авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Разработка технологических процессов приготовления связующего жидкостекольных смесей из наноразмерных кремнеземсодержащих материалов для производства стальных отливок

На правах рукописи

ЮРАСОВ Владимир Владимирович РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СВЯЗУЮЩЕГО ЖИДКОСТЕКОЛЬНЫХ СМЕСЕЙ ИЗ НАНОРАЗМЕРНЫХ КРЕМНЕЗЕМСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК Специальность 05.16.04 – Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород – 2011

Работа выполнена на кафедре «Машины и технология литейного производства» ГОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет» Научный руководитель доктор технических наук, профессор КИДАЛОВ Николай Алексеевич

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор ИЛЛАРИОНОВ Илья Егорович почетный работник высшей школы РФ, почетный металлург РФ, доктор технических наук, профессор КУЛАКОВ Борис Алексеевич Ведущее предприятие ОАО «Буммаш», г. Ижевск

Защита состоится 7 октября 2011 г. в 13:00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 при Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ГСП - 41, ул. Минина, д. 24, корп. 1., ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государ ственного технического университета им. Р.Е. Алексеева

Автореферат разослан «_26_» августа 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Ульянов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационного исследования. Развитие современных технологических процессов показывает, что изготовление форм и стержней в литейном производстве вступило в период, когда мероприятия, направленные на снижение трудо емкости производства отливок, улучшение качества продукции, а также сокращение вредных для здоровья рабочих операций, основываются, как правило, на использовании новых свойств и составов формовочных смесей.

Сегодня весьма перспективным, отвечающим современным требованиям литей ного производства, является изготовление форм и стержней из смесей на жидкостеколь ном связующем, что позволяет значительно сократить цикл изготовления отливок и сни зить трудоемкость их изготовления, а также увеличить точность литья и устранить вы деление токсичных веществ.

В нашей стране быстротвердеющие смеси с жидким стеклом получили промышлен ное применение с 1949 г. благодаря работам, проведенным специалистами ЦНИИТмаша, а также заводов тяжелого машиностроения и станкостроения.

Значительный вклад в разработку теории и практику производства отливок с ис пользованием смесей с жидким стеклом был внесен такими исследователями как Берг П.П., Бречко А.А., Валисовский И.В., Васин Ю.П., Ващенко К.И., Великанов Г.Ф., Доро шенко С.П., Жуковский С.С., Илларионов И.Е., Кулаков Б.А., Лясс А.М., Ромашкин В.Н., Рыжков И.В. и др. Работы этих ученых позволили получить и внедрить в промышлен ности жидкостекольные смеси, обладающие улучшенной выбиваемостью, позволившие существенно повысить уровень качества продукции литейного производства.

Тем не менее, несмотря на накопленный богатый теоретический и эксперимен тальный материал, проблема затрудненной выбиваемости смесей на жидкостекольном связующем до настоящего времени не является окончательно решенной. Операция вы бивки стержней, особенно крупных и сложных отливок, является одной из наиболее тя желых, составляя 20... 25 % общей трудоемкости изготовления продукции литейного производства. При этом, затраты на выбивку жидкостекольных смесей остаются более высокими по сравнению с песчано-глинистыми смесями и смесями с органическими связующими. Известные технологические приемы и рекомендации по улучшению вы биваемости не всегда эффективны, а в качестве специализированных добавок исполь зуются целевые дорогостоящие материалы, значительно увеличивающие стоимость ли тья и, в ряде случаев, существенно снижающие рентабельность производства.

Наиболее простое и предпочтительное техническое решение, облегчающее выби ваемость смесей посредством сокращения в последних содержания жидкого стекла, неразрывно связано с понижением исходной прочности форм и стержней. Очевидно, что для улучшения выбиваемости данным способом необходимо использовать жидкосте кольное связующее, свойства которого даже при пониженном содержании обеспечат требуемый уровень исходной прочности смеси. Однако из анализа литературных дан ных следует, что изготовить отвечающее вышеприведенным требованиям жидкое стек ло известными на сегодняшний день способами не представляется возможным.

Таким образом, разработка новых научно обоснованных способов изготовления жид Автор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук Т.Ш. Сильченко за участие в формировании направления работы, а также неоценимую помощь, оказанную при проведении экспериментов и анализе результатов исследова ний.

кого стекла, а также составов формовочных и стержневых смесей на его основе, обладаю щих, за счет пониженного содержания связующего, улучшенной выбиваемостью из отливок и необходимым уровнем технологических свойств, является весьма актуальной задачей.

Актуальность выбранной темы диссертационного исследования также подтвер ждается выполнением его в рамках программы Рособразования «Развитие научного по тенциала высшей школы» тема № 1.120.04 (2006 – 2008 гг.).

Цель и задачи работы. Цель работы – создание для литейного производства жидко стекольного связующего, обеспечивающего улучшение выбиваемости вследствие возможно сти снижения своего содержания в смесях без понижения прочностных свойств последних.



Для достижения цели в диссертационной работе поставлены и решены задачи, к основным из которых отнесены:

1. Выявление закономерностей процесса диспергирования силикат-глыбы ударно волновой обработкой (УВО) при помощи энергии взрыва.

