Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1 Назначение и область применения экзотермических смесей 7
1.2 Составы формуемых экзотермических смесей для отливок из различных сплавов. Общность и различие в их составах 9
1.3 Роль основных компонентов в составах экзотермических смесей и их влияние на свойства смесей и работу прибыли 18
1.4 Задачи исследований 34
Глава 2. Методика исследований 36
2.1 Определение прочности ХТЭС (холоднотвердеющих экзотермических смесей) 36
2.2 Определение живучести ХТЭС 37
2.3 Анализ известных методик по определению теплофизических свойств экзотермических смесей 40
2.4 Разработка методики исследования температуры горения (tmax), температуры воспламенения (to) и скорости горения игор экзотермических смесей 46
2.5 Выбор и характеристика материалов 49
Глава 3. Исследование и разработка холоднотвердеющих экзотермических составов применительно к отливкам из черных сплавов 53
3.1 Разработка математических моделей по влиянию состава ХТЭС на технологические, прочностные и теплофизические свойства 53
3.1.1 Разработка математических моделей и исследование влияния компонентов на свой ства ХТЭС на жидком стекле 58
3.1.1.1 Исследование влияния компонентов ХТЭС на жидком стекле на живучесть 64
3.1.1.2 Исследование влияния компонентов ХТЭС на жидком стекле на прочностные свойства 66
3.1.1.3 Исследование влияния компонентов ХТЭС на жидком стекле на теплофизические свойства 69
3.1.1.4 Исследование влияния легковесных огнеупорных наполнителей на технологические, прочностные и теплофизические свойства ХТЭС на жидком стекле 75
3.1.2 Разработка математических моделей и исследование влияния компонентов на свой
ства ХТЭС на щелочной фенолоформальдегидной смоле 82
3.1.2.1 Исследование влияния компонентов на живучесть ХТЭС на щелочной фенолоформальдегидной смоле 87
3.1.2.2 Исследование влияния компонентов на прочностные свойства ХТЭС на щелочной фенолоформальдегидной смоле 87
3.1.2.3 Исследование влияния компонентов на теплофизические свойства ХТЭС на щелочной фенолоформальдегидной смоле 89
3.1.2.4 Исследование влияния легковесных наполнителей на свойства ХТЭС на щелочной фенолоформальдегидной смоле 95
3.2 Исследование осыпаемости ХТЭС 96
3.3 Оптимизация составов ХТЭС для отливок из черных сплавов 97
3.4 Практическое применение ХТЭС для отливок из черных сплавов 103
Глава 4. Произвйдственная проверка, внедрение и технология изготовления изделий из ХТЭС 107
4.1 Конструкция и изготовление оболочек из ХТЭС 107
4.2 Производственная проверка и внедрение ХТЭС 112
Общие выводы 117
Приложение 121
Список литературы 123
- Составы формуемых экзотермических смесей для отливок из различных сплавов. Общность и различие в их составах
- Анализ известных методик по определению теплофизических свойств экзотермических смесей
- Исследование влияния компонентов на живучесть ХТЭС на щелочной фенолоформальдегидной смоле
- Исследование влияния легковесных наполнителей на свойства ХТЭС на щелочной фенолоформальдегидной смоле
Введение к работе
Экзотермические смеси широко применяются в литейном производстве для обогрева прибылей отливок из различных видов сплавов, повышая эффективность питания отливок и сокращая массу прибылей, тем самым, повышая выход годного литья.
Известные составы экзотермических смесей содержат несколько групп компонентов различного функционального назначения:
окисляемые компоненты (алюминиевый порошок, ферросилиций, си-ликокальций и др.);
окислители (железнорудные молотые концентраты, железная окалина, натриевая и калиевая селитры и др.);
наполнители (кварцевый песок, шамотный порошок и другие);
катализаторы (фтористые соединения щелочных металлов);
связующие материалы (огнеупорная глина, декстрин, лигносульфона-ты, жидкое стекло, синтетические смолы и др.).
По принятой производственной практике и установившейся технологии практически все экзотермические изделия получают формовкой их «по-сырому» с последующей тепловой сушкой при температуре 150...200 С в течение нескольких часов для придания им необходимой прочности и удаления избыточной влаги, что удлиняет цикл изготовления экзотермических оболочек и вставок. В связи с широким применением в последние годы холоднотвердеющих смесей (ХТС) при изготовлении стержней и форм, использование экзотермических смесей с тепловой сушкой создает определенные неудобства в производстве отливок и разрыв технологического цикла в изготовлении отливок с применением ХТС.
