Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПЛАКИРОВАНИЯ ОГНЕУПОРНЫХ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Данное изобретение относится к области литейного производства и может найти практическое применение при подготовке огнеупорного зернистого наполнителя для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям.

В настоящее время многие типы отливок получают в керамических формах по выплавляемой модели, при этом прочность таких форм зависит от типа отливки и определяется параметрами качества связующего и огнеупорной суспензии. При получении разнопрофильных отливок часто требуется изготовление форм, имеющих различную прочность. В поточном производстве это достигается двумя путями.

1. Добавлением в суспензию разупрочняющих добавок, которые выгорают во время обжига формы, что приводит к понижению ее прочности.

2. Добавлению в присыпочный материал выгорающих добавок, что действует аналогично.

Оба эти способа имеют большие недостатки особенно при получении небольших серий отливок.

При использовании первого способа приходится приготавливать отдельную суспензию, что увеличивает расход материалов и трудоемкость процесса.

При использовании разупрочняющих добавок в качестве присыпки приходится их добавлять в пескосып, в котором используется метод «кипящего» слоя. Пескосып представляет собой вертикально установленный металлический кожух цилиндрической формы, на дно которого положена войлочная прокладка и снизу подается воздух под давлением, превышающим атмосферное. Помещенный в пескосып присыпочный материал находится во взвешенном состоянии, модель с нанесенным слоем суспензии опускают в рабочее пространство пескосыпа и при попадании на слой суспензии присыпочный материал прилипает к ней, формируя очередной огнеупорный слой на модели. Второй способ практически не применяется из-за того, что неоднородные материалы в пескосыпе поднимаются потоками воздуха на разную высоту и равномерно произвести обсыпку модели невозможно.

В литейном производстве плакированные смеси применяются при получении оболочковых форм.

Применение в качестве присыпки предварительно плакированного органической пленкой огнеупорного зернистого материала требует установки дополнительного специального оборудования. Например, плакирование может производиться с применением смесителей двух типов [1].

1. Чашевый смеситель (бегуны). Конструкция смесителя: цилиндрический кожух, сделанный из стального листа, и горизонтально расположенное дно. Снизу через центр донной части проходит вал, на нем закреплены горизонтально расположенные ножи, которые перемешивают огнеупорный материал при вращении вала. Над ножами на этом же валу расположены вертикально два катка, которые двигаются по окружности и размалывают окомкованные песчинки, в результате жидкое связующее равномерно наносится на их поверхность.

Существует конструкция смесителя с горизонтально расположенными катками. Перемешивание осуществляется на донной части смесителей.

2. Смеситель шнекового типа. Шнек находится в кожухе, расположенном горизонтально. При вращении шнека на него сверху подается огнеупорный зернистый материал и далее связующее с заданным расходом. Качество плакирования удовлетворительное.

Известен способ горячего плакирования [2]. Через песок, помещенный в смеситель, пропускают горячий воздух. Песок нагревается в процессе перемешивания до температуры 120…130°С. Затем в нагретый песок добавляют жидкую смолу с отвердителем. После кратковременного перемешивания смолы с горячим песком горячее дутье прекращают и смесь быстро охлаждают, вводя в смеситель отмеренное количество воды, затем перемешивают до тех пор, пока смесь не станет сухой. Сухую измельченную смесь перед использованием просеивают через сито.

В данном случае горячий воздух подают для нагрева песка, но в небольшой степени он способствует перемешиванию песка. Вся масса песка не находится во взвешенном состоянии.

Наиболее близким к предлагаемому способу является плакирование отделенных друг от друга огнеупорных частиц, находящихся во взвешенном состоянии, например, в вихревых смесителях. При разделении частиц оголяется вся их поверхность и нанесение органического покрытия облегчается.

Способы плакирования в вихревых смесителях приведены в работе [3].

Смеситель Promix (фирма «Simpson Maschinen AG», Швейцария) имеет следующую конструкцию. Смесительная камера, состоящая из цилиндрической и конической частей, диаметр которых в несколько раз меньше высоты, разделена поворотным затвором. В обеих частях камер, расположенных друг над другом, вращается быстроходный вал, на котором установлено по 4 лопасти (в каждой камере). Перемешивающие лопасти поддерживают движение зерен пека в горизонтальной плоскости. Благодаря обкатывающему движению достигается полное обволакивание зерен песка жидкой композицией. В верхней камере песок смешивается с одним компонентом, а в нижней - с другим (отвердителем).

В вихревом смесителе Tornado (фирма «Stotz», ФРГ) наряду с перевалочным и скользящим инструментом применены и другие специальные устройства для тонкого распределения пылевидных добавок, способствующих многократному рассеканию перемешиваемого материала и равномерному распределению добавок.

Особенность способа заключается в том, что оптимальной гомогенизации достигают благодаря принудительной системе перемешивания, когда горизонтальное и вертикальное положение смешиваемого материала изменяется строго последовательно, т.е. в конечном итоге песок движется вниз.

Недостатки способов:

1. Они не вписываются в технологическую схему получения керамической формы по выплавляемым моделям. Требуется установка дополнительного оборудования.

2. Плакированный материал слипается после удаления из смесителей и его необходимо просеивать, что требует установки дополнительного оборудования - вибросит.

