Введение к работе
Актуальность работы. Одним из направлений развития литейного производства является разработка и внедрение технологических процессов изготовления форм и стержней на основе холоднотвердеющих смесей (ХТС), которые должны обладать комплексом заранее запланированных свойств. Комплекс этих свойств, в основном, определяется наличием в составе смеси конкретной связующей композиции.
Проблема связующих композиций для изготовления ХТС в масштабах страны не решена. Связующие композиции на основе глины, жидкого стекла и синтетических смол в одних случаях не обеспечивают требуемую точность и качество отливок, а также необходимую производительность труда, в других повышают трудо- и энергозатраты на выбивку форм и очистку отливок, и кроме того увеличивают опасность загрязнения окружающей среды вредными соединениями.
Одним из путей решения указанных проблем является использование
металлофосфатных связующих, наличие которых в составе ХТС обеспечи
вает им высокую термостойкость, прочность, низкую газотворность, лег
кую выбиваемость, а также улучшение санитарно-гигиенических условий
труда. Большой вклад в решение этого вопроса внесли такие ученые, как
Жуковский С.С., Илларионов И.Е., Иткис ЗЛ., Лясс A.M., Сычев
М.М., Судакас Л.Г. и другие.
Наиболее перспективным из металлофосфатных связующих является алюмохромфосфатное связующее (АХФС), обладающее высокой клеящей способностью. Однако, на основании накопленного практического опыта, связанного с применением АХФС в литейных цехах для получения ХТС, выявлены его недостатки. Во-первых: использование АХФС в состоянии поставки связано с ограничениями по применяемому смесеприготовитель-ному оборудованию, по причине низкой текучести" АХФС; во-вторых: значительный процент брака по трещинам для крупных стержней (массой более 300 кг), из-за разности напряжений внутри затвердевающего стержня и на его поверхности, что объясняется высокой реакционной способностью АХФС по отношению к порошкообразному железосодержащему отверди-телю. Кроме того, немаловажным отрицательным фактором является использование при синтезе АХФС токсичного хромового ангидрида.
Поэтому, актуальной задачей литейного производства является разработка и исследование составов ХТС на основе новых модифицированных металлофосфатных связующих, использование которых позволяет исключить вышеперечисленные недостатки смесей на основе АХФС и способствует снижению брака стальных и чугунных отливок.
Цель и основные задачи. Целью данной работы является разработка, исследование и внедрение в производство технологии изготовления форм и стержней из ХТС на основе модифицированных металлофосфатных связующих (МФС-М), способных к прохождению процесса кислотно-основного взаимодействия с получением оптимальных физико-механических свойств смеси, обеспечивающих качественное получение отливок из чугуна и стали.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ основных положений теории склеивания в неорганических системах и на основании факторов, обуславливающих максимальную клеящую способность, спрогнозировать химический состав связующего с учетом обоснованного выбора модифицирующей добавки.
-
Разработать технологическую схему получения модифицированного металлофосфатного связующего, сформулировать основные требования, которым оно должно соответствовать и осуществить его синтез.
-
Разработать и исследовать оптимальные составы ХТС на основе МФС-М. Установить взаимосвязь физико-механических свойств смеси от различных параметров и определить допустимый интервал изменения количественных показателей свойств смеси.
-
Установить взаимосвязь между свойствами модифицированных металлофосфатных смесей при контакте их с жидким металлом с образованием различных дефектов в отливках, раскрыть механизм появления дефектов и разработать условия их предотвращения.
-
Осуществить опытно-промышленные испытания и внедрения ХТС на основе МФС-М в производство.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Критерии прогнозирования клеящей способности металлофосфатных связующих и факторы их определяющие.
-
Химический состав модифицированного металлофосфатного связующего, технологическая схема его получения и методика синтеза.
-
Оптимальные качественные и количественные составы ХТС на основе МФС-М и изменения их свойств от различных параметров. Допустимые диапазоны изменения показателей смеси.
-
Результаты высокотемпературных исследований, иммитирующих процессы взаимодействия металл-форма и их взаимосвязь с образованием
-
(Факторы и условия, обеспечивающие снижение пригара и других дефектов отливок, получаемых с помощью смесей на основе МФС-М.
-
Технология изготовления металлофосфатных смесей, результаты внедрения и опытно-промышленных испытаний.
