СУСПЕНЗИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ НА ОСНОВЕ ЭТИЛСИЛИКАТНОГО СВЯЗУЮЩЕГО Российский патент 1997 года по МПК B22C1/16 B22C1/02 B22C1/10 

Изобретение относится к литейному производству, в частности к суспензиям на основе этилсиликатного связующего для изготовления оболочковых форм по выплавляемым и извлекаемым моделям.

Известно, что процесс сушки оболочковых форм из этилсиликатных суспензий является определяющим в формировании качества как оболочек, так и отливок и влияет на экономические показатели производства. Продолжительность сушки многослойных этилсиликатных оболочек достигает на многих заводах 20-80 ч в зависимости от количества слоев в оболочке, состава суспензий и режимов воздушной обработки. При сушке оболочек в камерах с регулируемым режимом имеют место высокие затраты на обслуживание оборудования камер сушки и высокий расход электроэнергии для обеспечения необходимой температуры сушки, требуемого воздухообмена и величины влажности воздуха. (См. кн. Литье по выполняемым моделям. //Под общей редакцией Я.И.Шкленника и В.А.Озерова/ Изд. 3-е перераб. и доп. М. Машиностроение, 1984. с. 391).

Для сокращения продолжительности сушки этилсиликатных оболочек известно применение аммиачной обработки в камерах сушки. Однако это увеличивает стоимость литья, усложняет производство и ухудшает экологические условия труда (См. там же с. 224).

Известно, что скорость сушки оболочек возрастает при увеличении газопроницаемости высыхаемого слоя оболочки.

Известна суспензия на основе этилсиликатного связующего по [1] в состав которой для увеличения газопроницаемости оболочек введен 15%-ный водный нейтрализованный раствор алюмометилсиликоната натрия (АМСР) при следующих соотношениях ингредиентов, мас.

Этилсиликат 6,1-11,7
Вода 16,6-22,7
Поверхностно-активное вещество 0,09-0,1
Соляная кислота 0,5-0,1
Ортофосфорная кислота 0,3-0,4
15%-ный водный нейтрализованный раствор алюмометилсиликоната натрия с pH 2,6 ед. 1,9-2,5
Огнеупорный наполнитель остальное
В указанной суспензии, принятой за прототип, добавка АМСР за счет своего свойства гидрофобности увеличивает газопроницаемость оболочек. Однако добавка АМСР замедляет процесс влагоотдачи и увеличивает продолжительность сушки оболочек, так как, адсорбируясь на поверхности пузырьков газа в суспензии, она замедляет испарение воды в атмосферу в силу того же свойства гидрофобности. Кроме того, из-за повышения газовой пористости оболочки ее прочность снижается, что способствует увеличению брака оболочек по трещинам и поломкам. Повышенная газовая пористость керамики от добавки АМСР также приводит к ухудшению чистоты поверхности отливок из-за проникновения жидкого металла в поверхностные поры оболочки.

Задачей изобретения является разработка такого состава суспензии, которая при высокой газопроницаемости оболочек, обеспечила бы за счет введения в состав суспензии химически активной по отношению к ее компонентам технологической добавки сокращение продолжительности сушки оболочковых форм, повышение их прочности после выплавки моделей,6 при температурах прокалки, при охлаждении после прокалки и улучшение чистоты поверхности отливок.

Поставленная задача решается тем, что суспензия, включающая этилсиликат, воду, поверхностно-активное вещество, соляную кислоту, ортофосфорную кислоту, алюмометилсиликонат натрия (15%-ный водный нейтрализованный раствор с Pн 2,6 ед. ) и огнеупорный наполнитель, согласно изобретению дополнительно содержит электрофильтровую пыль (ЭП) из отходов ферросплавных печей при выплавке кремнийсодержащих сплавов, например технического кремния, ферросилиция, силикохрома и других, при следующих соотношениях ингредиентов, мас.

