Габаритные размеры (длина, ширина, высота), мм 1000X705X 1190 6 страница

Согласно ТУ через сито № 0063 должно проходить не менее 98 % по массе пылевидного НКС. Следует отметить, что для полу­чения качественной поверхности оболочки зерновой состав должен быть разнородным, а содержание зерен размером 10 мкм и менее должно быть более 20%.

Зерновой состав (оптимальный) пылевидного НКС:

Размер зерен, мкм .... ≥50 50—40 40—30 30—20 20—10 10—5 ≤5
Содержание, % по массе. .,,25 3 20 14 11 17 10

Электрокорунд (αА1₂0₃) получают в дуговых печах и подразде­ляют на нормальный (черный) и белый. Нормальный, получаемый восстановительной плавкой бокситов, содержит 4—6 % вредных примесей (табл. 6.5), снижающих его температуру плавления и химическую стойкость. Белый электрокорунд может содержать до 6 % алюмината натрия в виде относительно мягких включений. При дроблении слитков и седиментационном разделении алюминат натрия оседает в пылевидной фракции.

Алюминат натрия со связующим Si0₂ из ЭТС при прокаливании оболочек или заливке в них расплава образуют на поверхности зерен основы соединения типов Na₃0-Al₂0₃-4Si0₂ (жадеит) с темпе-

Рис. 6.6. Свойства оболочки из белогоэлектрокорунда, содержащего, % по массе: 0,68 SiO,, 0,15 СаО, 0,14 Fe,0₃,0,34 (Na₂0 + К₂0) со связующим гель Si0₂. σ_и — предел прочности при изгибе, МПа; f — стрела прогиба образ- цов, мм (расстояние между опорами60 мм при нагрузке 1,5 кг)

ратурой плавления 1060 °С и Na₂0-Al₂0₃-6Si0₂ (альбит), плавящегося при темпера- туре 1100°С Это приводит к размягчению оболочки при температуре 1060 °С и рез-

кому падению прочности их под, 1200 °С [58] (рис. 6.6).

/Электрокорунд химически стоек, не образует питтинга. Так как / расширение при нагреве плавное, ооолочка обладает достаточной термической стойкостью и ее можно заливать в горячем виде без опорного наполнителя. Для суспензий применяют смеси дорогих классифицированных порошков белого электрокорунда, например, смесь из порошков М-5, М-10, М-40 и М-50 в количестве соответ­ственно 30, 28, 30 и 12 % по массе. Обсыпают первый слой зерни­стым белым электрокорундом № 20, а последующие слои № 50 или смесью зерен № 40 и 63 в соотношении 1:1.

Для получения химически стойкой оболочковой формы жела­тельно применять в качестве ее основы и связующего один и тот же огнеупорный окисел. Такое связующее для электрокорунда — окси-нитрат алюминия. В целях экономии дорогого белого электроко­рунда можно один или два облицовочных слоя оболочки изготовить из белого, а последующие из нормального электрокорунда (см. табл. 6.5).

Нельзя применять глинозем (7А1₂0₃) для оболочковых форм и стержней, так как он вследствие активного химического взаимо­действия с окислами сплавов образует пригар и питтинг на отлив­ках. Кроме того, при прокаливании и при заливке форм происходит необратимое полиморфное превращение А1₂0₃-> аА1₂0₃ с умень­шением объема, так как плотность первого p_v = 3700 кг/м³, а вто­рого — р« = 4000 кг/м³.

Окись магния (MgO) получают обжигом природного магнезита MgC0₃ при 1500—1600 °С. С0₂ возгоняется, а куски окиси магния размалывают до нужной зернистости. Используют MgO для химически стойкой оболочки при заливке высокомарганцевых сталей.

Лучшими связующими для магнезитовых форм и стержней яв­ляются азотнокислый магний и азотнокислый кальций, так как химическая природа огнеупорной основы и связующего одинакова. Возможно применение этилсиликатного связующего орг-1 (см. с. 210), так как оно слабо реагирует с окисью магния, особенно при темпе­ратурах, близких к нулю. Химическая стойкость таких оболочек

к высокомарганцевым сталям объясняется образованием форстерита (2MgO*SiO₂) на поверхности зерен магнезита.

