ЭКЗОТЕРМИЧЕСКАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ОБОГРЕВА ПРИБЫЛЕЙ СТАЛЬНЫХ И ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК Российский патент 2016 года по МПК B22D27/06 

Изобретение относится к литейному производству, а именно к составам экзотермических смесей, используемых для обогрева прибылей стальных и чугунных отливок.

Известна экзотермическая смесь для обогрева прибылей стальных и чугунных отливок, содержащая алюминиевый порошок, окислы железа, криолит, огнеупорный наполнитель и связующее, отличающаяся тем, что дополнительно содержит калиевую селитру, а в качестве связующего содержит самотвердеющую композицию, состоящую из полифенолятной смолы и сложноэфирного отвердителя при следующем содержании ингредиентов, мас. %: алюминиевый порошок 16,0-25,0; оксид железа 8,0-14,0; калиевая селитра 1,5-6,0; криолит 2,0-6,0; огнеупорный наполнитель в виде кварцевого песка или шамотного порошка 5,0-64,0; самотвердеющая композиция 4,0-8,5. При этом экзотермическая смесь дополнительно содержит легковесный наполнитель в виде золосферы или молотого керамзита в соотношении с огнеупорным наполнителем от 4:1 до 1:4 [1].

Однако экзотермическая смесь имеет ряд недостатков. Самотвердеющая композиция на основе полифенолятной смолы и сложных эфиров, предназначенная для изготовления формовочных смесей по α-set-процессу при получении отливок с высокой чистотой поверхности, в данном случае используется с целью получения экзотермических оболочек (вставок, стаканов) для оформления неответственных прибыльных частей отливок, идущих впоследствии на переплав. Это усложняет и удорожает процесс формовки.

Наиболее близкой к изобретению является 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. 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 [2].

Однако известная смесь имеет недостатки, а именно применение в ее составе в чистом виде криолита и калиевой селитры в качестве исходного сырья, а также дополнительного количества легковесного наполнителя существенно увеличивает затраты на материалы и трудоемкость формовки и изготовления изделий из них (оболочки, вставки или стаканы).

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.

Решается задача снижения материальных затрат на приобретение ряда функциональных компонентов экзотермической смеси за счет использования в ее составе отходов производства и сокращения трудоемкости в части исключения операции формовки из технологии изготовления изделий из смеси.

Технический результат - получение экзотермической смеси, обладающей жидкоподвижностью, что позволяет исключить операцию уплотнения смеси в оснастке, высокими прочностными характеристиками, теплоизоляционными свойствами, газопроницаемостью и живучестью, обеспечивающими в комплексе качество изделий из смеси.

Технический результат достигается тем, что экзотермическая смесь для обогрева прибыли стальных и чугунных отливок, содержащая алюминиевый порошок, огнеупорный наполнитель и самотвердеющую композицию на основе жидкого стекла, дополнительно содержит шлам закалочных баков и шлам селитровых ванн термического производства при следующем содержании ингредиентов, мас. %:

алюминиевый порошок: 16,0-27,0 жидкое стекло 6,0-7,0 отвердитель жидкого стекла - АЦЭГ 0,6-0,7 шлам селитровых ванн термического производства 2,5-7,5 шлам закалочных баков 13,0-22,0 огнеупорный наполнитель остальное

Для обеспечения текучести в смесь дополнительно вводится поверхностно-активное вещество (ПАВ) - водный раствор алкилсульфатов триэтаноламина плотностью 1045-1100 кг/м³ в количестве 0,05-0,15% по массе.

Шлам закалочных баков и шлам селитровых ванн термического производства образуются на машиностроительных предприятиях, имеющих в своем составе участки и цеха термической обработки, и в большинстве случаев отправляются непосредственно на полигоны промышленных отходов для захоронения.

Шлам закалочных баков представляет собой эмульсию отработанного масла и окалины с характерным запахом гари и содержит в своем составе до 65-70 мас. % оксидов железа.

Шлам селитровых ванн термического производства представляет собой пасту коричневого цвета высокой плотности с низкой влажностью и содержит в своем составе до 70-80 мас. % нитратов натрия или калия.

Шлам закалочных баков в составах смеси является основным источником оксидов железа, которые в экзотермической реакции являются окислителями.

