CC BY
120
Черный А.А., Ковалева А.В., Соломонидина С.И. ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЛИТЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
В литейном производстве с каждым годом увеличивается количество инновационных процессов. Ряд разработок выполнен в Пензенском государственном университете.
Разработан новый способ рафинирования металла[1].
Сущность предложенного способа рафинирования металла заключается в том, что отдельно производят расплавление металла и соли, расплавленную соль, удельной вес которой меньше удельного веса металла в 1,5-10,5 раза, подвергают вибрации и в нее вливают расплавленный металл, причем чем меньше разность удельных весов соли и металла и меньше поверхность контакта соли и металла, тем с большей интенсивностью проводят вибрацию расплавленной соли [1].
Такое сочетание новых признаков с известными позволяет снизить трудоемкость процесса рафинирования металла, получать более чистый металл, улучшать качество металла, снизить энергозатраты и стоимость очистки металла.
Способ осуществляется следующим образом. Плавят соль, например бариевую соль, и отдельно расплавляют металл, например алюминий или алюминиевый сплав. Причем расплавленная соль должна иметь удельный вес меньше удельного веса металла, что и соответствует при использовании бариевой соли и алюминия. Расплавленную соль подвергают вибрации и в нее вливают расплавленный металл. Расплавленная соль, имея меньший удельный вес, чем металл, проходит через расплав металла, очищая металл от неметаллических включений. Вибрация расплава соли повышает эффективность очистки металла от неметаллических включений. После прохождения через металл расплав соли скапливается на поверхности металла, вибрацию расплава прекращают, соль сливают с металла, и очищенный жидкий металл используют для заливки отливок. Этот процесс может быть неоднократным, что приводит к полной очистке металла от неметаллических включений. После использования соль охлаждают, растворяют в воде, удаляют из раствора перешедшие из металла неметаллические материалы, выпаривают воду, сушат очищенную соль, а затем плавят ее и повторно используют для осуществления изложенного выше способа. По извлеченным из раствора соли неметаллическим материалам определяют количество, вид и состав удаленных из металла неметаллических включений.
Выбор интенсивности вибрации расплавленной соли зависит от разности удельных весов расплава соли и очищаемого металла, а также от поверхности контакта расплавленной соли с расплавленным металлом, требуемой степени очистки металла от неметаллических включений. Чем меньше разность удельных весов соли и металла и меньше поверхность контакта соли и металла и чем чище требуется металл, тем должна быть больше интенсивность вибрации расплавленной соли. Удельный вес расплава соли должен быть в 1,510,5 раза меньше расплавленного металла, вливаемого в расплавленную соль.
Осуществляли способ следующим образом.
Производили плавку водорастворимой бариевой соли в тигельной печи и отдельно в другой тигельной печи плавили алюминий. Объем расплава был одинаковый, емкость тиглей была больше двойного объема соли и металла. Температуру расплавов повышали до 800°С, затем включали вибратор, присоединенный к тиглю с расплавом соли, и вливали расплав алюминия в расплавленную соль. После прохождения соли через металл и скопления расплава соли на поверхности металла отключали вибратор и выливали расплав соли вместе с расплавом металла в тигель, в котором плавили алюминий. Далее расплавленную соль сливали с жидкого металла, и металл использовали для заливки отливок. После остывания соль растворяли в воде, удаляли из раствора неметаллические материалы, анализировали их, выпаривали воду, сушили соль, полученную из раствора, снова плавили ее и использовали для процесса очистки алюминия от неметаллических включений.
При использовании предлагаемого способа количество неметаллических включений в металле было в 2-3 раза меньше, длительность процесса рафинирования металла была в 3,5-5 раз меньше, расход электроэнергии на процесс в 1,5-2,6 раз меньше, предел прочности на растяжение очищенного металла в 1,2-1,5 раз выше, чем при рафинировании металла известными способами.
Предлагаемый способ можно применять для рафинирования не только алюминиевых сплавов, но и сплавов, содержащих медь, железо, олово, свинец, никель, хром, серебро, золото, платину и другие компоненты.
Разработан новый способ получения пористых металлических материалов и изделий.
Техническим результатом предложенного способа является упрощение, снижение трудоемкости получения пористых отливок, обладающих теплоизоляционными свойствами, за счет использования недорогих недефицитных газотворных веществ.
Технический результат достигается тем, что в способе получения пористой отливки, включающем плавку материала, добавку в форму газотворного вещества и заливку расплава в форму, в качестве газотвор-ного вещества используют органическое вещество, которое добавляют в форму до начала образования корки расплава, который заливают в форму с перегревом на 50-150 градусов.
