СВЯЗУЮЩЕЕ ДЛЯ СТЕРЖНЕЙ ТЕПЛОВОГО ОТВЕРЖДЕНИЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
BINDING AGENT FOR CASTING HEAT-CURED CORES

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к связующим, используемым в составах смесей для изготовление стержней теплового отверждения.
5
Известны литейные связующие на основе растительных масел (льняного, конопляного, рапсового, и др.) (Берг П.П. Курс формовочных материалов. Государственное научно-техническое издательство по черной и цветной металлургии. 1933 г. с 275-276). Для стержней первого класса сложности в качестве связующего широко использовалось льняное масло (Гост 5791-81). Однако применение указанного связующего в настоящее время практически исключено вследствие его дефицитности и дороговизны. В качестве связующего для стержней теплового отверждения использовались также продукты переработки древесины - масло лиственное талловое (авт. св. 910306 В22с 1/120, опубл. 1968 г.), однако, оно аналогично льняному маслу - дефицитно и дорого и в настоящее время не вырабатывается. В качестве связующих материалов использовались отходы производств растительных масел (жмых, клейрот и др.). (Лейтес В.Г. Использование отходов производства растительных масел в качестве связующих. Литейное дело, 1938 г., с.22-25). Однако указанные материалы обеспечивают недостаточную прочность на разрыв в сухом состоянии (до 7·10 Па) и обладают невысокой скоростью теплового отверждения. Стандартные образцы «восьмерки» - отверждаются при температуре 220-240°C за 60 минут.
Основу растительных масел составляет жирные кислоты.
21
30
Наиболее близкими к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату являются связующие для изготовления литейных стержней (авт. св. 158664 В22с 1/24, опубл. 1963 г.) на основе кубовых остатков от дистилляции синтетических жирных кислот (СЖК), растворенных в уайт-спирите связующее КО (ТУ 38. 1071277-80). Кубовые остатки от дистилляции СЖК представляют собой смесь высокомолекулярных жирных карбоновых кислот с числом углеродных атомов С-С (80-92%), неомыляемых (8-10%) и продуктов конденсации и полимеризации (1-2%). Указанные составляющие кубовых остатков СЖК обеспечивают пленкообразующую способность в сочетании с кварцевым песком для получения высокой прочности стержней в сухом состоянии, весьма высокую скорость теплового отверждения при температуре 220-240°C, время отверждения - 45 минут (Барышевский Л.М., Друян Р.Л., Осипова Н.А., Сапелкин А.И., Беляков Б.П. Связующие литейные материалы на основе синтетических продуктов. - М.: 1967 г. с 8-14). Однако из-за сокращения сырьевой базы СЖК уменьшается выпуск связующего КО и увеличивается его стоимость.
Технический результат изобретения - расширение ассортимента связующих для теплового отверждения стержней, утилизация продуктов переработки семян горчицы, а именно отхода при производстве растительного горчичного масла и удешевление связующих, полученных на его основе.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом связующем для стержней теплового отверждения литейного производства на основе остаточных продуктов жирных кислот, в качестве остаточных продуктов используют фильтропрессовый осадок растительного горчичного масла, растворенный в уайт-спирите или в керосине, или в воде.
При этом в связующем для стержней теплового отверждения фильтропрессовый осадок используют в сочетании с водными материалами, например с лигносульфонатами техническими (ЛСТ).
Для достижения поставленного технического результата использовали продукт переработки семян горчицы в виде фильтропрессового осадка растительного горчичного масла. При переработке семян горчицы с них снимают шелуху, после чего путем прессования зерен горчицы получается горчичное масло (ГОСТ 8807-74). После фильтрации горчичного масла образуется фильтропрессовый осадок (ФПО), содержащий до 50% горчичного масла и до 50% мелкодисперсного горчичного жмыха - порошка. В ФПО содержится до 0,5% эфирного горчичного масла и до 3% лецитина. Отход при производстве горчичного масла (ФПО) представляет собой то же масло, что и горчичное по ГОСТ 8807-74, содержит высокомолекулярные жирные кислоты в пересчете на свободные карбоновые кислоты, мас.%:
1. Насыщенные кислоты C<sub>14</sub>-C<sub>24</sub>
4-5
2. Олеиновая кислота C<sub>8</sub>H<sub>17</sub>CH=CH(CH<sub>2</sub>)<sub>7</sub>COOH
20-30
3. Линолевая кислота CH<sub>3</sub>(CH<sub>2</sub>)<sub>3</sub>(CH<sub>2</sub>CH=CH)<sub>2</sub>(CH<sub>2</sub>)<sub>7</sub>COOH
14-30
4. Эруковая кислота
30-37
ФПО имеет очень разветвленное пространственное строение (триглицерид ненасыщенных карбоновых кислот), содержит в своем составе эпоксигруппы, карбоксигруппы, которые весьма реакционно-способны и, взаимодействуя с огнеупорным наполнителем - кварцевым песком, обеспечивает прочность стержней в отвержденном состоянии.
