СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРИБЫЛЬНОЙ ЧАСТИ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ Российский патент 1998 года по МПК B22D27/06 

Изобретение относится к литейному производству, в частности к изготовлению прибыльной части литейной формы.

Известен способ изготовления прибыльной части литейной формы, используемый для сухих форм, включающий изготовление огнеупорной оболочки, открытой в сторону рабочей полости форм, и использование смеси термита с металлом, обеспечивающей при ее сгорании получение в прибыли жидкого металла, аналогично по химическому составу заливаемому в литейную форму, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, снижения трудоемкости изготовления прибыльной части литейной формы и расширения области применения при формовке отливок на формовочных линиях, огнеупорную оболочку изготавливают из огнеупорного теплоизоляционного, например, муллитокремнеземистого материала, открытой также сверху, и перед формовкой устанавливают ее на уменьшенную на 80% по металлоемкости по сравнению с обычной модель прибыли, а из смеси термита с металлом изготовляют стержень, который устанавливают на верх оболочки, при этом масса стержня составляет от 1,4 до 5,0% от массы жидкой стали в прибыли.

Недостатком указанного способа является невозможность его применения на сырых формах при выдержке их перед заливкой более четырех часов после формовки.

Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения при формовке отливок экзотермических теплоизоляционных прибылей на сырые формы и на формы с жидкостекольным связующим с отверждением формы продувки углекислым газом с выдержкой форм после формовки перед заливкой более четырех часов.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в ограничении температуры горения экзотермической смеси до 2300 К (2027^oC) за счет применения специального экзотермического замедления основной экзотермической реакции окисления алюминия, при горении которого, также как и при горении термита образуется жидкая сталь, но с меньшим тепловым эффектом. Таким замедлителем является смесь ферросилиция ФС92 с размерами кусочков не более 3,0 мм с железной окалиной, предварительно прокаленной при 1173 К (900^oC), дисперсностью до 3,0 мм в соотношении по массе: 18% ферросилиция и 82% окалины.

Дополнительно также вносятся изменения в конструкцию огнеупорной теплоизоляционной оболочки. По предлагаемому способу ее изготовляют закрытой сверху (см. чертеж), при этом экзотермический элемент заформовывают в верхней части огнеупорной теплоизоляционной оболочки, что позволяет исключить прямой контакт экзотермического элемента с сырой формой и значительно сокращает интенсивное парообразование при горении экзотермического элемента, что исключает выбросы металла из прибыли. Также дополнительно контактирующую с сырой формой поверхность огнеупорной теплоизоляционной оболочки покрывают тонкой влагонепроницаемой, например, полиэтиленовой оболочкой.

Массовую долю добавки экзотермического замедлителя в экзотермической смеси (1-К) для прибылей, изготавливаемых по предлагаемому способу, можно определить по формулам:

где
T_р - температура реакции, К;
T_о - температура исходных веществ, равная 293К;
Q₁ - тепловой эффект горения термита, равный 3344 кДж/кг; для реакции: 2Al + 3Fe_0,95O = Al₂O₃ + 2,85Fe;
Q₂ - тепловой эффект замедлителя, равный 1904 кДж/кг для реакции: Si + 2Fe_0,95O = SiO₂ + 1,9Fe;
M - общая масса термита и замедлителя, кг;
L_ст - теплота плавления стали, равная 276 кДж/кг;
L_шл - теплота плавления шлака, равная 1068 кДж/кг;
ϕ1ст

- выход термитной стали в долях единицы;
ϕ1шл - выход термитного шлака в долях единицы;
ϕ2ст - выход стали при горении замедлителя в долях единицы;
ϕ2шл - выход шлака при горении замедлителя в долях единицы;
C_Рст - удельная теплоемкость стали, равная 0,75 кДж/(кг•К);
C_Ршл - удельная теплоемкость шлака, равная 1,46 кДж/(кг•К);
K - количество термита в экзотермической смеси в долях единицы.

Для реакции: 2Al + 3Fe_0,95O = Al₂O₃ + 2,85Fe;
ϕ1ст

=0,61,а ϕ1шл=0,39 .
Для реакции: Si + 2Fe_0,95O = SiO₂ + 1,9Fe;
ϕ2ст=0,64,а ϕ2шл=0,36 .
Для упрощения уравнения (1), принимаем: ϕ_ст=ϕ1ст=ϕ2ст=0,62; ϕ_шл=ϕ1шл=ϕ2шл=0,38. . Тогда после принятых упрощений и сокращения "M" уравнение (1) принимает вид:

Искомая величина доли добавки (1 - К) определяется из уравнения (2) при условии T_р = 2300К;

Масса экзотермического брикета с замедлителем определяется, исходя из равенства времени кристаллизации экзотермической теплоизолированной и обычной прибылей одинакового назначения, при этом опытным путем установлено, что экзотермические теплоизолированные прибыли с использованием термита способны сократить расход жидкой стали на прибыльную часть в среднем в восемь раз.

