СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СУСПЕНЗИИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ Российский патент 2001 года по МПК B22C1/18 B22C5/04 

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам приготовления суспензий на основе жидкого стекла для керамических форм и стержней в литье по выплавляемым и постоянным моделям.

Широко известны способы изготовления многослойных форм в литье по выплавляемым моделям с использованием суспензий на основе жидкостекольного связующего (Литой инструмент // П.С. Першин. - Москва-Свердловск: Машгиз, 1962. - с. 92-105).

Недостатки известных способов связаны с нестабильностью свойств суспензий, длительностью сушки получаемых из них оболочек, низкой их термостойкостью, неудовлетворительной отделяемостью керамики от отливок. Поэтому разрабатываются способы улучшения свойств суспензий, качества оболочек, совершенствования режимов их формирования, повышения качества отливок, получаемых с их применением, и другие.

Известен способ изготовления многослойных форм в литье по выплавляемым моделям, в котором для интенсификации процесса сушки форм суспензию перед нанесением на модель охлаждают до температуры 15-21^oC, а сушку каждого слоя проводят при температуре 28-30^oC (Авт. свид. СССР N 298418, МКИ B 22 C 9/12, заявл. 29.09.69, N 1364211/22-02, опубл. 10.03.71, БИ N 11).

Охлаждение суспензии до 15-21^oC повышает ее живучесть, а сушка форм при повышенной температуре способствует интенсификации процесса отверждения жидкостекольного связующего. Однако при этом высушенный слой керамики плохо смачивается суспензией при нанесении следующего слоя, так как в его поверхностном слое образуется повышенное содержание щелочных соединений натрия, мигрирующих из объема слоя и создающих плохо смачиваемую пленку. Поэтому имеет место расслоение оболочек при их сушке и в процессе выплавки моделей.

Этот недостаток частично устраняется в способе сушки многослойных керамических форм (Авт. свид. СССР N 1171187, МКИ, B 22 C, 9/12, заявл. 02.08.84, N 3655003/22-02, опубл. 12.07.85, БИ N 29), по которому после сушки каждого слоя его увлажняют распыленной водой или холодным паром в течение 3-6 секунд.

Однако полностью устранить расслоение форм при выплавке моделей и в этом случае не удается из-за повышенного содержания в суспензии щелочных соединений натрия, а длительность сушки слоев соответственно возрастает из-за дополнительного увлажнения оболочек перед очередным нанесением суспензии.

Сократить продолжительность сушки форм можно применением в суспензии отвердителей жидкого стекла, а уменьшить вредное влияние щелочных соединений на качество форм и отливок можно нейтрализацией их химическими реагентами или снижением их содержания в суспензии.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому является способ приготовления суспензии для изготовления керамических форм, включающий смешивание неорганической кислоты, технологической добавки в виде алюмохромфосфатного связующего (АХФС), воды, пылевидного кварца, охлаждение смеси до 18-25^oC, введение в полученную смесь жидкого стекла (Авт. свид. СССР N 1045997, МКИ B 22 C 9/04, заявл. 29.12.78, N 2704054/22-02, опубл. 07.10.83, БИ N 37).

Применяемые в суспензии по данному способу неорганические кислоты и АХФС являются для жидкостекольных суспензий отвердителями, так как в силу своего кислотного характера они вызывают коагуляцию жидкого стекла (Растворимое стекло // Григорьев П. Н. , Матвеев М.А., М.: Промстройиздат.- 1956. - с. 65-70).

Недостатки известного способа состоят в том, что при перемешивании отвердители вводят в суспензию раньше, чем жидкое стекло, поэтому ее живучесть снижается, несмотря на то, что перед введением жидкостекольного связующего смесь охлаждается до 18-25^oC. При этом щелочные соединения натрия жидкого стекла сохраняются в суспензии в виде солей применяемых неорганических кислот, которые снижают огнеупорность керамики, чрезмерно повышают ее спекаемость, увеличивают остаточную прочность, снижают податливость форм и стержней. Это приводит к увеличению брака форм и отливок, а также к снижению их качества по чистоте поверхности и размерной точности.

Задачей изобретения является разработка такого способа приготовления суспензии для изготовления керамических форм, который обеспечил бы увеличение живучести суспензии за счет изменения очередности введения компонентов при их смешивании, уменьшения брака форм и отливок, повышение их качества по чистоте поверхности и размерной точности за счет увеличения огнеупорности и термостойкости керамики.

