Full Text

Дальнейшие перспективы применения жидкого стекла в качестве связующего вещества при производстве песчаных литейных стержней связаны с повышением производительности, экономией связующего вещества, применением оборотной смеси, увеличением манипуляторной и максимальной прочности в сочетании с улучшением выбиваемости жидкостекольных литейных стержней из отливок [1-6]. Существуют различные рекомендуемые рецептуры жидкостекольных литейных стержней в зависимости от назначения литейного стержня, его объема и класса сложности [7-12]. Существуют также различные рекомендации и мнения насчет процентной доли оборотной смеси в составе стержневой смеси и оправданности ее применения с точки зрения качества и эксплуатационных свойств литейных стержней, а также экономики [13-18]. Отсутствие однозначного мнения на этот счет, а также существующая необходимость в улучшении эксплуатационных характеристик литейных стержней и жидкостекольной стержневой технологии делает весьма актуальным проведение исследований в этом направлении [19-25]. Методика исследований заключалась в следующем. Использовались стержневые ящики из полиэтилена, которые после заполнения стержневой смесью под избыточным давлением 2 атм выдерживались в газовой камере в течение 40 мин в среде углекислого газа при расходе газа 5 л/мин. После извлечения из газовой камеры стержневые ящики выдерживались при температуре 50 °С в течение 12 ч, после чего литейные стержни извлекались из стержневых ящиков. Для изготовления стержневых смесей различной рецептуры использовалось натриевое жидкое стекло с плотностью 1,44 кг/л, а также кварцевый песок в качестве наполнителя в чистом виде либо с добавкой оборотной смеси с таким же исходным составом, полученным путем измельчения выбитых из отливок литейных стержней. В качестве добавок использовался феррохромовый шлак (состав: СаО - 48,0…54,0 %; SiO2 - 20,0…30,0 %; Al2O3 - 4,0…8,0 %; MgO - 7,0…12,0 %; Cr2O3 - 2,0…12,0 %; FeO - 0,1…2,0 %), портландцемент марки М-400, каменный уголь, древесный уголь и древесные опилки. После выемки из стержневых ящиков жидкостекольные литейные стержни одинакового состава делились на три равные части. Первые части снаружи покрывались при помощи мягкой кисти покрытием, состоящим из жидкого стекла либо смеси жидкого стекла и портландцемента марки М-400, а затем сушились в течение 40 мин при температуре 140-160 °C в воздушной среде и после остывания испытывались на прочность при растяжении, сжатии и изгибе. Аналогичные измерения выполнялись для вторых частей жидкостекольных литейных стержней аналогичного состава. Третья часть жидкостекольных литейных стержней испытывалась на прочность сразу же после выемки из стержневого ящика. Таким образом определялась манипуляторная прочность литейных стержней. Аналогично выполнялись измерения для литейных стержней с другим составом. Данные по одинаковым литейным стержням усреднялись и сравнивались с данными для литейных стержней различного состава с внешним покрытием и без покрытия. Выбиваемость образцов литейных стержней различной рецептуры с дополнительным покрытием либо без покрытия проверялась с использованием десятибалльной шкалы выбиваемости, в которой одному баллу соответствует отличная выбиваемость, а десяти баллам - очень плохая выбиваемость литейного стержня из отливки. По результатам сравнительного анализа экспериментальных данных было установлено следующее. Увеличение процентного содержания жидкого стекла в стержневой смеси увеличивает манипуляторную и максимальную прочность литейного стержня, при этом ухудшая его выбиваемость из отливки. Добавление оборотной смеси в стержневую смесь увеличивает прочность литейного стержня при растяжении, сжатии и изгибе, но при этом увеличивает величину усадки стержневой смеси в стержневом ящике, приводящую к росту внутренних напряжений в литейном стержне, способных привести к образованию трещин на протяженных его участках. Таким образом, следует ограничивать содержание оборотной смеси в стержневой смеси до 50-60 % от процентного содержания кварцевого песка. При 100%-ном содержании оборотной смеси наблюдается до 90-100 % брака длинных литейных стержней, содержащих дефекты в виде трещин, и при этом такие литейные стержни имеют затруднительную выбиваемость. Увеличение процентной доли в стержневой смеси такой добавки, как феррохромовый шлак, который может быть заменен на портландцемент марки М-400, приводит сначала к увеличению манипуляторной и максимальной прочности, а затем при большем