НАПОЛНИТЕЛЬ ФОРМОВОЧНОЙ СМЕСИ Российский патент 2011 года по МПК B22C1/00 

Описание патента на изобретение RU2414321C1

Изобретение относится к литейному производству, в частности к формовочным смесям, используемым для изготовления литейных форм и стержней при литье жаропрочных, нержавеющих, легированных марок стали и сплавов с температурами плавления более 1500°C.

Известен наполнитель, представляющий собой природный молотый хромит с размером частиц фракции 0,28-0,16 мм 50-90% и фракции менее 0,044 мм 10-50% [1]. Данный материал имеет высокую температуру плавления (2100°C), в сочетании с глинистым и жидкостекольным связующим обеспечивает отсутствие пригара при литье черных и цветных металлов. Однако в связи с преобладанием в составе легковосстановимых оксидов переходных металлов Cr2O3 и Fe2O3 его невозможно использовать для литья металлов и сплавов с высоким химическим сродством к кислороду: титана, кремния, алюминия и других.

Известен также наполнитель для формовочной смеси на основе металлургического магнезита, минеральный (фазовый) состав которого представлен оксидом магния MgO в виде минерала под названием периклаз. Организовано промышленное производство спеченного периклазового порошка для литейных форм марки ППЛФ [2]. Этот материал содержит более 91 мас.% MgO, CaO не более 3,5 и SiO2 не более 3,0 мас.%, что обуславливает высокую температуру плавления, превышающую 2300°C. Данный наполнитель вполне пригоден для производства формовочных смесей при литье тугоплавких металлов, имеющих высокое химическое сродство к кислороду, например к титану и сплавам на его основе.

Однако мономинеральный периклазовый наполнитель в формовочных материалах можно использовать для литейных смесей только с ограниченным ассортиментом связующих, например с безводными полимерами и в меньшей степени с жидкостекольными [3].

В самотвердеющих формовочных смесях с фосфорной кислотой можно применять периклаз только в виде добавки (1,0-5,0 мас.%) [4]. Такое ограничение содержания периклазового наполнителя вызвано интенсивным химическим взаимодействием периклаза с минеральными и органическими кислотами, в результате чего периклазо-кислотные формовочные смеси имеют весьма малую живучесть.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является огнеупорный наполнитель - хромомагнезит [5], состоящий из продуктов обжига смеси 30-50 мас.% металлургического магнезита и 50-70 мас.% хромитовой руды. Известный материал содержит мас.% MgO не менее 42 и Cr2O3 не менее 15. При этом суммарное содержание высокоогнеупорных оксидов, входящих в состав периклаза и хромита, составляет не менее 57, а на долю легкоплавких флюсующих примесей фактически приходится до 43 мас.%. Особенно отрицательно влияет на эксплуатационные свойства формовочных смесей на основе хромомагнезита высокое содержание оксидов кальция, кремния и железа. При таких концентрациях в хромомагнезите легкоплавких примесей при литье черных металлов, особенно легированной стали, в контактном слое литейной формы образуется высокое содержание эвтектического поликомпонентного расплава в системе CaO-FeO-Fe2O3-SiO2, что неизбежно приводит к формированию пригара. При высоком содержании легкоплавких примесей в периклазохромитовом наполнителе возникают сложности с выбором оптимального гранулометрического состава смеси, так как при повышенной дисперсности периклазохромита происходит образование пригара, а при более крупном наполнителе отсутствие или недостаточность спекания горячей поверхности литейной формы. Кроме того, недостатком известного формовочного наполнителя является преобладание в его составе относительно малотеплопроводного минерала хромита (коэффициент теплопроводности периклаза почти в 3,5 выше, чем у хромита), что также осложняет получение беспригарных отливок.

Задачей настоящего технического решения является улучшение эксплуатационных свойств наполнителя периклазохромитового состава путем оптимизации его минерального состава.

