-глыбы. Кроме того было экспериментально установлено, что смеси на жидкостекольном связующем, полученном безавтоклавным растворением нанодиспергированного УВО щелочного силиката натрия, независимо от способа отверждения характеризуются улучшением показателей живучести и осыпаемости.

Технологически это позволяет в составах пластичных смесей уменьшить количество связующего до 4,0 мае. %, а при приготовлении ХТС со сложноэфирным отвер-дителем АЦЭГ - до 3,0 мае. %, без потери необходимой прочности в отвержденном состоянии, но с сопутствующим значительным улучшением выбиваемости, о чем свидетельствуют представленные в виде графиков на рис. 6 результаты экспериментального определения работы выбивки после прогрева образцов до температур 400, 600, 800 и 1000 °С.

В пятой главе разработаны технологические процессы изготовления из нанодиспергированного ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия жидкосте-кольного связующего, а также смесей на его основе для производства литейных форм и стержней.

Основной этап промышленных испытаний разработанной жидкостекольной смеси был проведен в литейном цехе ЗАО «Машиностроительный завод «Плазма». Составы и основные технологические свойства цеховой и предлагаемой жидкостекольных смесей представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Составы цеховой (ЗАО «Машиностроительный завод «Плазма») и предлагаемой жидкостекольных смесей

Компоненты смеси Содержание компонентов (мае. %)

цеховая смесь предлагаемая смесь

Жидкое стекло (М=2,68; р=1481 кг/м3) ГОСТ 13078-81 6,6 4,3

Водно-глинистая суспензия (р= 1400 кг/м3) 6,4 6,4

Мазут1 0,5 0,5

Песок ЗК20202 ГОСТ 2138-91 86,5 88,8

Как видно из табл. 2 физико-механические и технологические свойства предлагаемой и цеховой смесей практически одинаковые. Однако выбиваемоегь предлагаемой смеси значительно лучше цеховой во всем исследуемом интервале температур (400 ... 1000°С), что достигнуто за счет сокращения количества жидкого стекла с 6,6 до 4,3 мае. %.

1 В цеховой смеси ЗАО «Машиностроительный завод «Плазма» для придания ей прочности во влажном со-

стоянии использовалась водно-глинистая суспензия (6,4 мае.% при плотности 1400 кг/м3), для придания пластично-

сти и сокращения прилипаемосга смеси к модельной оснастке - мазут (0,5 мас.%). Поэтому, для объективного сравнения полученных результатов эти компоненты были введены и в состав предлагаемой смеси с жидким стеклом, приготовленном из наноразмерного щелочного силиката натрия.

Таблица 2

Основные физико-механические и технологические свойства цеховой (ЗАО «Машиностроительный завод «Плазма») и предлагаемой смеси на жидкостекольном связующем изготовленном безавтоклавным растворением нанодиспергированного УВО щелочного силиката натрия

Свойства Цеховая смесь Предлагаемая смесь

Газопроницаемость, ед. не менее 100 не менее 100

Предел прочности при сжатии во влажном состоянии, кПа. 20... 30 22 ... 34

Предел прочности при растяжении в отвержденпом состоянии, МПа. не менее 1,0 не менее 1,2

Влажность, % 4,0... 5,0 3,0 ... 4,5

Осыпаемость, % не более 0,4 не более 0,15

Работа выбивки, Дж, при температурах прогрева, °С 400 600 800 1000 48 ... 52 43 ... 47 298 ...312 94 ... 105 22 ... 26 21 ...25 122... 134 36... 44

На рис. 7 показана фотография отливки «Кожух маховика», изготовленной на ЗАО «Машиностроительный завод «Плазма» с применением смеси предлагаемого состава. Материал отливки - сталь 15ХЛ, масса - 200 кг. Физико-механические свойства литой стали определялись после нормализации при температуре 880 ... 900"С, с последующим отпуском при температуре 600 ... 650 °С. Предел прочности на растяжение составил 420 МПа, предел текучести - 245 МПа.

