Разработка технологических процессов приготовления связующего жидкостекольных смесей из наноразмерных кремнеземсодержащих материалов для производства стальных отливок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Юрасов, Владимир Владимирович

• Юрасов, Владимир Владимирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Юрасов, Владимир Владимирович

Введение.

Глава I. Использование в литейном производстве жидкого стекла, анализ 'способов его изготовления и особенности ударно-волновой обработки неметаллических^ материалов с использованием энергии

1 взрыва.

1.1. Общая характеристика жидкого стекла и его применение в литейном производстве.

I 1.2. Анализ основных факторов, влияющих на выбиваемость жидкостекольных смесей.

1.3. Существующие способы промышленного производства жидкого стекла. 1.4. Основные схемы, параметры и особенности ударно-волновой обработки неметаллических материалов с использованием энергии взрыва.

1.5. Цель и задачи исследования.

Глава II. Материалы и,методы исследования.

2.1. Основные материалы, применяемые в исследовании.

2.2. Экспериментальные методы определения-параметров, режима ударно-волновой обработки.

2.3. Метод атомно-силовой микроскопии.

2.4. Метод фотонной корреляционной спектроскопии.

2.5: Определение основных технологических свойств смесей на жидкостекольном связующем.

2.6. Статистические методы обработки экспериментальных данных.

Выводы к главе II.

Глава III. Исследование влияния ударно-волновой' обработки на гранулометрический состав и свойства сырьевых материалов производства жидкого стекла, а также размеры коллоидных частиц, присутствующих в водных растворах щелочного силиката натрия.

3.1. Влияние параметров взрывного нагружения на дисперсность щелочного силиката натрия и кремнеземсодержащих компонентов.

3.2. Исследование растворимости сырьевых материалов производства жидкого стекла после ударно-волновой обработки.

3.3. Исследование особенностей основных физико-химических свойств разработанного жидкостекольного связующего.

Выводы к главе III.

Глава IV. Исследование особенностей изменения свойств смесей для литейных форм и» стержней на жидкостекольном связующем, изготовленном различными способами.

4.1. Расчетная оценка изменения прочности смесей на разработанном жидкостекольном связующем. 1104.2. Исследование процессов, протекающих при отверждении- пластичных жидкостекольных смесей тепловой сушкой и углекислым газом.

4.3. Исследование основных физико-механических и технологических свойств жидкостекольных смесей, отвержденных тепловой'сушкой.

4.4. Исследование основных физико-механических и технологических свойств1 жидкостекольных смесей; отвержденных С02-процессом.

4.5. Исследование физико-механических и технологических свойств жидкостекольных смесей с жидкими сложноэфирными отвердителями.

Выводы к главе IV.

Глава, V. Промышленное испытание и внедрение* смеси-с жидким стеклом, полученном из нанодиспергированногс ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия.

5.1. Разработка технологии» изготовления жидкостекольного связующего из нанодиспергированного ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия для производства литейных форм и стержней на ЗАО «Машиностроительный завод «Плазма».:.

5.2. Испытание и внедрение технологического процесса изготовления смеси на жидкостекольном связующем, полученном из наноразмерного щелочного силиката натрия.

Выводы к главе V.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологических процессов приготовления связующего жидкостекольных смесей из наноразмерных кремнеземсодержащих материалов для производства стальных отливок»

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

Сегодня весьма перспективным, отвечающим современным требованиям, литейного производства, является изготовление форм и стержней из смесей на жидко стекольном связующем, что позволяет значительно сократить цикл изготовления отливок и снизить трудоемкость их изготовления, а также увеличить точность литья и устранить выделение токсичных веществ [1.5].

В нашей стране быстротвердеющие смеси с жидким стеклом получили промышленное применение с 1949 г. благодаря работам, проведенным специалистами ЦНИИТмаша, а также заводов тяжелого машиностроения и станкостроения [6, 7].

