Жидкостекольное связующее для изготовления литейных стержней и форм Советский патент 1985 года по МПК B22C1/18 

Изобретение относится к литейному производству, а именно к составам жидкостекольных для изготовления стержней и форм из холоднотвердеющих смесей (ХТС), отверждаемых преимущественно сложноэфирными реагентами. Известно использование водных растворов силикатов щелочных металлов (жидкого стекла) в качестве связующего в составах ХТС, отверждаемых сложноэфирными реагентами типа ацетатов:глицерина или пропиленкарбоната 13 или продукта оксиалкилирования этиленгликоля и малеинового ангидрида (отвердитель Эфирол-СПЭ ХТС указанного типа обеспечивают вы сокие физико-механические показатели стержней и форм при содержании жидкого стекла 3,5-4,0 мас.%. Для улучшения выбиваемости известных ХТС из отливок желательно дальнейшее снижение содержания жидкого стекла (до 2,0-2,5 мас.%). Однако при этом ие достигается оптимального сочетания таких параметров ХТС, как живучесть и начальная прочность (нормальной живучести соответствует неудовлетворительная начальная прочность или нормальной начальной прочности соответствует неудовлетворительная живучесть). Известно жидкостекольное связующее в виде жидкого стекла и фтала тов (диметил-, дибутилфталата и др.) предназначенное для использования в составах ХТС с отвердителем пропил енкарбонат ом 31 . Данные добавки фталатов позволяют повысить живучесть ХТС при повыоенно температуре окружающей среды, однако они не позволяют снизить содержания жидкого стекла в составе ХТС ниже 3,5-4,0 мас.% ввиду отсутствия оптимального сочетания для ХТС живучеети и начальной прочности. Известны жидкостеколъные связующие, полученные путем сочетания жидкого стекла с побочньмн продуктами п реработки растительного сырья: оттеками пресными, представляющими собой глюкозные утфеля 4}, дефикатом, пре ставляющим собой минеральный (на основе окиси магния) побочный продукт при производстве Сахаров 5, кубовыми остатками при производстве фурилового спирта, включающими наряду с фуриловым спиртом и фурфуролом 1,4-гекс-андиол 6, ощелаченной сульфитно-дрожжевой бражкой 73, кубовыми остатка№1 при производстве глицерина и древесины 8. Известные связующие предназначены преимущественно к технологии отверждения стержней и форм углекислым газом, двухкальциевым силикатом или воздействием тепла. Экспериментальная проверка их в составах ХТС с отвердителями сложноэфирного типа показывает, что они не обеспечивают возможности снижения содержания жидкого стекла менее 3,54,0 мас.% ввиду отсутствия удовлетворительного сочетания живучести и начальной прочности. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является жидкостекольное связующее для изготовления литейных стержней и форм, содержащее 74,1-90,0 мас.% водного раствора силиката щелочного металла (натриевого жидкого стекла) с показателями силикатного модуля 2,0-3,0 и плотности 1,48-1,52 г/см и 10,0-25,9 мас.% материала на основе углеводов в виде побочных продуктов переработки растительного сырья, а именно гидрола ДС, представляющего собой двойное соединение Сахаров и хлористого натрия, получаемое в процессе производства кристаллической глюкозы посредством гидролиза кукурузного крахмала СЭ. Верхний предел приведенного состава связующего пересчетом с указанного в источнике С93 максимального содержания гидрола ДС (35 мас.%) на 100 мас.% жидкого стекла. Там же 93 указывается, что рекомендуемые составы связующих включают 10-20 мас.% гидрола ДС и 8090 мас.% жидкого стекла. Известное связующее по своему целевому назначению предназначено для использования в составах стержней и форм, отверждаемых углекислым газом (COj -процесс). Экспериментальная проверка данного связующего в составах жидкостекольных ХТС с отвердителями сложноэфирного типа показала, что оно не обеспечивает возможности снижения содержания жидкого стекла менее 3,5-4,0 мас.% ввиду отсутствия удовлетворительного сочетания живучести и начальной прочности ХТС.