После заливки и охлаждения формы выбивались на инерционной выбивной решетке. При этом основная масса смеси с жидким стеклом, полученном безавтоклавным растворением нанодиспергированного УВО щелочного силиката натрия, высыпалась из формы в течение 1 минуты (цеховая в течение 14 ... 55 минут).

Испытания и внедрение смеси предлагаемого состава на жидкостекольном связующем, полученном из наноразмерного щелочного силиката натрия, также были проведены в литейном цехе ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей».

Внедрение разработанных технологических процессов на ЗАО «Машиностроительный завод «Плазма» и ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» позволило получить в 2008 году общий экономический эффект в размере 1222500 руб., достигнутый за счет улучшения выбиваемое™ смеси, а также снижения себестоимости и улучшения качества

Рис. 7. Изготовленная с применением смеси предлагаемого состава стальная отливка «Кожух маховика» (ЗАО «Машиностроительный завод «Плазма»)

жидкостеколыюго связующего, изготавливаемого безавтоклавным растворением в нагретой до 80 °С воде нанодиспергированного ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия, взамен производимого традиционными методами автоклавного растворения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Экспериментально доказано - ударно-волновая обработка (УВО) с применением энергии взрыва позволяет получать наноразмерные порошки щелочного силиката натрия, гранулометрический состав которых зависит от величины импульса давления, возникающего при отражении детонационной волны от металлической стенки пресс формы; определено, что для получения основной фракции порошка с размером частиц 100 ... 200 им необходима реализация импульса давления в диапазоне 0,12 ... 0,16 МПа-с.

2. Установлено, что продолжительность процесса безавтоклавного растворения наноразмерного порошка щелочного силиката натрия в нагретой до 80°С воде сокращается до 5 минут.

3. Раскрыт механизм увеличения прочности на разработанном связующем: полученное безавтоклавным растворением нанодиспергированного УВО щелочного силиката натрия жидкое стекло, по отношению к традиционному, характеризуется меньшим углом смачивания кварца и большей размерной неоднородностью частиц коллоидного кремнезема, что при приготовлении и высушивании смеси соответственно обеспечивает формирование равномерных плотных пленок на зернах наполнителя и более компактные упаковки коллоидного кремнезема приводящие к возрастанию когезионной прочности отвержденного связующего.

4. Теоретически показано и экспериментально подтверждено - при использовании разработанного жидкостеколыюго связующего технологически возможно в составах пластичных смесей уменьшить количество связующего до 4,0 мае. %, а при приготовлении ХТС со сложноэфирным отвердителем АЦЭГ - до 3,0 мае. %, что позволяет существенно сократить работу выбивки относительно общеизвестных смесей, содержащих соответственно 6,0 и 3,5 мае. % жидкого стекла, изготавливаемого традиционным автоклавным растворением силикат-глыбы.

5. На основе полученных результатов разработаны и внедрены на ЗАО «Машиностроительный завод «Плазма» и ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» новые научно обоснованные технологические процессы производства жидкого стекла из нанодиспергированного щелочного силиката натрия, а также состава смеси для литейных форм и стержней, с пониженным содержанием связующего, обладающей улучшенной выбиваемостью и имеющей необходимые технологические свойства. Общий экономический эффект от внедрения составил в 2008 году 1222500 руб.

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в работах:

1. Исследование растворения силикат-глыбы активированной ударно-волновой обработкой / В.В. Юрасов, Т.Ш. Сильченко, H.A. Кидалов, C.B. Кузьмин, H.A. Осипова // Литейщик России. - 2008. - № 10. - С. 33-35.

2. Юрасов, В.В. Разработка жидкостеколыюго связующего для смесей литейного производства из нанодиспергированных ударно-волновой обработкой щелочных силикатов натрия / В.В. Юрасов, Т.Ш. Сильченко, H.A. Кидалов // Литейщик России. - 2011.

- № 2. - С. 42-46.

3. Исследование возможности повышения производительности процесса получения жидкого стекла за счёт ударно-волновой обработки растворяемого твёрдого компонента / В.В. Юрасов, Т.Ш. Сильченко, H.A. Кидалов, C.B. Кузьмин // Изв. ВолгГТУ. Серия «Сварка взрывом и свойства сварных соединений»: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ.

