ЭКЗОТЕРМИЧЕСКАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ОБОГРЕВА ПРИБЫЛЕЙ СТАЛЬНЫХ И ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК
EXOTHERMAL MIXTURE FOR HEATING OF FEEDERS OF STEEL AND IRON CASTING

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к составам экзотермических смесей, используемых в изготовлении экзоэлементов, устанавливаемых в полости прибылей литейных форм преимущественно для стальных и чугунных отливок.
Известны составы экзотермических смесей для обогрева прибылей отливок, которые содержат алюминиевый порошок (или стружку) - 3-5  мас.% и технологические добавки. При этом алюминиевый порошок входит в состав термита, который содержит также ферросилиций - 1,45-4,5  мас.% и железную руду - 44-54  мас.%. Технологические добавки (криолит, натрий фтористый, плавиковый шпат) служат для снижения температуры воспламенения смесей (шамот, песок, глина, известь) для понижения скорости горения (жидкое стекло, глина, смола и другие связующие) и для обеспечения их формуемости и прочности (Справник В.И., Выгоднер Л.Ф. Обогрев прибылей отливок экзотермическими смесями. - М.: «Машиностроение», 1981, с.28-29).
Такие смеси используются для засыпки открытых прибылей или для изготовления элементов в виде облицовочных оболочек стаканов, втулок, надставок с внутренними полостями, полностью или частично совпадающими с полостями прибылей, заливаемых металлом.
За счет тепла жидкого металла, заполняющего полости прибылей, экзотермическая смесь прогревается до температуры воспламенения и сгорает с выделением тепловой энергии, которая повышает температуру металла и поддерживает его часть в жидком состоянии до полного затвердевания отливки. Это обеспечивает высокий технологический выход годного (ТВГ) до 70-75%.
Упомянутые смеси имеют следующие существенные недостатки:
- низкую теплотворную способность экзотермической смеси, обусловленную большим содержанием технологических добавок (шамот, песок, глина, известь), которые требуют расход дополнительной тепловой энергии для нагрева;
- высокий расход экзотермических смесей на тонну годных отливок, при технологическом выходе годного (ТВГ) 70-75% он составляет 100-150 кг;
- низкий КПД, так как большая часть тепла переходит в холодную литейную форму;
- большие материальные и трудовые затраты, связанные с изготовлением индивидуальных для каждой конкретной отливки оболочек (экзоэлементов различных размеров и формы).
В качестве прототипа принята экзотермическая смесь для обогрева прибылей отливок (патент РФ №2108889 «Экзотермическая смесь для обогрева прибыльных частей литейных форм», МПК6: B22D 7/10, B22D 27/06, опубл. 20.04.1998), включающая алюминиевый порошок, окислитель и технологические добавки при следующем соотношении ингредиентов,  мас.%:
Однако такая смесь не получила широкого применения вследствие следующих недостатков:
- необходимости перегрева технологических добавок до высоких температур, что сопровождается увеличением объема жидкого металла и выдавливанием его за пределы полости прибылей, кроме того, происходит поглощение жидким металлом газов из атмосферы с образованием раковин в отливках,
- быстротечности процесса горения термита (алюминиевый порошок и окислитель), сопровождающимся пироэффектом, приводящим к выходу жидкого металла из прибылей,
- сложности протекающих процессов плавки технологических добавок (ферросилиция и ферромарганца), что предопределяет нестабильность качества отливок.
В основу изобретения положена задача снижения расхода металла на прибыли при сохранении высокого качества отливок.
Указанная задача решается тем, что экзотермическая смесь для обогрева прибылей стальных и чугунных отливок, включающая алюминиевый порошок, окислитель и технологические добавки, дополнительно содержит силикокальций с содержанием кремния не менее 50 мас.% и кальция не менее 25 мас.%, а в качестве окислителя - окалину при следующем соотношении ингредиентов,  мас.%:
алюминиевый порошок
4,0-7,7
окалина
57-62
силикокальций
29-35
технологические добавки
остальное
Введение в заявленный состав силикокальция в соотношении 29-35  мас.% позволяет обеспечить высокую теплотворную способность, спокойное без пироэффекта продолжительное горение, перегрев металла в прибылях, необходимый для снижения его расхода, стабильную температуру воспламенения. За счет этого происходит снижение расхода металла на прибыли с обеспечением высокого качества отливок.
Опытным путем установлено, что в случае введения в состав силикокальция менее 29  мас.% заметно понижается теплотворная способность экзотермической смеси, происходит понижение перегрева металла в прибыли, уменьшается время пребывания металла в жидком состоянии, следовательно, ухудшается питание отливок, а значит, и качество и увеличивается расход металла.
