Введение к работе
Актуальность. Одно из ведущих мест среди литейных связующих материалов формовочных и стержневых смесей занимает жидкое стекло. Однако, несмотря на неоспоримые преимущества, жидкостекольные смеси обладают рядом серьезных недостатков, что существенно сокращает масштабы их использования. К таким недостаткам, и первую очередь, следует отнести затрудненную выбнваемость жидкостекольных стержней из отливок и плохую регепернруомость смесеіі. А в последние годы жидкое стекло стало и достаточно дефицитным материалом. Кроме того, традиционный двухстадийный процесс получения жидкостеколыюго связующего не отличается окологичпостыо и связан с высоким уровнем выброса в атмосферу углекислого и угарного газов (до 300 м3 на 1 тонну жидкого стекла). И, если вопросам устранения недостатков жидкостекольных смесей посвящено достаточно много исследований, то проблемы, связанные с экологически вредным и экономически невыгодным двухста-дпйным способом производства жидкого стекла, до настоящего времени не решались.
В связи с отим в работе была поставлена задача разработать альтернативный двухстадийпому прямой синтез силикатного связующего, который отличался бы высокой экономичностью и экологической чистотой. В отличие от двухстадиііпой технологии, где, как уже указывалось, при производстве каждой тонны жидкого стекла в атмосферу выделяется до 300 м3 угарного и углекислого газов п затрачивается большое количество энергии на процесс сплавления кварцевого песка с дефицитной содой, при прямом синтезе связующих побочным продуктом является лишь вода и отсутствует стадия получения силикат-глыбы.
Таким образом, разработка, исследование и внедрение в производство новых высокоэффективных силикатных связующих, получаемых прямым синтезом, при одновременном повышении физико-химических свойств связующих и смесей па их основе за счет процесса модифицирования в автоклаве, снижение загрязнения окружающей среды вредными отходами и уменьшение энергетических затрат являются важной и актуальной задачей.
Настоящая диссертационная работа посвящена: разработке процессов прямого синтеза натриевых силикатных связующих и модифицированных фосфат-ионом, алюмнпат-иошш и поверхностно-активным веществом связующих: формированию структуры и сіюігсті! новых силикатных связующих при различных температурах; изучению спойств формовочных и стержневых смесей при различных способах отверждения с модифицированными силикатными связующими.
Цель работы и задачи исследовании. Целью настоящей работы является исследование и разработка способов получения жпдкостокольных связующих прямым синтезом на базе но дефицитных материалов, и том числе и различных отходов производства, изучение влияния модифицирующих добавок на ход процесса прямого синтеза и свойства получаемых связующих, оптимизация составов формовочных п стержневых смесеіі с примененном модифицированных силикатных материалов.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи: теоретическое обоснованно выбора материалов для прямого синтеза жидкого стекла; разработка лабораторного оборудования для прямого синтеза связующих; исследования физико-химических свойств связующих; разработка процесса прямого синтеза и изучение механизма модифицирующего действия различных материалов на свойства связующих и свойства отверждениых систем; оптимизация составов смесей па основе разработанных связующих; проведение промышленных испытании и внедрение is производство технологии получения прямым синтезом силикатных связующих и изготовление на их основе формовочных и стержневых смесей.
Научная новизна. Экспериментальным путем вскрыт механизм растворения различных форм кремнезема в щелочных растворах, изучено влияние модифицирующих добавок на кинетику процесса прямого синтеза связующих, заключающееся в том, что: при введении поверхностно-активных веществ (ПАВ) в состав исходной пес-чано-щелочной суспензии возникает эффект Ребнндера позволяющий ускорить процесс механического разрушения кристаллического кремнезема. В результате увели-
челия реакционной поверхности и повышения поверхностной энергии при активации зереп создается возможность ускорить процесс деполимеризации кремнезема в щелочной среде.
При введении в состав шихты алюминат-ионов и фосфат-ионов в процессе прямого спптеза в жестких гидро-баротермальпых условиях (Р=2,5 МГТа, Т = 220С) получены модифицированные спязующие, отличающиеся от натриевого жидкого стекла повышенной температурой плавления, пониженной вязкостью в растворах, более высокими прочностными характеристиками. Экспериментальным путем изучен механизм растворения кремнезема и методом математического планирования эксперимента подобраны оптимальные параметры процессов прямого синтеза связующих из различных форм кремнезема. Установлена взаимосвязь между свойствами новых модифицированных связующих и качеством жпдкостеколыгах смесей.
В результате изучения механизма влияния модифицирующих добавок па свойства силикатных связующих и смесей па их основе установлено, что улучшение выби-ваемости и регенерируемостн смесей с новыми связующими обусловлено: повышением температуры плавления новых алюмосиликатпых и енлнкофосфатных связующих; сниженном вязкости ц получением более топких и пластичных пленок модифицированных связующих на зернах огнеупорных наполнителей; образованием новых алюмосиликатпых и силикофосфатных систем с выделением новых фаз при нагреве и взаимодействии с отвер-дителями, приводящих к возникновению в вяжущей системе напряжений, что положительно влияет на выживаемость и регенерируемость смесей.
Практическая ценность работы. Разработаны технологические процессы малоотхоДпого, энергетически малоемкого прямого синтеза жндкостеколышх связующих из аморфных и кристаллических форм кремнезема с минимальными нерастворимыми остатками. Оптимизированы варианты прямого синтеза модифицированных связующих из активированного кварцевого песка и щелочных растворов, в том числе и отходов производства, что представляет особый интерес для охраны окружающей среды от промвыбросов и позволяет существенно снизить затра-
ты на нейтрализацию. Себестоимость связующего при использовании в качестве исходного сырья различных отходов значительно снижается.
Разработан руководящий технический материал РТМ 24.967.—01—80 «Получение жидкого стекла на базе отходов электрохимической очистки отлпвок».
Разработаны оптимальные составы смесей с модифицированными силикатными связующими, отверждаемые углекислым газом п фсррохромовым шлаком, с улучшенной выбиваемостыо и регенерируемостыо.
Разработапные технологические процессы прошли промышленную проверку в литейных цехах ПО «Элек-тростальтяжмаш», КАМАЗа, Невского завода (г. Санкт-Петербург), готовятся к внедрению на заводе «Транс-маш» ПО «Кировский завод». Годовой экономический эффект (в ценах 1990 г.) составил 132,1 тыс. рублей.
Настоящая работа легла в основу реконструкции участка производства жидкого стекла в термообрубиом цехе ПО «Электростальтяжмаш».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на ряде Всесоюзных, международных, республиканских н зональных научно-технических конференций и семинаров: «Рациональное природопользование в общей системе интенсификации промышленного производства» (Люберцы, 1986 г.); «Прогрессивная технология, автоматизация и применение ЭВМ в литейном производстве» (Алма-Ата, 1987 г.); «Жидко-стекольные формовочные н стержневые смеси» (Киев, 1989 г.); «Новые формовочные материалы в литейном производстве» (Челябинск, 1989 г.); «Современные научные и технологические достижения в литейном производство» (Варна, 1989 г.); «Интерлитмаш-88»; ВДНХ СССР (Москва, 1986, 1990 г.); «Ресурсосбережение-88»; «Прогрессивные процессы и оборудование для изготовления форм, очистки н обрубки отливок в индивидуальном и сериііном производстве» (Свердловск, 1991 г.).
Объем работы. Диссертация включает введение, 6 разделов, основные выводы, приложения, содержит 212 стр. машинописного текста, 67 иллюстраций, 26 таблиц и список литературы, включающий 107 наименований.