Теплоизоляционные металлофосфатные смеси и методы их применения в литейном производстве

УДК 621.742

Илларионов И.Е., Стрельников И. А.

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МЕТАЛЛОФОСФАТНЫЕ СМЕСИ И МЕТОДЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В ЛИТЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Аннотация. Предложены результаты исследований оптимальных составов теплоизоляционных металлофосфатных смесей. В качестве изоляционных материалов применяют пористые вещества, имеющие малую теплопроводность и низкую плотность. По практическим данным теплоизоляционные прибыльные оболочки снижают массу прибыли отливки в два раза. Изучено влияние различных теплоизоляторов на теплофизические свойства оболочек, определены условия формирования качественной структуры и высокой прочности отливок. Разработаны методы применения теплоизоляционных метаплофосфатных смесей в литейном производстве для формирования качественной структуры отливок. Ключевые слова: литейное производство, отливки, металпофосфатные связующие, теплоизоляционные смеси, прибыльные оболочки, качественная структура отливки.

Сопоставление объема широко применяемых прибылей с объемом компенсируемых ими усадочных раковин показывает, что коэффициент использования металла прибылей, например для отливок из углеродистых сталей, составляет менее 0,1 для слитков 0,35-0,5. При этих условиях нормальная работа прибыли достигается за счет увеличения ее массы: чем больше масса прибыли, напусков и припусков, тем более длительное время ее металл находится в жидком состоянии и тем лучше условия для направленного затвердевания отливки. В связи с этим применяются большие прибыли, составляющие 60-100% массы отливки и 15-20% массы слитка. Иногда масса прибыли даже превышает массу отливки, масса напусков и припусков металла также составляет 20-30% массы отливки. В результате выход годного металла не превышает 50-60%, коэффициент использования металла во многих случаях ничтожно мал 0,08-0,12 и много отливок идет в брак из-за рыхлости и трещин.

После заливки жидкого металла в форму на ранней стадии процесса затвердевания усадка компенсируется поступлением жидкого металла через питающее сечение из прибыли в отливку. В дальнейшем прибыль, хотя и медленнее отливки, также затвердевает, и на заключительной стадии затвердевания компенсация усадки происходит перемещением твердожидкого металла из прибыли в отливку. Такое перемещение через узкое питающее сечение затруднено, а в ряде случаев прекращается совсем. В результате, если отливка к этому времени не затвердела, в ней образуется пористость или вторичная усадочная раковина, следовательно, для улучшения условий питания необходимо максимально увеличить разницу в продолжительности затвердевания прибыли и отливки.

Простое увеличение массы и размеров прибыли приводит лишь к повышению расхода металла на прибыли и снижению выхода годного и не всегда гарантирует отсутствие в отливке усадочных дефектов. Увеличение размеров прибыли повышает также трудоемкость отделения прибыли.

Замедления отвода теплоты можно достичь выбором соответствующего изолирующего материала. Применение утеплителей, теплоизоляционных прибыльных оболочек из

О Илларионов И.Е., Стрельников И.А., 2017

теплоизоляционных смесей позволит устранить указанные выше недостатки.

В качестве изоляционных материалов применяют пористые вещества, имеющие малую теплопроводность и низкую плотность. Материалы с малой теплопроводностью 0,2 Вт/мК называются теплоизоляторами. Большинство теплоизоляторов состоит из волокнистой, порошковой или пористой основы, заполненной воздухом [1. С. 8].

Формовочные смеси, имеющие коэффициент тепловой аккумуляции, равный 1-10 ВтСмК, являются теплоизоляционными материалами, а изготовленные из них стержни и части форм - теплоизоляционными оболочками, облицовками и утеплителями. Такие материалы мало аккумулируют тепло, почти не охлаждают расплав и, следовательно, длительное время сохраняют его в жидком состоянии. На основе этих положений технология применения теплоизоляционных смесей предусматривает изготовление прибыльной части формы из теплоизоляционных оболочек и облицовок, засыпку зеркала метал-™ прибыли порошком, изготовление форм подприбыльных и тонкостенных ее частей из теплоизоляционных облицовок и стержней - утеплителей.

