Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы долговечности песчано-глинистых формовочных смесей 7
1.1. Роль формовочной песчано-глинистой смеси в процессе производства отливок 7
1.2. Функции формовочной песчано-глинистой смеси в процессе производства отливок 10
1.3. Анализ компонентов оборотной смеси и трансформация свойств зернового состава оборотной смеси 12
1.4. Проблемы стабилизации состава и физико-механических свойств песчано-глинистой смеси ; 19
1.5. Влияние свойств бентонита на долговечность песчано-глинистой смеси 25
1.6. Анализ факторов, определяющих повышение чистоты поверхности отливок из чугуна 34
1.7. Выводы и постановка задачи исследования 39
Глава 2, Теоретические предпосылки по определению механизма повышения долговечности песчано-глинистых смесей 42
2.1. Анализ механизма антипригарного действия углеродосодержащих материалов 42
2.1.1. Механизм образования пироуглерода в литейной форме при использовании традиционных углеродосодержащих материалов 44
2.1.2. Определение возможности применения готового пироуглерода в составе песчано-глинистых смесей 51
2.2. Формирование комплекса свойств песчано-глинистой смеси с добавками пироуглерода 55
2.2.1. Механизм формирования текстуры адгезивной оболочки зерновой основы песчано-глинистой смеси с добавками пироуглерода .Г. 55
2.2.2. Условия взаимодействия кремнезема и пироуглерода под воздействием температуры 57
2.3. Выводы... 59
Глава 3. Методы исследования и характеристика исходных материалов 61
3.1. Характеристика исходных материалов 61
3.2. Методика исследования компонентов адгезивной оболочки зерновой основы песчано-глинистых смесей под воздействием высоких температур 63
3.2.1. Методика исследования свойств композиций
бентонита и пироуглерода при термоциклировании 63
3.2.2. Методика исследования термоциклированных композиций бентонита и пироуглерода методом дифференциально-термогравиметрического анализа 65
3.2.3. Рентгеноструктурный анализ компонентов формовочной смеси 66
3.3. Методика исследования песчано-глинистых смесей при термоциклировании 67
3.4. Методика исследования долговечности песчано-глинистых смесей 67
3.5. Обработка экспериментальных данных и разработка математического описания 70
Глава 4. Анализ результатов исследования песчано-глинистых смесей с добавками пироуглерода 71
4.1. Исследование влияния пироуглерода на свойства бентонита при высоких температурах 71
4.2. Исследование композиций бентонита и пироуглерод методом дифференциально-термогравиметрического анализа 79
4.3. Исследование взаимодействия компонентов адгезивной оболочки с частицами пироуглерода при высоких температурах 86
4.4. Влияние добавок пироуглерода и термоциклирования на свойства песчано-глинистых смесей 90
4.5. Влияние добавок пироуглерода на долговечность песчано-глинистой смеси 96
4.6. Расчет освежения песчано-глинистой смеси 104
4.7. Разработка производственно-технологических рекомендаций по повышению долговечности песчано-глинистых смесей... 113
Общие выводы 117
Список литературы
- Функции формовочной песчано-глинистой смеси в процессе производства отливок
- Механизм образования пироуглерода в литейной форме при использовании традиционных углеродосодержащих материалов
- Методика исследования компонентов адгезивной оболочки зерновой основы песчано-глинистых смесей под воздействием высоких температур
- Исследование композиций бентонита и пироуглерод методом дифференциально-термогравиметрического анализа
Введение к работе
Современные технологические процессы получения отливок из чугуна в разовых формах из сырых песчано-глинистых смесей (ПГС) характеризуются расширением номенклатуры, усложнением конфигурации и уменьшением развеса литья, при одновременном повышении требований к геометрической точности и чистоте поверхности отливки, а также экологической безопасности производства. В условиях многономенклатурного производства ПГС подвергается различной термической нагрузке, за счет существенного изменения соотношения массы смеси к массе залитого металла, в результате этого возникает проблема поддержания стабильности свойств и состава ПГС в процессе ее оборота. Зачастую решение данной проблемы сводится к повышению расхода дорогостоящих формовочных материалов при освежении. Таким образом, нерациональное использование возможностей глинистого связующего приводит к снижению долговечности ПГС.
