СОСТАВ ЭКЗОТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОЙ СМЕСИ ДЛЯ ОБОГРЕВА ПРИБЫЛЕЙ Российский патент 1994 года по МПК B22D27/06 C21C5/54 

Изобретение относится к литейному производству и применяется для обогрева прибылей отливок и слитков черных и цветных металлов и сплавов (латуней, бронз, высокопрочного чугуна, алюминиевых и магниевых сплавов).

Известны смеси для обогрева прибылей на основе пыли различных металлургических агрегатов. Однако это или экзотермические или теплоизолирующие смеси, которые требуют использование других ингредиентов. Поэтому их использование не столь эффективно, так как часть тепла затрачивается на нагрев дополнительных ингредиентов.

Известен состав, в котором использован алюминий и отход в виде шлака, содержащего оксид цинка, который является как утепляющим, так и экзотермическим. Однако использование шлака требует дополнительных затрат на его измельчение. К тому же содержание в нем оксида цинка не превышает 20% при высоком содержании оксидов кремния и кальция. Такая смесь будет иметь низкий тепловой эффект.

Наиболее близкой к предлагаемому является смесь, содержащая алюминиевый порошок и оксид цветного металла (меди). Однако эта смесь неэкономична из-за высокой стоимости оксида меди, для получения которого приходится специально сжигать медь в токе кислорода.

Целью изобретения является удешевление смеси, а также повышение качества отливок за счет исключения загрязнения металла прибыли продуктами экзотермической реакции и обеспечения направленной передачи тепла от смеси к прибыли и отливке.

Это достигается использованием в составе смеси алюминиевого порошка совместно с пылью от плавильных печей цветных сплавов на основе оксида цинка с температурой воспламенения, не превышающей 520^оС, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: Алюминиевый порошок 10-30
Пыль от плавильных
печей цветных сплавов на основе оксида цинка 70-90
Пыль от плавильных печей на основе оксида цинка образуется в бункерах вентиляционной системы плавильных индукционных, дуговых и газовых печей при производстве цветных сплавов, содержащих медь, например латуней. При этом химический состав такой пыли содержит следующие ингредиенты, мас.%: ZnO 60-75; CuO 0,2-10,0; Al₂O₃ 4-8; SnO 0,5-10,0; Fe₂O₃ 1-8; SiO₂ 1-3; Mn₃O₄ 0,1-0,8; NiO до 0,2, а размер частиц пыли 0,00001-0,01 мм.

Пыль от плавильных печей на основе оксида цинка в составе смеси обладает не только высокими окислительными свойствами, но и теплоизоляционными и поэтому не требует использования других дополнительных ингредиентов.

Размеры алюминиевого порошка не превышают 0,3 мм.

Составы смеси по изобретению приведены в табл.1.

Смеси могут использоваться как без крепителей, так и с крепителями (жидкое стекло, сульфитный щелок и др.) в количестве 9-15% (сверх 100%). Их плотность до экзотермической реакции до 0,2 г/см³, а после реакции 0,15 г/см³ - 0,30 г/см³ в зависимости от состава. Поэтому такие смеси проявляют высокие теплоизолирующие свойства как до заливки, так и после заливки расплава.

Свойства смеси приведены в табл.2.

Первоначально после соприкосновения расплавленного сплава со смесью происходит экзотермическая реакция в основном с оксидом цинка.

Выделившееся тепло разогревает сплав в прибыли, а сама смесь нагревается до ≈1600-1800^оС.

В связи с низкой теплопроводностью смесь после реакции становится теплоизоляционной, что позволяет сократить вес металла для цветных сплавов в прибыли в 5-7 раз.

На основании термохимической реакции: 3 моля ZnO = 243 г, на 2 моля Al = 108 г устанавливается предельное количество алюминия в смеси для полного прохождения реакции с учетом наличия в смеси других окислов MnO, Fe₂O₃ и т. д. , которое равно 30% . Данная смесь будет иметь в своем составе максимальное содержание Al 30%. Превышение алюминия > 30% (состав I): увеличивается теплопроводность, снижается теплоизолирующие свойства из-за алюминия в смеси, не вступившего в реакцию.

При содержании алюминия в смеси менее 10% на мелких прибылях экзотермическая реакция не происходит.

Экзотермический эффект увеличивается с увеличением содержания алюминия более 10%, а максимальный эффект достигается при 30%.

Как видно из данных табл.2, оптимальным составом является состав N 2 - в данном составе происходит полная экзотермическая реакция. Состав N 4 работает с максимальным тепловым эффектом. В составе N 5 экзотермическая реакция наблюдалась только в поверхностном слое, соприкасающемся с металлом без распространения по толщине экзотермической облицовки. Смесь работает как теплоизоляционная и наличие алюминиевого порошка в ее составе снижает ее эффективность.

