ЭМУЛЬСИОННОЕ СВЯЗУЮЩЕЕ ТЕПЛОВОГО ОТВЕРЖДЕНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ СТЕРЖНЕЙ И ФОРМ Российский патент 2004 года по МПК B22C1/24 

Предлагаемое изобретение относится к области литейного производства, а именно к связующим, используемым в составах смесей для изготовления литейных стержней и форм, отверждающихся при тепловой обработке. Предлагаемое изобретение может использоваться в литейных производствах, машиностроении, лесохимической и других отраслях промышленности.

К связующим теплового отверждения для изготовления литейных стержней и форм предъявляются достаточно жесткие требования. Они должны обеспечивать высокую прочность стержней: на сжатие в сыром состоянии 0.12-0.20 кгс/см², а на растяжение в сухом состоянии (после сушки) в пределах 12-20 кгс/см². При этом смесь не должна прилипать к оснастке в процессе изготовления стержней (и форм), особенно при использовании так называемого пескодувного метода.

Известны литейные связующие теплового отверждения [Формовочные материалы и технология литейной формы: Справочник / С.С.Жуковский, Г.А.Анисович, Н.И.Давыдов и др.: Под общ. ред. С.С.Жуковского. - М.: Машиностроение, 1993. - 432 с.], представляющие собой большей частью кубовые остатки от дистилляции синтетических жирных кислот в органических растворителях, чаще всего в уайт-спирите, такие как УСК-1, КО, СКТ-10 и др. Все они водонерастворимы, требуют при использовании дополнительного введения в песчаные или песчано-глинистые смеси, как правило, лигносульфонатов и прочность стержней и форм сравнительно невелика.

Известно также эмульсионное связующее теплового огверждения для приготовления литейных форм и стержней, содержащие водный раствор лигносульфонатов, органический растворитель (уайт-спирит), и крепитель (связующее) на основе остаточных продуктов дистилляции масляных продуктов, а именно, окисленный петролатум [В.А. Соколова. Быстросохнущие эмульсии сульфатной барды как связующий материал. / в сб. “Формовочные материалы”. -М.: Машгиз, 1954. - с.94-105.]. Указанное связующее при использовании в составах формовочных смесей обеспечивает получение достаточно высокой прочности в сыром состоянии (0.15-0.35 кгс/см²). Однако их прочность после тепловой сушки низкая и не превышает 8 кгс/см².

Известны связующие для формовочных и стержневых смесей, в которых в качестве вяжущего материала (крепителя) используется талловый пек - побочный продукт от производства целлюлозы сульфатным способом.

В частности, известный состав [Патент ФРГ №1263224. Кл. 31 В 1/24, 1968.] включает (в вес. частях):

Талловый (сульфатный) пек 55

Абиетиновая смола, обработанная 0.05 в.ч. солями железа 30

Растворитель (терпентин) 15

Главным недостатком известного связующего является практическое отсутствие абиетиновой смолы (продукт переработки засохшей на дереве еловой живицы) и использование скипидара, пары которого оказывают сильное раздражающее кожу влияние, вызывая экзему у работающих, а также поражение легких, несмотря на их защиту. Известно также связующее на основе таллового пека [Авт. св-во СССР №687679. Кл.² В 22 С 1/24, 1977.], представляющее собой раствор таллового пека (50-90%) в органическом растворителе (10-50%): углеводороды, или спирт, или кетоны, или эфир уксусной кислоты, или их смеси. Это связующее получило название “ТОП”.

Данное связующее обеспечивает получение форм и стержней требуемой прочности. Однако и оно не лишено недостатков. Из указанных растворителей только углеводороды, не имеющие в своей структуре фенильное ядро, отвечают экологическим требованиям.

Главным же недостатком связующего “ТОП” является его прилипаемость к используемой технологической оснастке, что вызывает значительные трудности и делает практически невозможным его использование для формования стержней, особенно пескодувным способом на полуавтоматических линиях.

Наиболее близким по техническому существу и достигаемому результату является эмульсионное связующее [Авт. св-во СССР №700995. Кл.² В 22 С 1/24, 1977 (прототип)], содержащее (мас.%):

Органический растворитель 14-28

Талловый пек 32-66

Водорастворимый лигносульфонат - в пересчете на сухое вещество Остальное.

