Введение к работе
Актуальность проблемы. Вхождение Республики Казахстан в рыночную экономику ставит перед машиностроением проблему рационального и эффективного использования минерально-сырьевых ресурсов, создания на их основе замкнутых производств экспортной и импортнозаменяющей продукции высокой готовности.
Литейное производство является основной заготовительной базой машиностроения и одной из самых материалоемких отраслей промышленности. В последнее время в литейное производство широко внедряются технологии получения отливок с применением литейных форм и стержней, отверждаемых без нагрева. Их основные преимущества заключаются в минимальной работе по уплотнению, отверждению при температуре окружающей среды, а также высокой точности форм и стержней, в широкой возможности управления технологическими свойствами и повышения качества отливок.
Улучшение качества отливок, повышение их размерной и весовой точности, чистоты поверхности в значительной степени зависит от прогресса в области формовочных материалов и способов формообразования, так как в песчаные формы будет производиться основное количество чугунного и стального литья.
Изучению и выбору оптимальных составов формовочных и стержневых смесей
посвящены работы П. П. Берга, П. А. Борсука, Ю. Ф. Боровского, Ю. П. Васина, К.
И. Ващенко, И. В. Валисовского, Е. С. Гамова, Б.Б. Гуляева, С. П. Дорошенко, С. С.
Жуковского, И. Е, Илларионова, А. М. Лясса, Ф; Д. Оболенцева и др. исследовате
лей.
Холоднотвердеющие смеси находят все большее применение в литейных цехах и являются перспективными в производстве отливок из различных сплавов, при различной степени механизации и серийности производства.
Однако, несмотря на ускоренные темпы распространения холоднотвердеющих смесей (ХТС), многие вопросы, относящиеся к теории процесса и практике применения, еще ке полностью решен.
При неоспориммс достоинствах новая технология на ряде заводов Республики Казахстан не нашла еще широкого распространения. Трудности широкого внедрения нового технологического процесса изготовления литых деталей заключается в том, что оно основано на применении привозных формовочных материалов и недостаточно полно исследовавны возможности использования ХТС на основе местных природных материалов и вторичного сырья.
Нецелесообразность использования дефицитных привозных формовочных материалов при наличии значительных их запасов в Казахстане, связанные с этим большие транспортные расходы, а также острый дефицит органических связующих делают актуальным вопрос комплексного подхода к.теории получения ХТС на основе местных первичных к вторичных материалов.
Цель рябпты — разработка ресурсосберегающих технологий получения литых деталей на основе материалов Республики Казахстан и создание на их основе новых экономичных с минимальным отрицательным влиянием на окружающую среду холоднотвердеющих смесей7.' ''
Практическая значимость работы заключается в том, что применение разработанных ресурсосбеоегающих технологий получения литых деталей на основе местных материалов Республики Казахстан, оптимизированных составов смесей и активирующих добавок путем использования физических, химических и физико-математических методов обработки компонентов смесей позволяют улучшить качество поверхности чугунных и стальых отливок, снизить трудоемкость и себестоимость изготов
4 ления стержней и форм и улучшить санитарно-гигиенические условия труда в литейных цехах. Параметры технологических процессов изготовления форм и стержней, составы смесей и способы разупрочнения смесей защищины 3 авторскими свидетельствами.
Основные задачи исследования, поставленные в работе для достижения указанной цели :
— разработка и исследование, новых местных формовочных материалов и смесей,
обеспечивающих получение средних и крупных отливок высокого качества из чугу
на и стали;
-исследование механизма отверждения, формирование структуры и свойств жидких самотвердеющих смесей (ЖСС), органических ЖСС (ОЖСС) с лигносульфо-натами техническими (ЛСТ), сыпучих холоднотвердеющих (СХТС) смесей с фос-фогипсом, холоднотвердеющих песчано-смоляных (ХПСС) и фосфатных холоднотвердеющих смесей (ФХТС) с применением отходов металлургического, химического и целлюлозно-бумажного производства и других добавок при кислотно-основном взаимодействии;
— установление взаимосвязи между параметрами отверждения смесей и оптимиза
ция литейной технологии;
разработка новых экономичных составов ХТС и способов управления их свойствами; 1
разработка и внедрение в промышленность Республики Казахстан ресурсосберегающих технологических процессов получения форм и стержней, позволяющих улучшить санитарно-гигиенические условия труда, осуществить охрану окружающей среды от токсичных образований, повысить точность и бездефектность отливок.
Научная новизна работы. Разработаны новые и уточнены имеющиеся представления о структуре и свойствах жидкостекольных жидких самотвердеющих смесей, ЖСС с лигносульфанатами техническими, сыпучих жидкостекольных смесей с фос-фогипсом, песчано-смоляных и фосфатных холоднотвердеющих смесей.
