Исследование и разработка формовочных модификаторов для песчано-бентонитовых смесей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Иванова, Анна Виллоровна

• Иванова, Анна Виллоровна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Иванова, Анна Виллоровна

Введение.

Глава 1 Анализ состояния вопроса и постановка задачи.

Глава 2 Методика исследований.

Глава 3 Разработка модификаторов для песчано-бентонитовых ^ формовочных смесей.

3.1 Разработка модификатора на основе древесного сырья. Повышение реакционной способности модификатора МФЛ.

3.2 Разработка модификатора на основе комплексных соединений.

Глава 4 Исследование механизма и разработка путей управления свойствами формовочных смесей с помощью модификаторов МФЛ и РГС.

4.1 Гипотетические представления о механизме взаимодействия модификаторов МФЛ и РГС с бентонитовым связующим.

4.2 Исследование механизма влияния модификатора МФЛ на уровень оптимальных технологических свойств формовочных смесей с точки зрения качества формы и получаемой отливки.

4.3 Уточнение механизма процесса активации бентонитовых связующих за счет дополнительного введения в процесс комплексного соединения - РГС.

Глава 5 Изучение влияния разработанных модификаторов МФЛ и РГС на свойства песчано-бентонитовой формовочной смеси.

5.1 Влияние модификатора МФЛ на свойства формовочных смесей из свежих материалов, а также производственных смесей.

5.2 Влияние модификатора РГС на свойства бентонитового связующего и формовочных смесей.

5.3 Промышленное опробование и применение модификатора РГС.

Глава 6 Использование формовочных модификаторов МФЛ и РГС для получения модифицированного бентонита.

6.1 Использование модификатора МФЛ для химического модифицирования бентонита.

6.2 Использование модификатора РГС для химического модифицирования бентонита.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка формовочных модификаторов для песчано-бентонитовых смесей»

Совершенствование технологии изготовления отливок в сырых разовых формах связано с разработкой и использованием новых формовочных материалов, составов формовочных смесей, способов их приготовления, контроля и регулирования основных параметров.

Проблема обеспечения литейного производства высококачественными формовочными материалами, обостряется из-за отсутствия необходимых резервов в РФ, ограниченностью природных ресурсов.

В связи с применением в литейном производстве России больших объемов низкосортных кальциево-магниевых (неактивированных) бентонитов, не обеспечивающих требуемого уровня основных технологических свойств формовочных смесей на их основе, актуальным вопросом является их активирование и модифицирование, а также, возможность использования суспензионной технологии приготовления высокопрочных формовочных смесей для современных автоматических линий.

Применение суспензионной технологии требует обеспечения повышенных прочностных свойств и низкого содержания влаги формовочных смесей, что первоначально определяет довольно высокую концентрацию бентонитовых суспензий (20 — 30 %).

Из-за повышенной набухаемости натриевых и в особенности активированных бентонитов оказалось практически невозможным получение суспензий с концентрацией бентонита выше 10 %, которые обладали бы требуемой подвижностью, обеспечивающей возможность их транспортировки по трубопроводам от агрегатов приготовления суспензий к смесеприготовительным отделениям литейных цехов. С другой стороны, применение низкоконцентрированных суспензий ограничивается технологически допустимым пределом влажности.

Возникшее противоречие между технологической целесообразностью ввода бентонита в смесь в виде суспензий и технологическими требованиями по ограничению влажности формовочной смеси, с одной стороны, и с другой — высокими прочностными показателями не представляется возможным преодолеть без применения специальных модификаторов (модифицирующих добавок).

Модификаторы возможно будет использовать как самостоятельно в процессе приготовления формовочной смеси, так и при обработке ими отдельно бентонитового связующего (при получении модифицированного бентонита).

