автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Теоретические и технологические основы ресурсосберегающих технологий получения литых деталей с применением холоднотвердеющих смесей на основе материалов Республики Казахстан

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ПО КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

•• ОД 2 з МАР

На правах рукописи

жз У I

БАКИРОВ РАШИД БАКИРОВИЧ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ХОЛОДНОТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ МАТЕРИАЛОВ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ: 05. 16. 04-ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ ДОКТОРА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

АЛМАТЫ, 1996

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В ЖАМБЫЛСКОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ИНСТИТУТЕ ЛЕГКОЙ И ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

ИЛЛАРИОНОВ И.Е.

Ведущая организация: АО "АЛМАТИНСКИЙ ЗАВОД ТЯЖЕЛОГО

МАШИНОСТРОЕНИЯ" 4

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Е.С. ГАМОВ доктор технических наук, профессор Б.А. КУЛАКОВ доктор технических наук, профессор И.Ф. СЕЛЯНИН

ЗАЩИТА ДИССЕРТАЦИИ СОСТОИТСЯ " 29 д-Д/ги^ 1996 г. в 44. ЗР часов НА ЗАСЕДАНИИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СОВЕТА ДР 12.00.01 ПРИ НАЦИОНАЛЬНОМ ЦЕНТРЕ ПО КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН по адресу: г. АЛМАТЫ, 480100, ул. ШЕВЧЕНКО, 29/33

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института металлургии и обо гащения НЦ КПМС РК

Автореферат разослан " ф<г-фгга -¿-У" 1996 г.

Ученый секретарь

специализированного Совета

В.Г. ВАРЛАМОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Вхождение Республики Казахстан в рыночную экономику ставит перед машиностроением проблему рационального и эффективного использования минерально-сырьевых ресурсов, создания на их основе замкнутых производств экспортной и импортнозаменяющей продукции высокой готовности.

Литейное производство является основной заготовительной базой машиностроения и одной из самых материалоемких отраслей промышленности. В последнее время в литейное производство широко внедряются технологии получения отливок с применением литейных форм и стержней, отверждаемых без нагрева. Их основные преимущества заключаются в минимальной работе по уплотнению, отверждению при температуре окружающей среды, а также высокой точности форм и стержней, в широкой возможности управления технологическими свойствами и повышения качества отливок.

Улучшение качества отливок, повышение их размерной и весовой точности, чистоты поверхности в значительной степени зависит от прогресса в области формовочных материалов и способов формообразования, так как в песчаные формы будет производиться основное количество чугунного и стального литья.

Изучению и выбору оптимальных составов формовочных и стержневых смесей посвящены работы П. П. Берга, П. А. Борсука, Ю. Ф. Боровского, Ю. П. Васина, К. И. Ващенко, И. В. Валисовского, Е. С. Гамова, Б.Б. Гуляева, С. П. Дорошенко, С. С. Жуковского, И. Е, Илларионова, А. М. Лясса, Ф. Д. Оболенцева и др. исследователей. •■

Холоднотвердеющие смеси находят все большее применение в литейных цехах и являются перспективными в производстве отливок из различных сплавов, при различной степени механизации и серийности производства.

Однако, несмотря на ускоренные темпы распространения холоднотвердеющих смесей (ХТС), многие вопросы, относящиеся к теории процесса и практике применения, еще не полностью решен.

При неоспоримых достоинствах новая технология на ряде заводов Республики Казахстан не нашла еще широкого распространения. Трудности широкого внедрения нового технологического процесса изготовления литых деталей заключается в том, что оно основано на применении привозных формовочных материалов и недостаточно полно исследовавны возможности использования ХТС на основе местных природных материалов и вторичного сырья.

Нецелесообразность использования дефицитных привозных формовочных материалов при наличии значительных их запасов в Казахстане, связанные с этим большие транспортные расходы, а также острый дефицит органических связующих делают актуальным вопрос комплексного подхода к. теории получения ХТС на основе местных первичных к вторичных материалов.

Цель рябптм — разработка ресурсосберегающих технологий получения литых деталей на основе материалов Республики Казахстан и создание на их основе новых экономичных с минимальным отрицательным влиянием на окружающую среду холоднотвердеющих смесей7.' •''

Практическая значимость работы заключается в том, что применение разработанных ресурсосбеоегающих технологий получения литых деталей на основе местных материалов Республики Казахстан, оптимизированных составов смесей и активирующих добавок путем использования физических, химических и физико-математических методов обработки компонентов смесей позволяют улучшить качество поверхности чугунных и стальых отливок, снизить трудоемкость и себестоимость изготов

ления стержней и форм и улучшить санитарно-гигиенические условия труда в литейных цехах. Параметры технологических процессов изготовления форм и стержней, составы смесей и способы разупрочнения смесей защищины 3 авторскими свидетельствами.

Основные задачи исследования, поставленные в работе для достижения указанной цели :

— разработка и исследование, новых местных формовочных материалов и смесей, обеспечивающих получение средних и крупных отливок высокого качества из чугуна и стали;

-исследование механизма отверждения, формирование структуры и свойств жидких самотвердеющих смесей (ЖСС), органических ЖСС (ОЖСС) с лигносульфо-натами техническими (ЛСТ), сыпучих холоднотвердеющих (СХТС) смесей с фос-фогипсом, холоднотвердеющих песчано-смоляных (ХПСС) и фосфатных холоднотвердеющих смесей (ФХТС) с применением отходов металлургического, химического и целлюлозно-бумажного производства и других добавок при кислотно-основном взаимодействии;

— установление взаимосвязи между параметрами отверждения смесей и оптимизация литейной технологии;

- разработка новых экономичных составов ХТС и способов управления их свойствами; 1

- разработка и внедрение в промышленность Республики Казахстан ресурсосберегающих технологических процессов получения форм и стержней, позволяющих улучшить санитарно-гигиенические условия труда, осуществить охрану окружающей среды от токсичных образований, повысить точность и бездефектность отливок.

Научная новизна работы. Разработаны новые и уточнены имеющиеся представления о структуре и свойствах жидкостекольных жидких самотвердеющих смесей, ЖСС с лигносульфанатами техническими, сыпучих жидкостекольных смесей с фос-фогипсом, песчано-смо'ляных и фосфатных холоднотвердеющих смесей.

Исследованы водопоглощающие способности наполнителей формовочных и стержневых смесей, установлено, что для обеспечения удовлетворительной текучести смесей водопоглощающая способность наполнителя не должна превышать 0,8-1,2 %. Разработаны методы определения среднего размера песка по кривым плотности вероятности нормально-логарифмического распределения по закону Гаусса.

Разработаны методы и конструкция установки для определения пенообразующей способности поверхностно-активных веществ (ПАВ). Определен коэффициент мно-

9

жественной корреляции К - 0,997. Метод с достаточной точностью характеризует процесс пенообразования ПАВ, практичен в производственных условиях.

Установлены закономерности взаимодействия основных компонентов жидких самотвердеющих, сыпучих жидкостекольных и фосфатных ХТС, а также установлены математические модели, описывающие основные технологические свойства ХТС и позволяющие оптимизировать их составы и свойства.

Рентгенографическими исследованиями установлено, а термодинамическими расчетами подтверждено, что твердение жидких и сыпучих ХТС является следствием протекания обменных реакций с образованием в указанных системах кальцийнатри-евых гидросиликатов - основной структурообразующей фазы этих смесей. ИК -спектроскопическими исследованиями показано, что скорость твердения ХТС зависит от скорости растворения исходной Са - содержащей фазы в связующей. Разработаны эффективные методы управления процессом отверждения указанных смесей: для ЖСС —путем применения отвердителя с различной удельной поверхностью и

введением в смесь фосфогипса (активной Са - содержащей добавки), а для сыпучих ХТС - путем подбора оптимального режима термической обработки отвердителя-фосфогипса.

На основании исследования системы Ме О- Р205~ Нг О для литейного производства разработаны новыесоставы фосфатных холоднотвердеющих смесей. Рентге-ноструктурным анализом установлено, что новообразованием, обеспечивающим отверждение фосфатных смесей на основе оксидов железа и ортофосфорной кислоты являются гидратированные фосфаты железа, обладающие повышенной когезионной прочностью и термостойкостью. Формовочные и стержневые смеси на их основе, обеспечивающие получение отливок высокого качества и улучшающие санитарно-гигиенические условия труда, защищены авторскими свидетельствами. Непременным условием достижения высоких прочностных свойств фосфатных смесей является их структура, которая создается их уплотнением под воздействием внешних сил или собственной массы. Связующее способствует расширению площади контакта между минеральными частицами, течению и уплотнению их в конечном итоге, формированию плотной структуры. При этом эффективность и скорость отверждения фосфатных смесей зависит от удельной поверхности и количества оксидов железа. Установлено, что процесс отверждения фосфатных ХТС протекает в три периода: инкубационный-период живучести и пластичности; отверждения; образования твердой фазы - завершение процесса отверждения.

В случае с ЖСС с ЛСТ (ОЖСС) установлено, что если устойчивость пены существенно превосходит индукционный период отверждения, то газопроницаемость ОЖСС восстанавливается медленно и абсолютная величина ее занижена. Тогда для быстрого восстановления газопроницаемости дополнительно потребуется тепловая подсушка. При правильно выбранном соотношении пены, а именно при их примерно равном соотношении стержни и формы обладают высокой газопроницаемостью.

Для холоднотвердеющих песчано-смоляных смесей (ХПСС) установлена общая закономерность, заключающаяся в преобладании гогезионного упрочнения на начальных стадиях и адегизионного—на конечных стадиях отверждения. Установлено, что отверждение ХПСС с фурановой смолой "Фуритол - 107" резко ускоряется при добавке 0,04- 0,15 мае. ч. хлористого кальция. Поэтому факторы, замедляющие процесс отверждения смесей: низкая температура, высокая влажность песка, мелкозернистый наполнитель, можно легко компенсировать с помощью незначительных добавок хлорида кальция.

Построены математические модели для значения прочности, текучести, газопроницаемости, влажности, выбиваемости ХТС в зависимости от содержания связующего, отвердителя с применением ЭВМ Е8 1022.

Комплексные физико-химические исследования позволили разработать смеси с оптимальными физико — механическими и технологическими свойствами для чугунного и стального литья.

Практическая значимость и внепрение в промышленность. Установленные закономерности позволили уточнить механизм формирования структуры и свойств ЖСС, СХТС, ОЖСС, ХПСС и ФХТС для чугунных и стальных отливок и на их основе создать технологию по получению литых деталей высокого качества.

Установлено, что для разработанных ХТС могут быть использованы формовочные материалы и материалы-отходы: огнеупорные глины Дарбазинского, Карасорского, Келесского и Огланлинского месторождений; пески марок 2КО16 А, 1КРМА и Т016А

Дарбазинского карьероуправления и марок Ю315А, 20315Д, 1К0315В, 2К0315Б, 1К016А, 1К016Б, 2К016А и 2К016Б Карасорского ГОК; отвердитсли: фсррохромо-вые шлаки Актюбинского ферросплавного завода, фосфогипс Жамбылского суперфосфатного завода, железорудные концентраты Соколово-Сарбанекого ГОК, железная окалина Карагайдинского металлургического комбината, трифолин и крокус Кемеровского анилино—красочного завода, хромовые ангидриды Актюбинского завода хромовых соединений; связующие: карбомидно-фурановая смола "Фуритол -107" Ферганского завода фурановых соединений, лигносульфонаты магния технические Кызылординского целлюлозно-картонного комбината; катализаторы: орто-фосфорная кислота Жамбылского и Шымкентского фосфорных заводов; вспомогательные материалы: лигнин Шымкентского гидролизного завода, угольная зола ТЭЦ.