Этилсиликат 4,0-11,7
Вода 18,0-22,7
Поверхностно-активное вещество 0,09-0,1
Соляная кислота 0,5-0,1
Ортофосфорная кислота 0,3-1,25
Алюмометилсиликонат натрия (15%-ный водный нейтрализованный раствор с Ph 2,6 ед. 1,9-2,5
Огнеупорный наполнитель Остальное
Предлагаемая для применения в составе суспензии электрофильтровая пыль в своей основе состоит из мелкодисперсных частиц кремнеземосодержащих соединений, сформированных в электрофильтрах газоочистных конструкций ферросплавных печей при выплавке технического кремния, ферросилиция или силикохрома. В перерасчете на диоксид кремния содержание кремнезема может изменяться от 80 до 85 мас. Примерный состав электрофильтровой пыли по химическим элементам, полученный при выплавке ферросилиция марки СИ75 в пересчете на оксидные соединения нижеследующий, мас. SiO₂=80,2-85,0; оксиды железа (Fe_xO_y)=1,1-5,4; сумма MgO-CaO= 1,2-4,8; Al₂O₃=0,38-2,4; Cr₂O₃=не более 2,5; серный ангидрид не более 0,6, остальное потери при прокаливании (ППП). Минералогические показатели: рентгеноаморфный кремнезем, силикатные соединения железа, магния и кальция. Преобладающий размер частиц электрофильтровой пыли от 1 до 0,01 мкм, позволяющий отнести их к разряду коллоидных частиц.

Сущность изобретения состоит в том, что вводимая в суспензию технологическая добавка в виде электрофильтровой пыли из отходов ферросплавных печей, получаемой при выплавке кремнийсодержащих сплавов, за счет высокой химической активности к конденсированной кремнекислоте в гидролизованном этилсиликате и остатками соляной и ортофосфорной кислот в суспензии обеспечивает повышение прочности связей между коллоидными частицами твердой фазы и ускорение водоотделения ею в нанесенном на модель слое, что приводит к сокращению продолжительности сушки оболочек на воздухе и в камерах с регулируемыми режимами температуры, влажности и скорости воздухообмена. Это достигается за счет того, что в составе электрофильтровой пыли содержится высококремнеземистые силикаты железа, кальция и магния в виде коллоидных частиц, которые вступают в химическое взаимодействие с конденсированной кремнекислотой гидролизованного этилсиликата и остатками после гидролиза соляной и ортофосфорной кислот. В результате этого в суспензии образуется дополнительное количество коллоидной твердой фазы и дополнительные связующие вещества в виде фосфатов и хлоратов железа, кальция и магния. Указанные реакции термодинамически протекают с выделением тепла. Однако в силу того, что высококремнеземистые силикаты содержат незначительные количества железа, кальция и магния, то в большом объеме суспензии в электролизере или баке обмакивания при сравнительно большом водном разбавлении указанное выше химическое взаимодействие силикатов с кислотами протекает медленно из-за относительно малой концентрации остатков кислот в разбавленной водой при гидролизе этилсиликата суспензии. После же нанесения суспензии на блок моделей в виде тонкого слоя и его обсыпки сухим зерновым материалом, например кварцевым песком, относительная концентрация воды в слое уменьшается, а кислот увеличивается. Поэтому химические реакции силикатов железа, кальция и магния с остатками кислот интенсифицируются с выделением значительного количества тепла и скорость сушки оболочек возрастает.

Увеличение количества коллоидных частиц в суспензии при добавлении электрофильтровой пыли приводит к тому, что общая объемная пористость керамики возрастает, а размер газовых пор от действия АМСР уменьшается. Это обеспечивает увеличение прочности керамики при сохранении ее высокой газопроницаемости. Вместе с тем прочность оболочек после сушки в процессе прокалки и после охлаждения прокаленной керамики также увеличивается. Это достигается за счет увеличения связующей компоненты в формируемом слое оболочки в виде фосфатов и хлоратов железа, кальция и магния и образования более прочных химических связей в конденсированной из этилсиликата кремнекислоте, чем поликонденсационные связи, образующиеся при сушке в гидролизованном этилсиликате. Прочность оболочек также возрастает за счет того, что электрофильтровая пыль содержит кремнезем в виде коллоидных частиц, которые в 70-80 раз меньше по размеру, чем частицы широко применяемого для оболочковых форм огнеупорного наполнителя, например пылевидного кварца. При этом общая объемная пористость оболочек возрастает, что увеличивает ее газопроницаемость. Чистота поверхности отливок также улучшается за счет применения электрофильтровой пыли, так как шероховатость поверхности оболочки при частичной замене крупнозернистого пылевидного кварца на мелкозернистую коллоидную электрофильтровую пыль уменьшается. Кроме того, крупные поверхностные и объемные поры, возникающие в суспензии от действия АМСР, заполняются коллоидными частицами электрофильтровой пыли, снижают шероховатость поверхности оболочек и блокируют проникновение жидкого металла в процессе заливки форм. Поэтому чистота поверхности отливок улучшается, что важно для литья по выплавляемым моделям, так как обычно отливки, полученные этим методом, не подвергается последующей механической обработке.

