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

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к составам экзотермических смесей, используемых для обогрева прибылей стальных и чугунных отливок.
Известна экзотермическая смесь для обогрева литейных прибылей, содержащая алюминиевый порошок, материал на основе окислов железа, марганцевую руду, глину огнеупорную, огнеупорный наполнитель и связующее, хромовую руду и материал на основе углерода при следующем соотношении ингредиентов, вес.%:
Алюминиевый порошок
10,5-18,0
Материал на основе окислов железа
25,0-50,0
Марганцевая руда
3,0-15,0
Хромовая руда
5,0-25,0
Глина огнеупорная
5,0-10,0
Огнеупорный наполнитель
3,0-25,0
Материал на основе углерода
5,0-12,0
Связующее
5,0-10,0
(см. МПК B22D 27/06 описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №608608, опубл. 30.05.1978 г.).
Недостатком известной экзотермической смеси является то, что в ней содержится низкое количество огнеупорного наполнителя (кварцевого песка), вследствие чего смесь имеет высокую теплопроводность и на небольших отливках вызывает преждевременное затвердевание прибыльной части из-за захолаживающего эффекта, что приводит к браку по усадочным дефектам. Кроме того, применение этой смеси требует тепловую сушку оболочек, удлиняющую цикл изготовления оболочек, а в ряде случаев и цикл получения самих отливок.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является экзотермическая смесь, включающая алюминиевый порошок, марганцевую руду, окислы железа, криолит, огнеупорную глину и связующее, при следующем соотношении ингредиентов, вес.%:
Алюминиевый порошок
19-23
Марганцевая руда
3-5
Окислы железа
10-15
Криолит
4-6
Глина огнеупорная
52-55
Связующее
3-5
(см. МПК B22D 27/06 описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №608609, опубл. 30.05.1978 г.).
В известной экзотермической смеси в качестве наполнителя применяют молотую огнеупорную глину до 55%. Связующим в данном случае являются декстрин, сульфитный щелок и жидкое стекло. Использование декстрина требует длительной тепловой сушки экзотермической оболочки для придания ей необходимой прочности. Кроме того, декстрин является пищевым продуктом и также как и сульфитный щелок не применяется в настоящее время в литейном производстве.
Большое количество в смеси тонкодисперсной глины и низкое содержание водных связующих (сульфитного щелока и жидкого стекла) не обеспечивают смесям достаточной «сырой» прочности и формуемости, затрудняет получение фасонных экзотермических изделий. Поэтому известная экзотермическая смесь применяется, в основном, в качестве засыпки.
Применение в качестве наполнителя в смеси молотой огнеупорной глины помимо повышения тепловой эффективности имеет и другие недостатки, связанные с тонкодисперсностью наполнителя, резко снижающей газопроницаемость экзотермической оболочки, что может вызвать «кип» металла в зоне прибыли.
Техническим результатом заявляемого технического решения является получение экзотермической смеси с высокими прочностными характеристиками и теплоизоляционными свойствами, исключающими необходимость тепловой сушки оболочек, сокращающими цикл их изготовления и повышающими эффективность теплового воздействия на прибыльную зону отливки при ее использовании для стального и чугунного литья.
Технический результат достигается тем, что экзотермическая смесь для обогрева прибыли стальных и чугунных отливок, содержащая алюминиевый порошок, оксид железа, криолит, огнеупорный наполнитель и связующее, дополнительно содержит калиевую селитру и триполифосфат натрия, а в качестве связующего содержит самотвердеющую композицию из жидкого стекла и сложноэфирного отвердителя при следующем содержании ингредиентов (мас.%):
Алюминиевый порошок
17,0-27,0
Оксид железа
9,0-15,0
Калиевая селитра
2,0-6,0
Криолит
2,0-6,0
Триполифосфат натрия
0,1-0,5
Огнеупорный наполнитель
32-62,4
Самотвердеющая композиция
7,5-13,5
(связующее + отвердитель)
при этом огнеупорный наполнитель в виде кварцевого песка или шамотного порошка дополнительно содержит легковесный огнеупорный наполнитель в соотношении к объему основного огнеупорного наполнителя от 4:1 до 1:4, при этом в качестве легковесного наполнителя она содержит золосферу, при этом в качестве легковесного наполнителя содержит молотый керамзит.
