Способ приготовления формовочного материала для песчано-цементных форм
Владельцы патента RU 2371277:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к литейному производству, в частности к изготовлению песчано-цементных форм. Перед приготовлением формовочной смеси портландцемент подвергают высокотемпературному обжигу. Для этого портландцемент смешивают с диспергированным углем в следующем соотношении, мас.%: портландцемент 97-99; диспергированный уголь 1-3. Эту смесь обжигают в течение 30-55 минут. Обжиг смеси портландцемента с диспергированным углем осуществляют либо при давлении 1,01·105 Па в температурном интервале 850-950°C, либо при давлении 1,33·105 Па в температурном интервале 500-850°C. При обжиге портландцемента происходит разложение гипса, являющегося основным источником газов. Обеспечивается предотвращение образования газовых раковин в отливках из чугуна за счет уменьшения газотворности формовочной смеси в процессе заливки расплава. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам приготовления связующих формовочных материалов для песчано-цементных форм, используемых при литье черных сплавов.
В настоящее время известны способы приготовления цементного связующего для песчано-цементных форм (Патент РФ №2252103, МПК B22C 1/00, «Смесь наливная самотвердеющая для изготовления форм и стержней при производстве отливок по выплавляемым моделям», опубл. 20.05.2005. Бюл. №14).
Согласно предложенному способу портландцемент, поставляемый в литейный цех от изготовителя, поступает на стадию приготовления песчано-цементной смеси без дополнительной подготовки.
В технологическом процессе производства портландцемента на стадии конечного измельчения вводится реагент (гипс) в качестве обязательной добавки для замедления сроков схватывания и повышения прочностных свойств цементного камня. При заливке чугуна поверхность литейной формы в местах, непосредственно контактирующих с массивными частями отливки, прогревается до температуры заливаемого металла на значительную глубину. В зоне контакта «металл-форма» углерод, содержащийся в расплаве, взаимодействует с гипсом цементного связующего, в результате происходит выделение значительного количества газообразных продуктов, что является причиной образования газовых раковин на поверхности чугунных отливок. Реагент, гипс, содержащийся в цементном связующем, оказывает влияние на кинетику гидратации, блокируя гидратацию алюминатных фаз и интенсифицируя образование гидросиликатных фаз, вносящих основной вклад в синтез прочности цементного камня. Избыточно высокая прочность форм делает выбивку отливок затруднительной. При изготовлении форм на цементном связующем вводится нитрат алюминия, который ускоряет схватывание и уменьшает остаточную прочность песчано-цементной формы только за счет подавления действий гипса на процессы структурообразования цементного камня. При этом гипс остается в системе в исходном состоянии и способен активно взаимодействовать с компонентами металлического расплава. Для устранения существующих недостатков цементного связующего при литье чугуна в песчано-цементные формы, необходима его предварительная подготовка для удаления гипса.
Наиболее близким по технической сущности является способ приготовления формовочных материалов для изготовления оболочковых форм. Способ предусматривает прокаливание материалов в окислительной среде при 900-950°C с целью удаления железа и органических примесей. (Литье по выплавляемым моделям. / Под ред. Я.И.Шкленника, В.А.Озерова М.: Машиностроение, 1984, с.188-189). Такой режим прокаливания не позволяет удалить гипс из состава портландцемента и не улучшает его технологические свойства.
В основу изобретения положена следующая техническая задача - предотвращение образования газовых раковин в отливках из чугуна за счет уменьшения газотворности формовочной смеси в процессе заливки расплава путем разложения на стадии подготовки цементного связующего основного источника выделения газов - гипса, содержащегося в исходном портландцементе.
Указанная техническая задача достигается тем, что в способе приготовления формовочного материала для литья по выплавляемым моделям, включающем высокотемпературный обжиг, согласно изобретению обжиг исходного материала ведут в течение 30…55 минут с использованием реагента, причем в качестве исходного материала применяют портландцемент, а в качестве реагента - диспергированный уголь в следующем соотношении, мас.%: портландцемент 97-99; диспергированный уголь 1-3.
Обжиг смеси портландцемента с диспергированным углем можно осуществить либо при атмосферном давлении 1,01·105 Па в температурном интервале 850…950°C, либо при остаточном давлении 1,33…1,01·105 Па в температурном интервале 500…850°C.