Исследованы водопоглощающие способности наполнителей формовочных и стержневых смесей, установлено, что для обеспечения удовлетворительной текучести смесей водопоглощающая способность наполнителя не должна превышать 0,8-1,2 %. Разработаны методы определения среднего размера песка по кривым плотности вероятности нормально-логарифмического распределения по закону Гаусса.
Разработаны методы и конструкция установки для определения пенообразующей способности поверхностно-активных веществ (ПАВ). Определен коэффициент мно-жественной корреляции R = 0,997. Метод с достаточной точностью характеризует процесс пенообразования ПАВ, практичен в производственных условиях.
Установлены закономерности взаимодействия основных компонентов жидких самотвердеющих, сыпучих жидкостекольных и фосфатных ХТС, а также установлены математические модели, описывающие основные технологические свойства ХТС и позволяющие оптимизировать их составы и свойства.
Рентгенографическими исследованиями установлено, а термодинамическими расчетами подтверждено, что твердение жидких и сыпучих ХТС является следствием протекания обменных реакций с образованием в указанных системах кальцийнатри-евых гидросиликатов - основной структурообразующей фазы этих смесей. ИК -спектроскопическими исследованиями показано, что скорость твердения ХТС зависит от скорости растворения исходной Са - содержащей фазы в связующей. Разработаны эффективные методы управления процессом отверждения указанных смесей: для ЖСС —путем применения отвердителя с различной удельной поверхностью и
5 введением в смесь фосфогипса (активной Со-содержащей добавки), а для сыпучих ХТС - путем подбора оптимального режима термической обработки отвердителя-фосфогипса.
На основании исследования системы Ме О- Р205~ 1!г О для литейного производства разработаны новыесоставы фосфатных холоднотвердеющих смесей. Рентге-ноструктурным анализом установлено, что новообразованием, обеспечивающим отверждение фосфатных смесей на основе оксидов железа и ортофосфорной кислоты являются гидратированные фосфаты железа, обладающие повышенной когезионной прочностью и термостойкостью. Формовочные и стержневые смеси на их основе, обеспечивающие получение отливок высокого качества и улучшающие санитарно-гигиенические условия труда, защищены авторскими свидетельствами. Непременным условием достижения высоких прочностных свойств фосфатных смесей является их структура, которая создается их уплотнением под воздействием внешних сил или собственной массы. Связующее способствует расширению площади контакта между минеральными частицами, течению и уплотнению их в конечном итоге, формированию плотной структуры. При этом эффективность и скорость отверждения фосфатных смесей зависит от удельной поверхности и количества оксидов железа. Установлено, что процесс отверждения фосфатных ХТС протекает в три периода: инкубационный-период живучести и пластичности; отверждения; образования твердой фазы - завершение процесса отверждения.
В случае с ЖСС с ЛСТ (ОЖСС) установлено, что если устойчивость пены существенно превосходит индукционный период отверждения, то газопроницаемость ОЖСС восстанавливается медленно и абсолютная величина ее занижена. Тогда для быстрого восстановления газопроницаемости дополнительно потребуется тепловая подсушка. При правильно выбранном соотношении пены, а именно при их примерно равном соотношении стержни и формы обладают высокой газопроницаемостью.
Для холоднотвердеющих песчано-смоляных смесей (ХПСС) установлена общая закономерность, заключающаяся в преобладании гогезионного упрочнения на начальных стадиях и адегизионного—на конечных стадиях отверждения. Установлено, что отверждение ХПСС с фурановой смолой "Фуритол - 107" резко ускоряется при добавке 0,04- 0,15 мае. ч. хлористого кальция. Поэтому факторы, замедляющие процесс отверждения смесей: низкая температура, высокая влажность песка, мелкозернистый наполнитель, можно легко компенсировать с помощью незначительных добавок хлорида кальция.
Построены математические модели для значения прочности, текучести, газопроницаемости, влажности, выбиваемости ХТС в зависимости от содержания связующего, отвердителя с применением ЭВМ ES 1022.
Комплексные физико-химические исследования позволили разработать смеси с оптимальными физико — механическими и технологическими свойствами для чугунного и стального литья.
Практическая значимость и внепрение в промышленность. Установленные закономерности позволили уточнить механизм формирования структуры и свойств ЖСС, СХТС, ОЖСС, ХПСС и ФХТС для чугунных и стальных отливок и на их основе создать технологию по получению литых деталей высокого качества.