С помощью химического модифицирования возможно достичь существенного изменения как структурных и физико-химических свойств бентонитов, так, соответственно, и всего комплекса физико-механических и технологических свойств формовочных смесей, определяющих их поведение в процессах уплотнения и заливки готовых форм. Применение химического модифицирования позволит существенно расширить возможности экологически наиболее чистого способа литья в песчано-бентонитовые формы и создаст предпосылки его использования при производстве тонкостенных отливок высокой размерной и весовой точности, для которых традиционно использовались другие методы литья.

Заключение диссертации по теме «Литейное производство», Иванова, Анна Виллоровна

ВЫВОДЫ

1. Анализ состояния вопроса свидетельствует о необходимости повышения качества отечественных бентонитов с целью улучшения комплекса технологических свойств сырых песчано-бентонитовых смесей, путем создания специальных формовочных модификаторов, разработку которых предлагается вести на основе суммарных фенолов реакционно-способной экстракционной древесной смолы и фосфорсодержащих комплексонов, учитывая их химическое строение и способность к регулированию реологических структурно-механических свойств глинистых систем. Необходимо также проведение исследований с целью изучения и уточнения механизма взаимодействия разработанных модификаторов с бентонитовым связующим.

2. Разработаны технологические решения получения эффективных формовочных модификаторов на указанной выше основе.

В результате введения в технологический процесс синтеза модификатора на основе древесных смол отдувки экстракционной смолы и промывки получаемого новолака слабой щелочью (концентрации 0,5 — 4%), вместо воды, повышена реакционная способность модификатора МФЛ, который представляет собой водный раствор натриевой соли сульфометилированного новолака следующего состава, мас.%:

- натриевая соль сульфометилированного новолака — 35.45; вода — остальное.

Установлены оптимальный состав и значение водородного показателя рН (кислотность) реакционной массы, используемой для получения формовочного модификатора на основе фосфорсодержащих комплексонов в виде водного раствора (РГС), представляющего собой очищенный продукт реакции метилфосфорилирования азотсодержащего вещества - гексаметилентетрамина (уротропин) следующего состава мас.%:

- нитрилтриметилфосфоновая кислота (НТФ) — 20. .40; метилиминодиметилфосфоновая кислота (МИДФ) — 5. 15; вода — остальное.

На данный состав модифицирующей добавки (модификатор РГС) получен патент РФ №2139770 от 20.10.99г. Улучшенные санитарно-гигиенические свойства подтверждены гигиеническим заключением №77.01.03.243.П.29957.10.2 от 15.10.02г.

3. Обоснован теоретически и подтвержден экспериментально механизм взаимодействия разработанных модификаторов с бентонитовым связующим.

В силу высокой реакционной способности молекулы МФЛ, из-за присутствия в ней гидроксильных и сульфогрупп, происходит активное взаимодействие модификатора со связующим через протекание адсорбции по механизму образования Ван-дер-Ваальсовых, водородных, координационных связей и ионообменных реакций, в результате модификатор обнаруживает диспергирующий и стабилизирующий эффекты относительно бентонитового связующего, а также активирующее действие в отношении неактивированной формы бентонита, выражающееся в повышении прочности при разрыве в зоне конденсации влаги и изменении катионного состава в обменном комплексе монтмориллонита.

Проведенными минералогическими исследованиями с использованием широкого комплекса физико-химических методов (рентгеновский, термический, электронно-микроскопический и инфракрасноспектроскопический) подтверждается, что адсорбция модификаторов МФЛ и РГС бентонитовым связующим сопровождается, во-первых, образованием устойчивых глиноорганических комплексов, во-вторых, увеличением межслоевой воды, с её перераспределением в пользу связанной формы за счет образования водородных связей, которыми молекулы модификатора, ассоциированные вокруг катионов, связываются между собой и с поверхностью силикатных слоев бентонита.