Ввод калиевой селитры в количестве 2,0-6,0% обеспечивает стабильное горение смеси, а также позволяет регулировать температуру воспламенения смеси. При содержании калиевой селитры менее 2,0% смесь имеет высокую температуру воспламенения (более 900°С). Увеличение калиевой селитры более 6% резко снижает температуру воспламенения и приводит к преждевременному воспламенению изделия из данной смеси, что ухудшает работу обогреваемой прибыли. Кроме того, увеличение содержания калиевой селитры свыше 6,5% приводит к бурному протеканию реакции с выбросом металла, приводящего к браку отливок.
Алюминиевый порошок при его содержании в количестве 17,0-27,0% обеспечивает горение смеси. Увеличение или уменьшение вводимого алюминия - порошка приводит к нарушению протекания реакции горения.
Окислы железа (9,0-15,0%) являются окислителями. Введение их в смесь в указанных количествах способствует стабильному протеканию реакции.
Криолит (2,0-6,0) стабилизирует скорость протекания реакций.
При изготовлении крупных отливок с массивными прибылями экзотермическая оболочка или вставка, выполненные из холоднотвердеющей жидкостекольной смеси, может спекаться, затрудняя удаление оболочки с поверхности прибыли. С целью легкого разрушения и удаления экзотермической смеси с прибыльной части отливки в состав смеси вводится триполифосфат натрия в количестве 1,5-4,0 мас.% от массы жидкого стекла или (0,1-0,5%) соответственно. При содержании в смеси полифосфата натрия менее нижнего предела 0,1% не достигается разупрочняющего эффекта, а при содержании добавки выше верхнего предела 0,5% дальнейшее повышение разупрочняющего эффекта малозаметно. Введение в экзотермическую смесь с жидким стеклом полифосфата натрия уменьшает спекание смеси и снижает трудоемкость ее удаления с поверхности прибыли в 2-3 раза.
3
3
Вторым отличием от ближайшего аналога является то, что в состав кроме известных наполнителей (шамотного порошка или кварцевого песка) вводится легковесный огнеупорный наполнитель золосфера или молотый керамзит, позволяющие обеспечить экзотермической смеси не только обогревающий эффект, но и придать ей дополнительные теплоизоляционные свойства и тем самым повысить эффективность применения экзотермической смеси, снизить ее расход на одну тонну литья. Так замена части шамотного кирпича или кварцевого песка до 75% золосферой снижает объемный вес оболочек с 1610 кг/м до 1130 кг/м (см. табл.4).
В составе приведенной самотвердеющей композиции: при ее нижнем пределе содержится 6,8 мас.% жидкого стекла и 0,68 мас.% сложноэфирного отвердителя, при верхнем пределе содержится 12,3 мас.% жидкого стекла и 1,23 мас.% сложноэфирного отвердителя.
В табл.1 и 2 приведены составы и свойства экзотермической смеси при минимальном, оптимальном и максимальном содержании связующей композиции.
Таблица 1Состав смесей
Ингредиенты экзотермической смеси, мас.%
Смесь №1
Смесь №2
Смесь №3
Смесь по прототипу
Алюминиевый порошок АПВ
17,0
22,0
27,0
19-23
(ТУ 48-5-152-78)
Марганцевая руда
-
-
-
3-5
Оксид железа
9,0
12,0
15,0
10-15
Селитра калиевая
2,0
4,0
6,0
-
техническая марки Б, В
(ГОСТ 19790-74)
Криолит искусственный
2,0
4,0
6,0
4-6
технический марки КА
(ГОСТ 10561-80)
Триполифосфат натрия
0,1
0,3
0,5
-
Огнеупорная глина
-
-
-
52-55
Огнеупорный наполнитель
62,4
47,2
32,0
-
Самотвердеющая композиция
7,5
10,5
13,5
-
(жидкое стекло + отвердитель
[марки 2СБ), мас.%
Таблица 2Свойства экзотермических смесей
Свойства
Смесь №1
Смесь №2
Смесь №3
Смесь по прототипу
Живучесть, мин
10
11
13
-
Прочность на сжатие (МПа)
через:
1 час
0,27
0,58
0,87
-
3 часа
0,6
0,95
1,32
-
24 часа
1,1
1,8
2,3
-
После сушки
-
-
-
1,5-1,8
В зависимости от марки отвердителя можно регулировать живучесть экзотермической смеси (табл.3).
Таблица 3Влияние марки отвердителя на живучесть холоднотвердеющей экзотермической смеси
Марка отвердителя
1Б
2СБ
3СМ
4М
Живучесть смеси, мин
5
12
20
35
Содержание самотвердеющей композиции в экзотермических смесях составляет 7,5-13,5 мас.% от сухой массы смеси. При содержании менее 7,5% самотвердеющей композиции не достигаются необходимые прочностные свойства смеси, а при повышении содержания композиции более 13,5% увеличивается стоимость смеси, возрастает влажность смеси до опасных пределов, способной вызвать «кип» металла, а излишне высокие прочности оболочек могут привести к нежелательным последствиям.