Значительный вклад в разработку теории: и практику производства отливок, с использованием смесей х жидким стеклом был внесен такими исследователями как Берг 77:77., Бречко A.A., Валисовский И.В., Васин Ю.П., Ва-щенко К.И., Великанов Г.Ф., Дорошенко С.П., Жуковский С.С., Илларионов И.Е., Кулаков Б.А., Лясс A.M., Ромашкин В.Я., Рыжков И.В. и др. Работы этих ученых позволили получить и внедрить, в промышленности обладающие улучшенной выбиваемостью жидкостекольные смеси, позволившие существенно повысить уровень качества продукции литейного производства.

Тем не менее, несмотря на накопленный богатый теоретический и экспериментальный материал, проблема затрудненной выбиваемости смесей на жидко стекольном связующем до настоящего времени не является окончательно решенной. Операция выбивки стержней, особенно крупных и сложных отливок, является одной из наиболее тяжелых, составляя 20 . 25 % общей трудоемкости изготовления продукции литейного производства [2, 3].

Юрасов В В.Кандидатская диссертация ' Введение

При этом, затраты на выбивку жидкостекольных смесей остаются более высокими по сравнению с песчано-глинистыми смесями и смесями с органическими связующими [3^ 8]. Известные технологические приемыши рекомендации по улучшению выбиваемости не всегда эффективны, а в качестве специализированных добавок используются целевые дорогостоящие материалы, значительно увеличивающие стоимость литья и, в ряде случаев, значительно снижающие рентабельность.производства;.

Наиболее простое и предпочтительное техническое решение, облегчающее выбиваемость смесей посредством сокращения вг последних содержания жидкого стекла, неразрывно связано; с понижением исходной прочности форм и стержней! Очевидно, что -для улучшения выбиваемости данным способом необходимо' использовать, жидкостекольное связующее, свойства которого даже, при пониженном' содержании? обеспечат требуемый уровень исходной? прочности смеси; Однако из анализа литературных данных следует, что* изготовить отвечающее вышеприведенным требованиям жидкое стекло известными- на сегодняшний день способами не представляется возможным.

Таким образом; разработка новых научно1 обоснованных способов изго-товле11ия;жидкого< стекла, а также составов- формовочных и стержневых смесей на его основе, обладающих, за счет пониженного содержания связующего, улучшенной выбиваемостью из. отливок и необходимым уровнем технологических свойств, является весьма актуальной' задачей. Актуальность выбранной темы, диссертационного исследования» также подтверждается выполнением; его в рамках программы Рособразования «Развитие научного потенциала высшей школы>> тема №1.120.04 (2006-2008 гг.);

Цель настоящего диссертационного исследования - создание для литейного производства жидкостекольного связующего; обеспечивающего улучшение выбиваемости .вследствие, возможности снижения своего содержания! в смесях без понижения прочностных свойств последних.

В'качестве наиболее рационального принципиальнонового подхода для достижения заданной цели в настоящей работе предложено изготавливать жидкостекольное связующее из наноразмерных порошков сырьевых растворяемых материалов, поскольку практически все свойства наноматериалов значительно отличаются от свойств крупнозернистых аналогов.

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

Научная новизна диссертационной работы заключается в выявлении закономерностей и особенностей процесса изготовления из кремнеземсодер-жащих материалов; нанодиспергированных ударно-волновой обработкой, жидкостекольного» связующего-для смесей» литейного производства, а также раскрытии механизма увеличения прочности, последних.

Установлено, что гранулометрический состав диспергированного УВО щелочного силиката натрия определяется величиной импульса давления, возникающего при отражении детонационной волны от металлической стенки пресс формы; при этом получение основной фракции с размером частиц 100 . 200'нм достигается при реализации импульса давления в диапазоне 0,12 . 0,16 МПа-с.

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

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

Установлено, что при высушивании разработанного жидкого стекла существенная, по отношению к обычному, неоднородность размеров частиц коллоидного кремнезема - 2 . 30 нм, обеспечивает более плотные и компактные упаковки последних, приводя к возрастанию прочности пленок связующего на 27 . 34 %, а, следовательно, и тождественному повышению предела прочности смесей, поскольку последние разрушаются по когезионному механизму.

