СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
MANUFACTURING METHOD OF SHELL MOULDS BY CASTED MODELS FORMS

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам изготовления керамических оболочковых форм в точном литье по выплавляемым моделям (ЛВМ).
Широко известны способы изготовления комбинированных оболочковых форм, по которым на модельном блоке формируют «лицевые» один-три слоя из суспензий на основе гидролизованных растворов этилсиликата, а затем формируют, так называемые «опорные» слои из суспензий на основе растворов жидкого стекла (Литье по выплавляемым моделям/ В.Н.Иванов и другие. - 3-изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984. - С.228).
В известных способах преимущественно используют в качестве огнеупорного наполнителя диоксид кремния в виде пылевидного кварца и зернистого обсыпочного материала в виде кварцевого песка, которые не обеспечивают получение качественных отливок из-за высоких значений коэффициента термического расширения кварца, приводящего к деформациям и растрескиванию оболочек при прокалке и заливке их металлом.
Для уменьшения термического расширения кварцевосодержащих огнеупорных наполнителей и обсыпочных зерновых материалов в ЛВМ применяют различные минералогические модификации кварца или используют технологические добавки в огнеупорных суспензиях и обсыпочных материалах.
Известен способ изготовления форм для литья по выплавляемым моделям, по которому для уменьшения термических деформаций оболочек в качестве обсыпочного материала используют кварцевый песок с добавкой до 30 мас.% электрокорунда (RU 2297302, В22С 9/04, заявл. 2004.11.18, опубл. 2006.05.10).
Недостатком данного способа является то, что добавка электрокорунда уменьшает термические расширения лишь в поверхностном объеме слоя оболочки, сформированном обсыпочным материалом с малым содержанием электрокорунда (всего лишь 30 мас.%). Поэтому остальной объем слоя оболочки, сформированный из суспензии на основе пылевидного кварца в качестве огнеупорного наполнителя, не охваченный электрокорундом, сохраняет опасность протекания термического расширения в нем кварца при нагреве оболочек в процессе прокалки и заливке форм металлом.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления керамических форм для литья по выплавляемым моделям, включающий обработку модельного блока в огнеупорной суспензии, в котором первые один или два слоя выполнены с использованием в качестве связующего гидролизованного раствора этилсиликата и пылевидного диоксида кремния в качестве наполнителя, а последующие слои - с использованием в качестве связующего жидкого стекла и пылевидного диоксида кремния в качестве наполнителя, и последующую обсыпку модельно-керамического блока зернистым материалом на основе диоксида кремния, при этом пылевидный диоксид кремния как наполнитель и зернистый диоксид кремния используют в фазе тридимита (RU №2302311, В22С 9/04, заявл. 2006.04.10; опубл. 2007.07.10).
Недостатками прототипа являются высокая трудоемкость получения огнеупорного наполнителя и зернового обсыпочного материала на основе диоксида кремния в фазе тридимита. Для этого необходимо подвергать дроблению готовой огнеупорной продукции в виде динасовых огнеупорных изделий со структурой тридимита, которая получается длительным высокотемпературным обжигом кварцевосодержащей шихты, что дорого, либо использовать для дробления отходы динасовых огнеупоров после разрушения футеровок плавильных агрегатов, что приводит к засорению огнеупорных наполнителей нежелательными для суспензий включениями, в частности оксидами железа.
Вместе с тем сам процесс дробления, просеивания и классификации получаемых при дроблении огнеупорных изделий или отходов футеровок пылевидных порошков и зерновых обсыпочных материалов является дорогостоящим, трудоемким, сильно пылеобразующим процессом и, следовательно, экологически вредным для окружающей атмосферы.
К недостаткам способа также относятся то, что для повышения эффективности в способе предусматривается обработка третьего слоя оболочки с использованием дополнительного связующего в виде алюмоборфосфатного концентрата, а в качестве обсыпки плакированного алюмоборфосфатным концентратом зерновой обсыпочный материал. Однако введение в технологию формирования оболочек дополнительных связующих материалов в виде алюмоборфосфатного концентрата и дополнительных операций по плакированию и сушке зерновых обсыпочных материалов значительно усложняет производство.
Задачей изобретения является разработка такого способа, при реализации которого формируемые на модельном блоке слои оболочек из суспензий на основе известных связующих материалов: гидролизованных растворов этилсиликата, растворов жидкого стекла и при использовании широко распространенных в ЛВМ традиционных огнеупорных материалов на основе диоксида кремния обеспечивали бы повышение скорости сушки оболочек, высокую прочность при нагреве, термостойкость оболочковых форм и снижение себестоимости производства точного литья по выплавляемым моделям.
