СВЯЗУЮЩЕЕ ДЛЯ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ
BINDER FOR MOULDS AND CORES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области литейного производства, и конкретно к составам связующих на основе растительного масла, предназначенных для использования в производстве литейных форм и стержней теплового отверждения, преимущественно стержней.
Уровень техники
Известно эмульсионное связующее теплового отверждения для изготовления литейных форм и стержней (патент RU 2227080, МПК: B22C 1/24, опубл. 20.04.2004 г.), характеризующееся следующим составом, % масс: таловый пек (25-28), растворитель углеводородный (0-17), лингносульфонаты, в пересчете на сухое вещество (20-21), неионогенные ПАВ (8-10.5), вода - остальное.
Наличие в составе связующего углеводородных растворителей (керосина, уайт-спирита) обусловливает низкую экологичность производства и высокую пожароопасность стержневых участков литейных цехов во время приготовления стержневых смесей и при сушке стержней. Наличие в составе связующего воды делает затруднительным или невозможным транспортировку и использование продукта при отрицательных температурах. Высокое содержание лигносульфонатов способствует повышению температуры сушки до 230-250°C и пригару отливки к стержню.
Упомянутых недостатков лишены связующие на основе растительных масел.
Известно использование в качестве связующего чистого растительного масла, взятого для приготовления формовочной смеси в соотношении 1-1,5% к 100% песка (см. кн. Кукуй Д.М. Теория и технология литейного производства, учебное пособие в 2-х ч., ч.1, 2011 г., стр.302).
Известно использование чистого льняного масла в количестве 1,5% к 98,5% песка (справочник А.А. Сварика. Формовочные материалы и смеси, 1983 г., стр.29).
Использование в качестве связующего растительных компонентов способствует низкой газотворной способности формовочных смесей и отсутствию вредных выделений в процессе сушки форм и при заливке металлов, что обеспечивает высокую экологичность и пожарную безопасность производства. Связующие на основе растительных масел характеризуются получением хороших физико-механических свойств формовочных смесей, таких как прочность, пластичность, газопроницаемость, выбиваемость стержней.
Среди недостатков использования в качестве связующего чистого растительного масла можно отметить плохую смачиваемость зерен песка маслом и неравномерное распределение связующего по массе формовочной смеси, что в дальнейшем сказывается на показателях прочности. Для устранения этих недостатков приходится либо увеличивать время перемешивания формовочной смеси, либо повышать дозировку связующего. Однако и то и другое ведет к значительному удорожанию формовочной смеси.
Известна формовочная смесь, приготовленная на основе связующего, включающего растительное масло и абиетат кобальта, добавляемые к песку в следующих пропорциях: растительное масло 1,5-2,5%, абиетат кобальта 0,3-0,5%, песок 97-98,2% (см. патент RU 2456115, МПК: B22C 1/16, опубл. 20.07.2012 г.).
2
Абиетат кобальта, являясь сиккативом, способствует ускорению пленкообразования (высыханию и отверждению) растительного масла, что позволяет уменьшить температуру сушки. Однако упомянутое связующее имеет тот же недостаток, что и вышеупомянутые аналоги, а именно плохую смачиваемость связующим зерен песка, что способствует налипанию формовочной смеси на оснастку и низкой прочности получаемых форм и стержней (2,5-4,6 кг/см).
В качестве наиболее близкого к заявляемому техническому решению аналога принято связующее для стержней теплового отверждения, раскрытое в патенте на изобретение RU 2449855, МПК: B22C 1/24, оп. 10.05.2012 г. Ближайший аналог характеризуется следующими признаками, сходными с существенными признаками заявляемого связующего: наличием в его составе растительного масла (источником которого является фильтропрессованный осадок горчичного масла) и добавки анионного ПАВ (в виде лигносульфонатов). Благодаря наличию в составе известного связующего поверхностно-активных веществ и воды обеспечена хорошая смачиваемость песка в процессе приготовления формовочной смеси.
В качестве недостатков ближайшего аналога можно выделить следующие: повышенная температура сушки формовочных смесей 220-240°C и прилипание стержневой смеси к оснастке, что объясняется использованием лигносульфонатов, нестабильность (высокая вероятность расслоения) связующего при хранении, т.к. последнее представляет собой дисперсионную систему - смесь из веществ, которые совершенно или практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. В результате чего такое связующее не может храниться и должно быть использовано сразу после приготовления, что не всегда удобно. Кроме того, наличие в составе связующего воды делает проблематичным его использование при отрицательных температурах.
Раскрытие изобретения
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка связующего на основе растительного масла, удобного в использовании, способного сохранять свои свойства в течение длительного времени и при этом обеспечивающего высокие характеристики формовочных смесей, приготовленных на его основе.