Установлено, что для разработанных ХТС могут быть использованы формовочные материалы и материалы-отходы: огнеупорные глины Дарбазинского, Карасорского, Келесского и Огланлинского месторождений; пески марок 2КО 16 A, IKPMA и TOI6A
Дарбазинского карьероуправления и марок I03I5A, 20315Л, IK0315B, 2К03І5Б, IKOI6A, ІКОІ6Б, 2К016А и 2КОІ6Б Карасорского ГОК; отвердитсли: феррохромо-вые шлаки Актюбинского ферросплавного завода, фосфогипс Жамбылского суперфосфатного завода, железорудные концентраты Соколово-Сарбайского ГОК, железная окалина Карагандинского металлургического комбината, трифолин и крокус Кемеровского анилино-красочного завода, хромовые ангидриды Актюбинского завода хромовых соединений; связующие: карбомидно-фурановая смола "Фуритол -107" Ферганского завода фурановых соединений, лигносульфонаты магния технические Кызылординского целлюлозно-картонного комбината; катализаторы: ортофосфорная кислота Жамбылского и Шымкентского фосфорных заводов; вспомогательные материалы: лигнин Шымкентского гидролизного завода, угольная зола ТЭЦ.
Получены монограммы составов ХТС и составлены производственно-технологические инструкции по их применению, от реализации которых на ряде заводов Республики получен экономический эффект до 8,6 руб. за одну.тонну годного литья в ценах на 01.01.1990г.
Параметры технологических процессов изготовления форм и стержней, составы смесей, способы устранения разупрочнения ХТС защищены тремя авторскими свидетельствами.
Основные разработки внедрены и прошли промышленные испытания на Алматин-ском заводе тяжелого машиностроения, Алтайском тракторном заводе, Белезинском литейном заводе Республики Удмуртии, Жамбылском опытно-механическом заводе и ПО "Химпром", Кентауском экскаваторном заводе, Липецком, Одесском и Рязанском литейных заводах "Центролит", ПО "Казтяжпромарматура", ПО "Ташкентский тракторный завод", Туркестанском ремонтно-механическом заводе, Шымкен-тском заводе пресс-автоматов, Чебоксарском заводе промышленных тракторов и Чирчикском заводе "Узбекхиммаш". Составы смесей были использованы при литье стальных и чугунных отливок типа плит, корпусов, станин, роликов массой от 200 кг до 4 тонн, что позволило уменьшить массу и брак отливок, сократить или полностью устранить применение высокотоксичных, дорогостоящих, дефицитных и имеющих ограниченный срок хранения органических связущих, снизить расход топлива и электроэнегрии в 3—4 раза, сэкономить формовочные материалы, повысить производительность труда, улучшить качество отливок и санитарно-гигиенические условия труда. Экономический эффект от внедрения разработок составил свыше 900 тыс. руб. в ценах на 01.01. 1990 г.
На затпиту выносятся следующие положения:
— обоснования некоторых особенностей механизма отверждения, формирование и
принципы управления свойствами связующих композиций и ХТС;
-теоретическое обоснование применения доступных, экономичных формовочных материалов и материалов-отходов для приготовления ресурсосберегающих ХТС: ЖСС, ОЖСС, СХТС, ХПСС и ФХТС;
результаты исследований механизма объемного отверждения и разупрочнения ХТС с применением связующих композиций: жидкое стекло—феррохромовый шлак, жидкое стекло — фосфогипс, лигносульфанаты магния технические - хромовый ан-гедрид, карбомидно-фурановая смола "Фуритол - 107" - ортофосфорная кислота и оксиды железа — ортофосфорная кислота, улучшающих их адгезионное и когезион-ное свойство и способствующих формирование структуры ХТС;
новые составы и технология получения и применения отечественных экологически безопасных малоотходных ХТС, гарантирующих получение качественных отливок;
7 — математические модели: "состав - свойство смеси", "свойство компоненте)» -свойства смеси" и компьютерная программа для разработки и оптимизации составов, свойств и промышленной технологии применения ХТС;
— результаты исследований влияния ХТС на состав воздушной среды в литейных цехах и разработка практических рекомендаций по охране труда и экологии.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на более чем 40 съездах, Международных, Всесоюзных, зарубежных, региональных, республиканских конференциях, совещаниях и семинарах. В том числе на: научно-техническом совещании литейщиков "Прогрессивные способы приготовления литейных форм и стержней" (Ташкент, 1969) , Республиканском научно-техническом совещании литейщиков "Применение самотвердеющих смесей в литейном производстве" (Киев, 1975), VI — ой Всесоюзной конференции по химии и использованию лигнина (Рига, 1976), Всесоюзной конференции литейщиков "Получение отливок с чистой поверхностью" (Киев, 1976), научно-технической конференции "Технология переработки сульфитных щелоков" (Пермь, 1977), научно-техническом семинаре " Холоднотвердеющие формовочные и стержневые смеси" (Киев, 1978), научно—техническом совещании "Технология и опыт работ с монолитными самотвердеющими футеровками" (Липецк, 1979), научно-техническом семинаре "Применение концентратов сульфитно-дрожжевой