Анализ методов улучшения жидкостекольных смесей

Следовательно, при охлаждении с более высоких тем­ператур расплав будет содержать относительно большее коли­чество твердых инородных включений и сплошность силикатной пленки будет в большей степени нарушена, что будет приводить к дальнейшему уменьшению величины А.

Таким образом, после полного охлаждения пленка, склеившая зерна кварцевого песка, будет иметь не первоначальный состав, соответствующий, например, точке a на диаграмме состояния (рис. 6), а состав, в зависимости от температуры нагрева соот­ветствующий, например, точкам б, в или г. С другой стороны, если образцы, один раз нагретые до 1200° C (точка б), вновь на­гревать до 800, 1000 и 1200° C, то состав пленки останется неиз­менным. Следовательно, работа, затрачиваемая на выбивку вто­рично нагреваемых образцов, будет примерно одинаковой при всех температурах вплоть до 1200° C. Однако величина A должна быть ниже, чем при первом нагреве до 1200° C, так как при вто­ричных нагреве и охлаждении увеличиваются напряжения за счет модифицированных изменений кварца и возникающих тер­мических напряжений. Подтверждение находим в опытах, приве­денных на рис. 8.

Справедливость последней гипотезы подтверждается также опытами, при которых в качестве наполнителя вместо кварце­вого песка был взят цирконовый. В этом случае не только не было обнаружено уменьшения прочности после достижения темпера­туры второго максимума, но, наоборот, при нагреве до более высоких температур (1400° С) прочность непрерывно возрастала.

Рис. 8. Работа, затра­ченная на выбивку образ­цов из смеси на жидком стекле: 1 — предварительно высу­шенных при 200° C; 2 — предварительно прокаленных при 120° С.

Одним из главных вопросов, имеющих основное значение для практического улучшения выбиваемости смесей, является максимальное расширение интервала первого минимума работы, затрачиваемой на выбивку стержней.

Выбором более сложных, например тройных систем с определен­ным соотношением компонентов, можно получить необходимую заданную температуру образования второго максимума.

Обратимся к диаграмме состояния системы NaO—AlO—SiO(рис. 9). Расчет по соответствующей изотерме диаграммы состояния (рис. 9) показывает, что для получения второго максимума при 1400° C в смесь, содержащую 5% жидкого стекла, модуля 2,7 (SiO—31,6%; NaO—12.0%), необходимо добавить 0,97% AlO.

Соответствующие опыты, проведенные с вве­дением в смесь, содержащую 5% жидкого стекла, дополнительно 3% химически чистого AlO, количество которого по срав-нению с расчетным было значительно увеличено для более четкого выявления закономерности и ввиду возможного неполного усвое­ния

глинозема, подтвердили изложенные представления.

Рис. 9. Диаграмма состояния системы NaO — AlO — SiO .

Линия A— A соответствует сплавам, в которых модуль жидкого стекла равен 2.7.

Из опытов (рис. 10) видно, что при добавке AlO второй максимум, в соответствии с расчетными данными, «передвинулся» с 800 до 1400° С. При этом интервал первого минимума увеличился с 400—600 до 600—1200° C. Кроме того, величина второго макси­мума при добавлении в смесь AlO также заметно уменьшилась, что объясняется появлением на зернах наполнителя инертного слоя, непрореагировавшего с силикатом натрия глинозема, зна­чительно снизившего адгезию пленок, а также, возможно, мень­шей прочностью алюмосиликатов натрия. Исходные свойства смеси при добавлении глинозема изменились незначительно. При содержании 5% жидкого стекла и 3% AlO смесь после продувки CO имела предел прочности при сжатии 11.0 кГ/см ² , что вполне удовлетворяет технологическим требованиям.

1.4. Влияние неорганических добавок

1.4.1.Влияние глины

Одной из наиболее распространенных добавок, вводимых в формовочные смеси для улучшения выбиваемости, в том числе в смеси с жидким стеклом, является глина. В проведенных опытах она содержала 27% AlO. Расчёт показывает, что для образования второго максимума при 1200º C в смесь необходимо ввести 3,0% глины (0,81% AlO); при дальнейшем увеличении глины максимум соответственно будет перемещаться вправо и составлять 1300 и 1400º C.

Как видно из диаграммы состояния, изменением модуля стекла и введением в смеси надлежащего количества AlO могут быть выбраны силикатные системы, обеспечивающие получение второго максисума при 1500, 1600º C и более высоких температурах.

Рис.11.Работа, затраченная на выбивку образцов из смесей:

а — без глины; б—3% глины; в — 5% глины; г — 9% глины.

