Анализ методов улучшения жидкостекольных смесей

Содержание

cтр.

Введение	4
1. Улучшение выбиваемости жидкостекольных смесей	8
1.1. Состояние вопроса	9
1.2. Определение выбиваемости	12
1.3. Изменение работы выбивки смеси в зависимости от температу- ры нагрева	14
1.4. Влияние неорганических добавок:	23
1.4.1. Глины	24
1.4.2. Шамота	25
1.4.3. Боксита	26
1.4.4. Мела	28
1.4.5. Окиси магния	28
1.4.6. Доменного шлака	30
1.4.7. Фосфорита	31
1.5.Влияние органических добавок	31
1.6.Влияние «хрупкой» усадки	33
1.7.Влияние ускоренного охлаждения	34
1.8.Влияние количества жидкого стекла	35
1.9.Влияние модуля жидкого стекла	36
2. Улучшение выбиваемости жидкостекольных НСС	37
2.1.Изменение прочности жидкостекольных наливных самотвердею- щих смесей (НСС) в зависимости от температуры нагрева	38
2.2.Влияние усадки отливки на выбиваемость жидкостекольных НСС	41
2.3.Влияние неорганических добавок на выбиваемость жидкостекольных НСС	41
2.4.Влияние органических добавок на выбиваемость жидкостекольных НСС	43
3. Выбиваемость ЖСС с жидкими отвердителями	50
3. 1.Выбиваемость ЖСС с ацетатом этиленгликоля	51
3. 2.Выбиваемость ЖСС с жидким кремнийорганическим отвердителем	55
Выводы	59
Список использованной литературы	61

1.Введение

Жидкостекольные смеси начали применять в литейных цехах с 50-х годов и за короткий период времени они по­лучили широкое распространение в нашей стране и за рубежом, чему способствовала универсальность смесей, т. е. примени­мость одних и тех же составов для изготовления форм и стержней, использование их при производстве отливок из стали, чугуна и цветных сплавов. Универсальность смесей выразилась также в их применимости при единичном, мел­косерийном, серийном и массовом производствах отливок.

Вначале жидкостекольные смеси упрочнялись кратковре­менной тепловой сушкой или за счет продувки СО . Эти смеси имели повышенное содержание жидкого стекла (ЖС), вследствие чего выбиваемость форм и стержней по сравнению с выбиваемостью песчано-глинистых и других сме­сей резко ухудшилась, что послужило одной из причин вы­теснения с 70-х годов жидкостекольных смесей смесями с синтетическими смолами. Такая замена при отсутствии ав­томатизированных технологических циклов привела к ухуд­шению санитарно-гигиенических условий труда в литейных цехах и нерациональному использованию материальных ре­сурсов — смол, необходимых в других отраслях народного хозяйства.

Работами, выполненными в нашей стране и за рубежом, показана возможность повышения связующей способности ЖС и на этой основе разработаны новые виды смесей с по­ниженным содержанием его. Отличительной особенностью жидкостекольных смесей нового поколения является низкое содержание связующего, что в значительной мере устраняет недостаток традиционных смесей—затрудненную выбивае­мость из отливок и облегчает их регенерацию. Продолжающиеся ис­следования в этом направлении подчеркивают актуальность проблемы и неисчерпаемые возможности дальнейшего по­вышения технологических свойств жидкостекольных смесей.

Из жидкостекольных смесей, упрочняющихся в оснастке, наибольший интерес представляют смеси, отверждаемые с помощью СО, что обусловлено их высокой живучестью и скоростью упрочнения, нетоксичностью, простотой приго­товления и применения смеси, универсальностью. Однако существенное улучшение выбиваемости жидкоподвижных и пластичных жидкостекольных холоднотвердеющих смесей, разработанных в нашей стране в середине 60-х годов, спо­собствовало сокращению области применения смесей, от­верждаемых с помощью СО.

Исследования, проведенные в последние годы, свидетель­ствуют о возможности снижения расхода ЖС в смесях, от­верждаемых СО, за счет ввода добавок в ЖС или в авто­клавы при варке силкат-глыбы, т. е. путем модифицирова­ния связующего. Эффективными модификаторами ЖС явля­ются основные фосфатные соли натрия, например, триполифосфат натрия, полифосфаты натрия, триэтилфосфат и др.

