СПОСОБ ОТВЕРЖДЕНИЯ ЖИДКОСТЕКОЛЬНОЙ СМЕСИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ
METHOD FOR CURING LIQUID-GLASS MIXTURE IN THE MANUFACTURE OF MOLDS AND RODS

2
Изобретение относится к литейному производству, используется для получения литейных форм и стержней, изготовленных из жидкостекольных смесей (далее - жидкостекольные смеси), при выпуске чугунного и стального литья по СО-процессу.
Техническая проблема направлена на повышение качества литейных форм и стержней, изготовленных из жидкостекольных смесей при их продувке углекислым газом.
Техническим результатом является стабилизация прочности жидкостекольной смеси при ее продувке углекислым газом. То есть, применение (использование) данного способа позволит обеспечить стабильную прочность жидкостекольной смеси при продувке углекислым газом.
2
Одним из существенных недостатков жидкостекольных смесей по СО-процессу является снижение прочности при длительной продувке, или «передуву». Между наибольшей прочностью жидкостекольных смесей и временем продувки их углекислым газом существует определенная зависимость. Увеличение длительности продувки жидкостекольных смесей углекислым газом больше оптимального времени продувки снижает механическую прочность формовочной и стержневой смесей. Это явление объясняют наличием образовавшегося гидрокарбоната натрия при подаче углекислого газа в жидкостекольную смесь в большем количестве, по сравнению с оптимальным количеством, образующимся по заданной технологии (Источник [1], глава 4, под/гл. 4.3, стр. 131-142, и Источник [2], стр. 109).
При процессе отверждения жидкостекольной смеси происходит следующая химическая реакция по формуле (1) с образованием карбоната натрия Na2CO3:
Na2H2SiO4 + H2CO3 = H4SiO4 ↓ + Na2CO3 (1)
При избытке углекислого газа в водном растворе, переходящем в угольную кислоту, образуется гидрокарбонат натрия 2NaHCO3 по формуле (2), который имеет температуру плавления tпл. = 270°С (в растворе), в сравнении с карбонатом натрия tпл. = 854°С, и, поэтому, в жидкостекольных смесях за счет присутствия легкоплавкого соединения 2NaHCO3 идет понижение прочностных характеристик данной жидкостекольной смеси.
Na2CO3+H2O+CO2=2NaHCO3 (2)
Известны жидкостекольные смеси, повышающие прочность стержней и форм за счет включения в состав смеси кислого гудрона (Источник [3]), полиэфирной смолы (Источник [4]). Все известные из уровня техники технические решения, включающие введение в жидкостекольные смеси мазута, битума, нефелинового и дистилятного шламов, дополнительно вносят в состав смеси органические вещества. Из Источника [5] известно, что органические вещества, в свою очередь, увеличивают прочность жидкостекольных смесей, но при повышенной температуре органические вещества подвергаются деструкции, повышая, при этом, газотворную способность жидкостекольных смесей, и не влияют на снижение гидрокарбоната натрия, который при подаче углекислого газа появляется в количестве, большем, чем оптимальное (количество). Данный эффект называется «передувом». Известно, что «передув» предотвращают продувкой смесью углекислого газа с воздухом (Источник [6], под/гл. 3.3.2.6, стр. 341-344), но введение воздуха при подаче газа приводит к избыточному количеству газов в жидкостекольной смести, что может привести к появлению газовых раковин, которые, в свою очередь, понизят прочностные свойства отливки.
Также известен способ отверждения жидкостекольной смесипо патенту  № 2409457 «Способ отверждения жидкостекольной смеси при изготовлении форм и стержней» (опубликовано 30.12.1988, Источник [7]) заключающийся в том, что продувку жидкостекольной смеси производят до момента появления газа в вентах, которые затем перекрывают, например, газопроницаемой перегородкой для перераспределения избыточного давления. Момент выхода газа из формы или стержня определяют для каждого состава смеси по изменению окраски индикаторных порошков. Применение пониженного расхода газа в данном способе снизит содержание в смеси гидрокарбоната натрия, но полностью не устраняет его присутствие в жидкостекольной смеси. Недостатком данного способа является то, что применение пониженного расхода газа снизит содержание в смеси гидрокарбоната натрия, но полностью не устраняет его присутствие в жидкостекольной смеси. Данное техническое решение принято за прототип.
