ЭКЗОТЕРМИЧЕСКАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ОБОГРЕВА ПРИБЫЛЕЙ СТАЛЬНЫХ И ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК
EXOTHERMAL MIXTURE FOR HEATING 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.
Известно большое разнообразие экзотермических смесей для обогрева прибылей стального и чугунного литья, различающихся между собой составом и содержанием входящих в их состав ингредиентов. В качестве связующих в известных экзотермических смесях применяются технические лигносульфонаты, декстрин, жидкое стекло, глина и др.
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 ее высокая теплопроводность, обусловленная низким содержанием в ней огнеупорного наполнителя, что вызывает на небольших отливках преждевременное затвердевание прибыльной части из-за захолаживающего эффекта и приводит к браку по усадочным дефектам. Кроме того, при изготовлении отливок необходимо проводить 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.)
Недостатками данной смеси являются плохая формуемость и низкая связующая способность, обусловленные большим количеством глины и малым содержанием водных составляющих в виде сульфитного щелока или жидкого стекла, что затрудняет изготовление изделий в виде оболочек и экзотермических вставок. Такая экзотермическая смесь может использоваться преимущественно в виде засыпки прибылей.
Связующим в известной смеси является декстрин, сульфитный щелок или жидкое стекло. Декстрин является пищевым продуктом и так же как и сульфитный щелок не применяется в настоящее время в литейном производстве как связующее. Экзотермические смеси с указанными связующими нуждаются в тепловой сушке.
Применение жидкого стекла в качестве связующего в экзотермических смесях с жидкими отвердителями такими как сложные эфиры, в ряде случаев затрудняет удаление использованных экзотермических оболочек из прибыльной части отливки, особенно в местах поднутрений. Кроме того, оболочки, получаемые из таких смесей при изготовлении крупных отливок, склонны к растрескиванию, образованию металлизированного пригара, затрудняющих удаление оболочек в прибыльной части отливок.
Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение прочностных и теплоизоляционных свойств экзотермических смесей до и после горения, а также легко разрушаемых после заливки форм металлом оболочек.
Сущность технического решения заключается в том, что экзотермическая смесь для обогрева прибылей стальных и чугунных отливок, содержащая алюминиевый порошок, окислы железа, криолит, огнеупорный наполнитель и связующее, дополнительно содержит калиевую селитру, а в качестве связующего содержит самотвердеющую композицию, состоящую из малотоксичной полифенолятной смолы и сложноэфирного отвердителя при следующем содержании ингредиентов, мас.%:
Алюминиевый порошок
16,0-25,0
Оксид железа
8,0-14,0
Калиевая селитра
1,5-6,0
Криолит
2,0-6,0
Огнеупорный наполнитель
5,0-64,0
(кварцевый песок, шамотный порошок)
Самотвердеющая композиция
4,0-8,5
(полифенолятная смола + отвердитель)
при этом экзотермическая смесь дополнительно содержит легковесный наполнитель в виде золосферы или молотого керамзита в соотношении от 4:1 до 1:4.
Предлагаемая самотвердеющая экзотермическая смесь содержит в качестве связующего малотоксичные щелочные полифеноляты, отверждаемые комплексными сложноэфирными реагентами, свободными от перечисленных недостатков и легко удаляющиеся из отливок. Кроме того, такая смесь не образует металлизированного пригара на поверхности прибыли, а также является более пластичной, что позволяет относительно легко извлекать готовые отливки из оснастки.
Использование в смеси полифенолятного связующего вместе с легковесным наполнителем - золосферой или молотым керамзитом, придает смеси наряду с экзотермическими также и теплоизоляционные свойства.
Ввод калиевой селитры в количестве 1,5-6,0% обеспечивает стабильное горение смеси, а также позволяет регулировать температуру воспламенения смеси. При содержании калиевой селитры менее 1,5% 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.
