СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИХ И ИЗОЛЯЦИОННЫХ ВСТАВОК ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ
METHOD OF PRODUCING EXOTHERMAL AND INSULATION GATE SYSTEM INSERT

Заявляемое изобретение относится к металлургии, а именно к способам изготовления экзотермических и изоляционных вставок литниковых систем.
Известно, что экзотермические смеси и вставки предназначены для использования в литниково-питающих системах при производстве стального и чугунного литья. Цель -устранение брака литья по дефектам усадочного характера, достигается путем местного разогрева жидкого металла (до 1800°С), что замедляет процесс затвердевания расплава в прибыльной части литниковой системы и создает дополнительное газовое давление на металл в зоне экзотермической реакции.
Экзотермические смеси - порошки на основе оксидов металлов и алюминия, обеспечивающие выделение значительного количества тепла в результате протекания окислительно-восстановительных реакций при контакте с жидким металлом в прибыли. Действие экзотермических смесей (подогрев металла в прибыли и увеличение времени воздействия атмосферного давления на жидкий металл) способствует повышению эффективности работы прибыли и предотвращает образование вторичных усадочных раковин. Экзотермические смеси могут использоваться в качестве присыпок на поверхность крупных открытых прибылей и в виде фасонных изделий (экзотермических вставок), которые могут быть изготовлены в виде оболочек, оформляющих полость прибыли, или вставок (цилиндров, конусов), закрепленных в форме. Практикуется вариант использования "всплывающих" вставок, изготовленных из смесей с легкими наполнителями. Основные преимущества использования - устранение брака литья по дефектам усадочного характера, увеличение выхода годного литья за счет снижения металлоемкости прибылей на 20-40% (1).
Экзотермические и изоляционные вставки содержат в себе два составляющих компонента - экзотермический и изоляционный, каждый из которых имеет различный состав ингредиентов, которые влияют на эксплуатационные свойства вставок. Кроме того, геометрические параметры и качество поверхностей вставок зачастую предопределяют и дальнейшую технологию их использования в литниковых системах, что в конечном результате определяет и качество самого литейного изделия и трудоемкость его доработки.
В свою очередь, вставки изготавливают различными способами: «сухим» или «влажным (мокрым)», от которых также во многом зависит как состав компонентов смеси для вставок, так и качество их изготовления и, в конечном результате, качество литых изделий. И даже выбранный способ - «сухой» или «влажный (мокрый)» имеет множество вариантов их реализации, заставляя каждый раз специалистов - как разрабатывающих и изготавливающих - с одной стороны, так и литейщиков - с другой стороны, решать творческую задачу по постоянному совершенствованию технологий реализации упомянутых выше способов. Эти технологии должны учитывать, по меньшей мере, требования к литейным изделиям, в т.ч. по качеству отливки и от них уже выходить на требования к экзотермическим и изоляционным вставкам.
Известен способ изготовления экзотермической вставки для литейных форм, включающий вдувание смеси в пространство, образованное холодным ящиком и двумя стержнями, формирующими в неотвержденной вставке отверстие, открытое с обоих концов, внутреннюю двухстороннюю фаску в устье вставки и ровную поверхность с противоположной устью стороны, отверждение вставки в холодном ящике путем взаимодействия с катализатором, извлечение отвержденной вставки из холодного ящика, размещение пробки в отверстии вставки на конце, противоположном устью, при этом смесь включает в себя связующее вещество и бесфтористую композицию, состоящую из изолирующего огнеупорного вещества и экзотермической смеси, содержащей окисляемое вещество, окислитель, способный производить экзотермическую реакцию, и магний, инициирующий экзотермическую реакцию (2). Как видно из описания, вставка изготавливается путем вдувания смеси в форму, т.е. «сухим способом».
В патенте (3) заявлен состав для изготовления изоляционных или экзотермических втулок и других элементов литников и питателей литейных форм формовкой выдуванием, содержащий полые сферические микрочастицы из силиката алюминия, связующее и, необязательно, не волокнистые наполнители, отличающийся тем, что в качестве связующего он содержит связующее холодного отверждения, а полые сферические микрочастицы из силиката алюминия содержат менее 38 вес.% оксида алюминия. Здесь заявитель пришел к такому составу смеси и способу формования вставки путем формовки выдуванием для того, чтобы получить хорошую геометрию наружной поверхности вставки. Этот способ, как и способ (2) является «сухим» и имеет все присущие «сухим» способам недостатки.