Использование настоящего изобретения позволяет получить следующие технические результаты:
- повышение стабильности связующего, обеспечение возможности его длительного хранения, транспортировки и использования при отрицательных температурах;
- повышение прочностных характеристик формовочных смесей,
- предотвращение налипания стержневой смеси к оснастке,
- высокую стабильность приготовленной из связующего эмульсии.
Упомянутая задача решена и технические результаты достигнуты благодаря тому, что связующее для литейных форм и стержней, изготовленное на основе растительного масла с добавлением ПАВ, согласно заявляемому изобретению, в качестве ПАВ содержит анионное ПАВ, выбранное из ряда: натриевые, калиевые, триэтаноламиновые, моноэтаноламиновые, аммиачные соли жирных кислот, таллового масла, соапстока, таллового пека, канифоли, их смеси, и неионогенное ПАВ в виде продукта этоксилирования или пропоксилирования алкилфенолов, жирных кислот, жирных спиртов, содержащего в своей структуре от 2 до 15 этоксилированных или пропоксилированных звеньев. При этом композиция связующего характеризуется следующим содержанием компонентов, %:
Масло растительное 40-96
Анионное ПАВ 3-40
Неионогенное ПАВ 1-20.
В качестве масла растительного предпочтительно использование чистого или отработанного масла из ряда: рапсовое, подсолнечное, льняное, кукурузное, соевое, конопляное, либо их смеси, что обусловлено доступностью и широким производством либо наилучшими для связующего характеристиками.
Однако предложенное техническое решение не исключает возможности использования в качестве масла растительного других его видов, например горчичного, хлопкового и т.п.
В отличие от прототипа и других известных решений композиция заявляемого связующего, помимо растительного масла, включает два вида поверхностно-активных веществ: анионное ПАВ из ряда: натриевые, калиевые, триэтаноламиновые, моноэтаноламиновые, аммиачные соли жирных кислот, таллового масла, соапстока, таллового пека, канифоли, их смеси, и неионогенное ПАВ в виде продукта этоксилирования или пропоксилирования алкилфенолов, жирных кислот, жирных спиртов, содержащего в своей структуре от 2-х до 15-ти этоксилированных или пропоксилированных звеньев.
Все перечисленные поверхностно-активные вещества хорошо растворимы в масле, в частности в растительных маслах, благодаря чему полученное на их основе связующее представляет собой истинный раствор, т.е. раствор с равномерным распределением одного вещества в среде другого.
В отличие от дисперсий размер частиц растворенных веществ в таком растворе составляет порядка 0,1 нм, что сопоставимо с размером молекул веществ. Благодаря образованию истинного (молекулярного) раствора предлагаемое связующее обладает высокой стабильностью и не подвержено расслаиванию в процессе длительного времени, оно менее требовательно к условиям хранения и транспортировки и сохраняет свои первоначальные свойства на протяжении всего периода хранения.
Такое связующее может быть приготовлено в условиях одного производства, а использовано в совершенно другом месте, например в условиях производства, расположенного в другом регионе, на значительном удалении от первого. Это делает привлекательным производство предлагаемого связующего, не привязанное к конкретному литейному производству.
Отсутствие в составе связующего воды позволяет транспортировать и использовать его при отрицательных температурах.
Для приготовления формовочной смеси из масляного связующего обычно сначала готовят эмульсию, смешивая его с водой непосредственно при приготовлении смеси или предварительно. При этом для повышения стабильности эмульсии используют различные добавки - эмульгаторы, что известно (см. книгу Берг П.П. Основы учения о формовочных материалах. Москва, 1948, стр.104-108).
В предлагаемом связующем используемые поверхностно-активные вещества не только выполняют свои прямые функции эмульгаторов, обеспечивая снижение поверхностного натяжения, получение стабильной эмульсии и хорошую смачиваемость песка, но и в совокупности с растительным маслом они полимеризуются при нагревании, скрепляя зерна песка, т.е. дополнительно выполняют функции связующего.
Все растительные масла, независимо от их вида, характеризуются способностью полимеризоваться при нагревании, высыхать с образованием пленок. Широкое использование растительных масел в качестве связующего обусловлено наличием в них двойных связей и углеводородных непредельных соединений, «благодаря которым происходят химические процессы, приводящие к упрочнению стержней» (см. книгу Берг П.П. Основы учения о формовочных материалах. Москва, 1948, стр.110-113).
Все вещества из ряда анионных ПАВ, предложенных для использования в композиции заявляемого связующего, по своей природе и химической структуре близки к растительным маслам. Так и натриевые, и калиевые, и триэтаноламиновые, и моноэтаноламиновые, и аммиачные соли жирных кислот, таллового масла, соапстока, таллового пека, канифоли представляют собой сложные смесевые продукты, основными компонентами которых являются соли карбоновых кислот, содержащие в своей химической структуре одну или несколько двойных (непредельных) углерод-углеродных связей. Наличие упомянутых двойных связей обусловливает способность этих веществ полимеризоваться подобно растительным маслам при сушке (нагревании), отверждаясь и скрепляя зерна песка между собой.
