Разработка и освоение легковыбиваемых жидкостекольных смесей для изготовления литейных стержней с использованием измельчённых отходов силиконовых резин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Титов Андрей Вячеславович

• Титов Андрей Вячеславович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Титов Андрей Вячеславович

Введение

Глава 1 Информационно-аналитический обзор состояния вопроса

1.1 Проблема затруднённой выбиваемости стержней из отливок

1.2 Теоретические основы формирования прочности и разупрочнения жидкостекольных стержней

1.3 Обзор известных вариантов решения проблемы,

их преимущества и недостатки

Выводы по главе

Глава 2 Измельчённые отходы силиконовых резин (ОСР) как эффективная разупрочняющая добавка в составе жидкостекольных смесей: теоретический аспект

2.1 Основные требования, предъявляемые к разупрочняющим добавкам стержневых жидкостекольных смесей

2.2 Отходы силиконовых резин: характеристика, свойства, источники, утилизация

2.3 Теоретическое обоснование возможности применения измельчённых

ОСР для разупрочнения стержневых жидкостекольных смесей

Выводы по главе

Глава 3 Экспериментальное исследование влияния измельчённых ОСР в качестве разупрочняющей добавки на технологические и физико-механические свойства жидкостекольных смесей

3.1 Программа и методическое обеспечение экспериментов

3.2 Исследование влияния добавок измельчённых ОСР на физико-механические и технологические свойства смесей

3.3 Исследование совместного влияния добавок измельчённых ОСР и водного раствора ПВС на физико-механические и технологические свойства смесей

3.4 Определение оптимального количества измельчённых ОСР и водного раствора ПВС в составе стержневой жидкостекольной смеси

3.5 Исследования элементов структуры стержневой смеси

3.6 Практические рекомендации

Выводы по главе

Глава 4 Оценка возможности вторичного использования стержневых

жидкостекольных смесей с добавкой измельчённых ОСР

4.1 Методика подготовки оборотной смеси для вторичного применения и программа проведения экспериментов

4.2 Исследование влияния оборотной смеси, как компонента новой смеси

на её физико-механические и технологические свойства

4.3 Исследования элементов структуры стержневой смеси

4.4 Практические рекомендации

Выводы по главе

Глава 5 Оценка эффективности применения разработок в условиях

действующего производства

5.1 Опытно-промышленное опробование разработанных жидкостекольных смесей в условиях действующего производства

5.2 Оценка экологической безопасности

5.3 Оценка экономической эффективности применения разработок

Выводы по главе

Заключение

Список информационных источников

Приложение А. Математическая обработка результатов экспериментов

к главе

Приложение Б. Математическая обработка результатов экспериментов

к главе

Приложение В. Расчёты экономической эффективности к главе

Приложение Г. Акт о промышленном опробовании

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и освоение легковыбиваемых жидкостекольных смесей для изготовления литейных стержней с использованием измельчённых отходов силиконовых резин»

Введение

Актуальность темы исследования и степень её разработанности.

Несмотря на то, что за последние годы было разработано немалое количество разнообразных составов и технологий изготовления стержней, жидкостекольные смеси всё также широко применяются на различных предприятиях нашей страны и за рубежом. Причинами этого являются, прежде всего, хорошие технологические и эксплуатационные свойства получаемых стержней, а также применение в их составе недефецитных, дешёвых и экологичных материалов. Однако жидкостекольные смеси имеют существенные недостатки, среди которых одним из главных можно считать высокую остаточную прочность и, как следствие, низкую выбиваемость стержней из отливок.

Значительный вклад в решение проблем улучшения комплекса свойств стержневых смесей на жидком стекле и, в том числе, проблемы затруднённой выбиваемости, внесли такие известные учёные, как Берг П.П., Болдин А.Н., Борсук П.А., Бречко А.А., Валисовский И.В., Гуляев Б.Б., Жуковский С.С., Илларионов И.Е., Кидалов Н.А., Кукуй Д.М., Кулаков Б.А., Леушин И.О., Лясс А.М., Медведев Я.И., Рыжиков А.А., Тимофеев Г.И., Чернышов Е.А. и др.

Все варианты решения проблемы высокой остаточной прочности жидкостекольных смесей можно распределить по трём главным направлениям.

К первому направлению относятся способы улучшения выбиваемости за счёт введения в состав смеси добавок, повышающих основные технологические и физико-механические свойства стержня. Это позволяет уменьшить содержание в смеси связующего - жидкого стекла и тем самым снизить остаточную прочность и улучшить выбиваемость. Однако такой подход позволяет решить проблему лишь частично, поскольку для значительного разупрочняющего эффекта необходимо существенно снижать содержание жидкого стекла, а это, в свою очередь, неизбежно приведёт к ухудшению эксплуатационных свойств стержня.

Физические методы обработки огнеупорной основы смеси и связующего материала - это второе направление решения проблемы затруднённой выбивки жидкостекольных стержней. Сюда в первую очередь следует отнести вакуумирование стержней в процессе их изготовления, обработку электромагнитными полями, импульсными электрическими разрядами, ультразвуком жидкого стекла перед его непосредственным применением в качестве связующего. Перечисленные методы могут комбинироваться друг с другом, а также использоваться совместно с различными добавками. Главным фактором, ограничивающим применение этих методов, является необходимость использования специального дорогостоящего оборудования.

Третье направление решения проблемы плохой выбиваемости стержней из отливок - применение в составе смеси специальных разупрочняющих комплексных добавок, позволяющих значительно снизить остаточную прочность, сохранив при этом на высоком уровне другие технологические и физико-механические свойства стержня.

Несмотря на значительное количество запатентованных и описанных в литературе составов легковыбиваемых жидкостекольных стержневых смесей широкое практическое применение нашли лишь очень не многие. Причин может быть несколько: недостаточно сильный разупрочняющий эффект; дефицитность и дороговизна некоторых компонентов смеси; ухудшение экологической обстановки на стержневом и заливочном участке литейного цеха из-за применения в составе смеси добавок, разлагающихся с выделением вредных веществ. Поэтому можно с уверенностью сказать, что на сегодняшний день проблема затруднённой выбивки жидкостекольных стержней из отливок до конца не решена и остаётся актуальной.

В данной работе проводились исследования влияния разупрочняющей добавки на основе измельчённых отходов силиконовых резин (ОСР) на технологические и физико-механические свойства жидкостекольных стержневых смесей. Решались задачи улучшения комплекса свойств литейных стержней и переработки промышленных отходов силиконовых резин.

Цель исследования - разработка жидкостекольной стержневой смеси с улучшенной выбиваемостью, экологичностью и регенерируемостью, путём введения в её состав добавок, снижающих остаточную прочность и улучшающих другие эксплуатационные свойства смеси.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- проведение информационно-аналитического обзора известных вариантов решения проблемы затруднённой выбивки жидкостекольных стержней из отливок;

- обоснование выбора измельчённых ОСР в качестве разупрочняющей добавки в составе жидкостекольной стержневой смеси;

- проведение лабораторных испытаний разработанной жидкостекольной стержневой смеси;

- промышленное опробование разработанной стержневой смеси с применением разупрочняющей добавки;

- оценка ожидаемого экономического эффекта от внедрения разработки.

Объект исследования - песчаные жидкостекольные стержневые смеси, содержащие добавки измельчённых ОСР для улучшения выбиваемости стержней из отливок (для снижения остаточной прочности стержней).

Предмет исследования - состав и свойства песчаных жидкостекольных стержневых смесей, содержащих добавки измельчённых ОСР. Научная новизна работы:

- теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность применения измельчённых ОСР в качестве разупрочняющей добавки для стержневых смесей на жидкостекольном связующем (отверждаемых продувкой углекислым газом);

- выявлен механизм образования пористости, и разупрочнения стержневой жидкостекольной смеси за счёт деструкции частиц измельчённых ОСР;

- экспериментально установлено наилучшее сочетание компонентов разработанной новой легковыбиваемой жидкостекольной стержневой смеси;

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность повторного использования отходов разработанной новой стержневой смеси для изготовления стержней.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретически обоснована и экспериментально доказана эффективность использования измельчённых ОСР для снижения остаточной прочности жидкостекольной стержневой смеси (отверждаемой продувкой углекислым газом) при сохранении основных эксплуатационных свойств смеси на приемлемом уровне.

Разработан новый состав №1 стержневой жидкостекольной смеси (отверждаемой продувкой углекислым газом), содержащей в качестве разупрочняющей добавки измельчённые ОСР. Исследовано влияние количества измельчённых ОСР в составе смеси на её основные эксплуатационные свойства.

Теоретически обоснована и экспериментально доказана эффективность вторичного использования оборотной смеси, полученной в результате предварительной обработки смеси состава №1 после её применения для изготовления отливок.

Разработан новый состав №2 стержневой жидкостекольной смеси (отверждаемой продувкой углекислым газом), содержащий до 50% оборотной смеси. Исследовано влияние количества оборотной смеси в составе свежей смеси на её основные эксплуатационные свойства.

Практическая значимость работы подтверждена успешным опробованием разработанной стержневой смеси для изготовления отливок из чугуна, стали, медных и алюминиевых сплавов в условиях действующего промышленного предприятия.

Методология и методы исследования.