Задача решается тем, что в способе приготовления суспензии для изготовления керамических форм и стержней, включающем введение в смеситель и перемешивание отвердителя, технологической добавки, воды, огнеупорного наполнителя, охлаждение смеси, введение жидкого стекла, согласно изобретению проводится следующий порядок выполнения операций: введение и непрерывное перемешивание воды, части огнеупорного наполнителя, технологической добавки, охлаждение смеси, введение жидкого стекла, введение остальной части огнеупорного наполнителя, перемешивание, введение отвердителя, перемешивание до готовности, причем перед введением жидкого стекла суспензия охлаждается до температуры 7-15^oC, а жидкое стекло перед введением или в процессе введения нагревается до температуры 18-38^oC и пропускается через катионобменный фильтр.

Вариант указанного способа отличается тем, что жидкое стекло пропускают через катионобменный фильтр, содержащий смолу КУ-2, или сульфоуголь, или гранулированный коксующийся каменный уголь, или алюминиевый порошок.

Сущность изобретения состоит в следующем. Введение в суспензию жидкого стекла, предварительно пропущенного через катионобменный фильтр, обеспечивает повышение огнеупорности и термостойкости керамики за счет снижения в жидком стекле щелочных соединений натрия на 25-45%. При этом температура плавления связки в образующейся керамике при прокалке форм и стержней повышается с 793^oC до 910- 980^oC (там же, с. 26). Поэтому пластическая деформация керамики под действием силы веса отдельных частей форм и стержней при прокалке уменьшается, что обеспечивает повышение размерной точности форм и стержней и следовательно отливок. Вместе с тем снижение щелочных соединений в керамике снижает химическую активность ее к жидкому и затвердевающему металлу при заливке форм, что обеспечивает уменьшение оксидного пригара и повышение чистоты поверхности отливок.

Повышение термостойкости керамики за счет снижения щелочных соединений в ее связке обеспечивает также уменьшение растрескивания форм и стержней при резкой смене температур, имеющей место при выходе форм из прокалочной печи и при заливке их металлом. Это обеспечивает уменьшение брака форм и отливок по просечке и утечке металла из форм при заливке.

Установлено, что эффективно очистка жидкого стекла от щелочных соединений при пропускании через катионобменные фильтры происходит при условии его предварительного подогрева. Это связано с тем, что при подогреве снижается вязкость жидкого стекла и повышается химическая активность катионного обмена его в фильтрах (там же, с. 57). Однако чрезмерно повышать температуру подогрева нельзя, так как может произойти выделение хлопьевидного кремнезема, который может забить поры фильтра и замедлить процесс очистки жидкого стекла (там же, с. 54). Поэтому пределы температур предварительного подогрева жидкого стекла выбрали от 18 до 38^oC.

Установлено также, что очистка жидкого стекла от щелочных соединений приводит к повышению его силикатного модуля. При этом возрастает скорость химического взаимодействия жидкого стекла и отвердителя, что приводит к снижению живучести суспензии. Поэтому для повышения живучести изменили порядок ввода компонентов при приготовлении суспензии и понизили температуру ее охлаждения до 7-15^oC С. Это обеспечивает возможность равномерного перемешивания суспензии и использования ее не только в литье по постоянным извлекаемым моделям, но и производить послойное нанесение на модельные блоки при литье по выплавляемым моделям. При этом в случаях использования суспензии для изготовления форм по постоянным извлекаемым моделям охлаждение суспензии необходимо доводить до 7^oC, а жидкого стекла до температуры 38^oC или соответственно до 15^oC - охлаждение суспензии и подогрева жидкого стекла до 18^oC.

При изготовлении многослойных оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям охлаждение суспензии доводят до 7^oC, а жидкое стекло подогревают лишь до 18^oC.

Установлено, что эффективно очистка жидкого стекла происходит в фильтрах, содержащих одно из перечисленных веществ: смолу марки КУ-2, поставляемую по ГОСТ 20298-94, сульфоуголь, поставляемый по ГОСТ 5696-94, гранулированный каменный уголь, поставляемый по ТУ 12-1-91, алюминиевый порошок, поставляемый по ТУ 485152-88.

Приготовление суспензии производится в водоохлаждаемых смесителях с лопастной или пропеллерной мешалкой, а также в стандартных водоохлаждаемых гидролизерах. В качестве огнеупорных наполнителей суспензий могут быть использованы любые известные материалы, например пылевидный кварц, шамот, корунд. В качестве связующего используют стандартное жидкое стекло с любым модулем (ГОСТ 13078-91). В качестве отвердителей могут быть использованы известные материалы: АХФС (алюмохромфосфатная связка) (ТУ 6-18-166-88), растворы ортофосфорной кислоты, но наиболее предпочтительным являются антипирен (ТУ 6-08-323-96), двухкальциевый силикат в виде феррохромового шлака (ТУ 14-11-108-95) или нефелинового шлама.