В вакууме при температурах расплавов на железной или никеле­вой основах окись магния возгоняется. Это не позволяет применять MgO для форм, заливаемых в вакууме.

Соединения окислов. Наиболее широкое применение получили алюмосиликаты — муллит, высокоглиноземистый шамот, ди стен-силл иманит.

Муллит 3Al₂0₃*2Si0₂, имеющий небольшой коэффициент терми­ческого расширения (см. табл. 6.2), устойчив при высоких темпе­ратурах. В зарубежной практике его широко применяют для форм. Запасы природного муллита ограничены. Однако он образуется в шамоте при обжиге каолина, содержащего в своем составе не менее 36 % окиси алюминия.

Высокоглиноземистый шамот 3A1₂0₃-Si0₂, получаемый обжигом каолиновых глин, состоит из двух фаз — муллита и кристобаллита в виде стеклофазы.

В СССР выпускают шамот следующего химического состава, % по массе: не менее 36 А1₂0₃; 60 Si0₂; 2,0TiO₂; 1,5 Fe₂0₃; 0,5 СаО; 0,4 MgO; 0,15 К₂0; 0,15 Na_aO. Огнеупорность — более 1750 °С; влагопоглощение — менее 5 % (ТУ 37.002.0010—80).

Ниже приведен зерновой состав шамота марок 0315 и 063:

Номер сита................. 2,5—1 0,1—0,2 0,05 — тазик

Остаток на сите, %:

0315............................ 3 4,5 0,5

063 ....................................... 2 6 0,5

Первый (облицовочный) слой оболочек следует обсыпать зерни­стым шамотом марки 0315, а последующие слои — шамотом марки 063. Для обсыпки слоя суспензий применяют шамот с кристалли­ческим кварцем, что увеличивает термостойкость оболочки, так как ее расширение составляет 1,0—1,1 % вместо 1,4—1,5 % при исполь­зовании для обсыпки кристаллического кварцевого песка.

Силлиманитовая группа алюмосиликатных соединений вклю­чает силлиманит, андалулузит и дистен-силлиманит (кианит). Они имеют одинаковую форму Al₂0₃-Si0₂, но различаются полиморфным состоянием.

Наиболее широко применяют концентрат дистен-силлиманито-вый марок КДСЗ (зерновой) и КДСП (пылевидный) с содержанием ≤57 % А1₂0₃; <0,8 % Fe₂0₃; <0,2 % СаО; <0,4 % MgO и <1,5 % ТЮ₂. При 1300—1350 °С в дистен-силлиманите идет реакция образо­вания муллита с выделением Si0₂ и увеличением объема до 15 %. Поэтому перед изготовлением оболочек дистен-силлиманит обжигают при температуре свыше 1000 °С для частичной его муллитизации, чему способствуют примеси щелочноземельных металлов.

Следует обращать внимание на форму зерен КДСП. При полу­чении его струйным помолом без последующей обкатки в. шаровых мельницах резко ухудшается качество поверхности отливок.

В ряде случаев дистен-силлиманит используют вместо пыле­видного электрокорунда.

Циркон (силикат циркония) ZrO₂*SiO₂ встречается в ряде стран (например, в Австралии) в виде природных цирконовых песков. В СССР циркон получают как побочный продукт обогащения титано-магниевой руды. Поставляют концентраты цирконовый порошкооб­разный (КЗП), тонкодисперсный (КЦПТ) и зернистый (КЦЗ), предъ­являемые требования к которым приведены в табл. 6.6 (согласно ОСТ 46-82—81).

Регенераты — зернистые материалы, получаемые из отработав­ших оболочек, их применяют для обсыпки третьего и последующих слоев суспензий. От сухих кусков оболочек отделяют постоянным магнитом металлические (железные) составляющие, далее оболочки измельчают, полученную крошку разделяют по фракциям. Для рассева можно применять барабанное сито (рис. 6.7) [92].

Регенерат оболочек из кристаллического кварца (до 70 %) имеет форму зерен, подобную зернам свежего песка. Целесообразно ис­пользовать конгломераты зерен средним размером 0,6—1,6 мм для обсыпки третьего слоя. Последующие слои также обсыпают регене­ратом, но размеры зерен его, как у свежего песка, или несколько больше. При таком использовании регенерата толщина четырех-слойной оболочки увеличивается на 20—40 %, разрушающая на­грузка увеличивается на 15—35 %,[хотя а„ образцов немного сни­жается [92].