В работе применялись следующие теоретические и практические методы научного исследования: анализ, синтез, сравнение, аналогирование, математическое планирование эксперимента.

Эксперименты проводились на базе лабораторий НГТУ им. Р.Е. Алексеева и АО ННИИММ «Прометей» (г. Н. Новгород). Для исследования прочностных свойств стержневых смесей использовался аппарат Centrozap LRu-1, для определения газопроницаемости смесей - аппарат Centrozap LPiRl, для исследования осыпаемости смесей - Centrozap LS-1, копёр лабораторный Centrozap LU-C1. Для подготовки смесей к применению использовались: режущая мельница модели Retsch SM 100, смеситель модели 02113, валковая дробилка фирмы Formanta, барабанный просеиватель модели 175М1. Положения, выносимые на защиту:

- механизм разупрочнения жидкостекольных стержневых смесей с применением измельчённых ОСР;

- результаты исследования физико-механических и технологических свойств новой лекговыбиваемой жидкостекольной стержневой смеси №1, в составе которой в качестве основного разупрочняющего компонента используются измельчённые ОСР;

- результаты исследовния физико-механических и технологических свойств новой легковыбиваемой жидкостекольной стержневой смеси №2, содержащей оборотную смесь, полученную путём предварительной обработки использованной смеси, содержащей измельчённые ОСР;

- результаты промышленного опробования разработанных жидкостекольных стержневых смесей с применением измельчённых ОСР.

Личный вклад автора. В диссертационной работе представлены результаты, полученные лично автором, а также совместно с научным руководителем и соавторами публикаций. Лично автором выполнены:

- информационно-аналитический обзор по теме диссертации;

- обоснование выбора измельчённых ОСР в качестве разупрочняющей добавки для жидкостекольных стержневых смесей;

- экспериментальная часть исследования физико-механических и технологических свойств разработанной стержневой смеси;

- интерпретация результатов экспериментов.

Содержание диссертации соответствует пунктам 1, 3, 10 и 17 направлений исследований в паспорте научной специальности 2.6.3 - Литейное производство:

- исследование физических, химических, физико-химических, теплофизических, технологических, механических и эксплуатационных свойств материалов, как объектов и средств реализации литейных технологий;

- исследование процессов формирования структуры и свойств литых заготовок, литейных сплавов и материалов, формовочных и стержневых смесей;

- ресурсосбережение, регенерация и вторичное использование сплавов, материалов и отходов литейного производства;

- разработка и освоение новых литейных сплавов, формовочных и стержневых материалов.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов обеспечена применением современного оборудования и методов исследования.

Работа выполнялась в период с 2020 по 2024 гг. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены: на III всероссийской научно-практической конференции студентов и учащихся с международным участием «Наука в движении: от отражения к созданию реальности», г. Альметьевск, 2020 г.; на XV международном съезде литейщиков, г. Москва, 2021 г.; на международной научно-практической конференции

«Производственные системы будущего: опыт внедрения Lean и экологических решений», г. Кемерово, 2022 г; на международной научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра», г. Санкт-Петербург, 2023 г; на XV международной научно-технической конференции «Наукоёмкие технологии в машиностроении», г. Москва, 2023 г.

Публикации. По теме диссертации издано 15 публикаций, из которых 8 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Получено 2 патента на изобретение.

Объём и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка информационных источников и приложений. Работа содержит 170 страниц машинописного текста, 41 рисунок, 51 таблицу, 119 библиографических источников и приложения на 66 страницах.

Глава 1.

Информационно-аналитический обзор состояния вопроса 1.1 Проблема затруднённой выбиваемости стержней из отливок

В современных условиях к качеству отливок, изготавливаемых литьём в песчаные формы, предъявляются всё более высокие требования. Речь идёт, в первую очередь, о сведении к минимуму поверхностных и внутренних литейных дефектов, таких как газо-усадочная пористость, неметаллические и шлаковые включения, пригар и др. На возможность их появления в отливках напрямую влияет качество элементов литейной формы. Например, такие свойства как газопроницаемость и газотворность смеси оказывают существенное влияние на вероятность образования в отливках газовой пористости, а прочность поверхностных слоёв формы - на появление засоров, а также пригара на поверхности отливок.

Стержень - отдельная часть формы, во время заливки почти полностью окруженная жидким металлом и испытывающая наибольшие механические и тепловые нагрузки. Поэтому к стержням предъявляются особые требования: высокая прочность, газопроницаемость, податливость, низкая осыпаемость и газотворность. Чаще всего стержни применяют для оформления внутренних полостей в отливках и после выбивки форм они остаются «захваченными» затвердевшим металлом, поэтому к перечисленным требованиям следует добавить ещё и хорошую выбиваемость, т.е. способность стержневой смеси легко разрушаться и удаляться из отливки при незначительном внешнем воздействии.

Все способы выбивки стержней из отливок, применяющиеся на современных предприятиях, можно разделить на следующие основные группы: механические, гидравлические и электрогидравлический способ.

К механическим способам относятся выбивка стержней на выбивных решётках, в галтовочных барабанах, в дробемётных камерах и с помощью пневматических вибрационных машин. На выбивных решётках стержни могут

полностью удаляться из отливок (одновременно с удалением отливок из формы) только при условии применения легковыбиваемой стержневой смеси, обладающей малой остаточной прочностью. То же самое можно сказать и о галтовочных барабанах.

В дробемётных камерах операция удаления стержней совмещается с операцией очистки. Этот процесс может быть эффективен только в том случае, если конфигурация отливки позволяет осуществить обработку дробью её внутренниих полостей. Если же стержень почти полностью закрыт и в теле отливки есть лишь небольшие отверстия (окна), то очистка потоком дроби будет работать плохо даже для смесей с хорошей выбиваемостью.

В массовом и крупносерийном производстве для выбивки стержней из отливок коробчатого типа нашли применение пневматические вибрационные машины типа «нокаут» [1]. Отливка помещается между пружинным упором и бойком пневматического вибратора, удары которого воздействуют на стержень через стенку отливки. Эти машины используют для выбивки малопрочных стержней из закрытых полостей; стержни, изготовленные из смесей с высокой остаточной прочностью, они выбивают плохо. Работа выбивных машин типа «нокаут» сопровождается сильным шумом, что требует помещения их в специальные кожухи, изготовленные из шумопоглощающих материалов. Кроме того, при применении всех механических способов выбивки стержней в атмосферу цеха выделяется значительное количество пыли.

Этого недостатка лишены гидравлические способы выбивки стержней. Их суть заключается в следующем. Отливка со стержнем помещается в герметичную камеру - гидрокамеру, в которой с помощью специальных устройств -гидромониторов на поверхность стержня под высоким напором подаётся разрушающая его струя воды. Вода оказывает двойное действие - режущее и размывающее. Высокое давление воды «разрезает» стержень на части, а увеличение её расхода способствует вымыванию остатков стержневой смеси. Поэтому на практике часто в конструкции гидрокамер используют два гидромонитора. Один из них создаёт высоконапорную струю для

первоначального «разрезания» стержня, другой работает на пониженном давлении при больших расходах воды.

Современные гидрокамеры с максимальным давлением 20 МПа успешно применяются для удаления стержней с остаточной прочностью не более 1,5 МПа [2]. Для более прочных стержней, например, жидкостекольных, гидравлические способы выбивки малопригодны.

К недостаткам гидрокамер также следует отнести:

- необходимость наличия в отливке больших по размеру отверстий (окон);

- значительный расход воды;

- потребность в установке регенерации песка из образующейся в процессе выбивки пульпы - смеси песка и воды;

- необходимость применения системы для осветления воды и оборотного водоснабжения.

В литературе описаны примеры применения гидрокамер, в которых создаётся струя воды сверхвысокого давления до 100 МПа [3]. Выбивная способность таких установок выше, но широкого распространения они не получили из-за существенных недостатков:

- общая энергозатратность процесса;

- необходимость применения насосов высокого давления и большой производительности;

- низкий размывающий эффект;

- сильный шум во время работы.

Кроме того установки высокого давления требуют наличия в их конструкции специальных устройств, удерживающих насадок гидромонитора как можно ближе к поверхности удаляемого стержня, для обеспечения высокой режущей способности струи.

Ещё одной разновидностью гидравлического способа выбивки является процесс удаления стержней из отливок с помощью водяной струи, смешанной с

песком или дробью. При этом значительно повышается «разрезающая» способность струи за счёт воздействия на стержень кинетической энергии абразивных частиц. Таким способом можно успешно удалять из отливок стержни даже с очень высокой остаточной прочностью. Одновременно с удалением стержня происходит частичная очистка поверхности отливок от пригара [1]. Однако, применение гидропескоструйных установок экономически выгодно только для очистки крупных корпусных отливок.

К недостаткам, присущим данному методу выбивки стержней относятся:

- сложность конструкции пескогидромониторов;

- необходимость часто менять насадок гидромонитора из-за его повышенного износа вследствие абразивного действия песка (даже не смотря на использование для изготовления насадков материалов высокой твёрдости, за достаточно короткий период времени форма насадка меняется, и, тем самым, изменяя форму струи, ослабляет её «режущее» действие);

- необходимость сушки отливок или добавления в песчано-водяную смесь специальных ингибиторов коррозии (коррозионная стойкость отливок резко падает из-за удаления с поверхности отливки литейной корочки струёй песка);

- не всегда удаётся полностью удалить пригар с поверхности крупных отливок (требуется последующая дробемётная обработка).