Модифицирование ЖС с помощью фосфатов позволяет уменьшить содержание его в смеси при одновременном уве­личении прочности, уменьшении осыпаемости и снижении работы выбивки смеси. Последнее объясняется возгонкой ок­сидов фосфора в диапазоне температур 400...780 °С, нару­шающей сплошность силикатных пленок и образованием ту­гоплавких силикофосфатов, предотвращающих спекание сме­си. Полифосфаты натрия являются универсальными модифи­каторами ЖС и их влияние на исходную и остаточную прочность жидкостекольных смесей, отверждаемых СО и феррохромовым шлаком, аналогично.

Эффективными модификаторами ЖС являются поверх­ностно-активные вещества (ПАВ), способствующие по­вышению когезионной прочности связующего, равномерному распределению на зернах наполнителя и более полному его отверждению. Применение ЖС, модифицированного ПАВ, позволяет уменьшить расход связующего в смеси и в 1,5— 2 раза улучшить выбиваемость смеси из отливок. В каче­стве ПАВ используют полиакриламид, ДС-РАС, стеарат каль­ция, технический диспергатор НФ и др. Ввод в связующее диспергирующей добавки существенно изменяет пористую структуру геля за счет образования на глобулах защитного адсорбционного слоя, способствующего уменьшению внутренних напряжений, в пленках связующего, и, сле­довательно, повышению прочности смеси. Благодаря этому содержание ЖС может быть снижено до 2...3 масс. ч, при прочности смеси. >1. MПa.

Эффективными способами повышения связущей способно­сти ЖС являются, также обработка его в процессе моди­фицирования с помощью переменного электрического поля, приготовление ЖС «мокрым» способом с использованием. алюминиевой стружки, предварительная обработка ЖС СО, добавка к ЖС гексамстилентетрамина и др.

В качестве добавок, улучшающих выбиваемость жидкостекольных смесей, предложена большая группа веществ, содержащих алюмосиликаты (отработанный катализатор ИМ-2201).

Приведенные сведения о путях повышения технологиче­ских свойств жидкостекольных смесей, отверждаемых СО, показывают перспективность расширения объемов их приме­нения.

Улучшение выбиваемости жидкостекольных смесей достиг­нуто с помощью отверждаемых порошкообразных веществ (феррохромового шлака, нефелинового шлама и др.). Так, Челябинский политехнический институт рекомендует вво­дить в ЖС вещества с ненасыщенными связями, например сульфит натрия, Киевский политехнический институт — дис­пергированные фенолоформальдегидные смолы новолачного типа. Такие смеси относятся к легковыбиваемым и хорошо зарекомендовали себя при производстве отливок из алюмини­евых, медных и черных сплавов.

Большой опыт работы за рубежом и меньший в нашей стране накоплен по пластичным жидкостекольным смесям, отверждаемым сложными эфирами. В качестве эфиров предпочтение отдается ацетатам этиленгликоля, поскольку их производство базируется на доступном сырье, невысокой стоимости, и смеси легко регенерируются. Ряд предприятий опробовали эфиры производства Польши и Болгарии и подтвердили целесообразность применения сложноэфирных отвердителей из класса ацетатов этиленгликоля.

ВНИИлитмашем осуществлен перевод жидкостекольных сме­сей с эфиром в жидкоподвижное состояние за счет совмест­ного ввода ДС-РАС и синтамида-5. Применение комплекс­ного пенообразователя для смесей с жидким отвердителем, а также для смесей с феррохромовым шлаком повышает текучесть, живучесть и прочность смеси, поэтому содержа­ние ЖС уменьшается до 5 масс. ч.

Заслуживают внимания работы НПО «ЦНИИТмаш» по применению жидких кремнийорганических полимеров и ор­ганических мономеров, позволяющих сократить расход ЖС до 1...3 масс. ч.

Целью данной работы является анализ литературных источников и выявление методов улучшения выбиваемости жидкостекольных смесей из отливок.

1.Улучшение выбиваемости жидкостекольных смесей

1.1.Состояние вопроса

 

Выбивка из отливок стержней, изготовленных из смесей с жид­ким стеклом, вызывает большие затруднения.

В специальной литературе и в практике литейного производ­ства часто встречаются противоречивые мнения.

На одних заводах стержни легко выбиваются из отливок, на других трудоемкость выбивки стержней после перехода из смеси с жидким стеклом возрастает; на третьих выбивка оказалась столь затрудненной, что создались серьезные осложнения в ис­пользовании современных механизированных средств удаления стержней — в первую очередь гидравлической выбивки. В целях преодоления возникших затруднений в нашей стране и за рубежом было проведено множество работ по улучшению выбивки стержней.