Получены монограммы составов ХТС и составлены производственно-технологические инструкции по их применению, от реализации которых на ряде заводов Республики получен экономический эффект до 8,6 руб. за одну.тонну годного литья в ценах на 01.01.1990г.

Параметры технологических процессов изготовления форм и стержней, составы смесей, способы устранения разупрочнения ХТС защищены тремя авторскими свидетельствами.

Основные разработки внедрены и прошли промышленные испытания на Алматин-ском заводе тяжелого машиностроения, Алтайском тракторном заводе, Белезинском литейном заводе Республики Удмуртии, Жамбылском опытно-механическом заводе и ПО "Химпром", Кентауском экскаваторном заводе, Липецком, Одесском и Рязанском литейных заводах "Центролит", ПО "Казтяжпромарматура", ПО "Ташкентский тракторный завод", Туркестанском ремонтно-механическом заводе, Шымкен-тском заводе пресс-автоматов, Чебоксарском заводе промышленных тракторов и Чирчикском заводе "УзбекХиЖмаш". Составы смесей были использованы при литье стальных и чугунных отливок типа плит, корпусов, станин, роликов массой от 200 кг до 4 тонн, что позволило уменьшить массу и брак отливок, сократить или полностью устранить применение высокотоксичных, дорогостоящих, дефицитных и имеющих ограниченный срок хранения органических связущих, снизить расход топлива и электроэнегрии в 3—4 раза, сэкономить формовочные материалы, повысить производительность труда, улучшить качество отливок и санитарно-гигиенические условия труда. Экономический эффект от внедрения разработок составил свыше 900 тыс. руб. в ценах на 01.01. 1990 г.

На защиту выносятся следующие положения:

— обоснования некоторых особенностей механизма отверждения, формирование и принципы управления свойствами связующих композиций и ХТС;

-теоретическое обоснование применения доступных, экономичных формовочных материалов и материалов-отходов для приготовления ресурсосберегающих ХТС: ЖСС, ОЖСС, СХТС, ХПСС и ФХТС;

— результаты исследований механизма объемного отверждения и разупрочнения ХТС с применением связующих композиций: жидкое стекло—феррохромовый шлак, жидкое стекло — фосфогипс, лигносульфанаты магния технические - хромовый ан-гедрид, карбомидно-фурановая смола "Фуритол - 107" - ортофосфорная кислота и оксиды железа — ортофосфорная кислота, улучшающих их адгезионное и когезион-ное свойство и способствующих формирование структуры ХТС;

— новые составы и технология получения и применения отечественных экологически безопасных малоотходных ХТС, гарантирующих получение качественных отливок;

— математические модели: "состав - свойство смеси", "свойстно компонентов -свойства смеси" и компьютерная программа для разработки и оптимизации составов, свойств и промышленной технологии применения ХТС;

— результаты исследований влияния ХТС на состав воздушной среды в литейных цехах и разработка практических рекомендаций по охране труда и экологии.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на более чем 40 съездах, Международных, Всесоюзных, зарубежных, региональных, республиканских конференциях, совещаниях и семинарах. В том числе на: научно-техническом совещании литейщиков "Прогрессивные способы приготовления литейных форм и стержней" (Ташкент, 1969) , Республиканском научно-техническом совещании литейщиков "Применение самотвердеющих смесей в литейном производстве" (Киев, 1975), VI — ой Всесоюзной конференции по химии и использованию лигнина (Рига, 1976), Всесоюзной конференции литейщиков "Получение отливок с чистой поверхностью" (Киев, 1976), научно-технической конференции "Технология переработки сульфитных щелоков" (Пермь, 1977), научно-техническом семинаре " Холоднотвердеющие формовочные и стержневые смеси" (Киев, 1978), научно-техническом совещании "Технология и опыт работе монолитными самотвердеющими футеровками" (Липецк, 1979), научно-техническом семинаре "Применение концентратов сульфитно-дрожжевой брожки в литейном производстве" (Киев, 1980), Всесоюзном научно—техническом совещании "Перспективы использования лигнина в народном хозяйстве" (Братск, 1980), научно-техническом семинаре "Пути повышения качества стального литья" (Киев, 1981), республиканской конференции "Проблемы развития фосфорной промышленности Каратау-Жамбылского ТПК" (Жамбыл, 1981), республиканском научно-техническом семинаре "Проблемы освоения и комплексного использования минерально-сырьевых ресурсов Актюбинскойобласти" (Актюбинск, 1982), У-ой республиканской конференции "Химия природных солей и минеральных удобрений Казахстана" (Алматы -Жамбыл, 1983), Н-ом Всесоюзном научно—техническомсъезде литейщиков (Москва -Ленинград, 1983), научно-техническом совещании литейщиков "Состояние и перспективы получения отливок на основе ресурсосберегающих формовочных смесей" (Липецк, 1983), научно-техническом семинаре "Пути расширения применения и улучшения связующих свойств концентратов сульфитно-дрожжевой брожки в литейном производстве" (Киев, 1983), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов" (Баку, 1984), республиканской научно-технической конференции "Пути интенсификации технического перевооружения литейного производства и задачи повышения качества и снижения металлоемкости" (Ташкент, 1984), научно-технической конференции "Ресурсосберегающая технология в литейном производстве" (Киев, 1985), научно-техническом семинаре "Повышение качества литейных форм и стержней" (Пермь, 1985), региональной научно-технической конференции литейщиков "Технологические процессы литейного производства, обеспечивающие увеличение производительности труда и улучшение качества отливок" (Караганда, 1986), II—ой республиканской научно-практической конференции литейщиков "Прогрессивная технология изготовления форм и стержней для производства отливок из черных и цветных металлов. Охрана труда" (Чебоксары, 1986). Межреспубликанской научно-практической конференции "Феррифосфатные ХТС и технология получения на их'оснойе высококачественных отливок" (Липецк, 1987), межреспубликанском научно-практическом семинаре "Современные технологические процессы получения высококачественных отливок, повышения стойкости литейной

оснастки и режущего инструмента" (Чебоксары, 1987), Всесоюзной научно-технической конференции литейщиков "Прогрессивная технология, автоматизация и применение ЭВМ в литейном производстве" (Алматы, 1987), Республиканской научно-практической конференции "Роль науки в производств в свете требований XXVII съезда КПСС" (Чебоксары, 1987), региональной конференции литейщиков "Прогрессивные процессы изготовления качественных отливок в песчаных формах" (Челябинск, 1987), межреспубликанской научно-практической конференции "Прогрессивные технологические процессы производства отливок, материалов и их обработка" (Чебоксары, 1988), отраслевом семинаре "Техническое перевооружение участков в литейных цехах" (Ташкент, 1988), межреспубликанской научно-практической конференции "Современные технологические процессы получения высококачественных изделий методом литья и порошковой металлургии" (Чебоксары, 1989) Международной советско-чехословацкой конференции "Полифосфатные холоднотвердеющие смеси и отливки из высокопрочного чугуна" (Липецк, 1989), республи канском научно-техническом семинаре "Актуальные проблемы машиностроения' (Павлодар, 1989), научно-технической конференции литейщиков южного Китая (г Кунминь, КНР, 1990), Международной советско-китайской научно-техническо! конференции литейщиков (Киев, 1991), Международной научно-технической кон ференции литейщиков КНР и СНГ (г. Харбин, КНР, 1992), Международной науч но-практической конференции "Современные технологические процессы и обору дование в машиностроении" (Чебоксары, 1992), научно-практической конферен ции—ярмарке "Теория и технология металлургических и машиностроительных про цессов" (Липецк, 1993), .6 - ой Международной конференции по дизайну и техноло гии в машиностроении (Анкара, Турция, 1994), научных семинарах кафедр "Литей ное производство" и "Технология металлов" НГТУ им. Н.Э. Баумана, Киевскогс Липецкого политехнического институтов, Чувашского государственного универси тета и Жамбылского технологического института и ежегодных институтских конфе ренциях.

Результаты исследований демонстрировались на ВДНХ Республики Казахста (Алматы, 1988 — Диплом I степени), Международной выставке-ярмарке (г. Вьентья! Лаос, 1989), Уханьскомметаллургическом комбинате (КНР, г. Ухань, 1990-подпи сан протокол о применении железофосфатных ХТС на литейном заводе комбината]

Публикации. По результатам выполненных исследований и разработок опублк кованно 2 монографии, 4 брошюры, 29 статей, получено 3 авторских свидетельств СССР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, ochoi ных выводов, списков литературы и приложений. Изложена на 485 страницах мап» нописного текста, включает 102 таблицы, содержит 82 рисунка и список литератур из 281 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Методика проведения исследований. Исследования проводились в лаборатории и производственных условиях. Исследования технологических свойств ХТС провс дили в МГТУ им. Н.Э. Баумана, Жамбылском технологическом институте, Киевско политехническом институте и Чувашском Государственном университете. Физике химические свойства составляющих компонентов и ХТС исследованы в институт: неорганической химии HAH PK и HAH Кыргызской Республики и в Пермскс филиале ВНПО Бумпорма РФ. Экспериментальные данные, полученные при выпо. нении диссертационной работы, обрабатывались методом математической статистш на ЭЦВМ. Основные результаты теоретического и экспериментального исследован!

получены на современном оборудовании с привлечением рентгенографического, дифференциально-термического и химического анализов, а теоретические расчеты выполнены с привлечением физической химии и термодинамики.

Разработан рациональный метод определения пенообразующей способности (ПОС) поверхностно-активных веществ. По сравнению с микроразмельчителем тканей РТ-2, предложенный НПО "ЦНИИТМАШ" и КПИ, наш прибор прост, и для него достаточно иметь стеклянный цилиндр со шкалой объемом 1000 мл и простое перемешивающее устройство.

В качестве исследуемого материала были использованы распространенные при приготовлении ЖСС пенообразователи: контакт Петрова, мылонафт, ДС-РАС (детергент советский рафинированный алкиларилсульфонат), КЧНР (контакт черный нейтрализованный рафинированный).

Исследования НПО "ЦНИИТМАШ" и наши (табл. 1) позволяют предопределить, какая из добавок в принципе может обеспечить наиболее высокую подвижность смеси. С этой точки зрения исследованные пенообразователи по параметру (пено-образующая способность, определенная НПО "ЦНИИТМАШ" с помощью мешал-ки-размягчителя тканей) и комплексу ч, предлагаемому нами, располагаются в ряд, сохраняя общий характер убывания пенообразующей способности.

Сравнительная оценка пенообразующей способности ПАВ

Таблица I

Пенообразователь V/ Ч

Мылонафт—стабилизатор 9,4 797

КЧНР 8,5 598

ДС-РАС ,.,;.. 8,1 530

Контакт Петрова 5,6 382,5

Определен коэффициент множественной корреляции И = 0,997, установлена связь между показателями д и

д = 1809,416 -471,ЗббИ' + 38.6871Г 2 (1)

Зависимость (1) позволяет установить точность измерения свойств ПАВ и соответствие их с результатами измерений, определенных в НПО "ЦНИИТМАШ".

Получение ЖСС с оптимальными свойствами при минимальной влажности очень сильно зависит от свойств наполнителей. Как показали исследования НПО "ЦНИИТМАШ", свойства наполнителей ЖСС достаточно хорошо характеризуются их волопоглашаюшей способностью - отношением количества воды, связанной поверхностью песка, к егомассе.

