Разработка холоднотвердеющих экзотермических смесей (ХТЭС) на основе неорганических и органических связующих материалов для отливок из черных сплавов

Экзотермические смеси широко применяются в литейном производстве для обогрева прибылей отливок из различных видов сплавов, повышая эффективность питания отливок и сокращая массу прибылей, тем самым, повышая выход годного литья.

Известные составы экзотермических смесей содержат несколько групп компонентов различного функционального назначения: окисляемые компоненты (алюминиевый порошок, ферросилиций, си-ликокальций и др.) — окислители (железнорудные молотые концентраты, железная окалина, натриевая и калиевая селитры и др.) — наполнители (кварцевый песок, шамотный порошок и другие) — катализаторы (фтористые соединения щелочных металлов) — связующие материалы (огнеупорная глина, декстрин, лигносульфона-ты, жидкое стекло, синтетические смолы и др.).

По принятой производственной практике и установившейся технологии практически все экзотермические изделия получают формовкой их «по-сырому» с последующей тепловой сушкой при температуре 150.200 °С в течение нескольких часов для придания им необходимой прочности и удаления избыточной влаги, что удлиняет цикл изготовления экзотермических оболочек и вставок. В связи с широким применением в последние годы холоднотвердеющих смесей (ХТС) при изготовлении стержней и форм, использование экзотермических смесей с тепловой сушкой создает определенные неудобства в производстве отливок и разрыв технологического цикла в изготовлении отливок с применением ХТС.

Поэтому разработка экзотермических смесей, отверждаемых на воздухе в заданное время и исключающих тепловую сушку, представляется достаточно актуальной задачей.

Возможность получения самозатвердевающих экзотермических смесей открывает перспективу централизованного производства и поставки потребителям готовых экзотермических изделий.

Другой важной задачей решавшейся в рамках настоящей работы являлось исследование использования в составах экзотермических самозатвердевающих смесей наряду с кварцевым песком и шамотным порошком, легковесных наполнителей, существенным образом снижающих плотность (объемный вес) экзотермических изделий, позволяющих придать экзосмесям не только экзотермические, но и теплоизоляционные свойства и снизить расход исходных материалов на их получение.

Из различных видов холоднотвердеющих композиций для приготовления ХТЭС (холоднотвердеющих экзотермических смесей) выбраны две: а) на основе неорганического связующего — жидкого стекла, отвер-ждаемого жидкими сложноэфирными реагентами, как наиболее распространенными и дешевыми из применяющихся в литейном производствеб) на основе органических связующих из числа синтетических смолмалотоксичных щелочных полифенолятов или щелочных фенолформальде-гидных смол резольного типа, отверждаемых комплексными сложноэфирными реагентами.

Целью работы являлась разработка ХТЭС, в том числе смесей с легковесными наполнителями, которые обладали бы комплексом теплофизических свойств, присущих известным экзотермическим смесям и требуемыми технологическими и прочностными характеристиками.

Для приготовления смесей были выбраны известные составляющие экзотермических смесей: алюминиевый порошок, железная руда, калиевая селитра, криолит и различные наполнители с использованием упомянутых выше двух самотвердеющих композиций. При разработке ХТЭС использовались современные методы математического моделирования и планирования эксперимента.

Исследовано влияние различных компонентов и технологических факторов на технологические, прочностные и теплофизические свойства. Разработаны оптимальные составы ХТЭС для обогрева прибылей отливок из черных сплавов с необходимыми свойствами.

Практическая ценность работы состоит в разработке оптимальных составов ХТЭС с заданными технологическими, прочностными и теплофизическими свойствами. Разработанные ХТЭС прошли успешную полупроизводственную и производственную проверку при изготовлении отливок из различных видов сплавов массой от 50 кг до 8 тонн.