Химическое взаимодействие анионного ПАВ и масла растительного и их полимеризация происходят только в процессе сушки. До нагревания, в растворе никаких химических взаимодействий не происходит, и ПАВ выполняют свои прямые функции эмульгаторов, обеспечивая снижение поверхностного натяжения и получение стабильной эмульсии.
Способность к полимеризации используемых анионных ПАВ в совокупности с использованием растительных масел позволяет снизить температуру сушки формовочных смесей, повысить прочность стержней после сушки, снизить расход связующего.
Неионогенные ПАВ, используемые в составе предлагаемого литейного связующего, также выполняют две функции. Во-первых, они являются дополнительным эмульгатором, усиливая действие анионных ПАВ, что позволяет получать из связующего очень стабильную эмульсию, которая не расслаивается в течение длительного времени.
Во-вторых, наличие неионогенного ПАВ позволяет предотвратить налипание стержневой смеси к оснастке, что особенно важно при пескодувном набивании стержней на полуавтоматических линиях.
Неионогенное ПАВ в виде продукта этоксилирования или пропоксилирования алкилфенолов, жирных кислот, жирных спиртов, содержащего в своей структуре от 2 до 15 этоксилированных или пропоксилированных звеньев, является широкодоступным продуктом. Ограничение содержания в химической формуле упомянутых продуктов этоксилированных или пропоксилированных звеньев (не больше 15) связано с тем, что большее содержание упомянутых звеньев приводит к ухудшению растворимости вещества в масле, поэтому такие продукты не рекомендуются для применения в составе заявляемого связующего.
Для приготовления формовочной или стержневой смеси предлагаемое связующее используется в виде эмульсии, которую готовят путем смешивания с водой в предпочтительной концентрации 15-40%.
Эмульсии, приготовленные из связующего, характеризуются высокой стабильностью не менее 8 часов. Это позволяет осуществлять приготовление эмульсии как непосредственно в условиях литейного цеха, так и в условиях иного производства и поставлять в литейный цех связующее, приготовленное в виде эмульсии.
Количественные пределы содержания ингредиентов композиции связующего были установлены в результате многочисленных экспериментальных исследований.
Конкретный количественный состав композиции связующего зависит от используемых в качестве ПАВ веществ, вида растительного масла, а также в значительной мере определяется конкретным видом сырья (кварцевого песка), используемого для приготовления формовочных и стержневых смесей на том или ином производстве.
В формуле приведены обобщенные пределы содержания ингредиентов. Конкретный количественный состав определяется специалистом в условиях конкретного производства, исходя из поставленных задач и конкретных используемых веществ, на основании общих знаний в этой области.
Минимальный предел содержания масла растительного 40% обусловлен тем, что при меньшем его содержании не обеспечиваются требуемые прочностные характеристики. При процентном содержании ПАВ менее 4% не обеспечивается требуемая смачиваемость зерен песка, что также ведет к снижению прочности образцов.
Осуществление изобретения
В результате опытно-экспериментальных работ были выделены вещества ряда анионных ПАВ, которые в совокупности с маслом растительным и добавкой в виде неионогенного ПАВ показали примерно одинаковые высокие качества связующего. Среди этих веществ оказались натриевые, калиевые, триэтаноламиновые, моноэтаноламиновые, аммиачные соли жирных кислот, таллового масла, соапстока, таллового пека, канифоли и их смеси.
В прилагаемой таблице приведены некоторые составы связующего, изготовленного согласно заявляемому изобретению, и результаты проведенных испытаний.
Состав 1 связующего характеризуется использованием следующих компонентов, %: масло льняное (40), анионное ПАВ: триэтаноламиновое мыло таллового масла (40), неионогенное ПАВ: этоксилированные жирные спирты с 3-мя этоксилированными звеньями (20).
Состав 2 связующего характеризуется использованием следующих компонентов, %: масло кукурузное (85), натриевое мыло соапстока (5), этоксилированные жирные спирты с 2-мя этоксилированными звеньями (10).
Состав 3 связующего характеризуется использованием компонентов, %: масло рапсовое (80), калийное мыло таллового пека (10), пропоксилированные жирные спирты с 3-мя пропоксилированными звеньями (10).
Состав 4 связующего характеризуется использованием компонентов, %: масло подсолнечное (75), моноэтаноламиновое мыло канифоли (10), этоксилированная олеиновая кислота с 5-ю этоксилированными звеньями (15).