Результаты опытов показывают совпадение эксперименталь­ных данных с расчетными (рис. 11). Они подтверждают также целесообразность введения в смеси с жидким стеклом глины и дают удовлетворительное объяснение эффективности ее действия как средства, существенно облегчающего выбивку стержней из отливок. Отметим, что при перемещении второго максимума вправо работа, затраченная на выбивку образцов, нагретых до температуры второго максимума, снижается в не­сколько раз (рис. 11). При значительном содержании в смесях глины (более 5%) хотя и резко облегчается выбивка стержней, однако исходная прочность оказывается низкой, что затрудняет практическое использование этих смесей.

Для улучшения исходных свойств целесообразно заменить глину веществом, не способным вступать в ионогенное взаимодей­ствие с жидким стеклом и содержащим большое количество AlO.

1.4.2.Влияние шамота

В качестве инертного к жидкому стеклу материала, богатого AlO, был исследован шамот. Как и следовало ожидать, физико-механические свойства смеси при добавлении шамота не ухудши­лись (предел прочности на сжатие после продувки CO составлял 12—13 кГ/см² . Однако влияние шамота на температуру образования второго максимума не обнаруживалось (рис. 12) — второй мак­симум образовался при 800º С, т. е. при той же температуре, что и в смесях без добавок. Объясняется это, по-видимому, тем, что муллит (3AlO•2SiO) —основная составляющая шамота — инертен к расплаву жидкого стекла и не дает с последним тройных соединений.

При высоких температурах муллит очень устойчив и не подвер­гается разложению даже вблизи температуры плавления (1810° С).

При температуре 500—600° C из глины удаляется практически вся влага, в том числе и кристаллизационная, в то же время процесс муллитизации при этих температурах еще не начинается и химическая активность глинозема сохраняется, что должно способствовать смещению второго максимума в область более высоких температур. Действительно, из рис. 12, б видно, что смесь с добавкой 5% глины, прокаленной при 600° C, дает второй максимум прочности при 1200° C, т. е. там же, где и смесь с добав­кой необожженной глины. Напротив, в глине, прокаленной при 1300° C, процесс муллитизации прошел практически полностью, поэтому ее добавление в смеси не изменило температуру образова­ния второго максимума (рис. 12, б), так же как это имело место при добавлении шамота (рис. 12, а).

1.4.3.Влияние боксита

Опыты И. В. Валисовского и А. М. Лясса показали, что для снижения величины работы, затрачиваемой на выбивку стержней, необходимо применять ма­териалы, содержащие AlO, способные образовывать тройные соединения с NaO и SiO. Одним из таких материалов, содержа­щих значительно большее количество AlO, чем глина, является боксит, в состав которого входят гидраргиллит Al(OH), бёмит AlOOH, диаспор HAlO. Все эти материалы при нагреве разлагаются с образованием активного γ — AlO.

Наиболее известными в России являются Краснооктябрьское, Североуральское и Тихвинское месторождение бокси­тов (табл. 1).

Таблица 1

Химический состав бокситов

Месторо- ждение боксита	Содержание компонентов в %								Потери при про - каливани в %
	AlO	SiO	FeO	CaO	МgO	TiO	PO
Красноок- тябрьское Северо­уральское Тихвинское	40,1 55,6 47,12	3,1 3,09 19,4	30,9 23,4 13,51	0.46 1,92 1,6	0.2 — 0.31	1,9 2,3 —	0,12 — 0,05	23,0 12,72 18,24

На рис. 13 приведены результаты испытания смеси с 3% бок­сита Тихвинского месторождения. Из опытов видно, что законо­мерность образования второго максимума за счет AlO, содер­жащегося в боксите, оказалась такой же, как при использовании химически чистого AlO и глины. При этом небольшая (3%) добавка боксита влияет так же, как и добавка 5—7% глины.

Физико-механические свойства смесей с добавками боксита высо­кие (предел прочности при сжа­тии образцов, продутых CO, 10— 12 кГ/см² ), что создает возможности для их практического использова­ния, особенно если учесть, что СССР обладает огромными запа­сами боксита.

Таким образом, введение в сме­си с жидким стеклом небольших добавок боксита позволяет расши­рить зону, благоприятную для условий выбивки («первый мини­мум»), с 400—600° C (рис. 13) до 400—1000° C (рис. 13) и в несколько раз сократить трудоем­кость выбивки стержней после их нагрева до температуры образо­вания второго максимума.

По данным Ново-Краматорского машиностроительного завода в экспериментальных условиях были получены хорошие результаты при одновременном введении в смеси с жидким стеклом 3% боксита и 12% шамотного порошка (табл. 2).

