ОГНЕУПОРНАЯ УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ СМЕСЬ
REFRACTORY GASKETING COMPOUND

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к составам формовочных материалов, используемых для уплотнения сварочных форм, в частности сварочных форм для алюминотермитной сварки стыков рельсовых плетей и стыков стрелочных переводов на железнодорожных путях общего и необщего пользования, путях метрополитенов, крановых и трамвайных путях.
В настоящее время в литейном производстве известны различные формовочные смеси. Среди них ведущее место занимают песчаные смеси, которые обеспечивают получение широкого круга отливок из разнообразных сплавов в условиях единичного и массового производства. В качестве наполнителя в таких смесях используются кварцевые пески, а в качестве связующего - огнеупорная глина и бентонит (См. Технология литейного производства: Формовочные и стержневые смеси. Под ред. С.С. Жуковского, А.Н. Болдина и др. Брянск, БГТУ, 2002, стр.9). Песчаные смеси отличаются доступностью и относительной дешевизной исходных компонентов, способностью обеспечить требуемый уровень технологических свойств смесей, а также экологической безопасностью. Поэтому такие смеси нашли широкое применение и в качестве огнеупорных уплотнительных смесей для уплотнения сварочных форм при проведении алюминотермитной сварки.
Кварцевый песок, используемый в литейном производстве в РФ, называют формовочным, его и свойства регламентируются ГОСТ 2138-91. Согласно упомянутому ГОСТу для литейного производства используют формовочный песок на основе кварца с содержанием диоксида кремния не менее 93-98% в зависимости от группы песка. В качестве связующего в песчаных формовочных смесях используются огнеупорные литейные формовочные глины (См. Технология литейного производства: Формовочные и стержневые смеси. Под ред. С.С. Жуковского, А.Н. Болдина и др. Брянск, БГТУ, 2002, стр.33) и бентонитовые глины (бентонит) (См. Технология литейного производства: Формовочные и стержневые смеси. Под ред. С.С. Жуковского, А.Н. Болдина и др. Брянск, БГТУ, 2002, стр.43).
Составы песчано-бентонитовых формовочных смесей для литейного производства (См. Технология литейного производства: Формовочные и стержневые смеси. Под ред. С.С. Жуковского, А.Н. Болдина и др. Брянск, БГТУ, 2002, стр.102-125) и составы песчано-глинистых формовочных смесей для литейного производства (См. Технология литейного производства: Формовочные и стержневые смеси. Под ред. С.С. Жуковского, А.Н. Болдина и др. Брянск, БГТУ, 2002, стр.149-152) содержат оборотную смесь и свежие компоненты.
Технология алюминотермитной сварки рельсов предполагает проведение работ непосредственно в пути, то есть на месте производства работ без снятия рельсов. Поэтому оборотная смесь в составе огнеупорных уплотнительных смесей, как правило, не применяется. Для уплотнения сварочных форм при алюминотермитной сварке рельсов используется огнеупорная уплотнительная смесь, приготовленная заранее в производственных условиях на соответствующем стационарно установленном оборудовании из свежих компонентов.
Наиболее близкой относительно заявляемого изобретения по составу и назначению является огнеупорная уплотнительная смесь, описанная в патенте Республики Словения № SK282419, приоритет от 13 февраля 1997 года, «Уплотнительная смесь для алюминотермитной сварки рельсов» («Zmes na utesnenie foriem pri aluminotermickom zvarani kolajnfe»).
Согласно формуле изобретения огнеупорная уплотнительная смесь содержит формовочный песок, в качестве которого использован кварцевый песок с размером частиц от 0.6 до 0.2 мм, порошковую глину и воду в следующих пропорциях, % масс.:
Кварцевый песок
78-85%
Порошковая глина
11-16%
Вода
4-6%
Недостатком этой известной огнеупорной уплотнительной смеси является ее низкая живучесть особенно в условиях отрицательных температур. Под живучестью уплотнительной смеси понимается время, по истечении которого состав теряет свойства формуемости (См. П.А. Борсук, А.М. Лясс. Жидкие самоотвердеющие смеси. М., Машиностроение, 1979, стр.174).
Как сказано выше, технология алюминотермитной сварки позволяет производить сварку непосредственно в пути. Однако для стран с холодным климатом, таких как Россия, Финляндия, Швеция, Канада и др., применение известных огнеупорных уплотнительных смесей при отрицательных температурах требует ее хранения при положительных температурах и использования дополнительного оборудования для разогревания смеси в случае ее замерзания. Если этим факторам не уделять должного внимания, то в процессе хранения, транспортировки к месту работ и некоторого ожидания таких смесей к использованию на месте при проведении работ возникает высокий риск образования в смеси смерзшихся комков, которые невозможно разрыхлить без дополнительного подогрева смеси. Наличие в смеси комков (как и любых неоднородностей) в свою очередь может привести к местным рыхлостям и неплотности в процессе уплотнения форм, что приведет к последующей утечке термитного металла при заливке форм.
Технология алюминотермитной сварки рельсов предполагает участие небольшого количества специалистов, и необходимость использования дополнительного оборудования существенно снижает мобильность группы сварщиков, увеличивает ее численный состав, повышает стоимость работ.
