экзотермическая смесь для обогрева прибылей стальных и чугунных отливок

Формула изобретения

1. Экзотермическая смесь для обогрева прибыли стальных и чугунных отливок, содержащая алюминиевый порошок, оксид железа, криолит, огнеупорный наполнитель и связующее, отличающаяся тем, что дополнительно содержит калиевую селитру и триполифосфат натрия, а в качестве связующего содержит самотвердеющую композицию из жидкого стекла и сложноэфирного отвердителя при следующем содержании ингредиентов, мас.%:

Алюминиевый порошок	17,0-27,0
Оксид железа	9,0-15,0
Калиевая селитра	2,0-6,0
Криолит	2,0-6,0
Триполифосфат натрия	0,1-0,5
Огнеупорный наполнитель	32,0-62,4
Самотвердеющая композиция	7,5-13,5

2. Экзотермическая смесь по п.1, отличающаяся тем, что огнеупорный наполнитель в виде кварцевого песка или шамотного порошка дополнительно содержит легковесный огнеупорный наполнитель в соотношении к объему основного огнеупорного наполнителя от 4:1 до 1:4.

3. Экзотермическая смесь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве легковесного наполнителя она содержит золосферу.

4. Экзотермическая смесь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве легковесного наполнителя содержит молотый керамзит.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к составам экзотермических смесей, используемых для обогрева прибылей стальных и чугунных отливок.

Известна экзотермическая смесь для обогрева литейных прибылей, содержащая алюминиевый порошок, материал на основе окислов железа, марганцевую руду, глину огнеупорную, огнеупорный наполнитель и связующее, хромовую руду и материал на основе углерода при следующем соотношении ингредиентов, вес.%:

Алюминиевый порошок	10,5-18,0
Материал на основе окислов железа	25,0-50,0
Марганцевая руда	3,0-15,0
Хромовая руда	5,0-25,0
Глина огнеупорная	5,0-10,0
Огнеупорный наполнитель	3,0-25,0
Материал на основе углерода	5,0-12,0
Связующее	5,0-10,0

(см. МПК B22D 27/06 описание изобретения к авторскому свидетельству СССР № 608608, опубл. 30.05.1978 г.).

Недостатком известной экзотермической смеси является то, что в ней содержится низкое количество огнеупорного наполнителя (кварцевого песка), вследствие чего смесь имеет высокую теплопроводность и на небольших отливках вызывает преждевременное затвердевание прибыльной части из-за захолаживающего эффекта, что приводит к браку по усадочным дефектам. Кроме того, применение этой смеси требует тепловую сушку оболочек, удлиняющую цикл изготовления оболочек, а в ряде случаев и цикл получения самих отливок.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является экзотермическая смесь, включающая алюминиевый порошок, марганцевую руду, окислы железа, криолит, огнеупорную глину и связующее, при следующем соотношении ингредиентов, вес.%:

Алюминиевый порошок	19-23
Марганцевая руда	3-5
Окислы железа	10-15
Криолит	4-6
Глина огнеупорная	52-55
Связующее	3-5

(см. МПК B22D 27/06 описание изобретения к авторскому свидетельству СССР № 608609, опубл. 30.05.1978 г.).

В известной экзотермической смеси в качестве наполнителя применяют молотую огнеупорную глину до 55%. Связующим в данном случае являются декстрин, сульфитный щелок и жидкое стекло. Использование декстрина требует длительной тепловой сушки экзотермической оболочки для придания ей необходимой прочности. Кроме того, декстрин является пищевым продуктом и также как и сульфитный щелок не применяется в настоящее время в литейном производстве.

Большое количество в смеси тонкодисперсной глины и низкое содержание водных связующих (сульфитного щелока и жидкого стекла) не обеспечивают смесям достаточной «сырой» прочности и формуемости, затрудняет получение фасонных экзотермических изделий. Поэтому известная экзотермическая смесь применяется, в основном, в качестве засыпки.

Применение в качестве наполнителя в смеси молотой огнеупорной глины помимо повышения тепловой эффективности имеет и другие недостатки, связанные с тонкодисперсностью наполнителя, резко снижающей газопроницаемость экзотермической оболочки, что может вызвать «кип» металла в зоне прибыли.

Техническим результатом заявляемого технического решения является получение экзотермической смеси с высокими прочностными характеристиками и теплоизоляционными свойствами, исключающими необходимость тепловой сушки оболочек, сокращающими цикл их изготовления и повышающими эффективность теплового воздействия на прибыльную зону отливки при ее использовании для стального и чугунного литья.