Состав по прототипу обеспечивает получение форм и стержней требуемого качества и не вызывает прилипания формовочной смеси к оснастке. Однако и этот состав не лишен недостатков, главным из которых является нестабильность состава и связанная с этим его неоднородность. Причиной этого является то, что данный состав - эмульсионный, однако эмульсия не стабильна и расслаивается на водный и органический слои не только при хранении, но и при использовании. Последнее обстоятельство вызывает практическую невозможность использования данного эмульсионного состава в производстве.

Целью предлагаемого изобретения является повышение стабильности эмульсионного связующего и улучшение его технологических свойств при сохранении высоких прочностных показателей изготовляемых форм и стержней.

Для достижения поставленной цели предлагается эмульсионное связующее теплового отверждения для изготовления литейных стержней и форм, включающее водорастворимые лигносульфонаты, органический растворитель и талловый пек, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит неионогенное поверхностно-активное вещество (ПАВ), представляющее собой продукт оксиэтилирования органических спиртов, кислот или их смесей с количеством оксиэтильных звеньев 2-10 при следующем отношении ингредиентов (в мас.%):

Пек талловый 25-28

Растворитель углеводородный 0-17

Лигносульфонаты (в пересчете на сухое вещество) 20-21

Неионогенное ПАВ 8-10.5

Вода Остальное

Для получения предлагаемого связующего теплового отверждения для изготовления литейных форм и стержней в реактор, снабженный рубашкой для обогрева, обратным холодильником-конденсатором и перемешивающим устройством загружают в определенной последовательности указанные ингредиенты и перемешивают смесь при температуре 35-40°С в течение 1-1.5 ч. После этого изготовленное связующее сливают в тару.

Эмульсионное литейное связующее заявляемого состава представляет собой однородную вязкую при температуре окружающей среды массу от светло-желтого до темно-коричневого цвета. Продукт стабилен при хранении и не расслаивается на составляющие его фазы в течение длительного времени. В эмульсионном связующем заявляемого состава содержится 45-55% действующего (вяжущего) вещества. Условная вязкость продукта зависит от способа приготовления и находится в пределах 45-140 с по вискозиметру ВЗ-4.

Проверку эффективности предлагаемого связующего осуществляли общепринятым способом, а именно кварцевый песок в бегунах смешивали с определенным количеством связующего, формовали изделие, сушили в течение 1 ч при температуре 230-250°С и определяли прочностные характеристики.

Пример 1. В реактор, снабженный рубашкой для обогрева, обратным холодильником-конденсатором и перемешивающим устройством, помещают 50 вес. ч. 50%-ного раствора лигносульфонатов в воде, 10 вес.ч. неионогенного ПАВ с 10 звеньями окиси этилена (ОП-10) и 20 вес.ч. воды. Смесь тщательно перемешивают до полной ее гомогенизации и туда же при постоянном перемешивании порциями добавляют 35 вес.ч. разогретого до температуры 70°С таллового лека и после этого дополнительно 10 вес.ч. воды. Массу перемешивают при температуре окружающей среды до полной гомогенизации и сливают.

Полученное эмульсионное связующее представляет собой стабильную эмульсию прямого типа с вязкостью 69 с (по ВЗ-4) при температуре окружающей среды.

2 вес.ч. кварцевого песка помещали в бегуны, туда же загружали 0.12 вес.ч. эмульсионного связующего (2.6% действующих (вяжущих) веществ). После 5-7 мин перемешивания на пресс-формах изготовляли формы (в виде “восьмерок”) и сушили их в течение 1 ч при температуре 230-250°С. Измеренная прочность в сухом виде составила 10 кгс/см² (среднее по 5 измерениям).

Пример 2. То же, что в примере 1, но для изготовления форм в песок вводили 0.22 вес.ч. эмульсионного связующего (3.8% действующих веществ).

Пример 3. То же, что в примере 1. Но в качестве неионогенного ПАВ использовали продукт с 7 звеньями окиси этилена (ОП-7), а в бегуны вводили 0.27 вес.ч. эмульсионного связующего (4.5% действующих веществ).