К недостаткам «сухого» способа относится, в частности, достаточно высокая по-жароопасность производства вставок. Кроме того, связующее, например, «Резамин», используемое в таком способе, токсично, трудногорюче, а по степени воздействия на организм человека относиться ко второму классу опасности по ГОСТ 12.1.005-88. При переработке связующего выделяются пары фенола, формальдегида, изоцианата и диоктиладипината (ДОА).
3
Фенол - нервный яд. Вдыхание паров фенола вызывает раздражение верхних дыхательных путей, а при длительном воздействии - общее отравление. Фенол относится к веществам 2 класса опасности по ГОСТ 12.1.005-88. Он способен проникать внутрь организма через незащищенные участки кожи. При попадании на кожу оказывает сильное прижигающее и раздражающее действие. Предельно допустимая концентрация (ПДК) паров фенола в воздухе рабочей зоны производственных помещений - 0,1 мг/м. Температура вспышки - 79°С, температура самовоспламенения 595°С. Концентрационные пределы распространения пламени паров 1,52-8,76% об. Температурные пределы распространения пламени 48-83°С. Содержание паров фенола в воздухе рабочей зоны определяется по методическим указаниям №1461 или по методике 02-01-95.
3
Формальдегид - протоплазматический яд. Вызывает сильное раздражающее действие на слизистые оболочки глаз и дыхательных путей, является аллергеном, относится к веществам 2 класса опасности по ГОСТ 12.1.005-38. Температура самовоспламенения -430°С. Концентрационные пределы распространения пламени 7-73% (об.). ПДК формальдегида в воздухе рабочей зоны производственных помещений - 0,05 мг/м. Содержание паров формальдегида в воздухе рабочей зоны определяется по методическим указаниям №4524-37, №4320-83 или по методике 02-02-95.
3
Дифенилметандиизоцианат - обладает общетоксическим действием, вызывает нарушение деятельности центральной нервной системы (ЦНС) и сердечно-сосудистой системы. Раздражает слизистые оболочки глаз и верхних дыхательных путей, относится к веществам 2 класса опасности. Температура вспышки - 90°С. ПДК диизоцианата в воздухе рабочей зоны - 0,5 мг/м. Содержание паров диизоцианата в воздухе рабочей зоны определяется по методическим указаниям МУ №1695-77, вып.1-5, 1981.
ДОА (диоктиладипинат) - представляет собой малолетучую, высококипящую жидкость, нерастворимую в воде и устойчивую к гидролизу. По воздействию на организм относится к 3-му классу опасности по ГОСТ 12.1.007-76. Температура вспышки - 190°С; Температура воспламенения - 215°С. Предельно-допустимая концентрация паров в воздухе рабочей зоны - не определена (ГОСТ 8728-88).
Вышеприведенные недостатки делают применение «сухого» способа получения вставок крайне нежелательным.
Известны экзотермические и изоляционные оболочки для литейных прибылей серии «FT» и «FM» (4). Основой для изготовления экзотермических и изоляционных оболочек для литейных прибылей служит специальное керамическое волокно (серия «FT») или микросферы (серия «FM») с добавлением алюминиевого порошка, оксидов металлов и связующего материала. Производитель отмечает особенности и преимущества таких оболочек:
- оболочки из данных материалов позволяют в течение длительного времени сохранять металл в прибыли жидким, что приводит к сокращению объема прибыли до 4 раз по сравнению с классическими;
- давление, создаваемое в закрытой прибыли за счет протекания экзотермической реакции, является существенным фактором для обеспечения питания отливки даже в условиях, когда высота отводной прибыли меньше высоты питаемого узла;
- после окончания экзотермической реакции материал оболочки сохраняет свои теплоизоляционные свойства, продолжая обеспечивать направленное затвердевание в отливке.
Такие оболочки в различных конкретных сериях применяются при изготовлении мелких, средних и крупных отливок из чугуна, стали и цветных сплавов.
Способ изготовления оболочек (4) - «мокрый» т.е. с насасыванием всей смеси на оснастку. При этом наружная поверхность оболочки получается волнистой и шероховатой, поэтому наружные размеры становятся существенно менее точными (что видно из фотографии, размещенной на сайте (4)). Главный недостаток насасывания всей смеси на оснастку заключается в том, что вставки, полученные таким способом, возможно применять только при формовке по готовым моделям, т.е. вначале на модель устанавливают экзоприбыль, а затем все это засыпается и уплотняется опокой. При засыпке и уплотнении опоки вставки могут ломаться, сминаться, что ухудшает качество литья и повышает процент брака отливаемых изделий. Таким образом, нечеткие, волнистые и шероховатые наружные поверхности вставки (4), вследствие неудовлетворительной наружной геометрии, не позволяют ее устанавливать после того как опока отформована по моделям, т.е. в то место, где должна была стоять прибыльная экзовставка. Кроме того, такой способ вакуумного формования вставок, когда вся масса смеси засасывается на оснастку, представляется нам неэкономичным.
