CC BY
170
Влияние внутреннего охлаждения роликов ЗВОМНЛЗ на теплоотвод от слябовой.
Казаков А.С., Столяров А.М.
Скорость вытягивания сляба из кристаллизатора, м/мин
Рис. 2. Изменение доли тепла, теряемого заготовмэй с водой, циркулирующей внутри роликов разных секций ЗВО, в зависимости от смэрости вытягивания из кристаллизатора сляба шириной 1730 мм
рости вытягивания и ширины заготовки выражена либо очень слабо, либо практически отсутствует. При этом следует заметить, что во второй роликовой секции съём тепла от заготовки является минимальным, а в третьей и четвёртой секциях постепенно возрастает, однако, не достигая максимального уровня, характерного для первой роликовой секции.
Вышесказанное свидетельствует о том, что при использовании фактических расходов воды для внутреннего охлаждения роликов исследуемого участка ЗВО МНЛЗ, не обеспечивается стабильный отвод тепла от отливаемой слябовой заготовки по длине зоны вторичного охлаждения.
Таким образом, расчётным методом с использованием экспериментальных данных определены значения относительного количества тепла, отводимого от непрерывно-лигой заготовки водой, ж пользуемой для внутреннего охлаждения роликов начального участка ЗВО криволинейной слябовой МНЛЗ с вертикальным участком. При отливке слябов толщиной 250 мм и шириной 1270, 1560, 1730, 2050 и 2300 мм со скоростью
Ширина сляба, мм
Рис. 3. Изменение доли тепла, теряемого заготовюй с водой, циркулирующей внутри ролиюв разных секций ЗВО, в зависимости от ширины сляба при скорости вытягивания заготовки 0,7 м/мин
вытягивания заготовок из кристаллизатора от 0,5 до
0,9 м/мин расчётные значения относительного количества тепла изменялись в диапазоне от 11,0 до 22,5% (отн.) и в среднем составили 15,9% (отн.).
Для верхней половины вертикального участка ЗВО машины установлены возрастающие зависимости доли теряемого слябом тепла с водой для внутреннего охлаждения роликов от скорости вытягивания заготовки из кристаллизатора и от ширины сляба. Увеличение ширины заготовки на каждые 100 мм вызывает рост потерь тепла слябом с водой примерно на
0,5% (отн.). В нижерасположенной части исследуемого участка ЗВО зависимость тепловых потерь сляба с охлаждающей водой внутри роликов от скорости вытягивания и от ширины заготовки выражена очень слабо либо практически отсутствует.
Существующие расходы воды для внутреннего охлаждения роликов исследуемого участка ЗВО МНЛЗ не обеспечивают стабильный отвод тепла от отливаемой слябовой заготовки по длине зоны вторичного охлаждения машины.
УДК 621.74.045
Чернов В.П., Селиванова Е.А
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ОГНЕУПОРНЫХ СУСПЕНЗИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ ПРИ ЛИТЬЕ
ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
Литейную форму стоит рассматривать как инструмент для обработки жидкого металла - получение отливок с заданными размерами, чистотой поверхности, структурой и свойствами.
Наиболее существенными особенностями изготовления форм и формирования свойств отливок при литье по выплавляемым моделям является то, что основой способа является неразъемная и негазотворная горячая оболочка с гладкой рабочей поверхностью [1].
Основными материалами керамических оболочковых форм (КО), как правило, являются высокоогне-
упорные окиды (8і02,А120з и др), а также связующее вещество. В КО получают отливки практически из всех известных сплавов, используемых в промышленности. Для изготовления оболочковых форм используют огнеупорные материалы зернистых и пылевидных фракций. Рекомендуемые области применения пылевидных и зернистых фракций огнеупорных материалов при производстве КО приведены в табл. 1.
Из числа приведенных огнеупорных материалов наибольшее распространение получил карьерный кварцевый песок и получаемый из него кварц пыле-
видный (кварц кристаллический). Кроме того, для изготовления КО достаточно широко используют высокоглиноземистый шамот, белый электрокорунд и дистен-силлиманит.