3
3
Введение в состав огнеупорного наполнителя кроме известных инградиентов (шамотного порошка или кварцевого песка) легковесного наполнителя, такого как золосферы и молотого керамзита, обеспечивает экзотермическим смесям не только обогревающий эффект, но и придает им дополнительные теплоизоляционные свойства, тем самым позволяет повысить эффективность применения экзотермических смесей, снизить их расход на тонну литья и получить другие преимущества. Так замена части шамотного порошка или кварцевого песка до 75% золосферы снижает объемный вес оболочек с 1610 кг/м до 1130 кг/м.
Таким образом, в качестве огнеупорного наполнителя в заявляемой экзотермической смеси содержится основной наполнитель (шамотный порошок или кварцевый песок) и легковесный наполнитель (золосфера или молотый керамзит) в соотношении 4:1 до 1:4 или от 51,2% основного наполнителя и 12,8% легковесного наполнителя до 9% основного и 36% легковесного наполнителя. Легковесный наполнитель (золосфера или молотый керамзит) вводится в смесь в объемном соотношении с основным наполнителем от 4:1 до 1:4.
Введение в состав экзотермической смеси легковесного наполнителя (золосферы или молотого керамзита) в зависимости от состава заливаемого чугуна и приведенной толщины обогреваемого узла при указанном соотношении других ингредиентов, повышает ее эффективность за счет улучшения теплоизолирующих свойств смеси в исходном состоянии, а также благодаря повышению теплоизоляционных свойств продуктов сгорания.
Увеличение соотношения основной наполнитель и легковесный наполнитель более чем 4:1 уменьшает теплоизолирующие свойства смеси как в исходном состоянии, так и продуктов сгорания при сохранении остальных указанных ингредиентов.
Уменьшение соотношения основной наполнитель и легковесный наполнитель менее чем 4:1 увеличивает теплоизолирующие свойства смеси в исходном состоянии, но при этом увеличивает температуру воспламенения, что приводит к снижению прочностных свойств самой смеси при сохранении остальных указанных ингредиентов.
В качестве связующего в заявляемую экзотермическую смесь вводятся полифенолятная смола и сложноэфирный отвердитель, который представляет собой смесь сложных эфиров - ацетатов этиленгликоля и γ бутирлактона или смесь триацетата глицерина и γ бутирлактона, соотношение которых в составе отвердителя изменяется для получения различной активности отвердителей, регулирующих живучесть и скорость твердения смеси. Разработано 5 марок отвердителя по ТУ 2332-002-43001543-2002, позволяющих регулировать живучесть экзотермической смеси в широких пределах от 5-6 до 30-35 минут.
При нижнем пределе содержания связующей композиции (4%) в ней содержится 3,2 мас.% смолы и 0,8 мас.% комплексного отвердителя не обеспечивается достаточная прочность оболочек после отверждения, что приводит к поломкам как при транспортировании, так и установке их в форму.
При верхнем пределе содержания связующей композиции (8,5%) в ней содержится 6,8 мас.% смолы, и 1,7 мас.% комплексного отвердителя является нецелесообразным, так как достигается высокая прочность, приводящая к трудности выбивки, а также возрастают затраты на дорогостоящее связующее.
Используемая для приготовления экзотермических смесей полифенолятная смола применяется при α-set процессе и выпускается и поставляется по ТУ 6-00-5751766-4-8 (изменение № 6 от 01.07.96) ОАО «Уралхимпласт» (г.Нижний Тагил).
Алюминиевый порошок при его содержании в количестве 16,0-25,0% обеспечивает горение смеси. Увеличение или уменьшение вводимого алюминия порошка приводит к нарушению протекания реакции горения.
Окислы железа (8,0-14,0%) являются окислителями. Введение их в смесь в указанных количествах способствует стабильному протеканию реакции.
Криолит (2,0-6,0%) стабилизирует скорость протекания реакций.