Новые экзотермические смеси внедрены в литейном цехе ООО «Ме-талЛитМаш» (г. Коломна, Московская обл.). Работа проведена в ОАО «НПО ЦНИИТМАШ» под научным руководством проф., д.т.н. Борсука П. А. и к.т.н. Белякова А. И.

В проведении экспериментальной части работы творческое участие принимал ведущий научный сотрудник лаборатории Кафтанников А. С.

Общие выводы.

1. В результате проведенных исследований разработаны новые холоднотвердеющие экзотермические смеси на основе неорганических и органических связующих, исключающих тепловую сушку и резко сокращающих цикл получения экзотермических изделий до нескольких часов, для обогрева прибылей отливок из черных сплавов. В качестве неорганического связующего выбрано жидкое стекло, а в качестве отвержающего жидкого отвердителя использованы сложноэфирные отвердители на основе ацетатов этиленгликоля.

Для получения ХТЭС на органической основе использованы новые малотоксичные щелочные фенолформальдегидные смолы, отверждаемые комплексными отвердителями, состоящими из нескольких сложных эфиров.

2. На основе1 изучения и анализа литературных публикаций для разработки новых экзосмесей выбраны известные составляющие: алюминиевый порошок, железная окалина, калиевая селитра, криолит, связующие и различные известные и новые наполнители. Перечисленные составляющие экзотермических смесей относятся к пяти группам компонентов: а) окисляемые (или горючие), б) окислители, в) катализаторы, г) связующие, д) наполнители.

3. Установлено, что качество ХТЭС с точки зрения технологических и физико-механических свойств достаточно полно характеризуется живучестью и кинетикой твердения экзосмесей.

Другие технологические свойства, такие как газопроницаемость, осыпаемость, гигроскопичность имеют второстепенное значение.

При разработке новых ХТЭС за основу были приняты характеристики присущие известным экзотермическим смесям после тепловой сушки: не менее 0,6 МПа через 3 часа твердения и не менее 1,5 МПа через сутки.

4. При разработке составов ХТЭС использовались методы математического планирования экспериментов. Исследование влияния компонентов смеси на технологические (живучесть), прочностные и теплофизические свойства, а также разработка оптимальных составов экзосмесей осуществлялись с помощью обработки экспериментальных данных на ЭВМ с применением математического пакета программ «СТАТИСТИКА».

При этом были получены уравнения регрессии, позволяющие весьма точно описывать влияние различных компонентов на основные свойства смесей.

5. Теплофизические свойства ХТЭС достаточно полно характеризуются температурой воспламенения (to), температурой горения (tmax) и скоростью ГОреНИЯ (Drop).

Для оценки этих характеристик была разработана усовершенствованная методика определения теплофизических свойств, позволяющая определить сразу три параметра (t0, Wx, urop) в отличие от применявшихся ранее методик, в которых эти величины определялись разными методами.

6. Теоретический и экспериментальный анализ известных холоднотвердеющих смесей, изучение кинетики твердения и механизма формирования прочности смесей применительно к условиям получения быстротвердеющих на воздухе экзотермических смесей позволили разработать два новых вида ХТЭС на основе неорганических связующих (жидкое стекло), отверждаемых жидкими реагентами и на основе малотоксичных органических связующих (щелочные фенолоформальдегидные смолы), отверждаемых комплексными сложноэфирными реагентами.

7. Разработанные новые ХТЭС обладают высокими прочностными характеристиками, легкостью отверждения новыми эффективными нетоксичными реагентами, исключающими тепловую сушку изделий, сокращающими цикл их изготовления. Каждая разновидность разработанных ХТЭС может иметь самостоятельную область применения в зависимости от условий производства.

8. Изучен механизм влияния каждого компонента ХТЭС на технологические, прочностные и теплофизические свойства, дано теоретическое обоснование механизма действия и практические рекомендации по стабилизации свойств ХТЭС. Изучено большое количество различных огнеупорных легковесных материалов вводимых в ХТЭС для снижения плотности с целью повышения эффективности их применения.

