УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ ДЛЯ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА
REGISTRATION DEVICE FOR MELTED METAL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству регистрации для расплавов металла, в частности, для расплавленного чугуна. Устройство включает чашу для проб, в чаше для проб размещена лепешка, содержащая карбидообразующий элемент и материал, выделяющий водород.
Во время обработки и подготовки расплавленного металла, в частности, расплавленного чугуна, желательно контролировать определенные химические компоненты металла. Одним из широко распространенных способов для этого является использование одноразовых устройств регистрации фазового перехода, которые измеряют температуру пробы расплавленного литейного чугуна в ходе затвердевания с целью регистрации температур фазовых переходов. Такие устройства регистрации фазового перехода, как правило, включают чашеобразную литейную форму с открытым верхним концом для приема пробы расплавленного металла. Эти устройства, обычно, также включают термопару, проходящую в чаше ниже поверхности налитой пробы расплавленного металла. Одно из таких традиционных устройств регистрации фазового перехода описано в патенте США № 3267732.
Как правило, оператор зачерпывает пробу расплавленного металла из массы расплавленного металла при помощи черпака или ковша, затем заливает образец расплавленного металла в форму устройства регистрации. Посредством термопары ведется непрерывная запись температуры металла по мере его затвердевания. На основании измерений температуры фазового перехода пробы затвердевающего металла могут быть определены некоторые свойства и аспекты химического состава пробы литейного чугуна, такие как, но не ограничиваясь перечисленным, содержание углерода, содержание кремния и степень насыщения или величина углеродного эквивалента. Затем оператор может использовать эту информацию для осуществления необходимой регулировки параметров ванны с расплавленным металлом перед разливкой.
При некоторых обстоятельствах, например, в случае заэвтектического чугуна, целесообразно обеспечить «белое затвердевание» пробы чугуна без образования графита. Термин «белое затвердевание» - это общеупотребительный в данной области термин, означающий структуру в состоянии отливки, доминирующую при затвердевании чугуна в карбидной фазе, которая при разламывании выглядит белой.
В патенте США № 3546921 («патент ‘921») указано, что добавление в расплавленный чугун гранулы, содержащей карбидообразующий элемент или соединения таких элементов, способствует белому затвердеванию. Однако в патенте ‘921 не достигается оптимального белого затвердевания, поскольку гранула стремится подняться на поверхность расплавленного металла как шлак или подвергается выгоранию при атмосферном окислении, так что перестает быть доступной для белого затвердевания. Кроме того, если расплавленный чугун имеет достаточно высокое содержание углерода, или если расплавленный металл был сильно модифицирован, вероятность достижения общего белого затвердевания на основании добавления гранулы, как в патенте ‘921, мала.
В патенте США № 4003425 указано, что нанесение на внутреннюю поверхность формы для пробы материала, содержащего воду, высвобождаемую при температуре расплавленного чугуна, способствует повышению эффективности упомянутых выше карбидообразующих добавок. В данном случае, вода является переносчиком, функция которого заключается в том, чтобы предоставить водород доступный для соединения с металлом. Усовершенствованию чугуна, особенно заэвтектического чугуна, так, чтобы он затвердевал с образованием белой структуры, способствует присутствие водорода.
В патенте США № 4029140 («патент ‘140») такой тип покрытия адоптирован для использования с целью ускорения реакции образования карбида в одноразовой чаше для пробы. Покрытие содержит карбидообразующий элемент или соединение и материал, содержащий слабосвязанную воду или несколько гидроксильных групп. Вода или гидроксильные группы удерживаются в процессе сушки покрытия, но легко высвобождаются из покрытия при температуре расплавленного металла.
Однако применимость способа нанесения покрытия патента ‘140 к указанным традиционным одноразовым устройствам регистрации фазового перехода ограничена, поскольку покрытие наносится и на стенки чаши для пробы, и на саму термопару. В результате этим традиционным устройствам присущ недостаток, заключающийся в термической инерционности термопары. В патенте США № 4274284 заявлено, что термическую инерционность можно устранить, добавив аблативное (абляционное) покрытие, в результате чего гарантируется, что спай термопары будет открыт для расплавленного металла, когда пробу зальют в устройство.
Однако необходимость множества покрытий сводит к нулю заявленный экономический эффект патента ‘140. Кроме того, описанные покрытия должны были наноситься очень тонким слоем, что, как было обнаружено, является главным недостатком. А именно, было обнаружено, что традиционные чаши для проб с покрытием нельзя было полностью наполнить расплавленным чугуном из-за активного выделения водорода из тонкого покрытия и из-за того, что карбидообразующий материал быстро выкипает из тонкого покрытия, в большей степени, чем соединяется с металлом. По существу, объема металла, остающегося в чаше для проб, недостаточно для проведения измерений температуры. В свою очередь, количество карбидообразующих добавок, которое должно быть введено в расплавленный металл для эффективного стимулирования белого затвердевания, нельзя достоверно спрогнозировать.
Кроме того, карбидообразующие материалы и выделяющие водород соединения описанных выше покрытий известного уровня техники характеризуются более низкой температурой плавления, чем у чугуна, и более низкой температурой кипения, чем температура фазового перехода, которую нужно контролировать. Таким образом, даже при особой осторожности следует ожидать реакции материалов покрытия с расплавленным металлом, и для обеспечения контролируемого соединения указанных добавок особенно важна степень завершенности этой реакции.