При этом согласно изобретению в качестве газотворного органического вещества используют чернозем или ил, или измельченную бумагу, или растительные остатки, или канифоль[2].
Пористые литые изделия, содержащие пустоты в виде газовых раковин и каналов разнообразной формы, можно получить из различных металлических и неметаллических материалов (чугуна, стали, медных, алюминиевых сплавов, силикатных, высокоглиноземистых, стекловидных составов, пластмасс). Форма, размеры, масса литых пустотелых изделий могут быть такими, какие требуются. Количество и состав газотвор-ных веществ, добавляемых в форму, определяются, исходя из требований степени опустошения заливаемого в форму материала, состава расплава, температуры и вязкости его при поступлении в форму, скорости охлаждения залитого материала в форме.
Применение для добавки в форму недорогих, недефицитных газотворных веществ: чернозема, перегноя, торфа, ила, канифоли, измельченных бумаги, древесины, растительных остатков, порошкообразных углеводородов, карбонатов делает предлагаемый способ экономичным и позволяет использовать для процесса отходы или малоценные материалы. Выбор температуры расплавленного материала, при которой расплав поступает в форму, производится с учетом того, что количество теплоты поступающего в форму расплава должно быть достаточным для разложения газотворных веществ и образования необходимого количества газов. До начала образования корки затвердевающего в форме материала температура расплава, поступающего в форму, должна быть выше на 50-150 градусов, чем для условий получения плотной отливки из этого же материала. Под воздействием тепла поступающего в форму расплава разлагающиеся газотворные вещества образуют газы и пары, которые проходят через затвердевающий материал и образовывают поры и пустоты в отливке. Количество выделяющихся газов должно быть таким, чтобы не все газы вышли из отливки, а часть их осталась в виде пузырьков в отливке и образовала многочисленные газовые раковины и пустоты требуемых размеров и в нужных местах в затвердевшем материале. В зависимости от толщины сте-
нок отливки, массы, температуры, вязкости расплава, количества тепла, требуемого на разложение газо-творного материала, производится выбор состава газотворного вещества, количества и размещение его в форме. Газотворные вещества можно добавлять в формовочную смесь, делать из нее облицовку формы, разрушаемой при выбивке отливки или постоянной формы (металлической, огнеупорной).
Получаемые пористые отливки, имея большое количество пустот, приобретают теплоизолирующие свойства и могут иметь высокую (требуемую) прочность (при меньшей массе, меньшем удельном весе по сравнению с такими же плотными отливками). Эти литые изделия можно применять вместо плотных, тяжелых, дорогих огнеупоров в теплообменниках, рекуператорах, регенераторах. Ими можно защищать от холода здания и сооружения. Из них можно делать стены промышленных объектов, детали энергетических
устройств.
Предложенный способ применим для изготовления пористых отливок из стали, медных, алюминиевых, свинцовых сплавов, расплавленного ваграночного шлака, стекла, пластмассы, причем состав и количество газотворных веществ можно менять в широких пределах в зависимости от технических требований к пористости отливок.
Пористые материалы и изделия применимы во многих отраслях: в строительстве, металлургии, машиностроении, в теплотехнике. Перспективны для широкого внедрения пористые металлические материалы и
изделия. Но для практического применения необходимы требуемые свойства, которыми должны обладать пористые материалы, например комплексом свойств - прочностью, твердостью, износостойкостью, или теплоизоляционными свойствами, малым удельным весом, долговечностью, или стойкостью при воздействии влаги, кислот, щелочей. Факторы, которые влияют на свойства пористых материалов, различны и многочисленны, но в большинстве случаев количество факторов может быть от 3 до 5. Следовательно, для совершенствования процессов получения пористых изделий рационально применять математическое моделирование при планировании экспериментов на двух уровнях факторов , когда количество факторов, влияющих
на показатели процесса, может быть от одного до пяти.
Если математические модели, полученные при планировании экспериментов на двух уровнях факторов, не позволяют прогнозировать многофакторные процессы, то можно использовать математическое моделирование при планировании экспериментов на трех уровнях факторов. Компьютерные программы математического моделирования и расчетов по математическим моделям приведены в работе [3].