- Волгоград, 2008. - Вып. 3, № 3. - С. 123-130.

4. Исследование процесса безавтоклавного растворения наноразмерного порошка силикат-глыбы, получаемого способом ударно-волновой обработки / В.В. Юрасов, Т.Ш. Сильченко, H.A. Кидалов, C.B. Кузьмин // Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериапов (3-4 июня 2009 г.): тр. VII междунар. Рос.-Казахстан.-Японской науч. конф. / Мин-во образования и науки Рос. Федерации [и др.]. -М„ 2009. - С. 355-361.

5. Юрасов, В.В. Конструкция установки для экспериментального исследования и оптимизации параметров автоклавного растворения стекловидных щелочных силикатов / В.В. Юрасов, H.A. Кидалов, Т.Ш. Сильченко // Новые перспективные материалы и технологии их получения. НПМ-2007: сб. науч. тр. междунар. конф., Волгоград, 9-12 окт. 2007 г. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2007. - С. 242-244.

6. Юрасов, В.В. Исследование влияния величины импульса давления детонационной волны на растворимость щелочных силикатов / В.В. Юрасов, H.A. Кидалов, Т.Ш. Сильченко // Инновационные технологии в обучении и производстве: матер. V всерос. н.-пр. конф., Камышин, 4-6 дек. 2008 г. В 3 т. Т. 2 / КТИ (филиал) ВолгГТУ [и др.]. -Камышин, 2008. - С. 111-114.

7. Юрасов, В.В. Исследование возможности применения ударно-волновой обработки для изменения структуры и свойств стекловидных силикатов натрия / В.В. Юрасов, Т.Ш. Сильченко, H.A. Кидалов И XII региональная конференция молодых исследователей Волгогр. обл., г. Волгоград, 13-16 нояб. 2007 г.: тез.докл. / ВолгГТУ [и др.]. -Волгоград, 2008. - С. 158-160.

8. Юрасов, В.В. Исследование процесса растворения твёрдых кремнесодержащих элементов, предварительно подвергнутых ударно-волновой обработке / В.В. Юрасов, H.A. Кидалов // XIII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г.Волгоград, 11-14 нояб. 2008 г.: тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2009. -С. 149-150.

9. Пат. 2368569 РФ, МПК С 01 В 33/32. Способ производства жидкого стекла / В.В. Юрасов, Т.Ш. Сильченко, H.A. Кидалов, C.B. Кузьмин, H.A. Осипова, В.И. Лысак, В.З. Юрасов; ВолгГТУ. - 2009.

Подписано в печать 24.08.2011 г. Заказ № 569. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0 Формат 60x84 Vie- Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, Волгоград, пр. им. В. И Ленина, 28, корп. №7

Введение.

Глава I. Использование в литейном производстве жидкого стекла, анализ 'способов его изготовления и особенности ударно-волновой обработки неметаллических^ материалов с использованием энергии

1 взрыва.

1.1. Общая характеристика жидкого стекла и его применение в литейном производстве.

I 1.2. Анализ основных факторов, влияющих на выбиваемость жидкостекольных смесей.

1.3. Существующие способы промышленного производства жидкого стекла. 1.4. Основные схемы, параметры и особенности ударно-волновой обработки неметаллических материалов с использованием энергии взрыва.

1.5. Цель и задачи исследования.

Глава II. Материалы и,методы исследования.

2.1. Основные материалы, применяемые в исследовании.

2.2. Экспериментальные методы определения-параметров, режима ударно-волновой обработки.

2.3. Метод атомно-силовой микроскопии.

2.4. Метод фотонной корреляционной спектроскопии.

2.5: Определение основных технологических свойств смесей на жидкостекольном связующем.

2.6. Статистические методы обработки экспериментальных данных.

Выводы к главе II.

Глава III. Исследование влияния ударно-волновой' обработки на гранулометрический состав и свойства сырьевых материалов производства жидкого стекла, а также размеры коллоидных частиц, присутствующих в водных растворах щелочного силиката натрия.

3.1. Влияние параметров взрывного нагружения на дисперсность щелочного силиката натрия и кремнеземсодержащих компонентов.

