Введение к работе
Актуальность темы. Жидкое стекло как связующее широко используется в литейном производстве для приготовления жидкостекольных смесей (ЖСС). Эти смеси обладают целым рядом достоинств. Они нетоксичны, недефицитны, имеют сравнительно низкую стоимость, экологически безопасны, обладают хорошими показателями по механической прочности, могут отверждаться различными способами, использоваться как для изготовления стержней, так и форм. Важным достоинством данного связующего является возможность его приготовления непосредственно в цеховых условиях, при этом появляется возможность регулирования его свойств.
Вместе с тем жидкостекольные смеси не лишены недостатков. Основным их отрицательным качеством является высокая остаточная прочность (прочность после прогрева смеси, связанного с воздействием заливаемого металла на формовочные и стержневые смеси). Высокие значения остаточной прочности являются основной причиной плохой выбиваемости ЖСС- больших значений энергозатрат на удаление стержня (смеси) из отливки (формы). Плохая выбиваемость значительно усложняет и удлиняет технологический цикл, увеличивает себестоимость и ухудшает в ряде случаев качество отливок. Указанный недостаток (наряду с плохой регенерпруемосгью) резко снижает до минимума все другие преимущества ЖСС.
Проблема плохой выбиваемости в литейном производстве существует с самого начала использования ЖСС. К сожалению, вплоть до настоящего времени, несмотря на определенный прогресс, проблема снижения остаточной прочности ЖСС пока полностью не решена.
Для улучшения выбиваемости разработано большое количество способов, однако эффект от их применения оказывается неоднозначным. Сложности, возникающие с выбнваемостыо, заставляют литейщиков снижать удельный вес использования ЖСС в технологическом процессе или вообще отказываться от них. л.
Замена ЖСС другими смесями, зачастую более дорогостоящими и менее безопасными по экологическим требованиям, способствует, в конечном счете, увеличению себестоимости продукции, ухудшению экологической ситуации в литейных цехах.
Таким образом, разработка новых методов снижения остаточной прочности ЖСС (улучшение выбиваемости) можно рассматривать как важное направление в совершенствовании технологических процессов в литейном производстве, способствующих повышению производительности труда и качества отливок.
Целью диссертационной работы является обобщение накопленного опыта по улучшению выбиваемости ЖСС, разработка и совершенствование методов снижения их остаточной прочности как слособа улучшения
выбиваемости, развитие теоретических представлений о механизме отверждения и разупрочнения связующего компонента в ЖСС. .
Для достижения поставленной цели решались следующие научные и практические задачи:
-
Обобщение и систематизация методов и методик по улучшению выбиваемости на основании изучения отечественных и зарубежных публикаций.
-
Создание новых методик определения выбиваемости для устранения недостатков, свойственных другим методикам, повышения точности измерений.
-
Исследование структуры дисперсной фазы жидкого стекла с силикатным модулем 2,6-2,7.
-
Исследование соединений, образующихся при отверждении ЖСС углекислым газом (СОг-процесс).
-
Разработка новых методов и совершенствование уже применяющихся способов улучшения выбиваембсти, в частности, за счет использования органических добавок к ЖСС.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
На основании литературных источников обобщены и классифицированы методы и способы улучшения выбиваемости ЖСС, рассмотрено влияние различных веществ и химических соединений на улучшение выбиваемости.
-
Проведен анализ теоретических вопросов твердения ЖСС.
-
Изучены физико-химические превращения в ЖСС при нагревании.
-
Рассмотрен механизм отверждения ЖСС под действием углекислого газа и повышенных температур.
-
Установлены новые твердые фазы и определена структура силикатов натрия в жидком стекле с модулем 2,6 - 2,7 на различных стадиях твердения.
-
Определен механизм снижения остаточной прочности жидкостекольных смесей при воздействии на них воды.
-
Разработаны методические рекомендации по применению органических соединений в качестве разупрочняющих добавок к ЖСС.
Практическая ценность работы заключается в разработке методики улучшения выбиваемости ЖСС за счет обработки их водой, в применении новой универсальной добавки, способствующей улучшению прочностных и технологических качеств жидкостекольных смесей. Добавка прошла опытно-промышленные испытания на предприятиях г. С. -Петербурга, которые подтвердили эффективность ее применения.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
1. Отверждение жидкостекольных смесей углекислым газом на начальных стадиях связано со снижением электрокинетического потенциала (дзета-потенциала) на поверхности мицелл силиката натрия, что обусловлено адсорбцией на их поверхности молекул СОг. Снижение электрокинетического потенциала на поверхности мицелл приводит к агрегации коллоидной системы.
2. Механизм отверждения ЖСС сушкой аналогичен механизму отвержде
ния при СОг-процессе. В основе и того, и другого способов отверждения лежит
апэегация коллоидных частиц за счет снижения дзета-потенциала (в данном
случае за счет удаления воды). В дальнейшем осуществляется, в зависимости от
условий, кристаллизация (если процесс идет без нагревания) или поликонденса
ции силикатов (при повышенных температурах).
-
Твердой фазой в натриевом жидком стекле с силикатным модулем 2,6-2,7 является цепочечный силикат натрия со структурой аналогичной структуре минералов пнроксеноидов (общая химическая формула- Naio[SisOis]»).
-
Основным компонентом, связывающим зерна огнеупорной основы при отверждении ЖСС сушкой и углекислым газом, являются силикаты натрия, образование карбонатов натрия в ЖСС происходит лишь при определенных условиях. Силикаты натрия в ЖСС растворимы (в различной степени) в воде.
-
Вода растворяет силикаты натрия, что приводит к перераспределению связующей массы в объеме смеси и снижению ее прочностных свойств.
-
Силикаты натрия в ЖСС практически теряют способность к растворению при температурах прогрева свыше 800 С, что объясняется перестройкой последних (из цепочечных в слоистые), удалением конституционной воды, уплотнением их структуры и процессами спекания.
-
Основным разупрочпяющим фактором при использовании органических соединений в качестве разупрочнягощих добавок является осаждение на поверхности зерен огнеупорной основы блестящего углерода, который выделяется при термодеструкции. Термодеструкция органических соединений в формах и стержнях происходит практически без доступа кислорода, а основным источником блестящего углерода в данном процессе является газовая фаза.
Применение органических соединений, дающих при термодеструкции большой выход блестящего углерода (например, на основе стирола), оказывается при определенных условиях (недлительном высокотемпературном прогреве ЖСС) эффективным средством улучшения выбиваемости.
.Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, списка литературы и приложений. Материалы работы изложены на 186 страницах машинописного текста, содержат 15 таблиц, иллюстрированы 34 рисунками. Список литературы содержит 241 наименование. Имеются приложения на 24 страницах.