Электрогидравлический способ выбивки стержней из отливок основан на применении электрогидравлического эффекта. Его сущность заключается в следующем. При создании в объёме жидкости импульсного электрического разряда, вокруг него с очень большой скоростью (порядка 10000 м/с) формируется зона высокого давления. Энергия образовавшейся ударной волны распространяется в жидкости и используется для разрушения литейных стержней. Этот процесс сопровождается целым комплексом физических явлений: возникновение импульсных кавитационных процессов, инфра- и ультразвуковых излучений, мощных электромагнитных полей и др. [4].

На выбиваемость стержней из отливок оказывает значительное влияние сила сцепления (адгезии) смеси с поверхностью затвердевшего металла. Одним из физических явлений, сопровождающих электрогидравлический эффект, является возникновение вибраций отливки и стержня с разными амплитудами, что способствует отслаиванию стержневой смеси от поверхности металла и тем самым облегчает удаление стержня. Возникающие при этом ультразвуковые колебания также способствуют измельчению разрушенных крупных частей стержневой смеси.

Несомненными преимуществами электрогидровыбивки являются:

- возможность удаления стержней самой высокой прочности;

- практически полное отсутствие пылеобразования;

- возможность эффективного удаления стержней из закрытых полостей (в отличие, например, от гидравлической выбивки ударная волна передаётся стержню не только непосредственно через воду, но и через стенки отливки);

- высокий коэффициент полезного действия (КПД) электрогидравлического эффекта.

Однако, как и другие используемые методы выбивки стержней, этот метод имеет ряд недостатков:

- трудности выбивки стержней из отливок больших габаритных размеров из-за особенностей конструкций электрогидравлических установок;

- сложность удаления образующихся в процессе выбивки комьев смеси с высокой остаточной прочностью (всасывающие патрубки насосов для удаления песка часто забиваются крупными полностью не размолотыми комьями стержневой смеси, что требует дополнительных затрат за счёт усложнения конструкции выбивной установки, например, с помощью использования специальных вальцов или струи воды под высоким напором);

- трудности выбивки стержней с высокой остаточной прочностью из отливок сложной конфигурации; (для эффективной выбивки необходимо воздействие гидравлического удара непосредственно на стержень, для чего электрод и отливка должны быть соответствующим образом сориентированы относительно друг друга; для корпусных отливок может потребоваться введение электрода в труднодоступные полости отливки, что значительно усложнит конструкцию выбивной установки);

- высокая вероятность разрушения отливок в процессе выбивки стержней при наличии в отливках поверхностных трещин [4];

- необходимость обеспечения на участках электрогидровыбивки хорошей вентиляции из-за образующейся при электрических разрядах окиси азота;

- необходимость применения специальной электрической защиты;

- шум при работе электрогидравлических выбивных установок превышает предельно допустимые величины;

- пригар и окалина с поверхности отливок удаляются плохо [4];

- высокая вероятность повреждения поверхности и нарушения конфигурации тонкостенных отливок и отливок из сплавов, обладающих малой прочностью.

Перечисленные недостатки ограничивают применение

электрогидравлических выбивных установок. Из-за высокой стоимости и сложности эксплуатации их применяют только в тех случаях, когда другие способы выбивки малоэффективны.

Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время не существует универсального эффективного способа выбивки стержней из отливок, у каждого из них есть недостатки, не позволяющие однозначно определить наилучший способ выбивки. Очевидно, решить проблему плохой выбиваемости стержней только путём разработки новых способов выбивки вряд ли удастся. Необходимо совершенствовать составы стержневых смесей.

Для решения проблемы затруднённой выбивки стержней из отливок необходимо сначала выделить основные факторы, влияющие на выбиваемость смеси.

Первым и, вероятно, самым важным фактором является остаточная прочность смеси после её прогрева до высоких температур и дальнейшего охлаждения до температур выбивки. Этот фактор действует в определённой степени независимо от других, поэтому в любом случае можно сказать, что чем меньше остаточная прочность смеси, тем лучше её выбиваемость.

Второй по степени влияния на процесс выбивки фактор - конфигурация внутренних полостей в отливке. Чем она сложнее, чем больше в отливке полостей с резкими переходами от массивных сечений к тонким, тем труднее выбивка стержня. Однако, в отличие от первого фактора, здесь нельзя однозначно определить, какие именно участки стержня будут выбиваться хуже - тонкие или массивные. Это будет зависеть от типа применяемой смеси. Например, стержни малого сечения, изготовленные СоШ-Ьох-ашт процессом, будут легче выбиваться из отливок, а жидкостекольные, наоборот, труднее.

Третьим фактором является сила сцепления (адгезии) стержневой смеси с поверхностью отливки. Причины прочного сцепления по сути те же, что и влияющие на образование пригара, поэтому можно утверждать, что чем меньше смесь склонна к образованию пригара, тем легче она будет выбиваться из отливки.

Очевидно, что изменять конфигурацию внутренних полостей в отливке нельзя, поскольку она определена конструктором. Наоборот, наша задача, как литейщиков, изыскивать способы изготовления отливок как можно более сложной конфигурации. Сила сцепления поверхностного слоя стержня с отливкой может быть значительно уменьшена известными методами борьбы с пригаром, например, применением антипригарных стержневых красок. Поэтому можно с уверенностью сказать, что главная причина затруднённой выбивки стержней -высокая остаточная прочность смеси.

Из всех, применяемых в настоящее время на производстве стержневых смесей, наибольшей остаточной прочностью обладают те, в которых основным связующим является жидкое стекло. Для успешного решения задачи улучшения выбиваемости жидкостекольных стержней необходимо ясно представлять механизмы упрочнения и разупрочнения смеси при воздействии высоких температур и других внешних факторов.

1.2 Теоретические основы формирования прочности и разупрочнения

жидкостекольных стержней

В литейном производстве наиболее широкое применение находит натриевое жидкое стекло. Оно представляет собой водный коллоидный раствор силиката натрия. В растворе одновременно могут присутствовать молекулы На2Б1205, Ыа2 БЮ3, эвтектика Ыа2Б1205 + БЮ2, ионы Ыа+, Н+, ОН-, Б^О22-, БЮ2-, сложные ионы кремневой кислоты типа (хБЮ3 • уБЮ2 • гН20)2-, гидраты оксидов кремния пБЮ2 • кН2О, гидраты молекул Ыа20 • 2БЮ2 • кН20 [5 - 9]. Состав жидкого стекла очень сложен, поэтому описать его строго одной химической формулой невозможно.

Одной из главных характеристик жидкого стекла является силикатный модуль, который определяется по формуле:

т = К^ ([Б!02]/[На20]), где [БЮ2] и [Ыа20] - масса соответственно диоксида кремния и оксида натрия, %; К - коэффициент, показывающий отношение молекулярной массы Ыа20 (62,0) к молекулярной массе БЮ2 (60,1):

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Титов Андрей Вячеславович, 2024 год

к // /

г

/ / / ! / ' / / !

и.о

3,0

2.0

гб

2,0

1.5

го

0.5

500

400

300

200

100

0,0

0,0

0,1

0.2

0,3

ОА

0.10

0.05

0.00

У5

ув /7 0.00 70л

0,02_ ом_ 0,06 0,08 0,10_ 0,12_ ОМ

60_ 50_

30_ 20_ Ю_ О

-4 -3 -2 -1 О 12 3 1, мПа МПа ей МПа МПа % мин

У'

Рисунок 4.10 - Графики для перевода параметров у{ в соответствующие

желательности

Обобщённые функции желательности составов смесей №2 и №4 (таблица 4.20) различаются незначительно. Состав №4 немного уступает составу №2 по уровню манипуляторной прочности, осыпаемости и живучести, но зато превосходит его по величине рабочей прочности и газопроницаемости.

Таким образом, наибольшее значение обобщённой функции желательности (Р = 0,494) соответствует составу смеси №4. Это означает, что данный состав смеси является оптимальным, а смесь обладает наилучшим комплексом свойств. Смесь содержит 4,0% жидкого стекла и 2,0% водного раствора ПВС.

Таблица 4.20 - Значения желательностей dt и обобщённой функции желательности D

Номер опыта, u 1 2 3 4

Прочность на сжатие в отверждённом состоянии, МПа У1 2,30 1,92 2,32 1,95

d1 0,514 0,379 0,520 0,391

Прочность на разрыв в отверждённом состоянии, МПа У 2 0,97 0,72 1,00 0,75

d-2 0,484 0,304 0,501 0,329

Газопроницаемость, ед. Уз 173 187 177 190

d3 0,236 0,302 0,253 0,318

Остаточная прочность, МПа У4 0,38 0,18 0,39 0,18

d4 0,062 0,817 0,048 0,817

Манипуляторная прочность, МПа У 5 0,10 0,09 0,07 0,06

d5 0,696 0,645 0,528 0,457

Осыпаемость, % Уб 0,03 0,04 0,06 0,07

d6 0,930 0,893 0,772 0,672

Живучесть, мин У7 27 28 26 26

d7 0,408 0,425 0,389 0,389

Обобщённая функция желательности D 0,371 0,492 0,338 0,494

В результате проделанной работы был получен патент на изобретение на смесь для изготовления литейных форм и стержней и способ её приготовления [117]. Состав смеси указан в таблице 4.21.

