И.Е. Илларионов, И.А. Стрельников, Н.В. Петрова, А.Ф. Журавлев, А.А. Моляков
Чебоксарский политехнический институт (филиал) Московского государственного открытого университета им. В.С.Черномырдина»
Актуальность исследования проблемы.
Технологические процессы получения холоднотвердеющих смесей и смесей, отверждаемых при кратковременной тепловой
обработке, а также теплоизоляционных смесей для прибылей и отливок основаны на использовании в смесях высокотоксичных, дорогостоящих, имеющих малый срок хранения синтетических органических связующих и катализаторов их отверждения. В процессе приготовления смесей, формообразования, отверждения, выдержки, заливки, выбивки и охлаждения они выделяют высокотоксичные, канцерогенные вещества, отравляют окружающую среду (водный и воздушный бассейн), требуют установления специальной вытяжной вентиляции и 10-15 кратного обмена воздуха, а также обезвреживания или сжигания отходов производства отливок [1].
При производстве фасонного литья из черных и других металлов на промышленных предприятиях около 30% (иногда значительно выше) жидкого металла расходуется на прибыли, предназначенные для питания отливок в процессе затвердевания и служащие для устранения в отливке усадочных раковин и пористости. При этом нормальная работа
прибыли достигается за счет увеличения ее массы, что снижает выход годного литья. В среднем, с применением обычных прибылей по машиностроению, выход годного литья в лучшем случае составляет около 60% от металлозавалки. Такое положение на многих предприятиях является следствием несовершенства существующих способов питания отливок. Известные методы уменьшения массы прибылей — применение газового и воздушного давления, электрообогрева, применение экзотермических смесей и др. не получили широкого распространения ввиду сложности технологической подготовки и значительных трудовых и материальных затрат. Теплоизоляция прибылей — наиболее рациональный метод снижения их массы. Метод теплоизоляции способствует замедлению отвода тепла от прибыли, тем самым увеличивает работу прибылей. В результате повышается выход годного литья, сокращается брак, снижается себестоимость литья. Технология применения теплоизоляционных смесей предусматривает изготовление прибыльной части формы из теплоизоляционных оболочек и облицовок, изготовление подприбыльных и тонких ее частей из теплоизоляционных облицовок и стержней-утеплителей. Также применяются легкоотделяемые прибыли с теплоизоляционной оболочкой отличающиеся тем, что между прибылью и питаемым узлом отливки устанавливают тонкую огнеупорную разделительную пластину (диафрагму) с питающим отверстием малого диаметра. Эффективность питания и экономичность прибыли зависят от ее формы и соотношения основных размеров.
Для теплоизоляции прибылей отливок в формах из песчано-глинистых и других смесей, авторами разработаны теплоизоляционные металлофосфатные смеси, отличающиеся наличием новых ингредиентов, а также высокими физико-механическими и теплоизоляционными свойствами [2-3 и др.]. Использование металлофосфатных связующих в составах теплоизоляционных материалов, разработка методов их применения позволяет повысить свойства смесей, их термостойкость и улучшить санитарно-гигиенические условия труда.
Материал и методика исследований.
Предлагается к применению новые запатентованные составы теплоизоляционных металлофосфатных смесей, служащие для теплоизоляции прибылей отливок. Изобретение направлено на улучшение физико- механических и теплоизоляционных свойств теплоизолирующей смеси. Смесь содержит алюмохромофосфатное связующее, отход металлургического (ваграночного) производства и дополнительно трепел при следующем соотношении компонентов, мас. %: алюмохромофосфатное связующее – 8-12, трепел – 5-10, отход ваграночного производства – остальное. Предлагаемый состав отличается введением в смесь трепела Первомайского месторождения Алатырского района Чувашской Республики. Трепел природного происхождения, за счет порошкообразной структуры совместно с фосфатным связующим, в результате приготовления смеси, образует массу, которая обволакивает частицы отхода ваграночного производства, обеспечивает хорошую формуемость смеси и термостабильность при
оптимальном расходе связующего. Теплоизоляционную смесь приготавливают следующим образом: отход ваграночного производства, металлофосфатное связующее и трепел в указанных по изобретению количествах загружают в смеситель и перемешивают в течении 5-10 минут. Отверждение образцов производят в печи при температуре 150-200°С в течение 20-40 минут.
Результаты исследований и обсуждение.
Для холоднотвердеющих смесей и смесей, отверждаемых при кратковременной тепловой обработке, применяемых в литейном производстве, разработано и находятся в стадии широкого внедрения магний- алюмофосфатное связующее МАФС, алюмофосфатное, алюмоборфосфатное и другие фосфатные связующие, представляющие собой водный раствор фосфатов магния, алюминия, бора, цинка, кальция и других металлов, которые отверждаются пылью (отходом) электросталеплавильного производства (ОЭСП), трифолином, крокусом и другими оксидами[1]. Отвердителями служат мелкодисперсные порошки (удельной поверхностью 250-550 м2/кг), содержащие оксиды основного металла (оксиды железа, магния, цинка и др.), а в случае кратковременной подсушки при температуре 180-250°С, не требуется наличия отвердителей. Разработанные металлофосфатные связующие обладают длительным сроком хранения (не менее 6 месяцев), низкой стоимостью по сравнению с синтетическими связующими и экологической безопасностью. Предлагаемая технология обеспечивает соблюдение санитарно-гигиенических условий труда, высокую термостойкость, низкую газотворную способность (не более 5 см3 на 1 г смеси при температуре 950°С). Технологический процесс защищен авторскими свидетельствами и патентами РФ №954137, 980919, 1026925, 1077692, 1072929,
1159716, 1156805, 1168313, 1171179, 2356688, 2455108 и др.