2. Исследование особенностей процесса изготовления жидкостекольного связую щего способом безавтоклавного растворения щелочного силиката натрия, диспергиро ванного ударно-волновой обработкой.

3. Исследование основных физико-химических свойств разработанного жидкосте кольного связующего.

4. Выявление факторов, повышающих исходную прочность смеси, приготовленной на разработанном жидкостекольном связующем.

5. Разработка и внедрение в литейном производстве научно обоснованных техноло гических процессов изготовления из нанодиспергированного ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия жидкостекольного связующего, обеспечивающего повышение исходной прочности смесей на 25 … 30 % по отношению к известным аналогам.

Научная новизна работы заключается в выявлении закономерностей и особенно стей процесса изготовления из кремнеземсодержащих материалов, нанодиспергирован ных ударно-волновой обработкой, жидкостекольного связующего для смесей литейного производства, а также раскрытии механизма увеличения прочности последних.

Установлено, что гранулометрический состав диспергированного УВО щелочно го силиката натрия определяется величиной импульса давления, возникающего при от ражении детонационной волны от металлической стенки пресс формы;

при этом полу чение основной фракции с размером частиц 100 … 200 нм достигается при реализации импульса давления в диапазоне 0,12 … 0,16 МПа·с.

Обнаружен эффект существенного сокращения, до 5 минут, времени растворения наноразмерного щелочного силиката натрия безавтоклавным способом, при температу ре воды 80°С.

Показано, что вследствие возрастания адгезии разработанного жидкого стекла к кварцу, краевой угол смачивания последнего сокращается по отношению к обычному связующему на 18... 20%, обеспечивая при приготовлении и отверждении смеси фор мирование более плотных пленок на зернах наполнителя и упрочнение манжет.

Установлено, что при высушивании разработанного жидкого стекла существенная, по отношению к обычному, неоднородность размеров частиц коллоидного кремнезема – 2... нм, обеспечивает более плотные и компактные упаковки последних, приводя к возрастанию прочности пленок связующего на 27... 34 %, а, следовательно, и тождественному повышению предела прочности смесей, поскольку последние разрушаются по когезионному механизму.

Практическая значимость. Полученные результаты исследований легли в осно ву разработки научно обоснованных технологических процессов изготовления жидко стекольного связующего, сокращение содержания которого в формовочных пластичных смесях до 4%, за счет повышения прочности последних на 25 … 30%, существенно улучшило выбиваемость.

Внедрение разработанных технологических процессов на ЗАО «Машинострои тельный завод «Плазма» и ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» позволило повысить качество литейной продукции, снизить трудозатраты на выбивку и очистку отливок, существенно сократить себестоимость жидкостекольного связующего и, в результате, получить в 2008 году общий экономический эффект в размере 1222500 руб.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 2-х меж дународных конференциях (2007, 2009 – г. Волгоград), всероссийской конференции (2008 – г.

Камышин), региональных конференциях молодых исследователей (2007, 2008 – г. Волгоград), а также на ежегодных научно-технических конференциях и научных семинарах ВолгГТУ.

На защиту выносятся:

1.Результаты исследования влияния параметров взрывного нагружения ударно волновой обработки на гранулометрический состав порошков щелочного силиката натрия и кремнеземсодержащих компонентов (кварцевого песка, стеклянного боя);

2. Результаты экспериментального исследования растворимости сырьевых мате риалов производства жидкого стекла после ударно-волновой обработки;

3. Результаты экспериментального исследования особенностей основных физико химических свойств разработанного жидкостекольного связующего;

4. Результаты расчетной оценки изменения прочности смесей на разработанном жидкостекольном связующем;

5. Результаты исследования особенностей процессов, протекающих при отвер ждении тепловой сушкой и углекислым газом смесей на жидкостекольном связующем, полученном из нанодиспергированного ударно-волновой обработкой щелочного сили ката натрия;

6. Результаты сравнительного исследования основных технологических свойств отверженных наиболее распространенными в литейном производстве способами смесей на жидком стекле, приготовленном из нанодиспергированного ударно-волновой обра боткой щелочного силиката натрия;

7. Результаты испытаний и внедрения разработанного на основе проведенных ис следований технологического процесса приготовления смеси на предложенном жидко стекольном связующем.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 статьи в российских периодических рецензируемых изданиях (2 из которых рекомен дованы ВАК РФ), 2 статьи в сборниках трудов международных научно-технических конференций, 3 тезиса докладов на всероссийской и региональной конференциях, а так же получен патент РФ на изобретение.