Таблица 4.21 - Итоговый состав разработанной смеси с улучшенной выбиваемостью (с применением оборотной смеси)

Жидкое стекло 3,5-4,0 мас.%

Формовочная глина 2,0-4,0 мас.%

Измельчённые ОСР 1,5-2,0 мас.%

Водный 4-8%-ный раствор поливинилового спирта 1,5-2,0 мас.%

Оборотная смесь 40-50 мас.%

Огнеупорный наполнитель (кварцевый песок) остальное

4.2.4 Оценка возможности многократного использования оборотной смеси в составе свежей жидкостекольной смеси, содержащей измельчённые ОСР

Для получения ответа на вопрос о том сколько раз можно использовать оборотную смесь (без корректировки содержания других компонентов) в составе свежей жидкостекольной смеси разработанного состава (таблица 4.21) были проведены дополнительные исследования основных эксплуатационных свойств смесей. Для каждого повторного использования подготовка оборотной смеси проводилась по методике, изложенной в пункте 4.1.

Результаты проведённых экспериментов показаны в таблице 4.22.

Таблица 4.22 - Результаты исследований эксплуатационных свойств свежей

стержневой смеси при многократном использовании в её составе оборотной смеси

Компоненты и Состав смесей , масс.%

характеристики №1 №2 №3 №4 №5 №6 №7

смесей

1 2 3 4 5 6 7 8

Жидкое стекло 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0

Формовочная глина 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0

Измельчённые ОСР 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

(размер частиц 0,3-0,5

мм)

Водный 4-8%-ный 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

раствор

поливинилового

спирта

Оборотная смесь (многократно используемая) 50 50 50 50 50 50 50

Число повторных один два раза три раза четыре пять раз шесть семь раз

использований оборотной смеси раз раза раз

Кварцевый песок ост. ост. ост. ост. ост. ост. ост.

Прочность на сжатие 1,94 1,88 1,82 1,73 1,68 1,41 1,19

в отверждённом состоянии, МПа

Прочность на разрыв 0,72 0,69 0,67 0,63 0,59 0,48 0,42

в отверждённом состоянии, МПа

1 2 3 4 5 6 7 8

Газопроницаемость, ед. 189 187 182 175 167 153 137

Остаточная прочность, МПа 0,18 0,18 0,16 0,16 0,14 0,12 0,12

Манипуляторная прочность, МПа 0,06 0,05 0,04 0,03 0,03 0,02 0,02

Осыпаемость, % 0,07 0,07 0,07 0,08 0,09 0,17 0,22

Живучесть, мин 26 26 25 25 23 19 17

В составах смесей варьируется число повторных использований оборотной смеси.

По данным в таблице 4.22 видно, что эксплуатационные свойства смесей

составов №6 и №7 находятся на неудовлетворительном уровне. В первую очередь это касается рабочей прочности (снижение в 1,6 раза), манипуляторной прочности (снижение в 3 раза) и газопроницаемости (снижение в 1,4 раза). Кроме того значительно возрастает осыпаемость смеси (в 3 раза).

Таким образом, можно сделать вывод, что оборотную смесь в составе свежей жидкостекольной смеси разработанного состава (таблица 4.21) можно использовать не более пяти раз.

4.3 Исследования элементов структуры стержневой смеси

Структуру образцов, изготовленных из стержневых смесей исследуемых составов, изучали с помощью лупы и оптического микроскопа Альтами МЕТ З/ЗМТ. Фотографирование изображений, полученных на микроскопе, производили с помощью цифровой камеры Альтами U3CMOS16000KPA.

На рисунке 4.11 изображены фотографии поверхности стандартного образца, сделанные сразу после его продувки углекислым газом. Образец был изготовлен из смеси с использованием оборотной стержневой смеси (таблица 4.21).

Рисунок 4.11 - Внешний вид и структура поверхности образца с использованием

оборотной смеси:

а - образец; б - поверхность образца (х1,5); 1 - частицы аморфного диоксида кремния (белого цвета); 2 - частицы силикона (полупрозрачные)

На поверхности образца видны частицы аморфного диоксида кремния. Размер частиц приблизительно равен среднему размеру зёрен песка (0,2 мм). Частицы силикона заметно крупнее (0,5 мм). По сравнению с базовой смесью светло-жёлтого цвета данная смесь имеет коричневый цвет.

На рисунке 4.12 показан образец, изготовленный из смеси, содержащей оборотную смесь (таблица 4.21), после нагрева, выдержки в течение одного часа в печи с температурой 800°С и охлаждения вместе с печью до 20°С. На поверхности и внутри образца, так же как и в случае применения разработанной смеси без использования оборотной смеси, видны включения частиц аморфного диоксида кремния (белого цвета). Кроме того на образце появились разветвлённые трещины, выходящие на поверхность образца.

а б

Рисунок 4.12 - Образец из разработанной смеси (с использованием оборотной смеси) после прокалки при 800°С и охлаждении до 20°С: а - фотография поверхности образца; б - фотография излома образца (х1,5)

На рисунке 4.13 представлена фотография структуры разработанной смеси после прокалки. Также как и в случае исследования разработанной смеси без использования оборотной смеси в структуре видны частицы аморфного диоксида кремния (белого цвета). При этом величина пор увеличилась.

Рисунок 4.13 - Структура разработанной смеси (с содержанием оборотной смеси) после прокалки при 800°С и охлаждении до 20°С (х10)

Таким образом, исследования элементов структуры новой разработанной жидкостекольной смеси (таблица 4.21) показали, что наличие в её составе измельчённых ОСР и оборотной смеси, содержащей мелкодисперсные частицы аморфного диоксида кремния, приводят к увеличению размеров пор и появлению трещин, выходящих на поверхность образца.

4.4 Практические рекомендации

Для определения возможности использования новой разработанной стержневой смеси (таблица 4.21) в производстве отливок нужно использовать рекомендации, изложенные в 3-ей главе (пункт 3.6).

Для использования оборотной смеси в составе свежей жидкостекольной смеси необходимо в литейном цехе создать участок механической регенерации

смеси, на территории которого оборотная смесь будет подготавливаться к применению путём дробления комьев использованной смеси в дробилке и просеивания через механические сита. На участке регенерации необходимо установить мощную вытяжную вентиляцию и по возможности изолировать его от других отделений литейного цеха.

Выводы по главе 4

1. Экспериментально доказана возможность вторичного использования стержневых жидкостекольных смесей, содержащих измельчённые ОСР.

2. Получены уравнения регрессии, позволяющие варьируя содержание в составе смеси жидкого стекла и водного раствора ПВС прогнозировать изменения её основных эксплуатационных свойств.

3. Найден оптимальный состав новой легковыбиваемой жидкостекольной смеси, содержащей оборотную смесь. Полученная смесь содержит, мас. %: жидкое стекло - 3,5-4,0; формовочная глина - 2,0-4,0; измельчённые ОСР - 1,52,0; водный 4-8%-ный раствор ПВС - 1,5-2,0; оборотная смесь - 40-50; кварцевый песок - остальное.

4. Экспериментально доказана возможность применения оборотной смеси (без корректировки содержания других компонентов) в составе свежей жидкостекольной смеси разработанного состава до пяти раз.

5. В результате проведения наблюдений с помощью лупы и оптического микроскопа показано наличие разветвлённой сетки трещин, пористости и частиц аморфного диоксида кремния в структуре образцов, прокаленных в печи при температуре 800°С и охлаждённых вместе с печью до 20°С.

6. Даны практические рекомендации по применению новой легковыбиваемой стержневой смеси, содержащей оборотную смесь в производственных условиях.

138 Глава 5.

Оценка эффективности применения разработок в условиях действующего

производства

5.1 Опытно-промышленное опробование разработанных жидкостекольных смесей в условиях действующего производства

Промышленное опробование новых легковыбиваемых жидкостекольных смесей было проведено на производственной базе АО ННИИММ «Прометей» (г. Н. Новгород).

Для изготовления форм и стержней была разработана и спроектирована экспериментальная оснастка (размеры опок в свету 375 х 375 мм; рисунок 5.1). Для производства чугунных отливок оснастка была модернизирована (модели прибылей не использовались; была добавлена модель выпора) [118].

Для испытаний использовались три состава смесей: базовая жидкостекольная смесь, новая разработанная смесь №1 и новая разработанная смесь №2; составы смесей указаны в таблице 5.1, таблице 5.2 и таблице 5.3 соответственно.

В составе №2 в качестве оборотной смеси применялась отработанная (использованная) специально подготовленная смесь, полученная в результате выбивки из отливок литейных стержней, изготовленных из стержневой смеси состава №1, путём дробления комьев отработанной смеси, просеивания полученной смеси через сито и её сухое (без добавления жидких компонентов) перемешивание в смесителе [118].

Литейные формы были изготовлены из песчано-смоляной смеси. Стержни, используемые для оформления внутренних полостей в отливках, получены из базовой смеси и из испытываемых смесей составов №1 и №2.