4. Сформулированы определенные требования к уровню оптимальных технологических свойств формовочной смеси с точки зрения качества формы и получаемой отливки. Оптимальным требованиям будет отвечать смесь, сочетающая в себе связь между высоким уровнем технологических свойств (прочностные свойства, особенно, прочность при разрыве, "мокрая" прочность, минимальные осыпаемость, упругость, газотворная способность, максимальные текучесть и пластические свойства, как в процессе уплотнения, так и в момент протяжки) и высокой стабильностью перечисленных параметров в случае возможного колебания технологического процесса в широком диапазоне (изменение влажности, варьирование номенклатуры отливок — от простой к сложной). При этом состав формовочной смеси не должен требовать больших энергозатрат при её приготовлении, а также не должны ухудшаться санитарно-гигиенические условия в цехе.

5. Установлено, что модификатор МФЛ как вещество, с одной стороны — диспергирующее, с другой - воздействующее на перераспределение воды в системе "бентонит-вода-модификатор", влияя на уплотняемость, позволяет работать с формовочной смесью, в оптимальном диапазоне влажностей, с точки зрения качества формы и получаемой отливки.

Снижение уплотняемости исходной смеси (без модификатора) приведет к необходимости уменьшения её влажности, что, соответственно, повлечет за собой снижение пластических свойств, повышению коэффициента внешнего трения, увеличению уровня осыпаемости и усилия выталкивания (упругости). В свою очередь увеличение влажности этой смеси не позволяет достичь того же уровня свойств формовочной смеси (особенно прочности при сжатии и разрыве, текучести и др.), который достигается при модифицировании её МФЛ.

6. Развиты представления о процессе активации бентонитовых связующих комплексными соединениями (на примере РГС), заключающийся в том, что в результате образования прочных комплексных соединений с катионами металлов, как обменного комплекса, так и кристаллической решетки монтмориллонита наблюдается повышение эффективности процесса активации кальциевых бентонитов натриевыми солями, получение дополнительного эффекта активации у природно-натриевых бентонитов (без дополнительного введения кальцинированной соды) и значительное увеличение показателей "мокрой" прочности каолинитовых глин при повышении их щелочности кальцинированной содой.

7. Установлено, что разработанный модификатор РГС обладает кроме сильного разжижающего и активирующего действия (в зависимости от свойств бентонитового связующего концентрация суспензий может быть увеличена, без снижения их подвижности, в 1,5 — 2 раза) еще и модифицирующим эффектом относительно бентонитового связующего. Выявлено положительное влияние РГС на технологические свойства формовочных смесей, такие как текучесть по ступенчатой пробе, предел прочности при разрыве и сколе во влажном состоянии, осыпаемость.

Установлено также, что добавка РГС в смеси позволяет снизить количество соды, требуемое для оптимальной активации, в 1,3 — 1,75 раза, в зависимости от вида бентонитов. При этом получаемые значения "мокрой" прочности при совместном использовании уменьшенного количества соды и модификатора значительно выше показателей, которые получаются при оптимальном содержании соды.

8. Подтверждена целесообразность использования разработанных модификаторов МФЛ и РГС для модифицирования бентонитов с целью улучшения как структурных и физико-химических свойств бентонитов, так, соответственно, и всего комплекса физико-механических и технологических свойств формовочных смесей на их основе.

9. Производственные испытания модификатора РГС, проведенные в ОАО "АвтоВАЗ" установили возможность увеличения концентрации бентонита в суспензии с 8 до 20 %, то есть более, чем в 2 раза и возможность работы без добавления порошкообразного бентонита в бегуны. Применение модификатора способствовало снижению осыпаемости и повышению текучести песчано-бентонитовой формовочной смеси, улучшению эксплуатационных свойств бентонита, что обеспечило снижение его расхода на 10 . 15 %, снижению энергоемкости процесса перемешивания.

Ю.Разработана, рекомендована к применению и внедрена в составах песчано-бентонитовых формовочных смесей в ОАО "ЭЛДИН" эффективное противоужименное средство — комбинированная добавка (модификатор РГС и крахмалистая добавка типа ЭКР). В результате её применения зафиксировано снижение уровня брака отливок по ужиминам на 40. 50%, сокращение количества подрывов болванов на 20 %, расхода бентонитового связующего на

10 — 15 %. Отмечается повышение четкости отпечатка модели, качества поверхности формы и внешнего вида литья. С 2004 г комбинированная добавка введена в нормы расхода материала на данном предприятии.