Достоверность результатов и личный вклад автора. Обобщения, выводы и реко мендации диссертационной работы основаны на анализе теоретических и эксперименталь ных данных, обработанных статистическими методами и полученных с использованием об щепризнанных методик при помощи современной сертифицированной периодически пове ряемой аппаратуры. Личный вклад автора в работу заключается в определении основных идей и направлений исследований, анализе и обобщении результатов экспериментального изучения особенностей процесса изготовления из наноразмерных кремнеземсодержащих ма териалов жидкостекольного связующего и свойств смесей на основе последнего, создании нового способа производства жидкого стекла, а также организации и проведении опытно производственного внедрения смеси на разработанном связующем.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 181 страни цу машинописного текста, 71 рисунок, 21 таблицу. Список использованной литературы включает 197 наименований. В приложении приведены результаты экспериментов по определению основных физико-механических и технологических свойств жидкосте кольных смесей, а также копии патента РФ на изобретение и актов внедрений, подтвер ждающие практическую ценность и актуальность данного исследования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационного исследо вания, сформулированы цель исследования и научная новизна, перечислены основные по ложения, выносимые на защиту, представлена структура диссертации.

В первой главе дана общая характеристика жидкого стекла и его применению в литейном производстве, проведен анализ основных факторов, влияющих на выбивае мость жидкостекольных смесей, рассмотрены известные способы промышленного про изводства жидкого стекла, а также основные схемы, параметры и особенности ударно волновой обработки неметаллических материалов с использованием энергии взрыва.

На сегодняшний день жидкое стекло является одним из крупнотоннажных про дуктов неорганического синтеза, производимого во всех индустриально развитых стра нах мира. Благодаря комплексу ценных свойств, дешевизне и доступности сырья, жид кое стекло нашло применение в самых разнообразных отраслях промышленности.

Наиболее широко жидкое стекло используется в литейном производстве в качестве связующего в составе форм и стержней для ведущего технологического процесса – литья в разовые формы, а также для приготовления противопригарных красок и литья по вы плавляемым моделям. Приготовление жидкостекольных смесей позволяет создавать формы и стержни с требуемыми технологическими свойствами, обеспечивающими про тивостояние тепловому и силовому воздействиям горячего металла. Применение жидкого стекла позволяет значительно ускорить производственные процессы литейного производ ства, повысить производительность труда и сократить производственный цикл.

Тем не менее, несмотря на то, что жидкое стекло употребляется в технологиче ских процессах литейного производства еще с 40-х годов прошлого столетия и сегодня в данной области накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал, жидкостекольные смеси имеют ряд недостатков, сдерживающих их применение.

Так, до настоящего времени остается нерешенной проблема затрудненной выбива емости жидкостекольных смесей, особенно при изготовлении крупногабаритных отливок сложной конфигурации. Известные технологические приемы по улучшению выбиваемо сти смесей на жидкостекольном связующем являются недостаточно эффективными либо весьма трудоемкими и значительно увеличивающими производственные затраты, в связи с чем их применение при изготовлении в условиях массового производства высококаче ственных отливок нерентабельно. Сегодня отечественными и зарубежными учеными ис следования возможностей улучшения выбиваемости ведутся по нескольким направлени ям, основным и наиболее перспективным из которых представляется снижение содержа ния жидкостекольного связующего в составах смесей, однако неизбежное ухудшение прочностных свойств последних является серьезным препятствием широкому практиче скому применению этого технологического приема. Поэтому постановка задачи создания для литейного производства жидкостекольного связующего, обеспечивающего улучше ние выбиваемости вследствие возможности снижения своего содержания в смесях без по нижения прочностных свойств последних, представляется актуальной.

Основным из промышленных способов производства, использующегося в качестве связующего в составе форм и стержней натриевого жидкого стекла, является автоклавное растворение в воде натриевой силикат-глыбы. Второй способ заключается в прямом рас творении кремнеземсодержащих компонентов в едкой щелочи NaOH с получением гото вого продукта в один этап на одном технологическом переделе. Оба способа, характери зуются повышенной энергоемкостью и малой производительностью, что обусловлено низкой скоростью растворения, зависящей, в первую очередь, от степени предваритель ного измельчения сырья, неразрывно связанного с величиной удельной поверхности по следнего. Вследствие этого, в качестве наиболее рационального принципиально нового подхода к решению поставленной задачи в настоящей работе предложено изготавливать жидкостекольное связующее из наноразмерных порошков сырьевых растворяемых мате риалов, поскольку практически все свойства наноматериалов значительно отличаются от свойств крупнозернистых аналогов.

Изготавливать наноразмерные порошки сырьевых растворяемых материалов про изводства жидкого стекла наиболее технологично ударно-волновой обработкой при по мощи энергии бризантных взрывчатых веществ, поскольку данный способ обеспечивает высокие силовые параметры нагружения без значительных капитальных затрат, за счет исключения применения сложных энергоемких машин и механизмов, а также не накла дывает каких-либо ограничений на объем обрабатываемого материала. Вместе с тем, осо бенности процесса ударно-волновой обработки сырьевых растворяемых материалов про изводства жидкого стекла не изучены до настоящего времени, что предопределяет необ ходимость рационального выбора схем и определения оптимальных параметров режима взрывного нагружения на основе экспериментальных исследований.

Это послужило основой для проведения научных изысканий в рамках сформули рованных в работе цели и задач исследования.