Для изготовления стальных отливок формы и стержни перед заливкой покрывались антипригарной спиртовой цирконовой краской (ПК 50А, поставщик «Интема»). Для изготовления чугунных и бронзовых отливок в качестве

антипригарного покрытия применялась графитовая краска (ПК 72ГЦ, поставщик «Интема»). Для алюминиевого литья антипригарные краски не использовались.

На рисунке 5.2 показаны экспериментальные формы, окрашенные цирковоной краской, и неокрашенные.

в

Рисунок 5.1 - Оснастка для проведения практических испытаний: а - модельно-опочная оснастка для изготовления верхних полуформ; б - модельно-опочная оснастка для изготовления нижних полуформ;

в - стержневой ящик

Песчано-смоляная смесь приготавливалась в шнековом смесителе. Состав смеси: кварцевый песок 2К1О202 (ГОСТ 2138-91), смола «Альфабонд 07» (1,6% по массе от массы песка) и отвердитель (30% по массе от массы смолы). Уплотнение форм осуществлялось на вибростоле.

Компоненты стержневой смеси Количество, масс.%

жидкое стекло с модулем 2,6, плотностью 1,47 г/см3 (ГОСТ 13078-81) 6,0

формовочная глина П3 (ГОСТ 3226-93) 4,0

кварцевый песок 2К10202 (ГОСТ 2138-91) остальное

Таблица 5.2 - Состав №1 испытываемой новой стержневой смеси

Компоненты стержневой смеси Количество, масс.%

жидкое стекло с модулем 2,6, плотностью 1,47 г/см3 (ГОСТ 13078-81) 6,0

формовочная глина П3 (ГОСТ 3226-93) 4,0

измельчённые отходы силиконовых резин 2,0

водный 4-8%-ный раствор поливинилового спирта марки ПВС, 6/1 1 сорт (ГОСТ 10779-78) 1,5

кварцевый песок 2К1О202 (ГОСТ 2138-91) остальное

Таблица 5.3 - Состав №2 испытываемой новой стержневой смеси

Компоненты стержневой смеси Количество, масс.%

жидкое стекло с модулем 2,6, плотностью 1,47 г/см3 (ГОСТ 13078-81) 4,0

формовочная глина П3 (ГОСТ 3226-93) 4,0

измельчённые отходы силиконовых резин 2,0

водный 4-8%-ный раствор поливинилового спирта марки ПВС, 6/1 1 сорт (ГОСТ 10779-78) 2,0

оборотная смесь 50

кварцевый песок 2К1О202 (ГОСТ 2138-91) остальное

Стержневые смеси приготавливались в смесителе модели 02113. Порядок загрузки компонентов смеси следующий. Сначала загружали кварцевый песок, глину, измельчённые отходы силиконовых резин, предварительно подготовленные с помощью режущей мельницы модели Я^сЬ БЫ 100, и перемешивали в течение 3 минут. Затем вводили в смесь жидкое стекло и перемешивали в течение 5 минут. Далее вводили в смесь водный раствор поливинилового спирта и окончательно перемешивали в течение 3 минут [116]. Набивка смеси в стержневой ящик осуществлялась вручную.

б

Рисунок 5.2 - Экспериментальная форма с проставленным стержнем: а - окрашенная цирковой краской; б - неокрашенная

Для приготовления оборотной смеси (состав смеси №2) использовалась валковая дробилка Богта^а и барабанный просеиватель модели 175М1.

Продувка стержней углекислым газом (расход газа 30 дм /мин при давлении 0,1 МПа) происходила в два этапа. Сначала стержень продувался через венты в стержневом ящике в течение 30 секунд для придания смеси манипуляторной прочности. Затем после извлечения из стержневого ящика продувка осуществлялась по всей поверхности стержня в течение 60 секунд.

Масса формы (две полуформы) составила 55 кг, масса стержня - 2,95 кг.

Для плавки сплавов использовалась плавильная печь модели ИСТ-0,4. Были изготовлены отливки «Тройник» из четырёх различных сплавов (по пять отливок из каждого сплава). Характеристики отливок, условия заливки форм и выбивки отливок из форм показаны в таблице 5.4.

Таблица 5.4 - Характеристики изготовленных отливок

Марка сплава Масса отливки, Средняя толщина Температура Температура

кг стенки отливки, заливки расплава выбивки отливки

мм в форму, °С из формы, °С

АК7ч 10 750

СЧ20 15 11 1280 20

Сталь 25Л 26 1600

БрО8Ц4 31 1090

Выбиваемость стержней, изготовленных из новых разработанных смесей, из отливок оценивалась по длительности выбивки на выбивной решётке и времени удаления остатков стержневой смеси из внутренней полости отливки с помощью электрического отбойного молотка в сравнении с выбиваемостью стержней, изготовленных из базовой смеси.

Стержни, изготовленные из базовой смеси, были лишь частично удалены из отливок в процессе выбивки на выбивной решётке. Остатки стержней удалялись из полости отливок вручную с помощью электрического отбойного молотка. Стержни из опробуемых смесей, были полностью удалены во время выбивки на выбивной решётке. Длительность операций выбивки показана в таблице 5.5 [118].

Результаты опробования показали, что стержни, изготовленные из новых разработанных смесей, лучше всего выбиваются из бронзовых и алюминиевых отливок. Из стальных и чугунных отливок стержни выбиваются несколько хуже, однако, длительность их выбивки по сравнению со стержнями, изготовленными по базовой технологии, значительно сокращается за счёт отсутствия необходимости применения электрического отбойного молотка.

Состав смеси Марка сплава Длительность выбивки на выбивной решётке, мин. Длительность выбивки с помощью электрического отбойного молотка, мин.

Базовая смесь АК7ч 10 30

СЧ20 19 35

Сталь 25Л 15 32

БрО8Ц4 8 28

АК7ч 6 -

Состав смеси №1 СЧ20 15 -

Сталь 25Л 11 -

БрО8Ц4 5 -

АК7ч 5 -

Состав смеси №2 СЧ20 13 -

Сталь 25Л 10 -

БрО8Ц4 5 -

Чистота поверхности отливок, изготовленных с использованием стержней из новых разработанных смесей, существенно не отличается от чистоты поверхности отливок, полученных по базовой технологии. Дефекты поверхности, а также подкорковая пористость в отливках визуально обнаружены не были (рисунок 5.3 - 5.6; все отливки распилены «по разъёму формы») [118].

а б

Рисунок 5.3 - Отливка из сплава АК7ч: а - внешний вид; б - сечение отливки

а б

Рисунок 5.4 - Отливка из сплава БрО8Ц4: а - внешний вид; б - сечение отливки

а б

Рисунок 5.5 - Отливка из сплава СЧ20: а - внешний вид; б - сечение отливки

а б

Рисунок 5.6 - Отливка из стали 25Л: а - внешний вид; б - сечение отливки

Таким образом, опытно-промышленное опробование показало, что стержни, изготовленные из новых разработанных смесей, выбиваются из отливок значительно лучше стержней, полученных из смеси базового состава. Наличие на поверхности стержня частиц силикона размером от 0,3 до 0,5 мм не приводит к существенному ухудшению поверхности отливок; подкорковая газовая пористость отсутствует.

5.2 Оценка экологической безопасности

Экологическая безопасность работы оценивается по нескольким показателям: загрязнённость рабочей зоны вредными газообразными веществами; запылённость рабочей зоны; уровень шума; уровень теплового излучения; используемые вредные и токсичные материалы.

Уровни теплового излучения, воздействующего на организм человека, при изготовлении стержней по базовой и по новой технологии практически одинаковы.

Уровень шума при использовании новой технологии №1 и №2 изготовления стержней снижается на выбивном участке за счёт исключения из технологического процесса операции выбивки (вручную) с помощью электрического отбойного молотка и сокращения времени выбивки на выбивной решётке. Уровень шума при работе на режущей мельнице (65 дБ), валковой дробилке (90 дБ) и барабанном просеивателе (75 дБ) не превышает общего уровня шума в литейном цехе.

При работе на режущей мельнице выделение пыли практически отсутствует.

Измельчённые ОСР относятся к малоопасным отходам (4-й класс опасности по федеральному классификационному каталогу отходов). Контакт с кожей не вызывает аллергической реакции.

При приготовлении смесей используется водный раствор поливинилового спирта. Поливиниловый спирт в порошкообразном виде и в виде водных растворов не относится к опасным веществам, не токсичен.

Для оценки концентрации выделяющихся вредных и опасных веществ в воздухе рабочей зоны участков литейного цеха было изготовлено несколько экспериментальных форм из жидкостекольной смеси (5-6 % масс. жидкого стекла, 3-5% масс. формовочной глины, кварцевый песок - остальное).

В формы устанавливались стержни, полученные из базовой смеси того же состава, и из новой разработанной смеси (рисунок 5.7).

Формы заливались сталью 25Л (температура формы - 20°С; температура заливки 1600°С). Выбивка форм осуществлялась после их полного остывания до температуры воздуха в цехе.

Измерения проводили с помощью газоанализатора Kane Quintox KM9106. Результаты показаны в таблице 5.6.

Ещё одним критерием оценки экологической безопасности работы с новыми стержневыми смесями является уровень запылённости воздуха рабочей зоны на участках литейного цеха.