Кварц кристаллический является природным минералом. Для обсыпки блоков используют кварцевые пески с содержанием глинистой составляющей не более 2% (по массе) и низкой долей мелких фракций. Для обсыпки первого слоя применяют пески со средним размером частиц 0,16-0,20 мм, для последующих слоев - более крупные пески со средним размером частиц 0,315-0,40 мм.
Наиболее существенным недостатком кварцевого песка как огнеупорного материала, используемого для изготовления оболочки, является его значительное и «скачкообразное» изменение объема при нагреве и охлаждении, вызванное наличием полиморфного превращения его структуры [2].
Для сохранения бездефектной структуры КО наиболее существенным является изменение объема кварцевого песка (увеличение на 1,4% при нагреве), происходящее при температуре 575°С. Резкое изменение объема зерен кварцевого песка в структуре керамической оболочки при 575°С приводит к образованию в теле керамической формы достаточно большого количества микротрещин. В результате этого прокаленные формы, изготовленные на основе кварцевого песка, обладают невысокой прочностью, термостойкостью и требуют определенного режима прокаливания. Кроме того, результатом полиморфного превращения кварцевого пес -ка является относительно невысокая и недостаточно стабильная точность получаемых отливок.
Пылевидные огнеупорные материалы (ПМ) используют в качестве наполнителей огнеупорных суспензий,
а также для изготовления керамических стержней. От них во многом зависят технологические свойства огнеупорных суспензий, физико-химические свойства КО и керамических стержней и в конечном счете качество отливок. Основными показателями каждого конкретного ПМ является его дисперсность, гранулометрический состав, форма зерен исодержание примесей.
Наиболее целесообразным методом изготовления ПМ является совмещение струйного способа гомола зернистого материала с их последующей кратковременной обработкой в вибромельнице. Использование вышеописанной схемы помола позволяет получать ПМ с относительно невысоким содержанием железа и формой частиц огнеупорного материала, близкой к округлой [2].
Жидкие керамические смеси получают путем смешивания в определенной пропорции гидролизованного раствора этилсиликата с огнеупорным материалом заданного гранулометрического состава при добавлении небольшого количества ускорителя твердения [5].
Жидкие керамические смеси могут иметь различные плотность и вязкость, что зависит от количества и гранулометрии огнеупора; эти же параметры влияют и на другие технологические свойства керамических смесей и керамических литейных форм.
При ручном нанесении первый, а иногда и второй слой оболочки формируют суспензией с меньшей вязкостью, чем последующие слои. В зависимости от вязкости суспензии подбирают и зернистость обсы-почного материала. При жидких суспензиях используют мелкий, а при густых крупный обсыпочный материал. При изготовлении суспензии, связующим которой является водный раствор коллоидного кремнезема, следует иметь в виду, что во время выстаивания суспензии происходит смачивание поверхности час -
Таблица 1
Рекомендуемые области применения материалов для изготовления КО
Огнеупорны й материал Сплав отливки
Сталь Чугун НК (заливка в вакууме) НК (заливка на воздухе) Медные сплавы Алюминиевые сплавы Магниевые сплавы
УНС М В
Кварц кристаллический П-3 3 П-3 П-3 П-3 П-3 П-3 П-3
Кварц аморфный П-3
Дистен- силлиманит П-3 П П П П П-3 П-3 П-3
Электрокорунд белый П-3 П-3 П-3 3
Окись магния П-3
Шамот высокоглиноземистый П-3 3 П-3 3 П-3 П-3 П-3 П-3
Муллит П-3 П-3
Концентрат цирконовый П п П
Примечание. П - пылевидный материал (для приготовления огнеупорной суспензии), 3 - зернистый материал (для обсыпки блоков), УНС - стали конструкционные и нелегированные, высокоуглеродистые, низко- и среднелетрованные, магнитные сплавы, М - стали марганцовистыес содержанием марганца более 1%, В - стали высоколегированные (кроме марганцовистых), НК - никелевые и кобальтовыежаропрочные сплавы.
