Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время развитие отечественного литейного производства обусловлено решением задач по снижению себестоимости, повышению качества и товарного вида отливок, улучшению экологической обстановки. Перспективой применения единых песчано-глинистых смесей (ЕПГС) для изготовления форм является возможность многократного их использования при минимальных безвозвратных потерях. Высокие закупочные цены на формовочные материалы и транспортные расходы требуют эффективного использования компонентов ЕПГС.
Для получения качественных ЕПГС важным фактором является конструктивные решения смесеприготовительной системы. Смесеприготовительное оборудование должно обеспечивать дезагрегацию новообразованных зерен оборотной смеси и ме-ханоактивацию глинистого связующего, формируя на поверхности зерен смеси активную текстурированную адгезивную оболочку, обеспечивающую комплекс свойств ЕПГС. Через адгезивную оболочку происходит непосредственный контакт расплавленного металла с материалом формы, исходя из чего, в качестве зерновой основы формовочной смеси вместо традиционного карьерного песка можно использовать более дешевый речной песок.
Адгезивная оболочка формируется на поверхности зерна смеси в процессе ее оборота в производственном цикле из активного глинистого связующего, углеродо-содержащего материала (УСМ) и спецдобавок. Применение в составе ЕПГС комплексных добавок (компаундов) позволяет активировать адгезивную оболочку, ускорить процесс емеееприготовления и повысить свойства ЕПГС. В состав известных на сегодняшний день компаундов помимо глинистого связующего входят УСМ для предотвращения пригара, а так же для улучшения чистоты поверхности отливок. Однако традиционные УСМ при термодеструкции не только повышают свойства смеси, но и способствуют гидрофобизации и снижению активности глинистого связующего. Поэтому необходимо исключить из состава ЕПГС компоненты, гидрофобизирующие и дезактивирующиет адгезивную оболочку.
Цель работы. Повышение эффективности процессов активации адгезивной оболочки на поверхности зерен формовочной смеси путем механоактивации и дезагрегации зерновой основы оборотной смеси в смесителе, а так же за счет выбора угле-родосодержащих добавок снижающих гидрофобизацию и дезактивацию глинистого связующего; определяющие возможности применения в составе ЕПГС речного песка для получения отливок из чугуна.
Для достижения цели работы поставлены следующие задачи:
Теоретически обосновать и экспериментально доказать формирование на поверхности зерновой основы оборотной смеси адгезивной оболочки и адгезивного субстрата из активного глинистого связующего, способного к регидратации.
Доказать изменение гранулометрического состава зерновой основы и повышение активности адгезивной оболочки оборотной смеси в процессе механоактивации и дезагрегации в смесеприготовительном оборудовании.
Обосновать механизм гидрофобизации адгезивной оболочки побочными продуктами термодеструкции УСМ и определить выбор эффективных УСМ.
Исследовать влияние нанодисперсного пироуглерода (НДПУ) на свойства бентонита при воздействии предварительной термообработки и времени механоакти-
вации, а так же разработать рецептуру и технологию приготовления механоактиви-рованного компаунда на основе бентонита и НДПУ.
Определить возможность применения формовочных смесей на основе речного песка с добавлением компаунда из бентонита и нанодисперсного пироуглерода для производства отливок из чугуна.
Провести опытно-промышленные испытания ЕПГС на основе карьерного и местного речного песков с компаундом и оценить качество отливок и экономическую эффективность от внедрения в производство компаунда и новых составов ЕПГС.
Научная новизна.
Установлено, что в результате оборота в производственном цикле происходит трансформация состава и состоянии зерновой основы оборотной смеси, вносящей основную массу активного глинистого связующего в единую песчано-глинистую смесь, которая представляет новое качественное состояния формовочного материала в отличие от исходных компонентов.
Установлено повышение активности глинистого связующего за счет интенсивной дезагрегации и механоактивации адгезивной оболочки и адгезивного субстрата в процессе эффективного сухого перемешивания оборотной смеси в барабанном смесителе с рабочими органами типа «стержни-катки».
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена активация предварительно термообработанного бентонита и образования адгезивного субстрата при его интенсивном совместном перемешивании с нанодисперсным пироуглеродом.
Доказана возможность применения единой песчано-глинистой смеси на основе речного песка с добавками механоактивированного компаунда на основе предварительно термообработанного бентонита в пределах 300...400 С и нанодисперсного пироуглерода для получения отливок из чугуна.
Практическая значимость.
