ЭКЗОТЕРМИЧЕСКАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ОБОГРЕВА ПРИБЫЛЕЙ СТАЛЬНЫХ И ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК Российский патент 2009 года по МПК B22D27/06 

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к составам экзотермических смесей, используемых для обогрева прибылей стальных и чугунных отливок.

Известна экзотермическая смесь для обогрева литейных прибылей, содержащая алюминиевый порошок, материал на основе окислов железа, марганцевую руду, глину огнеупорную, огнеупорный наполнитель и связующее, хромовую руду и материал на основе углерода при следующем соотношении ингредиентов, вес.%:

Алюминиевый порошок 10,5-18,0 Материал на основе окислов железа 25,0-50,0 Марганцевая руда 3,0-15,0 Хромовая руда 5,0-25,0 Глина огнеупорная 5,0-10,0 Огнеупорный наполнитель 3,0-25,0 Материал на основе углерода 5,0-12,0 Связующее 5,0-10,0

(см. МПК B22D 27/06 описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №608608, опубл. 30.05.1978 г.).

Недостатком известной экзотермической смеси является то, что в ней содержится низкое количество огнеупорного наполнителя (кварцевого песка), вследствие чего смесь имеет высокую теплопроводность и на небольших отливках вызывает преждевременное затвердевание прибыльной части из-за захолаживающего эффекта, что приводит к браку по усадочным дефектам. Кроме того, применение этой смеси требует тепловую сушку оболочек, удлиняющую цикл изготовления оболочек, а в ряде случаев и цикл получения самих отливок.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является экзотермическая смесь, включающая алюминиевый порошок, марганцевую руду, окислы железа, криолит, огнеупорную глину и связующее, при следующем соотношении ингредиентов, вес.%:

Алюминиевый порошок 19-23 Марганцевая руда 3-5 Окислы железа 10-15 Криолит 4-6 Глина огнеупорная 52-55 Связующее 3-5

(см. МПК B22D 27/06 описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №608609, опубл. 30.05.1978 г.).

В известной экзотермической смеси в качестве наполнителя применяют молотую огнеупорную глину до 55%. Связующим в данном случае являются декстрин, сульфитный щелок и жидкое стекло. Использование декстрина требует длительной тепловой сушки экзотермической оболочки для придания ей необходимой прочности. Кроме того, декстрин является пищевым продуктом и также как и сульфитный щелок не применяется в настоящее время в литейном производстве.

Большое количество в смеси тонкодисперсной глины и низкое содержание водных связующих (сульфитного щелока и жидкого стекла) не обеспечивают смесям достаточной «сырой» прочности и формуемости, затрудняет получение фасонных экзотермических изделий. Поэтому известная экзотермическая смесь применяется, в основном, в качестве засыпки.

Применение в качестве наполнителя в смеси молотой огнеупорной глины помимо повышения тепловой эффективности имеет и другие недостатки, связанные с тонкодисперсностью наполнителя, резко снижающей газопроницаемость экзотермической оболочки, что может вызвать «кип» металла в зоне прибыли.

Техническим результатом заявляемого технического решения является получение экзотермической смеси с высокими прочностными характеристиками и теплоизоляционными свойствами, исключающими необходимость тепловой сушки оболочек, сокращающими цикл их изготовления и повышающими эффективность теплового воздействия на прибыльную зону отливки при ее использовании для стального и чугунного литья.

Технический результат достигается тем, что экзотермическая смесь для обогрева прибыли стальных и чугунных отливок, содержащая алюминиевый порошок, оксид железа, криолит, огнеупорный наполнитель и связующее, дополнительно содержит калиевую селитру и триполифосфат натрия, а в качестве связующего содержит самотвердеющую композицию из жидкого стекла и сложноэфирного отвердителя при следующем содержании ингредиентов (мас.%):

Алюминиевый порошок 17,0-27,0 Оксид железа 9,0-15,0 Калиевая селитра 2,0-6,0 Криолит 2,0-6,0 Триполифосфат натрия 0,1-0,5 Огнеупорный наполнитель 32-62,4 Самотвердеющая композиция 7,5-13,5

(связующее + отвердитель)

при этом огнеупорный наполнитель в виде кварцевого песка или шамотного порошка дополнительно содержит легковесный огнеупорный наполнитель в соотношении к объему основного огнеупорного наполнителя от 4:1 до 1:4, при этом в качестве легковесного наполнителя она содержит золосферу, при этом в качестве легковесного наполнителя содержит молотый керамзит.