3. Плакированный материал налипает на внутреннюю часть корпуса и вращающихся рабочих элементов смесителей, что приводит к потере материала. После эксплуатации смесители очищают.

4. Дополнительные операции очистки и просеивания увеличивают трудоемкость.

Технический результат предлагаемого решения - практическое отсутствие потерь плакирующего материала и снижение трудоемкости по сравнению с другими способами. Это достигается разработкой способа плакирования зернистых огнеупорных материалов без механического перемешивания компонентов.

Способ реализуется за счет обработки присыпочного материала, находящегося в пескосыпе во взвешенном состоянии, аэрозолью на основе раствора органического лака. Аэрозоль из сосуда подают сверху на поток огнеупорных частиц в течение 1…3 секунд через промежутки в 3…5 секунд под давлением, на 10…30% превышающим давление воздуха на входе в пескосып. Количество циклов обработки для одного слоя (от 2 до 3) зависит от размера присыпочного материала и толщины пленки покрытия, которая и определяет величину прочности керамической формы после обжига. В качестве выгорающего материала можно использовать раствор битумного лака плотностью 0,85…0,92 г/см³ с органическим растворителем. Проведенные эксперименты показали, что расход аэрозоля должен составлять 10…30 мл на один килограмм присыпочного материала.

Характер перемещения огнеупорного материала в «кипящем» слое отличается от характера его перемещения в вихревом потоке по способу прототипа. В первом случае материал движется постоянно вверх - вниз, во втором - сначала по горизонтали, затем вниз. Для оценки влияния предложенного способа на прочность керамической четырехслойной формы провели лабораторные испытания стандартных образцов. Готовили суспензию на основе гидролизованного этилсиликата с содержанием условного кремнезема 18% и наполнителем - дистенсиллиманитом. Вязкость суспензии для первого слоя составляла 43…45 с, второго слоя 25…27 с. Присыпка на первый и второй слои - электрокорунд №20, на 3…4 слои - электрокорунд №50. Отверждение огнеупорных слоев проводили вакуумно-аммиачным способом. Присыпочный материал обрабатывали в пескосыпе напылением аэрозоли лакового раствора с расходом 20 и 30 мл/кг. Модель из массы ВИАМ-102 (на основе восков) вытапливали в модельном составе. Формы сушили и подвергали обжигу при 900°С в течение 4-х часов. От каждой формы отделяли 4 стандартных образца и испытывали на изгиб по трем точкам. Всего испытали по 8 образцов каждого варианта. Результаты приведены в таблице.

Представленные в таблице результаты показали, что предложенный способ позволяет снизить прочность керамической формы с 3,1…3,2 МПа до 2,3…2,5 МПа, что соответствует 7,8…31,2%, без приготовления дополнительной суспензии.

Превышение давления паров аэрозоля над давлением воздуха более чем на 30% может привести к налипанию огнеупорных частиц на боковые стенки пескосыпа, так как при встречных потоках они начинают двигаться перпендикулярно оси потоков, то есть в горизонтальной плоскости.

Следует отметить, что при механическом перемешивании с органической добавкой, например смолой ОФ, ее расход по данным работы [4] составил 2 мас.%, и 2 мас.%, отвердителя, что при их плотности 1,6 и 0,8 г/см³ суммарно составляет 4,1 см³ или 41 см³ на 1 кг песка.

Практически снизить расход плакирующего материала можно при увеличении его плотности, однако это потребует увеличения времени механического перемешивания и делает невозможным получения аэрозоли. С повышением плотности плакирующего раствора ухудшается его кроющая способность, частицы не являются идеально круглыми.

Площадь налипания в смесителе Promix равна площади 4-х лопаток в верхней камере. Размеры лопатки [3] (0,4×1) м, при этом площадь 4-х лопаток с двух сторон составит 3,2 м². При налипании слоя в 0,5·10^-3 м его объем составит 1,6-10³ м³. Эта смесь периодически будет обваливаться конгломератом в нижний бункер, там отверждаться и выходить из смесителя в комках различных размеров. Соотношение по объему плакирующий материал: песок составляет 12,6 исходя из плотности песка 2,65 г/см³ (30 см³ на 1 кг песка). Отсюда потери плакирующего материала составят 1,6·10^-3 м³:12,6=1,27-10^-4 м³. В работе [3] также отмечается, что смеситель самоочищается после работы при вращении лезвий в обратную сторону. Однако в результате очистки отваливаются не отдельные частицы, а комья. В расчете не приведены потери от налипания на стенки бункера.

Преимущества нового способа:

1. Практическое отсутствие потерь плакирующего материала.

2. Наименьшая трудоемкость по сравнению с другими способами; не требуется установка дополнительного оборудования.

4. Нанесенный органический раствор быстро высыхает из-за воздействия на него потоков воздуха в «кипящем» слое.

Литература

1. Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов. М.: Машиностроение, 1977, 510 с.

2. Изготовление оболочковых форм и стержней // Пресс-формы, штампы, обработка металла. - http://delta-grup.ru/bibliot/12/78.htm.

3. Овчинников В.В., Руденко А.Б. Международная выставка литейного оборудования. Литейное производство, 1984.- №12. - С.31-32.

4. Жуковский С.С., Лясс A.M. Формы и стержни из холоднотвердеющих смесей. М.: Машиностроение, 1978. - 224 с.