Вместо краски или покрытия в патенте США № 4059996 предлагается лепешка из некоторого материала, которую помещают на дно чаши для проб. Эта лепешка материала включает карбидообразующий материал, тугоплавкий материал и материал, выделяющий водород (т.е. жидкое стекло) при контакте с расплавленным металлом. Тугоплавкий материал помогает предотвратить быстрое выгорание карбидообразующего материала и его слишком быстрое смешивание с расплавленным металлом. Указанная лепешка сначала имеет форму текучей смеси, которую размещают в чаше для проб, после чего сушат в печи до затвердевания.
В патенте США № 4515485 («патент ‘485») также описано использование лепешки из некоторого материала. Однако эту лепешку размещают в углублении стенки днища чаши для проб, так что площадь поверхности лепешки, открытая для расплавленного металла, ограничена, и, таким образом, количество гидратированного материала, открытого для расплавленного металла, также ограничено.
Ни одно из описанных выше покрытий и лепешек известного уровня техники не обеспечивает достижения оптимального белого затвердевания литейного чугуна любого состава. Причина этого недостатка в том, что в каждом из описанных выше устройств и способов известного уровня техники не принимается во внимание проблема неустойчивости материалов покрытий и лепешек к воздействиям внешней среды. А именно, авторами настоящего изобретения обнаружено, что материалы, используемые в указанных покрытиях и лепешках известного уровня техники, со временем теряют влагу во внешнюю среду или поглощают влагу из внешней среды во время хранения и транспортировки к месту использования, а также во время ожидания использования после доставки к месту использования.
Например, устройства регистрации известного уровня техники снабжают покрытием или лепешкой во время производства этого устройства, задолго до того, как устройства будут в действительности использованы. Изготовленные устройства затем упаковывают в коробки, штабелируют их на поддонах, заворачивают в усадочную пленку и перевозят по суше, морю или воздуху, после чего разворачивают и используют в другой окружающей среде или географическом местоположении. Однако в это время устройства регистрации обычно подвергаются неконтролируемому воздействию внешней среды в условиях транспортировки или хранения. Кроме того, местоположение, в котором устройства регистрации в конце концов разворачивают и используют, также может характеризоваться условиями экстремальной температуры и влажности.
Таким образом, авторами настоящего изобретения обнаружено, что устройства регистрации известного уровня техники и, в частности, способность покрытий и лепешек в этих устройствах выделять водород отличаются нестабильностью, так как содержание водорода в материалах покрытий или лепешек подвержено изменению. А именно, покрытия и лепешки чувствительны к поглощению дополнительной влаги из влажной окружающей среды и потере влаги в достаточно сухой атмосфере.
Хотя потеря влаги во времени представляет собой проблему, авторами изобретения обнаружено, что воздействие влажных условий особенно неблагоприятно для покрытий и лепешек известного уровня техники. А именно, результатом нахождения во влажных условиях, когда покрытия и лепешки известного уровня техники неконтролируемым образом поглощают влагу из окружающей влажной среды, является неконтролируемое кипение пробы расплавленного металла. Следовательно, как описано выше, объем металла, оставшийся в чаше для пробы, недостаточен для проведения измерения температуры, это, в свою очередь, отрицательно влияет на предсказуемость карбидообразующих добавок.
В патенте ‘485 признается, что неконтролируемое кипение ведет к изменению количества расплавленного металла, оставшегося в чаше для пробы в ходе затвердевания, из-за чего, следовательно, при одинаковом размере лепешек могут быть получены разные результаты. Однако в этом устройстве известного уровня техники кипение удовлетворительным образом не устранено или уменьшено. Таким образом, в устройстве патента ‘485 не может быть учтена проблема, недавно открытая авторами настоящего изобретения, а именно, что возникновение неконтролируемого кипения в действительности является результатом поглощения влаги карбидообразующими материалами. Действительно, авторами изобретения обнаружено, что некоторое количество поглощенной из окружающей среды воды неизбежно накапливается на открытой, даже ограниченной, поверхности лепешки патента ‘485. В результате, все-таки не удается избежать сильного кипения, тем самым, сводится на нет ожидаемое усовершенствование.
Таким образом, все описанные выше устройства и способы известного уровня техники не учитывают присутствие влаги и не могут противостоять воздействию влажных условий, возникающих в результате воздействия на покрытия или лепешки внешней среды.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является обеспечение устройства регистрации, включающего лепешку, устойчивую к изменению способности высвобождать водород в результате поглощения влаги из окружающей среды в течение длительных периодов транспортировки и хранения.
Другой целью настоящего изобретения является обеспечение устройства регистрации, в котором могут быть получены пробы металла с оптимальным белым затвердеванием при одновременном ограничении количества водорода, которое необходимо добавить в пробы, и, таким образом, ограничении бурной реакции материала при непосредственном контакте с расплавленным металлом.
Эти цели достигаются в вариантах осуществления настоящего изобретения, описанных и заявленных далее.
В одном из аспектов настоящее изобретение направлено на устройство регистрации для расплавленного металла. Данное устройство регистрации включает чашу для проб, имеющую полость, предназначенную для приема пробы расплавленного металла, и лепешку, располагаемую в этой полости. Лепешка содержит стабилизатор карбида (карбидообразующий элемент) и выделяющий водород материал, содержащий гидроксид щелочноземельного металла.
В другом аспекте настоящее изобретения направлено на лепешку, предназначенную к использованию при регистрации температуры фазового перехода пробы расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна. Эта лепешка содержит стабилизатор карбида, гидроксид магния, представляющий собой выделяющий водород материал, замедлитель, который противодействует реакции лепешки во время контакта с пробой расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна, и связующее.