Также одной из основных проблем долговечности ПГС является применение в их составе углеродосодержащих материалов, необходимых для получения отливок без пригара с высокой чистотой поверхности. Антипригарное действие углеродосодержащих материалов связано с образованием при нагреве пироуглерода. Широко применяемые в нашей стране в качестве антипригарных добавок традиционные углеродосодержащие материалы, такие как молотый уголь и мазут, не отвечают современным требованиям литейного производства. В результате их термодеструкции в слоях литейной формы наряду с образованием пироуглерода протекает процесс конденсации полициклических ароматических углеводородов, которые, накапливаясь, гидрофобизируют глинистое связующее и агрегатируют зерновую основу смеси, что приводит к ухудшению ее свойств и повышает расход свежих формовочных материалов, в результате чего снижается долговечность ПГС. При этом укрупнение зерновой основы смеси способствует повышению шероховатости поверхности и образованию пригара. Также следует отметить,
что в атмосферу цеха при термодеструкции традиционных углеродосодер-жащих материалов выделяются вредные для здоровья человека соединения (СО, бензапирен, бензол, толуол, крезол и др.).
Таким образом, актуальным направлением для повышения долговечности ПГС является применение новых эффективных антипригарных добавок, которые бы могли в полной мере соответствовать требованиям технологии получения отливок из чугуна, не оказывая при этом негативного воздействия на свойства ПГС, и обеспечивающих экологическую безопасность производства.
В данной работе теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность повышения долговечности ПГС за счет применения в качестве антипригарной добавки ультрадисперсного пироуглерода, получаемого за пределами литейной формы. Введение частиц ультрадисперсного пироуглерода на стадии смесеприготовления позволяет получить формовочную смесь, на поверхности каждого зерна которой сформирована термостойкая адгезивная оболочка из частиц глинистого связующего, пироуглерода и воды. Такой подход к решению проблемы позволяет полностью контролировать и управлять процессом формирования антипригарных свойств ПГС, а за счет повышения термостойкости адгезивной оболочки и дезагрегирующего действия частиц пироуглерода позволяет повысить долговечность ПГС.
В практическом отношении применение пироуглерода в составе ПГС позволяет в результате повышения ее долговечности сократить расход свежих формовочных материалов и снизить уровень брака по вине формовочных смесей, а за счет хороших антипригарных свойств пироуглерода устранить пригар и повысить чистоту поверхности отливок. Благодаря малым размерам частиц и высокой активной поверхности, содержание пироуглерода в формовочной смеси значительно меньше, чем традиционных углеродосодер-жащих материалов, что обеспечивает существенное сокращение вредных выделений в атмосферу цеха.
Функции формовочной песчано-глинистой смеси в процессе производства отливок
Формовочная ПГС, применяемая в современных технологических процессах, представляет собой многокомпонентную, многофазную, гетерогенную систему, которая должна обладать целым комплексом свойств для обеспечения производства качественных отливок. Причем на разных этапах получения отливки формовочная смесь должна обладать определенными, а иногда и взаимоисключающими свойствами, например, иметь достаточную прочность в процессе заливки формы и кристаллизации сплава, а затем легко разрушаться в процессе выбивки.
ПГС выполняют в производственном процессе получения отливок три самостоятельных и взаимосвязанных функции [46]:
1. Функция - материала технологической оснастки (литейной формы). Это качественное состояние формовочной смеси характеризуется и оценивается соответствующим комплексом свойств, которые включают физико-механические, теплофизические, химические и другие технологические свойства, обеспечивающие получение отливки с требуемой геометрией, ве совой и размерной точностью, чистотой поверхности, минимальным количеством дефектов, структурой сплава и наличием минимальных остаточных напряжений, а также способностью формовочного материала легко разрушаться при удалении отливки из формы.