Во второй главе в соответствии с поставленной целью и задачами исследования про анализированы физико-химические свойства сырьевых материалов, применяемых для изго товления жидкого стекла, используемого в качестве связующего смесей литейного производ ства. Показано, что в экспериментальных исследованиях ударно-волновой обработки наибо лее рационально использовать взрывчатую смесь аммонит 6ЖВ+кварцевый песок, как не уступающую традиционной смеси аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой по технологиче ским свойствам, но более дешевую. Обоснован выбор экспериментальных методов, позво ляющих контролировать параметры режима ударно-волно-вой обработки с применением энергии взрыва, исследовать особенности рельефа и оценивать размеры частиц порошков, извлеченных из пресс формы после проведения УВО, а также экспериментально определять средний размер наибольшего (превалирующего) количества коллоидных частиц, присут ствующих в жидком стекле. Показано, что для исследования основных технологических и физико-механических свойств жидкостекольных смесей, оценки степени достоверности и отсева грубых погрешностей измерений достаточно применения общеизвестных методик, а также статистической и математической обработки экспериментальных данных.

Третья глава посвящена исследованиям особенностей влияния параметров ударно волновой обработки на гранулометрический состав и свойства сырьевых материалов произ водства жидкого стекла (натриевой силикат-глыбы, кварцевого песка и стеклянного боя), а также основных физико-химических свойств полученного жидкостекольного связующего.

При помощи метода атомно-силовой микроскопии экспериментально доказано, что ударно-волновая обработка натриевой силикат-глыбы с применением энергии взрыва поз воляет получать наноразмерные порошки с наибольшими линейными размерами L частиц основной фракции в интервале 100... 200 нм (рис. 1), причем гранулометрический состав образцов не зависит от L~182нм величины силикатного модуля и схемы взрыв ного нагружения.

При аналогич ном же диспергирова нии кремнеземсодер жащих компонентов (кварцевого песка и стеклянного боя) было Рис. 1. Полученная на сканирующем атомно-силовом микроскопе обнаружено, что SolverPRO 3D визуализация рельефа поверхности частиц щелочного силиката натрия после ударно-волновой обработки наибольший линей ный размер частиц L основной фракции получаемых порошков находится в среднем на уровне ~1 мкм и, следовательно, величина удельной поверхности последних существен но меньше по сравнению наноразмерными образцами щелочного силиката натрия.

С использованием модернизированной известной методики определения раствори мости в открытом сосуде впервые установлено, что наноразмерные порошкообразные ще лочные силикаты натрия (М=2,2... 3,0), полученные УВО с применением энергии взрыва, безавтоклавно растворяются в нагретой до 80°С воде без образования нерастворимого осадка за время, составляющее в среднем 5... 5,5 минут, в десятки раз меньшее по сравне нию с известными (автоклавным, полуавтоклавным) способами, используемыми при про изводстве жидкого стекла растворением силикат-глыбы.

Экспериментально доказано, что в случае производства жидкого стекла путем прямого растворения в щелочи кремнеземсодержащего компонента (кварцевого песка, стеклянного боя) ударно-волновое дробление последнего наиболее технологично произ водить совместно с твердым гидроксидом натрия, в результате чего время растворения получаемой смеси в нагретой до 95°С воде составляет 50... 60 мин.

Показано, что основным критерием, определяющим гранулометрический состав и, в ко нечном итоге, скорость растворения нанодиспергированных ударно-волновой обработкой сырь евых материалов производства жидкого стекла, является величина удельного импульса i, возни Генератор Осциллограф R тока Датчик кающего при отражении детонационной волны от поверхности металлической пресс-формы.

Экспериментально доказано, что t, ч при УВО натриевой силикат- глыбы получение порошков с раз мером частиц основной фракции 100 … 200 нм достигается при реа лизации импульса давления в диа пазоне 0,12 … 0,16 МПа·с. Сфор мулированы рекомендации к вы бору схемы взрывного наг- 5, ружения. Таким образом, ударно волновая обработка с применени ем энергии взрыва предоставляет реальную возможность на поря док повысить производитель ность технологического процесса изготовления жидкого стекла различного модуля с одновре 0, менным снижением энергозатрат, во-первых, в результате значи- 0, тельного сокращения длительно- 1 2 3 4 сти производственного процесса, Рис. 2. Сравнительная гистограмма средних продолжительностей процессов растворения натриевой силикат-глыбы и обеспечиваемого быстротечно- кремнеземсодержащих компонентов различными способами:

стью операций дробления и рас- 1 – растворение натриевой силикат-глыбы в стационарном авто творения сырьевых материалов клаве;

2 – растворение натриевой силикат-глыбы во вращающемся (рис. 2) и, во-вторых, за счет от- автоклаве;

3 – безавтоклавное растворение щелочного силиката каза от сложного специализиро- натрия, нанодиспергированного УВО;

4 – автоклавное прямое ванного оборудования и сопря- растворение кварцевого песка в едкой щелочи NaOH;

5 – безавто клавное растворение в воде смеси кварцевого песка и твердого женных с его использованием NaOH, предварительно диспергированной УВО энергозатрат.

Следующим шагом в работе стали экспериментальные исследования полученного различными способами жидкого стекла с целью выявления различий основных физико химических свойств последнего, оказывающих, в конечном итоге, влияние на процессы, происходящие на разных стадиях формирования прочности формовочных и стержневых смесей.