Разработана технологическая проба (патент РФ № 77809) для оценки влияния материалов литейной формы на формирование шероховатости поверхности отливок и вероятность образования пригара, которая может быть использована для экспресс-анализа в литейных цехах и в учебном процессе при подготовке студентов по направлению «Машиностроительные технологии и оборудование».
Разработана конструктивная схема каскадного барабанного смесителя (патент РФ № 97952) непрерывного действия для приготовления единых песчано-глинистых смесей.
Разработана рецептура и способ приготовления компаунда на основе термообработанного бентонита и нанодисперсного пироуглерода.
Проведено опытно-промышленное испытание разработанных составов единых песчано-глинистых смесей на основе речного песка (пойма реки Обь) с компаундом в чугунолитейном цехе «ООО БМК» (Барнаульская металло-компания), которое подтвердило практическую и экономическую целесообразность их применения.
Предложены ресурсосберегающие технологии в процессе приготовления и освежения единых песчано-глинистых смесей с разработанным компаундом.
Реализация работы. Производственные испытания формовочной смеси из речного песка с компаундом, проведенные на базе ЧЛЦ ООО «БМК», показали, что применение компаунда в составе ЕПГС вместо молотого угля за счет высокой термостойкости адгезивной оболочки позволило улучшить свойства смеси при одновре-
менном сокращении на 25...30 % расхода бентонита освежения. В результате этого экономический эффект при использовании формовочной смеси на основе песка Ба-лашейского ГОКа 5КзОз02 с добавками компаунда составляет 90,42 рублей на тонну годных отливок, а при использовании речного песка 498,42 рублей (по ценам 2010 г).
Достоверность результатов работы обеспечивается комплексным подходом к решения поставленных задач и использованием современных методик исследования формовочных материалов, анализом литературных источников, применением статистических методов обработки экспериментальных данных.
Личный вклад автора заключается: 1) постановка цели и задач исследований; 2) разработка состава и способа производства компаунда на основе термообработан-ного бентонита и нанодисперсного пироуглерода и формовочной смеси на основе речного песка с добавлением компаунда; 3) разработка компоновочной схемы каскадного барабанного смесителя для приготовления формовочных смесей и конструкции технологической пробы для оценки влияния материала формы на шероховатость и вероятность образования пригара на поверхности отливок; 4) обработка и анализ полученных результатов исследований; 5) организация и участие в производственных испытаниях и получении опытной партии отливок.
Научные результаты, выносимые на защиту:
Экспериментальные данные изменения зернового состава формовочной смеси и роста активности адгезивной оболочки на поверхности ее зерновой основы в процессе сухой механоактивации и дезагрегации перемешивания в смесителе.
Результаты исследования влияния температуры предварительной обработки глинистого связующего, добавок пироуглерода и времени их совместной механоактивации в центробежно-планетарной мельнице его на свойства и повышения эффективности процессов активации адгезивной оболочки на поверхности зерен смеси.
Результаты исследования свойств и опытно промышленных испытаний формовочных смесей на основе речного песка с добавками механоактивированного компаунда на основе предварительно термообработанного бентонита в пределах 300...400С и нанодисперсного пироуглерода для получения отливок из чугуна.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на: IV, V, VI, VII Всероссийских науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь» (г. Барнаул 2007 - 2010 г.); 7-ой Всероссийской науч.-практ. конф. «Литейное производство сегодня и завтра» г. Санкт-Петербург 2008 г.; 6, 7, 8 - ой Всероссийских науч.-практ. конф. «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» (г. Новосибирск: 2008 -2010 г.); IX, X, XI Международных науч.-практ. конф. «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств» (г. Барнаул
- 2010 г.); Всероссийской науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь проблемы, поиски, решения» (г. Новокузнецк 2008 г.); Всероссийской молодежной науч. конф. «Мавлютовские чтения» (г. Уфа 2008 г.); X Городской науч.-практ. конф. молодых ученых «Молодежь - Барнаулу» (г. Барнаул 2008 г.); Международной науч.-практ. конф. «Наука и производство - 2009» (г. Брянск
г.); Всероссийской конф. с элементами научной школы для молодежи «Новые материалы. Создание. Структура. Свойства - 2009» (г. Томск 2009 г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 38 печатных работах, в том числе 5 статей из перечня, рекомендованного ВАК, 2 патен-
та, 19 статей в журналах и сборников научных трудов, 12 тезисов докладов в материалах научных конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 162 странице машинописного текста, содержит 47 рисунков, 31 таблицы, список литературы из 140 наименования. Общий объем работы - 198 страниц.