Задача решается тем, что в способе изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям, включающем обработку модельного блока в огнеупорной суспензии, в котором первые, лицевые слои выполнены с использованием в качестве связующего гидролизованного раствора этилсиликата и пылевидного диоксида кремния в качестве наполнителя, а последующие слои - с использованием в качестве связующего жидкого стекла и пылевидного диоксида кремния в качестве наполнителя, обсыпку каждого слоя зерновым материалом на основе диоксида кремния, согласно изобретению в наполнитель суспензии дополнительно вводят пирогенный алюмосиликатный порошок (ПАСП).
Особенностью способа является то, что в суспензии на основе связующего в виде гидролизованного раствора этилсиликата ПАСП используют в количестве 0,5-30 мас.%, а в суспензии на основе жидкого стекла 1,5-80 мас.%.
Другой особенностью способа является то, что в качестве ПАСП используют пирогенную дисперсную пыль от фильтров систем газоочистки обжиговых печей, образующуюся при обжиге глин в производстве шамотных огнеупорных изделий и металлургических огнеупорных порошков.
Отличительная особенность изобретения состоит в том, что при использовании в составах суспензий широко применяемых в ЛВМ дешевых кварцевых огнеупорных материалов, за счет добавок пирогенных алюмосиликатных порошков (ПАСП) достигается эффективное повышение скорости сушки комбинированных оболочковых форм, их прочности при нагреве, термостойкости и снижение себестоимости точного литья.
ПАСП представляет собой алюмосиликатные материалы с содержанием в своем составе до 70 мас.% оксида алюминия и кремнезем, получаемые в виде пирогенной пыли на фильтрах систем газоочистки при обжиге алюминатных глин в производстве огнеупорных материалов. В отличие от других алюмосодержащих материалов ПАСП является пирогенным материалом, так как проходит стадию высокотемпературного обжига при производстве огнеупоров.
Поэтому ПАСП характеризуется рядом благоприятных свойств, необходимых для формирования качественных оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям и обеспечивает решение поставленной задачи.
По своей гранулометрической структуре ПАСП является высокодисперсным материалом с размерами частиц от 4-х до 40 мкм, что позволяет использовать его в качестве добавки в суспензии с основным огнеупорным наполнителем на основе пылевидного кварца и улучшать свойства суспензий и термомеханических характеристик оболочек.
Заявителем установлено, что в огнеупорном производстве ПАСП формируется при обжиге алюминатных глин в процессе их механического перемешивания и обжига, при котором образуются пылевидные потоки обожженных дисперсных частиц, которые вместе с потоками горячих газов выносятся к фильтрам в виде дисперсного возгона. При этом частицы возгона при нагреве претерпевают необратимую кристаллизацию минералов исходной глины и их дезактивацию по отношению к связующим растворам суспензий. Поэтому при приготовлении суспензий, в отличие от других видов алюминатных соединений, ПАСП не вступает в активное химическое взаимодействие с компонентами в исходной суспензии и не ухудшает их свойств, но за счет высокой дисперсности частиц повышает ее седиментационную устойчивость и живучесть.
Другой положительной особенностью ПАСП является то, что при прокаливании оболочек ПАСП, как алюминатный материал, вступает в термохимическое взаимодействие с огнеупорным наполнителем материала оболочек и повышает их термические характеристики.
При использовании ПАСП в суспензиях на этилсиликатном связующем материале при прокалке оболочек формируется материал с высокой термостойкостью за счет образования между частицами кварцевого огнеупорного наполнителя прослоек из алюмосодержащего компонента ПАСП, имеющего малый коэффициент термического расширения. При этом термическое расширение частиц кварца в материале оболочек при нагреве компенсируется прослойками из алюмосодержащего компонента добавки ПАСП за счет твердофазного их спекания. Поэтому термостойкость этилсиликатных слоев оболочек повышается.
2
2
2
3
При использовании ПАСП в суспензиях на жидкостекольном связующем материале на оболочках формируются слои с более высокой огнеупорностью и термостойкостью. Это связано с тем, что ПАСП дополнительно вносит в состав жидкостекольного материала высокотемпературный компонент в виде оксида алюминия, а за счет другого компонента в виде диоксида кремния повышает общее содержание кремнезема в материале оболочек и, тем самым, повышает силикатный модуль жидкостекольного связующего, способствующего повышению огнеупорности (горячей прочности) оболочек. При этом обогащение силикатного материала оксидами алюминия повышает общую огнеупорность оболочек, так как увеличивает температуру плавления трехкомпонентной системы силикатной связки (SiО-NaО-AlО) в жидкостекольных слоях оболочек. Поэтому добавка ПАСП, улучшая свойства жидкостекольных суспензий, обеспечивает эффективное повышение огнеупорности и термостойкости жидкостекольных слоев и в целом комбинированных оболочек при прокаливании и заливке их металлом.