Для определения'водопоглащающей способности нами использовался метод центрифугирования. Центрифугированию подвергался песок, смоченный водой. При центрифугировании центробежные усилия значительно превосходят гравитационные силы, в результате чего происходит удаление свободной воды. Связанная вода, обладая пониженной подвижностью, остается на поверхности наполнителя. Преимущество этого метода состоит в том, что процесс удаления свободной воды идет очень

быстро и заканчивается в течение 1-2 минут. В виду того, что ЖСС содержит ПАВ, водопоглащающую способность наполнителей нельзя рассматривать без учета их влияния. Поэтому разработанная методика предусматривает центрифугирование материала, замоченного как в чистой воде, так и в водном растворе, содержащем 2,5 масс. дол. ДС-РАС.

Исследованы водопоглащающие способности различных наполнителей: речной Ассинский, Карасорский, пески Мойынкум, карьерный, цирконовый, дунитовый, морской, шамот и др. Установлено, что ПАВ вызывает частичную гидрофобизацию наполнителя, что приводит к снижению их водопоглащающей способности. Поэтому о пригодности наполнителей для получения ЖСС можно судить по его водопоглащающей способности из водного раствора ПАВ. Показано, что для обеспечения удовлетворительной текучести ЖСС водопоглащающая способность наполнителя не должна превышать 0,8-1,2%. Удельное водопоглощение и толщина клеток связанной воды на поверхности наполнителя при замачивании их в воде возрастает с увеличением зерен, а в водном растворе ПАВ - уменьшается. Снижение толщины пленки на поверхности наполнителя, вызванное его гидрофобизацей в результате адсорбции ПАВ, наряду с пеноо^разованием в смеси является важным фактором получения жидкой подвижности при относительно небольшой ее влажности. Установлено, что для приготовления ЖСС, наряду с кварцевыми песками (речными и карьерными) могут применяться кварцево-полевошпатные, а также цирконовые.

Физическая химия и химическая термодинамика по своей сущности являются математическими науками. В. А. Васильев предлагает все вычисления производить в сфере абстрактных математических величин. Физический мир переводится на язык математических соотношений, этот перевод совершается при помощи координат.

С целью удобства описания сложных (реальных) систем принято "делить" энергию в соответствии с различными формами движения материи. Для каждой формы движения устанавливаются определенные соотношения между различными параметрами системы. В этом случае естественно принять, что координаты системы устанавливают связь между точками некоторого п -мерного пространства и числами. После установления этого соответствия можно оперировать алгебраическими величинами. Проведя необходимые математические вычисления, числа переводятся в мир реальных физических величин.

В химической термодинамике в качестве обобщенных координат удобно выбрать экстенсивные параметры <?,.

От п обобщенных координат </, , д2—< Ч„ требуется лишь, чтобы они полностью определяли состояние системы.

Между двумя или несколькими наборами, которые могут быть выбраны в качестве обобщенных координат, существует определенное соотношение: связь между их дифференциалами всегда линейна. Следовательно, некоторой области вокруг точки А <7 - пространства соответствует определенная область вокруг точки ~А в д - пространстве и переход из одного пространства (?) в другое (?) может быть совершен с помощью точечного преобразования.

Обобщенные координаты, с качественной и количественной стороны характеризующие формы движения материи, будем называть зарядами <7 (энтропия, поверхность, объем, электрический заряд и т. д.).

Пусть на каждую частичку системы действует сила ^ (тепловая, химическая, механическая и т. д.). Для случая обобщенных координат полная работа всех сил равна:

(Ш = + ^2</(/2 + ... + /=>/</„ = х/■;</</,... (2)

Коэффициенты Р,...Рп являются компонентами некоторого вектора Г а п - мерном пространстве. Компонентызависят от системы отсчета (обобщенных координат <7,...<7Л) и являются поэтому ковариантными, однако дифференциальная форма записи (2) в целом инвариантна.

Таким образом, мы чисто абстрактно вводим понятие вектора сЮ <1 п - мерном пространстве. Будем называть этот вектор обобщенной силой, а величины Р1 -компонентами обобщенной силы.

В химической термодинамике и физической химии силовая функция и = II (<7,...<7„) называется внутренней анергией.

Компоненты силовой функции, сопряженные с зарядами системы, будем называть потенциалами Рг Потенциалы системы с количественной стороны характеризуют форму движения материи. Следовательно, для термодинамической системы

сШ = £/>,. ■ ас/1 (3)

где Р, = (/¿//а<7;.

Если на координаты дг-.д„ не наложено никаких связей, то для замкнутой системы или для системы с '2р1 = 0 требуется, чтобы потенциал Р1 обратился в нуль, поэтому не существует вектора, который был бы перпендикулярен ко всем направлениям в ^-пространстве.

Если на координаты д^-д,, наложено ш связей, то условие ЪРрц, = 0 требует уже не обращения в нуль силы а лишь ее ортогональности (п — т) - подпространству. Это дает возможность записать п - т уравнений, соответствующих п - т формам движения.

Аналитическими расчетами'показано, что в замкнутой системе возможны лишь процессы, направленные на уменьшение скорости производства любого заряда.

В открытой системе происходит диссипация энергии. Показано, чтодиссипативная -часть потока на границе раздела фаз системы растет с увеличением коэффициента отдачи и величины напора потенциала и уменьшается с увеличением коэффициента проводимости и градиента обобщенной силы в объеме системы.

Изменение скорости диссипации энергии в процессе можно определить по уравнению

V = = ХР//

Диссипативная часть потока заряда У/=</,£/</г = №?. Следовательно, 1Г 1 = = ЪРрр где Р(о1 — плотность диссипации энергии или диссипативная функция.

Потоки зарядов в системе оказывают взаимное влияние друг на друга. Для учета их взаимного влияния вводится понятие термодинамической емкости Кц = (//¡/<1Р1 и термодинамического сопротивления = с1Р/(1(/; системы, которые расшифрованы для тепловой, механической, химической, кинетической и некоторых других форм движения.

Установлена связь между емкостью и проводимостью системы. Аналитически и экспериментально показано, что поток энергии в системе распределяется между различными формами движения пропорционально емкостям системы.

Анализ изменения потоков заряда во времени позволяет вывести известные уравнения теплопроводности Фурье (для тепловой формы движения), уравнения Фика

(для диффузионных процессов), уравнения Дарси (для фильтрационных процессов), что позволяет считать использование зарядов и потенциалов системы правомерным.

Введение понятий термодинамической емкости и сопротивления системы дает возможность записать обобщенные уравнения (2) и (3) законов термодинамики в матричной форме. В этом случае, например, для трех форм движения: тепловой, механической и химической, уравнение силовой функции записывается как

<1 Т

(1\У = 177^1

где И' — силовая функция, служащая для описания'поведения системы в заданных условиях эксперимента или исследования (в данном случае независимТ , Р и ц ),

кч =

Величина есть якобиана

Л1Р

дт "> <5 V

I р

— IР дТ

(55

—■ I т ¿Я им

дУ

6Р |7Я — 1Г

б/5 иг

дУ

- 17-

6Р "г

бп 6Р

1Г„

(4)

/((?) составляющих компонентов силовой функции (по формам движения) при заданном наборе независимых переменных. Установлено правило выбора знаков компонентов якобиана /(</):

1. Все потенциалы в числителе положительны, кроме Р;

2. Все потенциалы в знаменателе положительны, кроме Р\

3. Все заряды в числителе отрицательны;

4. Все заряды в знаменателе положительны.

Если в уравнении силовой функции в качестве независимых переменных выбраны и заряды и потенциалы, то

1(о а -Р л. Соответствено изменится и матрица:

(5)

к,

к.

и

к,

1.Ш

И,] + 1.1

"ш + 1.Ш

к..

к,

М.Ш +1 +1 +1.111 +1 1.т +1

К.

Г'7

«», /

К,

+ 1/

(6)

где Ау — сопротивление системы.

Для произвольного количества форм движения

(!№= \д,Р 1Г.У (Я, \(Цс/,Р) 1 , (7)

где I <7, /М — вектор-строка независимых параметров системы;

I с!(д , Р) I - вектор-столбец.

Условие равенства перекрестных коэффициентов Ку = ( или Л(у = Л;7) якоби ана позволяет получить все известные уравнения термодинамики, а также четк( определить границы их применения.

Таким образом, матричная форма записи термодинамических уравнений позволя ет формализовать выбор силовой функции, служащей для описания системы пр1 заданных условиях проведения эксперимента. Последнее является необходимым дл численных экспериментов на ЭВМ.

Следующим шагом.является формализация записи химических реакций. Для этог использованы основные идеи метода Ариуса, В. В. Кафарова, Н. Ф. Степанова., В. А Васильева.

Сущность метода состоит в том, что каждый ;itom / идентифицируется сим полом В. В этом случае вектор молекулы вещества А, состоящего из ¡itomob /?, можно представить в виде:

А, = 2Рц ■ Вj , где [¡¡j - число атомов й; в молекуле Аг В векторной форме А = р ■ В , где р - атомная матрица рангом т.

Если между молекулами вещества возможны различные химические реакции, то они представляются в виде вектор-реакции

где aki — стехиометрические коэффициенты г'-ых компонентов реакции К. В векторной форме

Ф = а. А = а ■ Р ■ В , где а — матрица стехиометрических коэффициентов (стехиометрическая матрица).

Предложенный метод удобен для быстрого нахождения стехиометрических коэффициентов химических реакций, особенно при большом числе компонентов реакции. Кроме того, этот метод позволяет подойти к оптимизации выбора стехиометрических коэффициентов, что невозможно при традиционном методе. Действительно, если число степеней свободы М - т химических реакций равно нулю, то возможен лишь один набор стехиометрических коэффициентов ( здесь Л/-количество компонентов реакции, т—ранг атомной матрицы).

Если использовать известные методы линейного программирования, то определение стехиометрических коэффициентов химической реакции сводится к нахождению минимума линейной функции AG = гдеа,-стехиометрический коэффициент

при компоненте, ДG, — энергия Гиббса компонента i при заданных температуре и давлении. Кроме минимума энергии Гиббса на систему накладываются ограничения ТСр • а( = 0, требующие соблюдения условия материального баланса, и • I а;1 = Ь, требующие участия в химической реакции определенного количества молей Ъ-, химических элементов Bj. Коэффициент С/(. численно равен количеству атомов элемента Bj в молекуле АР Все решения должны проверяться на их соответствие правилу фаз. Разработан алгоритм расчета стехиометрических коэффициентов химических реакций. Текст программы написан на алгоритмическом языке "Fortran" для ЭВМ ES 1020.

Физико - химические исследования местных формовочных материалов для приготовления хплоттнотверяеюптих смесей. Основным материалом, отвечающим требованиям и условиям работы литейной формы, является чистый квярневый песок, состоящий из зерен Si02 определенных размеров и формы. Одним из наиболее важных путей сохранения ценных природных кварцевых песков является разработка научно обоснованных и рациональных норм их потребления. С этой целью в работе поставлена задача максимально приблизить исследование свойств формовочных смесей на основе местных кварцевых песков. Для установления точности определения зерен песка нами предложен метод определения среднего размера песка по кривым плотности вероятности нормально-логарифмического распределения по закону Гаусса. Получена возможность установить средний размер мелкозернистого дарбазин-ского песка Т01Б, который равен 0,07 мм и крупнозернистого илийского песка Т04Б, который равен 0,035 мм. Методы с достаточной точностью позволяют определять средний размер песков. ...