Таблица 2

Зерновой состав шамотного порошка (глинистая составляющая 18,29%)

№ сит	Остаток в %	№ сит	Остаток в %	№ сит	Остаток в %	№ сит	Остаток в %
2.5 1.6 1,0	1,0 12,4 24.6	063 04 0315	17,47 8,5 3,2	020 016 010	3,2 5.8 2,6	0063 005 Тазик	1.5 1,0 0,44

Аналогичные результаты были получены при введении в смеси с жидким стеклом не только AlO, но и других добавок, способных образовывать с NaO и SiOтройные системы с высокой темпера­турой плавления. В качестве таких добавок были взяты CaO и MgO. Согласно диаграмме состояния

Рис. 14. Диаграмма состояния системы NaO–CaO–iO .

(рис. 14) максимальная температура плавления тройных соединений, лежащих на ли­нии АА и содержащих SiO: NaO= 2,5—3,0, составляет 1200° С. Расчет показывает, что для достижений этой температуры плав­ления при 5% жидкого стекла достаточно ввести в смесь 0,5— 0,6% чистой окиси кальция. Однако смесь, содержащая даже такое незначительное количество CaO, обладает очень плохими физико-механическими свойствами: малой прочностью и большой осы­паемостью стержней, по-видимому, из-за большой гигроскопич­ности окиси кальция. Предварительное гашение CaО, добавление в смесь необходимого количества воды или использования гидро­окиси кальция Ca(OH) не улучшило существенно свойства смеси.

1.4.4.Влияние мела

Вместо окиси кальция в опытах был применен мел в количестве 1,1%, необходимом для получения второго максимума при 1200° С. Смесь обладала удовлетворительными тех­нологическими свойства­ми. Предел прочности об­разцов при сжатии после продувки СО составлял 12 кГ/см² . Появление вто­рого максимума (рис. 15) наблюдалось при темпера­туре 1200° C, что соответ­ствует расчету. Увеличе­ние в 3—5 раз количества мела, вводимого в смесь, практически не изменяет положения второго макси­мума, что вытекает из рассмотрения диаграммы состояния (рис. 14).

Таким образом, добавка мела в стержневую смесь подтвердила справедливость описанных общих закономерностей и показала пер­спективность применения мела в качестве средства, облегчающего выбивку стержней из отливок.

1.4.5.Влияние окиси магния

Добавление окиси магния в смесь в небольших количествах (до 0,6%) позволяет в соответствии с тройной диаграммой NaO–MgO–SiO (линия A— A на рис. 16) повысить температуру второго максимума работы выбивки до 1400° C (рис. 17).

Однако смесь, содержащая окись магния, так же, как и CaO, гигроскопична, поэтому для получения удовлетворительных фи­зико-механических свойств смеси в нее необходимо вводить до­полнительное количество воды, либо предварительно «гасить» MgO.

Рис.17.Работа,затраченная на выбивку образцов из смеси с добавкой 0,5% MgO; 1 — высушенных при 200° C; 2 — продутых CO .

1.4.6.Влияние добавок доменного шлака

Исследовали возможность использования гранулированных доменных шлаков Енакиевского металлургического завода в составе жидкостекольных смесей для улучшения их выбивае­мости[5]. Из представленной схемы (рисунок) следует, что для улучшения выбиваемости быстротвердеющих смесей, подверг­нутых нагреву до 700—900°С, необходимо предотвратить обра­зование или снизить количество стекловидного вещества — продукта взаимодействия щелочных силикатов связующего с кремнеземом наполнителя. В состав смесей вводят вещества, отличающиеся большей химической активностью к щелочным силикатам жидкого стекла, чем кремнезем наполнителя.

Этим объясняется улучшение выбиваемости смесей известными до­бавками окислов неорганических веществ (Аl2Оз, MgO, CaO) карбонатов (СаСОз, MgCO3), соединений 2CaO. Si02 в различной форме и чистых металлов, например Аl и Mg. Домен­ные шлаки представляют собой комплексную добавку неорга­нического вещества и содержат 40—50% CaO; 3—5% MgO;

6—10% Аl20з. По гранулометрическому составу они незначи­тельно отличаются от кварцевых песков (~60% составляют зерна размером до 2, 5 мм, около 20% — 2, 5—5 мм), что не вы­зывает затруднений при приготовлении смесей. Установлено, что применение шлаков в состоянии поставки с влажностью 20—25% невозможно в связи с резким ухудшением свойств смесей. Использование высушенных шлаков из-за их высокой гидравлической активности приводит к снижению пластичности и живучести смесей. Оптимальные свойства смесей достигают­ся при введении в их состав доменных шлаков влажностью 8—10% и размером зерен не более 7 мм.

Введение в смеси 10% шлака не приводит к изменению их прочности после тепловой обработки при 200°С, при 15 и 20% шлака прочность


9-09-2015, 15:28