3.2. Исследование растворимости сырьевых материалов производства жидкого стекла после ударно-волновой обработки.

3.3. Исследование особенностей основных физико-химических свойств разработанного жидкостекольного связующего.

Выводы к главе III.

Глава IV. Исследование особенностей изменения свойств смесей для литейных форм и» стержней на жидкостекольном связующем, изготовленном различными способами.

4.1. Расчетная оценка изменения прочности смесей на разработанном жидкостекольном связующем. 1104.2. Исследование процессов, протекающих при отверждении- пластичных жидкостекольных смесей тепловой сушкой и углекислым газом.

4.3. Исследование основных физико-механических и технологических свойств жидкостекольных смесей, отвержденных тепловой'сушкой.

4.4. Исследование основных физико-механических и технологических свойств1 жидкостекольных смесей; отвержденных С02-процессом.

4.5. Исследование физико-механических и технологических свойств жидкостекольных смесей с жидкими сложноэфирными отвердителями.

Выводы к главе IV.

Глава, V. Промышленное испытание и внедрение* смеси-с жидким стеклом, полученном из нанодиспергированногс ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия.

5.1. Разработка технологии» изготовления жидкостекольного связующего из нанодиспергированного ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия для производства литейных форм и стержней на ЗАО «Машиностроительный завод «Плазма».:.

5.2. Испытание и внедрение технологического процесса изготовления смеси на жидкостекольном связующем, полученном из наноразмерного щелочного силиката натрия.

Выводы к главе V.

Развитие современных технологических процессов показывает, что изготовление форм и стержней в литейном производстве вступило в период, когда мероприятия, направленные на снижение трудоемкости производства отливок, улучшение качества продукции, а также сокращение вредных для здоровья рабочих операций; основываются, как правило, на использовании новых свойств и составов формовочных смесей.

Сегодня весьма перспективным, отвечающим современным требованиям, литейного производства, является изготовление форм и стержней из смесей на жидко стекольном связующем, что позволяет значительно сократить цикл изготовления отливок и снизить трудоемкость их изготовления, а также увеличить точность литья и устранить выделение токсичных веществ [1.5].

В нашей стране быстротвердеющие смеси с жидким стеклом получили промышленное применение с 1949 г. благодаря работам, проведенным специалистами ЦНИИТмаша, а также заводов тяжелого машиностроения и станкостроения [6, 7].

Значительный вклад в разработку теории: и практику производства отливок, с использованием смесей х жидким стеклом был внесен такими исследователями как Берг 77:77., Бречко A.A., Валисовский И.В., Васин Ю.П., Ва-щенко К.И., Великанов Г.Ф., Дорошенко С.П., Жуковский С.С., Илларионов И.Е., Кулаков Б.А., Лясс A.M., Ромашкин В.Я., Рыжков И.В. и др. Работы этих ученых позволили получить и внедрить, в промышленности обладающие улучшенной выбиваемостью жидкостекольные смеси, позволившие существенно повысить уровень качества продукции литейного производства.

Тем не менее, несмотря на накопленный богатый теоретический и экспериментальный материал, проблема затрудненной выбиваемости смесей на жидко стекольном связующем до настоящего времени не является окончательно решенной. Операция выбивки стержней, особенно крупных и сложных отливок, является одной из наиболее тяжелых, составляя 20 . 25 % общей трудоемкости изготовления продукции литейного производства [2, 3].

Юрасов В В.Кандидатская диссертация ' Введение

При этом, затраты на выбивку жидкостекольных смесей остаются более высокими по сравнению с песчано-глинистыми смесями и смесями с органическими связующими [3^ 8]. Известные технологические приемыши рекомендации по улучшению выбиваемости не всегда эффективны, а в качестве специализированных добавок используются целевые дорогостоящие материалы, значительно увеличивающие стоимость литья и, в ряде случаев, значительно снижающие рентабельность.производства;.

