ИССЛЕДОВАНИЕ,  РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВО ЛИТЕЙНЫХ ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНЫХ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СВЯЗУЮЩИХ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ (12.10.2009)

Автор: Дмитриев Эдуард Анатольевич

- коэффициент теплообмена между керамической формой и песком.

С учетом начальных и граничных условий задачи разработан алгоритм решения задачи и компьютерная программа.

Необходимые для расчетов свойства оболочек, полученных методом электрофореза, в зависимости от температуры и используемого связующего получали экспериментально. В качестве связующих были отобраны: жидкое стекло, фосфат магния и магний-алюмофосфатное связующее.

Модуль сдвига G образцов оболочек в зависимости от связующего и температуры определялся посредством их консольного нагружения в процессе нагрева, при этом измерялась величина деформации образцов в зависимости от температуры. По полученным значениям деформаций образцов в зависимости от используемого связующего и температуры рассчитывался модуль Юнга и модуль сдвига G для каждой серии образцов в зависимости от температуры.

Коэффициент линейного расширения керамических образцов вычислялся с помощью программы Proteus Analysis (NETZSCH) по результатам дилатометрических исследований на приборе DIL 402 PC (NETZSH).

При моделировании толщину ОФ условно разбили на 4 равных слоя, и в дальнейшем изменение напряжений и деформаций контролировали на границах этих слоев.

С помощью математической модели исследовались два режима нагрева и прокаливания: 1) нагрев ОФ при помещении ее в разогретую до 800 0С печь; 2) нагрев ОФ вместе с печью со скоростью 50 0С/мин.

Сопоставляя данные о градиентах температур между условными слоями ОФ и расчетное распределение напряжений в слоях формы (рис. 11 а), было замечено, что максимальные напряжения в форме возникают не во время максимального градиента температур, а несколько позже. Достижение максимума напряжений происходит при температурах, соответствующих температурам фазового перехода кварца. При моделировании плавного нагрева электрофоретической ОФ были получены расчетные распределения напряжений в электрофоретической ОФ (рис. 11 б), которые изменяются практически с той же закономерностью, что и напряжения в ОФ, нагреваемой в горячей печи. Отличия заключаются лишь в величинах полученных напряжений. Так, при нагреве ОФ в горячей печи расчетные максимальные напряжения в ОФ значительно больше, чем максимальные напряжения в ОФ, нагреваемой совместно с печью с заданной скоростью.

Анализ полученных расчетных данных о НДС электрофоретических ОФ во время прокаливания показал, что основными факторами, влияющими на трещинообразование электрофоретических ОФ во время их нагрева и прокалки, являются скорость нагрева ОФ и фазовое расширение кварцевой основы оболочки.

Рис. 11. Распределение напряжений в электрофоретической оболочковой форме. а – при нагревании ОФ в горячей печи, б – при нагревании ОФ в печи со скоростью 50 0С/мин. 1, 2, 3, 4 – условные слои формы

С целью подтверждения заключений, сделанных по результатам расчетов, были проведены исследования температуры нагрева трещинообразование ОФ. Экспериментальные исследования проводились путем визуального наблюдения за электрофоретическими ОФ во время их прокаливания. В результате на всех экспериментальных ОФ, помещенных в горячую печь, через 2 - 2,5 мин (температура формы ? 480 – 510 0С) образовались поверхностные трещины, и впоследствии, при дальнейшем нагреве ОФ эти трещины развивались в сквозные. При экспериментальном нагревании электрофоретических ОФ без опорного наполнителя совместно с печью со скоростью 50 0С/мин было установлено, что, в основном, процесс нагрева и прокаливания происходил без образования трещин в ОФ, за исключением 5– 8 % ОФ, на которых были выявлены сквозные трещины на верхних частях ОФ. Температура их образования 500–510 0С. Таким образом, данные, полученные экспериментальным путем, полностью подтверждают выводы, сделанные на основе расчетных данных.

Моделирование НДС ОФ во время заливки и затвердевания жидкого металла проводилось для оболочек, пропитанных жидкостекольным связующим, магнийфосфатным и алюмо-магнийфосфатным связующими, а также для случая заливки жидкого металла в подогретые до 700 0С и холодные (20 0С) ОФ.

С целью определения граничных условий при решении уравнения теплопроводности во время заливки и охлаждения жидкого металла в ОФ были проведены серии экспериментов, сущность которых заключалась в измерении изменений температур на границе металл-форма и на поверхности оболочки, а также в осевой части отливки во время затвердевания залитого жидкого металла. Причем для экспериментов изготавливались два вида экспериментальных оболочек: оболочки толщиной 8 мм. для заливки жидкого металла в подогретую до 700 0С форму и оболочки с толщиной стенки 15 мм. для заливки жидкого металла в холодную оболочку (20 0С). В экспериментальные оболочки заливали сталь 35Л при температуре 1550 0С.