Результаты экспериментов показали, что краевой угол смачивания кварца разра ботанным жидким стеклом сокращается по отношению к обычному связующему на... 20%, вследствие возрастания адгезии нового связующего к кварцу. Также в ходе сравнительных исследований обычного и разработанного связующего было обнаруже но существенное повышение прочности высушенных пленок последнего на 27... 34 %.

Такое отличие когезионной прочности высушенных пленок разработанного и обычного связующих при практически одинаковом (также экспериментально опреде ленном) уровне прочности жидких пленок последних является следствием особенно стей химического строения жидкого стекла – водного раствора щелочного силиката натрия, предварительно нанодиспергированного УВО. Поэтому, при помощи метода фотонной корреляционной спектроскопии была проведена серия экспериментов, це лью которых являлась сравнительная оценка размеров коллоидных частиц кремнезема, присутствующих в жидкостекольных связующих, полученных из нанодиспергирован ного УВО щелочного силиката натрия и обычным автоклавным растворением силикат глыбы.

На рис. 3, а представлена типичная фотография функционального экрана про граммного комплекса DynaLS, отображающего результаты распределения по размерам коллоидных частиц в полученном из наноразмерного силиката натрия жидком стекле с величиной модуля 2,6. Обработка результатов всей серии экспериментов позволяет сделать заключение, что независимо от модуля пробы средний размер наибольшего (превалирующего) количества коллоидных частиц кремнезема в полученном из нано а) б) Рис. 3. Функциональные экраны программного комплекса DynaLS, отображающие распределение по размерам частиц коллоидного кремнезема в жидком стекле (М=2,6), полученном из наноразмерного щелочного силиката натрия (а) и автоклавным растворением силикат-глыбы (б) диспергированного УВО щелочного силиката натрия жидком стекле колеблется в пре делах 2... 30 нм. В результате проведенной серии экспериментов с пробами жидкого стекла, изготовленного традиционным автоклавным растворением силикат-глыбы, бы ло установлено, что также независимо от модуля пробы коллоидные частицы кремне зема характеризуются большей однородностью по размерам, укладывающимся в ин тервал 20... 30 нм (рис. 3, б).

Таким образом, при высушивании разработанного жидкого стекла существен ная, по отношению к обычному, неоднородность размеров частиц коллоидного кремнезема – 2... 30 нм, обеспечивает более плотные и компактные упаковки послед них, приводя к возрастанию когезионной прочности пленок связующего.

В четвертой главе выполнена расчетная оценка изменения прочности смесей на разработанном жидкостекольном связующем, рассмотрены особенности процессов, протекающих при отверждении пластичных жидкостекольных смесей тепловой суш кой и углекислым газом, приведены результаты сравнительных исследований основ ных физико-механических и технологических свойств пластичных смесей, отверждае мых тепловой сушкой и СО2-процессом, а также холоднотвердеющих смесей (ХТС) на жидком стекле, изготовленном различными способами.

Расчеты, основанные на известных принятых А.М. Ляссом допущениях, показа ли, что высушенные смеси, приготовленные на разработанном жидкостекольном свя зующем, будут (равно как и приготовленные на обычном жидком стекле) иметь коге зионный вид разрушения – по пленкам связующего. Также, согласно результатам рас четной оценки при приготовлении формовочных и стержневых смесей на разработан ном жидкостекольном связующем, теоретически, возможно сокращение содержания последнего до 4,3...4,4 мас. % при поддержании прочностных свойств на уровне соот ветствующем смесям, содержащим 6,0 мас. % обычного жидкого стекла.

С учетом того, что на практике существенное влияние на прочность жидкостеколь ной смеси могут оказывать способы отверждения последней, способные по-разному влиять на поведение пленок связующего, при помощи методики, разработанной сотрудниками ка федры «Машины и технология литейного производства» Волгоградского государственного технического университета были проведены экспериментальные исследования особенно стей процессов, протекающих при отверждении смесей тепловой сушкой и СО2-процессом.

Исследованию подвергали две пластичные смеси, первая из которых содержала 6,0 мас.% жидкого стекла, изготовленного традиционным автоклавным растворением силикат-глыбы, а вторая – 4,0 мас.% жидкостекольного связующего, полученного безавтоклавным раство рением нанодиспергированного УВО щелочного силиката натрия.

На рис. 4 приведены две фотографии, отражающие различие поведения жидкого стекла, изготовленного различными способами, в процессе отверждения пластичной смеси тепловой сушкой. Так, на фотографии, представленной на рис. 4, а, отчетливо видно, что нагрев до температуры 150 С смеси на связующем, полученном автоклав ным растворением силикат-глыбы, приводит к вспучиванию жидкого стекла и образо ванию рыхлых пленок. Совершенно иначе ведут себя смеси на жидком стекле, приго товленном из нанодиспергированного УВО щелочного силиката натрия – на зернах формируются плотные пленки связующего (рис. 4, б), способствующие упрочнению манжет. Полученные результаты экспериментов легко удалось воспроизвести и при исследованиях аналогичных смесей, отверждаемых СО2-процессом.