На основе исследований разработан новый способ получения отливки, включающий изготовление формы и заливку в собранную форму жидкого материала, который отличается от известного способа тем, что поверхностный слой формы выполняют требуемой толщины из зернистого материала, температура плавления которого выше температуры плавления заливаемого материала, в смеси с материалом, температура плавления которого ниже температуры плавления заливаемого материала, а затем заливают в форму жидкий материал, выплавляют им менее тугоплавкий материал между более тугоплавкими зернами поверхностного слоя, связывают затвердевающим материалом тугоплавкие зерна и образовывают на поверхности отливки слой разнородных композиционных материалов[4].
Согласно предложенному изобретению осуществляют нанесение на поверхность модели или на поверхность постоянной формы, например, металлической формы, слой зернистого материала высокой огнеупорности, например, раздробленных высокоглиноземистых огнеупоров, кварцита, циркона, рутила, хромомагнезита, хромита, муллита, шамота, в смеси с материалом низкой огнеупорности, например, легкоплавкими глинами, криолитом, солями, стеклами, легкоплавкими металлами и сплавами в виде порошков. В эти материалы добавляют крепители, которые должны быть легкоплавкими. Материалы поверхностного слоя формы могут быть крупнозернистыми и мелкозернистыми, неметаллическими и металлическими. Зернистость материалов может быть неодинаковой, если это требуется по условиям использования отливок. Толщина слоя, величина, форма зерен и состав могут быть одинаковыми и неодинаковыми в разных местах формы в зависимости от предъявляемых требований. Заливаемый в форму материал может быть металлом или неметаллом, чугуном, сталью, медными, алюминиевыми, титановыми сплавами, расплавленными керамическими материалами и шлаком, а также материалом, который применяется для производства каменного литья. При заливке в форму жидкий материал своим теплом выплавляет менее тугоплавкий материал между более тугоплавкими зернами поверхностного слоя, проникает в образующиеся зазоры между тугоплавкими зернами, затвердевает и прочно связывает эти зерна. На поверхности отливки образуется слой разнородных композиционных материалов. При этом основная часть отливки может иметь высокую механическую и строительную прочность, а поверхностный слой отливки будет защищать металл от воздействия высоких температур и агрессивных сред, будет износостойким.
Такое сочетание новых признаков с известными позволяет упростить получение отливок для химических аппаратов, печей, строительных конструкций, тепловых агрегатов, водопроводов, канализационных устройств.
Предложенный способ является простым по осуществлению, не трудоемким, энергосберегающим, безопасным, экологически чистым.
Выбор материалов для получения поверхностного слоя отливки обусловлен назначением отливки, условиями ее эксплуатации. Если отливка предназначена для работы в условиях высоких температур, то применяются высокоогнеупорные (оксиды кремния, алюминия, титана, хрома, магния) зернистые материалы для получения поверхностного композиционного слоя. Материалом, связывающим зерна, может быть чугун или сталь. При производстве литья из сплавов алюминия зерна поверхностного слоя могут быть в виде битого стекла, гранул шлака, чугунной дроби, а также в виде зерен тугоплавких оксидов, боридов и их смесей. Расплавленные алюминиевые сплавы, выплавляя легкоплавкий материал (криолит, соли) между более тугоплавкими зернами, связывают тугоплавкие зерна, причем в поверхностном слое отливки часть алюминия, может образовывать тугоплавкий оксид алюминия.
Получены и другие патенты на инновационные технологии: патент РФ № 2284976 «Способ получения неметаллической отливки»; патент РФ № 2300442 «Способ получения отливки».
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент № 2292253 Российская Федерация. МПК B22D 25/00. Способ получения литых деталей
[Текст]/Черный А.А., Черный В.А., Соломонидина С.И.; заявитель и патентообладатель Пензенский госу-дерственный университет. - № 2005113640/02, заявл. 04.05.05; опубл. 27.01.07. Бюл. №3. - 4 с.
2. Патент № 2283724 Российская Федерация. МПК B22D 27/18. Способ получения отливки [Текст] / Черный А.А., Черный В.А., Соломонидина С.И., Ковалева А.В.; заявитель и патентообладатель Пензенский государственный университет - № 2005112432/02; заявл. 25.04.05; опубл. 20.09.06. Бюл № 26. - 4 с.
3. Черный А.А. Компьютерные программы математического моделирования и расчетов по математическим моделям: учеб. пособие. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. - 197 с.
4. Патент № 2287022 Российская Федерация. МПК С22В 9/10, С21С 7/076. Способ рафинирования металла [Текст] / Черный А.А., Моргунов В.Н., Соломонидина С.И.; заявитель и патентообладатель Пензенский государственный университет - № 200511103/02; заявл. 15.04.05; опубл.10.11.0 6.Бюл. №31.-3с.