11 .Практические результаты исследований модификатора МФЛ используются при разработке новых технологических составов формовочных смесей для Бежицкого сталелитейного завода, а научные результаты — легли в основу разрабатываемого нового формовочного модификатора (типа МФЛ) на основе синтеза из чистых химических компонентов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Иванова, Анна Виллоровна, 2005 год

1. Исаева И.М., Никитина М.Ф. Исследование свойств формовочной смеси для литья алюминиевых сплавов в формы, спрессованные под высоким удельным давлением. // Известия высших учебных заведений — М.: "Машиностроение" 1969 - № 10.

2. Орлов Г.М. Текучесть формовочной смеси и уплотнение форм прессованием. // Литейное производство 1959 — №11.

3. Орлов Г.М. Текучесть формовочной смеси. // Сб. "Теории формовки" — М.: АН СССР-1961.

4. Орлов Г.М. Влияние текучести смеси на процесс прессования форм и ее определение. // Литейное производство — 1964 — №8.

5. Орлов Г.М. Теоретические основы и исследование процесса уплотнения литейных форм прессованием. // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук — М. — 1971.

6. Игнатова К.Ф., Мазуров В.И., Орлов Г.М. Изготовление литейных форм прессованием плоской колодкой под повышенным давлением с использованием текучих смесей. // Технология автомобилестроения — М.: НИИТавтопром 1967 - № 16.

7. Оболенцев Ф.Д. Способы увеличения текучести формовочной смеси. — Л. ^'Машиностроение" — 1971.

8. Оболенцев Ф.Д., Юргинсон Е.Н. Влияние ПАВ и тиксотропии связующего на текучесть формовочной смеси. // "Труды ЛИИ" — М.: "Металлургия" -1971-№319.

9. Ю.Орлов Г.М., Игнатова К.Ф., Лесниченко В.Л., Мазуров В.И., Утемисов У.Б. Прогрессивный метод формовки. // Литейное производство 1960 — №2.

10. П.Евсеев А.С., Рабинович Б.В., Орлов Г.М., Резинских Ф.Ф., Волкомич А.А., Игнатова К.Ф., Чапчикова Т.М. Требования к формовочных смесях при изготовления форм прессованием // Сб. "Технологические свойства формовочных смесей" — М.: "Наука" — 1968.

11. Буланов А.Н., Волкомич А.А., Евсеев А.С., Резинских Ф.Ф., Рабинович Б.В. Качество отливок и уплотнение форм прессованием. // "Технология автомобилестроения" — 1967 —№16.

12. Арцишевская Н.В., Мазуров В.И. Спирин Ю.М., Орлов Г.М. Земсков А.Л. Изготовление литейных форм прессованием под высоким давлением. // "Технология автомобилестроения" — 1961 -№6.

13. М.Кремнев Л.А., Крылов B.C., Колонии А.В. Влияние уплотнения формовочной смеси на качество поверхности отливок. // Сб. Формирование качество поверхности отливок. — М.: "Наука" — 1969.

14. Волкомич А.А. Основные требования к смесям и материалам моделей для прессования форм. // Литейное производство — 1972 — № 1.

15. Волкомич А.А. Исследование технологических возможностей уплотнения литейных форм некоторыми методами прессования. // Канд. дисс. М.: -1969.

16. Волкомич А.А. Исследование основных закономерностей уплотнения формовочной смеси // Труды НИИТавтопрома М.: НИИТавтопром - 1974 — №21.

17. Волкомич А.А. Методы испытаний формовочных смесей и материалов моделей для прессования форм // Технология автомобилестроения — М.: НИИТавтопром 1974 - №1.