Теплоизоляционные прибыльные оболочки снижают массу прибыли по сравнению с обычными прибылями на 50-70% для стального литья и на 80-85% для литья из цветных сплавов и ковкого чугуна. Сравнительные исследования показали, что при прочих равных условиях оптимальный объем теплоизоляционной прибыли превышает объем усадочной раковины в 2-3 раза, экзотермической прибыли в 2,5-4 раза и обычной прибыли в 8-12 раз. Новая технология исключает применение технологических напусков металла, предусмотренных по правилу вписанных окружностей, вследствие чего резко повышается коэффициент использования металла прибыли.

Наиболее приемлемыми для изготовления теплоизоляционных смесей, служащих для обогрева прибылей стальных отливок, явились алюмохромфосфатное связующее АХФС по ТУ 6-18-166-83 и магнийалюмофосфатное связующее МАФС 20ИК по ТУ 6-18-10-11-85. Металлофос-фатные связующие обладают высокой термостойкостью, стабильностью свойств, низкими токсичностью, газотворно-стью и гигроскопичностью, обеспечивают высокие физико-

механические и технологические свойства смесей [2. С. 80].

Комплексное исследование физико - механических и теплофизических свойств теплоизоляционных металло-фосфатных смесей в зависимости от количества и качества различных составляющих материалов и наполнителей, содержания связующих материалов позволило разработать оптимальные составы теплоизоляционных смесей.

Оптимальные условия формирования качественной структуры и высокой прочности отливки устанавливаются при соотношении скоростей отвода теплоты отливки и прибыли, равном 2:1 или 1,5:1. Выполнить эти условия можно только при дифференцировании теплофизических и прочностных свойств литейных форм. Управление затвердеванием отливки с применением утеплителей, теплоизоляционных прибыльных оболочек технологически возможно и экономически выгодно. Такие прибыли мало аккумулируют тепло, почти не охлаждают расплав и, следовательно, длительное время сохраняют его в жидком состоянии. Сравнительные исследования показали, что при прочих равных условиях оптимальный объем теплоизоляционной прибыли превышает объем усадочной раковины в 2-3 раза, обычной прибыли - в 8-12 раз. Коэффициент использования металла теплоизоляционной прибыли из углеродистой стали составляет 0,33-0,5, обычной 0,8-0,12.Теплоизаляционные прибыльные оболочки снижают массу прибыли по сравнению с обычными прибылями на 50-70% для стального литья.

Для теплоизоляции прибылей стальных отливок в формах из песчаноглинистых и других смесей разработаны теплоизоляционные металлофосфатные смеси, обладающие экзотермическим эффектом. Также разработаны новые теплоизоляционные металлофосфатные смеси с улучшенными эксплуатационными свойствами, содержащие в составе новый эффективный теплоизоляционный материал - эковату, и смеси, содержащие отход ваграночного производства - чугуна ваграночный шлак. Отличием разработанных теплоизоляционных смесей является введение новых ингредиентов. Указанная совокупность компонентов обеспечивает улучшение физико - механических и теплофизических свойств смесей. Экспериментально установлено, что оптимальное процентное содержание ме-таллофосфатных связующих в составе теплоизоляционных смесей составляет 7-15 мас.%. Содержание связующих ниже 7 мас.% приводит к ухудшению физико - механических свойств смесей, а при содержании свыше 15 мас.% увеличиваются себестоимость и коэффициент теплопроводности смеси.