Фильтро-прессовый осадок - тягучая, мазеобразная масса темно-серого цвета с легким запахом пищевого растительного горчичного масла.
Фильтро-прессовый осадок в качестве связующего вводится в стержневую смесь в чистом виде или в растворе с керосином, уайт-спиритом или водой. Используют в сочетании с водными материалами, например ЛСТ.
В таблице 1 приведены составы связующих на основе фильтропрессового осадка (ФПО) и прототипа (КО) и их реологические характеристики
Таблица 1
Реологические свойства связующего
Шифр связующего
Составляющие связующего, %
Плотность, Гр/см<sup>3</sup>
Вязкость В3-4, с
Кубовые остатки СЖК
ФПО
Уайт-спирит
Керосин
Вода
1
-
100
-
-
-
1,3
-
2
-
50
50
-
-
0,96
45
3
-
70
-
30
-
0,97
17
4
-
40
-
-
60
1,05
120
5 (прототип КО)
50
-
50
-
-
0,84-0,87
30
ФПО хорошо растворяется в органических растворителях (уайт-спирите, керосине). Лучшее растворение обеспечивается в керосине, уменьшение уайт-спирита до 20% увеличивает вязкость до 81 секунды. Поэтому выбранные процентные соотношения ФПО-уайт-спирит (50/50) и ФПО-керосин (70/30) являются оптимальными. ФПО прекрасно сочетается с водой, однако, с увеличением воды до 60% увеличивается вязкость до 120 секунд, поэтому для обеспечения удовлетворительных реологических и прочностных свойств стержней была выбрана композиция 40% ФПО и 60% воды.
В таблице 2 приведены составы технологических проб смесей и их прочностных свойств со связующими (шифр 1-4, таблица 1) согласно изобретению и прототипу КО (авт. св. 158664, В22с 1/24, опубл. 1963 г.).
Таблица 2
Составы технологических проб и их прочностные свойства
Ингредиенты, %
Составляющие смеси, %
Прототип
σ<sub>t</sub>, Па·10<sup>5</sup>
Песок 2K<sub>2</sub>O<sub>2</sub>02
100
100
100
100
100
Связующее на ФПО: шифр связующих
№1
2
-
-
-
-
5,5
№2
-
2
-
-
-
8,8
№3
-
-
2
-
-
8,6
№4
-
-
2
-
8,8
Связующее КО
-
-
-
-
2
8,7
2
2
5
5
5
5
Технологические пробы для определения прочностных характеристик согласно ТУ или ГОСТ на связующие материалы содержат 100% кварцевого песка марки 2KO02 и 2% связующего материала. Технологические пробы (стержневые смеси) изготавливаются в лабораторных смесителях каткового типа, время перемешивания со связующими 3-5 минут. Из смесей изготавливались образцы «восьмерки» в стандартном стержневом ящике на лабораторном копре (тремя ударами копра). Образцы высушивались при температуре 220-240°C на предлагаемом связующем материале (шифр связующих 1-4, таблица 1) в течение 45 минут. На связующем КО - прототипе при том же режиме 220-240°C время 30 минут. Как видно из полученных данных (таблица 2), при растворении ФПО в органических растворителях прочность технологических проб (8,6-8,8·10 Па) - (шифр 2-4, таблицы 2) выше в 1,5 раза по сравнению с исходным ФПО (5,5·10 Па) -(шифр 1, таблица 2), что объясняется более равномерным распределением связующего по поверхности кварцевых зерен. ФПО, растворенный в воде при содержании активной части 40%, обеспечивает прочность 8,8·10 Па, что аналогично прочностным свойствам технологической пробы на связующем прототипе - КО (8,7·10 Па).
