Способ получения отвердителя для жидкостекольной самотвердеющей смеси в литейном производстве и ее состав Советский патент 1993 года по МПК B22C1/18 B22C5/04 

Изобретение относится к области химической технологии и литейного производства, а именно к получению и применению отвердителя для холоднотвердеющих формовочных и стержневых смесей (ХТС) с жидким стеклом.

Широкое распространение получили жидкостекольныеХТС, отверждаемые сложными эфирами. Чаще всего в качестве конкретных представителей сложных эфиров называют ацетаты глицерина и этиленгликоля. Такие отвердители неприемлемы в чистом виде для отверждения жидкостеколь- ных ХТС. Поэтому были найдены способы повышения скорости твердения ХТС с такими эфирами: композиция диацетата этилен- гликоля с этил- и винилиденом и с 1,2-диацетооксиэтиленом. Фирмой Foseco (Великобритания) выпускаются две серии отвердителей на основе ацетатов глицерина, представляющих собой сочетание взятых в различных соотношениях диз

со

цетина и триацетина. По такой технологии глицерин этерифицируют ледяной уксусной кислотой. Например, для получения 1т от- вердителя моноацетина используют 0,5 т глицерина и 1,0 т ледяной уксусной кислоты. Ингредиенты помещают в аппарат с перегонной колонкой и медленно нагревают, получая в дистилляте слабую уксусную кислоту. Процесс продолжается до тех пор, пока не . начнет перегоняться концентрированная уксусная кислота. В кубовом остатке - моноацетин.

Однако одним из существенных недостатков сложноэфирных отвердителей для жидкостекольных смесей на основе глицерина является невысокая скорость твердения ХТС и самопроизвольная деформация, т. е. нарушение геометрии формы или стержня в процессе твердения из-за наличия свободного глицерина. Еще одним недостатком таких сложных эфиров является необходимость использования дефицитных чистых целевых продуктов - глицерина, эти- ленгликоля.

Наиболее близким способом получения отвердителя для ХТС с жидким стеклом является способ получения отвердителя для жидкостекольной смеси путем этерифика- ций отхода производства кумарина, содержащего уксусную кислоту и отходы производства ундециленовой кислоты, содержащей глицерин. Отвердитель по такому способу имеет удовлетворительные технологические характеристики. Однако способ его получения имеет существенные недостатки:

большая длительность процесса этери- фикации - 28 ч;

необходимость вакуумной отгонки - б - 7ч;

использование сырья технической чистоты, а не отхода производства, содержащего 82,1 ... 93,7% уксусной кислоты и отхода производства ундециленовой кислоты, содержащего 64,4 ... 80,2% глицерина.

Такие компоненты с содержанием основного вещества выше 80 ... 90% не могут считаться отходами производства, а являются, по сути дела, существенным недостатком технологии. Поэтому их применение нецелесообразно в качестве исходных веществ для производства сложного эфира.

Известны смеси, в которых в качестве отвердителей используют сложные эфиры угольной кислоты, уксусной кислоты, слабые растворы неорганических кислот, водные растворы солей. Такие смеси содержат ацетаты глицерина, ацетаты этиленгликоля, полиизоцианаты и другие сложные эфиры, представляющие собой продукты этерификации целевых химических реактивов. Кроме того, широкое применение таких отвердителей затруднено из-за их высокой стоимости и дефицитности.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является самотвердеющая смесь, включающая жидкое стекло и огнеупорный наполнитель, а в качестве отвердителя используется продукт

0 этерификации отходов производства кумарина на основе уксусной кислоты с отходами производства ундециленовой кислоты на основе глицерина при молярном соотношении глицерина и уксусной кислоты от 1:2 до

5 1:9.

Недостатком такой смеси является низкая живучесть и прочность, а также использование в качестве отвердителя продукта этерификации отходов кумарина, со0 держащего до 90% уксусной кислоты и отходов производства ундециленовой кислоты, содержащей до 80% глицерина. Т. е. для производства такого отвердителя используют очень ценное химическое сырье, дефи5 цитность которого в СССР не позволяет наладить выпуск сложноэфирных отвердителей.

Отвердитель содержит два основных компонента диацетин и триацетин в различ0 ных соотношениях, кроме того, в составе присутствует уксусная кислота и глицерин. Причем, наличие последних играет отрицательную роль, так как свободная уксусная кислота вступает во взаимодействие с рас5 творимым силикатом натрия в самом начале смесеприготовления, а глицерин придает смеси пластичность уже в затвердевшем состоянии, что для определенной конструкции стержней является крайне неприемлемым,

0 так как нарушается геометрия и точность размеров стержня.