Поэтому разработка экзотермических смесей, отверждаемых на воздухе в заданное время и исключающих тепловую сушку, представляется достаточно актуальной задачей.
Возможность получения самозатвердевающих экзотермических смесей открывает перспективу централизованного производства и поставки потребителям готовых экзотермических изделий.
5 Другой важной задачей решавшейся в рамках настоящей работы являлось исследование использования в составах экзотермических самозатвердевающих смесей наряду с кварцевым песком и шамотным порошком, легковесных наполнителей, существенным образом снижающих плотность (объемный вес) экзотермических изделий, позволяющих придать экзосмесям не только экзотермические, но и теплоизоляционные свойства и снизить расход исходных материалов на их получение.
Из различных видов холоднотвердеющих композиций для приготовления ХТЭС (холоднотвердеющих экзотермических смесей) выбраны две:
а) на основе неорганического связующего — жидкого стекла, отвер-
ждаемого жидкими сложноэфирными реагентами, как наиболее распростра
ненными и дешевыми из применяющихся в литейном производстве;
б) на основе органических связующих из числа синтетических смол -
малотоксичных щелочных полифенолятов или щелочных фенолформальде-
гидных смол резольного типа, отверждаемых комплексными сложноэфир
ными реагентами.
Целью работы являлась разработка ХТЭС, в том числе смесей с легковесными наполнителями, которые обладали бы комплексом теплофизических свойств, присущих известным экзотермическим смесям и требуемыми технологическими и прочностными характеристиками.
Для приготовления смесей были выбраны известные составляющие экзотермических смесей: алюминиевый порошок, железная руда, калиевая селитра, криолит и различные наполнители с использованием упомянутых выше двух самотвердеющих композиций. При разработке ХТЭС использовались современные методы математического моделирования и планирования эксперимента.
Исследовано влияние различных компонентов и технологических факторов на технологические, прочностные и теплофизические свойства. Разработаны оптимальные составы ХТЭС для обогрева прибылей отливок из черных сплавов с необходимыми свойствами.
Практическая ценность работы состоит в разработке оптимальных составов ХТЭС с заданными технологическими, прочностными и теплофизиче-
скими свойствами. Разработанные ХТЭС прошли успешную полупроизводственную и производственную проверку при изготовлении отливок из различных видов сплавов массой от 50 кг до 8 тонн.
Новые экзотермические смеси внедрены в литейном цехе ООО «Ме-талЛитМаш» (г. Коломна, Московская обл.). Работа проведена в ОАО «НПО ЦНИИТМАШ» под научным руководством проф., д.т.н. Борсука П. А. и к.т.н. Белякова А. И.
В проведении экспериментальной части работы творческое участие принимал ведущий научный сотрудник лаборатории Кафтанников А. С.
Составы формуемых экзотермических смесей для отливок из различных сплавов. Общность и различие в их составах
Каждая группа компонентов играет определенную роль в придании смесям тех или иных свойств. Количественное соотношение компонентов в смеси, их качество и степень измельчения твердых компонентов предопределяют свойства экзотермической композиции.
Экзотермические смеси для прибылей чугунных и стальных отливок в ряде случаев могут приготовляться из одинаковых материалов. Основное отличие заключается в том, что состав экзотермической смеси для чугунных отливок должен обеспечивать более низкую температуру воспламенения, чем смеси для стальных отливок, так как одним из факторов определяющих температуру воспламенения смеси является температура заливки металла.
Другим фактором, определяющим температуру воспламенения экзотермической смеси является размер прибыли, поэтому сравнение температуры воспламенения экзотермических смесей для стальных и чугунных отливок можно вести при условии одинакового размера прибылей. Кроме того, состав экзотермической смеси должен обеспечивать нагрев металла и нахождение его в жидком состоянии максимально возможное время, следовательно температура горения экзотермических смесей для стальных отливок должна быть выше, поскольку температура ликвидус у стали выше, чем у чугуна. Поэтому различие в составах зачастую заключается в основном в количественном содержании термитной составляющей и наличии или отсутствии добавок специального назначения (катализаторы, комплексные окислители), регулирующие теплофизические свойства экзотермических смесей. Кроме того, вследствие опасности науглероживания металла в экзотермических смесях для сталей, как правило, не применяются углеродосодержащие компоненты.