2. Функция - материала, перерабатываемого в процессе изготовления литейной Формы. На данной стадии производственного процесса, формовочная смесь должна обладать необходимым комплексом свойств, обеспечивающим ее транспортировку, хранение, уплотнение в оснастке одним из способов, удаление модельной оснастки, последующую сборку полуформ и получение качественной литейной формы. Наиболее ответственной операцией в технологической цепочке изготовления литейной формы является процесс формообразования, и его стабильная реализация определяется комплексом свойств смеси, необходимых для конкретного способа уплотнения, связанных с характером и механизмом воздействия формообразующего агрегата на формовочную смесь.
3. Функция - материала, получаемого в процессе смесеприготовления. Здесь закладываются и формируются основы всех свойств смеси, способных проявиться при выполнении формообразования, получения литейной формы и качественной отливки.
В теории литейного производства известно несколько классификаций свойств ПГС, которыми она должны обладать для реализации первых двух функций.
Основная классификация свойств и характеристик формовочных материалов изложена в работе профессора П.П. Берга [11], где свойства разделены на первичные, характеризующие исходные компоненты смесей и вторичные, определяющие поведение смесей на различных этапах производственного цикла получения отливок.
Согласно классификации профессора ЮЛ. Васина [19] свойства формовочных материалов и смесей разделены на три большие группы: физические, физико-механические и физико-химические свойства. Наиболее общими являются классификации, предложенные профессором Б.Б. Гуляевым [32] и профессором Ю.Ф. Боровским [13]. В данных классификациях все "свойства формовочных смесей разделены на; - технологические, которые проявляются в звене переработки смесей и формовки и оказывающие влияние на успешность этих операций; - рабочие, проявляющиеся в звене взаимодействия смеси с металлом и оказывающие влияние на качество отливки; - общие, характеризующие формовочную смесь, как дисперсную систему.
Отличия оборотной смеси от формовочной смеси приготовленной из свежих материалов главным образом вызваны многократным воздействием температуры металла и смесеприготовительного оборудования. В результате этого зерновой состав оборотной смеси претерпевает значительные трансформации. Основа формовочной смеси кремнезем S1O2, при нагреве переходит в другие кристаллические модификации, что сопровождается изменением объема. Последовательность фазовых переходов в системе Si02 представляют в виде схемы (рисунок 1.2) [65].
Механизм образования пироуглерода в литейной форме при использовании традиционных углеродосодержащих материалов
Процесс образования пироуглерода в слоях литейной формы рассмотрим на примере смеси, в составе которой содержится молотый каменный уголь. Действие залитого металла на смесь создает в форме условия для протекания скоростного пиролиза угля. Условия механизма образования пироуглерода можно проиллюстрировать схемой (рисунок 2.1), где по оси ординат отложена температура, а по оси абсцисс слои литейной формы.
Воздействие залитого металла приводит к нагреву поверхности формы до температуры заливки и к распространению температурного фронта в глубь формы. При движении фронта температуры, в зону его действия попадают частицы угля, и происходит их трансформация в результате пиролиза. При нагреве угля первоначально выделяется газовая фаза, состоящая в основном из низкотемпературных углеводородов, часть из них участвует в образовании пироуглерода, но основная масса фильтруется через слои материала формы и выходит за ее пределы, где при контакте с кислородом воздуха воспламеняется и сгорает.
По мере дальнейшего нагрева частиц углеродосодержащего материала происходит рекомбинация углеводородных радикалов с образованием широ кого спектра фракций полициклических ароматических углеводородов, которые играют главную роль в образовании пироуглерода в высокотемпературных слоях литейной формы. Полициклические ароматические углеводороды начинают образовываться при температурах выше 500С, а зона интенсивного их образования находится в пределах 700-800С. Конденсированные полициклические ароматические углеводороды, такие, как нафталин, антрацен образуются при температурах выше 700С [118],
Образование пироуглерода в литейной форме из газовой фазы, содержащей полициклические ароматические углеводороды, происходит, начиная с 650еС. Однако следует отметить, что при температурах ниже 900С скорость образования пироуглерода из полициклических ароматических углеводородов низка [7]. В зависимости от температуры термодеструкции в литейной форме образуется пироуглерод двух разновидностей: высокотемпературный и низкотемпературный. Высокотемпературный пироуглерод образуется на поверхности металла и формы при температуре 950-1200С в виде частиц серебристо-черного цвета из-за этого он получил название «блестящий углерод». Низкотемпературный пироуглерод черного цвета выделяется при температуре 650-950С на некотором расстоянии от рабочей поверхности в глубине формы. Указанные разновидности пироуглерода отличаются также в структурном отношении. Высокотемпературный пироуглерод имеет форму тонких компактных пленок равномерной толщины порядка нескольких ангстрем, а низкотемпературный - форму клочковатых и волокнистых выделений большей толщины [25].