Известен способ изготовления втулок посредством вакуумной и влажной формовки с последующей сушкой и полимеризацией смол при высокой температуре (патент Испании №8403346 (5), описанный в патенте РФ №2176575 (3). Стандартный способ этого типа включает следующие операции:
- суспендирование в воде смеси, полученной из материалов, используемых при изготовлении втулок, например волокон из алюмосиликатов, алюминия, оксида железа и фенольных смол, или, альтернативно, смеси, полученной из кремневого песка, алюминиевого шлака, целлюлозы, алюминия и фенольных смол;
- вакуумное всасывание упомянутой водной суспензии через наружную и внутреннюю поверхность формы;
- извлечение из формы сырой или влажной втулки, укладка на поддон, который в свою очередь помещают в печь, в которой ее оставляют на срок от 2 до 4 часов при температуре приблизительно 200°С с последующим охлаждением.
В некоторых случаях не все алюмосиликатное сырье присутствует в виде волокон, поскольку часть его может быть заменена полыми микрочастицами сферической формы из упомянутого алюмосиликатного материала с целью уменьшения необходимого количества продукта и снижения стоимости готового продукта. Такие сферические микрочастицы в таком случае используют как наполнитель.
Этот процесс позволяет получить втулки из изолирующего или экзотермического материала (5).
Как уже отмечалось в (3), способ (5) имеет множество недостатков, среди которых установлены следующие.
Главный недостаток - невозможность получения втулок с достаточной точностью наружных размеров, поскольку всасывание смеси через форму позволяет получить высокую точность втулки по внутренней поверхности (которая контактирует с формой), но не по другой поверхности. Эта неточность приводит к несовпадению по размерам наружного контура втулок с внутренней полостью каналов для доливки, что часто ведет к существенным трудностям при их размещении и присоединении. Т.е. имеют место те же недостатки, что и описанные нами выше в отношении способа (4).
Другим существенным недостатком способа (5), влияющим на экологию производства, является наличие в смеси для приготовления втулок фенольных смол, недостатки которых описаны выше в отношении «сухих» способов.
Еще одним недостатком способа (5) является вакуумное всасывание всей водной суспензии через наружную и внутреннюю поверхность формы (оснастки), что приводит к удалению из смеси необходимых мелкодисперстных фракций ряда компонентов, поэтому такой технологический прием представляется нам неэффективным и неэкономичным, не позволяющим достигнуть поставленной цели - оставлению во влажной отформованной вставке так необходимых компонентов.
Ближайшим аналогом заявленного способа является способ изготовления экзотермических и изоляционных вставок литниковой системы, включающий суспендирование в воде компонентов смеси, заливку водной суспензии в форму для приготовления вставки, откачивание вакуумным насосом водного раствора из внутренней полости формы, подачу сжатого воздуха под верхнюю часть формы для извлечения вставки из формы, укладку вставки на поддон, сушку в печи и последующее охлаждение вставки (GB 1204472A, 09.09.1970, стр.1 строки 15-35, стр.2, строки 60-85, стр.3, строки 44-101, фиг.1.)(6).
Технический результат заявляемого способа заключается в получении вставок с более равномерной плотностью по объему и качественной наружной и внутренней поверхностями за счет вибрации водной суспензии, обеспечивающей плавное отекание смеси в форму с одновременным удалением различных воздушных включений.
Создание «влажного (мокрого)» способа изготовления экзотермических и изоляционных вставок литниковых систем с использованием заявляемой технологии частичного вакуумирования смеси в сочетании с приведенным в заявляемом изобретении подбором компонентов смеси позволяет получить экзотермические и изоляционные вставки с высоким качеством как наружной, так и внутренней поверхностей, обладающие достаточной прочностью при сравнительно невысокой плотности (450-600 кг/куб, м) с применением в смеси менее вредных компонентов, чем фенольные смолы, что делает производство вставок более экологичным (менее вредным для работающих людей), а главным образом, повышается эффективность, экономичность и качество самого литейного производства при литье стальных, чугунных и иных отливок, в т.ч. за счет снижения уровня брака или дефектов литья и повышения точности отливок.
Техническая задача по получению экзотермических и изоляционных вставок заявляемым способом, с использованием соответствующих компонентов смеси и их соотношений решается следующим образом.
