СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОТЛИВКИ
METHOD OF PRODUCING NON-METAL CASTING

Предлагаемый способ относится к строительству и может быть применен при производстве неметаллических изделий для строительных сооружений, тепловых агрегатов, химических аппаратов.
Известен способ получения неметаллических отливок, включающий плавку неметаллических материалов и подачу расплава в форму, где материал затвердевает. Полученные отливки извлекают из формы, а затем подвергают их термообработке в печах. Так делают изделия из неорганического стекла, стеклокристаллических и керамических материалов (Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение, 1980, с.463-469). Однако этот способ не позволяет получать дешевые неметаллические изделия с высокой химической и тепловой стойкостью рабочей поверхности.
Из известных наиболее близким по технической сущности является способ получения неметаллической отливки, включающий плавку неметаллических материалов и подачу расплава в форму, отличающийся тем, что неметаллические материалы после заполнения ими формы поливают водой, а воду подают на охлажденную отливку импульсами в разные места отливки, причем воду начинают подавать на отливку при температуре ее поверхности 900-1100°С и заканчивают подачу воды при температуре на поверхности отливки 300-400°С (RU 2284976, опубл. 10.10.2006). Этот способ позволяет получать монолитные неметаллические отливки с высокой прочностью и твердостью из малоценных материалов, но при его применении не достигаются высокая однородность, химическая и тепловая стойкость рабочей поверхности неметаллических изделий применительно к использованию их в тепловых агрегатах с агрессивной рабочей средой.
Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение получения неметаллических отливок из малоценных материалов с высокой однородностью, химической и тепловой стойкостью рабочей поверхности применительно к использованию их в тепловых агрегатах с агрессивной рабочей средой, уменьшение затрат энергии, улучшение экологических условий.
Предлагаемый способ получения неметаллической отливки заключается в том, что производят плавку неметаллических материалов и заливку расплава в форму. Отличается этот способ от известных способов тем, что после образования отливки в результате охлаждения поливом водой воду начинают подавать на отливку при температуре ее поверхности 1100-1200°С и заканчивают подачу воды при температуре 670-950°С на поверхности отливки, на поверхность затвердевшей, но не остывшей каменной отливки засыпают твердые частицы алюминия, плавят алюминий на поверхности отливки за счет теплоты отливки, создают слой расплава алюминия на поверхности отливки толщиной 1-9 мм, а затем обдувают расплав алюминия на поверхности отливки воздухом при его температуре 10-600°C до полного окисления алюминия и образования на поверхности отливки слоя оксида алюминия и получения после охлаждения изделия, причем температуру воздуха выдерживают в указанных пределах ниже при меньшей толщине слоя алюминия и повышают с увеличением толщины слоя алюминия.
Такое сочетание новых признаков с известными позволяет получать из малоценных неметаллических материалов, например ваграночных шлаков, изделия с высокой прочностью, твердостью, без затрат дополнительной энергии на нагрев отливок в печах, упрощать получение неметаллических отливок малоценных материалов с высокой однородностью, химической и тепловой стойкостью рабочей поверхности применительно к использованию их в тепловых агрегатах с агрессивной рабочей средой, уменьшать затраты энергии, улучшать экологические условия.
2
2
3
Способ осуществляется следующим образом. Жидким расплавом, содержащим неметаллические материалы, например, до 55% SiO, до 60% АlО, до 25% СаО, до 10% FeO, до 5% МnО, заполняют форму и неметаллические материалы, после заполнения ими формы поливают водой. Воду подают на отливку при температуре 1100-1200°С, а заканчивают подачу воды при температуре на поверхности отливки 670-950°С. Такое охлаждение неметаллической отливки позволяет создавать направленную кристаллизацию материала и получать мелкозернистую плотную структуру. Достигаются показатели высокой прочности, твердости и износостойкости неметаллического материала без последующей термообработки отливки в печи, когда обычно расходуется много топлива или энергии.
После образования отливки на поверхность затвердевшей, но не остывшей каменной отливки при температуре отливки 670-950°С засыпают твердые частицы алюминия, плавят алюминий на поверхности отливки за счет теплоты отливки, создают слой расплава алюминия на поверхности отливки толщиной 1-9 мм, а затем обдувают расплав алюминия на поверхности отливки воздухом при его температуре 10-600°С до полного окисления алюминия и образования на поверхности отливки слоя оксида алюминия и получения после охлаждения изделия, причем температуру воздуха выдерживают в указанных пределах ниже при меньшей толщине слоя алюминия и повышают с увеличением толщины слоя алюминия.