брожки в литейном производстве" (Киев, 1980), Всесоюзном научно—техническом совещании "Перспективы использования лигнина в народном хозяйстве" (Братск, 1980), научно-техническом семинаре "Пути повышения качества стального литья" (Киев, 1981), республиканской конференции "Проблемы развития фосфорной промышленности Каратау-Жамбылского ТПК" (Жамбыл, 1981), республиканском научно-техническом семинаре "Проблемы освоения и комплексного использования минерально-сырьевых ресурсов Актюбинскойобласти" (Актюбинск, 1982), V-ой республиканской конференции "Химия природных солей и минеральных удобрений Казахстана" (Алматы -Жамбыл, 1983), И-омВсесоюзномнаучно-техническомсьезделитейщиков (Москва -Ленинград, 1983), научно-техническом совещании литейщиков "Состояние и перспективы получения отливок на основе ресурсосберегающих формовочных смесей" (Липецк, 1983), научно-техническом семинаре "Пути расширения применения и улучшения связующих свойств концентратов сульфитно-дрожжевой брожки в литейном производстве" (Киев, 1983), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов" (Баку, 1984), республиканской научно-технической конференции "Пути интенсификации технического перевооружения литейного производства и задачи повышения качества и снижения металлоемкости" (Ташкент, 1984), научно-технической конференции "Ресурсосберегающая технология в литейном производстве" (Киев, 1985), научно-техническом семинаре "Повышение качества литейных форм и стержней" (Пермь, 1985), региональной научно-технической конференции литейщиков "Технологические процессы литейного производства, обеспечивающие увеличение производительности труда и улучшение качества отливок" (Караганда, 1986), II—ой республиканской научно-практической конференции литейщиков "Прогрессивная технология изготовления форм и стержней для производства отливок из черных и цветных металлов. Охрана труда" (Чебоксары, 1986). Межреспубликанской научно-практической конференции "Феррифосфатные ХТС и технология получения на их'основе высококачественных отливок" (Липецк, 1987), межреспубликанском научно-практическом семинаре "Современные технологические процессы получения высококачественных отливок, повышения стойкости литейной
8 оснастки и режущего инструмента" (Чебоксары, 1987), Всесоюзной научно-технической конференции литейщиков "Прогрессивная технология, автоматизация и применение ЭВМ в литейном производстве" (Алматы, 1987), Республиканской научно-практической конференции "Роль науки в производств в свете требований XXVII съезда КПСС" (Чебоксары, 1987), региональной конференции литейщиков "Прогрессивные процессы изготовления качественных отливок в песчаных формах" (Челябинск, 1987), межреспубликанской научно-практической конференции "Прогрессивные технологические процессы производства отливок, материалов и их обработка" (Чебоксары, 1988), отраслевом семинаре "Техническое перевооружение участков в литейных цехах" (Ташкент, 1988), межреспубликанской научно—практическое конференции "Современные технологические процессы получения высококачественных изделий методом литья и порошковой металлургии" (Чебоксары, 1989) Международной советско-чехословацкой конференции "Полифосфатные холоднотвердеющие смеси и отливки из высокопрочного чугуна" (Липецк, 1989), республи канском научно-техническом семинаре "Актуальные проблемы машиностроения' (Павлодар, 1989), научно-технической конференции литейщиков южного Китая (г Кунминь, КНР, 1990), Международной советско-китайской научно-техническоі конференции литейщиков (Киев, 1991), Международной научно-технической кон ференции литейщиков КНР и СНГ (г. Харбин, КНР, 1992), Международной науч но-практической конференции "Современные технологические процессы и обору дование в машиностроении" (Чебоксары, 1992), научно-практической конферен ции—ярмарке "Теория и технология металлургических и машиностроительных про цессов" (Липецк, 1993), .6 - ой Международной конференции по дизайну и техноло гии в машиностроении (Анкара, Турция, 1994), научных семинарах кафедр "Литей ное производство" и "Технология металлов" МГТУ им. Н.Э. Баумана, Киевского Липецкого политехнического институтов, Чувашского государственного универси тета и Жамбылского технологического института и ежегодных институтских конфе ренциях.
Результаты исследований демонстрировались на ВДНХ Республики Казахста (Алматы, 1988 —Диплом I степени), Международной выставке-ярмарке (г. Вьентьяі Лаос, 1989), Уханьскомметаллургическом комбинате (КНР, г. Ухань, 1990-подпи сан протокол о применении железофосфатных ХТС на литейном заводе комбината]
Публикации. По результатам выполненных исследований и разработок опублк кованно 2 монографии, 4 брошюры, 29 статей, получено 3 авторских свидетельств СССР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, осної ных выводов, списков литературы и приложений. Изложена на 485 страницах мают нописного текста, включает 102 таблицы, содержит 82 рисунка и список литератур из 281 наименования.