СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ФОРМОВОЧНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ПЕСЧАНО-ЦЕМЕНТНЫХ ФОРМ
METHOD FOR MAKING OF MOULDING MATERIAL FOR SAND-CEMENT MOULDS

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам приготовления связующих формовочных материалов для песчано-цементных форм, используемых при литье черных сплавов.
В настоящее время известны способы приготовления цементного связующего для песчано-цементных форм (Патент РФ №2252103, МПК B22C 1/00, «Смесь наливная самотвердеющая для изготовления форм и стержней при производстве отливок по выплавляемым моделям», опубл. 20.05.2005. Бюл. №14).
Согласно предложенному способу портландцемент, поставляемый в литейный цех от изготовителя, поступает на стадию приготовления песчано-цементной смеси без дополнительной подготовки.
В технологическом процессе производства портландцемента на стадии конечного измельчения вводится реагент (гипс) в качестве обязательной добавки для замедления сроков схватывания и повышения прочностных свойств цементного камня. При заливке чугуна поверхность литейной формы в местах, непосредственно контактирующих с массивными частями отливки, прогревается до температуры заливаемого металла на значительную глубину. В зоне контакта «металл-форма» углерод, содержащийся в расплаве, взаимодействует с гипсом цементного связующего, в результате происходит выделение значительного количества газообразных продуктов, что является причиной образования газовых раковин на поверхности чугунных отливок. Реагент, гипс, содержащийся в цементном связующем, оказывает влияние на кинетику гидратации, блокируя гидратацию алюминатных фаз и интенсифицируя образование гидросиликатных фаз, вносящих основной вклад в синтез прочности цементного камня. Избыточно высокая прочность форм делает выбивку отливок затруднительной. При изготовлении форм на цементном связующем вводится нитрат алюминия, который ускоряет схватывание и уменьшает остаточную прочность песчано-цементной формы только за счет подавления действий гипса на процессы структурообразования цементного камня. При этом гипс остается в системе в исходном состоянии и способен активно взаимодействовать с компонентами металлического расплава. Для устранения существующих недостатков цементного связующего при литье чугуна в песчано-цементные формы, необходима его предварительная подготовка для удаления гипса.
Наиболее близким по технической сущности является способ приготовления формовочных материалов для изготовления оболочковых форм. Способ предусматривает прокаливание материалов в окислительной среде при 900-950°C с целью удаления железа и органических примесей. (Литье по выплавляемым моделям. / Под ред. Я.И.Шкленника, В.А.Озерова М.: Машиностроение, 1984, с.188-189). Такой режим прокаливания не позволяет удалить гипс из состава портландцемента и не улучшает его технологические свойства.
В основу изобретения положена следующая техническая задача - предотвращение образования газовых раковин в отливках из чугуна за счет уменьшения газотворности формовочной смеси в процессе заливки расплава путем разложения на стадии подготовки цементного связующего основного источника выделения газов - гипса, содержащегося в исходном портландцементе.
Указанная техническая задача достигается тем, что в способе приготовления формовочного материала для литья по выплавляемым моделям, включающем высокотемпературный обжиг, согласно изобретению обжиг исходного материала ведут в течение 30…55 минут с использованием реагента, причем в качестве исходного материала применяют портландцемент, а в качестве реагента - диспергированный уголь в следующем соотношении, мас.%: портландцемент 97-99; диспергированный уголь 1-3.
5
5
Обжиг смеси портландцемента с диспергированным углем можно осуществить либо при атмосферном давлении 1,01·10 Па в температурном интервале 850…950°C, либо при остаточном давлении 1,33…1,01·10 Па в температурном интервале 500…850°C.
2
2
2
Диспергированный уголь используется в качестве реагента взаимодействия с гипсом, так как углерод является основным источником его разложения. Продуктами реакции могут быть газообразные CО, CO, SO, SO, O, а также твердые вещества оксиды кальция и железа, сульфид кальция. Твердые продукты реакции инертны к компонентам металлического расплава, при этом они не оказывают негативного влияния на связующие свойства портландцемента. Содержание диспергированного угля менее 99 мас.% недостаточно для протекания реакции полного разложения гипса. Содержание диспергированного угля более 97 мас.% не приводит к повышению эффективности подготовки связующего материала, следовательно, увеличение количества диспергированного угля нецелесообразно с точки зрения его нерационального использования. Также нежелательный остаток углерода в формовочной смеси может стать причиной нарушения процесса гидратации в структурообразовании цементного камня.
Время обжига 30…55 минут является оптимальным, так как обработка менее 30 минут не достаточна для полного протекания реакций разложения гипса. Продолжительность обжига более 55 минут становится нерациональной с точки зрения неэкономного расходования электроэнергии.
5
Обжиг при стандартном давлении 1,01·10 Па является осуществимым, так как не требует дополнительного вакуумного оборудования. При этом условии реакции разложения гипса начинают протекать не ниже температуры 850°C. Увеличение температуры обжига выше 950°C приводит к спеканию зерен цементного связующего и потере его технологических свойств.
5
Так как реакции разложения гипса при взаимодействии с диспергированным углем идут с образованием газовой фазы, то снижение остаточного давления в системе сдвигает эти реакции в сторону более низких температур. Таким образом, обжиг можно проводить при остаточном давлении 1,33…1,01·10 Па, это позволяет значительно снизить температурный интервал протекания реакций до 500…850°C. В случае остаточного давления менее 1,33 Па возникает опасность возгонки обрабатываемых формовочных материалов и унос пылевидной фракции в вакуумную систему, а также необходимости применения вакуумных устройств более сложной конструкции.
Предлагаемый способ подготовки формовочных материалов для литья по выплавляемым моделям, включающий высокотемпературный обжиг, иллюстрируется следующим примером.
Пример. Портландцемент ПЦ-400 (ГОСТ 10178-85) перед приготовлением формовочной смеси для изготовления песчано-цементных форм подвергают высокотемпературному обжигу. Для этого на 97-99 мас.% портландцемента добавляют диспергированный уголь в количестве 1-3 мас.%, далее компоненты перемешивают для равномерного распределения графита между зернами цемента и усреднения состава. Полученную смесь подвергают высокотемпературному обжигу в течение 30…55 минут. Варианты осуществления предлагаемого способа подготовки портландцемента приведены в таблице.
Способы подготовки цементного связующего
Параметр обработки
Показание параметров обработки в способах
1
2
3
прототип
Соотношение диспергированный уголь : портландцемент
3:100
2:100
1:100
-
Время обжига, мин
55
45
30
60
Температура обжига, °C
950
650
500
920
Остаточное давление, Па
1,01·10<sup>5</sup>
1333
1,33
-
Для получения сравнительных данных параллельно осуществляли приготовление формовочной смеси без предварительной подготовки цементного связующего.
Подготовленные связующие материалы используют для изготовления чугунной отливки «Воин» массой 42 кг и максимальной толщиной стенки 25 мм в песчано-цементную форму. После отверждения смеси и необходимой выдержки для прохождения процессов гидратации в связующем, формы сушат при 150°C, затем их прокаливают при температуре 550-600°C и заливают чугуном с температурой 1300°C. После остывания формы выбивают, отливки очищают от остатков формовочной смеси и оценивают качество литья. Отливки, полученные без предварительной подготовки цементного связующего, имели 100% брак по газовым дефектам в массивных узлах - на литой поверхности имелись раковины глубиной 2-5 мм, диаметром ⌀1-6 мм. Отливки, полученные в формы на цементном связующем, подготовленном по вариантам 1, 2, 3 заявляемого способа, годные, литейные дефекты отсутствуют.