Технологический процесс изготовления отливок с применением холоднотвердеющих смесей на металлофосфатных связующих и отходов электросталеплавильного производства может применяться в литейном производстве на машиностроительных и металлургических предприятиях страны для мелкосерийного и крупносерийного производства средних и крупных стальных и чугунных отливок, а также цветного литья.
Смеси, содержащие 3,5 мас. части связующего и 2,5–3,0 мас. части порошкообразного отвердителя, имеют следующие физико-механические и технологические свойства (табл. 1). В качестве порошкообразного отвердителя применяли отход электросталеплавильного производства Чебоксарского завода промышленных тракторов, улавливаемый системой
«Бейкхауз». В качестве металлофосфатных связующих применяли алюмофосфатные, алюмомагнийфосфатные, алюмокальциймагнийфосфатные и другие связующие и ортофосфорную кислоту. Синтез металлофосфатных связующих проводили в литейной лаборатории кафедры «Технология конструкционных материалов и литейное производство»
ЧПИ (ф) МГОУ имени В.С.Черномырдина, а промышленные партии связующих готовили по 5–7 т в условиях Актюбинского завода хромовых соединений. В табл. 1 приведены свойства ХТС с некоторыми фосфатными связующими.
Таблица 1
Содержание и физико-механические свойства ХТС
Данные смеси прошли производственные испытания в условиях Чебоксарского завода промышленных тракторов. Приготовление смеси осуществлялось на лопастном смесителе периодического действия. Для изготовления смеси могут быть использованы смесители любых типов как отечественного, так и зарубежного производства. Желательно производить предварительное смешивание отходов электросталеплавильного производства с кварцевым песком или другим наполнителем, т.е. необходимо предварительно приготовить базовую смесь, которая при необходимости будет смешиваться с металлофосфатными связующими и выпускаться из смесителей, готовая к употреблению для ХТС.
Масса замеса изменяется в пределах 300–600 кг в зависимости от веса приготовляемого стержня. Время приготовления смеси 3 5 мин. Смеси не имеют запаха, так как не содержат вредных, токсичных и отравляющих веществ. В составе металлофосфатных связующих отсутствуют фенол, формальдегид и другие токсичные вещества.
Смесь хорошо выбивается (высыпается) из внутренних полостей отливок. Полученные отливки не имеют поверхностных дефектов. В виду того, что смесь обладает высокой термостойкостью, отливки получаются без пригара.
Применение данного технологического процесса позволяет ликвидировать брак отливок по пригару, ситовидной и газовой пористости, горячим трещинам и другим дефектам. Выбиваемость смесей находится на уровне песчано-глинистих.
Для приготовления ХТС можно применять обогащенные и необогащенные (глинистые) пески.
Варьируя соотношение связующее – отвердитель можно изменять живучесть смеси и прочность на различных этапах отверждения.
Внедрение разработанного технологического процесса возможно на любом машиностроительном и металлургическом предприятии страны.
В качестве отвердителей фосфатных холоднотвердеющих смесей успешно можно применять и отходы кузнечного, прокатного, кислородно-конверторного и других производств определенной дисперсности и влажности с заданным химическим составом.
Согласно техническим условиям магнийалюмофосфатное связующее следующий химический состав фосфорный ангидрид 38 42%, оксид магния 4,5-5,5%, оксид алюминия 4,0-5% [1].
Разработанные технологии приготовления теплоизоляционных смесей на металлофосфатных связующих обладают существенным преимуществом по сравнению с известными аналогами теплоизоляционных смесей. Подобранная совокупность компонентов и их количественные соотношения обеспечивают увеличение теплоизолирующего эффекта смеси при достаточных
физико-механических свойствах, необходимых для изготовления теплоизоляционной оболочки. Свойства улучшаются за счет порошкообразной структуры трепела и торфа низкой степени разложения, и содержания в нем оксидов различных металлов,
которые хорошо совместимы с оксидами, содержащимися в ваграночном шлаке, что способствуют повышению теплостойкости смеси. Наиболее приемлемыми для изготовления теплоизоляционных смесей, как показывает практика, являются металлофосфатные связующие – АХФС и МАФС. Металлофосфатные связующие обладают высокой термостойкостью, стабильностью свойств, низкими токсичностью, газотворностью и осыпаемостью [1–3].
Заключение. Таким образом, разработанные и предлагаемые металлофосфатные связующие и смеси для получения отливок из черных металлов и сплавов, а также теплоизоляционные смеси для утепления прибылей отливок обладают хорошими физико- механическими, технологическими и теплоизоляционными свойствами. При этом улучшается экологическая обстановка в литейных цехах за счет утилизации отходов металлургического производства и снижается себестоимость получаемых отливок в результате использования промышленных отходов, природного трепела и металлофосфатных связующих.
Библиографический список
- Металлофосфатные связующие и смеси / И.Е. Илларионов [и др.]. – Чебоксары: ЧГУ, 1995. –
524 с.
- Пат. РФ №2356688 Теплоизоляционная смесь для утепления прибылей отливок / И.Е. Ил-
ларионов, И.А. Стрельников, Н.В. Петрова, А.Ф. Журавлев. Опубл. 2010 27.05. Бюл. №15.
- Пат. РФ №2455108 Теплоизоляционная смесь для утепления прибылей отливок /
И.Е. Илларионов, И.А. Стрельников, А.Ф. Журавлев; опубл. 2012 10.07. Бюл. № 19.