Кроме того, работы по алюминотермитной сварке рельсов проводятся, как правило, в режиме предоставления «окна», т.е. в сжатые временные сроки, когда каждая технологическая операция расписана поминутно. Поэтому специалисты, проводящие алюминотермитную сварку рельсов, не должны отвлекаться на корректировку качества уплотнительной смеси, а также, по возможности, как можно меньше уделять внимание состоянию материалов, их контролю и корректировке (максимальное устранение влияния человеческого фактора): уплотнительная смесь должна быть качественной во всем диапазоне температур, при которых могут производиться сварки.
Для России это особенно актуально ввиду большой протяженности железных дорог и удаленности некоторых участков от населенных пунктов, что не позволяет транспортировать огнеупорную уплотнительную смесь при положительных температурах к месту выполнения работ в осенне-зимнее время.
Повышение живучести уплотнительной смеси при положительных температурах актуально при проведении работ в летнее время, когда температура на месте проведения работ может достигать 30-40°C и выше.
Известные огнеупорные уплотнительные смеси под воздействием как высоких, так и низких температур теряют свои свойства и практически непригодны для качественного выполнения работ по алюминотермитной сварке рельсов.
Задачей настоящего изобретения является создание огнеупорной уплотнительной смеси для алюминотермитной сварки, обладающей повышенной живучестью как при положительных, так и при отрицательных температурах внешней среды в месте проведения работ.
Поставленная задача в огнеупорной уплотнительной смеси, содержащей формовочный песок, порошковую глину и воду, ДОСТИГАЕТСЯ ТЕМ, что в состав введен многоатомный спирт, а компоненты взяты в следующих соотношениях, масс.%:
Порошковая глина
7-15%
Вода
2,8-4,2%
Многоатомный спирт
2,8-4,2%
Формовочный песок
остальное.
Возможны различные варианты исполнения заявляемой уплотнительной смеси:
- в качестве порошковой глины может быть использован бентонит;
- в качестве многоатомного спирта могут быть использованы, например, глицерин, этиленгликоль, пропиленгликоль, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль.
Техническим результатом является повышение живучести огнеупорной уплотнительной смеси для алюминотермитной сварки.
Специалистам известно применение жидкостей с низкой температурой замерзания в различных смесях при отрицательных температурах. Например, в патенте РФ №2406706, Состав для получения слепков в трасологии, приоритет от 20.07.2009. описана гипсовая смесь, в которую добавляют жидкость с пониженной температурой замерзания (по одному из вариантов вводят 20-52 части этиленгликолевого или пропиленгликолевого антифриза). Однако в этой известной смеси в отличие от предлагаемого изобретения живучесть смеси, наоборот, крайне мала. Авторы упомянутого патента ставят перед собой задачу незамерзания и быстрого схватывания смеси при отрицательных температурах. В случае предлагаемого изобретения стоит противоположная задача - увеличение живучести огнеупорной уплотнительной смеси, причем как при отрицательных, так и при положительных температурах.
Кроме того, в известном решении предлагается использовать практически любую жидкость с пониженной температурой замерзания, в том числе предлагается использовать водные растворы изопропилового, метилового, этилового спиртов, или этиленгликолевый или пропиленгликолевый антифриз.
Для решения задачи настоящего изобретения также используется жидкость с низкой температурой замерзания, но подходит далеко не любая и в совершенно других пропорциях. Так, например, применение водных растворов изопропилового, метилового или этилового спиртов в заявляемой огнеупорной уплотнительной смеси, наоборот, снижает живучесть и не может быть использовано для достижения заявленного технического результата.
Были проведены испытания живучести девяти различных вариантов исполнения предлагаемой огнеупорной уплотнительной смеси.
При испытаниях измерялись следующие параметры:
- время (ч), в течение которого происходит уменьшение летучих веществ на 1% при температуре +20°C;
- живучесть смеси при температуре +20°C, ч;
- живучесть смеси при температуре -5°C, ч;
- живучесть смеси при температуре -10°C, ч;
- живучесть смеси при температуре -15°C, ч;
Результаты проведенных испытаний указаны в таблице 1 ниже.
Для сравнения заявляемой огнеупорной уплотнительной смеси с известными аналогами заявителем проведены те же испытания для 3х вариантов огнеупорной уплотнительной смеси по патенту SK282419 (прототип). Результаты испытаний приведены в таблице 2 ниже.
Из  данных таблиц 1 и 2 с результатами испытаний видно, что живучесть заявляемой огнеупорной уплотнительной смеси значительно выше известных аналогов. Так, например, при температуре -10°C живучесть заявляемой смеси по сравнению с известным аналогом выше в десятки раз, а при температуре -5°C - в сотни раз!
Заявляемую огнеупорную уплотнительную смесь готовят следующим образом. Берут компоненты согласно заданной пропорции, производят механическое перемешивание компонентов до образования однородной композиции. Порядок введения компонентов может быть различный. Механическое перемешивание компонентов огнеупорной уплотнительной смеси может производиться с использованием бегунов каткового типа, миксеров и другого оборудования для смешивания.
Согласно произведенным испытаниям наибольшей живучестью при отрицательных температурах обладает огнеупорная уплотнительная смесь, содержащая 86% формовочного песка, 7% бентонита, 2,8% воды, 4,2% пропиленгликоля. Как видно из данных таблицы 1, при температуре -10°C живучесть такой огнеупорной уплотнительной смеси составляет 200 часов, что до 100 раз превышает живучесть известной огнеупорной уплотнительной смеси, описанной в патенте SK282419. А при положительных температурах, согласно испытаниям предпочтительно использовать такой состав: формовочный песок 86%, бентонит 7%, вода 2,8%, глицерин 4,2%.