двухкальпиевый силикат. Ортосиликат кальция 12 Са О - 5/ 02 )_ существует в четырех модификациях: а, а',/? и у. При нагревании наблюдается следующий порядок полиморфных превращений: у -» а' а , а при охлаждении а -» -»р -» у .

а — Сг5 устойчив при температурах выше 1720 К, при температуре 1720 К переходит в а' — С25 .

а — С25 при нагревании, начиная от у - модификации, устойчив в интервале температур 1123-1720 К; при охлаждении а' -Сг8 никогда не получается у - ; при 943 К образуетсяр - Сг8 , а последний при температуре ниже 798 К медленно переходит в у - С25 . Плотность а - С25 3,4'/сл3.

Р~С2Б является метастабильной модификацией. При охлаждении чистый Р - С25 переходит в у — модификацию. Плотность /? - С25 3,28 '/с.„3. В присутствии примесей этот переход может затянуться или не произойти.

у — С25 образуется только при охлаждении других модификаций и представляет собой наиболее стабильную фазу. Она устойчива при температуре ниже 1053-1103 К. Плотность у - С'2Х 2,97'/„3 .

Фазовые переходы расплав и а' /?, - являются обратимыми, а

превращения/? -»у и у -» а' идут только в одном направлении.

Лейба С. П. утверждает, что из-за большой разницы в плотности переход Р - С25 в у - С25 сопровождается увеличением объема примерно на 12%, что приводит к саморассыпанию шлака.

Большое количество двухкальциевого силиката содержится в саморассыпающихся шлаках Актюбинского завода феррохромового производства.

Феррохромовый шлак применяется в качестве отвердителя ЖСС с жидким стеклом. Феррохромовый шлак, обеспечивающий самопроизвольное твердение ЖСС, поставляется по МРТУ-14—1,1-84.

Фосфогипс. сульфат кальция. Отход Жамбылского суперфосфатного завода. В нашей работе самозатвердевание сыпучих холоднотвердеющих смесей достигается за счет ввода в их состав фосфогипсапрокаленного в течение 2ч. при температуре 1073К. Добавка 1,9 масс. дол. фосфогипса в формовочную смесь значительно облегчает выбиваемость стержней, улучшает ее технологические свойства.

Лигносульфоняты технические (ЛСТ) - дешевые и доступные связующие материалы для ОЖСС, получают из сульфитного щелока-побочного продукта при сульфитной варке целлюлозы, после биохимической переработки щелока.

Для достижения приемлимой вязкости используются ЛСТ, разбавленные водой до плотности 1,17-1,20 г/см3, что соответствует примерно концентрации 34-37% сухих веществ в растворе.

Основной сухого остатка ЛСТ являются натриевые, кальциевые, натриево-каль-циевые, аммонийные или магниевые соли лигносульфоновых кислот. Прочность самотвердеющих смесей в зависимости от вида основания ЛСТ изменяется в последовательности:

МН4 > МгР > СаО > Ш> СаО - Иа.

Все ЛСТ, кроме ЛСТ на магниевом основании, достаточно изучены. В данной работе представляет интерес исследование по применению в литейном производстве концентратов послед'рожжевой бражки от варки полуцеллюлозы магний - бисуль-фитным способом на Кзылординском целлюлозно-картонном комбинате по ТУ 1350281036-05-89. Технология производства этого продукта осваивается впервые в мировой практике переработки щелоков.

Железосодержащие материалы. На практике для приготовления фосфатных холоднотвердеющих смесей нашли применение железофосфатные композиции.

Основной характеристикой, определяющей скорость взаимодействия окисла Л? с ортофосфорной кислотой, является ионный потенциал (валентность). Окислы металлов, имеющие ионный потенциал (> 2,5) бурно взаимодействуют с кислотой, мешая нормальному образованию структуры, в связи с этим на практике такие окислы как ВаО, СЮ, СаО, МпО не могут применяться. Окислы металлов, имеющие наибольший потенциал [>4,5], взаимодействуют при повышенной температуре, что не удовлетворяет принципу отверждения ХТС. К таким окислам относятся Сг203, Л/203,

5гОг, ХгОу ТЮ2 и т.д. Таким образом, для приготовления ХТС используют окислы с ионным потенциалом 2,5-4,5 [МдО — 2,7, РеО - 2,5, Л?203 - 4,48 ] .

Илларионовым И.Е., Гамовым Е.С. и автором предлагается использовать в качестве железосодержащего порошка железную окалину от кузнечного производства, трифолин, крокус-отход лакокрасочной промышленности, пыль обнаждачивания отливок, металлургическую и колошниковую пыль, улавливаемую в процессе плавки. Основными компонентами предложенных отвердителей являются оксиды железа (РеО , Ре2 03), которые могут существовать в четырех модификациях:

а — Ре2 Оъ - немагнитный оксид железа красно—коричневого цвета, имеющий структуру корунда, где ионы кислорода образуют гексагональную плотную упаковку, в которой атомы Ре111 занимают октаэдрические пустоты; у - Ре203 - имеет кубическую плотноупакованную структуру из ионов кислорода, в которой ионы Л //7беспорядочно распределены по эктаэдрическим и тетраэдрическим пустотам; РеО-оксид черного цвета, имеющая структуру каменной соли; Рс30А - магнетит,

смешанные оксиды Ре111 и Ре11. Имеет структуру обратной шпинели, где ионы Ре11 занимают октаэдрические пустоты, а ионы Ре111 распределены поровну в тет-раэдрических и октаэдрических пустотах кубической плотной упаковки, образованной ионами кислорода. В зависимости от соотношения Ре и Ре1,1 в октаэдрических и тетраэдрических пустотах плотноупакованной кубической структуры имеем переход:

РеО <—> Л?3С>4 <—> у - Ре203

что является причиной их легкого взаимного превращения.

Характерное для всех распространенных оксидов отклонение от стехиометриче-ского состава до некоторой степени обусловлено внутренним сходством в их строении. В самом деле, любую структуру (за исключением а - Ре203 ) можно построить, исходя из кубической плотной упаковки, образованной ионами кислорода и лишь распределяя в нужном отношении ионы Ре11 и (или) Ре111 между октаэдрическими и тетраэдрическими пустотами. Так, если все октаэдрические пустоты заполнены ионами Ре11, образуется идеальная структура РеО . Если часть ионов Ре11 заменить на 2/3 ионами Ре11, то образуется обычная дефектная структура окиси двухвалентного железа, например, Р2 - х где X чаще всего равен —.0,05. Если процесс замены одних ионов другими продолжить до тех пор другими, пока 2/3 всего числа ионов железа не составят ионы-Ре1,1, половина которых переместится в тетраэдрические пустоты, то образуется Ре30+ . Замена оставшихся ионов Ре11 на Ре111 приводит к

у — Fe203. Тот факт, что каждый из рассматриваемых оксидов может изменять состав, приближаясь к одному или даже двум другим оксидам, без существенной ломки структуры, а лишь за счет перераспределения ионов между тетраэдрическими и октаэдрическими пустотами, является причиной их легкого взаимного превращения, типичного для их нестехиометрического состава, что в конечном счете является причиной сложности системы Fe - О.

Теоретические основы отверждения холоднотвердеющих смесей с сульфатом калытя. При изыскании эффективных ускорителей твердения жидкостекольных смесей было изучено большое количество различных соединений, в основном, солей, которые по литературным данным способны интенсивно взаимодействовать с жидким стеклом. Исследование композиции фосфогипс - жидкое стекло показало, что фос-фогипс, обожженный при температуре 1073К с двухчасовой выдержкой, обладает наилучшими свойствами. Этот материал был использован для рентгенографического и дифференциального термического анализов. Рентгенограмма фосфогипса, обожженного при температуре 1073К в течении 2-х часов показывает, что межплоскостные расстояния вполне соответствуют соединению сульфата кальция CaSOi . Рентгенограмма смеси фосфогипса и жидкого стекла в соотношении 1:3, выдержанной на воздухе в течении 12 ч, показывает, что происхрд^т резко,е. ослабление интенсивности дифракционных максимумов соответствующего сульфата кальция (CaSOA ). Заметно наблюдается появление ряда новых линий (d «=5,50; 4,80; 3,82; 3,10^ ) , соответствующих межплоскостным расстояниям соединений iVa2504 • 1О#20 .Ещебольшое ослабление интенсивности дифракционных максимумов фосфогипса получено в работе Григолюнаса В.И., где автор получил рентгенограмму смеси при соотношении фосфогипса и жидкого стекла 1:6, просушенной при температуре 373 К. Получены новые линии (d = 4,66; 3,84; 3,174; 3,075; 2,783; 2,646; 2,329; 1,864; 1,680^), соответствующие межплоскостным расстояниям сульфата натрия Na2SOA.

Из линий рентгенограмцы. "б" и "в" выделяются основные линии сульфата, поэтому можно предполагать, что при смешивании фосфогипса с жидким стеклом образуется новое соединение - сульфат натрия Na2S04

CaS04 + Na2SiO¡ = Na2S04 + CaSi03 (8)

Образование сульфата натрия в процессе взаимодействия фосфогипса и жидкого стекла в определенной мере подтверждается выполненными термографическими исследованиями конечных продуктов реакции. В процессе дегидратации фосфогипса при потере воды в виде пара получается /3 - полигидрат. Тепловые эффекты на термограмме можно объяснить следующим образом. Эндотермическую реакцию, отмеченную при 343 К, по-видимому, можно объяснить потерей свободной воды, а эндотермический эффект при 453 К- обезвоживанием полу гидрата. При температуре 673 К наблюдается экзотермический эффект, соответствующий перестройке пол-угидратной кристаллической решетки в ангидридную, т.е. переход/3 - полугидрата i а — растворимый ангидрид. Исследования Лясса A.M. показали, что жидкое стекле уже при температуре 373 К теряет около 65%, а при 473 К около 93% влаги первоначально в нем содержащейся, а практически полная потеря влаги происходи'; при температуре около 673 К. Из термограмм с разным модулем жидкого стекл; установлено, что основное выделение влаги происходит при температуре от 363 д< 473-523Кс с наиболее резким эндотермическим эффектом при 373-303 К. Дл! проверки реакции процесса была получена термограмма фосфогипса с жидким стек лом при соотношении 1:3. При рассмотрении результатов термографических иссле дований можно сделать вывод, что эндотермический эффект, обнаруженный при

температуре 390К, связан с дегидратацией жидкого стекла. Экзотермическую реакцию, отмеченную при температуре 1133К, можно отнести за счет новообразования, присутствия гидросиликатов кальция. Известно, что температура плавления сульфата натрия равна 1157К, при которой происходит эндотермический эффект. Отсутствие на термограмме эндотермического эффекта при 1157К объясняется тем, что это явление перекрывается экзотермическим эффектом при температуре 1133К. Термографические исследования, приведенные при смешении 50% водного раствора ЫаОН сфосфогипсом в соотношении 1:1, показали, что в термограмме отсутствует экзотермический эффект гидросиликатов. Это объясняется тем, что при взаимодействии фосфогипса с едким натрием не могут образовываться гидросиликаты кальция. Это еще раз подтверждает, что при взаимодействии фосфогипса с жидким стеклом образуются гидросиликаты кальция.