Шлам селитровых ванн термического производства является источником селитры, наличие которой в составах экзотермической смеси дает возможность для регулирования температуры ее воспламенения и обеспечения стабильности горения.

Использование отходов в качестве компонентов экзотермической смеси обеспечивает расширение сырьевой базы материалов литейно-металлургических технологий, способствует развитию ресурсосбережения и рециклинга промышленных отходов, рационального природопользования.

При этом уменьшаются затраты литейных цехов на приобретение дорогостоящих веществ, а также на мероприятия по захоронению промышленных отходов цехов термической обработки на специальных полигонах.

Алюминиевый порошок обеспечивает протекание экзотермической реакции и горение смеси, выступая в роли восстановителя железа из его оксидов под действием высоких температур.

Огнеупорный наполнитель в виде кварцевого песка является основным компонентом экзотермической смеси и обеспечивает равномерное распределение остальных ее составляющих при смесеприготовлении и их удержание при действии связующего материала.

Самотвердеющая композиция на основе жидкого стекла выступает в качестве связующего в составе экзотермической смеси.

В качестве отвердителя в составе самотвердеющей композиции на основе жидкого стекла использовался АЦЭГ.

Поверхностно-активное вещество вводится для перевода экзотермической смеси в разряд жидкоподвижных самотвердеющих, не требующих уплотнения при формовке в оснастке, а также снижения массы и повышения теплоизолирующих свойств готовых прибыльных оболочек.

Содержание шламов закалочных баков в количестве менее 13%, как и более 22%, нарушает протекание экзотермических реакций, так как оксид железа является основным их компонентом в стехиометрическом соотношении с алюминиевым порошком.

Содержание шламов селитровых ванн в количестве менее 2,5% приводит к повышению температуры начала экзотермической реакции, делая ее близкой к расчетному значению для каждой рассматриваемой химической реакции, в среднем около 900°С. Это может привести к позднему началу работы экзотермической оболочки и снижению эффективности обогрева металла прибыльной части отливки.

Содержание шламов селитровых ванн в количестве более 7,5% значительно уменьшает температуру и резко ускоряет протекание экзотермической реакции в смеси. Это может привести к снижению эффективности работы прибыльных оболочек - экзотермическая реакция пойдет раньше, чем металл в отливке достигнет интервала.

Содержание алюминиевого порошка в количестве менее 16% и более 27% нарушает протекание экзотермической реакции в смеси в стехиометрическом соотношении с железом, так как он является восстановителем железа из оксидов.

Содержание в самотвердеющей композиции на основе жидкого стекла отвердителя АЦЭГ в количестве 0,1 части от массы жидкого стекла обеспечивает схватывание и твердение смеси.

Содержание ПАВ - водного раствора алкилсульфатов триэтаноламина в количестве 0,05-0,15% соответствует рекомендуемому для жидкоподвижных самотвердеющих смесей [3].

По стандартным методикам для формовочных смесей контролировались живучесть; прочность при сжатии: через 1 час, через 3 часа, через 24 часа; газопроницаемость: через 1 час, через 24 часа.

Свойства заявляемых смесей в сравнении с прототипом приведены в таблице 1.

Из таблицы 1 видно, что:

1) живучесть всех заявляемых смесей, как минимум, не уступает прототипу, а в большинстве случаев превышает ее;

2) уровень прочностных свойств заявляемых смесей и прототипа примерно одинаков и при этом соответствует таковому для ЖСС [3];

4) заявляемые смеси обладают высокой газопроницаемостью, что снижает массу прибыльных оболочек и обеспечивает дополнительный теплоизолирующий эффект.

Заявляемые экзотермические смеси обладают преимуществами перед прототипом, поскольку за счет приобретения ими жидкоподвижного вида сокращается цикл изготовления экзотермических оболочек, так как исключается операция уплотнения смеси в оснастке. Кроме того, их использование:

- способствует развитию ресурсосбережения в литейном производстве;

- развивает технологию рециклинга промышленных отходов;

- расширяет сырьевую базу материалов для литейно-металлургических технологий.

Пример 1.

