Смесь для изготовления литейных форм и стержней
Владельцы патента RU 2495731:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) (RU)
Изобретение относится к литейному производству. Смесь содержит шламовый отход производства поливинилхлорида в количестве 97-99 мас.%, содержащий, мас.%: Н2О 50,2; CaSO4·2H2O 12,2; Са(ОН)2 7,2; NaCl 28,2; NaSO4 2,0; NaOH 0,2 и древесные опилки. Связующим в смеси являются кристаллогидраты солей NaCl. Смесь имеет высокие прочностные свойства и легко удаляется из отливок путем растворения связующего в воде. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.
Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано в качестве формообразующего материала для изготовления литейных форм и стержней.
Известны формовочные смеси, содержащие в своем составе органические и неорганические отходы производств. Применение в составе смеси отходов способствует развитию ресурсосберегающих технологий, влечет за собой снижение себестоимости литых заготовок, а иногда и улучшает технологические характеристики формовочных и стержневых смесей (прочность, выбиваемость и др.) в зависимости от природы отхода.
Известна смесь для изготовления литейных форм и стержней, которая включает в себя огнеупорный наполнитель, жидкое стекло и сажесмоляную пульпу-отход при производстве этилена и ацетилена при отмывке пирогаза. Сажесмоляная пульпа вводится в незначительном количестве (0,25-0,75 масс.%). Введение данной технологической добавки позволяет увеличить прочность смеси в сухом состоянии, уменьшить осыпаемость и улучшить выбиваемость смеси из отливок [1]. Известный состав дополнительно содержит продукт взаимодействия кальцийборфосфата с водой, который вводится в смесь в количестве 0,50-0,75 масс.% в целях улучшения санитарно-гигиенических условий в цехе, а также увеличения прочности смеси после тепловой сушки.
Данный состав имеет высокие прочностные показатели после тепловой сушки, однако существует несколько неблагоприятных факторов на пути к использованию данного состава:
1) Сажесмоляная пульпа-отход при производстве этилена и ацетилена - вводится в состав в малых количествах. Тем самым принципы ресурсосберегающих технологий не реализуются в достаточной степени. Использование в составе смеси большего количества отходов производств могло бы дать ощутимый экономический и экологический эффект.
2) Приготовление и использование смеси известного состава сопровождается выделением различных газов. Так, газовыделения наблюдаются при получении продукта реакции кальцийборфосфата с водой - одного из компонентов формовочной смеси. Также при заливке формы жидким металлом под действием высоких температур происходит выгорание компонентов, составляющих сажесмоляную пульпу, следствием чего является ухудшение атмосферы литейного цеха.
3) Присутствие в составе смеси сажесмоляной пульпы ухудшает условия смачиваемости зерен наполнителя жидким стеклом, что приводит к снижению прочностных свойств формовочных и стержневых смесей данного состава. Введение продукта взаимодействия калыцийборфосфата с водой частично нивелирует эти недостатки, однако получение данного продукта усложняет технологию смесеприготовления.
Наиболее близкой к изобретению по достигаемому технологическому результату является смесь, содержащая жидкое стекло (4-6%), скоп - отход целлюлозно-бумажного производства (1-3%), кварцевый песок - остальное [2]. Скоп содержит в своем составе мелко измельченную древесину, которая служит для дополнительного упрочнения формовочной и стержневой смеси за счет мелкодисперсности отхода и достаточного количества жидкостекольного связующего. Данная смесь имеет хорошие технологические характеристики и высокие механические свойства, однако, имея в своем составе в качестве связующего компонента жидкое стекло, отличается затрудненной выбивкой. Добавляемый скоп уменьшает работу выбивки, однако затраты на выбивку жидкостекольных смесей на сегодняшний день остаются более высокими, чем для песчано-глинистых и смесей на органических связующих [3].
Решаемая задача - расширение сырьевой базы формовочных материалов для литейного производства.
Техническим результатом является создание смеси для изготовления литейных форм и стержней, обеспечивающей беспрепятственное ее удаление путем гидравлической выбивки и растворения связующего в воде после заливки и охлаждения формы, а также хорошие санитарно-гигиенические условия труда в рабочей зоне участков смесеприготовления, изготовления и заливки форм и выбивного отделения при, достаточно высоких прочностных характеристиках смеси.
Указанный результат достигается тем, что смесь для изготовления литейных форм и стержней на основе отходов производства содержит шламовый отход, образующийся в результате выделения хлора из поверенной соли при получении поливинилхлорида, и опилки древесные при следующем соотношении компонентов, масс.%:
| Шламовый отход | 97÷99 |
| Опилки древесные | остальное. |
Шламовый отход может иметь следующий состав, масс.%:
| H2O | 50,2 |
| CaSO4·2H2O | 12,2 |
| Ca(ОН)2 | 7,2 |
| NaCl | 28,2 |
| NaSO4 | 2,0 |
| NaOH | 0,2 |
Заявляемое изобретение направлено на создание смеси для изготовления форм и стержней на основе техногенного отхода химической промышленности. Используемый шламовый отход образуется в результате выделения хлора из поваренной соли при получении поливинилхлорида (ПВХ), добываемой на различных месторождениях. В экспериментах по данной заявке использовался вышеприведенный состав.