Полученные результаты исследования процесса взаимодействия фосфогипса с жидким стеклом позволяют установить, что при нормальной температуре воздуха процесс твердения, по всей вероятности, протекает следующим образом. Полученные в реакции (8) сульфат натрия является катализатором при гидратации полуводного гипса. Реакция гидратации протекает по уравнению:

Са50„ • 0,5Я20 + 1,5Я20 - СаЗОА • 2НгО (9)

При гидролизе растворенного сульфата кальция выделяется серная кислота :

2Са80А + 2Н20 " Са2(0Н)2804 + Я2£04 (10)

Серная кислота свободно нейтрализуется ЫаОН, полученным при гидролизе жидкого стекла

Я2504 + 2 ЫаОН = М?2504 + 2 НгО (11)

Вода частично испаряется, а образовавшийся сульфат натрия Ыаг80^ является активатором гидратации сульфата кальция.

Са5Юъ +тН20 = СаБЮ3-тН20 (12)

С образованием гидросиликата кальция интенсивно протекает затвердевание смеси.

Аналитическая зависимость для расчета термодинамической активности фосфогипса а,, жидкого стекла а2 и едкого натра а8 имеет вид:

ДО = - 90,367 - 13,125а, + 10,031а2-0,094а8 (13)

Из этой зависимости видно, что изменение свободной зтальпии процесса идет в направлении повышения при одновременном уменьшении содержания фосфогипса и гидрата окиси натрия и при увеличении содержания жидкого стекла. При увеличении содержания фосфогипса более 1,9% или при увеличении числа молей кальция, содержащего в отвердител? до 1,9 интенсивность реакции повышается. В связи с тем, что увеличение содержания фосфогипса более 1,9 способствует повышению осыпаемости и ускорению процесса твердения смеси, то необходимо ограничивать верхний предел содержания отвердителя. После расчета стехиометрических коэффициентов можно составить систему уравнений, одно из которых имеет следующий вид: 2,2Ся504 + 5[ЫагО ■ 25Ю2] + 0,4+ 10,8А'аОН = = 2,28Ма2Б04 + 2,2[СаО ■ БЮ2] + 8,2 [Мг20 • 5;02] + 5,4Я20 (14)

Таким образом, образование сульфата натрия, установленного рентгенографическим анализом, и гидросиликата кальция, определенного термографическим анализом, подтверждается термодинамическим расчетом основных реакций взаимодействия компонентов холоднотвердеющих смесей с фосфогипсом.

Теоретические основы формирования физико-механических и технологических свойств жидких самотвердеотших смесей. Основными составляющими, обеспечивающими самозатвердевание жидких самотвердеющих смесей, являются двухкальци-евый силикат в виде феррохромового шлака или нефелинового шлама и жидкое стекло.

Комплексными исследованиями с привлечением химических, рентгеновских, термографических и электронно-микроскопических анализов было установлено, что твердым продуктом взаимодействия между жидким стеклом и двухкальциевым силикатом являются кальцийнатриевые гидросиликаты. В зависимости от содержания в смесях жидкого стекла и его модуля основность образующихся гидросиликатов может изменяться в широких пределах - от субмикрокристаллических тоберморитопо-добных, характеризующихся отношением Si02/Ca0 = 0,7 - 1,35 до высококремнеземистых аморфных гидросиликатов, в которых Si02/Ca0 > 1,8.

В рабочих составах жидких самотвердеющих смесей с большой концентрацией высокомодульного жидкого стекла следует ожидать образования высококремнеземистых аморфных гидросиликатов, изучение которых затруднено из-за аморфного строения. Лучше других изучены в настоящее время субмикрокристаллические то-берморитоподобные гидросиликаты. Поэтому в проведенных МГУ исследования* процессов твердения они подвергались более подробному изучению. Присутствие i новообразования тоберморитоподобных гидросиликатов обнаружено рентгеновские фазовым анализом. На рентгенограммах получены четко выраженные максимумы < межплоскостными расстояниями 3,0А и характерные для этих гидросиликатов Образование низкоосновных гидросиликатов кальция в процессе взаимодействия с определенной мере подтверждается выполненными нами термографическими исследованиями конечных продуктов реакций.

Схема протекания реакций применительно к образованию тоберморитоподобны) гидросиликатов может быть представлена в следующем виде:

Ca2S/04 + 2Н20 = СаН2 ■ Si04 + Са(ОН)2 (15)

2Са{ОН)г ¥ Na20 ■ 2Si02 + Н20 = 2СаН2 ■ SiOA + INaOH (16)

Реакция (16) обычно не успевает дойти до конца и останавливается на промежуточ ной стадии. В этом случае она может быть представлена в следующем виде:

Са(ОН)г + ЫагО • 2Si02 + Н20 = СаН2 • Si04.+ Na2H2 ■ Si04 (17

Реакция (17) записана для жидкого стекла с модулем 2. Для жидкого стекла любоп модуля схема реакции в общем виде:

nCa2Si04 + Na20 • nSi02 + Н20 - 2пСаО • Si02 + NaOH (18)

Аналитическая зависимость для расчета термодинамической активности шлак, а,, жидкого стекла а2 и гидрата окиси кальция а3 представляется в виде следующей уравнения регрессии:

ДG = 0,00002 + 0,098а, -0,407а2- 1,147а3 (19)

Из формулы видно, что изменение свободной этальпии идет в сторону уменьшени при уменьшении содержания двухкальциевого силиката, увеличении содержани жидкого стекла и гидрата окиси кальция. При увеличении содержания двухкальцие вого силиката более 5%, или при увеличении числа молей кальция, содержащемся отвердителе, до 27,6 интенсивность реакции ослабевает. В этот момент из-за недо статочного количества воды, разбавляющее жидкое стекло, реакция взаимодействи компонентов останавливается. С целью обеспечения продолжения реакции потребу ется дополнительное введение воды. Расчет стехиометрических коэффициентов пс зволяет составить систему уравнений, одно из которой имеет вид:

5 [2СаО • 5(02 ] + 6 [Иа20 ■ 2БЮ2\ + 11 Са (ОН)2 = = 6СаО ■ 5г"02 + 5 [3СаО • 5/02 ] + 6 [ИагО • 5Ю2 ] + 11 НгО (20) Таким образом, термодинамическим расчетом основных реакций взаимодействия компонентов ЖСС получено подтверждение гипотезы об образовании кальцийнат-риевых гидросиликатов.

Механизм твердения (Ьеррофосфатных холоднотвердеющих смесей. Процесс отверждения феррофосфатной композиции устанавливали по характеру и скорости взаимодействия окислов железа (РеО ,Ре203) с ортофосфорной кислотой. Исследования показали, что твердение в системе Ре203 — Н3РОА протекает медленно и заканчивается через несколько десятков часов, а для фосфатной композиции на основе БеО взаимодействие между РеО и Н3Р04 происходит очень быстро и с выделением большого количества тепла. Допущено предположение, что конечными продуктами твердения железо-фосфатных смесей являются средние ортофосфаты. Для идентификации новообразований получен средний ортофосфат трехвалентного железа. Синтезированный фосфат анализировали на содержание Р205 и Ре203, а количество связанной воды в полученном продукте устанавливали расчетом на основании данных химического анализа. Установлено, что фосфат содержит две молекулы кристаллизационной воды и соответствует формуле РеР04 ■ 2НгО . Кристаллы среднего фосфата железа представляют собой мелкодисперсные, почти аморфные образования. На термограммах прокаленного фосфата вплоть до 973К нет линий, присущих кристаллическому соединению.

Тепловые эффекты на термограмме РеР04 • 2Н20 можно объяснить тем, что эндотермические реакции, отмеченные при 383К и 498К по-видимому можно объяснить потерей свободной и связанной воды из соединения, а экзотермический эффект при 903К - кристаллизацией аморфного продукта. Экзотермический эффект при 723К на термограмме смеси на основе РеО вызван окислением закиси железа, а эндотермический эффект при 443К - обезвоживанием фосфата двухвалентного железа, который может присутствовать в материале наряду с РеРОА • 2Н20 . Эндотермический эффект при 373 - 383К связан с удалением из материала свободной воды. Таким образом, исследованиями установлено, что новообразованием, обеспечивающим твердение композиции на основе Ре203 является РеРО4 • 2Н20, а при твердении состава на основе РеО образуется фосфат двухвалентного железа Л? (Н2РОА)2 ■ 2НгО. Новообразование находится в затвердевшем материале в аморфном состоянии. Гипотеза механизма твердения феррофосфатной композиции подтверждается и результа:лми рентгенографического анализа. Сравнение линий межплоскостных расстояний, полученных продуктов с известными в литературе позволило сделать вывод, что продуктами отверждения связующего являются гидратиро-ванные фосфаты. В конечном виде механизм отверждения композиции протекает по следующей схеме:

РеО + Ре203 + 4Я3Р04 + 2Н20 - Л? (Н2Р04)2 ■ 2НгО + 2 [РеРО4 • 2Н20 ] (21)

Холоднотвердеющие смеси на основе местных материалов и их технологические свойства. Исследованы ХТС со связующими композициями: жидкое стекло - ферро-хромовый шлак; жидкое стекло - фосфогипс; лигносульфонаты технические - хромовый ангидрид; ортофосфорная кислота - карбамидно-фурановая смола "Фуритол - 107"; ортофосфорная кислота - железорудные концентраты. Установлено, что приготовление ЖСС с феррохромовым шлаком позволяет обеспечить литейное производство республики качественным отвердителем нормальной активности.Для

СХТС установлена зависимость прочности и скорости твердения смеси от температуры и продолжительности обжига фосфогипса, от его количества и количества жидкого стекла и влаги. Исследованы технологические свойства ЖСС с жидким стеклом и ЖСС с ЛСТ при использовании в качестве пенообразователя КЧНР. Применение КЧНР при получении ЖСС с ЛСТ позволяет изготовлять из этих смесей стержни и формы с достаточной газопроницаемостью без тепловой сушки. Установлено, что твердение ХПСС с фу рановой смолой "фу ритол-107" резко ускоряется при добавке хлористого кальция. В области применения фосфатных смесей лучшие результаты получены при использовании железорудных концентратов, смеси обладают хорошей выбиваемостью. Для регулирования процесса твердения смеси, т.е. для сдвига эффекта максимальной прочности по времени в более поздний срок, чем 24ч, рекомендованы добавки крепителя КО (1,5-2,5 %).

Свойства, составы, назначение и область применения ХТС

Таблица 2

Свойства смесей Холоднотвердеющие смеси

СХТС ЖСС ОЖСС ХПСС ФХТС

Текучесть, мм дин/см — 2500-2800 2400-2800 — —

Живучесть, мин 10-20 — — 5-18 7-15

Устойчивость пены, мин — 3-20 8-15 — —

Прочность, МПа

через 1 ч. 0,24-0,32 0,2-0,5 0,20-0,23 0,15-0,31 0,15-0,40 0,30

через 3 ч. 0,61-0,80 0,4-0,8 0,35-0,46 0,51-0,81 0,80-1,50 0,55

через 24 ч. 1,37-1,88 0,8-1,3 1,59-1,79 0,78-1,4 2,10-1,61 0,52

Газопроницаемость ед.