В другом варианте осуществления изобретения лепешка включает теллур в количестве от 15% до 60 вес.% относительно общего веса лепешки и гидроксид магния в количестве от 40% до 85 вес.% относительно общего веса лепешки. Лепешка устойчива к поглощению влаги и потере влаги во время транспортировки и хранения.
В другом аспекте настоящее изобретение направлено на способ регистрации температуры фазового перехода пробы расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна. Этот способ включает следующие стадии: обеспечение устройства регистрации, включающего датчик температуры и чашу для проб с полостью, предназначенной для приема пробы расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна; размещение в этой полости лепешки; внесение в эту полость пробы расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна; и обеспечение возможности для затвердевания пробы расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна при одновременном измерении температуры фазового перехода затвердевающей пробы. Лепешка содержит стабилизатор карбида и гидроксид магния, выступающий в роли выделяющего водород материала. Лепешка при контакте с пробой расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна вступает в реакцию, при которой из гидроксида магния в пробу расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна выделяется водород.
В другом аспекте настоящее изобретения направлено на способ производства лепешки, предназначенной к использованию при регистрации температуры фазового перехода пробы расплавленного металла. Данный способ включает: создание текучей смеси материала лепешки, содержащей стабилизатор карбида и гидроксид магния, выступающий в роли выделяющего водород материала; обеспечение устройства регистрации, включающего чашу для проб с полостью, предназначенной для приема пробы расплавленного металла; внесение текучей смеси материала лепешки в полость; сушку текучей смеси материала лепешки с целью образования лепешки.
Краткое описание чертежей
Изложенная сущность изобретения, а также нижеследующее подробное описание изобретения станут более понятны при прочтении в сочетании с прилагаемыми чертежами. На чертежах с целью пояснения изобретения показаны варианты осуществления изобретения, которые на сегодняшний день являются предпочтительными. Следует понимать, однако, что изобретение не ограничивается точно определенными вариантами компоновки и инструментария, представленными на чертежах, где:
Фиг. 1 представляет собой вертикальный вид сбоку в поперечном разрезе устройства регистрации, соответствующего одному из вариантов осуществления изобретения; и
Фиг. 2 представляет собой вид сверху устройства регистрации, представленного на фиг. 1.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к устройству регистрации для расплавленного металла. Более конкретно, настоящее изобретение относится к устройству для регистрации и записи температуры фазового перехода расплавленного чугуна во время охлаждения и затвердевания расплавленного чугуна. Настоящее изобретение также относится к лепешке материала, предназначенной для фиксации и размещения внутри данного устройства регистрации.
Поскольку лепешка материала настоящего изобретения может быть применена в традиционных устройствах регистрации, со ссылкой на фиг. 1-2 будет описано строение и материалы конструкции типичного устройства регистрации. Однако специалистам в данной области понятно, что лепешка материала настоящего изобретения также может быть использована в сочетании с устройствами регистрации или в составе устройств регистрации, имеющих иное строение и материалы конструкции.
На фиг. 1-2 показано устройство 10 регистрации. Предпочтительно, устройство 10 регистрации представляет собой одноразовое устройство и используется для проб расплавленного металла при температурах от 1150°С до 1450°С, более предпочтительно, для проб расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна при температурах от 1250°С до 1350°С. Устройство 10 регистрации включает камеру или чашу 12 для проб, изготовленную из огнеупорного (жаропрочного) материала. Например, чаша 12 для проб может быть, предпочтительно, изготовлена из формовочного песка, жаропрочного цемента или сочетания этих материалов. Более предпочтительно, чаша 12 для проб изготовлена из формованного покрытого термореактивной смолой песка. Наиболее предпочтительно, чаша 12 для проб изготовлена из формованного покрытого фенольной смолой песка. Однако специалистам в данной области понятно, что чаша 12 для проб может быть изготовлена из любого материала, способного выдерживать температуру расплавленного чугуна и не оказывающего отрицательного влияния на заданные функции и проведение измерений.
Чаша 12 для проб, предпочтительно, имеет, в целом, квадратную или прямоугольную форму поперечного сечения с открытым верхним концом 14 и закрытой нижней стенкой 16. Полость 18 образована между верхним концом 14 и нижней стенкой 16 чаши 12 для проб. Полость 18, в целом, имеет цилиндрическую форму. В обратной стороне нижней стенки 16 имеется расположенное по центру углубление 20 между противоположными стенками 22, 24 чаши 12 для проб.
В чаше 12 для проб имеется температурный датчик 25, предназначенный для измерения температуры пробы расплавленного металла, находящегося в чаше, и для облегчения регистрации всех изменений температуры. Температурный датчик включает защитную трубку 28, предпочтительно, изготовленную из кварца. Однако специалистам в данной области понятно, что в качестве альтернативы могут быть использованы другие традиционные материалы, имеющие аналогичную кварцу природу. Защитная трубка 28, предпочтительно, имеет кольцевое поперечное сечение и пропускает излучение.
Провода 30, 32 термопары, по меньшей мере частично, расположены внутри защитной трубки 28. Защитная трубка 28 проходит поперек полости 18, ее концы опираются на первый и второй находящиеся на одной прямой каналы 26, выполненные в противоположных стенках чаши 12 для проб. Каналы 26, по существу, закрыты жаропрочным цементом 33, который герметизирует каналы 26 и фиксирует положение температурного датчика. Каналы 26, предпочтительно, расположены так, что их оси совпадают с центральной поперечной осью L1 полости 18.