Помимо перечисленных компонентов, в шламе присутствует кварцевый песок. Это обусловлено спецификой происхождения сырья (из песчано-солевых карьеров). Химический состав шлама и его свойства делают его пригодным для использования в литейном производстве в качестве формообразующего материала. Зернистой основой является песок, а связующее воздействие оказывает сочетание кристаллогидратов солей NaCl и CaSO4. И тот, и другой материал используются в качестве связующих в литейном производстве. Неорганический состав шламового отхода позволит улучшить санитарно-гигиенические условия труда в литейных цехах при изготовлении форм и стержней на его основе, а растворимость основного связующего NaCl в воде позволит существенно уменьшить работу выбивки.
Древесные опилки - отход деревообрабатывающих производств, а также модельных отделений в составе литейных цехов - вводятся с целью улучшения качества поверхности и повышения газопроницаемости форм и стержней. Они являются гигроскопичным материалом, способным вобрать в себя избыточную влагу формовочной смеси. Ввиду специфики связующего NaCl смесь на его основе должна обладать более высокой по сравнению с песчано-глинистыми или жидкостекольными смесями влажностью. Прочность смеси после тепловой сушки на основе связующего такого типа зависит от количества растворенного в ней NaCl при смесеприготовлении. Усредненное количество NaCl в шламовом отходе может составлять до 30%. Экспериментальным путем было установлено, что влажность смеси, необходимая для достижения высокой прочности образца после тепловой сушки, составляет 16÷20%. При такой влажности обеспечивается наиболее полное растворение NaCl в воде и равномерное распределение растворенного связующего в объеме смеси. Однако при приложении усилия прессования к шламовому отходу с такой влажностью происходит выдавливание воды вместе с растворенным в ней NaCl на поверхность формы или стержня. Это, в свою очередь, приводит к образованию поверхностных неровностей и каверн, а также снижает прочностные характеристики смеси (поскольку вместе с удалением воды удаляется и связующая основа). Качество поверхности образцов, изготовленных из шламового отхода без опилок древесных, хуже по сравнению с образцами, изготовленными из песчано-глинистых или жидкостекольных смесей. Введение в состав отхода древесных опилок в количестве 1-3 масс.% позволяет существенно улучшить качество поверхности без критического снижения прочностных характеристик. Дополнительно древесные опилки в составе формовочной смеси на основе шламового отхода позволяют повысить ее газопроницаемость.
Формовочную смесь приготавливают следующим образом.
Исходный шламовый отход очищают от посторонних включений продавливанием через сито с размером ячейки 10 мм в состоянии поставки (во влажном состоянии) либо в сухом состоянии путем дробления в валковой дробилке и просеиванием через сито с ячейкой 3 мм. После определения исходной влажности шламового отхода его рабочую влажность доводят до 16÷20% путем сушки либо размачивания (в зависимости от исходного состояния) и дают отстояться 30÷45 минут с периодическим помешиванием каждые 15 минут. Отстаивание менее 30 минут не обеспечивает равномерного распределения NaCl по объему смеси, а при отстаивании более 45 минут из шламового отхода начинает испаряться влага, и наблюдается выпадение кристаллов NaCl на его поверхности. Оба эти обстоятельства снижают прочностные свойства будущей формовочной смеси. После отстаивания смеси в нее вводятся древесные опилки, просеянные через сито с размером ячейки 3÷5 мм, в количестве 1÷3 масс.%. Смесь перемешивают в бегунах до получения однородной массы, затем подсушивают до влажности 13%, после чего смесь готова к формовке.
Полученная смесь имеет малую живучесть, однако свойства такой смеси легко восстанавливаются путем добавления воды и доведения смеси до рабочей влажности.
Изготовленные из смеси формы и стержни необходимо подвергнуть сушке при температуре ≈300°C в течение 90 минут. После охлаждения они готовы к использованию. Формы и стержни, изготовленные из такой смеси, способны сохранять приобретенную после сушки прочность в течение нескольких недель.
Составы смесей приведены в таблице 1. Физико-механические свойства указаны в таблице 2. Помимо физико-механических свойств при помощи индикаторной лакмусовой бумаги был определен водородный показатель (рН) составов смесей. Он составил 7,0, что говорит о нейтральной среде составов.
Пример.
Указанным способом приготавливались составы смеси, приведенные в таблице 1. После приготовления составов из них были изготовлены образцы для проведения различных испытаний. Контролировались следующие физико-механические свойства смесей:
1) предел прочности на сжатие во влажном состоянии;
2) предел прочности на сжатие в отвержденном состоянии после тепловой сушки;
3) предел прочности на разрыв в сухом состоянии.
Работа выбивки на данных образцах не оценивалась, поскольку удаление формовочных и стержневых смесей такого типа осуществляется растворением связующего в воде.
Предел прочности на сжатие во влажном и отвержденном состоянии определялся по методикам ГОСТ 23409.7-78 на стандартных цилиндрических образцах (D=50 mm, h=50 мм). Образцы уплотнялись троекратным ударом груза массой 6,35±0,015 кг, падающего с высоты 50±0,25 мм.