Поставленная задача решается тем, что наполнитель формовочной смеси, включающий периклаз и хромит, дополнительно содержит феррошпинелид и ортосиликат при следующем соотношении компонентов, мас.%:

периклаз 30-72 хромит 22-44 феррошпинелид 3-11 ортосиликат 3-15

При этом феррошпинелид представлен твердым раствором магнезио-феррита MgFe2O4 (температура плавления 1750°C) и магнетита (температура плавления 1590°C).

Ортосиликат является механической смесью в любом соотношении форстерита Mg2[SiO4] (температура плавления 1890°C), монтичеллита CaMg[SiO4] (температура плавления 1500°C), мервинита Ca3Mg[SiO4]2 (температура плавления 1575°C) и ларнита β-Ca2[SiO4] (температура плавления 2130°C).

Физико-химическая сущность технического решения заключается в том, что имеющиеся в периклазохромитовом наполнителе феррошпинелид и ортосиликат в регламентированных количествах выполняют главную функциональную роль: регуляторов как скорости формирования, так и качества вторичной керамической структуры литейной формы при ее высокотемпературной работе, то есть от заливки расплавленного металла до его затвердевания. Это обусловлено тем, что для комбинированного твердо-жидкофазного спекания в системе периклаз - хромит при температурах 1400-1700°C необходимо как минимум 10-15% объемных железисто-известково-силикатного расплава. Именно такое количество собственной силикатной жидкой фазы обеспечивает данное количество феррошпинелида и ортосиликата.

В случае использования в составе формовочной смеси жидкостекольного связующего (высокомодульного натриевого жидкого стекла) ортосиликаты магния и особенно кальция также оказывают положительное влияние на отверждение литейной формы и формирование первичной керамической структуры за счет более низкотемпературного плавления сложного известково-натриевого силиката (температура плавления около 1000°C).

Технический результат изобретения - снижение пригара при литье высоколегированных марок стали.

Экспериментально установлено, что при содержании феррошпинелида менее 3 мас.% не обеспечивается достаточного спекания и упрочнения наполнителя. Если количество феррошпинелида превышает 11 мас.%, то резко уменьшается огнеупорность и происходит увеличение пригара.

В случае снижения ортосиликата менее заявленного предела формируется пористая структура наполнителя, что приводит к интенсивной пропитке формы разливаемым металлом. Если количество ортосиликата более 15 мас.%, происходит пиропластическая деформация контактного слоя с жидким металлом и увеличение пригара.

Суммарное содержание указанных функциональных железисто-силикатных компонентов должно находится в пределах 6-26 мас.%, при этом соотношение между содержаниями феррошпиналида и ортосиликата составляет 0,7-1,0. При меньшем количестве указанных соединений не обеспечивается достаточного упрочнения формовочной смеси, а в случае превышения 26 мас.% резко снижается огнеупорность, термомеханические свойства смеси, что вызывает деформацию формы и брак отливки.

Феррошпинелид и ортосиликат выполняют роль высокотемпературной матрицы, цементирующей частицы высокоогнеупорных фаз, представленных кристаллическим сростком периклаза и хромита. Их суммарное содержание 74-94 мас.% необходимо для сохранения достаточной высокотемпературной прочности формы со всеми минеральными вяжущими до температуры не менее 1720°C. Максимальное содержание периклаза (температура плавления 2800°C) ограничено 72 мас.% в связи с возможной гидратацией при использовании водосодержающих связующих по реакции:

MgO+H2O→Mg(OH)2.

При нагревании формы до 420°C гидросид магния (брусит) диссоциирует с выделением водяного пара, что увеличивает газотворность смеси и вероятность появления газовых раковин в отливке.

Выбранные пределы содержания хромита определяются оптимальным соотношением MgO:Mg(Cr,Al,Fe)2O4=1,4-1,7 для получения термостабильной керамической структуры с необходимым уровнем главных теплофизических свойств литейной формы (теплопроводности, термического расширения, теплоаккумулирующией способности и др.).

