смесь для изготовления литейных форм и стержней

Формула изобретения

1. Смесь для изготовления литейных форм и стержней на основе отходов производства, отличающаяся тем, что в качестве отходов производства она содержит шламовый отход производства поливинилхлорида и опилки древесные при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Шламовый отход	97-99
Опилки древесные	Остальное

2. Смесь для изготовления литейных форм и стержней по п.1, отличающаяся тем, что шламовый отход имеет следующий состав, мас.%:

Н2O	50,2
CaSO4·2H2 O	12,2
Са(ОН) 3	7,2
NaCl	28,2
NaSO4	2,0
NaOH	0,2

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано в качестве формообразующего материала для изготовления литейных форм и стержней.

Известны формовочные смеси, содержащие в своем составе органические и неорганические отходы производств. Применение в составе смеси отходов способствует развитию ресурсосберегающих технологий, влечет за собой снижение себестоимости литых заготовок, а иногда и улучшает технологические характеристики формовочных и стержневых смесей (прочность, выбиваемость и др.) в зависимости от природы отхода.

Известна смесь для изготовления литейных форм и стержней, которая включает в себя огнеупорный наполнитель, жидкое стекло и сажесмоляную пульпу-отход при производстве этилена и ацетилена при отмывке пирогаза. Сажесмоляная пульпа вводится в незначительном количестве (0,25-0,75 масс.%). Введение данной технологической добавки позволяет увеличить прочность смеси в сухом состоянии, уменьшить осыпаемость и улучшить выбиваемость смеси из отливок [1]. Известный состав дополнительно содержит продукт взаимодействия кальцийборфосфата с водой, который вводится в смесь в количестве 0,50-0,75 масс.% в целях улучшения санитарно-гигиенических условий в цехе, а также увеличения прочности смеси после тепловой сушки.

Данный состав имеет высокие прочностные показатели после тепловой сушки, однако существует несколько неблагоприятных факторов на пути к использованию данного состава:

1) Сажесмоляная пульпа-отход при производстве этилена и ацетилена - вводится в состав в малых количествах. Тем самым принципы ресурсосберегающих технологий не реализуются в достаточной степени. Использование в составе смеси большего количества отходов производств могло бы дать ощутимый экономический и экологический эффект.

2) Приготовление и использование смеси известного состава сопровождается выделением различных газов. Так, газовыделения наблюдаются при получении продукта реакции кальцийборфосфата с водой - одного из компонентов формовочной смеси. Также при заливке формы жидким металлом под действием высоких температур происходит выгорание компонентов, составляющих сажесмоляную пульпу, следствием чего является ухудшение атмосферы литейного цеха.

3) Присутствие в составе смеси сажесмоляной пульпы ухудшает условия смачиваемости зерен наполнителя жидким стеклом, что приводит к снижению прочностных свойств формовочных и стержневых смесей данного состава. Введение продукта взаимодействия калыцийборфосфата с водой частично нивелирует эти недостатки, однако получение данного продукта усложняет технологию смесеприготовления.

Наиболее близкой к изобретению по достигаемому технологическому результату является смесь, содержащая жидкое стекло (4-6%), скоп - отход целлюлозно-бумажного производства (1-3%), кварцевый песок - остальное [2]. Скоп содержит в своем составе мелко измельченную древесину, которая служит для дополнительного упрочнения формовочной и стержневой смеси за счет мелкодисперсности отхода и достаточного количества жидкостекольного связующего. Данная смесь имеет хорошие технологические характеристики и высокие механические свойства, однако, имея в своем составе в качестве связующего компонента жидкое стекло, отличается затрудненной выбивкой. Добавляемый скоп уменьшает работу выбивки, однако затраты на выбивку жидкостекольных смесей на сегодняшний день остаются более высокими, чем для песчано-глинистых и смесей на органических связующих [3].

Решаемая задача - расширение сырьевой базы формовочных материалов для литейного производства.

Техническим результатом является создание смеси для изготовления литейных форм и стержней, обеспечивающей беспрепятственное ее удаление путем гидравлической выбивки и растворения связующего в воде после заливки и охлаждения формы, а также хорошие санитарно-гигиенические условия труда в рабочей зоне участков смесеприготовления, изготовления и заливки форм и выбивного отделения при, достаточно высоких прочностных характеристиках смеси.

Указанный результат достигается тем, что смесь для изготовления литейных форм и стержней на основе отходов производства содержит шламовый отход, образующийся в результате выделения хлора из поверенной соли при получении поливинилхлорида, и опилки древесные при следующем соотношении компонентов, масс.%:

Шламовый отход	97÷99
Опилки древесные	остальное.