Ввод калиевой селитры в количестве 2,0-6,0% обеспечивает стабильное горение смеси, а также позволяет регулировать температуру воспламенения смеси. При содержании калиевой селитры менее 2,0% смесь имеет высокую температуру воспламенения (более 900°С). Увеличение калиевой селитры более 6% резко снижает температуру воспламенения и приводит к преждевременному воспламенению изделия из данной смеси, что ухудшает работу обогреваемой прибыли. Кроме того, увеличение содержания калиевой селитры свыше 6,5% приводит к бурному протеканию реакции с выбросом металла, приводящего к браку отливок.

Алюминиевый порошок при его содержании в количестве 17,0-27,0% обеспечивает горение смеси. Увеличение или уменьшение вводимого алюминия - порошка приводит к нарушению протекания реакции горения.

Окислы железа (9,0-15,0%) являются окислителями. Введение их в смесь в указанных количествах способствует стабильному протеканию реакции.

Криолит (2,0-6,0) стабилизирует скорость протекания реакций.

При изготовлении крупных отливок с массивными прибылями экзотермическая оболочка или вставка, выполненные из холоднотвердеющей жидкостекольной смеси, может спекаться, затрудняя удаление оболочки с поверхности прибыли. С целью легкого разрушения и удаления экзотермической смеси с прибыльной части отливки в состав смеси вводится триполифосфат натрия в количестве 1,5-4,0 мас.% от массы жидкого стекла или (0,1-0,5%) соответственно. При содержании в смеси полифосфата натрия менее нижнего предела 0,1% не достигается разупрочняющего эффекта, а при содержании добавки выше верхнего предела 0,5% дальнейшее повышение разупрочняющего эффекта малозаметно. Введение в экзотермическую смесь с жидким стеклом полифосфата натрия уменьшает спекание смеси и снижает трудоемкость ее удаления с поверхности прибыли в 2-3 раза.

Вторым отличием от ближайшего аналога является то, что в состав кроме известных наполнителей (шамотного порошка или кварцевого песка) вводится легковесный огнеупорный наполнитель золосфера или молотый керамзит, позволяющие обеспечить экзотермической смеси не только обогревающий эффект, но и придать ей дополнительные теплоизоляционные свойства и тем самым повысить эффективность применения экзотермической смеси, снизить ее расход на одну тонну литья. Так замена части шамотного кирпича или кварцевого песка до 75% золосферой снижает объемный вес оболочек с 1610 кг/м³ до 1130 кг/м³ (см. табл.4).

В составе приведенной самотвердеющей композиции: при ее нижнем пределе содержится 6,8 мас.% жидкого стекла и 0,68 мас.% сложноэфирного отвердителя, при верхнем пределе содержится 12,3 мас.% жидкого стекла и 1,23 мас.% сложноэфирного отвердителя.

В табл.1 и 2 приведены составы и свойства экзотермической смеси при минимальном, оптимальном и максимальном содержании связующей композиции.

Таблица 1
Состав смесей Ингредиенты экзотермической смеси, мас.% Смесь №1 Смесь №2 Смесь №3 Смесь по прототипу Алюминиевый порошок АПВ 17,0 22,0 27,0 19-23 (ТУ 48-5-152-78)         Марганцевая руда - - - 3-5 Оксид железа 9,0 12,0 15,0 10-15 Селитра калиевая 2,0 4,0 6,0 - техническая марки Б, В         (ГОСТ 19790-74)         Криолит искусственный 2,0 4,0 6,0 4-6 технический марки КА         (ГОСТ 10561-80)         Триполифосфат натрия 0,1 0,3 0,5 - Огнеупорная глина - - - 52-55 Огнеупорный наполнитель 62,4 47,2 32,0 - Самотвердеющая композиция 7,5 10,5 13,5 - (жидкое стекло + отвердитель         [марки 2СБ), мас.%        