Относительно составов экзотермических смесей применяемых в РФ, можно отметить, что в качестве горючего (смеси №№1, 4-10, табл. 1.1) применяется в основном алюминиевый порошок или материалы его заменяющие и содержащие алюминий (силуминовая стружка, отходы производства алюминиевых изделий и др.). Применение в качестве горючих компонентов кремний- и углеродосодержащих материалов (смеси №№3, 6 табл. 1.1) не получило широкого распространения.
Большинство отечественных экзотермических смесей (смеси №№1-7, 9, 10 табл. 1.1) содержит в качестве окислителя материалы на основе оксидов железа, кроме того, смеси часто содержат еще какой-либо окислитель (смеси №№1, 5, 6, табл. 1.1) (например, марганцевую руду). Также находят применение легкоразлагаемые кислородосодержащие химические соединения (смесь №3, табл. 1.1), хотя и не так широко, как оксиды металлов.
Применение катализаторов для создания оптимальных условий протекания экзотермической реакции не всегда имеет место, для этого применяются в основном фторосодержащие материалы (смеси №№1, 2, 4, 5, 9 табл. 1.1) - криолит, плавиковый шпат (фторид кальция), фторид натрия.
В качестве огнеупорных наполнителей в отечественных экзотермических смесях чаще всего применяются (смеси №№1, 6, 9 табл. 1.1) достаточно распространенные шамотный порошок и кварцевый песок. Также находят применение комбинированные наполнители, например, шамотный порошок в сочетании с кварцевым песком. Известно применение в качестве наполнителей высокоогнеупорных наполнителей, применяемых при изготовлении разовых литейных форм и стержней, таких как хромит (смесь №2, табл. 1.1). Кроме того, в качестве наполнителей не всегда используются огнеупорные материалы. Эти материалы (древесные опилки и др.) вводятся в смесь (смеси №1, 6, 10, табл. 1.1) с целью повысить теплоизолирующие свойства экзотермических смесей, так как продукты горения таких материалов имеют низкую плотность. Кроме того, углеродосодержащие добавки могут оказывать влияние на протекание термохимической реакции и теплофизические свойства экзотермических смесей.
Связующие материалы, применяемые в экзотермических смесях - жидкое стекло, лигносульфонаты технические, бентонит, огнеупорная глина, декстрин и др. - являются достаточно распространенными и служат для придания прочности изделиям из экзотермических смесей.
Перед тем как рассматривать составы экзотермических смесей применяемых за рубежом, необходимо отметить, что в последнее время на мировом рынке материалов для литейного производства появились различные экзотермические порошкообразные композиции и даже готовые экзотермические оболочки различных типоразмеров. Составы большинства таких композиций и материалов неизвестны и не раскрываются. Поэтому ниже анализируются известные составы экзотермических смесей, взятые из различных литературных источников.
В экзотермических смесях, применяемых за рубежом, аналогично отечественным смесям, горючим, как правило, является алюминиевый порошок (смеси №1-11, табл. 1.2).
Окислителями в зарубежных экзотермических смесях также являются материалы на основе оксидов железа (железная руда, окалина) или марганца (марганцевая руда), однако, в отличие от отечественных часто встречаются различные соединения (смеси №1, 4—11, табл. 1.2), легко отдающие кислород при нагревании (нитраты, хлораты и др.). Эти легкоразлагаемые соединения применяются в качестве окислителей, как правило, в комплексе с оксидами железа и марганца.
Катализаторами по аналогии с отечественными экзотермическими смесями являются в большинстве случаев фторосодержащие материалы, при этом они чаще применяются на практике (смеси №№1, 2, 4—11, табл. 1.2).
В качестве наполнителей в зарубежных смесях также как и в отечественных применяются различные распространенные огнеупорные материалы - шамотный порошок, кварцевый песок. Кроме того, в качестве наполнителя находят применение отходы шлифовки стекла, асбестовое стекло и др. Также как и в некоторых отечественных смесях роль наполнителя могут выполнять органические или углеродосодержащие материалы (древесные опилки, кокс).
