Экологичность литейных смесей и методика ее определения

Рис. 3. Реализация мероприятия «Использование в составе огнеупорной суспензии порошка борной кислоты»

Кроме того, в рамках проводимой работы осуществлялся входной контроль маршалита, применяемого в качестве огнеупорного материала суспензии и формовочного песка, используемого в качестве обсыпочного материала, на соответствие требованиям ГОСТ и на содержание органических веществ.

Опытно-промышленное опробование подтвердило эффективность предлагаемых мероприятий, не требующих дополнительной перестройки производственного процесса.

Комплекс предложенных мер был внедрен в действующее производство, в результате чего брак оболочек по трещинообра-зованию был снижен в среднем в 2,75 раза и достиг технологически требуемого уровня.

УДК 621.74 Е.А. Чернышов

ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева» A.A. Евлампиев, О.Б. Гусева, A.B. Королев

ГОУ ВПО «Чувашский государственный университет»

ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ЛИТЕЙНЫХ СМЕСЕЙ И МЕТОДИКА ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Литейное производство является многооперационным сложнейшим технологическим процессом с использованием большого количества наименований и масс материалов, поглощением значительных объемов топлива и различных видов энергии. При этом производство отливок сопровождается выбросами

в атмосферу загрязняющих веществ и промышленной пыли, а водные объекты загрязняются сточными водами, отводимыми после использования.

Применение органических связующих при изготовлении стержней и форм приводит к значительному выделению токсичных газов в процессе сушки, отверждения и особенно при заливке металла. В зависимости от класса связующего в атмосферу цеха могут выделяться такие вредные вещества, как аммиак, ацетон, акролеин, фенол, формальдегид, фурфурол и т.д. Загрязнение воздушной среды токсичными компонентами возможно на всех стадиях технологического процесса: при приготовлении смесей, изготовлении и отверждении стержней и форм.

В настоящее время в научных публикациях используется термин «экологичность технологических процессов». Это понятие отражает способность используемых в данном процессе веществ не наносить вреда окружающей среде и человеку. Можно принять, что экологичность вещества - это условная величина, обратно пропорциональная токсичности данного вещества.

Экологичность литейной смеси (материала формы, стержня) - это свойство литейной смеси, характеризующее степень гигиенической чистоты материала и его способность не наносить вреда экологии.

Принято считать [1,2], что экспертная оценка экологичное™ процессов и материалов - это сложный комплекс исследований и расчетов объемов и скоростей токсичных выделений на всех этапах технологического процесса по каждому компоненту. В частности, литейную смесь необходимо рассматривать как комплексный материал, состоящий из формовочного песка, связующего, растворителя и добавок и проводить исследования по каждому из этих компонентов. В части оценки экологичное™ процессов производства литья, обычно рассматривают следующие этапы (операции): приготовление стержневых и формовочных смесей; изготовление стержней и форм (включают их отверждение и упрочнение); заливка расплавом, нагрев и охлаждение форм; выбивка и очистка отливок. При определении номенклатуры выделяемых веществ на каждом этапе и их объемов применяют специальную аппаратуру, для чего требуется высокая квалификация специалистов и при этом обычно затрачивается большое количество времени.

В связи с этим особенно актуально оперативное определение экологичное™ процессов непосредственно в условиях производственной лаборатории. Развитие техники, модернизация про-

изводства диктуют внедрение новых материалов и технологий. Предлагаемые и применяемые материалы активно совершенствуются, а составы смесей изменяются. В производственных цеховых лабораториях проводить дорогостоящие анализы очень сложно, а иногда и невозможно, в том числе из-за отсутствия необходимого оборудования. Это часто сдерживает внедрение новых материалов или специалисты не могут оперативно проверить и оценить экологичность рекомендуемых связующих и добавок.

Предложенный авторами способ оценки экологичное™ взамен трудоемкого анализа токсичности базируется на минимуме исходных данных. Расчет экологичное™ сводится к определению потери массы образца литейной смеси при высокотемпературном нагреве (ПМН) и суммарной величины предельно допустимых концентраций (£ПДК) токсичных веществ на основании известных табличных и справочных данных.