Шламовый отход может иметь следующий состав, масс.%:

H2O	50,2
CaSO4·2H2 O	12,2
Ca(ОН) 2	7,2
NaCl	28,2
NaSO4	2,0
NaOH	0,2

Заявляемое изобретение направлено на создание смеси для изготовления форм и стержней на основе техногенного отхода химической промышленности. Используемый шламовый отход образуется в результате выделения хлора из поваренной соли при получении поливинилхлорида (ПВХ), добываемой на различных месторождениях. В экспериментах по данной заявке использовался вышеприведенный состав.

Помимо перечисленных компонентов, в шламе присутствует кварцевый песок. Это обусловлено спецификой происхождения сырья (из песчано-солевых карьеров). Химический состав шлама и его свойства делают его пригодным для использования в литейном производстве в качестве формообразующего материала. Зернистой основой является песок, а связующее воздействие оказывает сочетание кристаллогидратов солей NaCl и CaSO₄. И тот, и другой материал используются в качестве связующих в литейном производстве. Неорганический состав шламового отхода позволит улучшить санитарно-гигиенические условия труда в литейных цехах при изготовлении форм и стержней на его основе, а растворимость основного связующего NaCl в воде позволит существенно уменьшить работу выбивки.

Древесные опилки - отход деревообрабатывающих производств, а также модельных отделений в составе литейных цехов - вводятся с целью улучшения качества поверхности и повышения газопроницаемости форм и стержней. Они являются гигроскопичным материалом, способным вобрать в себя избыточную влагу формовочной смеси. Ввиду специфики связующего NaCl смесь на его основе должна обладать более высокой по сравнению с песчано-глинистыми или жидкостекольными смесями влажностью. Прочность смеси после тепловой сушки на основе связующего такого типа зависит от количества растворенного в ней NaCl при смесеприготовлении. Усредненное количество NaCl в шламовом отходе может составлять до 30%. Экспериментальным путем было установлено, что влажность смеси, необходимая для достижения высокой прочности образца после тепловой сушки, составляет 16÷20%. При такой влажности обеспечивается наиболее полное растворение NaCl в воде и равномерное распределение растворенного связующего в объеме смеси. Однако при приложении усилия прессования к шламовому отходу с такой влажностью происходит выдавливание воды вместе с растворенным в ней NaCl на поверхность формы или стержня. Это, в свою очередь, приводит к образованию поверхностных неровностей и каверн, а также снижает прочностные характеристики смеси (поскольку вместе с удалением воды удаляется и связующая основа). Качество поверхности образцов, изготовленных из шламового отхода без опилок древесных, хуже по сравнению с образцами, изготовленными из песчано-глинистых или жидкостекольных смесей. Введение в состав отхода древесных опилок в количестве 1-3 масс.% позволяет существенно улучшить качество поверхности без критического снижения прочностных характеристик. Дополнительно древесные опилки в составе формовочной смеси на основе шламового отхода позволяют повысить ее газопроницаемость.

Формовочную смесь приготавливают следующим образом.

Исходный шламовый отход очищают от посторонних включений продавливанием через сито с размером ячейки 10 мм в состоянии поставки (во влажном состоянии) либо в сухом состоянии путем дробления в валковой дробилке и просеиванием через сито с ячейкой 3 мм. После определения исходной влажности шламового отхода его рабочую влажность доводят до 16÷20% путем сушки либо размачивания (в зависимости от исходного состояния) и дают отстояться 30÷45 минут с периодическим помешиванием каждые 15 минут. Отстаивание менее 30 минут не обеспечивает равномерного распределения NaCl по объему смеси, а при отстаивании более 45 минут из шламового отхода начинает испаряться влага, и наблюдается выпадение кристаллов NaCl на его поверхности. Оба эти обстоятельства снижают прочностные свойства будущей формовочной смеси. После отстаивания смеси в нее вводятся древесные опилки, просеянные через сито с размером ячейки 3÷5 мм, в количестве 1÷3 масс.%. Смесь перемешивают в бегунах до получения однородной массы, затем подсушивают до влажности 13%, после чего смесь готова к формовке.

Полученная смесь имеет малую живучесть, однако свойства такой смеси легко восстанавливаются путем добавления воды и доведения смеси до рабочей влажности.

Изготовленные из смеси формы и стержни необходимо подвергнуть сушке при температуре 300°C в течение 90 минут. После охлаждения они готовы к использованию. Формы и стержни, изготовленные из такой смеси, способны сохранять приобретенную после сушки прочность в течение нескольких недель.

Составы смесей приведены в таблице 1. Физико-механические свойства указаны в таблице 2. Помимо физико-механических свойств при помощи индикаторной лакмусовой бумаги был определен водородный показатель (рН) составов смесей. Он составил 7,0, что говорит о нейтральной среде составов.

Пример.

Указанным способом приготавливались составы смеси, приведенные в таблице 1. После приготовления составов из них были изготовлены образцы для проведения различных испытаний. Контролировались следующие физико-механические свойства смесей:

1) предел прочности на сжатие во влажном состоянии;

2) предел прочности на сжатие в отвержденном состоянии после тепловой сушки;

3) предел прочности на разрыв в сухом состоянии.