через 1ч. 150-180 200-250 150-180 170-341 128-156

через 24 ч. 200-250 400-500 200-250 341-417 173-183

Осыпаемость через 24 ч. ОД 0,08 0,09 0,05-0,009 0,05-0,10

Газотворность, см3/г 15-17 — — 2,2 14,0

Назначение Жонусные формы 1 Мелкие, средние, крупные стержни 1 Средние, крупные стержни 1 Машин ное изготовление стержней 1 Крупные стержни

2.Средние формы 2. Формы 2.Крупные формы 2.Крупные стержни 2.Средние стержни

З.ХПСС с мелкозер н и с т ы м песком

Область применения СЧ,ВЧ, сталь СЧ, сталь, цветные сплавы СЧ, сталь СЧ, ВЧ, цветные сплавы СЧ, ВЧ, цветные сплавы

Проведенные экспериментальные исследования полностью подтвердили выводы теоретического анализа. Полученные результаты позволяют прогнозировать возможность разработки составов ХТС на основе местных формовочных материалов (табл. 2).

Разработка и оптимизация составов холоднотвердеющих смесей на основе местных материалов. Выбор оптимального состава ХТС существенно облегчается при наличии математической модели, получаемой на основе плана полного факторного эксперимента. Для выбранных параметров смеси получены линейные зависимости, которые с определенной степенью прочности описывают исследуемую область (состав смеси—технологические свойства). При оптимизации составов СХТС исходными материалами использованы песок марки 1К02А, фосфогипс (х, ), углекислый газ (х2) и лигнин (х3) . Обработка экспериментов позволила получить следующую математическую модель:

Газопроницаемость у, = 88,4 + 8,95 хг~ 19,85 хъ + 6,7л, хг Влажность у2 = 4,2 - 0,1 х, - 0,15*2 - 0,35х3

Осыпаемость . • ,у3 = 0,14 + 0,06х, + 0,02х3 Выбиваемость у4 = 15,5-4,Зх, + \,6Вх2 — 3,2х3 + 0,75х1х3

Аналогично, задаваясь требованиями, которые предъявляются к местным формовочным материалам и смесям, и, решая системы алгебраических уравнений на ЭВМ, расчятаны оптимальные составы ХТС: ЖСС с новым пенообразователем КЧНР; ЖСС с композициями технических лигносульфанатов кальция и магния; ХПСС со смолой "Фуритол - 107"; ФХТС с крепителем КО.

Преобразование уравнений моделей смесей и графическое их решение позволило получить номограммы для выбора интерисующих составов ХТС. Исходя из технологических и экономичеких соображений выбраны следующие оптимальные составы смесей (табл. 3) В табл. 3 оптимальные свойства ХТС (числитель) даны с указанием значений их пределов (знаменатель).

Произвопстветтое внедрение и технико-экономическая эффективность разработанных составов ХТС. Основные разработки внедрены и прошли промышленные испытания на Алматинском заводе тяжелого машиностроения, Алтайском тракторном заводе, Белезинском литейном заводе Республики Удмуртии, Жамбылском опытно-механическом заводе и ПО "Химпром", Кентаусском экскаваторном заводе, Липецком, Одесском и Рязанском литейных заводах "Центролит", ПО "Казтяжпро-марматура", ПО "Ташкентский тракторный завод", Туркестанском ремонтно-меха-ническом заводе, Шымкентском заводе пресс-автоматов, Чебоксарском заводе промышленных тракторов, Чирчикском заводе "Узбекхиммаш" и Уханьском металлургическом комбинате (КНР). Составы смесей были использованы при литье стальных и чугунных отливок типа плит, корпусов, станин, роликов массой от 200кг до 4т, что позволило уменьшить массу и брак отливок, сократить или полностью устранить применение высокотоксичных, дорогостоящих, дефицитных и имеющих ограниченный срок хранения органических связующих, снизить расход топлива и электроэнергии в 3-4 раза, сэкономить формовочные материалы, повысить производительность труда, улучшить качество отливок и санитарно-гигиенические условия труда. Экономический эффект от внедрения разработок составил свыше 900 тыс. рублей в ценах на 01.01. 1990 года.

Оптимальные составы ХТС и их свойства

Таблица 3

Составляющие

ХТС

Песок 1К02А Песок Т01Б Феррохромовый шлак Фосфогипс Глина

Железорудные концентр Хромовый ангидрид Хлористый кальций Лигнин Жидкое стекло ЛСТ.уд.плотн. 1,1ббг/см3 Смола "Фуритол-107" " Ортофосфорная кислота С02, кг на 1т литья Крепитель КО КЧНР Текучесть, дин/см2

Газопроницаемость, ед Прочность на сжатие через

1ч, МПа Прочность на сжатие через

Зч, МПа Прочность на сжатие через

10 мин, МПа Прочность на разрыв через

Зч, МПа Прочность на разрыв через 24 ч, МПа Влажность, % Осыпаемость, %

Выбиваемость, с!Ж

Оптимальные составы и свойства

ЖСС

96,62

2,95 0,45

0,1 2782 2Ж 305 Ш 0,47

0,67

"03"

4,6 Т

4,6 7

ОЖСС

96,37

. 3 0,63

2592

то

154,8

0,19 СД7 0,54

ТШ

5,1 33

СХТС

98,02

0,98

35

92,2

ткг

4,1 4,5 0,14

1Щ 15,6 "ЯГ

ХПСС

99,91

0,09

2,10 0,60

556,8 "ТОГ 0,38

0,82 "0Х

0,14

тпт

92,3

7,7

6,0 2,0

335 Ш

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В диссертационной работе решена крупная научная проблема по созданию ресурсосберегающих технологий изготовления литых деталей с применением холоднотвердеющих смесей. Выдвинутые в работе теоретическое положение о процесса» формирования литейных форм и стержней, математические модели и номограммь промышленных составов смесей, методы экспериментального исследования в совокупности можно рассматривать как новое направление в области литейных процессов.

. Создана теоретическая и технологическая основа применения местных форме вочных материалов для ХТС в целях экологического и технического прогресс литейного производства. По кривым плотности нормально логарифмического рас пределения по закону Гаусса определен средний размер песка, также определен; химический и гранулометрический составы и установлены марки песков Дарбазщ ского карьероуправления:

7

7

2К016А, Т016А; песков Карасорского ГОК: 1К0315А, 2К0315А, 1К0315Б, 2К0315Б. 1К02А, 2К016А, 1К016Б, 2К016Б. Изучены особенности и уточнен механизм взаимодействия оксидов с ортофосфорной кислотой. Он осуществляется в последовательности:

РеО - Ре304 - у - Ре203 - а - Ре2Оъ.

Слабо реагирует с Н3Р04 только а —■ Ре203 (гематит). Скоростьтвердения и другие физико-механические параметры форм и стержней зависят от структуры железосодержащих материалов и наличие в них двухвалентных оксидов и маггемитовой фазы (у-Ре203).

2. Произведены рентгенографические, дифференциально-термические и химические анализы отвердителей и композиций: феррошлак - жидкое стекло, фосфогипс-жидкое стекло и выполнен термодинамический расчет основных реакций взаимодействия компонентов ХТС. Установлено, что твердение СХТС и ЖСС является следствием протекания обменных реакций с образованием в указанных системах кальт цийнатриевых гидросиликатов и сульфата натрия - основной структурыобразующей фазы этих смесей. Показано, что скорость твердения ХТС зависит от скорости растворения исходной Са - содержащей фазы в связующем. Произведен расчет термодинамической активности двухкальциевого силиката с учетом влияния на него кальция. Показано, что последний значительно уменьшает активность отвердителя, в особенности при содержании его в ЖСС более 5%. Произведен также расчет термодинамической активности фосфогипса с учетом влияния на него кальция. Показано, что кальций существенно повышает активность фосфогипса, в особенности при содержании его в сыпучих ХТС более 1,9%. Установлены эффективные методы управления процессом твердения ХТС путем изменения удельной поверхности двухкальциевого силиката и выбора оптимального режима термической обработки фосфогипса.

3. Экспериментальными исследованиями связующей способности, плотности, ко-гезионной прочности и кинетики отверждения феррофосфатных связующих композиций системы МеО — Р205 - Н20 с применением добавок органического и неорганического происхождения позволили разработать оптимальные составы фосфатных связующих, обеспечивающие высокую адгезию к наполнителю и когезионную прочность связующих, отверждаемые пылью электросталеплавильного производства, трифолина, крокусом, железнорудными концентратами. Термографическими исследованиями установлено, рентгенографическим анализом подтверждено, что новообразованиями, обеспечивающими твердение фосфатной композиции, являются гвдратированные фосфаты железа. Разработанные фосфатные связующие и смеси обеспечивают высокую прочность (до 1,35 МПа) и термостойкость форм и стержней (до 1500 ч), низкую газотворную способность (не более 5см^/г) при 1273К, хорошую выбиваемость (остаточная прочность при 1273К не более 0,05 МПа), позволяют получать отливки из чугуна и стали высокого качества.

4. Исследованы и установлены согласно ГОСТ 3226-74 марки огнеупорных глин КМ2Т2 Дарбазинского и Келесского месторождений; КМ1Т2 Огланлинского месторождения; КМЗТг Павлодарского месторождения. Для сыпучих ХТС и ЖСС по ГОСТ 13078-81 технологично применение жидкого стекла модуля М = 2,6-3,1 и плотностир = 1,47 - 1,52%л3. Для ХПСС перспективно карбомиднофурановая смола "Фуритол - 107" Ферганского завода фурановых соединений, используемая для приготовления смеси на основе мелкозернистых песков класса 1К и 2К групп 016, 02 Дарбазинского и Карасорского месторождений. Для отверждения карбомидофу

рановых связующих используется техническая /1}РОл плотностью р — 1,56- 1,59'/гм3 Ново-Жамбылского и Шымкентского фосфорных заводов. Самозатвердевание ОЖСС вызвано взаимодействием ЛСТ и СгОг По ГОСТ 2548-71 хромовый ангидрид поставляется Актюбинским заводом хромовых соединений. Дл$ ЖСС и ОЖСС с точки зрения восстановления газопроницаемости технологично \ перспективно ПАВ КЧНР по ТУ 38-3022-74, поставляемый в настоящее врем; Салаватским нефтехимическим комбинатом и в перспективе Мангистауским нефтеперерабатывающим комбинатом.

5. Разработана методика и конструкция изучений механизма ценообразования у определения пенообразующих свойств ПАВ. Установлено, что устройство позволяет с достаточной точностью характеризовать процесс ледообразования, обеспечивает надежность и оперативность контроля свойств ПАВ. Определен коэффициент мно-

2

жественной корреляции К = 0,997 , установлена связь между комплексом q у параметром АУ: д = 1809,416-471,366 И' + 38,687

6. Исследованы водопоглощающие способности различных наполнителей: речной Ассинский, Карасорский, пески Мойынкум, карьерный, цирконовый, дунитовый морской, шамот и др. Установлено, что ПАВ вызывает частичную гидрофобизацик наполнителя, что приводит к снижению их водопоглощающей способности. Поэтом} о пригодности наполнителей для получения ЖСС можно судить по его водопоглощающей способности из водного раствора ПАВ. Показано, что для обеспечена удовлетворительной текучести ЖСС водопоглощающая способность наполнителя н< должна превышать 0,8—1,2%. Удельное водопоглощение и толщина клеток связанно! воды на поверхности наполнителя при замачивании их в воде возрастает с увеличе нием зерен, а в водном растворе ПАВ - уменьшается. Снижение толщины пленки н: поверхности наполнителя, вызванное его гидрофобизацией в результате адсорбицщ ПАВ, наряду с ценообразованием в смеси является важным фактором полученю жидкой подвижности при относительно небольшой её влажности.