Примеры конкретного выполнения

Для испытания в лабораторных условиях были изготовлены серии образцов формовочных смесей с периклазохромитовым наполнителем и жидко-стекольным связующим. В качестве наполнителя использовали периклазовые, периклазохромитовые и хромитопериклазовые огнеупоры после службы в тепловых агрегатах черной металлургии. Лом отработанных футеровок подвергали измельчению до среднего геометрического размера частиц 0,30 мм. В качестве связующего применяли натриевое жидкое стекло с силикатным модулем 2,6 и плотностью 1,45 г/см3 в количестве 4,3 мас.%.

Для изготовления образца-прототипа использовали то же связующее с аналогичной влажностью шихты, а в качестве наполнителя применяли смесь порошка хромитового марки ПХ - 45 (содержание Сr2O3 47,2 мас.%) (ТУ 14-8-261-78) и порошка периклазового спеченного марки ППИ-92 (содержание MgO 92,5 мас.%) (ГОСТ 10360-85) со средним размером частиц также 0,30 мм.

Минеральный состав наполнителя в образцах заявляемого и известного состава приведен в таблице 1.

Из указанных выше шихт вручную набивали образцы в виде цилиндров диаметром и высотой 50 мм, которые подвергали отверждению углекислым газом.

У всех образцов после упрочнения углекислым газом определены показатели газопроницаемости (ГОСТ 11573-98) и предела прочности при сжатии (ГОСТ 4071.1-94). Свойства материала приведены в таблице 2. Кроме того, определены огнеупорность всех наполнителей без добавок (ГОСТ 4069-69) и предел прочности при сжатии образцов, отвержденных углекислым газом и обожженных при температуре 1000°C в течение 3 часов (таблица 2).

Как видно из данных, приведенных в таблице 2, огнеупорность и газопроницаемость заявляемого формовочного материала находятся примерно на одном уровне с материалом-прототипом, что позволяет успешно использовать их при температуре разливаемого металла не менее 1550°-1600°C. Однако важнейшим преимуществом заявляемого наполнителя является значительно более высокая механическая прочность как после углекислого отверждения, так и после термической обработки (обжиг) при 1000°C.

Главные преимущества предлагаемого наполнителя подтверждены также положительными результатами промышленных испытаний в формовочных смесях на жидкостекольном и органическом (полимерном) связующих.

Реализация изобретения позволяет расширить минерально-сырьевую базу производства формовочных материалов за счет использования техногенных материалов, уменьшить пригар и осыпаемость форм, снизить себестоимость литья.

Источники информации

1. Патент США №3788864, 1974. МКИ В28В 7/28.

2. Порошок периклазовый для литейных форм. Технические условия. ТУ 14-8-538-87. Огнеупорные изделия, материалы и сырье. Справочник. - М.: - Металлургия. 1991. С.352-353.

3. Патент РФ №2312732 B22C 1/06 2006. Опуб. 10.12.2007.

4. Патент РФ №2061572 B22C 1/18 1992. Опуб. 10.06.1996.

5. Литейные формовочные материалы. Справочник - М.: Машиностроение. - 2006, С.36.

Таблица 1 Минерал и его химическая формула Содержание минералов, мас.% Заявляемый состав За пределами Известный*
Пример 6
Пример 1 Пример 2 Пример 3 Пример 4 Пример 5 Периклаз MgO 30,0 50,0 72,0 32,0 25,0 38,0 Хромит Mg (Cr, Al, Fe)2O4 44,0 32,0 22,0 66,0 45,0 62,0 Феррошпинелид (Mg, Fe)Fe2O4 11,0 8,0 3,0 1,0 13,0 - Ортосиликат Mg2SiO4, Ca2SiO4, CaMgSiO4 Ca3Mg(SiO4)2 15,0 10,0 3,0 1,0 17,0 - * Литейные формовочные материалы. Справочник. - М.: - Машиностроение - 2006, с.36