процентном содержании в стержневой смеси - к уменьшению прочности литейного стержня. Оптимальное количество таких добавок приближенно соответствует половине от процентного содержания жидкого стекла в стержневой смеси. При использовании в стержневой смеси оборотной смеси в количестве до вышеуказанного процентного содержания с увеличением процентной доли оборотной смеси процентное содержание в смеси шлака либо цемента может быть уменьшено на величину, ориентировочно равную одной десятой от процентного содержания оборотной смеси в стержневой смеси. Количество жидкого стекла в стержневой смеси определялось из условия достижения компромисса между необходимой манипуляторной прочностью и хорошей выбиваемостью литейных стержней из отливок. Применение покрытия из чистого жидкого стекла либо жидкого стекла, смешанного с портландцементом марки М-400, показало, что получить хорошую выбиваемость литейных стержней можно при использовании стержневых смесей с 12-17 % жидкого стекла и 10 % цемента благодаря наружной обработке таких литейных стержней указанным составом после их извлечения из стержневых ящиков с последующей их сушкой в течение 40-60 мин при температуре 120-160 °С. Применение в этом случае покрытия позволяет повысить максимальную прочность литейных стержней и при этом немного - не более чем на 1 балл - снизить их выбиваемость из отливок. Для получения отличной выбиваемости и достаточной манипуляторной прочности литейных стержней количество жидкого стекла в стержневой смеси может быть увеличено до 17-22 %; при этом в стержневую смесь может быть добавлен цемент в количестве около 10 %, а также углерод в виде каменного угля, древесного угля либо древесных опилок в количестве 0,5-2,0 %. Повышенное количество жидкого стекла в стержневой смеси будет повышать манипуляторную и максимальную прочность литейных стрежней, а вводимый в стержневую смесь углерод будет выгорать при высоких температурах литейного стержня, находящегося в отливке, в результате чего пористость литейного стержня будет увеличиваться и он будет легко выбиваться. Проведенные эксперименты показали, что литейные стержни с добавлением древесного угля или древесных опилок не подходят для последующего их покрытия после извлечения из стержневых ящиков жидким стеклом либо составом на его основе, так как из-за повышенной пористости жидкое стекло проникает на достаточно большую глубину, ухудшая выбиваемость таких литейных стержней из отливок. Данная проблема частично решается повышением густоты состава на основе жидкого стекла путем введения большого количества цемента. По результатам исследований получена следующая методика расчета состава стержневой смеси и выбора параметров технологического процесса. Задаем в качестве исходных данных требуемую выбиваемость литейного стержня из отливок. Далее по величине заданной прочности выполняем расчет состава стержневой смеси. Если используется чистый кварцевый песок либо кварцевый песок с добавлением оборотной смеси, то процентное содержание I жидкого стекла в стержневой смеси рассчитываем по следующей формуле: (1) где σ - заданная прочность, МПа; I - содержание жидкого стекла в стержневой смеси, %. Если в состав стержневой смеси добавляется оборотная смесь, то рассчитаем ее процентное содержание I0 в стержневой смеси, используя следующую формулу: (2) где I0 - доля оборотной смеси от доли кварцевого песка в стержневой смеси, %. Рассчитаем процентное содержание I1 шлака или цемента в стержневой смеси: (3) Рассчитаем процентное содержание I2 каменного угля, древесного угля или древесных опилок: (4) Теперь, когда состав стержневой смеси определен, выполним расчет параметров технологического процесса изготовления жидкостекольных литейных стержней. По массе литейных стержней рассчитаем требуемый объем V углекислого газа: (5) где V - требуемый объем углекислого газа, л; m - масса литейных стержней, кг; p - давление углекислого газа, атм. Рассчитаем время t1 выдержки литейных стержней в атмосфере углекислого газа: (6) где t1 - время выдержки литейных стержней в среде CO2, мин; T1 - температура CO2, °C. Рассчитаем время t2 сушки литейных стержней в воздушной среде: (7) где t2 - время сушки литейных стержней, ч; T2 - температура сушки, °C. В случае использования покрытия литейных стержней с составом на основе жидкого стекла после их извлечения из стержневых ящиков для увеличения их максимальной прочности рассчитанное по формуле (7) время сушки увеличивается на 20 %. Следует отметить, что точность