7. При изучении физико-механических процессов, протекающих в хидкостеколь-ных ХТС, использован метод расчета изменения свободной энтальпии реакции взаимодействия компонентов смесей. Получены системы уравнений реакций взаимодействия компонентов ХТС. Термодинамическим расчетом основных реакций взаимодействия компонентов ЖСС и СХТС подтверждена гипотеза образования сульфат; натрия, установленного рентгенографическим анализом и гидросиликата кальция определенного ДТА

8. Для получения совокупности зависимости между свойствами и составами ХТС использованы методы планирования экспериментов и статистической обработки ре зультатов экспериментальых данных. Созданы алгоритмы и программа для ЭВМ предназначенные для моделирования, прогнозирования и расчета составов и свойсп смесей в диалоговом режиме в реальных условиях производства отливок.

9. Изучены ХТС со следующими связующими композициями (связующее и отвер дитель): жидкое стекло — феррохромовый шлак; жидкое стекло — фосфогипс; лигно сульфанаты технические -хромовый ангидрид; карбамидно-фурановая смола "Фу ритол — 107" — ортофосфорная кислота; железорудные концентраты - ортофосфор ная кислота. На основании исследований с указанными связующими материалами I песками марок 2К0315А, „2К0315Б, 1К0315А, 1К0315Б, 1К02А, 1К02Б, 2К02А 2К02Б, 1К016А, 1К016Б, разработаны оптимальные составы холоднотвердеющю смесей.

10. Для СХТС с фосфогипсом установлена зависимость прочности и скорости твердения смеси от температуры и продолжительности обжига фосфо гипса. Наиболее эффективными способами улучшения выбиваемости смесей с жидким стеклом явля ется ввод в их состав органических (лигнин) и неорганических (фосфогипс) матери-алов.СХТС отражает опыт Шымкентского завода пресс-автоматов по применению смесей для крупных форм пескометной формовки при производстве чугунных и стальных отливок. Предусматривается двухстадийное приготовление смеси: сначала в бегунах получают базовую смесь (песок + регенерат + глина + лигнин + жидкое стекло + раствор едкого натра), которую подают в установленный на формовочном участке шнековый смеситель, где добавляется прокаленный фосфогипс. Живучесть СХТС регулируется изменением расхода- фосфогипса или добавлением раствора едкого натра.

11. Исследованы технологические свойства ЖСС с жидким стеклом и ЖСС с Л СТ при использовании в качестве пенообразователя КЧНР. Применение КЧНР при получении ЖСС с ЛСТ позволяет изготовлять из этих смесей стержни и формы с достаточной газопроницаемостью без тепловой сушки. Основной задачей ЖСС и ОЖСС является достижение определенного оптимума текучести и устойчивости пены смеси, с одной стороны, и скорости отверждения, а также кинетики восстановления газопроницаемости-с другой. При правильно выбранном соотношении индукционного периода и устойчивости пены, а именно при их примерном соответствии, стержни и формы из ЖСС обладают высокой газопроницаемостью. Установлено, что отверждение жидких самотвердеющих смесей с феррохромовым шлаком существенно ускоряется с увеличением удельной поверхности шлака. Регулирование скорости упрочнения смеси можно также осуществить путем изменения коагуляционной способности жидкого стекла и введения различных добавок. В качестве ускорителя твердения ЖСС рекомендуется использовать фосфогипс (0,4-0,6%).

12. ХПСС с карбомидно — фурановыми смолами, по сравнению со смесями на основе масляных и других связующих, подвергаемых тепловой сушке, имеют преимущество в том, что резко сокращается длительность изготовления стержней и исключается тепловая обработка. Оптимальные свойства смеси получены при использовании смолы "Фуритол - 107" Ферганского завода фурановых соединений и

. термической ортофосфорной кислоты 75% - ной концентрации Жамбылского и Шымкентского фосфорных заводов. Область применения этих смесей - цеха мелкосерийного и массового производства отливок. Установлено, что твердение холоднотвердеющих песчано-смоляных смесей с фурановой смолой "Фуритол - 107" резко ускоряется (через 5 мин прочность на сжатие 0,45 МПа) при добавке 0,4 - 0,5 мае. ч. хлористого кальция. Поэтому факторы, замедляющие процесс отверждения фурановых смесей (низкая температура, высокая влажность песка, мелкозернистый наполнитель, низкая концентрация катализатора и др.) можно легко компенсировать с помощью незначительных добавок хлористого кальция (0,05 - 0,10 мае. ч.).

13. Газотворность ФХТС определяется преимущественно парами воды, внесенной в составе ортофосфорной кислоты, и зависит от содержания в смеси Я3Я04 . ФХТС интенсивно разрушаются при нагреве. Остаточная прочность после нагрева до 1073 — 1373К составляет 0,03 -0,08 МПа при сжатии, в связи с чем обеспечивает облегченную выбиваемость из отливок. Промышленные испытания ФХТС при изготовлении 4тонных конусов из стали 110Г13Л на Восточно-Казахстанском машиностроительном заводе и стальных, тюбингов на ПО "Ташкентский тракторный завод" и отливок металлургического оборудования на Уханьском металлургическом комбинате (КНР)

показали, что эти смеси являются экологически чистыми и практически не выделяют вредных веществ в воздушную среду, снижает брак отливок до 2-х раз и более.

14. Разработаны способы регулирования и управление текучестью, газопроницаемостью, прочностью, влажностью и выбиваемостью ЖСС с помощью изменений феррохромового шлака, фосфогипса и жидкого стекла. Составлена номограмма дл? выбора оптимального состава ЖСС. Найдено, что удовлетворительно выбивает« состав ЖСС с содержанием ингредиентов в мае. ч. : песок 96,62; феррошлак 2,96 фосфогипс 0,43; КЧНР0.1; жидкое стекло 7. Получена возможность регулирована! и управления текучестью, газопроницаемостью, прочностью и влажностью ОЖСС < помощью изменения плотности комбинированных ЛСТ, содержание формовочно1 глины и хромового ангидрида. Из составленной номограммы для выбора оптималь ного состава ОЖСС пратический интерес представляет состав с максимальной проч ностью на сжатие чере 3 часа 0,45 МПа со следующими параметрами и факторами песок 96,37 мае. ч.; глина 3,0 мае. ч ; ЛСТ 7,0 мае. ч.; плотность ЛСТ 1,166 г/ см и хромовый ангидрид 0,63 мае. ч. Преобразование уравнений зависимостей межд; технологическими свойствами и составом ХПСС и графическое решение компромис сной задачи позволили составить номограмму для выбора оптимального состава Представляет интерес следующий состав с содержанием ингредиентов в мае. ч. < максимальной прочностью на разрыв через 24 часа 0,82 МПа: наполнитель 99,91 смола "Фуритол - 107" 2,10; Я3Р04 0,6 ; хлористый кальций 0,09.

Для СХТС оптимальным составом является состав обладающий минимально! выбиваемостью: песок 98,02-99,10; фосфогипс 1,0-1,4; лигнин 0,50-0,98; углекис лый газ 35 кг на1 т. годного литья.

Из номограммы для выбора оптимального состава ФХТС получено, что с увели чением содержания Н3Р04 и оксидов железа повышается прочность смеси в сыром: отвержденном состоянии. Рекомендован к промышленному внедрению состав в мае ч. ингредиентов: наполнитель 92,30-93,49; оксиды железа 6,51-7,70; И3Р04 6,0 крепитель КО 2.

15. Экономическое исследование стоимости изготовления стержней из разрабо танный составов смесей показали хорошие результаты. Экономический эффект пр внедрении ХТС достигается за счет снижения компонентов смеси, улучшения выбив ки стержней, устранения операции сушки и составляет от 3,78 до 8,6 руб. на I' годного литья в ценах на 01.01.1990 г. Экономическая эффективность от внедрени разработанных составов смесей на ряде заводов республики составляет более 900 тьи руб. в ценах на 01.01.1990 г.

16. Применение ХТС в литейных цехах Республики Казахстан сопровождаете коренным улучшением санитарно — гигиенических условий труда, повышением о( щей кулыуры производства. Исследование химического состава, прочности, тверд{ ста, весовой точности и чистоты поверхности отливок, изготовленных с применение ХТС, показали, что местные формовочные материалы и отходы производства I ухудшают качество литых деталей. Санитарно-гигиенической оценкой ХТС устано] лено, что лабораторные и промышленные испытания показали, что содержанш фосфорного ангидрида (ПДК=1 мг/м3 ), фосфористого водорода (ПДК=0,1 мг/м3 шестивалентного хрома (ПДК=0,01 мг/м ) в землеприготовительном отделении 1 обнаружено, а в заливочном и выбивном отделениях значительно ниже уровш предельно допустимых концентрации (ПДК) этих веществ в воздухе рабочей зон (ПДК=0,0051 мг/м3).

Основные научные и практические результаты, включенные в диссертацию, с достаточной полнотой изложены в следующих публикациях:

МОНОГРАФИИ:

1. Бакиров Р.Б. Местные формовочные материалы и холоднотвердеющие смеси. -Жамбыл : Полиграфия, 1994. - 289 с. - (Технология литейного производства).

2. Бакиров Р.Б., Жуковский С.С., Сульменев B.C. Исходные форомвочные материалы и холоднотвердеющие смеси на их основе. Жамб. технол. ин-т лег. и пищ. пром-ти (ЖТИЛПП). - Жамбыл, 1995-190 с. Библиогр.: 92 назв. - Рус. - Деп. - в КазгосИНТИ 27. 05. 95, № 5968 - Ка95.

БРОШЮРЫ:

3. Бакиров Р.Б., Сульменев B.C., Аширбекова Д.М. Курыш Куюшылар - Алматы: Мектеп, 1988. - 876.

4. Бакиров Р.Б. Состояние и перспективы применения ЖСС в КазССР. - Алма -Ата: КазНИИНТИ, вып. 101 (338), 1976.-28С.

5. Бакиров Р.Б. Применение холоднотвердеющих смесей в литейном производстве Казахстана. - Алма-Ата : КазНИИНТИ, 1981. - 28с.

6. Бакиров Р.Б., Жабыкбаев Е. Эксперимента жоспарлау. Жамбыл: Технологический институт легкой и пищевой промышленности, 1995. - 17с. : ил. : Библиограф. :

4 назв. - Каз. - Деп. в КазгосИНТИ, вып. 2, 1995. - 14с.

СТАТЬИ:

7. Бакиров Р.Б., Воробьев М.И. Исследования технологических свойств ЖСС. В сб.: Технические науки. - Алма-Ата: Минвуз Каз ССР, 1969, вып. 8-9 - с. 19-24.

8. Бакиров Р.Б. Улучшение некоторых технологических свойств ЖСС. - В сб: Технические науки. - Алма-Ата: Минвуз КазССР, 1969, вып. 8 - 9 - с. 24-29.

9. Бакиров Р.Б. К вопросу пенообразования ЖСС. — В сб.: Труды семинара кафедр теоретической механики и высшей математики. — Алма-Ата: Каз.ПТИ, 1972, вып. 2. -с. 27-31.

10. Бакиров Р.Б., Дорошенко С.П., Гимашева Р.Г. Применение в литейной технологии сульфитно-дрожжевой бражки на магниевом основании. - В сб.: Труды 6-ой Всесоюзной конференции по химии и использованию лигнина. - Рига : Зинатке, 1976 -с. 37-41.

11. Бакиров Р.Б., Батырбекова С.Б. Применение в литейной технологии технических лигносульфанатов магния. — В сб. : Технология переработки сульфитнрых щелоков. - Пермь: ВНИИБумпром, 1977. -^с. 39-42.