Охлаждение суспензии производится непосредственно в смесителе в процессе перемешивания исходных компонентов. При этом температура суспензии регулируется температурой и скоростью пропускания охлажденной воды через охлаждающий кожух.

Подогрев жидкого стекла перед пропусканием его через катионобменный фильтр производится путем пропускания через калориферный трубопровод или по сливному трубопроводу из подогреваемой емкости с мешалкой, обычно применяемой для приготовления малых порций жидкого стекла открытым способом.

Пропускание жидкого стекла через катионобменный фильтр производится в колонке, наполненной катионобменным веществом, и связанной с подводящим трубопроводом с одной стороны и смесителем для приготовления суспензии с другой стороны. Поэтому готовое очищенное жидкостекольное связующее сразу же поступает в смеситель для приготовления суспензии, что важно для повышения качества суспензии и изготавливаемых из нее форм и стержней.

Примеры реализации изобретения
Пример 1.

Для приготовления суспензии применили пылевидный кварц марки КП-1, техническую воду, жидкое стекло с модулем 2.8 ед., в качестве технологической добавки - ПАВ в виде пасты РАС, в качестве отвердителя - АХФС.

Приготовление суспензии проводили в смесителе емкостью 50 литров с водоохлаждающей рубашкой и пропеллерной мешалкой. Перед подачей в рубашку воду охлаждали в холодильнике-термостате модели С-250.

Приготовление суспензии проводили следующим образом. Смеситель включили в режим охлаждения. В смеситель залили воду в количестве 10 литров и при непрерывном перемешивании малами порциями добавили пылевидный кварц в количестве 30 кг и пасту РАС в количестве 30 мл. При непрерывном перемешивании довели температуру суспензии до 7^oC.

Параллельно в отдельной емкости с мешалкой и водяной рубашкой, через которую пропускали горячую воду, подогревали до 38^oC жидкое стекло в количестве 10 литров.

В качестве катионобменного фильтра использовали смолу КУ-2, загруженную в металлическую колонку, установленную над смесителем для суспензии.

Нагретое жидкое стекло подавали в колонку, откуда оно сливалось в смеситель, в котором непрерывно перемешивались компоненты. Затем в смеситель вводили остальную часть огнеупорного наполнителя и после достижения равномерной консистенции вводили АХФС и перемешивали до равномерной консистенции.

Готовую суспензию применили для изготовления стержней стальных отливок детали корпуса запорного вентиля. Отливки получены без внутренних засоров с высокой чистотой поверхности и признаны годными после гидравлического испытания под давлением 450 атм.

Замеры показали, что после пропускания через катионобменный фильтр содержание щелочи (NaOH) в жидком стекле понизилось на 35%, что обеспечило повышение огнеупорности силикатной связки в керамике на 180 - 190^oC. Живучесть суспензии за счет изменения порядка ввода и перемешивания компонентов смеси увеличилась в 1,5-1,8 раза.

Пример 2
Для приготовления суспензии применили пылевидный кварц марки КП-1, техническую воду, жидкое стекло с модулем 2.5 ед., в качестве технологической добавки - ПАВ в виде пасты РАС и аэросил марки А-175 (ГОСТ 14922-87), в качестве отвердителя - феррохромовый шлак.

Приготовление суспензии проводили, как и в первом примере.

Приготовление суспензии проводили следующим образом. Смеситель включили в режим охлаждения. В смеситель залили воду в количестве 10 литров и при непрерывном перемешивании малыми порциями добавили пылевидный кварц в количестве 30 кг, пасту РАС в количестве 30 мл и аэросил в количестве 1,2 кг. При непрерывном перемешивании довели температуру суспензии до 7^oC.

Жидкое стекло вводили в количестве 10 литров и с температурой 18^oC.

В качестве катионобменного фильтра использовали сульфоуголь.

После ввода жидкого стекла в смеситель вводили остальную часть пылевидного кварца и после перемешивания - феррохромовый шлак.

Готовую суспензию применили для изготовления 4-х слойных оболочковых форм по выплавляемым моделям. Оболочки после прокаливания заливали углеродистой сталью. Отливки имели чистую поверхность, без просечек и заливов.