Технический результат достигается тем, что экзотермическая смесь для обогрева прибыли стальных и чугунных отливок, содержащая алюминиевый порошок, оксид железа, криолит, огнеупорный наполнитель и связующее, дополнительно содержит калиевую селитру и триполифосфат натрия, а в качестве связующего содержит самотвердеющую композицию из жидкого стекла и сложноэфирного отвердителя при следующем содержании ингредиентов (мас.%):

Алюминиевый порошок	17,0-27,0
Оксид железа	9,0-15,0
Калиевая селитра	2,0-6,0
Криолит	2,0-6,0
Триполифосфат натрия	0,1-0,5
Огнеупорный наполнитель	32-62,4
Самотвердеющая композиция	7,5-13,5

(связующее + отвердитель)

при этом огнеупорный наполнитель в виде кварцевого песка или шамотного порошка дополнительно содержит легковесный огнеупорный наполнитель в соотношении к объему основного огнеупорного наполнителя от 4:1 до 1:4, при этом в качестве легковесного наполнителя она содержит золосферу, при этом в качестве легковесного наполнителя содержит молотый керамзит.

Ввод калиевой селитры в количестве 2,0-6,0% обеспечивает стабильное горение смеси, а также позволяет регулировать температуру воспламенения смеси. При содержании калиевой селитры менее 2,0% смесь имеет высокую температуру воспламенения (более 900°С). Увеличение калиевой селитры более 6% резко снижает температуру воспламенения и приводит к преждевременному воспламенению изделия из данной смеси, что ухудшает работу обогреваемой прибыли. Кроме того, увеличение содержания калиевой селитры свыше 6,5% приводит к бурному протеканию реакции с выбросом металла, приводящего к браку отливок.

Алюминиевый порошок при его содержании в количестве 17,0-27,0% обеспечивает горение смеси. Увеличение или уменьшение вводимого алюминия - порошка приводит к нарушению протекания реакции горения.

Окислы железа (9,0-15,0%) являются окислителями. Введение их в смесь в указанных количествах способствует стабильному протеканию реакции.

Криолит (2,0-6,0) стабилизирует скорость протекания реакций.

При изготовлении крупных отливок с массивными прибылями экзотермическая оболочка или вставка, выполненные из холоднотвердеющей жидкостекольной смеси, может спекаться, затрудняя удаление оболочки с поверхности прибыли. С целью легкого разрушения и удаления экзотермической смеси с прибыльной части отливки в состав смеси вводится триполифосфат натрия в количестве 1,5-4,0 мас.% от массы жидкого стекла или (0,1-0,5%) соответственно. При содержании в смеси полифосфата натрия менее нижнего предела 0,1% не достигается разупрочняющего эффекта, а при содержании добавки выше верхнего предела 0,5% дальнейшее повышение разупрочняющего эффекта малозаметно. Введение в экзотермическую смесь с жидким стеклом полифосфата натрия уменьшает спекание смеси и снижает трудоемкость ее удаления с поверхности прибыли в 2-3 раза.

Вторым отличием от ближайшего аналога является то, что в состав кроме известных наполнителей (шамотного порошка или кварцевого песка) вводится легковесный огнеупорный наполнитель золосфера или молотый керамзит, позволяющие обеспечить экзотермической смеси не только обогревающий эффект, но и придать ей дополнительные теплоизоляционные свойства и тем самым повысить эффективность применения экзотермической смеси, снизить ее расход на одну тонну литья. Так замена части шамотного кирпича или кварцевого песка до 75% золосферой снижает объемный вес оболочек с 1610 кг/м³ до 1130 кг/м³ (см. табл.4).

В составе приведенной самотвердеющей композиции: при ее нижнем пределе содержится 6,8 мас.% жидкого стекла и 0,68 мас.% сложноэфирного отвердителя, при верхнем пределе содержится 12,3 мас.% жидкого стекла и 1,23 мас.% сложноэфирного отвердителя.

В табл.1 и 2 приведены составы и свойства экзотермической смеси при минимальном, оптимальном и максимальном содержании связующей композиции.

Таблица 1 Состав смесей
Ингредиенты экзотермической смеси, мас.%	Смесь № 1	Смесь № 2	Смесь № 3	Смесь по прототипу
Алюминиевый порошок АПВ	17,0	22,0	27,0	19-23
(ТУ 48-5-152-78)
Марганцевая руда	-	-	-	3-5
Оксид железа	9,0	12,0	15,0	10-15
Селитра калиевая	2,0	4,0	6,0	-
техническая марки Б, В
(ГОСТ 19790-74)
Криолит искусственный	2,0	4,0	6,0	4-6
технический марки КА
(ГОСТ 10561-80)
Триполифосфат натрия	0,1	0,3	0,5	-
Огнеупорная глина	-	-	-	52-55
Огнеупорный наполнитель	62,4	47,2	32,0	-
Самотвердеющая композиция	7,5	10,5	13,5	-
(жидкое стекло + отвердитель
[марки 2СБ), мас.%

Таблица 2 Свойства экзотермических смесей
Свойства	Смесь № 1	Смесь № 2	Смесь № 3	Смесь по прототипу
Живучесть, мин	10	11	13	-
Прочность на сжатие (МПа)
через:
1 час	0,27	0,58	0,87	-
3 часа	0,6	0,95	1,32	-
24 часа	1,1	1,8	2,3	-
После сушки	-	-	-	1,5-1,8

В зависимости от марки отвердителя можно регулировать живучесть экзотермической смеси (табл.3).