Состав 5 связующего характеризуется использованием компонентов, %: масло отработанное соевое (70), аммиачное мыло соапстока (25), этоксилированные алкилфенолы с 10-ю этоксилированными звеньями (5).
Состав 6 связующего характеризуется использованием компонентов, %: смесь из льняного и отработанного подсолнечного масел (71), аммиачное мыло таллового масла (26), этоксилированные жирные спирты с 6-ю этоксилированными звеньями (3).
Состав 7 связующего характеризуется использованием компонентов, %: масло конопляное (50), натриевое мыло соапстока (30), этоксилированные алкилфенолы с 4-мя этоксилированными звеньями (20).
Состав 8 связующего характеризуется использованием компонентов, %: масло соевое (96), смесь аммиачных солей жирных кислот (3), пропоксилированные жирные спирты с 15-ю пропоксилированными звеньями (1).
Связующее готовили следующим образом. В реактор, снабженный мешалкой и рубашкой для обогрева, закачивали рассчитанное количество масла и разогревали при перемешивании до температуры 50-80°C. После этого в реактор загружали анионное и неионогенное ПАВ и перемешивали компоненты в течение 1 часа. В завершении смесь подвергали обработке роторно-кавитационным гомогенизатором.
Нагрев масла позволяет ускорить процесс приготовления связующего за счет улучшения условий смешивания и сокращения времени перемешивания компонентов.
Готовый продукт (связующее) представляет собой прозрачную или слегка опалесцирующую маслянистую жидкость, стабильную при хранении. Время гарантийного сохранения свойств связующего, т.е. его стабильности, составляет не менее 1 года. Возможности длительного хранения и транспортировки значительно расширяют возможности использования связующего.
2
Как видно из таблицы, в качестве масла растительного могут быть использованы как чистые масла, так и отработанные, так и их смеси. Все составы связующего помимо высокой стабильности показали возможность получения высоких прочностных характеристик образцов (от 7,4 до 15,7 кг/см).
Сухая прочность стержневых смесей (прочность на растяжение высушенных образцов-«восьмерок» по ГОСТу 23409.7) определялась на автоматическом приборе.
Сушка стержней проводилась в течение 1 часа при температуре 210 ±10°C.
Для приготовления стержневых смесей брали 96 частей кварцевого песка марки 3К30203 и 4 части 15%-40%-ной эмульсии, приготовленной из связующего соответствующего состава. Приготовление эмульсии осуществляли путем смешивания с водой на высокооборотистой механической мешалке или путем циркулирования через роторно-кавитационный гомогенизатор.
В пересчете на связующее его расход составил от 0,45 до 1,6%, что является достаточно низким расходом.
Эмульсии, приготовленные из составов 1-8, характеризуются высокой стабильностью и не выделяют масла в течение 8 часов.
В процессе промышленных испытаний всех составов на литейных предприятиях были отмечены следующие качественные показатели: хорошая газопроницаемость (350 ед.), низкое газообразование, отличная выбиваемость стержней из форм, отсутствие пригара при отливках из чугуна СЧ40 и стали марок 110Г13П.
Таблица. Связующее для литейных форм и стержней
№ п/п
Растительное масло
Содержание, %
Анионные ПАВ
Содержание, %
Неионогенные ПАВ
Содержание, %
Время сохранения стабильности связующего, не менее
Концентрация эмульсии, %
Предел прочности при растяжении, кг/см<sup>2</sup>
1
льняное
40
триэтаноламиновое мыло таллового масла
40
этоксилированные жирные спирты с 3-мя этоксилированными звеньями
20
1 года
30
8,0
2
кукурузное
85
натриевое мыло соапстока
5
этоксилированные жирные спирты с 2-мя этоксилированными звеньями
10
1 года
30
7,9
3
рапсовое
80
калийное мыло таллового пека
10
пропоксилированные жирные спирты с 3-мя пропоксилированными звеньями
10
1 года
40
9,1
4
подсолнечное
75
моноэтаноламиновое мыло канифоли
10
этоксилированная олеиноваякислота с 5-ю этоксилированными звеньями
15
1 года
30
11,6
5
отработанное соевое
70
аммиачное мыло соапстока
25
этоксилированные алкилфенолы с 10-ю этоксилированными звеньями
5
1 года
15
10,5
6
смесь из льняного и отработанного подсолнечного масел
71
аммиачное мыло таллового масла
26
этоксилированные жирные спирты с 6-ю этоксилированными звеньями
3
1 года
30
15,7
7
конопляное
50
натриевое мыло соапстока
30
этоксилированные алкилфенолы с 4-мя этоксилированными звеньями
20
1 года
30
9,2
8
соевое
96
смесь аммиачных солей жирных кислот
3
пропоксилированные жирные спирты с 15-ю пропоксилированным и звеньями
1
1 года
30
7,4