Заявляемый способ изготовления экзотермических и изоляционных вставок литниковой системы, включающий суспендирование в воде компонентов смеси, заливку водной суспензии в форму для приготовления вставки, откачивание вакуумным насосом водного раствора из внутренней полости формы, с подачей сжатого воздуха для извлечения вставки из формы, укладку вставки на поддон, сушку в печи и последующее охлаждение вставки, характеризуется тем, что форму выполняют в виде наружного цилиндра, внутренней обечайки, имеющей сквозные отверстия диаметром 1,2-1,5 мм, и подвижной верхней части формы, прикрепленной к пуансону, при этом после заливки в форму водную суспензию вибрируют, затем сжимают подвижной частью формы, а для извлечения вставки из формы подачу сжатого воздуха осуществляют в нижнюю часть формы под обечайку.
Таким образом, заявляемый способ позволяет получить вставки с более равномерной плотностью по объему и качественной наружной и внутренней поверхностями за счет вибрации водной суспензии, обеспечивающей плавное отекание смеси в форму с одновременным удалением различных воздушных включений.
Заявляемый способ изготовления экзотермических и изоляционных вставок литниковой системы использует в составе смеси, наряду с клеящими веществами из водного раствора, включающими силикатный клей, компонентов в следующих пропорциях (в объемных процентах):
Al (металлический)
12-25%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (Оксид алюминия)
13-35%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (Оксид железа)
8-30%
SiO<sub>2</sub> (Оксид кремния)
17-28%
Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O (Оксид натрия и оксид калия)
0,5-7%
СаО (оксид кальция)
8-15%
MgO (Оксид магния)
0,2-4%
Керамическое волокно
8-15%
2
3
2
2
2
3
Кроме того, в состав смеси добавляется осадитель на органической основе. Добавление осадителя на органической основе в состав экзотермической смеси позволяет производителю добиться максимально эффективного использования экзотермических добавок, имеющих достаточно мелкие фракции (мелко дисперсионные, например: AlO - 5-10 микрон, MnO - 45-65 микрон, SiO - 45-85 микрон, FeO - 5-25 микрон) и как следствие, подвергающихся дополнительному (чрезмерному) удалению в момент откачивания вакуумом, что впоследствии влечет за собой неконтролируемое в процессе вакуумации обеднение экзотермической смеси и как следствие снижение эффективности работы прибыльных вставок.
Заявленный способ отвечает условию новизны, условию изобретательского уровня, поскольку из уровня техники не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, и условию промышленной применимости.
Заявляемый в качестве изобретения способ изготовления экзотермических и изоляционных вставок литниковых систем состоит из следующих основных технологических операций.
1. Приготовление компонентов смеси: оксид алюминия, оксид железа, полые сферические микрочастицы.
В баке-мешалке приготавливается водный раствор клеящих веществ, вода и силикатный клей.
2. Добавление в этот водный раствор компонентов экзосмеси с одновременным увеличением оборотов бака-мешалки до 1500 об/мин. Перемешивание осуществляется в течение 10 минут от времени засыпания последнего компонента.
3. Добавление в существующую смесь теплоизоляционных керамических волокон с содержанием алюмосиликатов с одновременным размешиванием в баке- мешалке до 5-7 минут при плавающих и увеличивающихся оборотах от 500 до 1200 об/мин. Это важно для качественного перемешивания волокон.
4. Комплексная смесь из компонентов экзотермической смеси и изотермических волокон после их окончательного приготовления в баке-мешалке переливается в передвижную ванну, с помощью которой доставляется к формовочному столу.
5. Формовочный стол состоит из корпуса с горизонтальной поверхностью (рабочий стол), на которой размещается по меньшей мере одна, а, как правило, 4 и более форм для приготовления вставок. К каждой форме подводится вакуум от вакуумного насоса, а также сжатый воздух от компрессора. Геометрия вставки определяется внутренним диаметром наружного цилиндра, наружными размерами поверхности внутренней обечайки, стоящей внутри цилиндра на формовочном столе и имеющей сквозные отверстия диаметром около 1,2-1,5 мм, и внутренней поверхностью пуансона.
6. Дозированная по объему смесь подается сверху на обечайку. При подаче смеси в рабочую форму включается вибратор рабочего стола. В результате осуществляется плавное отекание смеси в форму с одновременным удалением различных воздушных включений. При необходимости, осуществляется трамбовка смеси вручную.
7. Для осаживания активных экзодобавок на волокнах в рабочий экзотермический раствор смеси добавляют осадитель на органической основе, который способствует «закреплению» активных экзодобавок (алюминий окалина, селитра, оксид магния) на огнеупорных волокнах экзосмеси. Это способствует тому, что максимальное количество экзодобавок остается в самом изделии (вставке), препятствуя забору влаги из изделия.