В таблице 1 и 2 приведены составы и свойства экзотермических смесей на щелочной полифенолятной смоле при минимальном, оптимальном и максимальном содержании ингредиентов в сравнении с известной экзотермической смесью по прототипу
Таблица 1Состав смесей
Ингредиенты экзотермической смеси, мас.%
Смесь №1
Смесь №2
Смесь №3
Смесь по прототипу
Алюминиевый порошок АПВ(ТУ 48-5-152-78)
16,0
20,5
25,0
19-23
Марганцевая руда
-
-
-
3-5
Оксид железа
8,0
11,0
14,0
10-15
Селитра калиевая техническая марки Б, В (ГОСТ 19790-74)
1,5
3,75
6,0
-
Криолит искусственный технический марки КА (ГОСТ 10561-80)
2,0
4,0
6,0
4-6
Огнеупорная глина
-
-
-
52-55
Огнеупорный наполнитель
64,0
54,5
45,0
-
Самотвердеющая композиция (полифенолятная смола + сложноэфирный отвердитель),  мас.%
8,5
6,25
4,0
-
Таблица 2Свойства экзотермических смесей
Свойства
Смесь №1
Смесь №2
Смесь №3
Смесь по прототипу
Живучесть, мин Прочность на сжатие (МПа) через:
10
11
13
-
1 час
0,57
0,80
1,08
-
3 часа
0,92
1,35
1,52
-
24 часа
1,42
1,97
2,75
-
После сушки
-
-
-
1,5-1,8
Сравнение прочностных свойств экзотермических смесей на жидком стекле и на щелочной полифенолятной смоле свидетельствует о том, что на смоляной смеси достигаются более высокие прочности при меньшем содержании связующей композиции.
При отклонении от указанного количества самотвердеющей композиции, т.е. ниже 4,0 или выше 8,5, может произойти снижение прочностных характеристик (см. табл.3 и 4).
Таблица 3
Влияние легковесного наполнителя на плотность смеси
Количество легковесного наполнителя в смеси, об.% 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
Таблица 4Влияние легковесного наполнителя на прочность смеси на сжатие
Количество легковесного наполнителя в смеси, % объемн. от общего объема
0%
25%
50%
75%
100%
Живучесть смеси, мин.
23
24
27
25
25
Прочность смеси (МПа) на сжатие через 3 часа и через 24 часа при использовании в качестве легковесного наполнителя:
Молотый керамзит
1,35/2,0
1,1/1,65
0,7/1,40
0,62/1,36
0,6/1,15
Золосфера
1,35/2,0
0,95/1,9
0,89/1,8
0,86/1,77
0,84/1,76
Примечание: в табл.4 первое значение означает прочность на сжатие через 3 часа, а второе значение - через 24 часа.
Приготовление заявляемой экзотермической смеси осуществляют на известных смесителях периодического и непрерывного действия. Сначала перемешивают сухие компоненты - алюминиевый порошок, марганцевую руду оксид железа, селитру калиевую, огнеупорную глину, а затем вводят жидкие составляющие: отвердитель и полифенолятную смолу.
При использовании смесителя непрерывного действия приготовление смеси осуществляют в два этапа: сначала в смесителе периодического действия перемешивают сухие компоненты, которые затем подают в бункер смесителя непрерывного действия, и приготовление экзотермической смеси производят по технологии, принятой для приготовления известных экзотермических смесей.
При изготовлении оболочек из заявляемой смеси может применяться как деревянная, так и металлическая оснастка.
Для устранения прилипаемости смеси поверхность стержневых ящиков покрывается известными разовыми или полупостоянными покрытиями, например, по мере засыпки смеси в стержневой ящик производится ее уплотнение посредством, например, кратковременной вибрации. В местах поднутрений и боковых полостей смесь подуплотняют вручную.
Оболочки выдерживаются в ящиках до набора смесью манипулярной прочности. Продолжительность выдержки зависит от живучести смеси. Смесь набирает манипулярную прочность за время в 1,5-2 раза превышающую живучесть.
Предлагаемая экзотермическая смесь для обогрева прибылей стальных и чугунных отливок имеет следующие технико-экономические преимущества по сравнению с известными экзотермическим смесями:
- исключается тепловая сушка оболочек и энергозатраты на ее осуществление;
- сокращается цикл изготовления оболочек и готовых форм под заливку;
- легко разрушаются при выбивке отливок и не образуют металлизированного пригара;
- содержат меньше связующей композиции при более высокой прочности;
- исключается поломка экзотермических изделий при извлечении их из оснастки из-за высокой пластичности;
- выход годного повышается на 12-15%.