Целью настоящего изобретения является: повышение прочности и живучести смеси, снижение осыпаемости и

5 себестоимости.

Поставленная цель достигается тем, что способ получения отвердителя на основе реакции этерификации с последующей отгонкой кислоты, в соответствии с изобрете0 нием, включает в себя проведение этерификации уксусным ангидридом отхода производства - полиэтиленгликоля. В известную жидкостекольную смесь для изготов- ления литейных форм и стержней,

5 включающую огнеупорный наполнитель, жидкое стекло и жидкий о твердитель согласно настоящему изобретению, вводится отвердитель при следующем соотношении компонентов, мае. ч.:

Жидкое стекло2,5 ... 6,0

Отвердитель (ацетаты этерификации отхода производства этилен- гликоля, содержащего ди-,три-, тетра- и пен- таэтилен-гликоли)0,25 ... 1,0 Огнеупорный наполнитель на основе диоксида кремния Остальное Состав и свойства полиэтиленгликоля для производства отвердителя регламентируются техническими условиями Полигли- коли - отход производства гликолей.

Реакция этерификации идет в присутствии катализатора, например, сульфокатио- нита КУ-2-8 (ГОСТ 20238-84) при молярном соотношении.равном 1 : 1,5 - 9 и температуре 130 - 170°С до получения уксусной кислоты в дистилляте.

Существенной отличительной особенностью заявляемого способа получения отвердителя является то, что этерификации подвергается отход производства этиленг- ликоля, содержащий ди-, три-, тетра- и пен- таэтиленгликоли, уксусным ангидридом.

Процесс получения отвердителя состоит из следующих стадий.

Синтез. Этерификацию полиэтиленгликоля уксусным ангидридом ведут в аппарате с реакционной колонкой яри медленном нагреве от 130°С и после отгонки уксусной кислоты повышают температуру реакционной смеси до 170°С.

Фильтрация. Фильтрация осуществляется для отделения реакционной смеси от катализатора.

Получение отвердителя в соответствии с изобретением можно проводить, загружая одновременно все ингредиенты, однако более целесообразно с точки зрения уменьшения занимаемого объема реакционного аппарата, добавлять к смеси полиэтиленгликоля с КУ- 2-8 уксусный ангидрид по частям, так как избыток уксусной кислоты отгоняется в процессе этерификации.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами: двухгорлая колба после внесения полиэтиленгликоля КУ-2-8 и части уксусного ангидрида закрывается 4-об- разной насадкой с отводом для нисходящего холодильника. В отводы у насадки вставляют термометр для определения температуры отгоняемых паров и капельную воронку. Во второе отверстие колбы вставляют термометр для определения температуры реакционной смеси. После достижения реакционной смесью температуры 130°С начинается реакция (кипение жидкости) и отгоняется уксусная кислота. Постепенно вводят оставшуюся часть

уксусного ангидрида со скоростью, определяемой способностью нисходящего холодильника конденсировать уксусную кислоту и, не вошедший в реакцию уксусный ангидрид. Температуру реакционной зоны посте- пенно повышают и при достижении температуры отгоняемых паров 170°С через 1 ... 1,5 часа нагрев прекращают. Дальнейшее повышение температуры реакционной

0 смеси приводит к осмолению, что ухудшает качество отвердителя. Охлаждают реакционную смесь и фильтруют от КУ-2-8 при температурах 60 - 80°С. Качество полученного отвердителя контролируют по свойст5 вам холоднотвердеющих смесей с ним.

Показатели свойств ХТС определяют по ГОСТ 23409-78 и специальным методикам. Испытывалась смесь следующего состава, мае. ч.:

0 Жидкое стекло

(ГОСТ 13018-81)2,5... 6,0 Отвердитель 0,25 ... 1,0 Песок кварцевый (ГОСТ 2138-84) Остальное

5 Оптимальные параметры жидкого стекла для ХТС, отверждаемых сложноэфирны- ми отвердителями: М 2,3 ... 2,5; плотность 1420 ... 1480 кг/м3; содержание отвердителя при этом составляет 10 ... 15% от массы

0 связующего. В табл. 1 приведены температурные режимы процесса получения отвердителя и свойства ХТС с ними.

Как видно из табл. 1, ХТС с отвердите- лем по заявляемому способу имеютудовлет5 верительные физико-механические характеристики. При этом значительно сокращается время изготовления отвердителя, исключается вакуумная отгонка, расширяется сырьевая база, снижается сто0 имость целевого продукта. Использование крупнотоннажного отхода производства решает экологические вопросы, включая устранение кислых сточныхТзод.

Соотношение ингредиентов и темпера5 турными режимами можно регулировать время процесса. Содержанием отвердителя регулируются свойства ХТС.