Для сравнения физико-механических свойств смеси в таблице 2 приведен состав смеси №4 прототипа, которая содержит, масс.%:
Жидкое стекло - 6;
Скоп - отход целлюлозно-бумажного производства - 3;
Кварцевый песок - 91.
Наиболее важными свойствами являются прочность смеси на сжатие и растяжение в отвержденном состоянии, т.к. именно сухая поверхностная и объемная прочность обеспечивают сохранение целостности форм и стержней при заливке формы и во время формирования отливки в ней. При определении прочности на сжатие в отвержденном состоянии каретка измерительного прибора останавливалась на максимальном для прибора значении 2,2 МПа. При этом полного разрушения образца не происходило. Уровень прочности на сжатие в сухом состоянии значительно выше аналогичного показателя для песчано-глинистых смесей, и несколько ниже сухой прочности на сжатие для жидкостекольных смесей. Однако такая прочность является достаточной для предотвращения разрушения литейной формы или стержня при транспортировке и заливке.
Для испытаний прочности на разрыв в отвержденном состоянии образцы-«восьмерки» изготавливались по методике ГОСТ 23409.7-78. Полученные значения такой прочности сравнимы с аналогичной прочностью жидкостекольных смесей.
Оптимальное содержание опилок в смеси находится в пределах 1÷3%. При содержании опилок в смеси менее 1% наблюдается недостаточное качество поверхности смеси и ее пониженная газопроницаемость. Увеличение содержания древесных опилок более 3% не приводит к существенному изменению физико-механических свойств предлагаемой смеси. Однако повышенное содержание опилок уменьшает содержание свободной воды в смеси (опилки вбирают в себя влагу), и, как следствие, ухудшает формуемость смеси. Образцы, изготовленные из смеси с содержанием древесных опилок более 3%, имеют худшее качество поверхности, чем предлагаемые составы, приведенные в таблице 1.
Преимущество предлагаемого состава состоит в том, что, имея во время заливки и выбивки формы прочность, близкую к жидкостекольным смесям, он обеспечивает значительно более легкую выбивку за счет быстрого растворения связующего NaCl в воде. Выбивка может быть организована либо путем погружения готовых отливок, извлеченных из опок, в воду (безнапорная выбивка), либо воздействием на отливки струей воды под промышленным давлением (3÷5 МПа). При этом на стальных отливках не наблюдается слоя пригара формовочной смеси предлагаемого состава. Помимо этого, в состав смеси входят лишь отходы, что позволяет говорить о низкой ее стоимости. Кроме того, использование техногенных отходов для изготовления формовочных и стержневых смесей способствует уменьшению загрязнения окружающей среды и организации безопасной технологии.
| Таблица 1 | |||
| Ингредиенты | Состав смесей, масс.% | ||
| №1 | №2 | №3 | |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Шламовый отход производства поливинилхлорида | 99 | 98 | 97 |
| Древесные опилки | 1 | 2 | 3 |
| Таблица 2 | ||||
| Физико-механические свойства | Состав смесей, масс.% | |||
| прототип (пример №4) | №1 | №2 | №3 | |
| Предел прочности на сжатие во влажном состоянии, МПа | 0,06 | 0,06 | 0,07 | 0,08 |
| Предел прочности на сжатие в отвержденном состоянии, МПа | 2,2 | 1,82 | 1,82 | 1,82 |
| Предел прочности на разрыв в отвержденном состоянии, МПа | 0,3 | 0,08 | 0,1 | 0,12 |
Из таблицы 2 видно, что предел прочности на сжатие во влажном и отвержденном состоянии соответствуют прототипу; предел прочности на разрыв в отвержденном состоянии хотя и несколько ниже, чем у прототипа, однако позволяет избежать разрушения форм и стержней при заливке и транспортировке.
Источники информации:
1. Пат. РФ №2202438, МПК7 B22C 1/02. Состав смеси для изготовления литейных форм и стержней. - опубл. 20.04.2003.
2. Пат. РФ №2405648, МПК B22C 1/18. Смесь для изготовления литейных форм и стержней. - опубл. 10.12.2010.
3. Алиев, Д.О. Исследование механизма формирования прочности жидкостекольных смесей и разработка состава жидкостекольной смеси улучшенной выбиваемости: Дис.… канд. техн. наук: 05.16.04 / Алиев Денис Олегович - Волгоград, 2004. - 170 с. РГБ ОД, 61:04-5/1407.
1. Смесь для изготовления литейных форм и стержней на основе отходов производства, отличающаяся тем, что в качестве отходов производства она содержит шламовый отход производства поливинилхлорида и опилки древесные при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Шламовый отход | 97-99 |
| Опилки древесные | Остальное |
2. Смесь для изготовления литейных форм и стержней по п.1, отличающаяся тем, что шламовый отход имеет следующий состав, мас.%:
| Н2O | 50,2 |
| CaSO4·2H2O | 12,2 |
| Са(ОН)3 | 7,2 |
| NaCl | 28,2 |
| NaSO4 | 2,0 |
| NaOH | 0,2 |