Таблица 2 Наименование свойства №№ примеров выполнения Заявляемый состав За пределами Известный*
6
1 2 3 4 5 Огнеупорность материала (без добавок), °C 1730 1750 >1750 >1750 1640 >1750 Огнеупорность смеси с добавкой 10 мас.% жидкого стекла пл. 1,45 г/см3, °C 1650 1730 >1750 >1750 1580 >1750 Газопроницаемость образцов ** после продувки CO2, мкм2 85,3 80,1 89,6 82,4 60,3 83,5 Предел прочности при сжатии образцов смеси с добавкой 10 мас.% жидкого стекла пл. 1,45 г/см3 после продувки CO2, Н/мм2 8,2 7,6 6,0 1,6 6,2 1,8 Предел прочности при сжатии образцов смеси с добавкой 10 мас.% жидкого стекла пл. 1,45 г/см3 после обжига при температуре 1000°C, Н/мм2 21,8 18,6 12,9 5,1 31,6 5,7 * Литейные формовочные материалы. Справочник. - М.: - Машиностроение, - 2006, с.36
** Образцы изготовлены из смеси с добавкой 10 мас.% жидкого стекла плотностью 1,45 г/см3

Похожие патенты RU2414321C1

название год авторы номер документа
НАПОЛНИТЕЛЬ ДЛЯ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ 2014
  • Матюшев Игорь Иванович
  • Платонов Анатолий Валентинович
  • Волков Владислав Николаевич
  • Богатырева Ольга Николаевна
  • Кузьмин Борис Андреевич
  • Чумаков Владимир Александрович
  • Аксельрод Борис Моисеевич
  • Михайлов Игорь Федорович
  • Пивоварова Алла Петровна
RU2552216C1
Противопригарное покрытие для литейных форм и стержней 2018
  • Антошкина Елизавета Григорьевна
RU2689473C1
ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЗУСАДОЧНОГО, ПОРИСТОГО, ОГНЕУПОРНОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 2010
  • Владимиров Владимир Сергеевич
  • Илюхин Михаил Анатольевич
  • Мойзис Евгений Сергеевич
  • Мойзис Сергей Евгеньевич
  • Рыбаков Сергей Юрьевич
  • Лукин Евгений Степанович
  • Попова Нелля Александровна
RU2442761C1
ПРОТИВОПРИГАРНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ 1999
  • Гурлев В.Г.
  • Смолко В.А.
  • Дворяшина Ю.С.
  • Виноградов Б.Н.
  • Пакулев В.В.
RU2151019C1
ХРОМИТОПЕРИКЛАЗОВЫЙ ОГНЕУПОР 2019
  • Ярушина Татьяна Викторовна
  • Турчин Максим Юрьевич
  • Ерошин Михаил Александрович
  • Лаптев Александр Павлович
RU2708926C1
Керамическая смесь для изготовления литейных форм и стержней по постоянным моделям 1983
  • Липес Евгений Исаакович
  • Новожилов Николай Юрьевич
  • Раткевич Виктор Александрович
  • Тимофеев Геннадий Яковлевич
  • Евдокимова Людмила Петровна
  • Царевский Богдан Викторович
  • Кузнецов Виталий Евгеньевич
SU1156801A1
ПРОТИВОПРИГАРНАЯ КРАСКА ДЛЯ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК 2009
  • Миляев Владимир Михайлович
  • Гущин Юрий Валерьевич
  • Филиппенков Анатолий Анатольевич
  • Любимов Юрий Андреевич
  • Байков Хакимжан Хамазанович
  • Крупин Михаил Андреевич
  • Шарапов Анатолий Аркадьевич
  • Чащин Андрей Александрович
  • Кузнецов Виталий Евгеньевич
  • Ермолина Фаина Ивановна
  • Удинцев Сергей Леонидович
  • Троп Лариса Анатольевна
RU2414497C1
ОБЛИЦОВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ 2011
  • Баранов Василий Викторович
  • Дружевский Михаил Александрович
  • Константинов Юрий Дмитриевич
  • Муравьев Юрий Николаевич
  • Шарапов Валерий Александрович
  • Ронжин Игорь Геннадьевич
RU2450885C1
Шихта для изготовления огнеупорных изделий и футеровок 1988
  • Андриевских Леонид Иванович
  • Фролов Олег Иванович
  • Коптелов Виктор Николаевич
  • Чуклай Александр Маркович
  • Антонов Рудольф Павлович
  • Войникова Людмила Алексеевна
  • Сакк Валентина Ивановна
SU1609777A1
Противопригарная краска для литейных форм и стержней 2019
  • Вдовин Константин Николаевич
  • Феоктистов Николай Александрович
  • Пивоварова Ксения Григорьевна
  • Пономарёва Татьяна Борисовна
RU2722845C1