Провода 30, 32 термопары температурного датчика могут быть изготовлены из любого из традиционных материалов термопар, используемых до настоящего времени в области одноразовых термопар, таких как хромель и алюмель, которые применяют для проб заэвтектического литейного чугуна (т.е. термопара типа K). Сходящиеся концы проводов 30, 32 термопары соединены друг с другом рабочим спаем 34. Рабочий спай 34, предпочтительно, расположен на центральной вертикальной оси L2 полости 18.
Противоположные стенки 22, 24 чаши 12 для проб снабжены внешними вертикальными канавками 36, 38. Первый провод 30 термопары проходит внутри и вдоль первой канавки 36 и загибается вдоль стенки 22 к углублению 20, где он может быть использован как часть контакта для регистрации измеренной температуры (см. фиг. 1). Второй провод 32 термопары проходит внутри и вдоль второй канавки 38 и загибается вдоль стенки 24 к углублению 20, где он может быть использован как другая часть контакта (см. фиг. 1). В одном из вариантов осуществления изобретения первый и/или второй провод 30, 32 термопары, предпочтительно, снабжен трубчатой изоляцией (не показана) между каналом 26 и дном чаши 12 для проб с целью исключения электрического контакта между проводами 30, 32 термопары через газообразные продукты горения, выделяющиеся из корпуса чаши 12 для проб.
Опять же, описанный выше вариант осуществления чаши 12 для проб приведен только для пояснения. Лепешка настоящего изобретения, которая будет подробно описана далее, может быть применена в любой из широкого спектра различных выпускаемых серийно чаш, используемых в качестве чаш для проб устройств регистрации фазового перехода.
А именно, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, лепешку 40 располагают внутри полости 18 чаши 12 для проб и, предпочтительно, прикрепляют к ней. Лепешка 40, по существу, представляет собой массу материала, которую помещают в полость 18. В одном из вариантов осуществления изобретения лепешка 40, предпочтительно, приклеена, по меньшей мере, к одной из внутренних стенок чаши 12 для проб, более предпочтительно, к верхней стороне нижней стенки 16 чаши 12 для проб посредством связующего компонента лепешки 40.
Лепешка 40, соответствующая настоящему изобретению, включает два существенных компонента: карбидообразующий элемент или стабилизатор карбида и источник водорода. Лепешка 40 также может, необязательно, включать замедлитель, связующее и/или диспергатор. Свойства и роль каждого из этих компонентов более подробно описаны далее. Лепешка 40, предпочтительно, не содержит каких-либо гигроскопичных материалов, поскольку такие материалы обладают сродством к влаге атмосферы и, таким образом, имеют тенденцию к увлажнению при воздействии влажного воздуха и влажной окружающей среды.
В одном из вариантов осуществления изобретения лепешку 40 получают путем смешивания компонентов лепешки 40, помещения полученной текучей смеси материала лепешки при помощи традиционного оборудования для дозирования текучих сред в полость 18 чаши 12 для проб, после чего сушат текучую смесь материала лепешки с получением лепешки 40.
Объем текучей смеси материала лепешки, предпочтительно, составляет от 1,89% до 2,70% объема пробы расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна, заключенной в полости 18 чаши 12 для проб. Более предпочтительно, объем текучей смеси материала лепешки составляет от 2,00% до 2,30% объема пробы расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна. Наиболее предпочтительно, объем текучей смеси материала лепешки составляет, приблизительно, 2,25% объема пробы расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна. Вес текучей смеси материала лепешки составляет, предпочтительно, от 0,50% до 0,85% веса пробы расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна. Более предпочтительно, вес текучей смеси материала лепешки составляет от 0,60% до 0,80% веса пробы расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна. Наиболее предпочтительно, вес текучей смеси материала лепешки составляет, приблизительно, 0,80% веса пробы расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна.
Например, для чаши 12 для проб, имеющей объем полости 37 миллилитров, если полость 18 целиком заполнена пробой расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна, вес пробы расплавленного металла составляет 270 грамм. Для такой чаши 12 для проб, принимая, что полость 18 будет целиком заполнена пробой расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна, объем текучей смеси материала лепешки, который нужно дозировать в полость 18, предпочтительно, равен от 0,7 миллилитров до 1 миллилитра, а вес текучей смеси материала лепешки, предпочтительно, составляет от 1,5 до 1,7 грамм. Более предпочтительно, также принимая, что полость 18 будет целиком заполнена пробой расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна, объем и вес текучей смеси материала лепешки равны, приблизительно, 0,85 миллилитров и, приблизительно, 1,58 грамм соответственно.
После сушки вес лепешки 40, предпочтительно, оставляет от 0,35% до 0,45% веса пробы расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна. Более предпочтительно, вес лепешки 40 оставляет, приблизительно, 0,40% веса пробы расплавленного чугуна или расплавленного литейного чугуна.
Специалистам в данной области понятно, что описание чаши для проб с объемом полости 37 миллилитров нужно только для пояснения. Могут быть использованы чаши для проб с другим объемом полости, таким образом, лепешка может быть использована с пробами расплавленного металла различного веса и объема. По этой причине понятно, что в зависимости от того, какая чаша для проб использована, вес и объем текучей смеси материала лепешки (и, таким образом, объем и вес лепешки 40) следует отрегулировать соответствующим образом так, чтобы соблюсти заданное процентное соотношение объема и веса.