9. С использованием полученных математических моделей (уравнений регрессии) исследовалось влияние различных компонентов в составах разработанных ХТЭС с жидким стеклом и щелочной смолой на технологические, прочностные и теплофизические свойства.

При этом установлено, что из всех компонентов наиболее сильное влияние на прочностные свойства оказывает содержание и природа связующей композиции. По связующей способности композиция на щелочной смоле превосходит жидко стекольную. Заданные прочностные показатели достигаются при меньшем содержании композиции в 1,5.2 раза) по сравнению с жид-костекольной ХТЭС, не считая других важных преимуществ: легкой выби-ваемости, высокой пластичности.

Заметно сокращает живучесть жидкостекольных ХТЭС только криолит. Регулирование и стабилизация живучести в таких случаях может легко осуществляться соответствующим выбором марки отвердителя или изменением модуля жидкого стекла.

На теплофизические свойства ХТЭС связующие композиции на жидком стекле и на щелочной смоле не оказывают существенного влияния.

10. Разработаны новые составы ХТЭС с легковесными наполнителями на основе жидкостекольного связующего, а также щелочной фенолформальдегидной смолы позволяющих придать экзосмесям не только экзотермические, но и теплоизоляционные свойства, снизив в том числе расход исходных материалов на их получение.

Впервые предложено в качестве наиболее эффективных легковесных материалов использовать алюмосиликатную микросферу, позволяющую снизить.

3 3 плотность экзотермических смесей с 1600. 1700 кг/м до 1130.1150 кг/м и придать экзотермическим смесям не только экзотермические, но и теплоизоляционные свойства. Дано теоретическое обоснование механизма их действия в составах ХТЭС.

Показано, что наиболее эффективное влияние на плотность и свойства ХТЭС оказывает новый легковесный наполнитель — микросфера алюмосиликатная (золосфера), которая может вводиться в экзосмесь до 75−80% объемн. от общего объема наполнителя, снижая плотность смеси до 1130 кг/м при удовлетворительных технологических и прочностных свойствах. Молотый керамзит менее эффективен и может вводиться в смеси он может в меньших количествах.

11. На основании анализа полученных при исследовании результатов проведена оптимизация (оптимальные интервалы содержания компонентов) составов ХТЭС и предложены различные составы экзосмесей на неорганических и органических связующих композициях в зависимости от области их применения (чугунное и стальное литье).

Для практического использования разработана номограмма, по которой по приведенной толщине отливки определяются скорость горения и состав экзотермической смеси в зависимости от типа сплава.

12. Полупроизводственные испытания разработанных ХТЭС проводились на экспериментальной базе ОАО «НПО ЦНИИТМАШ» с изготовлением опытных отливок из чугуна, стали и специальных сплавов.

Производственные испытания и внедрение осуществлялись в литейном цехе ООО «МеталЛитМаш» (г. Коломна). На этом предприятии изготовлялись отливки «Вкладыш» массой 5- 8 тонн из высокопрочного чугуна марки ЧГДШ. Замена обычных необогреваемых прибылей на прибыли с новыми ХТЭС выход годного повысился с 62 до 81%.

Общее количество отливок «Вкладыш» изготовленных с применением ХТЭС составило более 100 штук. Кроме отливок «Вкладыш» литейном цехе ООО «МеталЛитМаш» был изготовлен ряд отливок массой 0,5−2,0 тонны. Усадочных дефектов в изготовленных отливках не наблюдалось.

13. При разработке технологии изготовления отливки «Вкладыш» массой 8 тонн было применено компьютерное моделирование, результаты которого показали, что применение ХТЭС для обогрева прибылей позволяет устранить образование усадочных раковин в теле отливки и повысить эффективность работы прибыли.

14. Новизна разработки защищена патентами на изобретение: а) патент на изобретение № 2 369 461 от 10.10.2009; б) патент на изобретение № 2 369 462 от 10.10.2009.