Наиболее простое и предпочтительное техническое решение, облегчающее выбиваемость смесей посредством сокращения вг последних содержания жидкого стекла, неразрывно связано; с понижением исходной прочности форм и стержней! Очевидно, что -для улучшения выбиваемости данным способом необходимо' использовать, жидкостекольное связующее, свойства которого даже, при пониженном' содержании? обеспечат требуемый уровень исходной? прочности смеси; Однако из анализа литературных данных следует, что* изготовить отвечающее вышеприведенным требованиям жидкое стекло известными- на сегодняшний день способами не представляется возможным.

Таким образом; разработка новых научно1 обоснованных способов изго-товле11ия;жидкого< стекла, а также составов- формовочных и стержневых смесей на его основе, обладающих, за счет пониженного содержания связующего, улучшенной выбиваемостью из. отливок и необходимым уровнем технологических свойств, является весьма актуальной' задачей. Актуальность выбранной темы, диссертационного исследования» также подтверждается выполнением; его в рамках программы Рособразования «Развитие научного потенциала высшей школы>> тема №1.120.04 (2006-2008 гг.);

Цель настоящего диссертационного исследования - создание для литейного производства жидкостекольного связующего; обеспечивающего улучшение выбиваемости .вследствие, возможности снижения своего содержания! в смесях без понижения прочностных свойств последних.

В'качестве наиболее рационального принципиальнонового подхода для достижения заданной цели в настоящей работе предложено изготавливать жидкостекольное связующее из наноразмерных порошков сырьевых растворяемых материалов, поскольку практически все свойства наноматериалов значительно отличаются от свойств крупнозернистых аналогов.

Изготавливать наноразмерные порошки сырьевых растворяемых материалов производства жидкого стекла наиболее технологично ударно-волновой обработкой при помощи энергии бризантных взрывчатых веществ, поскольку данный способ обеспечивает высокие силовые параметры нагру-жения без значительных капитальных затрат, за счет исключения применения сложных энергоемких машин и механизмов, а также не накладывает каких-либо ограничений- на объем- обрабатываемого материала. Вместе с тем, особенности процесса ударно-волновой обработки сырьевых растворяемых материалов , производства жидкого стекла не изучены до^ настоящего времени, что предопределяет необходимость рационального выбора схем и определения оптимальных параметров режима взрывного нагружения на основе экспериментальных исследований-.

Научная новизна диссертационной работы заключается в выявлении закономерностей и особенностей процесса изготовления из кремнеземсодер-жащих материалов; нанодиспергированных ударно-волновой обработкой, жидкостекольного» связующего-для смесей» литейного производства, а также раскрытии механизма увеличения прочности, последних.

Установлено, что гранулометрический состав диспергированного УВО щелочного силиката натрия определяется величиной импульса давления, возникающего при отражении детонационной волны от металлической стенки пресс формы; при этом получение основной фракции с размером частиц 100 . 200'нм достигается при реализации импульса давления в диапазоне 0,12 . 0,16 МПа-с.

Обнаружен эффект существенного сокращения, до- 5 минут, времени растворения наноразмерного щелочного силиката натрия безавтоклавным способом, при температуре воды 80°С.

Показано, что вследствие возрастания адгезии разработанного жидкого стекла к кварцу, краевой угол смачивания последнего сокращается по отношению к обычному связующему на 18 . 20%, обеспечивая при приготовлении и отверждении смеси формирование более плотных пленок на зернах наполнителя и упрочнение манжет.

Установлено, что при высушивании разработанного жидкого стекла существенная, по отношению к обычному, неоднородность размеров частиц коллоидного кремнезема - 2 . 30 нм, обеспечивает более плотные и компактные упаковки последних, приводя к возрастанию прочности пленок связующего на 27 . 34 %, а, следовательно, и тождественному повышению предела прочности смесей, поскольку последние разрушаются по когезионному механизму.