Таблица 2
Свойства экзотермических смесей Свойства Смесь №1 Смесь №2 Смесь №3 Смесь по прототипу Живучесть, мин 10 11 13 - Прочность на сжатие (МПа)         через:         1 час 0,27 0,58 0,87 - 3 часа 0,6 0,95 1,32 - 24 часа 1,1 1,8 2,3 - После сушки - - - 1,5-1,8

В зависимости от марки отвердителя можно регулировать живучесть экзотермической смеси (табл.3).

Таблица 3
Влияние марки отвердителя на живучесть холоднотвердеющей экзотермической смеси Марка отвердителя 1Б 2СБ 3СМ 4М Живучесть смеси, мин 5 12 20 35

Содержание самотвердеющей композиции в экзотермических смесях составляет 7,5-13,5 мас.% от сухой массы смеси. При содержании менее 7,5% самотвердеющей композиции не достигаются необходимые прочностные свойства смеси, а при повышении содержания композиции более 13,5% увеличивается стоимость смеси, возрастает влажность смеси до опасных пределов, способной вызвать «кип» металла, а излишне высокие прочности оболочек могут привести к нежелательным последствиям.

Таблица 4
Влияние легковесного наполнителя на плотность смеси Количество легковесного наполнителя в смеси, объемн.% от общего объема 0% 25% 50% 75% 100% Плотность смеси (кг/м³) при использовании в качестве легковесного наполнителя:           Молотый керамзит 1610 1390 1260 1210 1150 Золосфера 1610 1415 1250 1130 1100

Легковесный наполнитель (золосфера или молотый керамзит) вводится в экзотермическую смесь в объемном соотношении к основному наполнителю от 4:1 до 1:4. Увеличение соотношения «основной наполнитель: легковесный наполнитель» более 4:1 снижает теплоизолирующие свойства смеси. Уменьшение соотношения «основной наполнитель: легковесный наполнитель» менее 1:4 увеличивает теплоизолирующие свойства смеси и снижает ее прочностные свойства.

Приготовление экзотермической смеси осуществляется на известных смесителях периодического или непрерывного действия. При изготовлении экзотермических смесей в смесителях периодического действия сначала загружаются сухие компоненты и перемешиваются в течение 2-3 минут. Загрузка и перемешивание сухих компонентов в смеситель осуществляется в следующем порядке. Первым загружается огнеупорный наполнитель, затем материал, содержащий окислы железа, далее загружаются калиевая селитра и криолит. После этого производится кратковременное перемешивание. Алюминиевый порошок вводится в последнюю очередь. Жидкие отвердители (ацетаты этиленгликоля) предпочтительно вводить первыми после перемешивания сухих компонентов, а после их перемешивания в течение 1-1,5 минут вводить жидкое стекло. Продолжительность перемешивания экзотермической смеси после ввода жидкого стекла 1-1,5 минут. Приготовленная экзотермическая смесь подается к стержневым ящикам. По мере засыпки смеси в стержневые ящики производится ее уплотнение вручную, или с помощью вибрации или прессования. В местах поднутрений смесь подуплотняется вручную.

При использовании смесителей непрерывного действия рекомендуется приготовление смеси осуществлять в два этапа. Сначала все сухие компоненты смешиваются в смесителе периодического действия. Затем они подаются в бункер смесителя непрерывного действия. Предпочтительно в смесительную камеру сначала подавать отвердитель, а на некотором расстоянии от места ввода отвердителя подавать жидкое стекло.

В предлагаемой смеси нет использования марганцевой руды. Связующая самотвердеющая композиция состоит из:

а) связующего - жидкого стекла по ГОСТ 13078-81 плотностью 1450-1500 кг/м³ при величине модуля исходного стекла 2,5-3,0.