Регенераты НКС характерны тем, что природа основы и пленок связующего одинаковы. Используют зерна после рассева измель­ченной оболочки по двум вариантам: без дополнительной обработки для обсыпки третьего и последующего слоев; после мокрого обога щения для снижения до 0,2 % окиси железа (которая имеется в по верхностном слое оболочки) и отделения остатков пылевидных

составляющих. Более высокое содержание окиси железа снижает температуру размягчения оболочки [3].

Регенерат электрокорунда получают после растворения пленок двуокиси кремния в водном растворе едкой щелочи. Способ основан

на том, что аморфная двуокись кремния связующей пленки раство­ряется в едкой щелочи с образованием водорастворимых силикатов, а зерна электрокорунда практически не взаимодействуют со ще­лочью. В щелочи также не растворяется и дистен-силлиманит, кото­рый часто применяют как заменитель дорогого пылевидного электро­корунда. После перевода пленок связующего в растворимое жидкое стекло пульпу промывают, нейтрализуют, сушат, классифицируют и зерно используют для обсыпки. Этот способ имеет недостатки: регенерирует только шлиф-зерно, а самые дорогие и дефицитные микропорошки и зерна <0,2 мм удаляют в отвал.

Известен также способ, заключающийся в оттирке пленок с зерен корунда при вибродинамическом воздействии на пульпу, состоящую из трех частей размолотых корундовых оболочек и одной части воды [30]. Оттирка позволяет использовать и микропорошки (>5 мкм). После активации продукта соляной кислотой его используют с до­бавками свежего электрокорунда для изготовления оболочковых форм.

Подготовка материалов основы. Подготовка материалов основы включает дробление, помол, промывку, химическую активацию, прокаливание и просеивание.

Помол. Получили применение два способа помола: мелющими телами и без мелющих тел.

Первый способ — помол в шаровых или вибрационных мельни­цах. Продукт получают окатанной формы, рассредоточенного зерно­вого состава. В вибрационных мельницах материал одновременно и истирают. Производительность вибрационных мельниц в 10—20раз выше, чем шаровых, а загрязнение материала продуктами износа включает дробление, помол, промывку, химическую активацию, прокаливание и просеиванием

Помол. Получили применение два способа помола: мелющими телами и без мелющих тел.

Первый способ — помол в шаровых или вибрационных мельни­цах. Продукт получают окатанной формы, рассредоточенного зерно­вого состава. В вибрационных мельницах материал одновременно и истирают. Производительность вибрационных мельниц в 10—20 раз выше, чем шаровых, а загрязнение материала продуктами износа шаров меньше. Второй способ — помол в струйных установках. Измельчение происходит при соударении зерен, движущихся на­встречу друг другу со сверхзвуковой скоростью; пылевидный мате­риал не загрязняется железом, однако его зерна имеют осколочную форму, что существенно ухудшает рабочую поверхность оболочек.

Пылевидные материалы, полученные первым и вторым способами при одинаковой удельной поверхности совершенно различны по технологическим свойствам. Для получения суспензии одинаковой вязкости в 1 л этилсиликатного связующего можно замешать до 2,5—3,0 кг пылевидного кварца вибропомола, а струйного — в 2 раза меньше. Оболочки из материала струйного помола рыхлые, с низкой прочностью и большой открытой пористостью, поэтому отливки получаются с шероховатой поверхностью.

Рационально совместное применение описанных способов помола: предварительный струйный помол до удельной поверхности 300— 250 м2/кг с последующим измельчением и обкаткой зерен в вибра­ционных мельницах до удельной поверхности 400—600 м2/кг. Крат­ковременная обкатка незначительно загрязняет материал, но суще­ственно улучшает форму зерен.

В последнее время предложен принципиально новый способ помола в планетарных мельницах, в которых возможно непрерывное измельчение материалов без мелющих тел.

Пылевидные составляющие суспензий нельзя промывать, так как тонкодисперсные частицы, положительно влияющие на прочность и шероховатость поверхности оболочек, уносятся водой.