Общее количество выделившихся веществ из материала стержня (формы) при высокотемпературном нагреве определяют по аналогии с «Методом определения потери массы при прокаливании» по ГОСТ 29234.13-91.

Для этого навеску формовочной смеси массой 10 г взвешивают в фарфоровом тигле, предварительно прокаленном при температуре 1000°С (± 50°С) до постоянной массы. Специалисты фирмы «Ashland» считают, что навеска 10 г является оптимальной по массе. Навеска кварцевого песка данной массы становится равномерно прогретой до максимальной температуры за время 12-15 с. Тигель с навеской помещают в муфельную печь, нагретую не выше 400°С, и постепенно нагревают до температуры 1000°С, выдерживают при этой температуре в течение 1 ч, затем охлаждают в эксикаторе и взвешивают.

Потери массы после нагрева вычисляют по формуле

ПМН = mi - m2,

где m1 - масса тигля с навеской до нагрева, мг; m2 - масса тигля с навеской после нагрева, мг. Для расчетов берут среднее значение из трех испытаний. При определении суммарной величины предельно допустимых концентраций используют известные значения ПДК каждого токсичного вещества, выделяющегося при высокотемпературном нагреве.

Экологичность литейной смеси (Эк) по аналогии с расчетом определения условной токсичности предлагается вычислять по следующей формуле, а оценивать в условных единицах:

_ ими

пдк'

где ПМН - потери массы образца после нагрева, мг;

ХПДК - суммарная величина предельно допустимых концентраций по всем компонентам выделяемых токсичных веществ, мг/м3.

Степень экологичное™ литейной смеси в условных единицах (у.е.) предлагается оценивать по следующей шкале: до 5 у.е. - неэкологичная; от 5 до 20 - экологичная; более 20 - высокоэкологичная.

Ниже проводится сравнительная оценка экологичное™ стержней, полученных по технологии Амин-процесса и отверждае-мых в нагретой оснастке.

Сначала по вышеприведенной методике и формуле (1) определяются потери массы проб стержневых смесей, затем рассчитываются средние значения ПМНср по трем испытаниям. Полученные значения сведены в табл. 1.

Таблица 1

Сравнительные результаты испытаний

Масса тигля с навеской до нагрева, мг Масса тигля с навеской после нагрева, мг ПМН, мг ПМНср, мг

Амин-процесс

32877,4 32748,1 129,3 129,3

32487,7 32359,2 128,5

32871,0 32740,9 130,1

Отверждаемые в нагретой оснастке

32373,3 32215,0 158,3 155,8

32470,4 32317,0 153,4

32422,5 32267,0 155,5

Значения ПДК газов, выделяющихся при термодеструкции из стержней, по справочным данным составляет, мг/м3:

Амин-процесс: оксид углерода - 20; углеводороды - 20; бензол - 5,0; толуол - 5,0; ксиол - 5,0; фенол - 0,3; формальдегид - 0,5; изоционаты - 0,3.

По горячим ящикам: оксид углерода - 20,0; углеводороды -20,0; метанол- 5,0; бензол - 5,0; цианиды - 0,3; фенол - 0,3.

Используя данные табл.1 и значения ПДК, а также выражение (2), экологичность стержней для этих смесей составит:

Амин-процесс:

129 3

Эк =_ ' _= 2 3

£20 + 20 + 5,0 + 5,0 + 5,0 + 0,3 + 0,5 + 0,3 ' '

Отверждение в нагретой оснастке:

Эк = =-1558-= 3,07.

£ 20 + 20 + 5,0 + 5,0 + 0,3 + 0,3

Расчет показывает, что по значению показателей экологичное™ стержни, изготовленные по Амин-процессу и в нагретой оснастке, относятся к неэкологичным.

В табл. 2 приведены значения параметров экологичное™ различных литейных смесей (форм, стержней) после деструкции при 1000°С.