В случае введения в состав силикокальция более 35  мас.% происходит перегрев металла, образуются газовые раковины в отливках, следовательно, ухудшается качество отливок.
Любое отклонение от заданных пределов может привести к нежелательным отклонениям необходимых стехиометрических соотношений между окисляемым металлом и окислителем.
Содержание в силикокальции кальция не менее 25  мас.% и кремния не менее 50  мас.% необходимо для достаточной теплотворной способности, продолжительного и спокойного горения и обеспечения перегрева металла для снижения его расхода на прибыли.
Наличием алюминиевого порошка и фтористого натрия обеспечивается стабильное начальное воспламенение экзотермических смесей предлагаемого состава.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Изготовление экзотермической смеси в сухом состоянии
В сухом состоянии экзотермическая смесь вводится в виде порошка на поверхность металла непосредственно в полости прибылей после частичной их заливки сплавом или путем заполнения специальных контейнеров, сосудов, устройств, предназначенных для их установки в полости прибылей до заливки форм сплавом.
Для приготовления предлагаемой экзотермической смеси используются следующие материалы,  мас.%:
- порошок алюминия вторичного (АПВ) (ТУ 48-5-152-78) - 4;
- силикокальции марок СК30 и СК25 (ГОСТ 4762-71) с содержанием кальция не менее 25 мас.% и кремния не менее 50 мас.% фракция 0,3-6 мм - 35;
- окалина кузнечная, измельченная и просеянная через сито с размерами ячеек 2,0×2,0 мм - 60,7;
- технологические добавки в виде натрия фтористого технического - 0,3.
В смеситель любого типа (бегуны, шнековый, лопастной) загружают материал в следующей последовательности: окислитель, порошок алюминиевый, силикокальций фракций 0,3-6 мм, фтористый натрий и перемешивают в течение 3-5 мин в зависимости от емкости смесителя. Смесь для использования в сухом состоянии выпускают в специальную тару с крышкой. По мере необходимости такую смесь засыпают в открытые прибыли после заливки их жидким металлом на 1/3 высоты или заполняют специальные контейнеры (или стержни), выполненные в виде сосудов, проставляемых в полости прибылей литейных форм.
Пример 2. Изготовление экзотермической смеси для формуемых экзоэлементов в сочетании с различными связующими и их установки в полости прибылей до заливки форм сплавом
3
Для приготовления экзотермической смеси в смеситель загружают порошок алюминия вторичного - 7,0 мас.%, силикокальций фракцией 0,3-6 мм - 29,0 мас.%, окислитель (окалина кузнечная, измельченная и просеянная через сито с размерами ячеек 2,0×2,0 мм) - 57,0 мас.% и технологические добавки в виде натрия фтористого технического 0,3 мас.%, глины формовочной - 1,7 мас.%, жидкого стекла (ГОСТ 13078-81), модуля 2,4-3,0, плотности 1460-1500 кг/м- 5,0 мас.%, воды технической - 2,0 мас.% сверх 100%.
2
В той же последовательности, как в примере 1, загружают в смеситель перечисленные материалы для приготовления экзотермических смесей для формуемых экзоэлементов, перемешивают 3-5 мин, вводят воду в количестве 2% (сверх 100%) (масс.), перемешивают еще 2 мин и вводят жидкое стекло. После ввода жидкого стекла перемешивают не более 2,5 мин и используют для формовки экзоэлементов, которые упрочняют продувкой углекислым газом (СО-процесс), а затем их подвергают сушке при температуре не менее 200°С в течение 2-6 часов в зависимости от их массы и толщины стенок.
Примеры соотношений перечисленных материалов для двух используемых состояний согласно изобретению приведены в таблице.
Состав экзотермической смеси для двух используемых состояний
Наименование материала
Содержание ( мас.%) в смесях
сухих
формуемых
1. Порошок алюминия вторичного
4,0-7,7
4,0-7,0
2. Силикокальций СК30
30,0-35,0
29,0-30,0
3. Окалина кузнечная
60,7-62,0
57,0-59,0
4. Натрий фтористый
0,3
0,3
5. Глина формовочная
-
1,7
6. Жидкое стекло
-
5,0
7. Вода техническая
-
2,0 (сверх 100%)
Заливкой опытных форм для отливок массой 40, 1060 и 1980 кг получены следующие результаты:
- расход металла на эти отливки снизился, соответственно, на 13,1, 706 и 1320 кг;
- расход металла на 1 тонну годного литья уменьшился, соответственно, на 327, 666 и 667 кг;
- технологический выход годного повысился, соответственно, до 89,8, 70,6 и 79,8%.
Качество отливок осталось на прежнем уровне.
Таким образом, заявляемая экзотермическая смесь для обогрева прибылей отливок позволяет снизить расход металла при сохранении высокого качества отливок.