1 M=2, 2 2 M=2, 3 M=2, 1 6,0 5, а) б) 100 Рис. 4. Поведение пленок жидкостекольного связующего (М=2,6), изготовленного традиционным автоклавным растворением силикат-глыбы (а) и безавтоклавным растворением 5, нанодиспергированного УВО щелочного силиката натрия (б), в процессе отверждения пластичных смесей тепловой сушкой при температуре 150С:

1 – жидкостекольная манжета;

2 – зерно кварцевого песка Таким образом, независимо от способа отверждения на зернах смеси, содержащей мас.% разработанного жидкого стекла, формируются плотные пленки связующего, способ ствующие упрочнению манжет и обеспечивающие требуемый уровень прочностных свойств.

Последующие же исследования заключались в сравнительном эксперименталь ном определении (на базе стандартных методик) основных физико-механических и тех нологических свойств пластичных смесей, отверждаемых тепловой сушкой и СО2 процессом, а также холоднотвердеющих смесей, приготовленных на жидкостекольных связующих, полученных как из нанодиспергированного УВО щелочного силиката натрия, так и традиционным автоклавным растворением силикат-глыбы. С целью опре деления истинного влияния связующего на свойства смесей последние приготавливали из кварцевого песка и жидкого стекла, не вводя дополнительно никаких технологических добавок (за исключением ХТС, содержащих жидкие сложноэфирные отвердители АЦЭГ).

Результаты исследований особенностей изменения работы выбивки смесей пока зали, что величина последней независимо от способа отверждения при снижении со держания жидкостекольного связующего (как предложенного, так и полученного авто клавным растворением) в составе смеси, а также с возрастанием величины силикатного модуля сокращается во всем исследуемом интервале температур, не противореча приня тым научным взглядам. При этом во всех, без исключения, экспериментах работа вы бивки смесей на жидком стекле, полученном безавтоклавным растворением дисперги рованного УВО щелочного силиката натрия, оказалась даже несколько выше относи тельно смесей аналогичного состава, но с жидкостекольным связующем, изготовленном традиционным автоклавным растворением.

В ходе последующих экспериментов выяснилось, что смеси на предлагаемом жидкостекольном связующем вне зависимости от способа отверждения обладают по вышенными прочностными свойствами по отношению к смесям на жидком стекле, по лученном автоклавным растворением силикат-глыбы. Так на графических зависимостях (рис. 5) отчетливо видно, что во всем интервале исследований кривые 2, отображающие характер изменения прочностных свойств смесей на связующем, полученном из 2, Предел прочности на растяжение, МПа 1, 0, 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 количество жидкого стекла, мас.% а) Предел прочности на сжатие, МПа 1, 0, 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 количество жидкого стекла, мас. % б) 24 часа Предел прочности на сжатие, МПа 3 часа 2 часа 1 час 1 час 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 количество жидкого стекла, мас. % в) 1 Рис. 5 Изменение прочностных свойств отвержденных различными способами смесей в зависимости от содержания жидкостекольного связующего, полученного обычным автоклавным растворением силикат глыбы (1) и безавтоклавным растворением нанодиспергированного УВО щелочного силиката натрия (2):

а) жидкостекольные (M=2,60) пластичные смеси, отвержденные тепловой сушкой;

б) жидкостекольные (M=2,28) смеси, отвержденные СО2-процессом;

в) жидкостекольные (M=2,60) холоднотвердеющие смеси со сложноэфирным отвердителем АЦЭГ ма рки 3СМ при различном времени выдержки образцов.

А, Дж °С Т, 400 600 а) А, Дж Т, °С 400 600 800 б) А, Дж °С Т, 400 600 в) 1 2 3 4 5 Рис. 6. Изменение работы выбивки смесей в зависимости от содержания жидкостекольного связующего, полученного безавтоклавным растворением нанодиспергированного УВО щелочного силиката натрия:

а) жидкостекольные (M=2,60) пластичные смеси, отверждаемые тепловой сушкой;

б) жидкостекольные (M=2,28) смеси, отверждаемые СО2-процессом;

в) жидкостекольные (M=2,60) холоднотвердеющие смеси со сложноэфирным отвердителем АЦЭГ марки 3СМ 1, 2, 3, 4, 5 и 6 – содержание жидкостекольного связующего в смеси 2,5;

3,0;

3,5;

4,0;

5, и 6,0 мас.% соответственно нанодиспергированного УВО щелочного силиката натрия, лежат выше кривых 1, соот ветствующих результатам экспериментальной оценки прочности аналогичных смесей на жидком стекле, полученном автоклавным растворением силикат-глыбы. Кроме того было экспериментально установлено, что смеси на жидкостекольном связующем, по лученном безавтоклавным растворением нанодиспергированного УВО щелочного си ликата натрия, независимо от способа отверждения характеризуются улучшением по казателей живучести и осыпаемости.

Технологически это позволяет в составах пластичных смесей уменьшить коли чество связующего до 4,0 мас. %, а при приготовлении ХТС со сложноэфирным отвер дителем АЦЭГ – до 3,0 мас. %, без потери необходимой прочности в отвержденном состоянии, но с сопутствующим значительным улучшением выбиваемости, о чем сви детельствуют представленные в виде графиков на рис. 6 результаты эксперименталь ного определения работы выбивки после прогрева образцов до температур 400, 600, 800 и 1000 С.