Далее более подробно описан каждый компонент лепешки 40. Следует понимать, что выражение «сырой вес», используемое в настоящем документе, относится к состоянию лепешки 40 до сушки, в котором лепешка представляет собой текучую смесь материала лепешки. Также следует понимать, что выражение «сухой вес», используемое в настоящем документе, относится к состоянию лепешки 40 после сушки текучей смеси материала лепешки с получением твердой сухой лепешки.
Карбидообразующий элемент, или стабилизатор карбида, способствует образованию карбида (т.е. белому затвердеванию) пробы расплавленного чугуна, находящейся в полости чаши 12 для проб. Более конкретно, стабилизатор карбида представляет собой металлический материал, который предотвращает осаждение графита в затвердевающей пробе. В ходе контакта с расплавленным чугуном, лепешка 40 вступает в реакцию с пробой расплавленного чугуна, и стабилизатор карбида высвобождается из лепешки 40 в пробу расплавленного чугуна. Стабилизатор карбида, предпочтительно, может представлять собой один или элементов: висмут, бор, теллур, селен или соединения или сплавы этих элементов. Более предпочтительно, стабилизатор карбида является теллуром.
50
50
В предпочтительном варианте осуществления изобретения стабилизатор карбида присутствует в форме порошка со средним размером частиц от 5 до 100 мкм. Более предпочтительно, стабилизатор карбида присутствует в форме порошка со средним размером частиц от 15 до 50 мкм. Наиболее предпочтительно, стабилизатор карбида присутствует в форме порошка со средним размером частиц, приблизительно, 20 мкм. Если не указано иное, все размеры частиц, указанные в настоящем документе, представляют собой диаметры частиц d, измеренные при помощи лазерного дифрактометра или седиграфа, определяющего размер частиц посредством седиментационного анализа. Как известно специалистам в данной области, диаметр d представляет собой размер, при котором половина отдельных частиц (по весу) имеет диметр менее указанного.
Стабилизатор карбида, предпочтительно, присутствует в количестве от 5 вес.% до 25 вес.% относительно общего сырого веса текучей смеси материала лепешки и в количестве от 7 вес.% до 37 вес.% относительно общего сухого веса лепешки 40. Более предпочтительно, стабилизатор карбида присутствует в количестве от 10 вес.% до 20 вес.% относительно общего сырого веса текучей смеси материала лепешки и в количестве от 15 вес.% до 25 вес.% относительно общего сухого веса лепешки 40. Наиболее предпочтительно, стабилизатор карбида присутствует в количестве от 12 вес.% до 14 вес.% относительно общего сырого веса текучей смеси материала лепешки и в количестве от 18 вес.% до 20 вес.% относительно общего сухого веса лепешки 40.
Источник водорода (т.е. материал, выделяющий водород) представляет собой материал, который выделяет или высвобождает водород в расплавленный металл, когда лепешка 40 контактирует и вступает в реакцию с пробой расплавленного металла, в частности, расплавленного чугуна, содержащегося в чаше 12 для проб.
Выделяющий водород материал, предпочтительно, представляет собой материал с одной или несколькими гидроксидными группами, соединенными ионной связью; как таковой, этот материал устойчив к поглощению или потере влаги и, таким образом, сохраняет степень гидратации во влажных или сухих условиях или атмосфере при транспортировке, хранении и использовании. Более предпочтительно, выделяющий водород материал это материал, который не поглощает влагу. Также предпочтительно, выделяющий водород материал это материал, устойчивый при температуре сушки лепешки 40, но разлагающийся при температуре использования устройства 10 регистрации.
Предпочтительно, выделяющий водород материал представляет собой гидроксид щелочноземельного металла. Более предпочтительно, выделяющий водород материал это один из следующих материалов: гидроксид магния, гидроксид теллура, гидроксид кальция и гидроксид висмута. Более предпочтительно, выделяющий водород материал представляет собой гидроксид магния. По существу, во время контакта и реакции лепешки 40 с пробой расплавленного чугуна магний выделяется из гидроксида магния в пробу расплавленного чугуна.
Традиционно магний до сих пор не использовали в устройствах регистрации, предусматривающих стимулирование белого затвердевания чугуна, поскольку температура плавления магния меньше, чем расплавленного чугуна, таким образом, можно ожидать, что он будет соединяться с расплавленным чугуном и препятствовать действию карбидообразующего элемента (например, теллура). Однако авторами настоящего изобретения обнаружено, что магний, к удивлению, можно использовать в устройстве регистрации с белым затвердеванием чугуна, так как когда магний присутствует в кислородсодержащем материале, который разлагается, выделяя равное или превышающее стехиометрическое количество кислорода, выделившийся магний полностью нейтрализуется путем окисления до того, как от смешается с расплавленным металлом или вступит во взаимодействие с теллуром.