Связующие материалы, применяемые в зарубежных экзотермических смесях, практически ни чем не отличаются от отечественных.
Таким образом, анализ составов отечественных и зарубежных экзотермических смесей показал, что отличие заключается в основном в количественном содержании компонентов и использовании различных материалов выполняющих одну и ту же функцию. Общее в составах большинства экзотермических смесей является то, что практически все они включают пять групп компонентов перечисленных выше (окисляемые, окислители, катализаторы, наполнители, связующие).
Анализ известных методик по определению теплофизических свойств экзотермических смесей
Под теплофизическими свойствами экзотермических смесей подразумевают свойства, характеризующие процесс горения и изменения теплосодержания.
Теплофизические свойства экзотермических смесей не имеют единой методики их определения, хотя методы исследования некоторых из них схожи. Ниже рассмотрены известные методики определения этих свойств.
Для экзотермических смесей наиболее целесообразно определять следующие показатели: температуру воспламенения t0, максимальную температуру горения tmax, скорость горения игор. Они наиболее распространены для оценки качества экзотермических смесей. Однако в некоторых известных исследовательских работах [46, 52, 62] по экзотермическим смесям определялись и другие свойства.
Так, в работах [46, 52, 62] определяются различные свойства и параметры, характеризующие эффективность применения экзотермической смеси. К ним относятся теплотворная способность экзотермической смеси, коэффициент эффективности экзотермической смеси, эффективность применения экзотермической смеси. Теплотворная способность экзотермической смеси, определяемая в работе [52], в значительной мере характеризуется температурой горения tmax и скоростью горения смеси г гор. Определив эти свойства можно составить представление о теплотворной способности экзотермической смеси. Согласно методике для определения теплотворной способности необходимо наличие адиабатного калориметра, что не всегда возможно.
Коэффициент эффективности экзотермической смеси определяется при одновременной заливке шаровых проб, одна из которых облицована экзотермической смесью, а другая - песчаной смесью. Коэффициент эффективности экзотермической смеси равен отношению продолжительности затвердевания шара, облицованного экзотермической смесью к продолжительности затвердевания шара в форме из песчаной смеси (рисунок 2.4).
В работе [52] определение эффективности применения экзотермических смесей производили на цилиндрических отливках. Отливки имели открытые прибыли, при этом одна из прибылей была облицована исследуемой экзотермической смесью, другая не имела облицовки. После заливки формы прибыли засыпались теплоизолирующей смесью для уменьшения тепловых потерь. Эффективность экзотермической смеси оценивается по величине уменьшения размера прибыли по сравнению с размером необогреваемой прибыли, характеру расположения усадочной раковины и величине запаса плотного металла в прибыли отливки (рисунок 2.5).
Коэффициент эффективности и эффективность применения экзотермических смесей являются комплексными характеристиками зависящими от температуры воспламенения t0, температуры горения tmax, скорости горения гор-ІС примеру, низкая температура воспламенения смеси для прибылей относительно небольших размеров гарантирует минимальное количество тепла, которое отбирается от металла прибыли для возбуждения экзотермической реакции.
Вместе с тем, для прибылей больших размеров, для которых в первоначальный момент после заливки металла захолаживающий эффект смеси не имеет существенного значения, температура воспламенения должна быть выше, чем для прибылей небольших размеров, поскольку в этом случае более позднее начало протекания экзотермической реакции повысит продолжительность затвердевания металла в прибыли и вместе с тем эффективность работы экзотермической прибыли.
Максимальная температура горения и скорость горения так же в значительной мере определяют эффективность применения экзотермических смесей. Пониженная температура горения приводит к более раннему началу затвердевания металла в прибыли.
Слишком быстрое протекание экзотермической реакции в смеси, особенно при обогреве больших прибылей, снижает эффективность применения экзотермических смесей, поскольку в этом случае металл прибыли находится в жидком состоянии достаточно долго за счет собственного тепла и желательно по возможности медленное протекание экзотермической реакции для увеличения времени затвердевания прибыли. При этом уменьшение скорости реакций влечет за собой снижение максимальной температуры горения смеси.