Учитывая, что добавка в суспензию электрофильтровой пыли значительно увеличивает прочность оболочек на всех ступенях формообразования можно снизить в суспензии содержание дорогостоящего и дефицитного этилсиликата до 4 мас. (см. табл. испытаний) при сохранении прочности на заданном по ТУ уровне. При этом содержание воды в исходной суспензии несколько увеличивают (до 18 мас. ), чтобы сохранить ее вязкость на заданном по ТУ уровне. При снижении содержания этилсиликата в суспензии до 4-х мас. содержание электрофильтровой пыли увеличивают до верхнего предела (12,5 мас.) и увеличивают для взаимодействия с электрофильтровой пылью содержание ортофосфорной кислоты до 1,25 мас. Это обеспечивает дополнительное увеличение прочности керамики при снижении содержания этилсиликата, что экономически выгодно, так как стоимость оболочки определяется высокой стоимостью этилсиликата и его расходом.

Как показали испытания суспензии, полезное действие электрофильтровой пыли начинает проявляться при содержании 0,5 мас. Поэтому это содержание ЭП принято за нижний предел. При содержании ЭП более 12,5 мас. в оболочках наблюдается снижение термостойкости, оцениваемой по прочности при 20^oC после предварительной прокалки, а также к снижению газопроницаемости. Снижение газопроницаемости керамики при содержании более 12,5 мас. связано с тем, что при прокалке оболочек в структуре керамики происходит спекание коллоидных частиц и блокирование пор новообразованиями. Поэтому за верхний предел принято содержание ЭП в суспензии 12,5 мас.

Для приготовления суспензии может быть использован этилсиликат любой марки, например ЭТС-32, ЭТС-40, ЭТС-50 и другие аналоги этоксисилановых соединений по ГОСТ 5.1174-81. Другой ингредиент суспензии - алюмометилсиликонат натрия (АМСР) (ТУ 6-02-700-76) готовят в виде 15%-ного водного нейтрализованного соляной и ортофосфорной кислотами раствора (с pH 2,6-2,8 ед.).

В качестве поверхностно активного вещества (ПАВ) используют любой ПАВ, например сульфонол. Соляную и ортофосфорную кислоту в расчетном количестве вводят в АМСР при его нейтрализации с учетом потребности кислот и воды на нейтрализацию АМСР и гидролиз этилсиликата. В качестве огнеупорного наполнителя может быть использован пылевидный кварц, электрокорунд и другие материалы. Электрофильтровая пыль поставляется ферросплавными заводами по ТУ 7-249533-01-90 в уплотненном или неуплотненном виде, в контейнерах или целлофановых мешках. Электрофильтровую пыль добавляют в суспензию при ее приготовлении после загрузки основного огнеупорного материала, например пылевидного кварца или вместе с последними порциями его. При этом загружают твердые материалы в гидролизер после загрузки воды и алюмометилсиликоната при непрерывном перемешивании.

Пример. Для приготовления суспензий использовали пылевидный кварц марки КП-1, этилсиликат марки ЭТС-40, соляную кислоту с плотностью 1180 кг/м³, ортофосфорную кислоту с плотностью 1600 кг/м³, алюмометилсиликонат натрия по ТУ 6-02-700-76, электрофильтровую пыль марки МК-85 по ТУ 7-249533-01-90, водопроводную воду. АМСР предварительно разбавляли водой и нейтрализовали кислотами из расчета получения 15% -ного водного раствора (на 50 мл АМСР добавляют воды 300 мл, а затем нейтрализуют расчетным количеством соляной и ортофосфорной кислоты до получения Ph=2,6-2,8 ед.). Гидролиз этилсиликата проводили совмещенным способом при приготовлении суспензии. Вязкость суспензии для первого слоя составляет 70-90 с, для последующих слоев 35-50 с. Сушку каждого слоя проводили в камерах сушки в течение 1,5-3,0 часа при 26-27^oC и относительной влажности 45-50% Модельный состав выполняли в горячей воде при 97-98^oC. Готовые формы прокаливали при 900-950^oC в течение 4-8 ч, а затем заливали сталью 50 л при температуре 1630^oC.