18. Волкомич А.А. Исследование основных закономерностей уплотнения формовочной смеси статическим прессованием (модель формовочной смеси). // "Труды НИИТавтопрома" 1971 - №19.

19. Орлов Г.М. Автоматизация и механизация процесса изготовления литейных форм. М.: "Машиностроение" — 1988.

20. Васильев В.А. Физико-химические основы литейного производства. — М.: МГТУ. — 1994.

21. Бениш Д. Обессоливание воды как фактор улучшающий свойства смесей и качество отливок // Giesserei. — 1979. — 66. —№11.

22. Boenisch D., Daume К. Formstofe, Formmaschinen und Formstoffprufimg zur Optimierung der Impulsverdichtung. // Giesserei. — 1985. -№10.

23. Жуковский C.C. Прочность литейной формы. — M.: "Машиностроение" — 1989.

24. Святкин Б.К. Прессование литейных форм под высоким давлением. — М.: "Машиностроение" — 1989.

25. Гуменский Б.М. Основы физикохимии глинистых грунтов и их использование в строительстве. — Л-М.: "Стройиздат" — 1965.

26. Кострико М.Т. Вопросы теории гидрофобизации грунтов. — Л.:"ВАТТ" — 1957.

27. Грим О. Минералогия и практическое использование глин. — М.:"Мир" — 1967.

28. Материалы по геологии, минералогии и использованию глин в СССР. Доклады на международном совещании по глинам в Брюсселе в 1958г. — М.-."Академия наук СССР" 1958.

29. Бобряков Г.И., Волкомич и др. Опыт Волжского автозавода. — М.: "НИИТавтопром" -1972.

30. Gregor Brummer Der organische Leim im Praxistest. — Giesserei, 88(2001) Nr 6-5 Juni.

31. Masiar Harold Bentonitove zlievarenske formovacie zmesi a moznosti ich modifikacie.// 6 Medzinar konf.: Tehnologia '99, Bratislava, 8-9 sept., 1999: Zb. prednas. D. 2. Bratislava, 1999. - C. 718 - 721.

32. Новое поколение бентонитов. Результаты исследований в лаборатории, экспериментальном цехе и на практике. / Перевод №119. ЗАО "Литаформ" // GIESSEREI, том 85, №12, 1998 С. 55 - 60.34.3имон А.Д., Лещенко Н.Ф. Коллоидная химия. М.: "Владмо" - 1999.

33. Мельников Б.Н., Морыганов П.В. Применение красителей. — М.:"Легкая индустрия". — 1971.

34. Виккерстафф Т. Физическая химия крашения. — М.: "Гизлегпром". — 1956.

35. Круглицкий Н.Н. Основы физико-химической механики, ч. 2. — Киев: "Вища школа". 1976.

36. Кистер Э.Г. Химическая обработка буровых растворов. — М.: "Недра" — 1972.

37. Чапчикова Т.М. Исследование и разработка формовочных смесей с применением органических понизителей вязкости глинистых систем (на примере ПФЛХ).//Канд. дисс.-М. 1979.

38. Волкомич А.А., Чапчикова Т.М. и др. Применение формовочных смесей и многокомпонентных суспензий с понизителем глинистых систем ПФЛХ на СЛЗ "Центролит" по "ГАЗ" // Технология автомобилестроения. М.: НИИТавтопром. - 1980 - №11.

39. Ребиндер П.А. Поверхностно-активные вещества. — М.:"3нание"-1961.

40. Патент № 4359339 США, 1982.

41. Отчет ВНИИЛИТМАШ по теме № 306-73 "Исследование и разработка процесса и технологической схемы приготовления бентонитовой суспензий. 1973.45.A.C. №662235 СССР.46.А.С. № 546422 СССР.

42. Дятлова Н.М., Темкина В.Я., Колпакова И.Д. Комплексоны. М.: "Химия". -1970.

43. Дятлова Н.М., Темкина В.Я., Попов К.И. Комплексоны и комплексонаты металлов. М.: "Химия". - 1988.