Работа выбивки на данных образцах не оценивалась, поскольку удаление формовочных и стержневых смесей такого типа осуществляется растворением связующего в воде.

Предел прочности на сжатие во влажном и отвержденном состоянии определялся по методикам ГОСТ 23409.7-78 на стандартных цилиндрических образцах (D=50 mm, h=50 мм). Образцы уплотнялись троекратным ударом груза массой 6,35±0,015 кг, падающего с высоты 50±0,25 мм.

Для сравнения физико-механических свойств смеси в таблице 2 приведен состав смеси № 4 прототипа, которая содержит, масс.%:

Жидкое стекло - 6;

Скоп - отход целлюлозно-бумажного производства - 3;

Кварцевый песок - 91.

Наиболее важными свойствами являются прочность смеси на сжатие и растяжение в отвержденном состоянии, т.к. именно сухая поверхностная и объемная прочность обеспечивают сохранение целостности форм и стержней при заливке формы и во время формирования отливки в ней. При определении прочности на сжатие в отвержденном состоянии каретка измерительного прибора останавливалась на максимальном для прибора значении 2,2 МПа. При этом полного разрушения образца не происходило. Уровень прочности на сжатие в сухом состоянии значительно выше аналогичного показателя для песчано-глинистых смесей, и несколько ниже сухой прочности на сжатие для жидкостекольных смесей. Однако такая прочность является достаточной для предотвращения разрушения литейной формы или стержня при транспортировке и заливке.

Для испытаний прочности на разрыв в отвержденном состоянии образцы-«восьмерки» изготавливались по методике ГОСТ 23409.7-78. Полученные значения такой прочности сравнимы с аналогичной прочностью жидкостекольных смесей.

Оптимальное содержание опилок в смеси находится в пределах 1÷3%. При содержании опилок в смеси менее 1% наблюдается недостаточное качество поверхности смеси и ее пониженная газопроницаемость. Увеличение содержания древесных опилок более 3% не приводит к существенному изменению физико-механических свойств предлагаемой смеси. Однако повышенное содержание опилок уменьшает содержание свободной воды в смеси (опилки вбирают в себя влагу), и, как следствие, ухудшает формуемость смеси. Образцы, изготовленные из смеси с содержанием древесных опилок более 3%, имеют худшее качество поверхности, чем предлагаемые составы, приведенные в таблице 1.

Преимущество предлагаемого состава состоит в том, что, имея во время заливки и выбивки формы прочность, близкую к жидкостекольным смесям, он обеспечивает значительно более легкую выбивку за счет быстрого растворения связующего NaCl в воде. Выбивка может быть организована либо путем погружения готовых отливок, извлеченных из опок, в воду (безнапорная выбивка), либо воздействием на отливки струей воды под промышленным давлением (3÷5 МПа). При этом на стальных отливках не наблюдается слоя пригара формовочной смеси предлагаемого состава. Помимо этого, в состав смеси входят лишь отходы, что позволяет говорить о низкой ее стоимости. Кроме того, использование техногенных отходов для изготовления формовочных и стержневых смесей способствует уменьшению загрязнения окружающей среды и организации безопасной технологии.

Таблица 1
Ингредиенты	Состав смесей, масс.%
	№ 1	№ 2	№ 3
1	2	3	4
Шламовый отход производства поливинилхлорида	99	98	97
Древесные опилки	1	2	3

Таблица 2
Физико-механические свойства	Состав смесей, масс.%
	прототип (пример № 4)	№ 1	№ 2	№ 3
Предел прочности на сжатие во влажном состоянии, МПа	0,06	0,06	0,07	0,08
Предел прочности на сжатие в отвержденном состоянии, МПа	2,2	1,82	1,82	1,82
Предел прочности на разрыв в отвержденном состоянии, МПа	0,3	0,08	0,1	0,12

Из таблицы 2 видно, что предел прочности на сжатие во влажном и отвержденном состоянии соответствуют прототипу; предел прочности на разрыв в отвержденном состоянии хотя и несколько ниже, чем у прототипа, однако позволяет избежать разрушения форм и стержней при заливке и транспортировке.

Источники информации:

1. Пат. РФ № 2202438, МПК⁷ B22C 1/02. Состав смеси для изготовления литейных форм и стержней. - опубл. 20.04.2003.

2. Пат. РФ № 2405648, МПК B22C 1/18. Смесь для изготовления литейных форм и стержней. - опубл. 10.12.2010.

3. Алиев, Д.О. Исследование механизма формирования прочности жидкостекольных смесей и разработка состава жидкостекольной смеси улучшенной выбиваемости: Дис. канд. техн. наук: 05.16.04 / Алиев Денис Олегович - Волгоград, 2004. - 170 с. РГБ ОД, 61:04-5/1407.