Для сравнения параллельно с опытными готовили оболочки и образцы по тем же режимам с использованием известного состава суспензии (см. аналог в описании).

В табл. 1 приведены варианты испытаний суспензий, а в табл. 2 - физико-механические и качественные характеристики керамических оболочек и отливок.

Как видно из таблиц, влияние электрофильтровой пыли (ЭП) на качество оболочек и отливок начинается при содержании добавки в суспензии от 0,5 мас. и более, но не на все характеристики одинаково. Например, чистота поверхности отливок улучшается при введении в суспензию ЭП уже около 0,5 мас. а прочность оболочек после выплавки моделей заметно возрастает при содержании ЭП лишь при 2,5 мас. и более. Оптимальная прочность оболочек с учетом всех стадий формообразования достигается при содержании ЭП около 12,5 мас. При содержании ЭП более 12,5 мас. прочностные свойства оболочек после выплавки моделей и при прокалке увеличиваются. Однако прочность при 20^oC после предварительной прокалки и газопроницаемость начинают уменьшаться. Поэтому, учитывая это и исходя из экономических соображений, верхний предел содержания ЭП выбран 12,5 мас. В зависимости от того, с какой предпочтительной целью применяют ЭП, ее содержание целесообразно выбирать из пределов от 0,5 до 12,5 мас.

Предложенные составы суспензий целесообразно использовать для изготовления оболочковых форм в литье по выполняемым моделям для отливок из чугуна и стали. Условия производства могут быть любые конвейерное, мелкосерийное, индивидуальное производство. Технология формообразования оболочек также может быть использована любая: воздушная, воздушно-аммиачная, вакуумная и другие. Технология приготовления суспензии отличается от известной тем, что дополнительно в суспензию вводится электрофильтровая пыль вместе с огнеупорным наполнителем или отдельно после его введения. Электрофильтровую пыль можно вводить сухом состоянии, но предпочтительней в виде предварительно увлажненной массы. При этом необходимо проводить корректировку состава суспензии по количеству добавляемой воды с учетом той воды, которая добавляется для увлажнения электрофильровой пыли. Учитывая, что предлагаемая суспензия ускоряет процесс сушки оболочек целесообразно увеличивать скорость формообразующего конвейера или сокращать длину его ветвей. Учитывая, что добавка электрофильтровой пыли в суспензию значительно увеличивает прочность оболочек, при сохранении уровня прочности на заданном ТУ уровне целесообразно сокращать расход дефицитного и дорогостоящего этилсиликата, что улучшает не только экономические показатели производства, но и улучшает экологические условия труда.

Экономический эффект достигается за счет сокращения брака оболочек на 30% уменьшения расхода электроэнергии на сушку оболочек примерно на 30% и улучшения чистоты поверхности отливок.

Использование: в литейном производстве, при изготовлении суспензии для оболочек в литье по выполняемым и извлекаемым моделям. Сущность: суспензия содержит электрофильтровую пыль из отходов ферросплавных печей при выплавке кремнийсодержащих сплавов при следующих соотношениях, мас.%: этилсиликат 4,0-11,7; вода 18-22; ПАВ 0,09-0,1; соляная кислота 0,5-0,1; ортофосфорная кислота 0,3-1,25; алюмометилсиликонат натрия 1,9-2,5; электрофильтровая пыль 0,5-12,5; огнеупорный наполнитель - остальное. 2 табл.

Суспензия для изготовления оболочковых форм на основе этилсиликатного связующего, включающая этилсиликат, воду, поверхностно-активное вещество, соляную кислоту, ортофосфорную кислоту, алюмометилсиликонат натрия в виде 15% -ного водного нейтрализованного раствора с pH 2 6 огнеупорный наполнитель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит электрофильтровую пыль из отходов ферросплавных печей при выплавке кремнийсодержащих соединений: технического кремния, ферросилиция, силикохрома при следующих соотношениях ингредиентов, мас.

Этилсиликат 4,0 11,7
Вода 18,0 22,7
Поверхностно-активное вещество 0,09 0,1
Соляная кислота 0,5 0,1
Ортофосфорная кислота 0,3 1,25
Алюмометилсиликонат натрия в виде 15%-ного водного нейтрализованного раствора рН 2-6 1,9 2,5
Электрофильтровая пыль ферросплавных печей 0,5 12,5
Огнеупорный наполнитель Остальноео