Таблица 3 Влияние марки отвердителя на живучесть холоднотвердеющей экзотермической смеси
Марка отвердителя	1Б	2СБ	3СМ	4М
Живучесть смеси, мин	5	12	20	35

Содержание самотвердеющей композиции в экзотермических смесях составляет 7,5-13,5 мас.% от сухой массы смеси. При содержании менее 7,5% самотвердеющей композиции не достигаются необходимые прочностные свойства смеси, а при повышении содержания композиции более 13,5% увеличивается стоимость смеси, возрастает влажность смеси до опасных пределов, способной вызвать «кип» металла, а излишне высокие прочности оболочек могут привести к нежелательным последствиям.

Таблица 4 Влияние легковесного наполнителя на плотность смеси
Количество легковесного наполнителя в смеси, объемн.% от общего объема	0%	25%	50%	75%	100%
Плотность смеси (кг/м3) при использовании в качестве легковесного наполнителя:
Молотый керамзит	1610	1390	1260	1210	1150
Золосфера	1610	1415	1250	1130	1100

Легковесный наполнитель (золосфера или молотый керамзит) вводится в экзотермическую смесь в объемном соотношении к основному наполнителю от 4:1 до 1:4. Увеличение соотношения «основной наполнитель: легковесный наполнитель» более 4:1 снижает теплоизолирующие свойства смеси. Уменьшение соотношения «основной наполнитель: легковесный наполнитель» менее 1:4 увеличивает теплоизолирующие свойства смеси и снижает ее прочностные свойства.

Приготовление экзотермической смеси осуществляется на известных смесителях периодического или непрерывного действия. При изготовлении экзотермических смесей в смесителях периодического действия сначала загружаются сухие компоненты и перемешиваются в течение 2-3 минут. Загрузка и перемешивание сухих компонентов в смеситель осуществляется в следующем порядке. Первым загружается огнеупорный наполнитель, затем материал, содержащий окислы железа, далее загружаются калиевая селитра и криолит. После этого производится кратковременное перемешивание. Алюминиевый порошок вводится в последнюю очередь. Жидкие отвердители (ацетаты этиленгликоля) предпочтительно вводить первыми после перемешивания сухих компонентов, а после их перемешивания в течение 1-1,5 минут вводить жидкое стекло. Продолжительность перемешивания экзотермической смеси после ввода жидкого стекла 1-1,5 минут. Приготовленная экзотермическая смесь подается к стержневым ящикам. По мере засыпки смеси в стержневые ящики производится ее уплотнение вручную, или с помощью вибрации или прессования. В местах поднутрений смесь подуплотняется вручную.

При использовании смесителей непрерывного действия рекомендуется приготовление смеси осуществлять в два этапа. Сначала все сухие компоненты смешиваются в смесителе периодического действия. Затем они подаются в бункер смесителя непрерывного действия. Предпочтительно в смесительную камеру сначала подавать отвердитель, а на некотором расстоянии от места ввода отвердителя подавать жидкое стекло.

В предлагаемой смеси нет использования марганцевой руды. Связующая самотвердеющая композиция состоит из:

а) связующего - жидкого стекла по ГОСТ 13078-81 плотностью 1450-1500 кг/м ³ при величине модуля исходного стекла 2,5-3,0.

б) сложноэфирного отвердителя - ацетатов этиленгликоля (АЦЭГ), представляющих собой смесь ди- и моноацетата этиленгликоля, поставляемых по ТУ 2332-016-05807977-2003.

Содержание сложноэфирного отвердителя в составе композиции составляет 10% (по массе) от связующего.

Получаемая экзотермическая смесь обладает заданными технологическими свойствами и физико-механическими характеристиками смесей:

- живучесть смесей (время сохранения смесью свойств формуемости) составляет 5-20 минут.

- продолжительность твердения до извлечения оболочки из оснастки 30-50 минут.

- прочность смеси при сжатии (достижение смесью манипуляторной прочности - (транспортировка, простановка оболочки в форму) через 3 часа не менее 0,5-0,6 МПа.

- прочность при сжатии через 15 24 - 1,25 2,0 МПа.

При изготовлении оболочек или экзотермических вставок может применяться как деревянная, так и металлическая оснастка, поверхность которой покрывается известными разовыми или полупостоянными разделительными покрытиями.

Оболочки и экзотермические ставки, изготовленные из заявляемой смеси, окрашиваются известными противопригарными самовысыхающими красками.

Предлагаемая экзотермическая смесь по сравнению с известными смесями имеет следующие технико-экономические преимущества:

- позволяет полностью отказаться от длительной тепловой сушки оболочек, сэкономив при этом топливо и энергоресурсы;

- сократить цикл изготовления экзотермических оболочек и готовых под заливку форм;

- осуществить одновременное изготовление форм, стержней и экзотермических оболочек из холоднотвердеющих смесей по единому технологическому процессу;

- применение в составе наполнителей легковесных огнеупорных материалов позволяет сочетать в одной смеси экзотермический и теплоизолирующий эффект;

- позволяет повысить выход годного на 12-15%.