Высокотехнологичные стержни на жидкостекольном связующем Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

- затраты по простою прокатного стана (средний диапазон длительности простоев составляет 5-8 мин, а один час простоя прокатного стана приводит кзатратам 960 тыс. руб.);

Таким образом, каждое возможное предотвращение поломок валков в будущем может привести к следующей экономии: 1500+40*22+960*0,08 = 2456,8 тыс. руб. Положительным эффектом наличия справочника ЗАО «МРК» по поломкам валков являются:

- накопление собственного опыта в области поломок и дефектов валков применительно к условиям ММК;

- разработка, сбор и систематизация рекомендаций по устранению поломок валков специалистами ЗАО «МРК»;

- индивидуальный подход к изучению условий прокатки различных станов, на которых эксплуатируются валки, изготовляемые в ЗАО «МРК» и предупреждение аналогичных аварийных ситуаций.

Список литературы

1. Прокатка на многовалковых станах / П.И. Полухин, В.П. Полу-хин, А.Ф. Пименов и др. // Металлургия. 1981. 248 с.

2. Теория и технология прокатки: темат. сб. науч. тр. / под ред. В.Г. Дукмасова. Челябинск: ЧГТУ, 1995. 190 с.

УДК 623.19.84.578

К.А. Маслов, И.О. Леушин

ФГБОУВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева»

ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫЕ СТЕРЖНИ НА ЖИДКОСТЕКОЛЬНОМ СВЯЗУЮЩЕМ

В России и за рубежом технология изготовления стержней с использованием жидкостекольного связующего не получила широкого применения в современных литейно-металлургических производствах [1, 2].

Основной причиной этого является затруднённая выбивае-мость жидкостекольных стержней (ЖСтС) - порядка 150-200 кДж,

© Маслов К.А., Леушин И.О., 2011

возникающая вследствие спекания расплавленных натриевых силикатов с жидким металлом в процессе заливки и охлаждения формы. К другим недостаткам ЖСтС можно отнести их невысокую поверхностную прочность (менее 0,1 МПа) и плохую регенерируе-мость смеси. Однако ЖСтС обладают рядом достоинств, к которым относят небольшую стоимость и высокую экологическую безопасность применения.

В связи с этим вопрос о повышении технологичности ЖСтС представляет интерес. В частности, речь идёт о стержнях, получаемых посредством тепловой обработки (сушки), когда упрочнение материала достигается без использования специальных катализаторов, модификаторов и отвердителей, как правило, ухудшающих условия труда из-за вредных газовыделений при изготовлении и применении стержней [3].

Под технологичностью смеси понимают способность смеси формообразовывать внутреннюю полость отливки, отверждаться в определённый период времени, оставаться инертной по отношению к заливаемому сплаву, иметь необходимые податливость, газопроницаемость, хорошую выбиваемость и способность к регенерации, а также быть экологически безопасной.

Традиционно все модификаторы делят на два класса: технологические добавки органического происхождения (ТДОП) и технологические добавки неорганического происхождения (ТДНП).

Особый интерес представляют малозатратные способы решения вопроса, направленные на комплексное улучшение показателей технологичности ЖСтС. В качестве таковых применительно к стальному и чугунному литью в настоящей работе предлагаются варианты:

1) использование ТДОП скопа (скоп - 90-95% Н20; 5-10% органические вещества (мелкие частицы древесины); до 0,5% минеральных примесей) в комбинации с вакуумированием смеси с последующей продувкой С02;

2) использование ТДОП скопа в присутствии ТДНП сильного окислителя (перманганата калия КМп04 или дихромата калия К2Сг207) с продувкой С02;

3) использование ТДНП карбонатов кальция СаС03 и бария ВаС03 в комбинации с СВЧ-обработкой;

4) использование ТДНП алюмокалиевых квасцов с СВЧ-обработкой.

Рассмотрим предложенные варианты.

Вариант 1. Добавление к жидкостекольной смеси скопа и её вакуумирование

Схема упрочнения стержней. Добавление скопа способствует снижению гигроскопичности и повышению поверхностной прочности за счёт того, что скоп своими функциональными группами связывается с гидроксильными поверхностными группами жидко-стекольного связующего через водородные связи, выполняя, таким образом, функции «мостиков», сшивающих молекулы ортокремне-вой кислоты в полицепочки.

Вакуумирование стержня (У-воздействие) способствует снижению количества жидкого стекла в смеси за счёт искусственно создаваемого недостатка связующего в смеси при получении более плотной упаковки зёрен твёрдого огнеупорного наполнителя [4].

Схема разупрочнения стержней. Прогрев стержня со стороны заливаемого расплава приводит к выгоранию ТДОП во всём объёме стержня (термодеструкции) и образованию пустот в крем-некислородном каркасе. Выделяющиеся газы разрыхляют силикатную прослойку (плёнку силикагеля), жёсткий трёхмерный каркас теряет воду и растрескивается.

В итоге за счёт уменьшения жидкого стекла и нарушения однородности каркаса ослабляются когезионные связи, обеспечиваются газопроницаемость, хорошая выбиваемость и регенерируе-мость стержня, необходимые соответственно на стадиях заливки формы и при выполнении финишныхопераций.

Вариант 2. Добавление к жидкостекольной смеси скопа и сильного окислителя

Схема упрочнения стержней. Смешивание компонентов жидкостекольной смеси с окислителем и скопом приводит к равномерному расположению их по всему объёму. При этом скоп располагается по замещенным связям скелета геля кремниевой кислоты и способствует повышению поверхностной прочности (см. вариант 1).

Схема разупрочнения стержней. При прогреве форм и стержней свыше 800°С происходит взаимодействие скопа с окислителем:

а) с образованием глюконовой кислоты, если окислитель слабый;

б) с образованием глюкаровой кислоты, если окислитель сильный (см. рисунок).