Была проверена эффективность огромного количества разно­образных добавок органического и неорганического происхожде­ния[10].

В нашей стране было проверено влияние на условия выбивки стерж­ней: древесного и каменного угля, кокса, черного и серебристого графитов, древесного пека, битума, нефтяных масел, патоки, декстрина, сульфитно-спиртовой барды, пульвербакелита, МСБ, древесной муки и опилок, глины, цемента, мела, извести, шамота, магнезита, фосфорита и других.

Те же, а также и другие добавки (например, сахар, нафталин, железная окалина, патентованные добавки и пр.) проверялись в зарубежных работах.

В большинстве случаев рекомендации сводились к введению в смеси небольшого количества органических добавок.

В одних случаях введение этих добавок действительно было эффективным, а в других оказывалось бесполезным.

Отсюда различными специалистами одни и те же добавки оце­ниваются иногда диаметрально противоположно. Как это пока­зано ниже, причина столь разноречивых суждений заключается в различных условиях работы стержней в форме. Уже простой перечень применявшихся добавок, совершенно различных по своей природе и свойствам, показывает, что упомянутые выше работы проводились главным образом эмпирически.

Некоторые исследователи исходили из представлений о необ­ходимости вызвать разрушение прочной пленки жидкого стекла, цементирующей отдельные зерна кварцевого песка, при помощи разнообразных добавок главным образом органического проис­хождения.

Эти опыты не дали решения проблемы, что, конечно, не исклю­чило возможности в отдельных случаях улучшения выбиваемости стержней из отливок. Позднее, когда исследователи и производ­ственники убедились, что достигнуть положительных результа­тов по облегчению выбиваемости можно, лишь внеся ясность в сложные процессы, которые протекают в смесях с жидким стек­лом при их заливке металлом, начали появляться систематические исследования по этому вопросу.

Многие специалисты оценивали выбиваемость смеси по пределу прочности при сжатии образцов, подвергнутых нагреву до вы­соких температур, а затем охлажденных. В подавляющем боль­шинстве работ нет объяснений увеличению прочности образцов при их предварительном нагреве до одной температуры и умень­шению прочности при нагреве до другой.

В тех случаях, когда объяснения даются, они носят противо­речивый характер, так как связываются с различными темпера­турами и не подтверждаются экспериментальными данными.

Л. Петржела отмечает, что смеси, продутые CO, легче выби­ваются из отливок, чем смеси, подвергнутые тепловому высушиванию, вследствие меньшего содержания жидкого стекла и «в связи с уменьшением прочности гидрогеля под действием тем­пературы».

В докладе на 24-м конгрессе литейщиков Л. Петржела привел другие соображения, указав, что решающее значение имеет химическая реакция между продуктами разложения ще­лочного силиката, т. е. реакция между гидратированной крем­невой кислотой и карбонатом натрия, или дальнейшая реакция образовавшегося силиката с кристаллическим кварцем:

SiOpНО + NаСО == Na SiO + СO+ рНО.

В работе отмечается, что трудность выбивки опреде­ляется содержанием щелочей. Чем меньше Nа0, тем легче вы­бивка. Минимальную прочность имеют образцы, предварительно нагретые до 600—700° C, а максимальную при 100—200º C и 800—900° С.

Л. Петржела считает, что образование стекловидной пленки является главной причиной спекания стержней и форм и ухудше­ния выбиваемости. Прочность стекловидной пленки можно умень­шить добавлением горючих порошкообразных веществ, например каменноугольной пыли, древесных опилок, молотого кокса, гра­фита и т. п. Добавление таких органических веществ как сахара, канифоли, смол и т. п. не приносит никакой пользы.

Условиям выбиваемости стержней из отливок посвящены работы: Аттертона, Нилда и Эпштейна, Тэйлора, Бэмера, Шумахера, Герстманна, Ле Серва и Сегро и других.

Во многих английских, американских и немецких работах рекомендуется введение сахара, который растворяется в жидком стекле, не вызывая его коагуляции.

Указывается, что он нейтрализует щелочность силиката и тем самым обеспечивает смесям с жидким стеклом такую же выбивае­мость, как песчано-масляных смесей.

Исследования других авторов приводят к противоположным выводам, в которых отмечается, что добавка сахара еще более затрудняет выбивку.