Примеры реализации изобретения.
Для испытания использовали ПАСП в виде дисперсной пыли, полученной на фильтрах систем газоочистки обжиговых печей в производстве огнеупорных шамотных изделий и металлургических порошков.
Первоначально проверили влияние ПАСП на свойства оболочек с использованием в качестве связующего этилсиликата марки ЭТС-40.
Проверка проведена на 4-х - слойных стандартных образцах по технологии совмещенного гидролиза этилсиликата с пылевидным кварцем марки КП-1. Суспензии готовили в стандартном гидролизере конструкции «НИИТАвтопром». Гидролиз ЭТС-40 и приготовление суспензии проводили совмещенным способом по известной технологии (Литье по выплавляемым моделям./В.Н.Иванов и другие. - 3-изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984. - С.220-223).
ПАСП в расчетном количестве вводили в суспензию перед введением в нее основной массы огнеупорного наполнителя или в готовую суспензию при доводке ее вязкости. Вязкость суспензии контролировали по прибору ВЗ-4 и во всех случаях поддерживали ее в пределах 50-55 сек.
Скорость сушки определяли по остаточной влажности образцов, проходящих сушку вместе с оболочками в камерах сушки во всех случаях при одинаковых условиях. Время сушки каждого слоя составляло 2 часа при температуре в камере 28°С и относительной влажности воздуха 70% по психрометру.
При изготовлении формоблоков из опытных суспензий параллельно готовили стандартные образцы для испытания на огнеупорность - прочность при высоких температурах - «Горячую прочность» и термостойкость. При этом технологические операции во всех случаях поддерживались с одинаковыми режимами.
г
«Горячую прочность» образцов при изгибе σ определяли стандартным методом на изгиб в электрической нагревательной печи при температуре 900°С.
ц
Термостойкость оболочек определяли по степени изменения циклической прочности образцов на изгиб σ, обработанных по схеме: нагрев при 900°С с выдержкой 30 мин, последующее охлаждение до 25°С. При этом выбран трехкратный цикл обработки из одной и той же группы образцов. Результаты приняты средние по трем измерениям для каждого цикла «нагрев-охлаждение».
Для сравнения при одинаковых условиях формообразования изготовлены также образцы из суспензии прототипа с использованием в качестве огнеупорного наполнителя диоксида кремния в фазе тридимита и обсыпочного зернового материала на основе диоксида кремния в фазе тридимита. Дополнительной обработки алюмоборфосфатным концентратом слоев и обсыпочного зернового материала, рекомендованной в прототипе, не проводилось. Поэтому сравнительные результаты получены лишь по влиянию на свойства оболочек огнеупорного наполнителя на основе диоксида кремния с минеральной структурой тридимита и обычно применяемого в ЛВМ кварцевого наполнителя марки КП-1.
3
Отдельно проведены испытания образцов с использованием жидкостекольных суспензий. Для испытания использовали жидкое стекло с плотностью 1,27 г/см и силикатным модулем 2,8 ед. Соотношение жидких и твердых компонентов составляло 1:1,3. ПАСП в расчетном количестве вводили в суспензию вместе с огнеупорным наполнителем - пылевидным кварцем марки КП-1.
При случайном выборе содержаний ПАСП в суспензиях показывает совместное действие слоев с добавками ПАСП на термомеханические свойства оболочек.
Проведены испытания комбинированных оболочек по схеме: 2 лицевых слоя, выполненных на этилсиликатном связующем и 2 опорных слоя, выполненных на жидкостекольном связующем.
Для испытания способа на комбинированных образцах выбраны три случайных примера при различных содержаниях ПАСП в суспензиях.
Пример 1: добавление ПАСП в ЭТС-суспензию 0,5 мас.%; в ЖС-суспензию 30 мас.%.
Пример 2: добавление ПАСП в ЭТС-суспензию 7 мас.%; в ЖС-суспензию 60 мас.%.
Пример 3: добавление ПАСП в ЭТС-суспензию 30 мас.%; в ЖС-суспензию 20 мас.%.