Процесс образования пироуглерода при термодеструкции угля связан с последовательной многоступенчатой конденсацией остаточных дегидрированных ароматических молекул. Этот процесс протекает при перераспределении водорода и сопровождается выделением главным образом водорода и метана [30]. На рисунке 2.2 представлены схемы превращения бензола и антрацена в процессе образования пироуглерода.
Следует отметить, что выход пироуглерода увеличивается с ростом числа бензольных колец в структуре ароматических углеводородов. Так, бензол, нафталин и антрацен при 900С дают выход пироуглерода 20, 43 и 80% соответственно [26].
Образовавшиеся в высокотемпературных слоях литейной формы ароматические углеводороды только частично участвуют в образовании пироуглерода, т.к, в основной своей массе они под действием градиента газового давления фильтруются в глубинные слои литейной формы. При своем движении по капиллярам и порам материала формы они охлаждаются и конденсируются в соответствии с температурой кипения каждого соединения.
Еще одним высокотемпературным продуктом термодеструкции угля является кокс, который начинает образовываться из полукокса при температурах 700-800С. В литейной форме кокс, сцепляясь с зернами кварцевого песка, закупоривает поры в формовочной смеси, тем самым, препятствуя проникновению в них металла. Однако кокс при температуре 900С переходит в термостойкую модификацию, имеет большую пористость, что способствует поглощению дополнительного количества воды, а образование прочных коксовых и полукоксовых мостиков в объеме смеси ухудшает процесс выбивки и смесеприготовления.
Таким образом, можно считать, что часть продуктов термического разложения углеродосодержащих материалов, находящихся в высокотемпературной, очень узкой зоне литейной формы, участвуют в процессе образования пироуглерода, а основная масса после разложения конденсируется на участках поверхности обезвоженной адгезивной оболочки и частицах адгезивного субстрата. Конденсирующиеся фракции углеродосодержащих материалов обычно представляют собой целый ряд тяжелых полициклических ароматических соединений (таблица 2.2). Данные соединения гидрофобизи-руют поверхностные слои адгезивной оболочки, прочно скрепляя отдельные частицы обезвоженного адгезивного субстрата соединениями типа мазута, битума, гудрона, асфальтена или пека, имеющих температуру плавления и кипения в пределах 150-450С. Прочность данных соединений в холодном состоянии достаточно высокая. Помимо этого в слоях формы остается твердый коксовый остаток, зола, а также побочные продукты типа сернистых соединений.
Методика исследования компонентов адгезивной оболочки зерновой основы песчано-глинистых смесей под воздействием высоких температур
Для установления влияния температуры прокаливания и добавок пироуглерода на свойства бентонита определяли следующие характеристики:
1. Содержание активного бентонита ускоренным методом по ГОСТ 23409.14-78. Данный метод основан на свойстве активного бентонита адсорбировать краситель метиленовый голубой.
2) Коллоидальность по ГОСТ 28177-89. Метод определения коллоидальности основан на определении седиментационного объема, образующе гося в глинистой суспензии.
3) Водопоглощение по ГОСТ 28177-89. Метод основан на определении показателя влагоемкости глины, соответствующего переходу системы глина-вода из пастообразного состояния в состояние суспензии.