В практике литейного производства связующие КО используется в сочетании с водными связующими материалами типа лигносульфонатов технических (сульфитно-спиртовой бардой или сульфитно-дрожжевой бражкой) - 13-0281036-05-89.
В таблице 3 приведены составы стержневых смесей на основе заявляемого связующего (шифр связующих 1-4, таблица 1) и прототипа - КО (шифр 5, таблица 1) в сочетании с связующим ЛСТ (сульфитно-спиртовой бардой) и их прочностные характеристики.
В таблице 4 приведены физико-механические и технологические свойства анализируемых смесей.
Таблица 3
Прочностные свойства смесей на заявляемом связующем, прототипе в сочетании с ЛСТ
Ингредиенты, %
Составляющие смеси, %
Прототип (КО)
σ<sub>t</sub>, Па·10<sup>5</sup>
Песок 2K<sub>2</sub>O<sub>2</sub>02
100
100
100
100
100
-
Связующее на ФПО:
№1
2
-
-
-
-
13,65
№2
-
2
-
-
-
9,28
№3
-
-
2
-
-
8,64
№4
-
-
-
2
-
11,4
Связующее ЛСТ
3
3
3
3
3
-
Связующее КО
-
-
-
-
2
11,0
t
5
3
Как видно из таблицы 3, при одинаковом количестве связующих (2%) в смеси на основе ФПО и КО в сочетании с ЛСТ (3%) прочность смесей на разрыв в сухом состоянии находится в пределах технических требований (σ: 8-12·10 Па). При этом прочность на связующем ФПО в растворе с водой (шифр 4, таблица 1) имеет выше прочность по сравнению с ФПО, растворенного в керосине и уайт-спирите. Смесь на чистом ФПО (шифр 1, таблица 1) имеет самую высокую прочность за счет большего содержания активной части связующего материала, однако, введение чистого ФПО в смесь увеличивает время перемешивания смеси за счет высокой вязкости ФПО. Как видно из таблицы 4, влажность, газопроницаемость, прочность на сжатие в сыром состоянии смесей на заявляемом связующем (шифр 1-4, таблица 1) в сравнении со смесью на прототипе практически не отличаются и находятся в пределах технических требований к смесям, используемым для изготовления стержней теплового отверждения. Смеси на связующем ФПО обладают малой гигроскопичностью аналогично смеси на прототипе КО за счет масляной природы связующего. Газотворность смесей на ФПО находится в пределах технических требований ТУ (8-12 см/1 грамм смеси) аналогично смеси на прототипе КО.
Таблица 4
Физико-механические и технологические свойства смесей на заявляемом связующем и прототипе в сочетании с ЛСТ (3%)
Свойства смесей
Единицы измерения
Показатели свойств смесей
Шифр связующих на ФПО (таблица 1)
Прототип КО
Нормы ТУ,
1
2
3
4
Влажность
%
1,5
1,8
1,5
2,0
1,5
1,5-2,5
Газопроницаемость
Ед.
115
110
115
100
120
100-120
Прочность на сжатие в сыром состоянии
Па·10<sup>5</sup>
0,03
0,04
0,05
0,05
0,04
0,03-0,05
Гигроскопичность
%
0,1
0,2
0,3
0,1
0,2
<0,5
Газотворность
См<sup>3</sup> на 1 грамм смеси
10
9,5
10
8,0
9,0
8-12
Заявляемое связующее (шифр 2, 3, 4) соответствует требованиям, предъявляемым к аналогичным связующим на основе СЖК (КО, КО-1) и могут быть рекомендованы для расширения ассортимента аналогичных связующих. Стоимость 1 тонны КО - 4240 рублей, а стоимость чистого ФПО за 1 тонну - 1500 рублей, а разведенного ФПО с водой может составлять 600-700 рублей за 1 тонну связующего. Использование ФПО в качестве связующего для изготовления стержней литейного производства позволит утилизировать остаточный продукт переработки семян горчицы (300 тонн в год).