Введение к работе
Актуальность работы. Известно, что важнейшим вопросом современного литейного производства (ЛП) остаётся экология. В литейных цехах тракторо- и автомобилестроительной индустрии в СНГ для изготовления ответственных формообразующих частей литейной формы применяют в основном песчано-смоляные смеси (ПСС) на основе органического связующего. При этом используют дорогостоящие смоляное связующее, отвердители, а также различные добавки, улучшающие свойства смесей. Изготовление литых деталей таким методом связано с выбросами в атмосферу вредных токсических веществ. Поиск путей снижения объемов этих выбросов представляет собой актуальную задачу данной работы.
В этой связи речь идет о постепенном совершенствовании литейных цехов, которое должно осуществляться на базе новых, технологических процессов и материалов, смесеприготовительного и формообразующего оборудования, обеспечивающих получение высококачественных отливок, снижение экологической нагрузки на окружающую среду и улучшение санитарно-гигиенических условий.
Для устранения существующих недостатков и дальнейшего развития технологии необходимо изучение и внедрение эффективных, дешевых и недефицитных материалов, в том числе и промышленных отходов, применение которых позволило бы снизить расход смоляного связующего и отвердителя и, как следствие, улучшить санитарно-гигиенические условия в литейном цехе.
Решение этой задачи связано с разработкой новых технологий изготовления литейных форм и стержней, которые всегда связывают с физико-химическими и технологическими свойствами связующих композиций и смесей. Именно их изучение приводит к усовершенствованию существующих или разработке принципиально новых технологических процессов.
Поэтому при проведении модернизации предприятий, а также с целью улучшения и стабилизации качества отливки (микро- и макроструктуры, поверхности, геометрических параметров и др.) важнейшим звеном является материал, из которого изготовлены стержень и форма. При этом, традиционно, требуемые свойства формовочных и стержневых смесей обеспечиваются корректным выбором материалов-наполнителей, связующих композиций и добавок, в том числе синтезированных на основе промышленных отходов различных производственных предприятий. С другой стороны, утилизация данных отходов представляет собой важнейшую задачу устойчивого ресурсного и экологического развития современных промышленных предприятий.
Таким образом, повышение экологической безопасности процесса литья с использованием ПСС и улучшение санитарно-гигиенических условий с помощью внедрения промышленных отходов является важной и актуальной задачей развития современного ЛП.
Целью данной работы является получение новых экономичных, экологически безопасных составов ПСС и стержней с пониженным содержанием смоляных связующих композиций (СК) с применением промышленных отходов, понижающих экологическую нагрузку на персонал
литейных цехов и окружающую среду, а также имеющих технологические и эксплуатационные свойства аналогичные с уже действующими составами.
Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи исследования:
1. Изучение процесса усиления прочности стержневых смесей за счет
ввода в их состав активированных микродобавок.
Проведение систематических исследований физико-химических свойств промышленных отходов и связующих композиций для создания на их основе стержневых смесей; разработка составов ПСС с пониженным содержанием СК.
Изучение технологических свойств вновь созданных смесей и полученных на их основе стержней.
4. Проведение опытно-промышленных испытаний стержней с
применением новых связующих композиций.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Установлено явление повышения прочности ПСС теплового отверждения, обусловленное образованием в связующем микроструктурированного композита из смолы и механоактивированных высоко дисперсных частиц промышленных отходов: алюмохромового порошка или аспирационной пыли доменного производства.
Получена экспериментальная зависимость прочности смеси от толщины пленки микроструктурированного композита на зернах наполнителя, зависимость имеет максимум при толщинах пленки 2,25 + 0,1 мкм, что соответствует содержанию связующего в смеси от 1,5 до 1,8 %.
Экспериментально установлено, что наибольшая прочность и удовлетворительные технологические свойства смесей достигаются при использовании микроструктурированного композита, содержащего 12-25 % модифицирующей микродобавки с размером частиц менее 1 мкм.
4. Разработана методика приготовления композиционного связующего,
включающая поэтапную механическую активацию выбранного отхода в
вибрационной дисковой, а затем в планетарной шаровой мельницах;
смешивание активированной и измельченной фракции с размером частиц менее
1 мкм со смоляным связующим в высокоэнергетическом смесителе.
На защиту выносятся следующие вопросы:
1. Технологическое решение, состоящее в выборе промышленных
отходов, повышающих эксплуатационные характеристики стержневой смеси.
2. Составы разработанных стержневых смесей.
3. Технологическое решение, связанное с методикой подготовки
выбранных промышленных отходов.
4. Экспериментальные зависимости вязкостных и тензиометрических
характеристик карбамидофурановой смолы при ее модифицировании
выбранными промышленными отходами, концентрации данных отходов в
смоле КФ-90.
5. Экспериментальные данные, подтверждающие эффективность применения выбранных промышленных отходов при прочностных испытаниях и исследованиях показателей текучести стержневых смесей.
Практическая и экономическая значимость:
Разработаны новые суспензионные связующие композиции, состоящие из карбамидофурановой смолы и механоактивированных промышленных отходов.
Разработаны новые составы стержневых смесей теплового отверждения со сниженным содержанием смолы и отвердителя взамен широко применяемых в литейных цехах композиций.
3. Разработан способ утилизации промышленной пыли предприятий
металлургической и химической отраслей путем ее использования в качестве
модифицирующих микродобавок при изготовлении литейных стержней.
Разработана методика выбора промышленных пылей по уровню их
дисперсности, составу и количеству в ПСС, обеспечивающая требуемое
качество стержневой смеси.
4. Показано существенное сокращение расхода дорогостоящих
карбамидофуранового связующего и отвердителя в смесях теплового
отверждения с применением активированных промышленных отходов,
обеспечивающее снижение загазованности окружающей среды и улучшение
санитарно-гигиенических условий в литейном цехе, уменьшение себестоимости
продукции.
5. Получено положительное решение о выдаче патента по заявке
№2010110449 «Смесь для изготовления литейных стержней, отверждаемых в
нагреваемой оснастке, и способ ее приготовления» с приоритетом от
22.03.2010 г.
Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Литейное производство» ГОУ МГИУ, Международной научно-практической конференции «Инженерные системы» и научной конференции «Технология, экономика и организация производства технических систем» в 2010 г.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 10 работах. Из них 3 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 129 наименований.