Научная новизна. Разработаны технологическая схема и методика синтеза модифицированного металлофосфатного связующего, определены его оптимальные физико-химические показатели. Обоснован химический смысл вводимой в состав связующего модифицирующей добавки, а именно ее способность подвергаться омылению с выделением спиртов, которые снижают поверхностное натяжение связующего, тем самым увеличивая его текучесть. Образующийся при гидролизе мономер нереакционно-способен по отношению к связующему. В процессе приготовления смесей, при прохождении реакции кислотно-основного взаимодействия, которая сопровождается небольшим экзотермическим эффектом, мономеры превращаются в полимеры, что способствует повышению прочности клеевого шва между зернами огнеупорного наполнителя, и придает более высокие прочностные показатели смесям на основе МФС-М по сравнению со смесями на основе других металлофосфатных связующих.
На основании проделанных экспериментов установлен количественный диапазон на содержание конкретных оксидов в составе отвердителя в целях обеспечения прохождения процесса взаимодействия кислотно-основного характера.
Разработаны принципиально новые высокотермостойкие оптимальные составы ХТС на основе МФС-М, установлена зависимость прочностных показателей от состава модифицирующей добавки, а именно ее влияние на образование полимера различной структуры и прочности.
Высокая текучесть (45-47 %) разработанных смесей позволяет их использовать для изготовления стержней принудительным способом уплотнения, т.е. пескострельными и пескодувными машинами, что исключается при использовании ХТС на основе других металлофосфатных связующих.
Установлена взаимосвязь между свойствами разработанной смеси при высоких температурах (горячей прочностью, термостойкостью, трещино-стойкостью, термическими напряжениями, податливостью и теплофизиче-скими свойствами) и образованием различного рода дефектов для отливок из чугуна и стали, и определены оптимальные критерии на эти свойства.
Практическая значимость работы:
разработаны технологический процесс производства модифицированного металлофосфатного связующего и требования, которым оно должно соответствовать. Низкая вязкость (по ВЗ-4-17-19с) такого связующего позволяет использовать для приготовления формовочных и стержневых смесей любое смесеприготовительное оборудование. Разработанная технология получения модифицированного металлофосфатного связующего базируется на использовании малотоксичных исходных компонентов (не содержащих хромовый ангидрид). Осуществлена экологическая оценка разработанного связующего в форме полу-
чения токсиколого-гигиенического паспорта. Согласно классификации вредных веществ по ГОСТу 12.1.007-76 по степени воздействия на организм указанное связующее отнесено к III классу опасности;
на основании теоретических и экспериментальных исследований разра-
ботаны оптимальные составы ХТС на основе МФС-М, обладающие необходимым комплексом физико-механических свойств, обеспечивающих качественное получение стальных и чугунных отливок. Высокая текучесть таких ХТС позволяет проводить технологический процесс изготовления форм и стержней как стандартными способами уплотнения, так и с помощью пескострельных и пескодувных машин;
разработаны научно-обоснованные рекомендации, отражающие условия, обеспечивающее снижение пригара на стальных и чугунных отливках. Определены и сформулированы условия, способствующие снижению брака отливок по горячим трещинам и просечкам, что в комплексе позволяет повысить качество литья;
проведены опытно-промышленные испытания и внедрение разработанных ХТС на основе МФС-М, результаты которых подтвердили необходимость и практическую значимость проделанной научно-исследовательской работы.
Реализация работы: Разработанные и исследованные оптимальные составы ХТС на основе модифицированных МФС прошли обширные опытно-промышленные испытания на ОАО "Автодизель" г. Ярославля при получении чугунных отливок массой 480 кг с толщиной стенок около 70 мм и внедрены на ПО "Волгоцеммаш" г. Тольяти при получении отливок из стали массой 115-11600 кг с толщиной стенок от 20 до 235 мм. Социальный экономический эффект составляет 876 руб. на одну тонну годного литья (в ценах по состоянию на декабрь 1999 г.).
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладыва
лись и обсуждались на симпозиуме "Петербурские встречи", г. С-
Петербург, 1998 г., на международной научно-технической конференции
"Совершенствование литейных процессов", г. Екатеренбург, 1999г. и на
научно-техническом семинаре литейных кафедр НГТУ, 1999 г.
Публикации . Основное содержание работы отражено в 9 публикациях.
Структура и объем работы . Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из 108 наименований, изложена на 178 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 24 таблицы и 6 приложений.