Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования. Развитие современных технологических процессов показывает, что изготовление форм и стержней в литейном производстве вступило в период, когда мероприятия, направленные на снижение трудоемкости производства отливок, улучшение качества продукции, а также сокращение вредных для здоровья рабочих операций, основываются, как правило, на использовании новых свойств и составов формовочных смесей.
Сегодня весьма перспективным, отвечающим современным требованиям литейного производства, является изготовление форм и стержней из смесей на жидкостеколь-ном связующем, что позволяет значительно сократить цикл изготовления отливок и снизить трудоемкость их изготовления, а также увеличить точность литья и устранить выделение токсичных веществ.
В нашей стране быстротвердеющие смеси с жидким стеклом получили промышленное применение с 1949 г. благодаря работам, проведенным специалистами ЦНИИТмаша, а также заводов тяжелого машиностроения и станкостроения.
Значительный вклад в разработку теории и практику производства отливок с использованием смесей с жидким стеклом был внесен такими исследователями как Берг П.П., Бречко А.А., Валисовский И.В., Васин Ю.П., Ващенко К.И., Великанов Г.Ф., Дорошенко СП., Жуковский С.С., Илларионов И.Е., Кулаков Б.А., Лясс A.M., Ромашкин В.Н., Рыжков И.В. и др. Работы этих ученых позволили получить и внедрить в промышленности жидкостекольные смеси, обладающие улучшенной выбиваемостью, позволившие существенно повысить уровень качества продукции литейного производства.
Тем не менее, несмотря на накопленный богатый теоретический и экспериментальный материал, проблема затрудненной выбиваемости смесей на жидкостекольном связующем до настоящего времени не является окончательно решенной. Операция выбивки стержней, особенно крупных и сложных отливок, является одной из наиболее тяжелых, составляя 20 ... 25 % общей трудоемкости изготовления продукции литейного производства. При этом, затраты на выбивку жидкостекольных смесей остаются более высокими по сравнению с песчано-глинистыми смесями и смесями с органическими связующими. Известные технологические приемы и рекомендации по улучшению выбиваемости не всегда эффективны, а в качестве специализированных добавок используются целевые дорогостоящие материалы, значительно увеличивающие стоимость литья и, в ряде случаев, существенно снижающие рентабельность производства.
Наиболее простое и предпочтительное техническое решение, облегчающее выби-ваемость смесей посредством сокращения в последних содержания жидкого стекла, неразрывно связано с понижением исходной прочности форм и стержней. Очевидно, что для улучшения выбиваемости данным способом необходимо использовать жидкосте-кольное связующее, свойства которого даже при пониженном содержании обеспечат требуемый уровень исходной прочности смеси. Однако из анализа литературных данных следует, что изготовить отвечающее вышеприведенным требованиям жидкое стекло известными на сегодняшний день способами не представляется возможным.
Таким образом, разработка новых научно обоснованных способов изготовления жид-
Авгор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук Т.Ш. Сильченко за участие в формировании направления работы, а также неоценимую помощь, оказанную при проведении экспериментов и анализе результатов исследований.
кого стекла, а также составов формовочных и стержневых смесей на его основе, обладающих, за счет пониженного содержания связующего, улучшенной выбиваемостью из отливок и необходимым уровнем технологических свойств, является весьма актуальной задачей.
Актуальность выбранной темы диссертационного исследования также подтверждается выполнением его в рамках программы Рособразования «Развитие научного потенциала высшей школы» тема № 1.120.04 (2006 - 2008 гг.).
Цель и задачи работы. Цель работы - создание для литейного производства жидко-стекольного связующего, обеспечивающего улучшение выбиваемости вследствие возможности снижения своего содержания в смесях без понижения прочностных свойств последних.
Для достижения цели в диссертационной работе поставлены и решены задачи, к основным из которых отнесены:
Выявление закономерностей процесса диспергирования силикат-глыбы ударно-волновой обработкой (УВО) при помощи энергии взрыва.
Исследование особенностей процесса изготовления жидкостекольного связующего способом безавтоклавного растворения щелочного силиката натрия, диспергированного ударно-волновой обработкой.
Исследование основных физико-химических свойств разработанного жидкостекольного связующего.
Выявление факторов, повышающих исходную прочность смеси, приготовленной на разработанном жидкостекольном связующем.
Разработка и внедрение в литейном производстве научно обоснованных технологических процессов изготовления из нанодиспергированного ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия жидкостекольного связующего, обеспечивающего повышение исходной прочности смесей на 25 ... 30 % по отношению к известным аналогам.