Оболочки из теплоизоляционных металлофосфатных смесей для утепления прибылей прямого питания сверху могут быть закрытого (иногда открытого) типа, сферической, секторной, овальной, цилиндрической, прямоугольной форумы. Оболочки формуют в металлических или деревянных стержневых ящиках. Плотность набивки должна быть минимальной, обеспечивающей необходимую прочность оболочки в сыром состоянии. Толщина стенок оболочек составляет 15-30 мм. Для вывода газов из формы в верхней

части оболочки прокалывается отверстие диаметром 15-20 мм. Сушат оболочки при температуре 313-423 К в течение 1 -3 ч или при температуре 523-573 К в течение 20-45 мин.

Исследованиями установлено, что необходимо соблюдать данный режим сушки оболочек. Установлено, что длительная сушка ведет к снижению предела прочности на растяжение смеси. После сушки поверхность оболочки не должна осыпаться. Готовые оболочки должны быть прочными, без трещин и выломов. При хранении необходимо предохранять их от влаги. В этих условиях оболочки могут храниться в течение 2-3 мес.

Экспериментально установлено, что с увеличением процентного содержания эковаты в теплоизоляционной смеси снижается коэффициент теплопроводности смеси, но при этом снижается предел прочности на разрыв. Поэтому следует добавлять в состав смеси до 15 мас.% эковаты.

Проведены исследования по изучению влияния различных теплоизоляторов на теплофизические свойства оболочек из теплоизоляционных металлофосфатных смесей. Анализ динамики изменения температурного поля в оболочках и формах позволил сделать вывод, что наилучшие результаты получены с использованием смесей, в состав которых входит специально обработанная целлюлоза — эковата (до 15 мас.%). Данный состав позволил увеличить время активной работы прибыли в 2 раза при технологической возможности уменьшения объема прибыли в 2 раза.

Разработанные теплоизоляционные металлофосфатные смеси по своим свойствам превосходят известные теплоизоляционные смеси. Их приготовление и применение не требуют дополнительного оборудования или капитальных затрат, что дает основание рекомендовать их для широкого внедрения с целью экономии металла и улучшения санитарно - гигиенических условий труда (табл.1).

Способ приготовления теплоизоляционной смеси заключается в следующем: трепел, эковату или древесные опилки, каолинитовую глину смешивают в катковых бегунах в течение 3-5 мин, после чего добавляют ваграночный шлак или приготовленную пастообразную торфяную массу и ме-таллофосфатное связующее в указанном в таблице количестве. Полученную теплоизоляционную смесь перемешивают в бегунах. Готовую однородную теплоизоляционную смесь подают с помощью транспортных средств на стержневой участок для формирования теплоизоляционных металлофосфатных оболочек. Приготовленные ручным или машинным способами теплоизоляционные оболочки поступают на поддонах в сушильную камеру на стержневом участке. Сушку проводят при температуре 120-140°С. Остаточная влажность смеси не должна превышать 5%. Трепел в теплоизоляционной ме-таллофосфатной смеси является катализатором процесса отверждения металлофосфатного связующего и дополнительного инертного теплоизолятора - огнеупорного наполнителя. Приготовленные оболочки готовы к применению и устанавливаются в литейную полуформу. Торф,

эковата, древесные опилки, вограночный шлак, кварцевый песок играют роль теплоизолятора. Сочетание данных ингредиентов в составах теплоизоляционных смесей улучшает физико - механические характеристики и теплоизоляционные свойства смесей, повышает формуемость и снижает осыпаемость оболочек.

При изготовлении форм оболочки и утеплители устанавливаются непосредственно на модель отливки, для чего в них предусмотрены специальные знаки - фиксаторы. Прочность оболочек позволяет применять их при машинной

Составы и свойства разработанных те

формовке и при уплотнении форм пневматическими трамбовками. При этом перед формовкой вокруг оболочек и утеплителей смесь уплотняется вручную.

После раскрытия формы и извлечения модели в верхней полуформе выполняются необходимые каналы. Оболочки также можно устанавливать на готовые полуформы. Установлено, что оболочки, изготавливаемые из теплоизоляционных металлофосфатных смесей, не оказывают отрицательного влияния на химический состав стальных отливок.