б) сложноэфирного отвердителя - ацетатов этиленгликоля (АЦЭГ), представляющих собой смесь ди- и моноацетата этиленгликоля, поставляемых по ТУ 2332-016-05807977-2003.

Содержание сложноэфирного отвердителя в составе композиции составляет 10% (по массе) от связующего.

Получаемая экзотермическая смесь обладает заданными технологическими свойствами и физико-механическими характеристиками смесей:

- живучесть смесей (время сохранения смесью свойств формуемости) составляет 5-20 минут.

- продолжительность твердения до извлечения оболочки из оснастки 30-50 минут.

- прочность смеси при сжатии (достижение смесью манипуляторной прочности - (транспортировка, простановка оболочки в форму) через 3 часа не менее 0,5-0,6 МПа.

- прочность при сжатии через 15…24 - 1,25…2,0 МПа.

При изготовлении оболочек или экзотермических вставок может применяться как деревянная, так и металлическая оснастка, поверхность которой покрывается известными разовыми или полупостоянными разделительными покрытиями.

Оболочки и экзотермические ставки, изготовленные из заявляемой смеси, окрашиваются известными противопригарными самовысыхающими красками.

Предлагаемая экзотермическая смесь по сравнению с известными смесями имеет следующие технико-экономические преимущества:

- позволяет полностью отказаться от длительной тепловой сушки оболочек, сэкономив при этом топливо и энергоресурсы;

- сократить цикл изготовления экзотермических оболочек и готовых под заливку форм;

- осуществить одновременное изготовление форм, стержней и экзотермических оболочек из холоднотвердеющих смесей по единому технологическому процессу;

- применение в составе наполнителей легковесных огнеупорных материалов позволяет сочетать в одной смеси экзотермический и теплоизолирующий эффект;

- позволяет повысить выход годного на 12-15%.

Изобретение относится к области литейного производства. Экзотермическая смесь содержит, мас.%: алюминиевый порошок 17,0-27,0, оксид железа 9,0-15,0, калиевая селитра 2,0-6,0, криолит 2,0-6,0, триполифосфат натрия 0,1-0,5, огнеупорный наполнитель 32-62,4, самотвердеющую композицию из жидкого стекла и сложноэфирного отвердителя 7,5-13,5. Огнеупорный наполнитель в виде кварцевого песка или шамотного порошка дополнительно содержит легковесный огнеупорный наполнитель в соотношении к объему основного огнеупорного наполнителя от 4:1 до 1:4. В качестве легковесного наполнителя смесь содержит золосферу или молотый керамзит. Экзотермическая смесь обладает высокими прочностными характеристиками и теплоизоляционными свойствами, исключающими необходимость тепловой сушки оболочек. Обеспечивается сокращение цикла изготовления экзотермических оболочек, повышение эффективности теплового воздействия на прибыльную зону стальных и чугунных отливок. 3 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Экзотермическая смесь для обогрева прибыли стальных и чугунных отливок, содержащая алюминиевый порошок, оксид железа, криолит, огнеупорный наполнитель и связующее, отличающаяся тем, что дополнительно содержит калиевую селитру и триполифосфат натрия, а в качестве связующего содержит самотвердеющую композицию из жидкого стекла и сложноэфирного отвердителя при следующем содержании ингредиентов, мас.%:
Алюминиевый порошок 17,0-27,0 Оксид железа 9,0-15,0 Калиевая селитра 2,0-6,0 Криолит 2,0-6,0 Триполифосфат натрия 0,1-0,5 Огнеупорный наполнитель 32,0-62,4 Самотвердеющая композиция 7,5-13,5

2. Экзотермическая смесь по п.1, отличающаяся тем, что огнеупорный наполнитель в виде кварцевого песка или шамотного порошка дополнительно содержит легковесный огнеупорный наполнитель в соотношении к объему основного огнеупорного наполнителя от 4:1 до 1:4.

3. Экзотермическая смесь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве легковесного наполнителя она содержит золосферу.

4. Экзотермическая смесь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве легковесного наполнителя содержит молотый керамзит.