Образующиеся кислоты более сильные, чем угольная кислота, поэтому происходит её замещение с образованием менее прочных солей.

Продукты термодеструкции скопа и сильного окислителя образуют С02 и активный кислород, которые способствуют разрушению и взрыхлению кремнекислородного каркаса.

Всё это приводит к образованию пор и трещин, разрушению и взрыхлению смеси. В этом случае уменьшаются когезионные связи и смесь разупрочняется.

Вариант 3. Добавление к жидкостекольной смеси карбонатов и СВЧ-обработка жидкостекольных стержней

Схема упрочнения стержней. Смешивание компонентов жидкостекольной смеси с карбонатами приводит к равномерному расположению их по всему объёму. СВЧ-обработка способствует повышению поверхностной прочности стержня за счёт удаления воды из поверхностного слоя [5].

Схема разупрочнения стержней. Прогрев стержня со стороны заливаемого расплава свыше 900°С приводит к разложению карбонатов во всём объёме стержня и образованию пустот в крем-некислородном каркасе. Выделяющиеся газы разрыхляют силикатную прослойку, жёсткий трёхмерный каркас теряет воду и растрескивается.

В итоге за счёт нарушения однородности каркаса ослабляются когезионные связи, обеспечиваются газопроницаемость, хорошая выбиваемость и регенерируемость стержня, необходимые соответственно на стадиях заливки формы и при выполнении финишных операций.

Вариант 4. Добавление алюмокалиевых квасцов и СВЧ-обработка жидкостекольных стержней

СНгОН

н он

Глкжаровая кислота

Взаимодействие скопа с окислителем

Схема упрочнения стержней. Смешивание компонентов жид-костекольной смеси с алюмокалиевыми квасцами приводит к равномерному расположению их по всему объёму, а СВЧ-обработка стержня способствуют достижению максимальных значений прочности стержней при меньшем времени нагрева за счёт того, что они быстро связывают кристаллизационную воду и вновь её теряют.

Схема разупрочнения стержней. Прогрев стержня со стороны заливаемого расплава свыше 800°С приводит к разложению «жженых квасцов» во всём объёме стержня и выделению активного кислорода. Кислород не только взрыхляет силикатную прослойку, но и взаимодействует с кремнекислородным каркасом с установлением перекисных связей и получение разупрочняющего эффекта. Выделяющиеся газы разрыхляют силикатную прослойку, жёсткий трёхмерный каркас теряет воду и растрескивается.

В итоге за счёт нарушения однородности каркаса ослабляются когезионные связи, обеспечиваются газопроницаемость, хорошая выбиваемость и регенерируемость стержня, необходимые соответственно на стадиях заливки формы и при выполнении финишных операций.

Результаты исследований представлены в таблице.

Отличительные характеристики приёма повышения технологичности Результаты в сравнении сЖСтС, полученными С02-отверждением смеси состава: 100% ЭЮ2, 5% жидкого стекла

Скоп (1-2%) и вакуумирование Повышение поверхностной прочности в 2 раза, газопроницаемости на 30 % и регенерируемое™ в 3 раза, понижение работы выбивки в 3 раза

Скоп (1-2%) и KMnO4 (0,5-1,5%) Повышение поверхностной прочности в 2,5 раза, живучести в 2 раза и регенерируемое™ в 4 раза, понижение работы выбивки в 4,5 раза

Скоп (1-2%) и К2СГ2О7 (0,5-1,5%) Повышение поверхностной прочности в 2 раза и регенерируемое™ в 3,5 раза, понижение работы выбивки в 4 раза

СаСОз (0,5-1%) + Обработка свч (25-35с) Понижение работы выбивки в 2,5 раза, повышение регенерируемое™ в 3 раза

ВаСОз (0,5-1%) + Обработка СВЧ (25-35с)

Al-K - квасцы (0,5-1%) + Обработка СВЧ (25-35с) Повышение поверхностной прочности на 30% и регенерируемое™ в 4 раза, понижение работы выбивки в 3,5 раза

Примечание. В скобках указаны диапазоны исследования.

Выводы:

1. Выявлены направления повышения технологичности ЖСтС, а именно: использование ТДОП; ТДНП; комбинирование приведённых вариантов.

2. Экспериментально проверены основные условия повышения технологичности ЖСтС, касающиеся присутствия в составе стержневой смеси комбинаций «сшивающих» и разупрочняющих добавок (ТДОП и ТДНП), в том числе отходов производства. В общей сложности найдено 6 вариантов решения проблемы. Все они рекомендованы к внедрению.

3. Разработаны новые технологии изготовления ЖСтС для стального и чугунного литья.

Список литературы

1. Формовочные материалы и технология литейной формы: справочник / С.С. Жуковский, Г.А. Анисович, Н.И. Давидов и др.; под общ. ред. С.С. Жуковского. М.: Машиностроение, 1993. 432 с.

2. Илларионов И.Е., Васин Ю.П. Формовочные материалы и смеси. Чебоксары: Изд-во ЧГУ, 1995. 4.1. 250 с.

3. Пути повышения технологичности жидкостекольных смесей / К.А. Маслов, И.О. Леушин, А.Е. Миронычев // Заготовительные производства в машиностроении. 2010. №2. С.8-11.

4. К вопросу о методах повышения технологичности жидкостекольных смесей / К.А. Маслов, И.О. Леушин, C.B. Плохов // Ли-тейщикРоссии. 2010. №2. С.26-29.

5. Теоретические аспекты некоторых методов повышения технологичности жидкостекольных стержневых смесей, отверждае-мых по С02-процессу / К.А. Маслов, И.О. Леушин, А.Ю. Субботин // Литейщик России. 2010. №6. С.36-38.