Научная новизна работы заключается в выявлении закономерностей и особенностей процесса изготовления из кремнеземсодержащих материалов, нанодиспергирован-ных ударно-волновой обработкой, жидкостекольного связующего для смесей литейного производства, а также раскрытии механизма увеличения прочности последних.
Установлено, что гранулометрический состав диспергированного УВО щелочного силиката натрия определяется величиной импульса давления, возникающего при отражении детонационной волны от металлической стенки пресс формы; при этом получение основной фракции с размером частиц 100 ... 200 нм достигается при реализации импульса давления в диапазоне 0,12 ... 0,16 МПас.
Обнаружен эффект существенного сокращения, до 5 минут, времени растворения наноразмерного щелочного силиката натрия безавтоклавным способом, при температуре воды 80С.
Показано, что вследствие возрастания адгезии разработанного жидкого стекла к кварцу, краевой угол смачивания последнего сокращается по отношению к обьшному связующему на 18 ... 20%, обеспечивая при приготовлении и отверждении смеси формирование более плотных пленок на зернах наполнителя и упрочнение манжет.
Установлено, что при высушивании разработанного жидкого стекла существенная, по отношению к обычному, неоднородность размеров частиц коллоидного кремнезема - 2 ... 30 нм, обеспечивает более плотные и компактные упаковки последних, приводя к возрастанию прочности пленок связующего на 27 ... 34 %, а, следовательно, и тождественному повышению
предела прочности смесей, поскольку последние разрушаются по когезионному механизму.
Практическая значимость. Полученные результаты исследований легли в основу разработки научно обоснованных технологических процессов изготовления жидко-стекольного связующего, сокращение содержания которого в формовочных пластичных смесях до 4%, за счет повышения прочности последних на 25 ... 30%, существенно улучшило выбиваемость.
Внедрение разработанных технологических процессов на ЗАО «Машиностроительный завод «Плазма» и ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» позволило повысить качество литейной продукции, снизить трудозатраты на выбивку и очистку отливок, существенно сократить себестоимость жидкостекольного связующего и, в результате, получить в 2008 году общий экономический эффект в размере 1222500 руб.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 2-х международных конференциях (2007, 2009 - г. Волгоград), всероссийской конференции (2008 - г. Камышин), региональных конференциях молодых исследователей (2007, 2008 - г. Волгоград), а также на ежегодных научно-технических конференциях и научных семинарах ВолгГТУ.
На защиту выносятся:
1.Результаты исследования влияния параметров взрывного нагружения ударно-волновой обработки на гранулометрический состав порошков щелочного силиката натрия и кремнеземсодержащих компонентов (кварцевого песка, стеклянного боя);
Результаты экспериментального исследования растворимости сырьевых материалов производства жидкого стекла после ударно-волновой обработки;
Результаты экспериментального исследования особенностей основных физико-химических свойств разработанного жидкостекольного связующего;
Результаты расчетной оценки изменения прочности смесей на разработанном жидкостекольном связующем;
Результаты исследования особенностей процессов, протекающих при отверждении тепловой сушкой и углекислым газом смесей на жидкостекольном связующем, полученном из нанодиспергированного ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия;
Результаты сравнительного исследования основных технологических свойств отверженных наиболее распространенными в литейном производстве способами смесей на жидком стекле, приготовленном из нанодиспергированного ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия;
Результаты испытаний и внедрения разработанного на основе проведенных исследований технологического процесса приготовления смеси на предложенном жидкостекольном связующем.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 статьи в российских периодических рецензируемых изданиях (2 из которых рекомендованы ВАК РФ), 2 статьи в сборниках трудов международных научно-технических конференций, 3 тезиса докладов на всероссийской и региональной конференциях, а также получен патент РФ на изобретение.
Достоверность результатов и личный вклад автора. Обобщения, выводы и рекомендации диссертационной работы основаны на анализе теоретических и эксперименталь-
ных данных, обработанных статистическими методами и полученных с использованием общепризнанных методик при помощи современной сертифицированной периодически поверяемой аппаратуры. Личный вклад автора в работу заключается в определении основных идей и направлений исследований, анализе и обобщении результатов экспериментального изучения особенностей процесса изготовления из наноразмерных кремнеземсодержащих материалов жидкостекольного связующего и свойств смесей на основе последнего, создании нового способа производства жидкого стекла, а также организации и проведении опытно-производственного внедрения смеси на разработанном связующем.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 181 страницу машинописного текста, 71 рисунок, 21 таблицу. Список использованной литературы включает 197 наименований. В приложении приведены результаты экспериментов по определению основных физико-механических и технологических свойств жидкостекольных смесей, а также копии патента РФ на изобретение и актов внедрений, подтверждающие практическую ценность и актуальность данного исследования.