Таблица 1

^изоляционных металлофосфатных смесей

Наименование материала Содержание составляющих смеси, мае. % Номер смеси

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

содержание

Опилки древесные       25 28  30,5

Древесная мука - - - - 10 7 - 5,5

Каолинитовая глина и 10 9 - - - 20 18 - 13,5

Песок кварцевый 60 63 68 - - 60 25 28 50 19,5

Алюминиевый порошок - - - - -  10 12 - 15,5

Эковата 16 15 13 - - - - - - -

Ваграночный шлак - - - 85 88 - - - - -

Трепел - - - 5 7 5 -  10

Торф - - - - - 25  30 -

Вода 13 12 10 15 12 до формуемости 15,5

Металлофосфатные связующие

материалы (АХФС, МАФС 20ИК) 10 10 7 10

Свойства

Прочность на разрыв, МПа

в сухом состоянии 0,35 0,32 0,30 0,41 0,40 0,37 0,2 0,21 0,53 0,28

в сыром состоянии 0,043 0,042 0,041 0,044 0,043 0,035 0,042 0,035 0.048 0,044

Осыпаемость, % 0,30 0,35 0,37 0,50 0,60 0,4 0,60 0,70 0,1 0,70

Коэффициент теплопроводности

при 1573 К, Вт/мК 0,15 0,17 0,18 0,25 0,27 0,33 0,27 0,26 0.28 0,26

Список литературы

1. Илларионов И.Е., Стрельников И.А., Журавлев А.Ф. Особенности применения специальных смесей для лег-коотделяемых прибылей // Заготовительные производства в машиностроении. 2011. № 9. С. 8-10.

2. Илларионов И.Е., Стрельников И.А., Петрова Н.В. Ме-

таллофосфатные связующие и смеси, особенности их отверждения // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. 2012. № 4(76). С. 79-85.

Сведения об авторах

Илларионов Илья Егорович - д-р техн. наук, профессор кафедры материаловедения и металлургических процессов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары. Е-таП:1тПр(@,гатЫег.ги.

Стрельников Игорь Анатольевич - канд. техн. наук, доц. кафедры материаловедения и металлургических процессов. Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары. Е-таП^геШкоу. 15@mail.ru

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

HEAT-INSULATING METAL-PHOSPHATE MIXTURES AND METHODS OF THEIR APPLICATION IN FOUNDRY

Illarionov Ilya Egorovich - D. Sc. (Eng.), Professor of Materials Science and Metallurgical Processes Chair, Chuvash State University, Cheboksary, Russia.

Strelnikov Igor Anatolievich - Ph. B. (Eng.), Assistant Professor of Materials Science and Metallurgical Processes Chair, Chuvash State University, Cheboksary, Russia.

Abstract. The present article studies an optimum composition of heat-insulating metal-phosphate mixtures. We use as insulating materials porous substances with low thermal conductivity and low density. According to factual data, heat-insulating riser shells reduce the weight of a riser twice. Here is studied the influence of various heat insulators on ther-mophysical properties of shells as well as conditions for obtaining castings with the structure of high quality and strength. The article also offers methods of applying heat-insulating metal- phosphate mixtures in industry. Keywords: foundry, casting, metal-phosphate binders, heat-insulating mixtures, riser shell, casting perfect structure.

Ссылка на статью:

Илларионов И.Е., Стрельников И.А. Теплоизоляционные металлофосфатные смеси и методы их применения в литейном производстве // Теория и технология металлургического производства. 2017. №1(20). С. 27-30.

Illarionov I.E., Strelnikov I.A. Heat-insulating metal-phosphate mixtures and methods of their application in foudry. Teoria i tehnolodia metal-lurgiceskogo proizvodstva. [The theory and process engineering of metallurgical production], 2017, vol. 20, no. 1, pp. 27-30.