Содержание жидкого стекла в заявляемой смеси изменяется в пределах от 2,5 до

0 6,0 мае. ч. При уменьшении количества жидкого стекла ниже 2,5 мае. ч. прочность смеси неудовлетворительна из-за того, что не обеспечивается смачивание поверхности наполнителя связующим. При повышении

5 количества связующего выше 6,0 мае. ч. значительно повышается остаточная прочность и ухудшается выбиваемость смеси из отливок,

Содержание отвердителя можно изменять от 0,25 до 1,0 мае. ч. Количеством отвердителя можно варьировать живучесть смеси, но до определенных пределов. Если содержание отвердителя ниже 0,25 мае. ч., смесь не имеет достаточной прочности, выше 1,0 - снижается живучесть смеси и прочность через 24 ч.

Жидкое стекло, применяемое в качестве связующего в смеси, представляет собой водный раствор силиката натрия плотностью 1420 ... 1520 кг/м3. Модуль жидкого стекла целесообразно использовать 2,2 ... 2,8. Предпочтительнее применение средне- модульного жидкого стекла (М 2,3 ... 2,5).

Модуль жидкого стекла значительно влияет на свойства смеси, особенно живучесть и прочность. При использовании жидкого стекла.с модулем ниже 2,2 смесь затвердевает очень медленно, а с модулем выше 2,8 очень быстро.

В качестве огнеупорного наполнителя в смеси можно использовать обычные материалы, применяемые в литейном производстве. Примеры составов ХТС приведены в табл. 2. -Применение холоднотвердеющих смесей, отверждаемых по заявленному техническому решению, позволяет получить такие технико-экономические преимущества:

снижение себестоимости смеси;

улучшение санитарно-гигиенических условий труда;

улучшение физико-механических свойств смесей.

Формул а изобретения

1. Способ получения отвердителя для жидкостекольной самотвердеющей смеси в

0

0

5

литейном производстве путем этерификэ- ции отхода производства с последующей отгонкой кислоты, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности и живучести смеси, снижения ее осыпаемости и себестоимости, этерификацию производят уксусным ангидридом отхода производства этилен гликоля, содержащего ди-, три-, тет- ра- и пентаэтиленгликоли при молярном соотношении 1,0 : (1,5 - 9,0) в присутствии кислотного катализатора и при температуре 130 - 170°С до получения уксусной кислоты в дистилляте.

2, Самотвердеющая смесь для изготовления литейных форм и стержней, содержащая огнеупорный наполнитель на основе диоксида кремния, жидкое стекло и отвер- дитель, отличающая с я тем, что, с целью повышения прочности и живучести смеси, снижения ее осыпаемости и себестоимости, в качестве отвердителя смесь содержит ацетаты этерификации отхода производства этиленгликоля, содержащего ди-, три-, тет- ра- и пентаэталенгликоли при следующем 5 соотношении ингредиентов, в мае. %:

Жидкое стекло2,5-6,0 Ацетаты этерификации отхода производства этиленгликоля, содержащего ди-, три-, тетра- и пентаэтиленгликоли 0,25 - 1,0 Огнеупорный наполнитель на основе диоксида кремния Остальное

5

0

Изобретение может быть использовано при производстве сложноэфирных отверди- телей в литейном производстве при изготовлении литейных форм и стержней. Сущность: в качестве сырья для производства отвердителя используется отход производства этиленгликоля - ацетаты этерифика- ции, содержащего ди-, три-, тетра- и пентаэтиленгликоли. Отход производства этиленгликоля этерифицируютуксусным ангидридом в присутствии кислотного катализатора. Состав смеси, мае. ч.: жидкое стекло 2,5... 6,0;ацетаты зтерификацииотхода производства этиленгликоля, содержащего ди-, три-,тетра-и пентаэтиленгликольО,25... 1,0: огнеупорный наполнитель на основе диоксида кремния остальное. При использовании ацетатов этерификации, являющихся отходами производства этиленгликоля, в составе жидкостекольной смеси образуются сложные эфиры, которые при взаимодействии с жидким стеклом позволяют существенным образом повысить их прочность, живучесть, снизить осыпаемость. Кроме этого использование отходов химического производства позволяет улучшить санитар- но-гигиеничёские и экологические условия. 2 с.п. ф-лы, 2 табл. со с VI оо 00 в

Таблица 1

Примечание. ХТС содержит, мае. ч.: кварцевый песок - 100;

жидкое стекло - (М 2,5 ;

у 1480 кг/м3-6,0 отвердитель - 0,6.

Продолжение табл. 1

Таблицз2