Продолжительность затвердевания обычной закрытой прибыли массой M_оп можно определить по формуле:

где
T_н - начальная температура жидкой стали в прибыли, К;
T_к - температура конца затвердевания жидкой стали в прибыли, K;
β = 1,5 кДж/м²•К•с^1/2 - коэффициент охлаждения способности сырой песчаной формы;
S_оп - площадь поверхности обычной закрытой прибыли, м².

Продолжительность затвердевания экзотермической теплоизолированной прибыли при расходе жидкой стали m_ж.с:

где
m_эс - масса экзотермического стержня в прибыли, кг:
β_т = 0,5 - 0,6 кДж/м²•К•с^1/2 - коэффициент охлаждающей способности огнеупорного теплоизоляционного материала;
S_этп - площадь поверхности экзотермической теплоизолированной прибыли, м².

Исходя из условия эквивалентности продолжительностей затвердевания обычной и экзотермической теплоизолированной прибылей одинакового назначения из выражений (4) и (5) можно составить следующее уравнение:

Согласно экспериментальным данным принимаем следующие средние значения условно-постоянных величин в уравнении:
T_н=1823К; T_к=1723К; m_жс=0,125M_оп; S_этп=0,4S_оп.

Преобразуя уравнение (6), выводим формулу для расчета массы экзотермического стержня в экзотермической теплоизолированной прибыли, которые, в зависимости от величины коэффициента охлаждающей способности теплоизоляционного материала, имеют вид:
при β_т=0,5 - m_эс = 0,02 m_жс;
при β_т=0,6 - m_эс = 0,084 m_жс;
Таким образом, согласно приведенному расчету, масса экзотермического стержня в экзотермической теплоизолированной прибыли, в зависимости от охлаждающей способности теплоизоляционного материала, составляет от 2,0 до 8,4% от массы жидкой стали в прибыли.

На чертеже показана литейная форма, реализующая предлагаемый способ. Для получения прибыльной части формы на модельной плите "верха" над питаемым узлом 1 устанавливают уменьшенную в восемь раз по объему по сравнению с обычной, модель прибыли 2 с центрирующим штифтом в верхней части. Перед формовкой на модель прибыли устанавливают заранее изготовленную огнеупорную теплоизоляционную оболочку 4 с экзотермическим стержнем 5. После уплотнения формовочной смеси и извлечения модели прибыли экзотермическая теплоизолированная прибыль удерживается в форме за счет обратного уклона образующей поверхности. При необходимости в нижней части прибыли устанавливается разделительная пластина (пережим) 5.

Сущность изобретения: способ изготовления прибыльной части литейной формы, включающий изготовление огнеупорной теплоизоляционной оболочки, открытой в сторону рабочей полости формы, и использование смеси термита с металлом, обеспечивающей при ее сгорании получение в прибыли жидкого металла, аналогичного по химическому составу, заваливаемому в литейную форму, отличается тем, что в экзотермическую смесь добавляют в количестве, равном количеству термита, специальный экзотермический замедлитель его горения с меньшим тепловым эффектом реакции горения, чем у термита, ограничивающий температуру горения экзотермического элемента прибыли до 2300 К, при этом масса экзотермического элемента составляет от 2,0 до 8,4% от массы жидкой стали в прибыли, а также, что экзотермический стержень в виде брикета заформовывают в верхней части огнеупорной теплоизоляционной оболочки, исключающей прямой контакт материала брикета с сырой формой, и контактирующую с сырой формой поверхность огнеупорной теплоизоляционной оболочки покрывают тонкой влагонепроницаемой, например, полиэтиленовой пленкой. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ изготовления прибыльной части литейной формы, включающий изготовление огнеупорной теплоизоляционной оболочки, открытой в сторону рабочей полости песчаной литейной формы, изготовление экзотермического элемента в виде брикета из экзотермической смеси термита с металлом, обеспечивающей при ее сгорании получение в прибыли жидкого металла, аналогичного по химическому составу заливаемому в литейную форму, заформовывание огнеупорной теплоизоляционной оболочки и экзотермического элемента в виде брикета в песчаной литейной форме, отличающийся тем, что экзотермический элемент используют дополнительно содержащим замедлитель горения экзотермической смеси с меньшим тепловым эффектом реакции горения, чем у термита, ограничивающим температуру горения экзотермического элемента прибыли до 2300 К, и массой от 2,0 до 8,4% от массы жидкой стали в прибыли, экзотермический элемент в виде брикета заформовывают в верхней части огнеупорной теплоизоляционной оболочки, исключающей прямой контакт материала этого брикета с песчаной литейной формой, при этом поверхность огнеупорной теплоизоляционной оболочки перед формовкой покрывают тонкой влагонепроницаемой пленкой. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхность огнеупорной теплоизоляционной оболочки покрывают полиэтиленовой пленкой.