Для повышения эффективности реакции при содержании Al 25-30% в смесь можно ввести до 25% окалины за счет снижения пыли окислов металлов. При этом теплоизолирующие свойства смеси ухудшаются.

Повышение содержания окалины более 25% приводит к расплавлению смеси с полной потерей теплоизоляционных свойств смеси с загрязнением металла термитным сплавом.

Смеси по изобретению, как было отмечено выше, имеют высокие теплоизолирующие свойства до экзотермической реакции с расплавом. Это обеспечивает низкую отдачу тепла расплавленного металла от прибыли и приводит к быстрому прогреву поверхности контакта экзотеплоизоляционной массы. При температуре 520^оС начинается экзотермическая реакция между алюминиевым порошком и оксидом цинка пыли.

Выделяющееся тепло нагревает металл в прибыли и повышает температуру экзотермической массы. С повышением температуры начинается экзотермическая реакция оксидов с более высоким тепловым эффектом (FeO, CuO и др., входящих в состав пыли), что усиливает нагрев металла в прибыли, передавая направлению максимум тепла в прибыль. После окончания экзотермической реакции перегретая смесь, медленно остывая, передает тепло металлу прибыли, а от нее - к отливке, создавая направленную кристаллизацию металла в системе отливка-прибыль.

В процессе затвердевания прибыли ее форма не изменяется, сохраняя постоянной гидростатический напор, исключается загрязнение прибыли продуктами реакции, сохраняя минимальную теплоотдачу через поверхность прибыли из-за ее экономичной формы (в виде шара).

Расчет прибылей с экзотеплоизоляционными оболочками из смеси по изобретению производится по следующей зависимости:
d_n=n·D , где d_n= - диаметр или толщина прибыли;
V_n - объем прибыли;
S_n - охлаждающая поверхность прибыли;
D= - приведенный размер питаемого узла отливки;
V_o - объем питаемого узла отливки;
S_o - поверхность охлаждения питаемого узла отливки;
b_фn, b_фо - коэффициент тепловой аккумуляции прибыли, отливки;
b_фо - для песчаной формы 15-20 ккал/м² ˙ ч/20
n - постоянный коэффициент, зависящий от формы прибыли, для плиты 2, цилиндра 4, шара 6;
; H_n - высота прибыли.

Смесь по изобретению позволяет удешевить производство за счет снижения стоимости смеси, увеличить выход годного литья за счет уменьшения размеров прибылей, улучшить качество отливок за счет повышения их плотности и исключить загрязнение сплава восстанавливающимся из смеси металлом, сократить количество вредных выбросов в атмосферу.

Изобретение относится к линейному производству и применяется для обогрева прибылей, отливок и слитков из латуни, бронзы, высокопрочного чугуна, а также отливок из алюминиевых и магниевых сплавов. Смесь включает алюминиевый порошок в качестве восстановителя в количестве 10 - 30 мас.% и пыль от плавильных печей цветных сплавов на основе цинка с температурой воспламенения, не превышающей 520 °С, в количестве 70 - 90 мас.%. При этом пыль выполныет роль как экзотермической, так и теплоизолирующей составляющей смеси. Пыль имеет следующий химсостав, мас.%: Zno 60 - 75; CuO 0,2 - 10,0; Al₂O₃ 4 - 8; SnO 0,05 - 10,0; Fe₂O₃ 1 - 8; SiO₂ 1 - 3; Mn₃O₄ 0,1 - 0,8; NiO₂ до 0,2 и размеры частиц 0,00001 - 0,01 мм. Применение смеси по изобретению позволяет исключить загрязнение металла прибыли продуктами экзотермической реакции, а также обеспечить направленную передачу тепла от смеси к прибыли. 2 з.п.ф-лы, 2 табл.

1. СОСТАВ ЭКЗОТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОЙ СМЕСИ ДЛЯ ОБОГРЕВА ПРИБЫЛЕЙ, черных и цветных металлов и сплавов, включающей алюминиевый порошок и окислитель на основе оксида цветного металла, отличающийся тем, что он в качестве окислителя содержит пыль от плавильных печей цветных сплавов на основе оксида цинка с температурой воспламенения, не превышающей 520^oС, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Алюминиевый порошок 10 - 30
Пыль от плавильных печей цветных сплавов на основе оксидов цинка 70 - 90
2. Состав по п.1, отличающийся тем, что пыль от плавильных печей цветных сплавов на основе оксида цинка имеет следующий состав, мас.%:
ZnO 60 - 75
CuO 0,2 - 10,0
Al₂O₃ 4 - 8
SnO 0,5 - 10,0
Fe₂O₃ 1 - 8
SiO₂ 1 - 3
Mn₃O₄ 0,1 - 0,8
NiO До 0,2
3. Состав по п.1, отличающийся тем, что пыль от плавильных печей цветных сплавов на основе оксида цинка имеет гранулометрический состав 0,00001 - 0,01 мм.