тиц пылевидного огнеупорного материала и вязкость суспензии снижается. Снижается также вязкость во время выстаивания суспензий со спиртовыми раство-рами этилсиликата, но в меньшей мере. Поэтому такой эффект понижения вязкости суспензии необходимо учитывать при ее изготовлении.
Нанесение слоев суспензии на блок моделей является важнейшей операцией при формировании керамической оболочки, влияющей на качество отливок. Одним из основных требований к качеству суспензии является возможность более длительного сохранения ее постоянных свойств. Поэтому работа с суспензией должна быть максимально простой, и оболочки должны отверждаться быстро. Эти требования связаны со свойствами суспензий.
Суспензии, состоящие из огнеупорного наполнительного материала коллоидального раствора кремнезема и его гидратов, стареют, и их свойства изменяются по истечении определенного количества времени. Практически это проявляется в том, что через некоторое время после приготовления суспензии становится трудно получить равномерные по толщине оболочки, прочностные свойства керамики снижаются и увеличивается склонность к растрескиванию формы.
Огнеупорный материал, используемый для су с -пензии, не должен содержать вещества, которые приводят к нарушению стабильности золя и вызывают укрупнение коллоидных дисперсий, кремнезема и их гидратов за счет соединения мельчайших частиц -дисперсоидов в крупные агрегаты [3].
С целью изучения влияния добавок различных наполнителей на свойства суспензии определили pH гидролизованного этилсиликата без добавок мелкодисперсной основы, а также с введением таких добавок, как маршалит, доменный шлак, магнезит, зола ТЭЦ ОАО «ММК» При проведении опытов на мар-шалите pH суспензии составляет 2,2, следовательно, среда раствора является кислой.
При добавлении прокаленного гранулированного доменного шлака в раствор, в котором в качестве связующего использован этилсиликат, pH возрастает до 6,3. При этом происходит быстрая полимеризация и затвердевание суспензии. Химический состав доменного шлака приведен в табл. 2. Аналогичные результаты получены и при использовании в качестве материала основы оболочек магнезита, твердение при введении которого происходит при рН=6,45. Следовательно, если pH суспензии становится больше 6, то есть среда рас -твора переходит из кислой в нейтральную, происходит полимеризация и быстрое затвердевание суспензии.
Интересные результаты были получены при ис-пользовании в качестве материала основы золы ТЭЦ ОАО «ММК». В процессе перемешивания связующего раствора с пылевидной составляющей был измерен pH суспензии, который составил 2,7 [4].
Таким образом, проведенные исследования показали, что для этилеиликатных связующих нецелесообразно использование основных наполнителей, поскольку это приводит к быстрому твердению, а возможно применение только кислотных и нейтральных
наполнителей или наполнителей, не содержащих активных оксидов СаО и MgO, при введении которых pH среды не превышает 4,3. Тем не менее, возможно частичное введение в суспензию основных материалов для регулирования времени ее живучести.
Для того чтобы проверить адекватность полученных результатов в выстоянный раствор гидролизованного этилсиликата была добавлена известковая пыль. При процентном соотношении 89% гидролизованного этилсиликата и 11% известковой пыли была получена творожнообразная масса, то есть суспензия начинает уже затвердевать при таком массовом соотношении. Таким образом, времяживучести суспензии минимально, что не позволяет работать с такой сус -пензией в производственных условиях. А использование известковой пыли в качестве наполнителя суспензии невозможно. Следовательно, предположение, изложенное ранее, подтвердилось.
В литейной лаборатории кафедры ЭМ и ЛП были проведены исследования по сокращению времени суш -ки слоев форм путем добавления в суспензию в качестве катализатора золы ТЭЦ и доменного шлака. Составы этих отходов производства приведены в табл. 2.
При добавлении в суспензию доменного шлака как основы суспензии и ускорителя процесса происходит мгновенное затвердевание самой суспензии. Помещение заполняется неприятным запахом, сходным с запахом сероводорода.
Эксперименты показали, что использование доменного шлака как катализатора процесса нецесообразнэ, так как при частичном его добавлении в суспензию, в которой в качестве основы был использован маршалит, происходит сначала расслоение суспензии, а затем ее твердение.