Для определения активности бентонита из предварительно подготовленных образцов брали навески массой 1 грамм. Каждую навеску помещали в сосуд и к ней добавляли 50 мл раствора пирофосфата натрия. На магнитной мешалке производили перемешивание в течение 10 минут. Затем в суспензию добавляли по 1 мл раствора метиленового голубого, сосуд взбалтывали, после чего производили титрование. После каждого добавления раствора метиленового голубого и взбалтывания отбирали пипеткой каплю суспензии и переносили на фильтровальную бумагу. Операция повторялась до появления на фильтровальной бумаге зелено-голубого ободка, после чего замеряли объем израсходованного раствора метиленового голубого.
Для определения коллоидальности бентонита из предварительно подготовленных образцов брали навески массой 0,5 грамм и помещали их в мерную пробирку. В пробирку доливали воду до общего объема 15 см и взбалтывали до получения однородной суспензии. К суспензии добавляли ОД грамма окиси магния и снова взбалтывали в течение 1 минуты. После этого пробирку оставляли в покое на 24 часа. По истечении этого времени замеряли объем образовавшегося остатка. Показатель коллоидальности вычисляли по формуле: где V- объем осадка бентонита в пробирке, см3; 15 - общий объем бентонита и воды в пробирке, см3.
Для определения водопоглощения бентонита из предварительно подготовленных образцов брали навески массой 5 грамм. Каждую навеску помещали в стакан и добавляли 5 см3 дистиллированной воды и тщательно перемешивали глинистую массу при помощи стеклянной палочки до однородного состояния. Дистиллированную воду добавляли порциями от 0,5 до 2,5 см3 до тех пор, пока мениск не приобретал подвижное состояние. Для образцов прокаленных при температурах выше 600С "первоначально добавляли 0,5 см3 дистиллированной воды. Коэффициент водопоглощения вычисляли по формуле: т где т - масса навески бентонита, г; ті - масса дистиллированной воды, требуемой для перехода системы глина-вода в состояние суспензии, г.
Для изучения процессов, происходящих при тепловом воздействии на компоненты формовочные смеси был применен дифференциально-термогравиметрический анализ (ДТГА), который считается одними из наиболее надежных и информативных. Данный метод позволяет определить изменение массы вещества (ТГ) и установить наличие тепловых превращений (ДТА) при нагреве с различной скоростью и часто применяется при комплексном анализе материалов [111].
Многие процессы, протекающие в нагреваемом материале, сопровождаются эндо- или экзотермическими эффектами. К эндотермическим процессам относятся, например, процессы дегидратации, разложения карбонатов и др., к экзотермическим - процессы окисления, и ряд процессов при твердофазном спекании.
Методика ДТА состоит в сравнении измерения температуры образцов испытуемого и инертного материалов, нагреваемых одновременно в печи. Разность их температур определяется с помощью платинородий-платиновой термопары и соответствующей измерительной аппаратуры.
Метод ТГА основан на определении изменения массы образца при нагревании и позволяет определять кинетику процессов, сопровождающихся , изменением массы материалов (дегидратация, выгорание компонентов, окисление и др.).
Для проведения дифференциально-термического (ДТА) и термогравиметрического анализа (ТГА) применялся дериватограф системы «Paulik» (Венгрия). Дериватограф позволяет одновременно получить следующие параметры: интегральную температуру (Т), дифференциальную температуру (ДТА), интегральную потерю веса образца (IT) и дифференциальную потерю веса (ДТГ). При исследованиях вес образцов составлял 400-700 мг и скорость нагрева 10С в минуту. Исследования проводили на образцах адгезивной оболочки (бентонит, композиция бентонит + пироуглерод) предварительно прокаленных при температурах 100-800С.