Способ отверждения жидкостекольной смеси при изготовлении форм и стержней включает заполнение оснастки жидкостекольной смесью и  продувку ее углекислым газом с образованием угольной кислоты и гидрокарбоната натрия, при этом перед продувкой углекислым газом на поверхность жидкостекольной смеси наносят соль, катионом которой является металл с положительным электродным потенциалом, а анионом - кислотный остаток больший по силе, чем угольная кислота, при молекулярном соотношении жидкого стекла и соли 2:1.
Таким образом, технический результат достигается за счет того, что перед продувкой углекислым газом на поверхность жидкостекольной смеси наносят соль, катионом которой является металл с положительным электродным потенциалом, а анионом - кислотный остаток больший по силе, чем угольная кислота, при молекулярном соотношении жидкого стекла и соли 2:1.
На предприятии Акционерное общество «Научно-производственная корпорация «Уралвагонзавод» имени Ф.Э. Дзержинского» были проведены лабораторные испытания, результаты которых представлены в таблицах 1 и 2. По результатам лабораторных испытаний данное техническое решение было применено в литейных цехах предприятия при изготовлении форм и стержней, изготовленных из жидкостекольных смесей.
Пример осуществления.
Осуществление предлагаемого способа показано на следующем примере: используется сульфат меди (CuSO4), где электродный потенциал Cu = +0,338, а константа ионизации кислот (рКа): Н2SO4 = -3,0> Н2СО3 = 6,4, то есть угольная кислота намного слабее серной кислоты.
Устранение «передува» будет происходить, в частности, за счет реакции (3), приводящий к полной ликвидации гидрокарбоната натрия (NaHCO3):
CuSO4 + 2NaHCO3 = CO2↑ + Na2SO4 + CuCO3 + H2O (3)
Введение соли соответствует стехиометрическим компонентам по уравнению (3), то есть, на один моль гидрокарбоната натрия необходимо 0,5 моля предлагаемой соли. Учитывая, что используемая жидкостекольная смесь в своем составе содержит 4,0% ÷ 7,0% жидкого стекла, то опытным путем доказано, что внесение соли не должно превышать 2,0% ÷ 3,0%.
При проведении лабораторных испытаний приготовили жидкостекольную смесь с пятью процентами связующего (жидкого стекла). Затем осуществили нанесение на поверхность жидкостекольной формы разделительного покрытия (соли, сульфата меди, катионом которой является металл с положительным электродным потенциалом, а анионом - кислотный остаток больший по силе, чем угольная кислота, при молекулярном соотношении жидкого стекла и соли 2:1). Обработанную поверхность жидкостекольной формы продули углекислым газом.
При разном времени продувки жидкостекольной смеси осуществили замер образующихся карбонатов натрия и гидрокарбонатов натрия, с фиксацией прочности.
Параллельно для получения сравнительных данных осуществили изготовление жидкостекольной формы, с тем же процентом связующего (жидкого стекла), но без нанесения разделительного покрытия.
Результаты испытаний по продувке жидкостекольной смеси углекислым газом с процентным содержанием карбоната натрия и гидрокарбоната натрия  представили в таблице 1 и на рисунке 1.
Таблица 1
Содержание карбоната натрия и гидрокарбоната натрия
при различном времени продувки смеси
Время продувки образца, с.