Чтобы избежать расслоения суспензии, измельчили зерно доменного шлака до пылевидного, твердение суспензии вследствие этого ускорилось. Таким образом, использование доменного шлака в качестве основы суспензии является нецелесообразным.
Следующим шагом было проведение экспериментов по введению золы ТЭЦ в качестве основы суспензии. Эксперименты были проведены на 100 мл этилсиликата. При добавлении 10 г золы ТЭЦ и выстаивании 35 мин твердения не происходит.
При добавлении еще 10 г и выстаивании 35 мин аналогичный эффект, но после прибавления еще 10 г и выстаивании 25 мин часть золы ТЭЦ принимает пластилинообразную массу. При введении еще 10 г пылевидный материал медленно и постепенно осаждается на дно емкости, т. е. переход к пластилинооб-
Таблица2
Оксидные составляющие отходов производства
Шлак Содержание, %
SiO2 AI2O3 CaO MgO FeO Прочие MnO
Зола ТЭЦ 62-66 13-17 2-5 2-5 25-35 2-4
Доменный шлак 3Q-4Q 5-15 35-45 3-2Q Q,1-1 ,Q Q,2-3,Q
разной массе по большему объему суспензии.
При внесении следующих 10 г и выстаивании 30 мин осаждение постепенно ускоряется и слой увеличивается в 2,5 раза. При внесении последующих 10 г через 7 мин происходит полное затвердевание суспензии. Таким образом, при процентном соотношении 62,5% гидролизованного этилсиликата к 37,5% золы ТЭЦ происходит полное твердение суспензии. Следовательно, именно золу ТЭЦ можно применять в качестве катализатора процесса.
В дальнейшем проводили исследования по час -тичному введению золы ТЭЦ как ускорителя процес -са. Полученные данные представлены в табл. 3.
В первом опыте в суспензию добавляли 50 г золы ТЭЦ и 25 г маршалита, т. е. 67% золы ТЭЦ и 33% маршалита, твердение суспензии - через 5 минут.
При добавлении в гидролизованный этиле иликат 40 г золы ТЭЦ (57%) и 30 г маршалита (43%) твердение суспензии при перемешивании не происходит (опыт № 2). При нанесении первого огнеупорного слоя на модель и обсыпки его золой ТЭЦ полное его затвердевание происходит через 5 мин. Такие же результаты получены и при нанесении последующих 3 слоев. Стоит отметить то, что такое быстрое твердение достигнуто при отсутствии аммиачной сушки. Но после 23 мин происходит загустение суспензии и ее постепенное затвердевание.
При проведении третьего опыта и добавлении 40 г (53%) золы ТЭЦ и 35 г (47%) маршалита было нанесено три слоя керамического покрытия, через 19 мин наступило загустение и последующее за ним твердение суспензии.
При добавлении 40 г золы ТЭЦ (50%) и 40 г маршалита (50%) было нанесено всего 2 слоя суспензии и на 16-й минуте суспензия затвердела, т. е. время ее живучести сократилось (опыт № 4).
Последующий эксперимент был произведен при 42 г золы ТЭЦ (56%) и 33 г маршалита (44%), твердение произошло после нанесения трех слоев на 18 минуте.
Полученные данные не однозначны и требуют проведения последующих и более тщательных экспериментов.
На данный момент по проведенным экспериментам, где в качестве катализатора процесса используется зола ТЭЦ, можно сделать следующие выводы:
- так как в огнеупорной суспензии со связующим,
Таблица 3
Время живучести предполагаемых суспензий
Номер опыта Количество згилси-ликага, г Количест -во наполнителя, г Наполнитель, % Время живучести суспензии, мин
зола ТЭЦ мар шалит
1 100 75 67 33 5
2 100 70 57 43 23
3 100 75 53 47 19
4 100 80 50 40 16
5 100 75 56 44 18
обладающим кислыми свойствами, присутствует железо, то водородный показатель (pH) повышается, что приводит к снижению времени живучести раствора;
- примесь железа в ПМ нежелательна еще и потому, что в связующих веществах, обладающих кислыми свойствами и содержащих соляную кислоту в качестве катализатора реакции гидролиза этилсиликата, происходит взаимодействие соляной кислоты и железа с выделением водорода, что приводит к вспениванию суспензии и повышению ее вязкости.