Целью изобретения является повышение качества стержней и форм путем увеличения живучести смеси при одновременном возрастании их прочности на начальньк этапах отверждения. Поставленная цель достигается тем, что жидкостекольное связующее для изготовления литейных стержней и форм из холоднотвердеющих смесей, отверждаемое преимущественно сложноэфирными реагентами, включающее водный раствор силиката п(елочного металла и материал на основе углеводов в виде побочных продуктов переработки растительного сырья, содержи I

упомянутые ингредиенты при следующем соотношении, мас.%: Водный раствор силиката щелочного металла 61,5-71,5 Материал на основе углеводов в виде побочных продуктов переработки растительного сырья 28,5-38,5 В качестве материала на основе углеводств предусматривается использование с эквивалентным техническим эффектом следующих побочных .продуктов переработки растительного сырья гидрол ДС, зеленая потока, древесные сахара.

Гидрол ДС (МРТУ 18-242-68) - побочный продукт при производстве крис таллической глюкозы методом двойного соединения глюкозы с хлористым натрием содержит не менее 58 мас.% сухих веществ (СВ) не менее 50 мас.% (в пересчете на СВ) редуцирующих веществ, не более 19,0 мас.% (в пересчете на СВ) хлорида натрия, представляет собой непрозрачную жидкость темно-коричневого цвета.

Зеленая патока (ТУ 18-8-22-79) побочный продукт при производстве кристаллической глюкозы кислотным или кислотноферментативным способом Содержит не менее 50. мас.% СВ не менее 76-80 мас.% (в пересчете на СВ редуцирующих веществ, не более 2,03,5 мас.% (в пересчете на СВ) золы. Представляет собой непрозрачную сиропообразную жидкость темно-коричневого цвета.

Древесные сахара (ТУ-59-02-004-ОД 80) - вьщеленные продукты гидролитического расщепления древесного . сьфья на основе о(. -ксилозы и ее проиводных,Содержит порядка 25 мас.% СВ,остальное вода. При использовании данного продукта целесообразно его предварительная упарка до содержания СВ 50-60 мас.%.

В качестве водного раствора силиката щелочного металла предпочтительно использовать натриевое жидкое стекло (содовое) по ГОСТ 13078-8 модулем 2,2-3,0 и штотностью 1,401,52 г/см. Предпочтительный модуль используемого жидкого стекла составляет 2,4-2,6, предпочтительная плотность 1,50-1,51 г/см. При исползовании жидкого стекла с повьшением модулем (2,2-3,0) плотность его выбирается по нижнему пределу (1,401,42 г/см).

Предлагаемое связующее получают путем интенсивного перемешивания жидкого стекла с одним из указанных соединений на основе -углеводов, причем последние вводят в жидкое стекло постепенно (тонкой струей) при непрерывном перемешивании.

В табл. 1 приведены составы предлагаемых связующих (1-9)и известного (10) ,в табл. 2 - составы холоднотвердеющих смесей со связующими согласно табл. 1 с использованием в качестве жидких отвердителей сложноэфирного типа,продуктов Эфирол-СПЭ и пропиленкарбоната.

Содержание собственного жидкбго стекла в составах смесей 1-10 составляет от 2,15 мас.% в смеси 5 до 2,50 мас.% в смеси 1 (в соответствии с данными о составах связующих в табл. 1).

Смеси приготавливают в лабораторных бегунах, перемешивая жидкостеколное связующее с песком в течение 1 мин с последующим введением жидкого отвердителя и перемешиванием в течение еще 20 сек.