44. Дятлова Н.М. Теоретические основы действия комплексонов и их применение в народном хозяйстве и медицине // Журнал Всесоюзного химического Общества им. Д.И. Менделеева. М.: "Химия". — 1984.

45. Дрикер Б.Н., Решпель С.И. // Журнал прикладной химии, — М.: "Химия". — 1978, Т.51

46. Дрикер Б.Н., Простаков С.М., Решпель С.И. // Журнал прикладной химии, -М.: "Химия".-1981, Т.54

47. Дрикер Б.Н., Беляева Н.А. // Журнал прикладной химии, — М.: "Химия". — 1988, Т.61, № 3

48. Беляева Н.А., Дрикер Б.Н., Дятлова Н.М. // Журнал неорганической химии, — М.: "Химия". 1987, Т.30, № 12

49. Авторское свидетельство СССР № 1182009 Кл. С02 5/00. Б.И. № 36, 1985

50. Шалиянц А.Б., Стрижев М.К., Шафран В.Б. // Журнал прикладной химии, — М.: "Химия".-1979, Т.52

51. Лимановский В.И., Масюкова Н.А., Гарьян С.А. // Нефтяное хозяйство, 1985, № 12

52. А.С. № 147484 СССР. "Состав суспензии для формовочных смесей". 1987.

53. Воронцова Т.В. Механизм активации и способы повышения прочности в зоне конденсации влаги бентонитсодержащих формовочных смесей .//Канд. дисс.-М.: 2001.

54. Кузьмин Н.Н., Кирюхина Т.Н., Болдин А.Н., Яковлев А.И., Поддубный А.Н. Формовочные песчано-глинистые смеси: Монография. — Брянск: БГТУ — 2002.

55. Журнал Всесоюзного химического Общества им. Д.И. Менделеева. М.: "Химия" - 1984 - том XXIX - №3.fll 61.Наседкин B.B., Кваша Ф.С., Стаханов В.В. Бентонит в промышленности1. России. М.: ТЕОС" - 2001.

56. Формовочные материалы и технология литейной формы: Справочник / Жуковский С.С., Анисович Г.А., Давыдов Н.И., Кузьмин Н.Н., и др.; Под общ. ред. Жуковского С.С. М.: "Машиностроение" - 1993.

57. Торопов Н.А. Химия силикатов и окислов. Л.: "Наука". - 1974.

58. Уваров И.П., Гордон Л.В. Древесные смолы. М.: "Гослесбумиздат". - 1962.

59. Уоррел У. Глины и керамическое сырье. Перевод с англ. Смолина П.П. Под ред. Петрова В.П. М.:"Мир" - 1978.

60. Кострико М.Т. Вопросы теории гидрофобизации грунтов, Л.: ВАТТ - 1957.

61. Петров А.А. Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. М.: "Высшая школа" - 1973.68.3имон А.Д., Лещенко Н.Ф. Коллоидная химия. М.: ВЛАДМО - 1999.

62. Сметанина С.С. Исследование зависимости между строением органических веществ и их действием как понизителей вязкости глинистых суспензий. Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук. Л. — 1967.

63. Степанов Ю.А., Семенов В.И. Формовочный материалы. — М.: "Машиностроение" 1969.71 .Трухов А.П. Оценка деформационной способности сырых литейных форм // Получение высококачественных литых заготовок в разовые формы. М.: МДТН-1976.

64. А.С. № 486846 СССР. "Смесь для изготовления литейных форм". 1975.

65. Дриц В.А., Косовская А.Г. Глинистые минералы: смектиты, смешанослойные образования. — М.: Наука 1990.

66. Толстик Н.В., Матегорина Н.М. Статистика: учебно-методическое пособие. Ростов-на-Дону: Феникс - 2001.

67. Шупов Л.П. Прикладные математические методы в обогащении полезных ископаемых. М.: Недра - 1972.