Расчетное распределение температур в предварительно разогретой до 700 0С оболочковой форме и металле показало, что после заливки металла в форму, происходит резкий скачек температур, в условных слоях формы прилегающих к металлу. За счет небольшого слоя опорного наполнителя, температура наружных слоев оболочковой формы не прогреваются свыше 700 0С.

Напряжения, возникающие во время затвердевания залитого жидкого металла в предварительно разогретую ОФ, пропитанной жидкостекольным связующим показывают, что после заливки формы металлом напряжения во всех условных слоях ОФ сжимающие. В прилегающих к отливке слоям, сжимающие напряжения в первый момент времени, резко возрастают и также резко исчезают за счет плавления связующего.

По мере прогрева ОФ до температур свыше 800 0С напряжения, возникшие в ней, релаксируются за счет перехода разогретых слоев формы в пластичное состояние. В ОФ пропитанных магний фосфатным связующим НДС изменяется практически аналогично изменениям НДС ОФ пропитанных жидкостекольным связующим. За исключением того, что релаксация напряжений в ОФ, пропитанных магнийфосфатным связующим, происходит при более высоких температурах (? 900 – 1000 0С), в силу более высокой температуры плавления магнийфосфатного связующего.

Наибольший интерес, для сравнения с предыдущими результатами расчетов, представляют расчеты распределения напряжений в ОФ пропитанных алюмомагний фосфатным связующим. Алюмомагний фосфатное связующее в отличие от жидкостекольного и магний фосфатного связующего не плавиться. Керамика с таким связующим при высоких температурах не переходит в пластическое состояние, и соответственно не возникает релаксации напряжений во внутренних слоях формы.

Напряжения, возникающие в слоях холодных ОФ, после заливки жидким металлом значительно выше по величине таких же напряжений возникающих при заливке в горячую форму. Высокие напряжения в ОФ возникающие при их заливке жидким металлом, обусловлены возникающим значительным перепадом температур по толщине ОФ, а так же возникающим при температуре ? 600 0С фазовым расширением кварцевой основы ОФ.

В шестой главе представлены сведения об опытно-промышленной апробации и внедрении результатов исследований.

Разработанные составы смесей с жидкостекольно-полимерными связующими были опробованы и внедрены в производство для изготовления литейных стержней формирующих внутренние полости.

Стержни из полученных смесей изготовляли путем ручного уплотнения в деревянных ящиках. Отверждение смесей производили продувкой СО2.

Опытные смеси опробовались при литье отливок из алюминиевых сплавов в условиях ОАО «КнААПО» (г.Комсомольск-на-Амуре), при литье чугунных отливок в условиях ОАО «Завод «Амурлитмаш» (г.Комсомольск-на-Амуре) а так же при литье мелких стальных отливок из стали 110Г13Л в условиях ООО «Амурский судостроительный завод – Металлург» (г.Комсомольска-на-Амуре).

Опытно-промышленные испытания смесей с солевыми связующими с последующим их внедрением в производство, проводились на участке износостойкого чугуна завода ОАО «Завод Амурлитмаш» (г.Комсомольск-на-Амуре) и на участке алюминиевого литья завода ОАО «КнААПО» (г.Комсомольск-на-Амуре).

Для производства отливок из износостойкого чугуна на заводе ОАО «Завод Амурлитмаш» использовали стержневые смеси с связующим СФП -011 , отверждаемые в горячих ящиках. Заводская смесь имела следующие характеристики: прочность после теплового отверждения при температуре 250 0С – 2,5 МПа на разрыв, газопроницаемость 120 ед. После затвердевания отливки смесь полностью разупрочнялась за счет деструкции связующего.

Несмотря на высокие характеристики используемой, в производстве, песчано-смоляной смеси, существенными ее недостатками являлись низкая экологичность, невозможность повторного использования в технологическом процессе кварцевого песка. Все это достаточно серьезно сказывалось на себестоимости отливок.

Так, по данным замеров на участке износостойкого чугуна при использовании песчано-смоляных стержневых смесей обнаружено превышение ПДК по: фенолу в 8 – 12 раз, формальдегиду в 5 – 7 раз, аммиаку в 3 раза, окиси углерода в 2 раза.

Опытно-промышленные испытания с последующим внедрением в производство ОАО «Завод Амурлитмаш» стержневых смесей с неорганическими солевыми связующими взамен песчано-смоляных смесей оказались весьма актуальным. Переход производства на новую смесь, не потребовал практически ни каких переналадок установок по производству стержней и изменений конструкций стержневых ящиков.