Рисунок 5.7 - Экспериментальная жидкостекольная форма с установленным стержнем, изготовленным по новой технологии №1

Измерения концентрации пыли в воздухе проводили с помощью портативного анализатора пыли «Атмас» (диапазон измерения массовой концентрации пыли 0,1 - 150 мг/м ). Полученные результаты измерений сравнивались с максимально разовой предельно допустимой концентрацией (ПДК м.р.) содержания пыли различных видов аморфного и кристаллического диоксида кремния (таблица 5.7).

Таблица 5.6 - Концентрации веществ в воздухе рабочей зоны участков литейного цеха при использовании новой технологии изготовления стержней (для стального

литья)

Измеренная величина концентрации, мг/м3

Наименование вещества Величина ПДК, мг/м3 (СанПиН 1.2.3685-21)* смесеприготовительный участок стержневой участок плавильно-заливочный ** участок выбивной участок участок подготовки оборотной смеси Класс опасности

Оксид 20 4,8 (4,7) 4,5 (4,6) 15,8 5,2 (5,2) 3,2 (3,1) 4

углерода (СО) (15,6)

Диоксид 27000 15231 25034 21433 13452 10327 4

углерода (СО 2) (15246) (25072) (21449) (13503) (10300)

Диоксид серы (Б02) 10 0,6 (0,5) 0,6 (0,6) 3,2 (3,0) 0,9 (0,9) 0,5 (0,5) 3

- указаны значения максимально разовой предельно допустимой концентрации (ПДК м.р.);

- измерения проводились непосредственно в момент заливки формы расплавом; - измерения проводились при выбивке стержня из отливки на выбивной решётке (после

полного остывания формы до температуры воздуха в цехе);

значения, указанные в скобках относятся к новой технологии №2.

Таблица 5.7 - Содержание пыли в воздухе рабочей зоны на участках литейного

цеха (для стального литья)

Участок литейного цеха Величина ПДК, мг/м3 (СанПиН 1.2.3685-21) Измеренная величина концентрации, мг/м3

Базовая технология Новая технология №1 Новая технология №2

Смесеприготовительный 6 10,2 9,5 10,0

Стержневой 6,5 6,2 6,3

Плавильно-заливочный 3,7 3,5 3,5

Выбивной 22,6 19,8 20,4

Участок подготовки оборотной смеси - - 4,7

- указаны значения максимально разовой предельно допустимой концентрации (ПДК м.р.).

Результаты измерений показывают, что величины концентраций в воздухе рабочей зоны участков литейного цеха вредных газообразных веществ не превышают соответствующих ПДК. На стержневом участке был зафиксирован относительно высокий уровень концентрации диоксида углерода. Это объясняется использованием углекислоты в качестве отвердителя для жидкостекольных стержневых смесей.

На всех участках кроме плавильно-заливочного и кроме участка подготовки оборотной смеси, измеренные величины концентрации пыли превысили ПДК, однако, их числовые значения для новых разработанных стержневых смесей немного ниже, чем для базовой смеси.

Проблема повышенной запылённости, особенно на участке выбивки, характерна для многих современных литейных цехов. Одним из вариантов её решения может быть герметизация выбивной решётки и установка на выбивном участке мощной вытяжной вентиляции.

Таким образом, проведённые экспериментальные работы и измерения показали, что применение новых разработанных смесей двух составов для изготовления стержней экологически безопасно.

5.3 Оценка экономической эффективности применения разработок

Для использования разупрочняющей добавки измельчённых ОСР в масштабах массового и крупносерийного производства литейных стержней необходимо значительное количество отходов, например, изношенных силиконовых форм, применявшихся для изготовления полиуретановых изделий.

Сейчас в нашей стране немного предприятий, на которых может накапливаться большое количество таких отходов. Однако в составе новых разработанных легковыбиваемых стержневых смесей содержится очень небольшое количество измельчённых ОСР (2,0%). Например, для изготовления одного стержня массой около 3 кг потребуется всего лишь 0,06 кг измельчённых отходов. Таким образом, расход разупрочняющей добавки на годовую программу

изготовления стержней, равную 1000 шт. составит 60 кг. Учитывая, что вес одной силиконовой формы в среднем составляет примерно 2 кг, необходимое количество форм - 30 шт/год. На предприятиях по производству полиуретановых изделий скапливается гораздо большее количество изношенных форм, поэтому можно с уверенностью утверждать, что для изготовления литейных стержней для единичного и мелкосерийного производства измельчённых ОСР будет вполне достаточно.

5.3.1 Исходные данные для расчётов

Характеристики применяемых материалов для изготовления базовой стержневой смеси, новой разработанной смеси №1 и новой разработанной смеси №2 указаны в таблице 5.8, таблице 5.9 и таблице 5.10 соответственно.

Характеристики используемого оборудования указаны в таблице 5.11. Характеристики выполняемых видов работ при приготовлении стержневой смеси, изготовлении стержней и выбивке стержней из отливок показаны в таблице 5.12.

Стоимость используемых материалов и применяемого оборудования, а также заработные платы рабочих указаны на апрель 2024 года.

Таблица 5.8 - Исходные данные по используемым материалам (для базовой технологии изготовления стержней)

Материал Стоимость за 1 кг, руб. Количество на один стержень (по базовой технологии), кг. Стоимость материала, расходуемого на один стержень, руб.

Кварцевый песок 6,5 2,63 17,1

Жидкое стекло 24,5 0,177 4,34

Формовочная глина 48 0,15 7,2

технологии №1 изготовления стержней)

Материал Стоимость за 1 кг, руб. Количество на один стержень (по новой технологии №1), кг. Стоимость материала, расходуемого на один стержень, руб.

Кварцевый песок 6,5 2,52 16,38

Жидкое стекло 24,5 0,177 4,34

Формовочная глина 48 0,15 7,2

Водный 6%-ный 32 0,044 1,41

раствор поливинилового

спирта

Не измельчённые 15 0,06 0,9

отходы силиконовых

резин

Оборотная смесь - - -

стоимость поливинилового спирта в виде белого порошка составляет 528 руб/кг.

Таблица 5.10 - Исходные данные по используемым материалам (для новой

технологии №2 изготовления стержней)

Материал Стоимость за 1 кг, руб. Количество на один стержень (по новой технологии №2), кг. Стоимость материала, расходуемого на один стержень, руб.

Кварцевый песок 6,5 1,12 7,28

Жидкое стекло 24,5 0,118 2,89

Формовочная глина 48 0,118 5,66

Водный 6%-ный 32 0,06 1,92

раствор поливинилового

спирта

Не измельчённые 15 0,06 0,9

отходы силиконовых

резин

Оборотная смесь - 1,48 -

изготовления стержней и выбивки стержней из отливок

Характеристики

Оборудование Потребляемая мощность, кВт Производительно сть, кг/ч Балансовая стоимость, руб Себестоимость (приведённые затраты) одного машино-часа работы, руб

Шнековый смеситель1 2,2 2000 - -

Вибростол Omega2 0,5 — — -

Режущая мельница Retsch sm-100 1,5 25 1130000 4330

Выбивная решётка ВР-13003 10 — 575000 2211

Электрический отбойный 1,5 — 76000 291

молоток4

Барабанный просеиватель 175М1 3,0 10000 300000 1154 руб/ч

Дробилка валковая Formanta 2,2 12000 (7 м3/ч) 176000 677 руб/ч

1 - характеристики шнекового смесителя в расчётах не используются, поэтому в графах балансовой стоимости и себестоимости указан знак «прочерк»; 2 - характеристики вибростола в расчётах не используются, поэтому в графах балансовой стоимости и себестоимости указан знак «прочерк»; 3 - производительность выбивной решётки не может быть точно указана, поскольку зависит от множества факторов, например, от габаритных размеров стержня или формы; 4 - производительность электрического отбойного молотка не может быть точно указана,

Таблица 5.12 - Характеристики выполняемых видов работ

Рабочие на смесеприготовительном, стержневом и выбивном Средняя заработная плата , руб/мес Вид выполняемой работы Часовая тарифная ставка работы*, руб/ч

участках

1 2 3 4

Земледел 51392 приготовление стержневой смеси 284

измельчение ОСР на 284

режущей мельнице

работа на валковой дробилке 300

1 2 3 4

просеивание смеси с помощью барабанного просеивателя

Стерженщик 55000 изготовление стержней 312

Выбивальщик 80080 работа на выбивной решётке 340

работа с помощью электрического отбойного молотка 570

*----

- данные (на апрель 2024 г) взяты с предприятия АО ННИИММ «Прометей»

5.3.2 Результаты расчётов экономической эффективности

Методики расчётов экономической эффективности внедрения новых вариантов №1 и №2 технологического процесса изготовления стержней, а также результаты расчётов для изготовления алюминиевых, бронзовых, стальных и чугунных отливок показаны в приложении В.

Произведём пересчёт полученных значений годовой экономической эффективности Эгод на тонну литья по формуле:

ЭТод = (Эгод 1000)/(^отл^отл), (5.1)

где ЭТод - годовая экономическая эффективность в расчёте на одну тонну литья, руб/т; Л/оТл - годовая программа производства отливок (в данном случае ^оТл = N = 1000), шт; шоТл - масса отливки, кг.

Результаты расчётов показаны в таблице 5.13.

Таблица 5.13 - Результаты расчёта годовой экономической эффективности

Состав смеси Марка сплава Масса отливки, Годовая Годовая

кг э кономическая э кономическая

эффективность , руб. эффективность, руб/т.