12. Бакиров Р.Б., Краснощекова Л.Н. Изготовление стержней из ХТС с фурано-выми смолами. - Джамбул: КазНИИНТИ, 38-77,1977. -'Зс.

13. Оптимизация составов холоднотвердеющих смесей и их влияние на качество отливок. — В сб.: Технология и опыт работы с монолитными самотвердеющими футеровками. - Липецк: Политехнический институт, 1979.-е. 19-22.

14. Бакиров Р.Б. Технологические особенности фосфатных самотвердеющих смесей. - В сб.: Технология и опыт работы с монолитными самотвердеющими футеровками. — Липецк: Политехнический институт, 1979. - с. 22-25.

15. Бакиров Р.Б. Использование вторичных ресурсов химической промышленности в литейном производстве. - В сб.: Проблемы освоения и комплексного использования минерально-сырьевых ресурсов Актюбинской области.—Актюбинск: Минхим-пром, 1982.-е. 41-43.

16. Бакиров Р.Б., Дроздова В.И. Пути повышения эффективности использования сырьевых ресурсов. В сб.: Химия природных солей и минеральных удобрений. Алма-Ата-Джамбул: ВО "Союзфор", 1983. -с.9-10.

17. Бакиров Р.Б. Факторы и пути эффективного использования природных вторичных ресурсов в литейном производстве Казахстана. - Труды II Всесоюхно научно-технического съезда литейщиков. - М. - Л.: НИИНФОРМаш, 1983. -185-187.

18. Бакиров Р.Б., Савельев А.Ф., Краснощекова Л.М. Резервы экономии форм( вочных материалов в .¡штейном производстве Казахстана - В сб.: Состояние и перс пективы получения отливок на основе ресурсосберегающих формовочных смесей. Липецк: Политехнический институт, 1983. -с.76-78.

19. Бакиров Р.Б., Краснощекова Л.М. Материальные и технологические прсдпе сылки разработки составов ХТС в Казахстане. - В сб.: Состояние и перспектив получения отливок на основе ресурсосберегающий формовочных смесей. - Липец Политехнический институт, 1983. -с.57-58.

20. Бакиров Р.Б., Савельев А.Ф. Исследование свойств феррофосфатных холо, нотвердеющих смесей. - В сб.: Прогрессивная технология изготовления форм стержней для производства отливок из черных и цветных сплавов. - Чебоксар! Чувашский Государственый Университет (ЧувГУ), 1986.-С.89-91.

21. Бакиров Р.Б., Савельев А.Ф. и др. Самотвердеюрдя смесь на основе отход( сельского хозяйства. - Там же - с.130-134.

22. Бакиров Р.Б.( Применение феррофосфатных, ХТС в литейных цехах Казахст на. -В сб.: Феррофосфатные ХТС и технология получения на их основе высококач сгвенных отливок. — Липецк: Политехнический институт, 1988. -с.67-69.

23. Бакиров Р.Б., Илларионов И.Е. Высокотемпературные исследования форм вочных и стержневых смесей. — В сб.: Прогрессивная технология, автоматизация применение ЭВМ в литейном производстве. — Алма-Ата: ЦП НТО Машпром, 198 ч.П.- с. 248-250.

24. Бакиров Р.Б. Экологические аспекты развития литейного производства в К захстане. — В сб.: Роль науки в повышении эффективности производства в све требований XXII Съезда КПСС. - Чебоксары: Чув.ГУ, 1987. - с. 14-16.

25. Бакиров Р.Б. Холоднотвердеющая стержневая смесь. - Алма-Ата: КазНИИ: ТИ. 1988.-Зс.

26. Бакиров Р.Б., Туревский Б.М. Современные технологические процессы лит!

— В сб.: Прогрессивные технологические процессы производства литья отливе мматериалов и их обработка. - Чебоксары: Чув. ГУ, 1988. - с. 134-135.

27. Бакиров Р.Б;, Жолнеров В.П. Состояние и перестройка организационн структуры литейного производства.—В сб.: Современные технологические процес получения высококачественных изделий методом литья и порошковой металлург]

- Чебоксары: Чув.ГУ, 1989.-е. 96-97.

28. Бакиров Р.Б., Туревский Б.М, Состояние и пути совершенствования технoj гии изготовления литейных форм и стержней из полифосфатных холоднотверде щих смесей. — В сб.: Полифосфатные холоднотвердеющие смеси и отливки из вьи копрочного чугуна. - Липецк: Политехнический институт, 1989. с. 93-94.

29. Бакиров Р.Б.,, ВангВынЧин. Состояние проблемы и перспективы примене! в литейном производстве холоднотвердеющих смесей. — КНР, Кунминь: Общее литейщиков Южного Китая, 1990.-е. 16-22.

30. Бакиров Р.Б., Ванг Вын Чин. Технологические основы освоения фосфатн ХТС в литейном производстве КНР. - В сб.: Тезисы докладов совместной советсп китайской научно-технической конференции литейщиков. - Киев: КПИ, 199 с. 18—20. " "'"

31. Bakirov R., Shershnev V., I. Illarionov. The theoretical and Practical Phaspair Cold Solid — State Mixture Application in Machine-Building. 6. UMT1K, sept 21-23, 1994 METU Ankara, Turkey.

32. Bakirov R., Shershnev V. Phosphogypsum interaction mechanism. With water class. PRS - CIS SYmposium ah Foundry Science and Technology, Harbin, sept 10-12, 1992, p.p. 142-144.

33. Бакиров Р.Б. Технология изготовления форм и стержней из полифосфатных холоднотвердеющих смесей. В кн. Теория и технология металлургических и машиностроительных процессов. - Липецк: АО НЛМК, 1994. -с.336-339.

34. Бакиров Р.Б. Исследование имеханизма взаимодействия фосфогипса с жидким стеклом. В кн. Теория и технология металлургических и машиностроительных процессов. - Липецк: АО НЛМК, 1994. - с. 377-397.

35. Бакиров Р.Б., Жабыкбаев Е.Д. Метод экспериментального планирования. Эксперииментп жоспарлау вдю / Жамбыл жещл жене та мак, enepKeciôi технол. ин—гы. - Жамбыл, 1995. - 23 б. - Библиогр.:5 атау. - Каз. - Деп. в КазгосИНТИ 17.04.95, № 6043-Ка95.

ИЗОБРЕТЕНИЯ:

36. Бакиров Р.Б., Дроздова В.И. Самотвердеющая смесь для изготовления форм и стержней. А.С. № 3291576/22-02 (075883) от 18.02.82 г.

37. Бакиров Р.Б., Дроздова В.И., Бемов В.Д., Сульменев B.C. и др. Холоднотвердеющая смесь для изготовления литейных форм и стержней. А.С. СССР № 1205983 от 22.09.85 г.

38. Бакиров Р.Б., Илларионов И.Е. и др. Холоднотвердеющая смесь для литейных форм и стержней. А.С. СССР № 1600903 от 22.06.90 г.

30

РЕЗЮМЕ

Диссертациялык, жумыста куйма белшектерд1 жасау технологиясына курдел1 гылыми проблема шеш1лген.

К,уйма белшектерш жасау ушш халык, шаруашылыгына мацызды салк.ын тур; катаятын к,оспаларды табиги к,алыптык; медцелерд1 жане шыгындар мэдделерд1 тшм турде колдану мжелем! шешшген. Жасалыншн салк,ын турде катаятын коспарла тацбаша, турык, квсеке, шыгыршык, конус тэр!зд1 болат жене шойын, салмактар 200-ден 4000 кг-га дейшп, куймаларды жасау вид'/рШиде колданылады.

Жана технологияны кндф'ске енпзу куйудьщ акдуын азайтуга, куймалардыц сап; сынарттыруга, электроэнергия, менотынныцшыгынынЗ-4мэртеазайту га, кдлдыкдъ мэдцелерд1 унемдеуге, ецбектшмдингш арттыруга, куйма цехтарында экологияль Каутазд1кп жащсартуга мумкшдж береди

Диссертациялык жумыстагы куйма кдлыптары мен взсктерд1 калыптастыру гамалиясы туралы 1л1м кдгидаларды, математикалык улгшерд!, коспалар к,урамь аныктайтын номограммаларды жене зертханалык; тасшдерш кую гамалиясындаЕ жаца "гылыми багыт" -деп карастыруга болады.

Диссертациялык жумыстагы зертханалык, берЬпгендер, математикалык; статистик; ныц твсйвдер^мен ЭВМ-де есептелдк Теориялык жане зертханалык ¡зденуде алынгг непзп корытындылар алдыцгы катардагы гылыми жабдык,тарды колданып, есепте) сызба, дидерекциялады жылу жане химиялык талдау арк,ылы, ал теориялык,есепте; лер физикалык,, химия жане жылу динамикасын колдану арк,ылы алнды.

Суйык шишаланган, суйык; езшше катаятын, техникалык, лигносульфанаты ма нидщ, фосфогипсп, смолалы унтак,ты жэне салк,ын катаятын фосфатты коспалардь к,асиет1 жэне сулбасы туралы жаца тусшктер жасалган жане бурын белгип тусшнст« кдйта талданып, олардьщ далдцт арттырылган.

Жалпы алганда, диссертациялык жумыстагы зерттеудщ жалпылама натижелер куйма ендаркшщ тишдштн арттыратын алдыцгы катардагы жаца багыт. Диссерт; циялык, жумыс бойынша жасалган жерплжт1 куймалык, мэдделерд1 к,олдану турал усыныстар.

К,азак,стан Республикасыныц машина жасау бойынша ¥лттык мемлекет бащарламасыньщ 1994 — 2000 жылдар бойынша тапсырысына ГР № 0195РК0052 номерлер!мен енпзшген.

31

RESUME

This dissertation work is devoted to the solution of the great problem on the resourcesaving tech nological working out for casting part making with the utilization of cold solid - state mixtures. It has an important national economic role for rational and effective utilization of natural fornisarids and wastes. The worked out compositions of cold solid -state mixtures were used in the production of steel and cast-iron parts in the form of plates, frames, housings, rollers, cones with mass from 200 kg to 400 kg. New technology gave the possibility to decrease the casting defects, to improve the quality of the castings, to decrease the consumption of fuel and power pequirements in 3-4 times, to save moulding materials, to increase the labojr productivity, to save the ecological atmosphere in the foundry shop.

The teoretical statement about the process of moulding and core formation, mathematical models, mixture compositions and experimental research methoda - all these in general are considered as a neu' trend in the field of casting processea.

Experimental daia, obtained during the dissertation work making were being processed by mrans of method of mathematical statistics on electronic computer. The main results of experimental and research analysis were obtained on modern scientific installations with the help of X - raystructural, diffirential - thermal and chemical analysises, and theoretical calculations were carried out with the help of phusical chemistry and thermodynamics.

There were corrected the available thesises and worked out new ones about the structure and properties of liquidglass selfhardening mixstures, liquid selfhardening mixtures with phosphogyps, sand - resinious and phosphate cold solid - state mixtures.

In general, the observed results of research are the new perspective project on casting production efficiency increasing. Dissertation suggestions and conclusions on local moulding materials' utilization were included to the National State Programme of machinery development of Republic Kazakhstan for period of 1994 — 2000 years under the numbel of rP № 0194PK007 and TP №0195PK00530.

Набрано и отпечатано а лаборатории оперативной печати ЖТИЛПП Заказ 308 т. 100