В связи с высокими требованиями по прочности стержней для внедрения в производство было предложено связующее MgSO4 – Na2SO4 (20 %) - фосфат магния (16%). Связующее готовилось в виде водного раствора в соотношении сухие составляющие – вода 1 : 0.9, в холодный период времени при цеховых температурах +10 -12 0С содержание воды в растворе необходимо увеличивать до уровня 1:1 с целью исключения выпадения осадка.

Смесь готовилась в чашечных смесителях путем смешивания песка марки Об2К фракции 0,315 с водным раствором связующего в количестве 9,5 - 10 масс.ч. Время перемешивания смеси составляло 8 – 12 мин.

С целью получения максимальной прочности стержней температуру нагрева стержневых ящиков понижали до 150 – 160 0С. При этом для полного высыхания стержней время сушки увеличили до 10 мин. Приготовленная в заводских условиях смесь с солевым связующим при испытаниях в заводской лаборатории показала прочность на разрыв в среднем 2,0 – 2,1 МПа, газопроницаемость 110 ед.

Смесь с солевым связующим, внедренная в производственный процесс ОАО «Завод Амурлитмаш» используется для получения стержней (рис. 12) применяемых для получения отливок из износостойкого чугуна.

При выбивке отливок из формы стержень полностью удалялся из полости отливки (рис. 13), тонкий слой пригоревшей стержневой смеси легко удалялся после смачивания водой.

После замены песчано-смоляных смесей смесями с солевыми связующими исследования атмосферы участка износостойкого чугуна показали полное отсутствие вредных выделений на участке изготовления стержней, а также значительное улучшение атмосферы участка износостойкого чугуна в целом.

Рис. 12. Стержень изготовленный из смеси песка с связующим MgSO4 - Na2SO4 – фосфат магния

Рис. 13. Полость отливки из износостойкого чугуна сразу после удаления стержня

Разработанные составы суспензий с полимерными стабилизаторами были опробованы и внедрены в производство литейного цеха ОАО «КнААПО». Для более полной стабилизации технологического процесса в условиях серийного и мелко-серийного производства были разработаны и приняты к изготовлению специальные автоматичестие устройства.

Суммарный экономический эффект от внедрения разработанных технологий на указанных предприятиях, составил свыше 230 тыс. руб. в год.

Общие выводы:

Выполненные в диссертации теоретические и практические исследования позволили сделать следующие выводы:

Для существенного улучшения технологических свойств формовочных и стержневых смесей на основе жидкостекольных связующих обосновано использование таких недефицитных и недорогих полимеров, как натриевая соль карбоксиметилцелюлозы, поливиниловый спирт и раствор полистирола в толуоле. Определено оптимальное содержание полимеров в жидкостекольном связующем. Введение в состав жидкостекольного связующего 20-25 % раствора Н-КМЦ в количестве 3-4 масс.ч. позволяет получить максимальную прочность смеси как при отверждении тепловой сушкой, так и в случае продувки СО2. При тепловом отверждении и при отверждении СО2 прочность увеличивается более чем на 50% по сравнению с прочностью обычной жидкостекольной смеси, содержащей 5 масс.ч. жидкого стекла, и достигает в среднем 1,5 МПа на разрыв, при этом вне зависимости от способа отверждения остаточная прочность смесипосле заливки форм жидким металлом со связующим жидкое стекло – Н-КМЦ составляет в среднем менее 0,1 МПа, т.е. практически полностью разупрочняется. Введение в жидкостекольное связующее 20–25 % раствора ПВС в тех же количествах, что и Н-КМЦ, позволяет также увеличить прочность, но при использовании ПВС в случае теплового отверждения прочность увеличивается более чем в 2 раза по сравнению с прочностью обычной жидкостекольной смеси, содержащей 5% жидкого стекла. В случае отверждения СО2 газом прочность также выше, чем в обычной жидкостекольной смеси, и составляет в среднем 1,65 МПа. Остаточная прочность смеси с связующим жидкое стекло–ПВС практически равна нулю и, как в случае с Н-КМЦ, не зависит от способа отверждения смеси. Оптимальной концентрацией при введении раствора полистирола в жидкостекольную смесь является 30%-ный раствор полистирола в толуоле, и оптимальное его содержание в жидкостекольной смеси составляет 3–4 масс.ч. При этом прочность смеси повышается до 1,6–1,75 МПа как при тепловом отверждении, так и при отверждении СО2 газом. Остаточная прочность образцов, изготовленных из смесей с связующим жидкое стекло–раствор ПС, как в случае с Н-КМЦ и ПВС, практически равна нулю.


загрузка...