Результаты испытания этилсиликатной суспензии с добавками ПАСП представлены в таблице 1, а жидкостекольной суспензии с добавками ВГДП в таблице 2. Результаты испытания комбинированных образцов, изготовленных по схеме: 2×2 представлены в таблице 3.
Таблица 1
Показатель испытания
Содержание ПАСП в ЭТС-суспензии, мас.%
Прототип
0,2
0,5
1,5
5
7
15
25
30
40
Ост. влажн. %
1,86
1,84
1,79
1,73
1,42
0,87
0,75
0,67
0,63
0,61
σ<sub>г</sub>, МПа
3,21
3,52
3,68
3,74
4,28
4,92
5,19
6,62
6,87
6,96
σ<sub>Ц</sub>, МПа:
1 цикл
3,16
3,51
3,62
3,72
4,22
4,86
5,21
6,57
6,87
6,92
2 цикл
3,03
3,32
3,36
3,43
3,58
1,43
4,16
5,16
5,12
5,56
3 цикл
2,26
2,61
2,78
2,92
3,11
1,38
3,65
4,27
4,57
4,72
Таблица 2
Показатель испытания
Содержание ПАСП в ЖС-суспензии, мас.%
Прототип
0,2
1,5
5,5
15
25
35
55
70
80
Ост. влажн. %
2,16
1,94
1,99
1,87
1,54
1,18
0,95
0,97
0,93
0,91
σ<sub>г</sub>, МПа
1,12
1,15
1,77
2,87
3,98
4,75
5,89
6,95
7,17
8,76
σ<sub>ц,</sub> МПа:
1 цикл
1,16
1,14
1,76
2,82
3,94
4,76
5,91
6,97
7,15
8,82
2 цикл
0,43
0,72
1,36
1,43
3,58
3,88
4,16
4,96
5,12
7,35
3 цикл
0
0
0,78
1,12
2,11
1,38
1,95
2,27
3,87
4,22
Таблица 3
Показатель испытания
Примеры испытания комбинированных оболочек
1
2
3
σ<sub>Г</sub>, МПа
6,87
8,65
7,32
σ<sub>Ц</sub>, МПа:
1 цикл
6,76
8,66
7,35
2 цикл
6,43
7,97
6,23
3 цикл
4,34
6,35
5,67
Анализ результатов испытания, приведенных в таблице 1, показал, что при добавлении ПАСП в ЭТС-суспензию заметное его влияние на термомеханические свойства оболочек начинается уже при содержании добавки от 0,2 мас.%. Однако для гарантированного улучшения свойств оболочек при малых содержаниях ПАСП принято за минимальное содержание 0,5 мас.%.
Повышение содержания ПАСП в ЭТС-суспензиях более 30 мас.% нецелесообразно из экономических соображений.
Анализ результатов испытания, приведенных в таблице 2, показал, что улучшение циклической прочности ЖС-образцов начинается при содержании ПАСП в ЖС-суспензии от 1,5 мас.% и более. Поэтому за минимальное содержание ПАСП в ЖС-суспензии принято 1,5 мас.%. При содержаниях ПАСП в суспензиях более 80 мас.% нецелесообразно из экономических соображений.
Результаты испытаний комбинированных образцов в сочетаниях ЭТС-слоев и ЖС-слоев, приведенных в таблице 3, показывают, что высокие свойства слоев, сформированных на отдельных связующих материалах с добавками ПАСП, в комбинированных оболочках не снижаются, а наоборот повышаются. Это гарантированно обеспечивает повышение качества комбинированных оболочек в литье по выплавляемым моделям при различных сочетаниях слоев и содержаниях ПАСП в суспензиях.
Промышленная применимость способа. Наиболее целесообразно предлагаемый способ применять в производстве точного литья из углеродистых сталей и серого чугуна. При этом способ позволяет значительно расширить номенклатуру литья по массе и габаритным размерам, так как повышенные термомеханические свойства комбинированных оболочек с добавками ПАСП снижают опасность разрушения форм при прокаливании и заливке металлом.
Добавка ПАСП является отходом огнеупорного производства, поэтому она продается по низким ценам, а ее утилизация способствует улучшению экологии территорий от загрязнения пылевидными отвалами.
Использование ПАСП в технологиях точного литья по выплавляемым моделям позволяет использовать дешевые и широко применяемые в ЛВМ кварцевые огнеупорные материалы такие, как пылевидный кварц, природный маршалит, молотую кварцевую муку и за счет этого эффективно снижать себестоимость производства точного литья.