Сушить песок наиболее целесообразно в установках псевдо-кипящего слоя с устройствами для его охлаждения и пневматического транспортирования к месту потребления. Для сушки пылевидных материалов рекомендуют те же печи, что и для прокаливания.

Просеивание. Пылевидные материалы следует просеивать через сито № 0063 или 005, в барабанных или вибрационных уста­новках [14].

Прокаливание. Материал, загрязненный намолотым же­лезом и иногда органическими примесями, прокаливают в окисли­тельной среде при 900—950 °С; железо окисляется до Fe203 и не оказывает вредного действия на суспензию.

Магнитная обработка. Намолотое железо при полу­чении пылевидных материалов удаляют магнитной обработкой сус­пензий. Для этого у внутренних стенок смесителя укрепляют две-три пластины, намагничиваемые электромагнитами, расположен­ными с наружной стороны. При непрерывном перемешивании ча­стицы железа отрываются от зерен пылевидного материала и оседают на пластинах.

Приготовление шликера. При использовании мате­риалов, загрязненных окислами железа и щелочных металлов, целесо­образно их обработку проводить при приготовлении шликера, исполь­зуемого в дальнейшем для получения суспензии. В подкисленную воду замешивают пылевидные огнеупоры, например, кварц пыле­видный [78]. Известны два способа приготовления шликера:

1) в 0,7—0,8 объема смесителя наливают подкисленную воду и в нее при перемешивании порциями насыпают пылевидный материал до соотношения твердой и жидкой составляющих 4 : 1 по массе; температура шликера вследствие трения повышается, и при t = = 60 °С подают воду в рубашку бака, охлаждая шликер до 35— 37 °С; 2) в емкость наливают подкисленную воду и в нее всыпают пылевидный огнеупор, выдерживают до приготовления суспензии 1—2 сут.

Преимущества шликерного способа приготовления суспензии объясняют тем, что происходит нейтрализация железа, а также щелочных и щелочноземельных примесей. Кроме того, поверхность зерен кварца гидратируется с образованием Si(OH)2, и разрушаются комочки. Этот способ позволяет уменьшить расход этилсиликата в 1,3—1,5 раза, увеличить живучесть водно-спиртовых суспензий до 5—7 сут, и уменьшить склонность оболочек к образованию трещин при сушке.

Необходимую массу соляной кислоты (г) на 1 кг пылевидного материала определяют по формуле

МНСх Щ (9,7-И0) *Fe,

где xFe — содержание железа в пылевидном огнеупоре, % по массе. - ^Связующие материалы оболочек. Собственно связующим оболоч­ковой формы, служит тугоплавкий неорганический окисел или со­единения окислов, образующиеся из связующих растворов при сушке и прокаливании оболочек. Их разделяют на кислые, амфо-терные и основные (табл. 6.7).)

Кислые связующие широко представлены растворами этилсиликата, из которых образуется в оболочке аморфная двуокись кремния. Формы с ним достаточно прочны и не образуют пригара на отливках из углеродистых сталей, медных и алюминиевых сплавов. К кислым также относятся фосфаты металлов и сочетания этилси-ликатного связующего с фосфатным.

^Эгилсиликаты (ЭТС) — прозрачная или слабоокрашенная жид­кость с запахом эфира. Это продукт реакции этилового спирта с че-

тыpexxлopистым кремнием при непрерывном их смешивании и охла­ждении в реакторе. Реакция этерификации, или эфиризации, может быть схематически представлена следующим уравнением (если при­меняют обезвоженный спирт) [41]:

SiCl4 + 4С2Н5ОН (CafbO^Si + 4НС1, (6.2)

где (C2H50)4Si — этиловый эфир ортокремниевой кислоты с тем­пературой кипения 165,5 °С, называемый также тетраэтоксисиланом, или моноэфироль/

При использовании в реакции спирта, содержащего некоторое количество воды, последняя частично гидролизует продукты этери­фикации, а образовавшиеся молекулы конденсируются (объеди­няются) с выделением воды, которая вновь .вступает в реакцию гидролиза, ж В результате образуется смесь соединений (табл. 6.8), которую называют техническим ЭТС. Он не содержит двуокиси кремния (Si02), но, так как Si02 — собственно связующее оболочки, условное количество его в ЭТС принято в обозначении марки продукта.