Экзотермическую смесь приготавливали в лабораторном лопастном смесителе периодического действия марки LMR-2e. При этом первыми загружались сухие компоненты в следующем порядке: огнеупорный наполнитель, шлам закалочных баков, шлам селитровых ванн. После перемешивания в течение 2-3 минут вводили алюминиевый порошок. По истечении 1-1,5 минут перемешивания указанных компонентов добавляли жидкое стекло. После ввода жидкого стекла перемешивание проводили 1-1,5 минуты. Для получения экзотермических оболочек приготовленная смесь формовалась в металлической оснастке уплотнением. Состав экзотермической смеси содержал следующее соотношение компонентов, мас. %:

алюминиевый порошок: 25 жидкое стекло 6 отвердитель жидкого стекла - АЦЭГ 0,6 шлам селитровых ванн термического производства 5 шлам закалочных баков 20 огнеупорный наполнитель 43,4 Итого: 100

Отвердитель жидкого стекла АЦЭГ (ТУ 2332-016-05807977-2003) является эфиром уксусной кислоты и этиленгликоля и представляет собой смесь моно- и диацетата этиленгликоля. Промышленно производятся пять марок АЦЭГ: 1Б, 2СБ, 3СМ, 4М, 50М [4].

Состав марок АЦЭГ описывается следующими соотношениями, мас. %:

В составах смесей по примерам 1 и 2 применялся АЦЭГ марки 3СМ.

Пример 2.

Экзотермическую смесь приготавливали в лабораторном лопастном смесителе периодического действия марки LMR-2e по примеру 1. Для перевода смеси в жидкоподвижный вид вводили водный раствор алкилсульфатов триэтаноламина плотностью 1045-1100 кг/м³. С целью получения экзотермических оболочек приготовленная смесь заливалась в металлическую оснастку. При этом уплотнение смеси не проводилось. Для получения состава экзотермической смеси использовалась компоненты в следующем соотношении, мас. %:

алюминиевый порошок: 25,00 жидкое стекло 6,00 отвердитель жидкого стекла - АЦЭГ 0,60 шлам селитровых ванн термического производства 5,00 шлам закалочных баков 20,00 водный раствор алкилсульфатов триэтаноламина 0,15 огнеупорный наполнитель 43,25 Итого: 100

Источники информации

1. Патент на изобретение РФ №2369462, B22D 27/06, 2009.

2. Патент на изобретение РФ №2369461, B22D 27/06, 2009 - прототип.

3. Борсук П.А. Жидкие самотвердеющие смеси / П.А. Борсук, A.M. Лясс. - М.: Машиностроение, 1979. - 255 с.

4. Патент на изобретение РФ №2229488, C08L 61/10, C08K 13/02, 2004.

Изобретение относится к области литейного производства. Экзотермическая смесь содержит, мас.%: алюминиевый порошок 16,0-27,0, жидкое стекло 6,0-7,0, АЦЭГ 0,6-0,7, шлам селитровых ванн термического производства 2,5-7,5, шлам закалочных баков 13,0-22,0, огнеупорный наполнитель остальное. Использование в составе смеси отходов производства повышает ее жидкоподвижность, что позволяет исключить операцию формовки из технологии изготовления изделий из смеси. Обеспечиваются повышение прочностных характеристик, теплоизоляционных свойств, газопроницаемость и живучесть изделий из смеси. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 пр.

1. Экзотермическая смесь для обогрева прибыли стальных и чугунных отливок, содержащая алюминиевый порошок, огнеупорный наполнитель и самотвердеющую композицию, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит шлам закалочных баков и шлам селитровых ванн термического производства, а самотвердеющая композиция содержит жидкое стекло и отвердитель АЦЭГ, при этом ингредиенты экзотермической смеси взяты в следующем соотношении, мас.%:
алюминиевый порошок: 16,0-27,0 жидкое стекло 6,0-7,0 отвердитель жидкого стекла - АЦЭГ 0,6-0,7 шлам селитровых ванн термического производства 2,5-7,5 шлам закалочных баков 13,0-22,0 огнеупорный наполнитель остальное

2. Экзотермическая смесь по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит поверхностно-активное вещество - водный раствор алкилсульфатов триэтаноламина плотностью 1045-1100 кг/м³ в количестве 0,05-0,15 мас.%.