10
30
60
120
180
240
300
Исследуемое вещество
Исследуемое вещество
Исследуемое вещество
Исследуемое вещество
Исследуемое вещество
Исследуемое вещество
Исследуемое вещество
Образец без покрытия
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
NaHCO<sub>3</sub>
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
NaHCO<sub>3</sub>
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
NaHCO<sub>3</sub>
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
NaHCO<sub>3</sub>
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
NaHCO<sub>3</sub>
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
NaHCO<sub>3</sub>
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
NaHCO<sub>3</sub>
Процентное содержание исследуемого вещества
10
0,2
17,0
0,5
33,0
1,3
74,0
26,0
43,0
57,0
31,0
69,0
16,0
84,0
Образец с покрытием
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
NaHCO<sub>3</sub>
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
NaHCO<sub>3</sub>
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
NaHCO<sub>3</sub>
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
NaHCO<sub>3</sub>
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
NaHCO<sub>3</sub>
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
NaHCO<sub>3</sub>
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
NaHCO<sub>3</sub>
Процентное содержание исследуемого вещества
12
0,1
24,0
0,3
37,0
1,35
92,4
7,6
93,8
6,2
96,2
3,8
98,0
2,0
Результаты испытаний по продувке жидкостекольной смеси углекислым газом с изменением прочности представили в таблице 2 и на рисунке 2.
Таблица 2
Изменение прочности при различном времени продувки смеси
Время продувки образца, с.
Время продувки образца, с.
10
30
60
120
180
240
300
Прочность, МПа
Образец без покрытия
1,75
1,81
1,96
2,1
1,97
1,83
1,78
Образец с покрытием
1,76
1,8
1,98
2,17
2,13
2,1
2,05
Результаты испытаний показали, что заявляемый способ позволяет убрать или существенно снизить гидрокарбонат натрия в жидкостекольной смеси, являющийся источником снижения прочности, в момент избыточного введения углекислого газа, и не допустить снижения прочности в жидкостекольной смеси. То есть, предлагаемый способ позволяет убрать из жидкостекольной смеси гидрокарбонат натрия и одновременно стабилизировать прочность при длительной продувке смеси углекислым газом.
В частном варианте осуществления предлагаемого способа на поверхность жидкостекольной смеси наносят фосфат меди. В частном варианте осуществления предлагаемого способа на поверхность жидкостекольной смеси наносят хлорид меди.
Источники информации:
1. Гуляев Б.Б. Формовочные процессы / Б.Б. Гуляев, О.А. Корнюшкин, А.В. Кузин. - Л.: Машиностроение, 1987. - 264 с.
2. Технология литейного производства: Литье в песчаные формы: Учебник для высш. учеб. заведений / А.П. Трухов, Ю.А. Сорокин, М.Ю. Ершов и др.; Под рел. А.П. Трухова. - М.:Издательчкий центр «Академия», 2005. - 528 с.
3. Авторское свидетельство № 1468636. Смесь для изготовления литейных форм и стержней, отверждаемая углекислым газом / Шадрин Н.И., Горенко В.Г., Костенко А.С., Дементьева С.Д., Донец И.Г., Бабич И.И., Вислогузова Н.М., Онищук С.Ф.; Институт проблем литья АН УССР и Институт общей неорганической химии АН УССР; опубл. 30.03.1977. Бюл. № 12.
4. Авторское свидетельство № 552894. Смесь для изготовления литейных форм и стержней и способ их отверждения / Д.Э. Грин, Д.Л. Грэйг, Б.П. Старк; Иностранная фирма «Циба-Греги АГ» (Швейцария); опубл. 30.03.1989. Бюл. № 12.
5. «Курс Коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперстные системы», автор Фролов Ю.Г., 1988 год. Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1988. - 464 с.
6. Технология литейного производства. Формовочные и стержневые материалы // Под. ред. С.С. Жуковского, А.Н. Болдина, А.И. Яковлева, А.Н. Поддубного, В.Л. Урохотина. Учебное пособие для ВУЗов. - Брянск, Изд-во БГТУ, 2002. - 470 с.
7. Авторское свидетельство № 1447533. Способ отверждения жидкостекольной смеси при изготовлении форм и стержней / Евстафьев И.Н., Воронов А.П., Кузнецов В.П., Огородов И.К., Симолицина Т.М.; опубл. 30.12.1988. Бюл. № 48.