Реферат патента 2011 года НАПОЛНИТЕЛЬ ФОРМОВОЧНОЙ СМЕСИ

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для изготовления литейных форм и стержней при литье жаропрочных, нержавеющих, легированных марок стали и сплавов с температурой плавления более 1500°С. Наполнитель формовочной смеси содержит, мас.%: периклаз 30-72, хромит 22-44, феррошпинелид 3-11 и ортосиликат 3-15. Предпочтительное соотношение содержания феррошпинелида и ортосиликата составляет 0,7-1,0. Достигается уменьшение пригара и осыпаемости форм, снижение себестоимости литья. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

Формула изобретения RU 2 414 321 C1

1. Наполнитель формовочной смеси, включающий периклаз и хромит, отличающийся тем, что он дополнительно содержит феррошпинелид и ортосиликат при следующем соотношении компонентов, мас.%:
периклаз 30-72 хромит 22-44 феррошпинелид 3-11 ортосиликат 3-15

2. Наполнитель формовочной смеси по п.1, отличающийся тем, что соотношение между содержанием феррошпинелида и ортосиликата составляет 0,7-1,0.

3. Наполнитель формовочной смеси по п.1, отличающийся тем, что феррошпинелид представлен в виде твердого раствора магнезиоферрита MgFe2O4 и магнетита FeFe2O4.

4. Наполнитель формовочной смеси по п.1, отличающийся тем, что ортосиликат является механической смесью форстерита Mg2[SiO4], монтичеллита CaMg[SiO4], мервинита Ca3Mg[SiO4]2 и ларнита Ca2[SiO4] в произвольном соотношении.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2011 года RU2414321C1

БОЛДИН А.Н
и др
Литейные формовочные материалы
Справочник
- М.: Машиностроение, 2006, с.36
RU 2058210 C1, 20.04.1996
US 3788864 A, 29.01.1974
Смесь для изготовления литейных форм и стержней 1991
  • Спрыгин Анатолий Иванович
  • Хорошавин Лев Борисович
  • Розов Михаил Григорьевич
  • Филин Юрий Александрович
  • Ефимов Виктор Алексеевич
  • Ефимкин Евгений Петрович
  • Вяткин Александр Анатольевич
  • Абрамов Евгений Павлович
  • Капустин Виктор Григорьевич
SU1789319A1
УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИЙ ОГНЕУПОР 1993
  • Фролов О.И.
  • Сакк В.И.
  • Коптелов В.Н.
  • Бочаров Л.Д.
  • Киселева Е.А.
  • Чернышова Г.Б.
  • Андриевских Л.И.
  • Бибаев В.М.
RU2110499C1

RU 2 414 321 C1

Авторы

Перепелицын Владимир Алексеевич

Арзамасцев Николай Николаевич

Куталов Виктор Геннадьевич

Юмагулов Марат Хабибуллович

Даты

2011-03-20Публикация

2010-02-17Подача