Петржела, изучив жидкое стекло с патентованными добавками, сообщил, что оно содержит чаще всего растворенные углеводы (сахар) или синтетические смолы, которые снижают прочность после продувки CO, что вызывает необходимость увеличения в смеси жидкого стекла и тем самым ухудшает выбиваемость стержней из отливок. Он пришел к выводу, что так называемые специальные связующие вещества заграничного происхождения не имеют каких-либо преимуществ перед стандартными жидкими стеклами, и их рекомендации преследуют прежде всего коммер­ческие цели.

Старр, рекомендуя введение в смеси сахара, в то же время пессимистически оценивает перспективы улучшения выбиваемости смесей с жидким стеклом, так как, по его мнению, создаются именно те условия, которые явились неразрешимой проблемой использования щелочных силикатов в литейном производстве.

Систематические исследования общих закономерностей усло­вий выбиваемости смесей с жидким стеклом были проведены в нашей стране в лаборатории Старо-Краматорского машиностроительного завода, а за рубежом во французском техническом центре литей­ной индустрии.

В результате исследований, проведенных на СКМЗ Г. А. Равичем и О. М. Алешечкиной, было установлено, что образцы из смесей кварцевого песка с жидким стеклом имеют два максимума прочности при предварительном нагреве до 200 и до 1000° С и два минимума — в интервале 500—800° C и выше 1250° С.

Главная заслуга Г. А. Равича и О. М. Алешечкиной заклю­чается в том, что они на основании тщательно проведенной экспе­риментальной работы опровергли существовавшее мнение и до­казали, что выгорающие органические добавки не дают эффекта при нагреве стержней до высоких температур и что их введение может быть полезным лишь при нагреве стержней до температур, не превышающих 600—700° С.

Декро и Гогюллон на основании определения прочности образцов на сжатие после их предварительного нагрева отмечают два максимума — при 500° C и при 900—1000° С. Соответственно минимальные прочности найдены ими при 700° C и выше 1000° С.

Декро и Гогюллон пытаются объяснить обнаруженные ими и другими исследователями максимумы и минимумы, соответственно затрудняющие или облегчающие выбивку стержней из отливок. Первый максимум прочности после нагрева до 500° C они объяс­няют высыханием жидкого стекла и началом его спекания. Минимум прочности при 700° C Декро и Гогюллон сначала пытались объяснить быстрым расширением кварца в этом интер­вале температур (переход α-кварца в β-кварц при 575° С), могу­щим вызвать образование трещин между зернами. Однако замена цирконовым песком, не имеющим модификационных изменений в этом интервале температур, дала тот же характер кривой. Также были отвергнуты гипотезы, объясняющие падение проч­ности при 700° C выделением CO из силиката и дегидратацией силикагеля. Поэтому Декро и Гогюллон остановились на пред­положении, что падение прочности при 700° C связано с превраще­ниями бисиликата натрия, кристаллическая форма которого изменяется при 678 и 707° C; при нагреве до этих температур, по их мнению, образуется неоднородная структура, лишенная свя­зующей способности.

Второй максимум при 900—1000° C вызывается тем, что некарбонизированный крепитель становится жидким, начиная с 800° C, и взаимодействует с поверхностью зерен кварца.

Вторым источником прочности является NaО, образующийся в результате разложения силиката углекислым газом. Освобо­ждающийся NaО взаимодействует с кремневой кислотой и обра­зует силикат.

Понижение прочности образцов при температурах выше 1000° C Декро и Гогюллон объясняют переходом NaО из рас­плава силиката в зерна кварца, что способствует более быст­рому превращению кварца в кристобалит, но вызывает в то же время постепенное исчезновение связующего вещества между зернами.

Это явление сопровождается у смесей кварцевого песка с жид­ким стеклом, нагретых до 1300° C, ясно выраженным прекраще­нием спекания, которое может вновь начаться в смесях, нагретых до более высоких температур (свыше 1500° С).

По-видимому, эти соображения кажутся Декро и Гогюллону недостаточно убедительными, так как они приходят к выводу, что минимум прочности после предварительного нагрева образцов до 1000° C трудно объясним.

Вышеприведенное показывает противоречия в эксперименталь­ных данных и мнениях различных авторов. Это свидетельствует о том, что в настоящее время еще недостаточно изучены общие закономерности физико-химических процессов, протекающих при нагреве и последующем охлаждении смесей с жидким стеклом. В частности, не предложены гарантийные меры, обеспечивающие легкую выбивку стержней из отливок.