Выделяющий водород материал, предпочтительно, присутствует в количестве от 10 вес.% до 37 вес.% относительно общего сырого веса текучей смеси материала лепешки и в количестве от 15 вес.% до 54 вес.% относительно общего сухого веса лепешки 40. Более предпочтительно, выделяющий водород материал присутствует в количестве от 12 вес.% до 25 вес.% относительно общего сырого веса текучей смеси материала лепешки и в количестве от 20 вес.% до 30 вес.% относительно общего сухого веса лепешки 40. Наиболее предпочтительно, выделяющий водород материал присутствует в количестве от 16 вес.% до 18 вес.% относительно общего сырого веса текучей смеси материала лепешки и в количестве от 23 вес.% до 25 вес.% относительно общего сухого веса лепешки 40.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения лепешка 40 также содержит замедлитель. Замедлитель представляет собой наполнитель, добавляемый в лепешку 40 для создания достаточно связанной массы, остающейся, по существу, неизменной в ходе затвердевания пробы расплавленного металла, так что выделение стабилизатора карбида и выделение водорода из выделяющего водород материала (оба - в форме пара) отсрочивается после контакта лепешки 40 с пробой расплавленного металла. Более конкретно, замедлитель представляет собой материал, противодействующий реакции и полному разложению лепешки 40 при контакте с пробой расплавленного металла. Более предпочтительно, замедлитель представляет собой негидратирующийся и жаропрочный (например, керамический) наполнитель. К предпочтительным примерам замедлителя относятся оксид кремния, силикат кальция, силикат магния, оксид циркония, оксид алюминия и их соединения. Более предпочтительно, замедлитель представляет собой алюмосиликат, наиболее предпочтительно, кальцинированный каолин.
Замедлитель, предпочтительно, присутствует в количестве от 18 вес.% до 48 вес.% относительно общего сырого веса текучей смеси материала лепешки и в количестве от 27 вес.% до 71 вес.% относительно общего сухого веса лепешки 40. Более предпочтительно, замедлитель присутствует в количестве от 30 вес.% до 40 вес.% относительно общего сырого веса текучей смеси материала лепешки и в количестве от 50 вес.% до 60 вес.% относительно общего сухого веса лепешки 40. Наиболее предпочтительно, замедлитель присутствует в количестве от 37 вес.% до 39 вес.% относительно общего сырого веса текучей смеси материала лепешки и в количестве от 54 вес.% до 56 вес.% относительно общего сухого веса лепешки 40.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения лепешка 40 также включает связующее, пригодное для использования при высоких температурах. Предпочтительно, связующее является термореактивным связующим. Более предпочтительно, связующее представляет собой негигроскопичное и неформальдегидное термопластичное связующее. В одном из вариантов осуществления изобретения связующее представляет собой раствор, содержащий воду и полимеризуемый материал, такой как поливиниловый спирт, поливинилацетат, поливинилбутираль и другие поливиниловые смолы, полистирольные смолы, смолы на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот, полиизобутилен, полиамиды и силиконы. Наиболее предпочтительно, связующее содержит раствор частично гидролизованного поливинилового спирта.
Связующее, предпочтительно, присутствует в количестве от 27 вес.% до 37 вес.% относительно общего сырого веса текучей смеси материала лепешки и в количестве от 1 вес.% до 4 вес.% относительно общего сухого веса лепешки 40. Более предпочтительно, связующее присутствует в количестве от 30 вес.% до 35 вес.% относительно общего сырого веса текучей смеси материала лепешки и в количестве от 1 вес.% до 3 вес.% относительно общего сухого веса лепешки 40. Наиболее предпочтительно, связующее присутствует в количестве от 31 вес.% до 33 вес.% относительно общего сырого веса текучей смеси материала лепешки и в количестве от 1,5 вес.% до 2,5 вес.% относительно общего сухого веса лепешки 40.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения лепешка 40 также содержит диспергатор. Диспергатор представляет собой материал, который сохраняет диспергированные частицы различных компонентов в состоянии дисперсии, предотвращая их оседание. Так, хотя применение диспергатора не является необходимым, было обнаружено, что это благоприятно с точки зрения производства лепешки 40 в промышленном масштабе. К предпочтительным примерам диспергаторов относятся тринатриевый цитрат, цитрат аммония и подобные им материалы, обладающие аналогичными свойствами. Наиболее предпочтительно, диспергатор представляет собой тринатриевый цитрат.
Диспергатор, предпочтительно, присутствует в количестве от 0,04 вес.% до 1,3 вес.% относительно общего сырого веса текучей смеси материала лепешки и в количестве от 0,06 вес.% до 2 вес.% относительно общего сухого веса лепешки 40. Более предпочтительно, диспергатор присутствует в количестве от 0,08 вес.% до 1 вес.% относительно общего сырого веса текучей смеси материала лепешки и в количестве от 0,1 вес.% до 1 вес.% относительно общего сухого веса лепешки 40. Наиболее предпочтительно, диспергатор присутствует в количестве от 0,1 вес.% до 0,5 вес.% относительно общего сырого веса текучей смеси материала лепешки и в количестве от 0,3 вес.% до 0,5 вес.% относительно общего сухого веса лепешки 40.
Как указано выше, в одном из вариантов осуществления изобретения вес текучей смеси материала лепешки составляет, предпочтительно, 0,80% веса пробы расплавленного чугуна/расплавленного литейного чугуна, который содержится в чаше 12 для проб, и вес лепешки 40, предпочтительно, составляет 0,40% веса пробы расплавленного чугуна/расплавленного литейного чугуна. По существу, процентное соотношение компонентов текучей смеси материала лепешки и лепешки 40 по сравнению с общим весом пробы расплавленного чугуна/расплавленного литейного чугуна, предпочтительно, соответствуют представленным в Таблице 1:
Таблица 1Состав лепешки
Компонент
вес.% относительно пробы расплавленного металла
Текучая смесь материала лепешки
Лепешка 40
Стабилизатор карбида
0,96%-1,12%
0,72%-0,80%
Источник водорода
1,28%-1,44%
0,92%-1,0%
Замедлитель
2,96%-3,12%
2,16%-2,24%
Связующее
2,48%-2,64%
0,06%-0,10%
Диспергатор
0,01%-0,04%
0,01%-0,02%
В другом варианте осуществления изобретения лепешку 40 изготавливают способом сухого компактирования. А именно, компоненты лепешки 40 смешивают друг с другом, после чего спрессовывают в лепешку таблеточной формы, которую прикрепляют или приклеивают в полости 18 чаши 12 для проб при помощи клея или жаропрочного цемента. В качестве альтернативы, лепешка может быть размещена в углублении, выполненном в стенке чаши для проб.