1 2 3 4 5

Состав смеси №1 АК7ч 10 260531,88 26053,2

СЧ20 15 329885,16 21992,34

Сталь 25Л 26 286550,61 11021,18

БрО8Ц4 31 220982,31 7128,46

1 2 3 4 5

Состав смеси №2 АК7ч 10 187499,26 18749,9

СЧ20 15 264501,27 17633,42

Сталь 25Л 26 208732,50 8028,17

БрО8Ц4 31 137922,08 4449,1

- расчеты годовой экономической эффективности показаны в приложении В.

Из таблицы 5.13 видно, что наибольшая годовая экономическая эффективность (в абсолютном выражении) ожидается при использовании состава №1 новой стержневой смеси при производстве чугунных отливок и составляет 329885,16 руб.

Наибольшая годовая экономическая эффективность (в пересчёте на одну тонну литья) соответствует случаю использования состава №1 стержневой смеси при производстве алюминиевого литья и составляет 26053,2 руб/т. Акт о промышленном опробовании представлен в приложении Г.

Выводы по главе 5

1. Проведено опробование двух новых разработанных составов стержневых смесей в условиях действующего производства АО ННИИММ «Прометей». Показано, что при изготовлении отливок из чугуна, стали, алюминиевых и медных сплавов выбиваемость из отливок стержней, изготовленных из новых составов, улучшилась.

2. Проведены измерения основных показателей экологической безопасности работы и условий труда рабочих. Было зафиксировано снижение негативного воздействия шума и вибраций на организм человека (рабочего-выбивальщика) за счёт сокращения времени выбивки на выбивной решётке и исключения из технологического процесса операции выбивки с помощью электрического отбойного молотка. Максимально разовые предельно допустимые концентрации

веществ, выделяемых в атмосферу на участках литейного цеха при использовании стержней, изготовленных из новых разработанных смесей, не превышены.

3. Проведены расчёты годовой экономической эффективности внедрения двух новых разработанных составов стержневых смесей по сравнению с базовым составом при изготовлении алюминиевых, бронзовых, чугунных и стальных отливок. Максимальный экономический эффект (программа выпуска отливок -1000 шт/год) достигается при использовании для изготовления стержней нового разработанного состава смеси №1 (для чугунного литья); он составляет 329885,16 руб.

1. В результате проведения информационно-аналитического обзора было установлено, что для решения проблемы затруднённой выбиваемости жидкостекольных стержней из отливок наиболее перспективным направлением является разработка новых легковыбиваемых стержневых смесей, в состав которых входят порообразующие разупрочняющие добавки в сочетании с добавками, позволяющими улучшить или сохранить на приемлемом уровне весь комплекс эксплуатационных свойств стержня.

2. Теоретически обоснована возможность применения измельчённых ОСР в качестве разупрочняющей добавки для жидкостекольных стержневых смесей, а так же возможность вторичного применения использованной стержневой жидкостекольной смеси, содержащей измельчённые ОСР. Предложены схемы процессов разупрочнения.

3. Разработана новая легковыбиваемая жидкостельная смесь, содержащая в качестве разупрочняющего компонената измельчённые ОСР. Экспериментально определён оптимальный состав смеси, мас.%: жидкое стекло 5,0-6,0; формовочная глина 3,0-5,0; измельчённые ОСР 1,5-2,0; кварцевый песок - остальное. В результате проведения оптических наблюдений выявлено наличие в структуре смеси пор, частично заполненных аморфным диоксидом кремния.

4. Разработана новая легковыбиваемая жидкостекольная смесь, в состав которой входит оборотная смесь, полученная путём предварительной обработки использованной (отработанной) смеси, изначально содержащей измельчённые ОСР. Экспериментально определён оптимальный состав смеси, мас.%: жидкое стекло 3,5-4,0; формовочная глина 2,0-4,0; измельчённые ОСР 1,52,0; оборотная смесь 40-50; кварцевый песок - остальное. Показана возможность снижения содержания жидкого стекла в смеси с 6% до 4% за счёт наличия в ней мелкодисперсных частиц аморфного диоксида кремния (изначально содержащихся в оборотной смеси), способствующих повышению модуля жидкого стекла и увеличению прочностных характеристик смеси.

5. Разработаны практические рекомендации по применению новых легковыбиваемых жидкостекольных стержневых смесей. При этом значительных изменений в технологию изготовления стержней вносить не требуется.

6. Экологический эффект достигается: за счёт реализации предложенного варианта переработки отходов силиконовых резин, в промышленном масштабе не перерабатываемых; за счёт снижения вредного воздействия шума и вибраций на организм человека путём сокращения времени выбивки стержней из отливок на выбивной решётке и исключения из технологического процесса операции выбивки с помощью ручного электроинструмента. Применение новых разработанных стержневых смесей в производственных условиях не приводит к ухудшению экологической обстановки в литейном цехе. Максимально разовые предельно допустимые концентрации вредных и опасных веществ не превышены.

7. Успешно проведено опробование новых легковыбиваемых стержневых смесей при изготовлении алюминиевых, бронзовых, чугунных и стальных отливок в условиях промышленного предприятия. Расчёты годовой экономической эффективности внедрения в производство новых смесей по сравнению с базовой смесью, применяемой на предприятии, показали экономическую целесообразность их использования. Максимальная расчётная экономическая эффективность при выпуске отливок 1000 шт/год получена при изготовлении чугунных отливок и составляет 329885,16 руб.

Разработанные новые легковыбиваемые жидкостекольные смеси могут быть применены для изготовления мелких и средних стержней в условиях единичного и мелкосерийного производства алюминиевых, бронзовых, чугунных и стальных отливок.

Перспективы дальнейшего продолжения работ связаны с исследованиями влияния добавок измельчённых ОСР на свойства жидкостекольных смесей, отверждаемых тепловой сушкой, а также порошкообразными и жидкими отвердителями.

1. Аксёнов П.Н. Оборудование литейных цехов. Учебник для машиностроительных вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. / П.Н. Аксёнов. М.: Машиностроение, 1977. - 510 с.

2. Матвеенко И.В. Оборудование литейных цехов: Учебное пособие. Ч. 2. / И.В. Матвеенко. М.: МГИУ, 2009. - 308 с.

3. Матвеенко И.В., Тарский В.Л. Оборудование литейных цехов: Учебник для учащихся средних специальных учебных заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп. / И.В. Матвеенко, В.Л. Тарский. М.: Машиностроение, 1985. - 400 с.

4. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности / Л.А. Юткин. Л.: Машиностроение, 1986. - 253 с.

5. Гуляев Б.Б., Корнюшкин О.А., Кузин А.В. Формовочные процессы / Б.Б. Гуляев, О.А. Корнюшкин, А.В. Кузин. Л.: Машиностроение, 1987. - 264 с.

6. Кукуй Д.М., Скворцов В.А., Эктова В.Н. Теория и технология литейного производства / Д.М. Кукуй, В.А. Скворцов, В.Н. Эктова. Мн.: Дизайн ПРО, 2000. - 416 с.

7. Рыжков И.В. Физико-химические основы формирования свойств смесей с жидким стеклом / И.В. Рыжков, В.С. Толстой. - Харьков: Вища шк., 1975. - 139 с.

8. Берг, П. П. Формовочные материалы / П. П. Берг. - М.: Машгиз, 1963. - 408 с.

9. Чернышов Е.А. Литейные материалы для изготовления песчаных форм и стержней / Е. А. Чернышов [и др.]. - Москва: Машиностроение, 2018. - 360 с.

10. Григорьев П.Н., Матвеев М.А. Растворимое стекло (получение, свойства и применение) / П.Н. Григорьев, М.А. Матвеев. М.: Государственное издательство литературы по строительным материалам, 1956. - 413 с.

11. Литейные формовочные материалы. Формовочные, стержневые смеси и покрытия: Справочник / Болдин А.Н., Давыдов Н.И., Жуковский С.С. и др. - М.: Машиностроение, 2006. - 507 с.

12. Изготовление отливок с применением быстротвердеющих смесей на жидком стекле. Конспекты докладов научно-производственной конференции: под ред. А.М. Лясса. Москва, 1958. - 470 с.

13. Айлер Р. Химия кремнезёма: пер. с англ. М.: Мир, 1982 Ч. 1. - 416 с.

14. Гуляев Б.Б. Теория литейных процессов / Б.Б. Гуляев. Л.: Машиностроение, 1976. - 214 с.

15. Жуковский С.С. Прочность литейной формы / С.С. Жуковский. М.: Машиностроение, 1989. - 288 с.

16. Боровский, Ю. Ф. Формовочные и стержневые смеси / Ю. Ф. Боровский, М. И. Шацких. - Л.: Машиностроение, 1980. - 86 с.

17. Неймарк И.Е., Шейнфайн Р.Ю. Силикагель, его получение, свойства и применение / И.Е. Неймарк, Р.Ю. Шейнфайн. Киев: Наукова думка, 1973. 200 с.

18. Илларионов, И. Е. Жидкостекольные смеси, отверждаемые продувкой углекислым газом / И. Е. Илларионов, Н. В. Петрова // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева. - 2011. - №2(87). - С. 208-213.