Для литейного производства отечественная химическая про­мышленность выпускает ЭТС двух марок: 32 и 40. Технические тре­бования указаны в табл. 6.9. Существенные преимущества ЭТС ' 40 перед ЭТС 32 заключаются в том, что связующие растворы первого при меньшем содержании в них двуокиси кремния сообщают оболоч­кам большую прочность вследствие более высокой степени конденса­ции. Следовательно, для литейного производства целесообразно выпускать только ЭТС 40 и ЭТС 50.

Строение молекул ЭТС 32 и ЭТС 40 линейн9е, например, .

OR OR OR OR

I - I II

RO—Si—O—Si—О---------- Si—О—Si—OR (6.3)

II 'II-
OR ^ OR OR OR

^ЭТС 40 и ЭТС 32 не могут быть связующими, так как не сооб­щают прочность оболочкам. Для йолучения связующих растворов их необходимо гидролизовать с тем', чтобы линейное строение моле­кул превратить в разветвленное и частично сшитое или в коллоид­ный раствоо/с. 211—212).

Из сравнения составов отечественных ЭТС с зарубежными сле­дует, что последние содержат примерно вдвое меньше мономера. Известно, что в реакцию гидролиза вступают прежде всего и легче

всего мономеры, они же выделяют при гидролизе наибольшее коли­чество спирта. Этим можно объяснить затруднения при использова­нии импортного ЭТС 40, содержащего небольшое количество моно­мера, для получения суспензии без введения органического раство­рителя, так как гидролиз идет очень вяло. Для интенсификации гидролиза следует добавить ~10 % взаимного растворителя — спирта или ацетона.

Таблица 6.10

Кремнезоли, Стабилизированные NaOH

Кремнезоли [27] (табл. 6.10) получают методом удаления ионов натрия, пропуская разбавленный силикат натрия (жидкое стекло) через катионитовую смолу с последующим нагревом полученных продуктов в щелочной среде и дальнейшим концентрированием.

Кремнезоли — коллоидные дисперсии двуокиси кремния в воде, стабилизированные гидроокисями щелочных металлов. Они содержат силанольные группы =Si — ОН, которые поликонденсируются с об­разованием прочных силоксановых связей, например, =Si—О—Si = ; перезаряжаются в воде, подкисленной соляной кислотой. Кремне­золи, разбавленные водой до 3,5—6 % Si02, в сочетании с водно-спиртовыми этилсиликатными связующими при совмещенном спо­собе приготовления суспензий существенно увеличивают прочность оболочек, что позволяет снизить расход ЭТС 40 и исключить орга­нические взрыво- и пожароопасные жидкости (растворители). Крем­незоли находят применение и для формирования облицовочного слоя оболочек. Недостаток кремнезолей — потеря связующих свойств после замерзания.

Фосфаты. Однозамещенные соли ортофосфорной кислоты железофосфат [Fe(H2P04)2], алюмохромфосфат [А13Сг(Н2Р04)12], же-лезоалюмофосфат lFeAl3(H2P04)13 ] обладают связующими свой­ствами 127, 45, 531; хорошо растворимы в воде и нерастворимы в спиртах и ацетоне; при сушке приобретают полимерные структуры типа МепОт-Р2Ог>*Н20, а после прокаливания МепОт-Р2Об, так как удаляется кристаллизационная вода; прочность оболочек по­вышается. Двузамещенные соли ортофосфорной кислоты не обладают связующими свойствами.

Известное до 50-х годов алюмофосфатное связующее (АФС), ис­пользуемое в производстве огнеупоров, не получило применения в литье по выплавляемым моделям, так как образующиеся при про­каливании полиморфные формы претерпевают превращения с изме­нением объема аналогично кристаллическому кварцу. АФС стареет с увеличением вязкости и снижением связующих свойств и твердеет только при 300—400 °С. С введением в него одного из металлов Fe, Сг, Ni, Mn, Са, Mg получают соединения типа MenOm-Al203-P205. Они твердеют при 20—30 °С в процессе сушки на воздухе и при про­каливании.

Однозамещенные фосфаты стабилизируют суспензии с ЭТС свя­зующим без введения в последние органических разбавителей.

Алюмометаллофосфаты используют как самостоятельное свя­зующее для оболочек, так и в сочетании с ЭТС. При этом растворы из ЭТС содержат >10 % двуокиси кремния [62].