Исследование композиций бентонита и пироуглерод методом дифференциально-термогравиметрического анализа
Для количественной оценки утраченных ПГС компонентов (бентонита, пироуглерода) в результате воздействия температуры металла на примере сырой песчано-глинистой формы с отливками в виде шара с различным соотношением смесыметалл был проведен аналитический расчет освежения. В основе предложенного расчета необходимого освежения компонентов ПГС лежит определение части, которую компонент утратил в результате воздействия температуры заливаемого металла, путем суммирования долей компонента, утраченных в слоях формы с различными тепловыми условиями. После определения аналитическим способом температурных полей, форма условно разбивается на слои с различной температурой прогрева, в которых в зависимости от тепловых условий происходит утрата компонентов смеси, которую находим из полученных ранее экспериментальных данных изменения активности бентонита и потери массы методом ДТГА в зависимости от температуры нагрева (п. 4.1-4.2).
В качестве кривой, описывающей температурное поле литейной формы, воспользуемся уравнением параболы и-го порядка (4.12), предложенное профессором А.И. Вейником [21], [22]. В нашем случае уравнение (4.12) описывает температурное поле до зоны влагоконденсации. \"2 /- J I л 1 кип / + Г, (4.12) 2J где Г- текущая температура в точке х, К; Tn - температура отливки, К; Ткш - температура кипения воды, К; Х2 - глубина прогрева формы, м; П2 - показатель степени параболы. Для построения температурного поля формы необходимо знать показатель степени параболы щ и рассчитать глубину прогрева формы Хг. Для определения степени параболы воспользуемся эмпирической зависимостью приведенной в работе [6]: п2=3-1,67 "9; &ч где Зкр - избыточная температура кристаллизации {SKp=TKpmr), К; Si - избыточная температура при Т„ (#/=7 -7 ,,), К.
Таким образом, при расчетах будем использовать показатель степени параболы п2 изменяющийся в пределах от 3 при температуре кристаллизации Тщ, до 2,1 при 7 =873 К (температура выбивки отливки). Глубина прогрева сырой формы . определяется по формуле (4.13), (4ЛЗ) 2 І 1+(n2+l)-u,-r с2-(1-щ)-Вкр где а2 - коэффициент температуропроводности материала формы, м2/с; t - время прогрева формы при определенной температуре отливки, с; U] - максимальная относительная влажность в слоях формы, %; г - теплота испарения влаги, дж/кг. Для определения времени остывания отливки в сырой песчано-глинистой форме до температуры выбивки воспользуемся методикой приведенной в работе [6]. Данная методика основана на определении продолжительности следующих друг за другом стадий затвердевания отливки: 1) стадия t\ - отвод тепла из металла формой во время ее заливки; 2) стадия h - отвод тепла перегрева металла; эта стадия заканчивается в момент, когда последняя часть жидкого металла охладится до температуры ликвидуса; 3) стадия h отвод скрытого тепла затвердевания; эта стадия заканчивается, когда температура объема расплава, затвердевшего последним, снизится ниже температуры солидуса; в этот момент заканчивается также затвердевание отливки; 4) стадия U - остывание затвердевшей отливки в форме.
Для определения времени заполнения формы воспользуемся эмпирической формулой (4.14), предложенной в работе [8]:
Произведем расчет времени затвердевания отливки и глубины прогрева цилиндрической песчано-глинистой формы с отливкой из чугуна в виде шара (рисунок 3.1), при следующих исходных данных: 1) диаметр отливок 55, 65 и 80 мм; 2) влажность смеси 4%; 3) температура заливки 1623К; 4) температура выбивки при 873К. Справочные величины, используемые в расчете: pi = 7200 кг/м3; р/= 6950 кг/м3; с, = 560 дж/кг-К; с/ = 838 дж/кг-К; с2 = 1670 дж/кг-К; Ткр = 1443К; Тяик =1473К; г, = 215000 дж/кг; г = 2,24-106 дж/кг. Рассчитанные величины: и, = 0,073 %; = 1513,2 Вт-с,/2/м2-К; qnep = 125700 дж/кг; = 235970 дж/кг. Результаты расчета времени охлаждения в сырой песчано-глинистой форме отливок в виде шара при заливке чугуном приведены в таблице 4.10. По формуле (4.13) определяем глубину прогрева формы Х2 для всех отливок в момент времени t3 и ц (при различных значениях Г„). Результаты расчета приведены в таблице 4.11.