В пятой главе разработаны технологические процессы изготовления из нанодис пергированного ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия жидкосте кольного связующего, а также смесей на его основе для производства литейных форм и стержней.

Основной этап промышленных испытаний разработанной жидкостекольной сме си был проведен в литейном цехе ЗАО «Машиностроительный завод «Плазма». Составы и основные технологические свойства цеховой и предлагаемой жидкостекольных1 сме сей представлены в табл. 1 и 2.

Таблица Составы цеховой (ЗАО «Машиностроительный завод «Плазма») и предлагаемой жидкостекольных смесей Содержание компонентов (мас. %) Компоненты смеси цеховая смесь предлагаемая смесь Жидкое стекло (М=2,68;

=1481 кг/м3) 6,6 4, ГОСТ 13078 – Водно-глинистая суспензия (=1400 кг/м3) 6,4 6, Мазут1 0,5 0, Песок 3К2О202 ГОСТ 2138 – 91 86,5 88, Как видно из табл. 2 физико-механические и технологические свойства предлагае мой и цеховой смесей практически одинаковые. Однако выбиваемость предлагаемой смеси значительно лучше цеховой во всем исследуемом интервале температур (400... 1000С), что достигнуто за счет сокращения количества жидкого стекла с 6,6 до 4,3 мас. %.

В цеховой смеси ЗАО «Машиностроительный завод «Плазма» для придания ей прочности во влажном со стоянии использовалась водно-глинистая суспензия (6,4 мас.% при плотности 1400 кг/м3), для придания пластично сти и сокращения прилипаемости смеси к модельной оснастке – мазут (0,5 мас.%). Поэтому, для объективного сравнения полученных результатов эти компоненты были введены и в состав предлагаемой смеси с жидким стек лом, приготовленном из наноразмерного щелочного силиката натрия.

Таблица Основные физико-механические и технологические свойства цеховой (ЗАО «Машиностроительный завод «Плазма») и предлагаемой смеси на жидкостекольном связующем изготовленном безавтоклавным растворением нанодиспергированного УВО щелочного силиката натрия Свойства Цеховая смесь Предлагаемая смесь Газопроницаемость, ед. не менее 100 не менее Предел прочности при сжатии во влажном состоянии, кПа. 20... 30 22... Предел прочности при растяжении в отвержденном состоянии, МПа. не менее 1,0 не менее 1, Влажность, % 4,0... 5,0 3,0... 4, Осыпаемость, % не более 0,4 не более 0, Работа выбивки, Дж, при температурах прогрева, С 400 48... 52 22... 600 43... 47 21... 800 298... 312 122... 1000 94... 105 36... На рис. 7 показана фотография отливки «Кожух маховика», изготовленной на ЗАО «Машиностроительный завод «Плазма» с применением смеси предлагаемого со става. Материал отливки – сталь 15ХЛ, масса – 200 кг. Физико-механические свойства литой стали определялись после нормализации при температуре 880... 900С, с после дующим отпуском при температуре... 650 С. Предел прочности на растя жение составил 420 МПа, предел теку чести – 245 МПа.

После заливки и охлаждения формы выбивались на инерционной выбивной решетке. При этом основная масса смеси с жидким стеклом, полу ченном безавтоклавным растворением нанодиспергированного УВО щелочно го силиката натрия, высыпалась из формы в течение 1 минуты (цеховая в Рис. 7. Изготовленная с применением смеси предлагаемого состава стальная отливка течение 14... 55 минут).

«Кожух маховика» Испытания и внедрение смеси (ЗАО «Машиностроительный завод «Плазма») предлагаемого состава на жидкосте кольном связующем, полученном из наноразмерного щелочного силиката натрия, также были проведены в литейном цехе ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей».

Внедрение разработанных технологических процессов на ЗАО «Машинострои тельный завод «Плазма» и ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» позволило получить в году общий экономический эффект в размере 1222500 руб., достигнутый за счет улуч шения выбиваемости смеси, а также снижения себестоимости и улучшения качества жидкостекольного связующего, изготавливаемого безавтоклавным растворением в нагретой до 80 °С воде нанодиспергированного ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия, взамен производимого традиционными методами автоклавного рас творения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Экспериментально доказано – ударно-волновая обработка (УВО) с применени ем энергии взрыва позволяет получать наноразмерные порошки щелочного силиката натрия, гранулометрический состав которых зависит от величины импульса давления, возникающего при отражении детонационной волны от металлической стенки пресс формы;

определено, что для получения основной фракции порошка с размером частиц 100 … 200 нм необходима реализация импульса давления в диапазоне 0,12 … 0, МПа·с.

2. Установлено, что продолжительность процесса безавтоклавного растворения наноразмерного порошка щелочного силиката натрия в нагретой до 80°С воде сокраща ется до 5 минут.