8. Смесь прижимается пуансоном, имеющим поверхность, соответствующую заданным наружным размерам будущей вставки. Пуансон опускается на нужную высоту, соответствующую высоте будущей вставки. Смесь сжимается. Водный раствор вытекает через отверстия в обечайке и отсасывается вакуумным насосом. Таким образом могут формоваться за один прием 4 и более вставок. После обжатия пуансоном и выдерживания вакуума с целью удаления разряженности в самой форме происходит подача воздуха в нижнюю часть формы, под обечайку, что способствует хорошему чистому снятию вставки с обечайки и выниманию ее из формы.
9. Термосушка вставок в термопечи при температуре 100-250 градусов Цельсия в течение 20-40 мин.
10. Контроль качества, сортировка и упаковка готовых вставок в тару.
11. Вставки делаются под конкретные литые изделия заказчика, указывающего габариты литья, вид металла (алюминий, бронза, чугун, сталь (с указанием ее марки). Пример 1
Экзотермические и изоляционные вставки изготовили с использованием следующей композиции:
Al (металлический)
12%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (Оксид алюминия)
5%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (Оксид железа)
25%
SiO<sub>2</sub> (Оксид кремния)
20%
Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O (Оксид натрия и оксид калия)
7%
СаО (оксид кальция)
15%
MgO (Оксид магния)
4%
Керамическое волокно
12%
Относительная известность признаков того или иного разрабатываемого способа изготовления вставок даже для опытного специалиста отрасли не означает возможности его успешного применения в своем способе. Зачастую требуются многочисленные эксперименты, разрабатываются математические модели, применительно к каждому техническому заданию на конкретную серьезную отливку. Вышесказанное говорит о том, что в такой отрасли, как металлургия, даже небольшие нюансы способа могут носить изобретательский уровень. Это подтверждается многолетней практикой работы заявителя.
Заявитель, впервые в России, успешно освоил крупносерийное производство оболочковых вставок прибыльных частей отливок, как газового давления с обогревом экзотермическими смесями, так и теплоизоляционные, адиабатные (7). Производимые им изделия могут поставляться и поставляются на многие металлургические предприятия России и ближнего зарубежья, как с установленными в них подприбыльными стержнями для облегчения обрубки прибыли, так и без них.
Выпускаемые заявителем вставки обладают высокой технологичностью применения и позволяют достигать, при их применении следующих результатов:
- повышение выхода годного литья на крупных отливках до 25%;
- снижение металлоемкости отливки до 40%;
- уменьшение технологических припусков на механическую обработку прибыльных мест отливок с 15-20 мм до 4-5 мм;
- сокращение, в несколько раз, расхода металлообрабатывающего инструмента;
- полная ликвидация трудоемкого процесса огневой отрезки прибылей;
- возможность установки прибыли на любые поверхности без нарушения конфигурации отливки;
- повышение качества литья по снижению дефектов усадочного характера (раковины, рыхлоты, трещины), а также по неметаллическим и газовым включениям;
- возможность серийного изготовления вставок по индивидуальному техническому заданию заказчика (форма оболочки и ее размеры, геометрические параметры подприбыльного стержня для облегчения обрубки прибыли, теплоаккумулирующая способность, модуль экзотермической реакции, время задержки инициации горения и т.д.).
Применяемые заявителем экзотермические смеси обладают следующими характеристиками:
- низкой температурой воспламенения;
- стабильным горением смеси с регулируемой скоростью;
- увеличением, не менее чем вдвое, общего времени затвердевания прибылей с экзотермическими смесями, по сравнению с обычными;
- хорошей тепловой изоляцией смесей после завершения экзотермического процесса;
- отсутствием химического взаимодействия металла прибыли со смесью;
- отсутствием стабильного газовыделения при сгорании смеси;
- отсутствием пироэффекта;
- высокой прочностью на всех стадиях процесса;
- отсутствием механического пригара;
- высокой газопроницаемостью;
- отсутствием выделений вредных веществ.
Литература
1. www.lityo.com.ua/mi_3.html
2. Патент РФ №2299781 (приор. 09.09.2002).
3. Патент РФ №2176575 (приор. 09.07.1997).
4. www.ruscastings.ru/work/168/441/443/6805.
5. Патент Испании №8403346 (описан в патенте РФ №2176575 (3).
6. Патент Великобритании №1204472А, (приор. 09.09.1970).
7. http://masterm-vo.ru.