В связи с этим, из наполнителя перед использованием в составе огнеупорной суспензии проводят удаление намолотого железа или, проводя специальные мероприятия, устраняют вредное влияние железа на качество отливки.
Из всего вышесказанного следует, что при час -тичном использовании основных наполнителей мож-но сократить время сушки КО, тем самым исключить ускоренное химическое отверждение слоев оболочки с применением аммиака.
Операцию химического отверждения производят в герметично закрывающихся сушильных установках, поскольку аммиак токсичен и имеет резкий запах. После сушки в парах аммиака блоки проветривают на воздухе до полного удаления запаха аммиака и наносят следующий слой огнеупорного покрытия [3].
Проветривание блоков - операция обязательная, поскольку степень удаления аммиака из огнеупорного покрытия влияет не только на прочность изготавливаемых КО, живучесть используемой суспензии, но и омыляемость модельных составов, имеющих высокое кислотное число.
КО, отвержденные аммиаком, имеют меньшую прочность, чем оболочки, высушенные на воздухе, примерно на 55% [3]. Также одним из наиболее существенных недостатков отверждения оболочек аммиаком для человека является токсичность его паров.
Следовательно, исключение вакуумно-аммиачной сушки, несомненно, приведет к улучшению экологической обстановки на предприятии. Исключит опас-ностъ отравления аммиаком, а следовательно, предотвратит раздражение слизистых оболочек, поражение глаз и дыхательных путей, расстройства пищеварения, ослабление слуха, а также сильное возбуждение, вплоть до буйного бреда, последствия которого могут быть весьма тяжелыми - снижение интеллекта и изменение личности.
Таким образом, частичное введение основных наполнителей ускоряет время сушки КО, увеличивая pH связующего раствора и переводя его в область pH 5-6, где и происходит быстрое твердение КО. Следовательно, дальнейшие эксперименты будут направлены на поиск такого огнеупорного наполнителя, при добавлении которого уровень pH сдвигался бы в область твердения суспензии. При этом наполнитель не должен содержать оксиды железа и не претерпевать полиморфных превращений при нагреве и прокаливании. Использование таких наполнителей позволит исключить вакуумно-аммиачную сушку.
Список литературы
1. Литье по выплавляемым моделям / под ред. Я.И. Шкленника и В.И. Озерова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1971. 436 с.
2. Репях С. И. Технологические основы литья по выплавляемым моделям. Днепропетровск: Лира, 2006. 1056 с.
3. Производсгвот очных отливок / И. Дошкарж, Я. Габриель, М. Го-ушгь. М.: Машиносгроение,1979. 296 с.
4. Чернов В.П., Селиванова ЕА. Влияние наполнителей на время живучести суспензий на эгилситикате // Тез. докл. XII науч.-техн. конференции ЗАО «МРК». Магнитогорск, 2008. С. 94-95.
5. Кон Е. Соображения о свойствах керамических масс, используемых в точном литье // 40-й Междунар. конгресс литейщиков. Ч. 2. М.: НИИМАШ, 1975. С. 139-152.
Bibliography
1. Investment casting / under the editorship of Y.I.Shklennika's and V.I.Ozerov. 2nd edition, advanced. M.: Mechanical engineering, 1971. 436 p.
2. Repyax S.I. Technological basics of investment castng. Dnepropetrovsk: Lyre, 2006. 1056 p.
3. Precision castings manufacture / I.Doshkarzh, Y.Gabriel, M. Goysht. M.: Mechanical engineering, 1979. 296 p.
4. Chernov V.P., Selivanov E.A. The influence of fllers on durability of ethyl silicate suspensions // Abstracts of reports of the XII scientific and technical conference of Joint-Stock Company "MRK1. Magnitogorsk, 2008. P. 94-95.
5. Con E. Considerations about properties of the ceramic mixtures used in precision casting // the 40-th international congress of founders. Part 2. M. NIIMASH, 1975. P. 139-152.