Таблица 4Влияние легковесного наполнителя на плотность смеси
Количество легковесного наполнителя в смеси,  объемн.% от общего объема
0%
25%
50%
75%
100%
Плотность смеси (кг/м<sup>3</sup>) при использовании в качестве легковесного наполнителя:
Молотый керамзит
1610
1390
1260
1210
1150
Золосфера
1610
1415
1250
1130
1100
Легковесный наполнитель (золосфера или молотый керамзит) вводится в экзотермическую смесь в объемном соотношении к основному наполнителю от 4:1 до 1:4. Увеличение соотношения «основной наполнитель: легковесный наполнитель» более 4:1 снижает теплоизолирующие свойства смеси. Уменьшение соотношения «основной наполнитель: легковесный наполнитель» менее 1:4 увеличивает теплоизолирующие свойства смеси и снижает ее прочностные свойства.
Приготовление экзотермической смеси осуществляется на известных смесителях периодического или непрерывного действия. При изготовлении экзотермических смесей в смесителях периодического действия сначала загружаются сухие компоненты и перемешиваются в течение 2-3 минут. Загрузка и перемешивание сухих компонентов в смеситель осуществляется в следующем порядке. Первым загружается огнеупорный наполнитель, затем материал, содержащий окислы железа, далее загружаются калиевая селитра и криолит. После этого производится кратковременное перемешивание. Алюминиевый порошок вводится в последнюю очередь. Жидкие отвердители (ацетаты этиленгликоля) предпочтительно вводить первыми после перемешивания сухих компонентов, а после их перемешивания в течение 1-1,5 минут вводить жидкое стекло. Продолжительность перемешивания экзотермической смеси после ввода жидкого стекла 1-1,5 минут. Приготовленная экзотермическая смесь подается к стержневым ящикам. По мере засыпки смеси в стержневые ящики производится ее уплотнение вручную, или с помощью вибрации или прессования. В местах поднутрений смесь подуплотняется вручную.
При использовании смесителей непрерывного действия рекомендуется приготовление смеси осуществлять в два этапа. Сначала все сухие компоненты смешиваются в смесителе периодического действия. Затем они подаются в бункер смесителя непрерывного действия. Предпочтительно в смесительную камеру сначала подавать отвердитель, а на некотором расстоянии от места ввода отвердителя подавать жидкое стекло.
В предлагаемой смеси нет использования марганцевой руды. Связующая самотвердеющая композиция состоит из:
3
а) связующего - жидкого стекла по ГОСТ 13078-81 плотностью 1450-1500 кг/м при величине модуля исходного стекла 2,5-3,0.
б) сложноэфирного отвердителя - ацетатов этиленгликоля (АЦЭГ), представляющих собой смесь ди- и моноацетата этиленгликоля, поставляемых по ТУ 2332-016-05807977-2003.
Содержание сложноэфирного отвердителя в составе композиции составляет 10% (по массе) от связующего.
Получаемая экзотермическая смесь обладает заданными технологическими свойствами и физико-механическими характеристиками смесей:
- живучесть смесей (время сохранения смесью свойств формуемости) составляет 5-20 минут.
- продолжительность твердения до извлечения оболочки из оснастки 30-50 минут.
- прочность смеси при сжатии (достижение смесью манипуляторной прочности - (транспортировка, простановка оболочки в форму) через 3 часа не менее 0,5-0,6 МПа.
- прочность при сжатии через 15…24 - 1,25…2,0 МПа.
При изготовлении оболочек или экзотермических вставок может применяться как деревянная, так и металлическая оснастка, поверхность которой покрывается известными разовыми или полупостоянными разделительными покрытиями.
Оболочки и экзотермические ставки, изготовленные из заявляемой смеси, окрашиваются известными противопригарными самовысыхающими красками.
Предлагаемая экзотермическая смесь по сравнению с известными смесями имеет следующие технико-экономические преимущества:
- позволяет полностью отказаться от длительной тепловой сушки оболочек, сэкономив при этом топливо и энергоресурсы;
- сократить цикл изготовления экзотермических оболочек и готовых под заливку форм;
- осуществить одновременное изготовление форм, стержней и экзотермических оболочек из холоднотвердеющих смесей по единому технологическому процессу;
- применение в составе наполнителей легковесных огнеупорных материалов позволяет сочетать в одной смеси экзотермический и теплоизолирующий эффект;
- позволяет повысить выход годного на 12-15%.