В таком варианте осуществления изобретения при прессовании достигается механическое взаимное фиксирование частиц стабилизатора карбида и выделяющего водород материала. По сути, наличие связующего и диспергатора необязательно. Кроме того, может быть исключен и замедлитель с тем, чтобы высвобождение стабилизатора карбида и водорода происходило относительно быстро. Стабилизатор карбида, предпочтительно, присутствует в лепешке 40 в количестве от 15 вес.% до 60 вес.%, выделяющий водород материал, предпочтительно, присутствует в лепешке 40 в количестве от 40 вес.% до 85 вес.% относительно общего веса лепешки. Более предпочтительно, стабилизатор карбида присутствует в количестве от 25 вес.% до 55 вес.%, и выделяющий водород материал присутствует в количестве от 45 вес.% до 75 вес.% относительно общего веса лепешки. Наиболее предпочтительно, стабилизатор карбида присутствует в количестве от 30 вес.% до 35 вес.%, и выделяющий водород материал присутствует в количестве от 65 вес.% до 70 вес.% относительно общего веса лепешки.
Кроме того, в таком варианте осуществления изобретения вес стабилизатора карбида, предпочтительно, составляет от 0,05% до 0,10%, более предпочтительно, составляет от 0,07% до 0,095% веса пробы расплавленного чугуна, которая будет помещена в чашу 12 для проб. Наиболее предпочтительно, вес стабилизатора карбида составляет, приблизительно, 0,074% веса пробы расплавленного чугуна. Вес выделяющего водород материала, предпочтительно, составляет от 0,11% до 0,22%, более предпочтительно, составляет от 0,13% до 0,19% веса пробы расплавленного чугуна. Наиболее предпочтительно, вес выделяющего водород материала составляет, приблизительно, от 0,14% до 0,17% веса пробы расплавленного чугуна.
В другом варианте осуществления изобретения лепешка 40 содержит только один существенный компонент, а именно, гидроксид теллура, являющийся источником водорода или выделяющим водород материалом. По сути, при взаимодействии и прохождении реакции лепешки 40 с пробой расплавленного чугуна, теллур (карбидообразующий элемент), кислород и водород одновременно выделяются из гидроксида теллура в пробу расплавленного чугуна. Предпочтительно, вес гидроксида теллура составляет от 0,120% до 0,175% веса пробы расплавленного чугуна. Более предпочтительно, вес гидроксида теллура составляет, приблизительно, 0,150% веса пробы расплавленного чугуна.
Далее подробно описано изготовление различных лепешек 40 в соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения со ссылкой на следующие конкретные, не имеющие ограничительного характера примеры:
Примеры
Приготовили пять различных примерных смесей материала лепешки путем смешивания различных материалов в соотношениях, приведенных в Таблицах 2-6 далее:
Таблица 2Состав лепешки А
Компонент лепешки
вес.% (сырой)
вес.% (сухой)
Стабилизатор карбида
12,7%
18,4%
Источник водорода
16,8%
24,4%
Замедлитель
37,9%
54,9%
Связующее
32,3%
1,9%
Диспергатор
0,3%
0,4%
Таблица 3Состав лепешки В
Компонент лепешки
вес.% (сырой)
вес.% (сухой)
Стабилизатор карбида
13,0%
18,4%
Источник водорода
17,0%
24,4%
Замедлитель
38,0%
55,3%
Связующее
32,0%
1,9%
Диспергатор
-
-
Таблица 4Состав лепешки С
Компонент лепешки
вес.% (сухой)
Стабилизатор карбида
33,3%
Источник водорода
66,7%
Замедлитель
-
Связующее
-
Диспергатор
-
Таблица 5Состав лепешки D
Компонент лепешки
вес.% (сухой)
Стабилизатор карбида
30,9%
Источник водорода
69,1%
Замедлитель
-
Связующее
-
Диспергатор
-
Таблица 6Состав лепешки Е
Компонент лепешки
вес.% (сухой)
Стабилизатор карбида
-
Источник водорода
100%
Замедлитель
-
Связующее
-
Диспергатор
-
Стабилизатором карбида в лепешках А, В и С был теллур. Источником водорода в лепешках А, В и С был гидроксид магния. Источником водорода в лепешке D был гидроксид кальция. Источником водорода в лепешке Е был гидроксид теллура. Замедлителем в лепешках А и В был кальцинированный каолин. Связующим в лепешках А и В был 3%-ный раствор поливинилового спирта в воде. Диспергатором в лепешке А был тринатриевый цитрат.
Для получения лепешек А и В соответствующие компоненты этих лепешек смешали с получением текучих смесей материала лепешек. Каждую подготовленную текучую смесь материала лепешки дозировали в полость чаши для пробы расплавленного металла (т.е. чаши 12 для проб, описанной выше). Чаша для проб имела литейную величину, приблизительно, 6 сантиметров и объем, приблизительно, 37 миллилитров. Объем и вес дозы текучей смеси материала лепешки составили, приблизительно, 0,85 миллилитров и, приблизительно, 2,16 грамм, соответственно.