Поэтому с целью снижения тепловых потерь металлом прибыли температура горения экзотермической смеси должна быть как можно выше при минимально возможной скорости горения.
Исследование влияния компонентов на живучесть ХТЭС на щелочной фенолоформальдегидной смоле
Путем обработки экспериментальных данных на ЭВМ с помощью программы «СТАТИСТИКА» для прочности на сжатие ХТЭС на щелочной фенолоформальдегидной смоле было получено уравнение регрессии (10). Анализ коэффициентов этого уравнения показывает, что железная руда (железная окалина) не оказывает влияния на прочностные характеристики (отсутствие члена Х2 в уравнении), все остальные сухие компоненты не оказывают значительного влияния на прочность смеси.
Наибольшее влияние на прочность особенно после суточного твердения оказывают количество связующей композиции и время твердения (рисунок 3.22). Это подтверждает числовое значение перед коэффициентом Х5, которое превышает все значения перед другими коэффициентами и имеет знак «+». Близость числовых значений прочностных свойств через 2 и 3 часа объясняется невысокой живучестью смеси (10—12 мин), поскольку первоначальное и основное увеличение прочности происходит в течение первого часа, а после прочность увеличивается менее интенсивно. Влияние количества связующей композиции на прочностные свойства ХТЭС на щелочной фенолоформальде-гидной смоле По сравнению с ХТЭС на жидком стекле, в смесях на щелочной фено-лоформальдегидной смоле влияние сухих компонентов на прочность практически отсутствует. В результате обработки экспериментальных данных для температуры воспламенения ХТЭС на щелочной фенолоформальдегидной смоле было получено уравнение регрессии (11), для температуры горения - (12), а для скорости горения - (13). Увеличение содержания алюминиевого порошка (как и в жидкостеколь-ных ХТЭС) повышает температуру горения, снижает температуру воспламенения смеси (рисунок 3.23) и увеличивает скорость горения смеси (рисунок 3.24). Увеличение количества железной окалины повышает температуру горения и снижает температуру воспламенения ХТЭС на щелочной фенолоформальдегидной (рисунок 3.25), а также повышает скорость горения ХТЭС при содержании окалины до 14 % масс, (рисунок 3.26).
Это влияние близко к влиянию железной окалины на теплофизические свойства в жидкостекольных ХТЭС. Увеличение количества калиевой селитры сначала повышает температуру горения с 1410 С до 1570 С, а затем ее снижает до 1490 С и резко понижает температуру воспламенения (рисунок 3.27), и ведет к повышению скорости горения ХТЭС на щелочной фенолоформальдегидной смоле (рисунок 3.28). По итогам рассмотрения влияния компонентов на теплофизические свойства ХТЭС на щелочной фенолоформальдегидной смоле, можно отметить, что компоненты оказывают такое же (или очень схожее) влияние, как и в случае с ХТЭС на жидком стекле. Влияние содержания легковесных наполнителей на плотность и на прочностные свойства ХТЭС на щелочной фенолоформальдегидной смоле приведены соответственно в таблице 3.8 и таблице 3.9. Из таблицы 3.8 видно, что, например, в случае замены части кварцевого песка до 75% (объемных) микросферой объемный вес ХТЭС снижается с 1610 кг/м до 1130 кг/м . При этом (таблица 3.9) прочностные свойства находятся в заданных пределах (через 3 часа) 1,35 - 0,86 МПа, и через 24 часа - 2,0 - 1,77 МПа, а применение керамзита в тех же количествах снижает плотность с 1610 до 1210 кг/м , прочностные свойства при этом снижаются до 0,62 МПа через 3 часа и до 1,36 МПа через 24 часа и так же находятся в допустимых пределах. В таблице 3.9 первое значение означает прочность на сжатие через 3 часа, а второе значение - через 24 часа. В случае применения в качестве наполнителя микросферы алюмосили-катной, снижение прочностных характеристик смеси незначительно, а применение керамзита вызывает существенное снижение прочности и ведет к необходимости повышения содержания связующей композиции в смеси. Нижний предел прочности при сжатии (1,4 МПа) принят для экзотермических смесей с легковесными наполнителями. Керамзит может вводиться в смесь до 50...60%) объемн. от общего объема наполнителя, а микросфера - до 75...80%). При необходимости повышения нижнего предела прочности и увеличения содержания легковесного наполнителя необходимо вводить большее количество связующей композиции. Осыпаемость ХТЭС в основном зависит от количества связующей композиции. Ниже приведены результаты экспериментальных данных по изучению влияния количества связующей композиции на осыпаемость ХТЭС на жидком стекле (таблица 3.10) и на щелочной фенолоформальдегидной смоле (таблица 3.11).