Пример 4. В реактор по примеру 1 помещали 30 вес.ч. таллового пека и 20 вес.ч. органического растворителя - нефрас (осветительный керосин) и 10 вес.ч. неионогенного ПАВ с 2 звеньями окиси этилена (ОТМ-2). Смесь нагревали до температуры 70-80°С и перемешивали до получения однородной массы. Туда же порциями при постоянном перемешивании дозировали заранее приготовленную смесь, содержащую 50 вес.ч. 50%-ного водного раствора лигносульфонатов и 10 вес.ч. воды. Перемешивание проводили до полной гомогенизации смеси.

Полученное эмульсионное связующее представляет собой стабильную эмульсию обратного типа с вязкостью 130 с (по ВЗ-4) при температуре окружающей среды. Изготовление и испытание форм проводили так же, как и в примере 1. Прочность форм в сухом состоянии составила 20 кгс/см².

Пример 5. То же, что в примере 4. Но в качестве неионогенного ПАВ использовали продукт с 4 звеньями окиси этилена (ОП-4) в количестве 13 вес.ч.

Все результаты приготовления и испытания эмульсионного связующего обобщены в таблице.

Приведенные данные свидетельствуют, что предлагаемое связующее обеспечивает получение требуемой прочности формовочных смесей как в сыром, так и сухом состоянии. Существенным преимуществом предлагаемого эмульсионного связующего перед прототипом является однородность продукта, его стабильность и практически полное отсутствие прилипаемости формовочной смеси к оснастке.

Предлагаемое литейное связующее обеспечивает в заявляемых пределах получение продукта требуемого качества, а его применение - достижение необходимых прочностных характеристик стержней. Снижение доли таллового пека и лигносульфонатов приводит к необходимости повышения расхода связующего и неблагоприятно сказывается на стабильности продукта. В случае снижения доли неионогенного ПАВ в составе связующего не удается получить стабильный, нерасслаиваемый продукт. Повышение доли компонентов в составе нежелательно из-за экономических соображений.

Изготовление заявляемого литейного эмульсионного связующего не требует применения специального технологического оборудования, что позволило осуществлять его промышленный выпуск в условиях ГОУП “Нейво-Рудянский лесохимический завод” (п.г.т.Нейво-Рудянка, Свердловской обл.).

Применение заявляемого связующего для изготовления стержней также не требует специального оборудования, полностью вписывается в действующее оборудование литейных производств, что подтверждено результатами его применения в условиях ОАО “Нижнетагильский котельно-радиаторный завод” (Свердловская обл.). Немаловажным преимуществом заявляемого эмульсионного связующего является то, что при его использовании на предприятиях не требуется введения каких-либо дополнительных компонентов и продукт готов к употреблению.

Эмульсионное связующее может быть использовано в составах смесей для изготовления литейных форм и стержней, отверждаемых при тепловой обработке. Связующее содержит в мас.% талловый пек 25-28, углеводородный растворитель 0-17, лигносульфонаты в пересчете на сухое вещество 20-21, неионогенное поверхностно-активное вещество (ПАВ) 8-10,5, вода - остальное. ПАВ представляет собой продукт оксиэтилирования органических спиртов, кислот или их смесей с количеством оксиэтильных звеньев 2-10. Введение ПАВ в указанных количествах приводит к получению однородной стабильной эмульсии, отсутствию прилипаемости формовочной смеси к оснастке. Связующее обеспечивает получение литейных форм и стержней с высокими прочностными показателями. 1 табл.

Эмульсионное связующее теплового отверждения для изготовления литейных стержней и форм, включающее водорастворимые лигносульфонаты, органический растворитель и талловый пек, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит неионогенное поверхностно-активное вещество (ПАВ), представляющее собой продукт оксиэтилирования органических спиртов, кислот или их смесей с количеством оксиэтильных звеньев 2-10 при следующем отношении ингредиентов, мас.%:

Талловый пек 25-28

Растворитель углеводородный 0-17

Лигносульфонаты в пересчете

на сухое вещество 20-21

Неионогенное ПАВ 8-10,5

Вода Остальное