Диспергированный уголь используется в качестве реагента взаимодействия с гипсом, так как углерод является основным источником его разложения. Продуктами реакции могут быть газообразные CО, CO2, SO, SO2, O2, а также твердые вещества оксиды кальция и железа, сульфид кальция. Твердые продукты реакции инертны к компонентам металлического расплава, при этом они не оказывают негативного влияния на связующие свойства портландцемента. Содержание диспергированного угля менее 99 мас.% недостаточно для протекания реакции полного разложения гипса. Содержание диспергированного угля более 97 мас.% не приводит к повышению эффективности подготовки связующего материала, следовательно, увеличение количества диспергированного угля нецелесообразно с точки зрения его нерационального использования. Также нежелательный остаток углерода в формовочной смеси может стать причиной нарушения процесса гидратации в структурообразовании цементного камня.
Время обжига 30…55 минут является оптимальным, так как обработка менее 30 минут не достаточна для полного протекания реакций разложения гипса. Продолжительность обжига более 55 минут становится нерациональной с точки зрения неэкономного расходования электроэнергии.
Обжиг при стандартном давлении 1,01·105 Па является осуществимым, так как не требует дополнительного вакуумного оборудования. При этом условии реакции разложения гипса начинают протекать не ниже температуры 850°C. Увеличение температуры обжига выше 950°C приводит к спеканию зерен цементного связующего и потере его технологических свойств.
Так как реакции разложения гипса при взаимодействии с диспергированным углем идут с образованием газовой фазы, то снижение остаточного давления в системе сдвигает эти реакции в сторону более низких температур. Таким образом, обжиг можно проводить при остаточном давлении 1,33…1,01·105 Па, это позволяет значительно снизить температурный интервал протекания реакций до 500…850°C. В случае остаточного давления менее 1,33 Па возникает опасность возгонки обрабатываемых формовочных материалов и унос пылевидной фракции в вакуумную систему, а также необходимости применения вакуумных устройств более сложной конструкции.
Предлагаемый способ подготовки формовочных материалов для литья по выплавляемым моделям, включающий высокотемпературный обжиг, иллюстрируется следующим примером.
Пример. Портландцемент ПЦ-400 (ГОСТ 10178-85) перед приготовлением формовочной смеси для изготовления песчано-цементных форм подвергают высокотемпературному обжигу. Для этого на 97-99 мас.% портландцемента добавляют диспергированный уголь в количестве 1-3 мас.%, далее компоненты перемешивают для равномерного распределения графита между зернами цемента и усреднения состава. Полученную смесь подвергают высокотемпературному обжигу в течение 30…55 минут. Варианты осуществления предлагаемого способа подготовки портландцемента приведены в таблице.
| Способы подготовки цементного связующего | ||||
| Параметр обработки | Показание параметров обработки в способах | |||
| 1 | 2 | 3 | прототип | |
| Соотношение диспергированный уголь : портландцемент | 3:100 | 2:100 | 1:100 | - |
| Время обжига, мин | 55 | 45 | 30 | 60 |
| Температура обжига, °C | 950 | 650 | 500 | 920 |
| Остаточное давление, Па | 1,01·105 | 1333 | 1,33 | - |
Для получения сравнительных данных параллельно осуществляли приготовление формовочной смеси без предварительной подготовки цементного связующего.
Подготовленные связующие материалы используют для изготовления чугунной отливки «Воин» массой 42 кг и максимальной толщиной стенки 25 мм в песчано-цементную форму. После отверждения смеси и необходимой выдержки для прохождения процессов гидратации в связующем, формы сушат при 150°C, затем их прокаливают при температуре 550-600°C и заливают чугуном с температурой 1300°C. После остывания формы выбивают, отливки очищают от остатков формовочной смеси и оценивают качество литья. Отливки, полученные без предварительной подготовки цементного связующего, имели 100% брак по газовым дефектам в массивных узлах - на литой поверхности имелись раковины глубиной 2-5 мм, диаметром ⌀1-6 мм. Отливки, полученные в формы на цементном связующем, подготовленном по вариантам 1, 2, 3 заявляемого способа, годные, литейные дефекты отсутствуют.
1. Способ приготовления формовочного материала для песчано-цементных форм, включающий обжиг исходного материала, отличающийся тем, что в качестве исходного материала используют портланд цемент, обжиг его ведут в течение 30-55 мин с использованием реагента, причем в качестве реагента используют диспергированный уголь при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| портландцемент | 97-99 |
| диспергированный уголь | 1-3 |
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обжиг ведут при давлении 1,01·105 Па в температурном интервале 850-950°C.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обжиг ведут при давлении 1,33-105 Па в температурном интервале 500-850°C.