Анализируя полученные результаты можно отметить, что снижение количества связующей композиции в жидкостекольных ХТЭС ниже 8,8 % мае, а в смоляных ХТЭС ниже 5,3 % мае. ведет к резкому снижению осыпаемости, несмотря на то, что удовлетворительные прочностные характеристики сохраняются и при более низком содержании связующей композиции, как показано в таблицах ЗЛОиЗ.П.В связи с этим не рекомендуется снижение связующей композиции ниже указанных пределов. Как было сказано выше, наиболее часто экзотермический обогрев прибылей применяется при изготовлении отливок из чугуна и стали различных марок.
Исследование влияния легковесных наполнителей на свойства ХТЭС на щелочной фенолоформальдегидной смоле
По принятой производственной практике и установившейся технологии практически все экзотермические изделия получают формовкой их «по-сырому» с последующей тепловой сушкой при температуре 150...200 С в течение нескольких часов для придания им необходимой прочности и удаления избыточной влаги, что удлиняет цикл изготовления экзотермических оболочек и вставок. В связи с широким применением в последние годы холоднотвердеющих смесей (ХТС) при изготовлении стержней и форм, использование экзотермических смесей с тепловой сушкой создает определенные неудобства в производстве отливок и разрыв технологического цикла в изготовлении отливок с применением ХТС. Поэтому разработка экзотермических смесей, отверждаемых на воздухе в заданное время и исключающих тепловую сушку, представляется достаточно актуальной задачей. Возможность получения самозатвердевающих экзотермических смесей открывает перспективу централизованного производства и поставки потребителям готовых экзотермических изделий. Другой важной задачей решавшейся в рамках настоящей работы являлось исследование использования в составах экзотермических самозатвердевающих смесей наряду с кварцевым песком и шамотным порошком, легковесных наполнителей, существенным образом снижающих плотность (объемный вес) экзотермических изделий, позволяющих придать экзосмесям не только экзотермические, но и теплоизоляционные свойства и снизить расход исходных материалов на их получение.
Из различных видов холоднотвердеющих композиций для приготовления ХТЭС (холоднотвердеющих экзотермических смесей) выбраны две: а) на основе неорганического связующего — жидкого стекла, отвер ждаемого жидкими сложноэфирными реагентами, как наиболее распростра ненными и дешевыми из применяющихся в литейном производстве; б) на основе органических связующих из числа синтетических смол малотоксичных щелочных полифенолятов или щелочных фенолформальде гидных смол резольного типа, отверждаемых комплексными сложноэфир ными реагентами. Целью работы являлась разработка ХТЭС, в том числе смесей с легковесными наполнителями, которые обладали бы комплексом теплофизических свойств, присущих известным экзотермическим смесям и требуемыми технологическими и прочностными характеристиками. Для приготовления смесей были выбраны известные составляющие экзотермических смесей: алюминиевый порошок, железная руда, калиевая селитра, криолит и различные наполнители с использованием упомянутых выше двух самотвердеющих композиций.
При разработке ХТЭС использовались современные методы математического моделирования и планирования эксперимента. Исследовано влияние различных компонентов и технологических факторов на технологические, прочностные и теплофизические свойства. Разработаны оптимальные составы ХТЭС для обогрева прибылей отливок из черных сплавов с необходимыми свойствами. Практическая ценность работы состоит в разработке оптимальных составов ХТЭС с заданными технологическими, прочностными и теплофизиче скими свойствами. Разработанные ХТЭС прошли успешную полупроизводственную и производственную проверку при изготовлении отливок из различных видов сплавов массой от 50 кг до 8 тонн. Новые экзотермические смеси внедрены в литейном цехе ООО «Ме-талЛитМаш» (г. Коломна, Московская обл.). Работа проведена в ОАО «НПО ЦНИИТМАШ» под научным руководством проф., д.т.н. Борсука П. А. и к.т.н. Белякова А. И.