Амфотерные связующие — это растворы основных солей (оксисолей) алюминия, хрома, циркония (оксиниграты, окси-хлориды) и растворы цирконийорганического соединения (тетра-хлорэтилцирконаты). В процессе сушки и прокаливания оболочек цементация зерен происходит вследствие образования окислов хрома, алюминия, циркония на поверхности зерен. Сущность получения оксисолей основана на восстановлении хромового ангидрида этило­вым спиртом (или ацетоном) в присутствии соляной кислоты согласно уравнению

2Сг03 + ЗС2НбОН + 2НС1 = 2Сг(ОН)2С1 + ЗС2Н40 + 2Н20 (6.4)

Основные связующие. Представители этой группы связующих — азотнокислый кальций и жидкое стекло. Азотно­кислый кальций растворим в метиловом спирте (см. табл. 6.7), после прокаливания оболочки он образует окись кальция — собственно связующее, которое в сочетании с основой из плавленой или спечен­ной окиси магния или с описью кальция дает возможность изгото­влять высокоогнеупорные оболочки, химически стойкие к сплавам с основными свойствами.

Жидкое стекло (ЖС) также относят к основным связующим, так как его водная вытяжка после прокаливания оболочки — щелочная; получают растворением в горячей воде при повышенном давлении раздробленной силикат-глыбы. Последнюю изготовляют наиболее часто сплавлением кремнезема с содой

Si02 + AiNa2C03 - SiOs-/tNa20 + /?С02. (6.5)

ЖС может быть натриевым, калиевым или литиевым.

Применение ЖС для «упрочняющего» слоя оболочки не отвечает требованиям получения качественных отливок. При прокаливании ЖС плавится при 793 °С, а размягчается при более низкой темпе­ратуре, т. е. наружный слой с этим связующим при прокаливании оболочки и заливке в нее стали полностью теряет прочность. При охлаждении же до температуры ниже 600 °С прочность таких оболо­чек во много раз выше прочности их со связующим из ЭТС, а усадка вследствие жидкостного спекания наружного слоя больше, чем слоев со связующими, получаемыми из ЭТС (рис-. 6.8). Потеря прочности при нагреве оболочек и высокая прочность при одновременной высо­кой усадке остывающего наружного слоя оболочки всегда приводит к искажению контура отливок и часто к трещинам в них (рис. 6.9). Такие отливки недопустимо называть точными.

Органические растворители-разбавители (РР) приведены в табл. 6.11. Они, как правило, содержат воду, которую необходимо учитывать при расчетах состава связующих.

Особенно быстро обсыхают су­спензии с ацетоновым РР, хотя проч­ность оболочек выше, чем при ис­пользовании только этилового спир­та.' Это объясняется тем, что неко­торая часть ацетона образует ацета-ли с ЭТС. Быстрое же обсыхание суспензий с ацетоном обусловлено его интенсивным испарением, так как температура кипения ацетона 56,5 °С, а спирта 78,5 °С.

Предложено считать нормой тобе —- 30 с, т. е. время, в течение которого к суспензии на блоках еще хорошо прилипают обсыпочные зерна 14, 49]. Для защиты суспензий с ацетоном от его быстрого испарения, используют антииспарители—высшие жирные спирты (ВЖС) с содержанием в молекуле 17—19 атомов углерода. Количе­ство антииспарителя увеличивают с уменьшением содержания дву­окиси кремния в связующе^/(табл. 6.12, рис. 6.10).

/добавки. Добавки вводят в пылевидный материал при подго­товке шликера; в связующий раствор при его приготовлении; в сус­пензию при смешении связующего раствора с пылевидной составля­ющей; в обсыпочный материал; в ванны с горячей водой для вы­плавления моделей^табл. 6.13)

зуюпшм"оболочк °х6.разования ДеФектов на отливках в «упрочненных» жидкостекольным свя

а — выпучивание слоя с ЭТС при выплавлении моделей горячим воздухом- б — прогиб Гсмя тие) оболочки при прокаливании вследствие полной потери прочности «упрочняющего» слоя J — слой с ЭТС связующим; 2 — «упрочняющий» слой; 3 — сыпучий наполнитель