В условиях производства для приготовления смеси целесообразно использовать смесители непрерывного дествия, снабженные быстроходными (не менее 500 об/мин) лопастными головками вертикального или горизонтального типа с подачей связующего и жидкого отвердителя непосредственно в головку и при времени их перемешивания порядка 3-4 сек. Результаты стандартных испытаний смесей 1-12 приведены в табл. 3. Смесь с известным связующим (табл. 2 и 3, составы 11 и 12) на основе известных соотношений жидког стекла и технических углеводов (на примере гидрола) обеспечивают посре ством сочетания живучести (4,04,5 мин) и начальной прочности (0,65-0,85МПа через 1 ч и 0,801,10 МПа через 2 ч твердения). Предлагаемое связующее в смесях 1-10 обеспечивает существенное улуч шение комплекса живучесть - началь ная прочность. Из сравнения смесей с одинаковым отвердителями и при использовании жидкого стекла идентичного качества (М 2,5, пл. 1,50 г/см (табл.2 и 3 смеси 1-7 и 11 или смеси 10 и 12) следует, что при-использовании в качестве отвердителя Эфирол-СПЭ ж вучесть по сравнению с известным возрастает с 4,5 до 8,0 мин начальная прочность - с 0,65 до 1,10 МПа (через 1 ч) и с 0,80 до 1,55 МПа (через 2 ч), а при использовании в качестве отвердителя пропиленкарб ната живучесть возрастает с 4,0 до 6,0 мин, начальная прочность - с 0,85 до 1,30 МПа (через 1 ч) и с 1,10 до 1,90 МПа (через 2ч). Улучшение комплекса свойств живучесть - начальная прочность способствует повьппекию качества стержн и форм, снижению их брака и соответ венно увеличению выхода годных отливок. Нижний Т1реде1| по содержанию мате риала на основе углеводов в предлагаемом связующем (28,5 мас.% связующее 1 в табл. 1 и смесь 1 в табл. 2) установлен исходя из дости жения удовлетворительных показателей выбиваемости (смесь 1 в табл При снижении содержания материала на основе углеводов ниже нижнего предела наблюдается нежелательное возрастание остаточной прочности, т.е.. ухудшение выбиваемости. Верхний предел по содержанию материала на основе углеводов в предлагаемом связующем (38,5 мас.% связуйщее 5 в абл. 1 и смесь 5 в табл. 1) установлен исходя из достижения минимального эффекта по рос ту начальной прочности (смесь 5 в табл. 3). 1Гри повышении содержания материала на основе углеводов выше верхнего предела не наблюдается достаточного роста начальной прочности (через 1 и 2 ч отверждения). Пределы по модулю и плотности в водном растворе силиката натрия (жидком стекле) выбраны исходя из следуюш№с соображений. Нижний предел по модулю жидкого стекла (М 2,2, связующее 9 в табл. 1) установлен исходя из достижения высоких показателей живучести при минимально допустимых показателях начальной прочности (табл.2 и 3, смесь 9) и максимально допустимых показателях остаточной прочности (выбиваемости). Верхний предел по модулю жидкого стекла М-3,0 (связующее 8 в табл.2) установлен исходя из достижения наилучшей выбиваемости наименьшей остаточной прочности при минимально допустимом показателе живучести (табл. 2 и 3, .смесь 5). Нижний предел по плотности жидкого стекла (1,40 г/см, связующее 8в табл. 1) установлен исходя из достижения технологически приемлемой вязкости связующего с высоким модулем (). Верхний предел плотности жидкого стекла (1.52 г/см, связующее 9в табл. 1) соответствует верхнему пределу аналогичного показателя для технического продукта согласно ГОСТ 13078-81. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о качественно новой роли добавок материалов на основе указанных технических углеводов в составах жидкостекольных ХТС с жидкими отвердителями сложно эфирного типа. Связукицие с известной областью соотношений жидкого стекла и гидрола быпи разработаны и фактически использовались для COj-процесса изготовления стержней и форм (отверждение путем продувки смеси углекислым газом). При этом добавки материалов на основе углеводов (на примере гидрола) не оказывают заметного влияния на физико-механические свойства стержней и форм на стадии их отверждения. Равход связующего в составе смесей составляет 5-7 мас.% и не может быть снижен без ущерба для

прочностных характеристик. Цель введения добавок заключается в разупрочнении форм и стержней на стадии их выбивки из отливок. Следовательно, в известном решении гидрол выполняет функцию типичной органической добавки, выгорающей в форме или стержне под действием тепла отливки.