При температуре отливки 670°С рационально создавать слой расплава алюминия на поверхности отливки толщиной 1 мм, а при 950°С - слой расплава алюминия толщиной 9 мм. В этих случаях за счет теплоты отливки твердые частицы алюминия быстро плавятся и обволакивают поверхность отливки. После образования слоя расплавленного алюминия на поверхности неметаллической отливки обдувают расплав алюминия воздухом с температурой 10°С при толщине слоя алюминия 1 мм и 600°С при толщине слоя алюминия 9 мм. В пределах 10-600°С температуру воздуха выдерживают ниже при меньшей толщине алюминия и повышают с увеличением толщины слоя алюминия. Ниже 10°С и выше 600°С эффективность ускорения окисления алюминия не достигается. Расплав алюминия на поверхности отливки при обдувании воздухом при указанных условиях быстро превращается в твердый, мелкокристаллический оксид алюминия, температура плавления которого выше 2000°С. Образуется на поверхности неметаллической отливки химически и термически стойкая корка, получается неметаллическая отливка.
Предлагаемый способ позволяет получать дешевые неметаллические отливки из малоценных материалов, по составу и свойствам соответствующие шамотным огнеупорам, но имеющие со стороны рабочей поверхности слой оксида алюминия, обладающего высокой огнеупорностью, повышенной химической стойкостью. Минимальный слой оксида алюминия толщиной 1 мм рационален для отливок, предназначенных для футеровки химических аппаратов с малой агрессивностью рабочей среды. Максимальный слой оксида алюминия толщиной 9 мм необходим для случая использования огнеупоров в высокотемпературных тепловых агрегатах с повышенной агрессивностью рабочей среды. Слой оксида алюминия меньше 1 мм технологически трудно выполнять, а при толщине слоя оксида алюминия больше 9 мм наблюдаются трещины в слое. Полученные предложенным способом дешевые неметаллические отливки могут быть заменителями дорогих монолитных высокоглиноземистых изделий.
Предложенный способ рационально применять для получения неметаллических отливок для строительных конструкций, в частности для футеровки химических аппаратов, печей для плавки минеральных материалов, шлаков металлургических печей.
Пример выполнения способа получения неметаллической отливки.
2
2
3
В газовой вагранке на холостой огнеупорной колоше, содержащей куски графита (боя электродов дуговых электропечей), высокоглиноземистых и шамотных изделий, известняка, на газообразном топливе - природном газе плавили чугун. В процессе плавки получали жидкий металл и шлак, которые вытекали из шахтной печи-вагранки через переходную летку в теплоизолированный, футерованный огнеупорами копильник-форму. Металл скапливался в нижней части копильника-формы, а шлак находился на поверхности металла. Через нижнюю летку жидкий металл выпускали в ковш и заливали этим металлом отдельно стоящие формы, получая чугунные отливки. Форма и емкость копильника-формы были такими, чтобы после заполнения копильника шлаком получалась бы заданная по форме и объему неметаллическая отливка. Плавка чугуна и шлака продолжалась до требуемого заполнения копильника-формы жидким шлаком. Жидкий металл полностью выпускали из копильника-формы, плавку прекращали и полученную неметаллическую отливку охлаждали поливом воды. Воду начинали подавать на отливку при температуре 1100-1200°C, а заканчивали подачу воды при температуре на поверхности отливки 670-950°С. Состав шлака, из которого получали неметаллические отливки, был следующий: до 45% SiO, до 40% AlО, до 10% СаО, до 5% FeO, причем состав шлака можно было изменять путем изменения состава шихты и холостой огнеупорной колоши в зависимости от требований к неметаллической отливке. На поверхность затвердевшей каменной отливки при температуре отливки 670-950°С засыпали твердые частицы алюминия, плавили алюминий на поверхности отливки за счет теплоты отливки, создавали слой расплава алюминия на поверхности отливки толщиной 1-9 мм, а затем обдували расплав алюминия на поверхности отливки воздухом при его температуре 10-600°С до полного окисления алюминия и образования на поверхности отливки слоя оксида алюминия и получения после охлаждения композиционного изделия, причем температуру воздуха выдерживали в указанных пределах ниже при меньшей толщине слоя алюминия и повышали с увеличением толщины слоя алюминия.
Полученные из ваграночного шлака неметаллические отливки служили футеровочным материалом для газовых вагранок. Меняя внутреннюю форму копильников-форм, получали разнообразные отливки.
Предлагаемый способ обеспечивает технический эффект и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств.
Предлагаемый способ по сравнению с известными позволяет в 2-4 раза уменьшить трудоемкость изготовления неметаллических отливок, повысить прочность, твердость и долговечность отливок в 2,5-3,5 раза, снизить в 2-4 раза расход энергии, улучшить качество изделий. Процесс - экологически чистый и простой в выполнении. Если учесть, что обычно ваграночный шлак не используется, его выбрасывают, загрязняя окружающую среду, то полезное использование шлака для производства неметаллических отливок предложенным способом дает большой экономический эффект.
Кроме отливок для строительных конструкций предложенным способом можно получать отливки для гидротехнических сооружений, химического и размольного оборудования, регенераторов для нагрева воздуха, газа.