На защиту выносятся:

- результаты.исследования влияния параметров взрывного нагружения ударно-волновой обработки на гранулометрический состав порошков щелочного силиката натрия и кремнеземсодержащих компонентов (кварцевого песка, стеклянного боя);

- результаты исследования влияния параметров взрывного нагружения ударно-волновой обработки, на гранулометрический состав порошков щелочного силиката натрия и* кремнеземсодержащих компонентов (кварцевого песка, стеклянного боя);

- результаты экспериментального исследования растворимости1 сырьевых материалов производства жидкого стекла после ударно-волновой, обработки;

- результаты эксперименталыюго исследования особенностей основных физико-химических свойств разработанного жидкостекольного связующего;

- результаты расчетной оценки* изменения прочности смесей на разработанном жидкостекольномсвязующем;

- результаты исследования особенностей процессов, протекающих при отверждении-тепловой сушкой* и углекислым газом смесей на жидкостеколь-ном связующем, полученном из нанодиспергированного ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия;

- результаты сравнительного исследования основных технологических свойств отверженных наиболее распространенными в литейном производстве способами смесей на жидком стекле, приготовленном из нанодиспергиро-ванного ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия;

- результаты испытаний и внедрения разработанного на< основе проведенных исследований технологического процесса приготовления смеси на предложенном жидкостекольном связующем.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 181 страницу машинописного текста, 71 рисунок, 21 таблицу. Список используемой литературы включает 197 наименований. В приложении приведены копии актов внедрений, и патента РФ на изобретение, подтверждающие практическую ценность и актуальность данного исследования.

Результаты исследования основных физико-механических и технологических свойств отвержденных искусственной тепловой сушкой смесей на жидкостекольном связующем, полученном растворением совместно диспергированной УВО смеси кварцевого песка с твердым гидроксидом натрия

Номер состава Исследуемые свойства

Газопроницаемость, ед. Влажность, % Осыпаемость, % Предел прочности при растяжении, МПа Работа выбивки в Дж после прокаливания опытных образцов смеси при температурах, °С

400 600 800 1000

1 132 . 150 2,2 0,45 0,6 18 17 36 26

2 1,6 0,25 1,2 22 21 97 37

3 1,9 0,18 1,4 32 23 188 49

4 2,4 0,12 1,9 45 40 314 100

5 2,9 0,06 2,0 53 47 382 129

6 124 . 148 2,2 0,45 0,45 14 14 29 18

7 1,6 0,35 0,9 16 8 79 27

8 1,9 0,25 1,3 26 24 132 38

9 2,4 0,16 1,7 39 32 261 52

10 2,9 0,08 1,8 46 40 299 92

11 128 . 148 2,2 0,55 0,4 13 12 26 14

12 1,6 0,45 0,8 15 15 70 22

13 1,9 0,3 1,2 21 21 110 32

14 2,4 0,22 1,5 31 18 211 41

15 2,9 0,12 1,7 36 29 235 63

Документ, подтверждающий внедрение организацией (предприятием), у которого отсутствует отчетность по форме Р-10 ЦСУ

АКТ о внедрении научно-исследовательской работы

Разработка Волгоградского государственного технического университета, а именно «Разработка технологии и изготовление при помощи энергии взрыва опытной партии жидкого стекла из стекловидного щелочного силиката в объеме 1 (одна)т.» выполненная в период с 15.03.08 г. по 10.04.08 г. в соответствии с ГОСТ 13078-81, внедрена на ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»

Назначение внедренной разработки - связующее для изготовления песчано-глинистых форм и стержней используемых при производстве отливок черных металлов.

Вид внедрения - жидкое стекло, полученное растворением в воде стекловидного щелочного силиката, подвергнутого ударно-волновому дроблению при помощи энергии взрыва, взамен жидкого стекла изготавливаемое методами автоклавного растворения

1. Организационно-технические преимущества - улучшение санитарно-гигиенических условий труда, снижение трудовых и материальных затрат, сокращение времени изготовления.

2. Социальный эффект - развитие научных исследований в области технологии изготовления жидкого стекла, закрепление приоритета России на данную разработку.

3. Экономический эффект - достигается за счет повышения производительности, снижения энергозатрат и улучшения качества продукции.

При этом ожидаемый годовой экономический эффект с момента внедрения результатов НИР составляет 459300 (Четыреста пятьдесят девять тысяч триста) руб.

Долевое участие Волгоградского государственного технического университета в экономическом эффекте составляет 100 % (сто)

Настоящий акт не является основанием для востребования с ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» премиального фонда.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ

От Заказчика

От Исполнителя

Научный руководитель, д.т.н., профессор