На защиту выносятся:

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

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

- результаты экспериментального исследования растворимости1 сырьевых материалов производства жидкого стекла после ударно-волновой, обработки;

- результаты эксперименталыюго исследования особенностей основных физико-химических свойств разработанного жидкостекольного связующего;

- результаты расчетной оценки* изменения прочности смесей на разработанном жидкостекольномсвязующем;

- результаты исследования особенностей процессов, протекающих при отверждении-тепловой сушкой* и углекислым газом смесей на жидкостеколь-ном связующем, полученном из нанодиспергированного ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия;

- результаты сравнительного исследования основных технологических свойств отверженных наиболее распространенными в литейном производстве способами смесей на жидком стекле, приготовленном из нанодиспергиро-ванного ударно-волновой обработкой щелочного силиката натрия;

- результаты испытаний и внедрения разработанного на< основе проведенных исследований технологического процесса приготовления смеси на предложенном жидкостекольном связующем.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 181 страницу машинописного текста, 71 рисунок, 21 таблицу. Список используемой литературы включает 197 наименований. В приложении приведены копии актов внедрений, и патента РФ на изобретение, подтверждающие практическую ценность и актуальность данного исследования.

Заключение диссертации по теме «Литейное производство», Юрасов, Владимир Владимирович

Результаты исследования основных физико-механических и технологических свойств отвержденных искусственной тепловой сушкой смесей на жидкостекольном связующем, полученном растворением совместно диспергированной УВО смеси кварцевого песка с твердым гидроксидом натрия

Номер состава Исследуемые свойства

Газопроницаемость, ед. Влажность, % Осыпаемость, % Предел прочности при растяжении, МПа Работа выбивки в Дж после прокаливания опытных образцов смеси при температурах, °С

400 600 800 1000

1 132 . 150 2,2 0,45 0,6 18 17 36 26

2 1,6 0,25 1,2 22 21 97 37

3 1,9 0,18 1,4 32 23 188 49

4 2,4 0,12 1,9 45 40 314 100

5 2,9 0,06 2,0 53 47 382 129

6 124 . 148 2,2 0,45 0,45 14 14 29 18

7 1,6 0,35 0,9 16 8 79 27

8 1,9 0,25 1,3 26 24 132 38

9 2,4 0,16 1,7 39 32 261 52

10 2,9 0,08 1,8 46 40 299 92

11 128 . 148 2,2 0,55 0,4 13 12 26 14

12 1,6 0,45 0,8 15 15 70 22

13 1,9 0,3 1,2 21 21 110 32

14 2,4 0,22 1,5 31 18 211 41

15 2,9 0,12 1,7 36 29 235 63

Документ, подтверждающий внедрение организацией (предприятием), у которого отсутствует отчетность по форме Р-10 ЦСУ

АКТ о внедрении научно-исследовательской работы

Разработка Волгоградского государственного технического университета, а именно «Разработка технологии и изготовление при помощи энергии взрыва опытной партии жидкого стекла из стекловидного щелочного силиката в объеме 1 (одна)т.» выполненная в период с 15.03.08 г. по 10.04.08 г. в соответствии с ГОСТ 13078-81, внедрена на ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»

Назначение внедренной разработки - связующее для изготовления песчано-глинистых форм и стержней используемых при производстве отливок черных металлов.

Вид внедрения - жидкое стекло, полученное растворением в воде стекловидного щелочного силиката, подвергнутого ударно-волновому дроблению при помощи энергии взрыва, взамен жидкого стекла изготавливаемое методами автоклавного растворения

1. Организационно-технические преимущества - улучшение санитарно-гигиенических условий труда, снижение трудовых и материальных затрат, сокращение времени изготовления.

2. Социальный эффект - развитие научных исследований в области технологии изготовления жидкого стекла, закрепление приоритета России на данную разработку.

3. Экономический эффект - достигается за счет повышения производительности, снижения энергозатрат и улучшения качества продукции.

При этом ожидаемый годовой экономический эффект с момента внедрения результатов НИР составляет 459300 (Четыреста пятьдесят девять тысяч триста) руб.

Долевое участие Волгоградского государственного технического университета в экономическом эффекте составляет 100 % (сто)

Настоящий акт не является основанием для востребования с ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» премиального фонда.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ

От Заказчика

От Исполнителя

Научный руководитель, д.т.н., профессор