расчетов согласно предложенной авторами методики (формулы (1)-(7)) во многом зависит от плотности жидкого стекла, его силикатного модуля, свойств материала стержневого ящика (адгезии, гигроскопичности и газопроницаемости), а также от качества используемого кварцевого песка и степени отжига оборотной смеси. В качестве примера (рис. 1 и 2) приведены результаты испытаний на прочность при растяжении образцов литейных стержней с применением дополнительного покрытия на основе жидкого стекла и без него (σ - механическое напряжение, МПа; L - абсолютное удлинение, мм). Рис. 1. Результаты испытаний на прочность при растяжении образцов литейных стержней без добавления древесного угля: - - - с применением дополнительного покрытия; -- - без дополнительного покрытия Рис. 2. Результаты испытаний на прочность при растяжении образцов литейных стержней с содержанием древесного угля в стержневой смеси в количестве 2 %: - - - с применением дополнительного покрытия; -- - без дополнительного покрытия Прочность литейных стержней, покрытых снаружи смесью жидкого стекла, выше, чем прочность литейных стержней без дополнительного покрытия. Для литейного стержня с дополнительным покрытием, содержащим 2 % древесного угля, прочность намного выше, чем у такого же литейного стержня без покрытия, однако выбиваемость литейного стержня с покрытием намного хуже - 3-4 балла по введенной десятибалльной шкале выбиваемости (1 балл - наилучшая выбиваемость, а 10 баллов - наихудшая выбиваемость), в то время как у такого же литейного стержня без покрытия выбиваемость составляет 1 балл. Так, например, литейный стержень, содержащий 80 % оборотной смеси, 15 % жидкого стекла и 5 % портландцемента марки М-400, имеет выбиваемость 3-4 балла, а такой же литейный стержень на основе чистого кварцевого песка имеет выбиваемость 1-2 балла. Литейный стержень, содержащий 20 % жидкого стекла, 10 % портландцемента марки М-400, 2 % древесного угля, 68 % кварцевого песка, имеет выбиваемость 1 балл. Таким образом, используя предложенную методику расчета состава стержневой смеси и параметров технологического процесса, можно получить необходимые свойства литейного стержня. Выводы 1. Проведенные экспериментальные исследования и выполненный сравнительный анализ полученных данных позволили получить методику расчета состава стержневых смесей и параметров технологического процесса для жидкостекольной стержневой технологии в соответствии с заданной манипуляторной либо максимальной прочностью литейных стержней. 2. Предложенный способ покрытия составом на основе жидкого стекла литейных стержней после их извлечения из стержневых ящиков позволяет повысить их максимальную прочность и при этом заметно не ухудшить их выбиваемость из отливок. 3. Использование стержневых смесей с повышенным содержанием жидкого стекла (17-22 %) приводит к ухудшению выбиваемости литейных стержней из отливок из-за более высокой термостойкости и худшего отжига. 4. Добавление в стержневую смесь 0,5-2,0 % углерода в виде каменного угля, древесного угля либо древесных опилок улучшает выбиваемость литейных стержней из отливок за счет меньшей их термостойкости и меньшего выгорания углерода. 5. Дополнительное покрытие литейных стержней составом на основе жидкого стекла и цемента после выемки из стержневых ящиков увеличивает их максимальную прочность после сушки. Однако при этом следует учитывать, что более пористые стержневые смеси, например с добавлением древесного угля или древесных опилок, способны впитывать большое количество покрывающего состава, в результате чего повышается прочность и существенно ухудшается выбиваемость литейных стержней из отливок. 6. Для стержневых смесей с процентным содержанием жидкого стекла в количестве до 12-17 % увеличить максимальную прочность литейных стержней можно путем их покрытия, после извлечения из стержневых ящиков, составом из жидкого стекла с содержанием 10-20 % цемента. Однако для стержневых смесей с добавлением древесного угля в количестве до 2 %, цемента до 10 % и долей жидкого стекла до 17-22 % дополнительное покрытие не требуется. Литейные стержни такого состава имеют отличную выбиваемость, однако не очень высокую манипуляторную прочность, хотя достаточную для их использования с минимальным браком (5-10 %).

About the authors

Yu. I Gutko

Vladimir Dahl Lugansk State University

V. V Voytenko

Vladimir Dahl Lugansk State University

References

Statistics

Views

Abstract - 88

PDF (Russian) - 39

Refbacks

• There are currently no refbacks.