3. Раскрыт механизм увеличения прочности на разработанном связующем: полу ченное безавтоклавным растворением нанодиспергированного УВО щелочного силика та натрия жидкое стекло, по отношению к традиционному, характеризуется меньшим углом смачивания кварца и большей размерной неоднородностью частиц коллоидного кремнезема, что при приготовлении и высушивании смеси соответственно обеспечивает формирование равномерных плотных пленок на зернах наполнителя и более компакт ные упаковки коллоидного кремнезема приводящие к возрастанию когезионной проч ности отвержденного связующего.

4. Теоретически показано и экспериментально подтверждено – при использова нии разработанного жидкостекольного связующего технологически возможно в соста вах пластичных смесей уменьшить количество связующего до 4,0 мас. %, а при приго товлении ХТС со сложноэфирным отвердителем АЦЭГ – до 3,0 мас. %, что позволяет существенно сократить работу выбивки относительно общеизвестных смесей, содержа щих соответственно 6,0 и 3,5 мас. % жидкого стекла, изготавливаемого традиционным автоклавным растворением силикат-глыбы.

5. На основе полученных результатов разработаны и внедрены на ЗАО «Машино строительный завод «Плазма» и ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» новые научно обосно ванные технологические процессы производства жидкого стекла из нанодиспергирован ного щелочного силиката натрия, а также состава смеси для литейных форм и стержней, с пониженным содержанием связующего, обладающей улучшенной выбиваемостью и имеющей необходимые технологические свойства. Общий экономический эффект от внедрения составил в 2008 году 1222500 руб.

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в работах:

1. Исследование растворения силикат-глыбы активированной ударно-волновой обработкой / В.В. Юрасов, Т.Ш. Сильченко, Н.А. Кидалов, С.В. Кузьмин, Н.А. Осипова // Литейщик России. – 2008. – № 10. – C. 33-35.

2. Юрасов, В.В. Разработка жидкостекольного связующего для смесей литейного производства из нанодиспергированных ударно-волновой обработкой щелочных сили катов натрия / В.В. Юрасов, Т.Ш. Сильченко, Н.А. Кидалов // Литейщик России. – 2011.

– № 2. – C. 42-46.

3. Исследование возможности повышения производительности процесса получе ния жидкого стекла за счёт ударно-волновой обработки растворяемого твёрдого компо нента / В.В. Юрасов, Т.Ш. Сильченко, Н.А. Кидалов, С.В. Кузьмин // Изв. ВолгГТУ. Се рия «Сварка взрывом и свойства сварных соединений»: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ.

- Волгоград, 2008. – Вып. 3, № 3. – C. 123-130.

4. Исследование процесса безавтоклавного растворения наноразмерного порошка силикат-глыбы, получаемого способом ударно-волновой обработки / В.В. Юрасов, Т.Ш.

Сильченко, Н.А. Кидалов, С.В. Кузьмин // Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов (3-4 июня 2009 г.): тр.

VII междунар. Рос.-Казахстан.-Японской науч. конф. / Мин-во образования и науки Рос.

Федерации [и др.]. – М., 2009. – C. 355-361.

5. Юрасов, В.В. Конструкция установки для экспериментального исследования и оптимизации параметров автоклавного растворения стекловидных щелочных силикатов / В.В. Юрасов, Н.А. Кидалов, Т.Ш. Сильченко // Новые перспективные материалы и технологии их получения. НПМ-2007: сб. науч. тр. междунар. конф., Волгоград, 9- окт. 2007 г. / ВолгГТУ [и др.]. – Волгоград, 2007. – C. 242-244.

6. Юрасов, В.В. Исследование влияния величины импульса давления детонаци онной волны на растворимость щелочных силикатов / В.В. Юрасов, Н.А. Кидалов, Т.Ш.

Сильченко // Инновационные технологии в обучении и производстве: матер. V всерос.

н.-пр. конф., Камышин, 4-6 дек. 2008 г. В 3 т. Т. 2 / КТИ (филиал) ВолгГТУ [и др.]. – Камышин, 2008. – C. 111-114.

7. Юрасов, В.В. Исследование возможности применения ударно-волновой обра ботки для изменения структуры и свойств стекловидных силикатов натрия / В.В. Юра сов, Т.Ш. Сильченко, Н.А. Кидалов // XII региональная конференция молодых исследо вателей Волгогр. обл., г. Волгоград, 13-16 нояб. 2007 г.: тез.докл. / ВолгГТУ [и др.]. – Волгоград, 2008. – C. 158-160.

8. Юрасов, В.В. Исследование процесса растворения твёрдых кремнесодержащих элементов, предварительно подвергнутых ударно-волновой обработке / В.В. Юрасов, Н.А. Кидалов // XIII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г.Волгоград, 11-14 нояб. 2008 г.: тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. – Волгоград, 2009.

– C. 149-150.

9. Пат. 2368569 РФ, МПК С 01 В 33/32. Способ производства жидкого стекла / В.В. Юрасов, Т.Ш. Сильченко, Н.А. Кидалов, С.В. Кузьмин, Н.А. Осипова, В.И. Лысак, В.З. Юрасов;

ВолгГТУ. – 2009.

Подписано в печать _._. 2011 г. Заказ №.

Тираж 100 экз. Печ. л. 1, Формат 6084 1/16.Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография «Политехник» Волгоградского государственного технического университета.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.