Таблица 2

Экологичность литейных смесей

Состав смеси,% ПМср, мг ПДК веществ, выделяющихся при термодеструкции, мг/м Экологичность

Амин - процесс

Песок кв. - 100; фенолформальдегид-наясмола 0,9-1,0; изоционатная смола -0,9-1,0 148,6 Оксид углерода - 20; фенол - 0,3; формальдегид - 0,5; изоционаты - 0,3 2,6 Неэкологичная

Песок кв. - 100; фе-нолформальдегидная смола - 0,6-0,8; изоционатная смола -0,6-0,8 129,3 2,3

Продолжение табл. 2

Состав смеси,% ПМср, \лг ПДК веществ, выделяющихся при термодеструкции, мг/м Экологич-ность

Отверждаемые в нагретой оснастке

Песок кв. 100; раствор FeCia - 0,08-0,09; фе-нолоспирт - 1,8-1,9; карбамид (мочевина) -0,3; ПЭСП - 0,4-0,5; керосин - 0,05. 155,8 Оксид углерода - 20,0; аммиак - 20,0; метанол- 5,0; бензол - 5,0; углеводороды - 20; цианиды - 0,3; сернистый ангидрид - 10,0; фенол - 0,3 3,07 Неэкологичная

163,6 3,23

Песок кв. - 100; раствор FeCl3 - 0,12-0,14; фенолоспирт - 2,1-2,3; карбамид (мочевина) -0,3; керосин - 0,07. 157,4 3,1

Упрочняемые тепловой сушкой вне оснастки

Песок кв. - 100; ЛСТ -4,0 - 4,5; КО или УСК-1 - 3,2-3,6 289,28 Оксид углерода - 20,0; оксид серы - 10; углеводороды - 20; метанол - 5,0; акролеин -0,2; цианиды - 0,3 5,2 Экологичная

Песок кв.- 100; ЛСТ -4,0; КО или УСК-1 - 33,5; керосин - 0,34 280,65 5,1

хтс

Песок кв. - 100; смола фенольная ФСМ-А -2,0-2,5; отвердитель А-20 - 0,4-0,5; опилки древесные - 0,5; биг-хаузная пыль - 3,0 74,9 Оксид углерода - 20,0; оксид серы - 10; углеводороды - 20; метанол - 5,0; акролеин -0,2 5,1 Экологичная

Формовочная смесь системная (свежеприготовленная

Отработанная смесь -94,0-97,0; песок кв. -6,0-3,0; суспензия бентонитовая - 3,0-3,2 175,6 Пыль+БЮг - 4 43,9 Высокоэкологичная

Отработанная смесь -94,0-97,0; песок кв. -2,6-3,0; бентпорошок -0,3-0,5; ЭКР - 0,040,06 192,0 48,0

Окончание табл. 2

Состав смеси,% ПМср, мг ПДК веществ, выделяющихся при термодеструкции, мг/м Экологич-ность

Формовочная смесь

Формовочная смесь отработанная 145,5 Пыль+БЮг - 2 72,8 Высокоэкологичная

Таким образом, предложенная методика позволяет в условиях цеховой экспресс-лаборатории, используя данные предварительного анализа общего газовыделения, производить оценку экологичное™ формочных и стержневых смесей.

Техническим результатом метода является упрощение оценки экологичное™ литейных смесей.

Список литературы

1. Жуковский С.С., Лясс A.M. Формы и стержни из холоднотвердеющих смесей. М.: Машиностроение, 1978. 224 с.

2. Экология литейного производства / Болдин А.Н., Жуковский С.С., Поддубный А.Н. и др. Брянск: Изд-во БГТУ, 2001. 316 с.

УДК 669.14.018.256

М.В. Шубина, Э.А. Косарева

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЖИДКОСТЕКОЛЬНЫХ СМЕСЕЙ В ЛИТЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Показатели качества и стоимости отливок в литейном производстве в значительной степени зависят от правильного выбора состава и технологических свойств формовочных и стержневых смесей. Состав смесей зависит от назначения готового изделия, рода заливаемого сплава, сложности и ответственности отливок, наличия необходимых исходных материалов, серийности произ-