Чашу для проб с дозой текучей смеси материала лепешки в ней затем сушили в условиях окружающей среды до получения твердой сухой лепешки 40 и окончательного отверждения связующего, которое, в свою очередь, склеивает или связывает высохшую лепешку 40 с полостью 18 чаши 12 для проб. Вес полученной твердой, высушенной лепешки 40 составил, приблизительно, 0,4% веса пробы расплавленного чугуна, помещаемой в чашу 12 для проб, если принять, что полость чаши для проб будет заполнена целиком.
Для изготовления лепешек С и D компоненты лепешки смешали, после чего спрессовали, получив лепешки С и D таблеточной формы. Для изготовления лепешки Е частицы гидроксида теллура спрессовали, получив лепешку Е таблеточной формы. Каждую из лепешек С, D и Е затем прикрепили или приклеили внутри полости чаши для проб жаропрочным цементом. Чаша для проб имела литейную величину, приблизительно, 6 сантиметров и объем, приблизительно, 37 миллилитров.
Затем каждую из лепешек А, В, С, D и Е, расположенную в полости соответствующей чаши для проб, привели в контакт с пробой расплавленного чугуна. Для каждой из лепешек А, В, С, D и Е весовое процентное содержание соответствующих компонентов относительно веса пробы расплавленного чугуна приведено в Таблице 7:
Таблица 7Весовое процентное содержание компонентов лепешки
Компонент
Лепешка А
Лепешка В
Лепешка С
Лепешка D
Лепешка Е
Стабилизатор карбида
0,074%
0,074%
0,091%
0,091%
-
Источник водорода
0,098%
0,098%
0,182%
0,205%
0,15%
Замедлитель
0,220%
0,221%
-
-
-
Связующее
0,008%
0,008%
-
-
-
Диспергатор
0,002%
-
-
-
-
Для лепешки А, в частности, было обнаружено, что присутствие гидроксида магния делает возможным поперечное сшивание поливинилового спирта связующего без применения какой-либо тепловой обработки. Хотя поливиниловый спирт, обычно, склонен к поглощению влаги из окружающего пространства (и, таким образом, не пригоден для целей настоящего изобретения), поперечносшитый поливиниловый спирт обладал достаточной для лепешки 40 влагостойкостью. Таким образом, неожиданно обнаружено, что конкретное сочетание гидроксида магния и поливинилового спирта позволяет получить лепешку с превосходной влагостойкостью.
Кроме того, из каждой из лепешек А, В и С в пробу расплавленного чугуна выделялся и водород (выделяющийся из гидроксида магния), и теллур. Кроме того, было неожиданно обнаружено, что магний, выделяющийся из гидроксида магния, полностью нейтрализовался в ходе реакции лепешки 40 с пробой расплавленного чугуна. По сути, выделившийся магний не оказывал загрязняющего действия на расплавленный чугун и не создавал помех действию теллура. Напротив, выделившийся магний неожиданно обеспечивал полное белое затвердевание расплавленного чугуна.
Кроме того, было обнаружено, что каждая из лепешек А, В, С, D и Е обладала устойчивостью к изменению уровня гидратации. А именно, каждая из лепешек А, В, С, D и Е обладала устойчивостью к поглощению и потере влаги во время длительной транспортировки и/или хранения даже в экстремально влажных или экстремально сухих условиях транспортировки и хранения.
Таким образом, лепешки А, В, С, D и Е либо не накапливали поглощенную из окружающей среды воду, либо такое накопление было минимальным. В результате, когда каждая из лепешек А, В, С, D и Е взаимодействовала с пробой расплавленного металла, какое-либо неконтролируемое кипение отсутствовало или было минимальным. Таким образом, количество расплавленного металла, изначально налитое в чашу для проб, оставалось, по существу, неизменным в ходе затвердевания металла. В результате, использование лепешек А, В, С, D и Е обеспечило достижение прогнозируемого времени охлаждения/затвердевания от одной пробы к другой.
Кроме того, каждая из лепешек А, В, С, D и Е не содержала какой-либо захваченной влаги и, следовательно, не нуждалась в предварительной сушке, обычно осуществляемой из-за наличия такой влаги. Таким образом, состав каждой лепешки и, в частности, содержание выделяющего водород материала остается, фактически, неизменным с момента производства, во время транспортировки и хранения и до момента использования.
Кроме того, количество стабилизатора карбида, в частности, теллура, необходимое для достижения полного белого затвердевания, в лепешке 40 было намного меньше, чем в покрытиях и лепешках известного уровня техники, как показано в Таблице 8:
Таблица 8Содержание теллура
Те, вес.
Fe, вес.(теоретическое заполнение)*
% Те(теоретическое заполнение)*
Лепешка известного уровня техники
0,388
343,0
0,113%
Лепешка 40
0,200
269,4
0,074%
* «Теоретические» величины соответствуют состоянию, в котором объем чаши 12 для образцов целиком заполнен расплавленным железом.
Таким образом, лепешки настоящего изобретения и устройства регистрации, включающие лепешки настоящего изобретения, могут быть использованы в широком диапазоне температур заливки, условий заливки и условий хранения и транспортировки с превосходными результатами.
Специалистам в данной области понятно, что возможны изменения описанных выше вариантов осуществления изобретения, не выходящие за рамки идеи изобретения. Подразумевается, следовательно, что данное изобретение не ограничивается конкретными раскрытыми вариантами своего осуществления, напротив, считается, что оно охватывает модификации, входящие в рамки существа и объема настоящего изобретения, определяемые прилагаемой формулой изобретения.