Замеры показали, что после пропускания через катионобменный фильтр содержание щелочи (NaOH) в жидком стекле понизилось на 24%, что обеспечило повышение огнеупорности силикатной связки в керамике на 110-115^oC. Живучесть суспензии за счет изменения порядка ввода и перемешивания компонентов смеси увеличилась в 2,8-3,5 раза.

Пример 3.

Приготовление суспензии по этому примеру отличалось от предыдущих следующим. Применили огнеупорный наполнитель - пылевидный кварц КП-2, пасту РАС, пирогенный кремнезем в виде электрофильтровой пыли ферросплавных печей (ТУ 7-249533-01-90), жидкое стекло с модулем 2,8 ед., в качестве отвердителя - антипирен.

В качестве катионобменного фильтра использовали гранулированный каменный уголь.

Суспензию охлаждали до 15^oC, а жидкое стекло применили с температурой 18^oC.

Порядок ввода и перемешивания компонентов принят, как и в примерах 1 и 2.

Готовую суспензию применили для изготовления формы по извлекаемой постоянной модели для отливки детали запорного вентиля. Форму после извлечения модели сушили при температуре 150^oC и обжигали газовой горелкой.

Замеры показали, что содержание щелочи в жидком стекле после пропускания через фильтр снизилось на 14-15%, живучесть увеличилась в 1,2-1,4 раза. Полученные отливки имели чистую поверхность и признаны годными после гидравлического испытания.

Пример 4.

Приготовление суспензии по этому примеру отличалось от предыдущего примера 3 тем, что в качестве катионобменного фильтра применили алюминиевый порошок, а нагрев жидкого стекла доводили до 38^oC.

Живучесть суспензии увеличилась в 0,7-0,9 раза. Содержание щелочи в керамике уменьшилось на 22%.

Из готовой суспензии изготовили керамическую оболочку комбинированной формы с опорным слоем из жидкостекольной смеси, отверждаемой углекислым газом. В форме изготовили отливку детали штампа, к размерной точности и чистоте поверхности которой предъявляются высокие требования. Полученные отливки соответствовали требованиям ТУ на деталь.

Экономический эффект от реализации изобретения достигается за счет сокращения брака суспензии на 25-30%, форм и стержней на 28-35%, отливок на 12-16%, а также за счет улучшения товарного вида литых деталей и снижения трудоемкости при механической обработке на 10-12%. При этом данный способ позволяет расширить изготовление литья с использованием дешевого и экологически чистого жидкостекольного связующего взамен дефицитного и дорогого этилсиликата.

Изобретение относится к литейному производству. При приготовлении суспензии в смеситель вводят и перемешивают воду, часть огнеупорного наполнителя, технологическую добавку. Затем смесь охлаждают и вводят жидкое стекло и остальную часть огнеупорного наполнителя. Перемешивают, вводят отвердитель и перемешивают до готовности. Перед введением жидкого стекла суспензию охлаждают до 7-15°С, а жидкое стекло перед введением или в процессе введения нагревают до 18-38°С и пропускают через катионобменный фильтр. Фильтр содержит смолу КУ, или сульфоуголь, или гранулированный каменный уголь, или алюминиевый порошок. Изменение порядка ввода ингредиентов при перемешивании и снижение температуры суспензии повышает ее живучесть, уменьшает брак суспензии, форм и отливок. Введение в суспензию жидкого стекла, предварительно нагретого и пропущенного через катионобменный фильтр, обеспечивает повышение огнеупорности и термостойкости керамики. Снижение в жидком стекле щелочных соединений повышает чистоту поверхности и размерную точность отливок, уменьшает брак по утечке металла, снижает стоимость исходных материалов, улучшает экологию окружающей среды. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ приготовления суспензии для изготовления керамических форм и стержней, включающий введение в смеситель и перемешивание отвердителя, технологической добавки, воды и огнеупорного наполнителя, охлаждение смеси и введение жидкого стекла, отличающийся тем, что введение составляющих осуществляют при непрерывном перешивании в следующем порядке: вода, часть огнеупорного наполнителя, технологическая добавка, смесь охлаждают до 7 - 15^oC, затем вводят жидкое стекло, остальную часть огнеупорного наполнителя перемешивают, вводят отвердитель и перемешивают до готовности, причем жидкое стекло перед или в процессе введения до 18 - 38^oC и пропускают через катионобменный фильтр. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкое стекло пропускают через катионобменный фильтр, содержащий смолу КУ-2, или сульфоуголь, или гранулированный коксующийся каменный уголь, или алюминиевый порошок.