В предлагаемом техническом решении те же добавки на основе углеводов (в новых соотношениях с жидким стеклом) позволяют в условиях сокращенного содержания в составах ХТС жидкого стекла (табл. 3, смеси 1-10 с содержанием в них собственно жидкого стекла 2,15-3,50 мас.%) повысить живучесть и начальную прочность ЗСГС и за счет этого улучшить качество изготавливаемых стержней и форм.

При использовании в цехах севременных смесеприготовительных агрегатов непрерьтного действия со скоростными смешивающими органами (вихревыми головками) содержание собственного жидкого стекла в составах смесей может быть снижено до 1,8-2,0 мас.%.

Таким образом, решается задача оптимизации физико-механических характеристик стержней и форм в условиях резко сокращенного содержания в них жидкого стекла. На этой основе достигается принципиально новый уровень облегченной выбиваемости, приближающийся в выбивке песчано-смоляных смесей.

Как В1ЩНО из приведенных в табл.1данньк, положительный характер влияния углеводсодержащих добавок проявляется при использовании различных отвердителей сложноэфирного типа, таких например, как оксиалкилированный гликольмалеинат Эфирол-СПЭ и сложный эфир пропиленгликоля и угольной кислоты пропилен-карбонат, т.е. носит универсальный характер.

Технико-экономические преимущест ва предлагаемого связующего заклю;чаются в повышении качества стержней и форм, позволяют получить экономический эффект в размере 16,8 руб.на 1 т годного чугунного литья.

Таблица 1

1. ЖИДКОСТЕКОЛЬНОЕ СВЯЗУЮЩЕЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ СТЕРЖНЕЙ И ФОРМ, отверждаемое преимущественно сложноэфирными реагентами, включающее водный раствор силиката щелочйого металла и материал на основе углеводов в виде побочных продуктов переработки растительного сырья, отличающееся тем, что, с целью повышения качества стержней и форм путем увеличения живучести смеси при одновременном возрастании прочности на начальных этапах отверждения, связующее содержит упомянутые ингредиенты при следующем соотнощении, мас.%: Водный .раствор (Я силиката щелочного металла 61,5-71,5 Материал на основе углеводов в .- . виде побочных продуктовЪереел работки растиа тельного сырья 28,5-38,5 00 о 2. Связующее по п. t, отличающееся тем, что материал О) на основе углеводов выбран из группы следующих побочных продуктов переработки растительного сырья - гидрол, зеленая патока, древесные сахара.

71,5 69,0 66,5 64,0 61,5 66,5 66,5

28,5 31,0 33,5 36,0 38,5

Древесные сахара Перед использованием продукт был упарен до

80

66,5 61,5 33,5 38,5

20

33,5

33,5 содержания сухого вещества 60Z

I ) I I I I I I

I I I I I

IIrOIIIII

I I I I I I I I

I I

I I

CO

I ГО IttIII

I I

о (Л

CO

о in

in

ч

СЛ

I I

о

о oo

in

en I

о f

I I

in r

о

о r

in

ел

о 00

I I

in r

I I

о

rI I

I I

I I

en e I

о uI

I ЯЗЬ .-s

t; sо -&Я S Оч S II

о Sк П)

я)

n tt

«30

о ю р.

оо m

л nX

t;f. .. я) :

Ф tBо Д

о с t- ц

S t( и О)

0)

tC и

а m2S

с о

U г оtC

о

{П П)CQСХ

(- аоа)

о.

о