19. Развитие методов и процессов образования литейных форм. Труды XVIII совещания по теории литейных процессов / под. ред. Б.Б. Гуляева. - М.: Издательство «Наука», 1977. - 185 с.

20. Лясс А.М. Быстротвердеющие формовочные смеси. М.: Машиностроение, 1965. - 329 с.

21. Формовочные материалы и технология литейной формы: Справочник / С.С. Жуковский, Г.А. Анисович, Н.И. Давыдов, и др.; под общ. ред. С.С. Жуковского. - М.: Машиностроение, 1993. - 432 с.

22. Сварика А.А. Формовочные материалы и смеси: Справочник. - К.: Техника, 1983. - 144 с.

23. Жуковский, С.С. Упрочнение и выбиваемость жидкостекольных смесей / С.С. Жуковский, А.А. Иванов // Литейное производство. 1987, № 1, с.9-11.

24. Иванов, Н. Х. Упрочнение смесей ультразвуком при изготовлении стержней / Н. Х. Иванов // Литейное производство. - 1975. - №9. - С. 26.

25. Немировский, Л. М. Улучшение выбиваемости смесей на жидком стекле / Л. М. Немировский, М. Д. Зорин, Г. Н. Мурзенко // Литейное производство. - 1969. - №5. - С. 46.

26. Легковыбиваемые жидкостекольные смеси / В. А. Скаженник, А. А. Семашко, И. С. Сычев, А. А. Лимонов // Литейное производство. - 1974. -№8. - С. 33-34.

27. Богуславский, А. М. Улучшение выбиваемости жидкостекольных смесей /

A. М. Богуславский, Л. О. Середа, А. В. Хасин // Литейное производство. -1986. - №3. - С. 19.

28. Современное направление улучшения выбиваемости жидкостекольных смесей / И. В. Морозов, М. Г. Чернявская, Е. К. Аверин, Н. Д. Виткевич, А. П. Лубенец // Литейное производство. - 1984. - №2. - С. 17.

29. Кукуй, Д. М. Улучшение технологических свойств смесей с жидким стеклом / Д. М. Кукуй, В. А. Скворцов // Литейное производство. - 1983. -№1. - С. 15.

30. Жуковский, С. С. Перспективы применения смесей с жидким стеклом в литейном производстве / С. С. Жуковский, П. А. Борсук // Литейное производство. - 1983. - №1. - С. 12.

31. Лясс, А. М. Об улучшении выбиваемости смесей с жидким стеклом / А. М. Лясс, И. В. Валисовский // Литейное производство. - 1961. - №9. - С. 15-17.

32. Черногоров, П. В. Улучшение выбиваемости жидкостекольных смесей / П.

B. Черногоров, Ю. П. Васин, А. П. Никифоров // Литейное производство. -1962. - №12. - С. 35-36.

33. Жуковский, С. С. Проблемы прочности формовочных смесей / С. С. Жуковский // Литейное производство. - 1985. - №5. - С. 5-7.

34. Жидкостекольные формовочные смеси с улучшенными свойствами / Ю. П. Васин, М. М. Бортников, В. Г. Гурлев, В. И. Касаткин // Литейное производство. - 1986. - №4. - С. 11-12.

35. Ромашкин, В. Н. Смеси с улучшенными технологическими свойствами / В. Н. Ромашкин, И. В. Валисовский // Литейное производство. - 1990. - №2. -С. 17-18.

36. Иванов, Н. Х. Применение смесей с уменьшенным количеством жидкого стекла / Н. Х. Иванов // Литейное производство. - 1961. - №12. - С. 13-14.

37. Крутилин, А.Н. Повышение эффективности использования жидкостекольных смесей. Обзорная информация. Ч. 1. Модифицирование / А. Н. Крутилин, Ю. Ю. Гуминский, О.А. Русевич // Литейное производство. 2018, № 1, с.47-54.

38. Пат. 2094164 Российская Федерация, МПК В22С 9/10, 9/12. Способ изготовления литейных стержней и форм из жидкостекольных смесей / Э.Я. Иткис, А.П. Никифоров, А.С. Никифоров, М.В. Никифорова, А.В. Афанаскин, А.Н. Трудоношин; заявитель и патентообладатель: Челябинский государственный технический университет. № 96106924/02; заявл. 09.04.1996; опубл. 27.10.1997.

39. Пат. 2735607 Российская Федерация, МПК В22С 9/12, В22С 1/18 . Способ изготовления литейных стержней и форм из жидкостекольных смесей / И.О. Леушин, Л.И. Леушина, С.Б. Сорокин; заявитель и патентообладатель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева» (НГТУ). № 2020119661; заявл. 15.06.2020; опубл. 05.11.2020. Бюл. №31.

40. А. с. 1360876 СССР, МКИ В 22 С 5/04, 1/18. Способ приготовления связующего для литейных форм и стержней. Д.М. Кукуй, Ю.П. Ледян, А.Е. Иоде, В.Ф. Одиночко, С.И. Чигир, Б.Ф. Дудецкий. Опубл. 23.12.1987. Бюль. №47.

41. А. с. 1673247 СССР, МКИ В 22 С 1/18, 5/04. Способ приготовления модифицированного жидкостекольного связующего для изготовления литейных форм и стержней. С.П. Мартюк, Ю.Е. Шамарин, А.Л. Садомский, Т.К. Стеценко, А.М. Глазман. Опубл. 30.08.1991. Бюль. №32.

42. Пат. 2486987 Российская Федерация, МПК В22С 1/18. Способ изготовления комбинированных литейных форм из жидкостекольных самотвердеющих смесей / В.Н. Ромашкин, Ю.А. Степашкин, Ф.А. Нуралиев, А.С. Кафтанников; патентообладатель (и): В.Н. Ромашкин, Ю.А. Степашкин, Ф.А. Нуралиев, А.С. Кафтанников. № 2010153996/02; заявл. 29.12.2010; опубл. 10.07.2013. Бюль. №19

43. А. с. 1028415 А СССР, МКИ В 22 С 9/00, 1/18. Способ изготовления литейных форм и стержней. Х.И. Вишняков, В.И. Жморщук, В.А. Скаженник, И.С. Сычев. Опубл. 15.07.1983. Бюль. №26.

44. А. с. 114581 А1 СССР, МКИ В 22 С 9/02. Способ изготовления литейных форм и стержней. М.П. Майданов. Опубл. 01.01.1958. Бюль. №6.

45. Маслов К.А. Разработка и освоение методов повышения технологичности стержней из жидкостекольных смесей для стального и чугунного литья: дисс. канд. техн. наук (05.16.04). - Нижний Новгород, 2010. - 168 с.

46. Patent 3203057 US. Process for making cores and molds, articles made thereby and binder compositions therefor / Charles R. Hunt, Denmark Road, Hall Stewart. Publication date 31.08.1965.

47. Patent 4233076 US. Novel sand/silicate compositions for foundry molds/cores / Jean-Pierre Blanc, Francois Meiller. Publication date 11.11.1980.

48. Patent 2059538A1 DE. Bewertete Kern- und Formsandgemische / Gist William David. Veröffentlichung 09.06.1971.

49. Patent 209992B1 CS. Formovaci a jadrova chemicky tvrzena smes / Novacek Jaroslav, Turek Miroslav. Vydano 15.02.1982.

50. А. с. 1260100 СССР, МКИ В 22 С 1/02, 1/18. Самотвердеющая смесь для изготовления литейных форм и стержней. С.П. Дорошенко, А.П. Макаревич, А.С. Кочешков, И.П. Бороденко. Опубл. 30.09.1986. Бюль. №36.

51. А. с. 1380830 СССР, МКИ В 21 С 1/00, В 22 С 1/20. Смесь для изготовления литейных форм и стержней. М.Г. Чернявская, И.В. Морозов, Е.К. Аверин. Опубл. 15.03.1988. Бюл. №10.

52. А. с. 1770023 СССР, МКИ В 22 С 1/02, 1/18. Связующая композиция для формовочных и стержневых смесей. И.С. Сычев, В.А. Скаженник, В.Н. Киселев, В.И. Жморщук, А.А. Лимонова. Опубл. 23.10.1992. Бюль. №39.

53. Пат. 2703637 Российская Федерация, МПК В22С 1/00. Смесь для изготовления литейных форм и стержней / И.О. Леушин, А.Ю. Субботин, М.А. Гейко; патентообладатель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева» (НГТУ) . № 2019106201; заявл. 05.03.2019; опубл. 22.10.2019.

54. А. с. 1369848 СССР, МКИ В 22 С 1/18. Смесь для изготовления литейных форм и стержней. И.А. Микей, С.А. Флейтман, О.И. Смолькова, Р.И. Мирюк. Опубл. 30.01.1988. Бюль. №4.

55. А. с. 130633 СССР, МКИ В 22 С 1/18. Смеси для изготовления литейных стержней. А.М. Лясс, И.Б. Куманин, И.В. Валисовский. Опубл. 01.07.1960. Бюль. №15.

56. А. с. 1560356 СССР, МКИ В 22 С 1/02, 1/18. Смесь для изготовления литейных форм и стержней. Л.Е. Рожкова, М.М. Антонов, Т.И. Печенникова, Л.Е. Желдакова, Ю.П. Скобелина, Г.Л. Гандыль. Опубл. 30.04.1990. Бюль. №16.