Способ изготовления многослойных оболочковых форм по выплавляемым моделям

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

agl 83j

)lsd В 22 С 9/04

ГОСУДАРСТВЕННЬ1Й НОМИТЕТ СССР k

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ с У - " > фф Ц 11)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 1 " :---- --:-- "

К ABTOPCHO5Nf СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3305894/22-02 (22) 23.06.81 (46) 30.06.83. Бюл. И 24 (72) И.Е. Писарев, И.М. Ушман, А.А. Домио и В.М. Рогожкин. (71) Волгоградский, инженерно-строительный институт (53) 621.74.045(088,8) (56) 1. Расчет температуры при обжиге экзотермических обмазок - "Известия

ВУЗов. Машиностроение", М., 1973, с. 118-121. (54)(57) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГО-, СЛОЙНЫХ 06ОЛОЧКОВЫХ ФОРМ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ, включающий послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии на этилсиликате и с экзотермической добавкой, послойную обсыпку огнеупорным материалом, сушку каждого слоя и о6жиг оболочковых форм, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью улучшения качества оболочек за. счет снижения напряжения в облицовочном слое и на границе. опорных слоев и уменьшения энергозатрат при прокалке форм, при формообразовании слоев, начиная со второго, в обсыпочный огнеупорный материал вводят 0,48-11,63 мас. Ф экзотермического материала в виде молотой алюминиевой стружки, а в качестве экзотермической добавки в огнеупорной суспензии используют 280 мас.Ф материала на основе окислов железа.

2. Способ.по и, 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью получения качественным опорных слоев за счет снижения перепада температур между соседними слоями, используют алюминиевую стружку с содержанием алюминия в пределах 87-941, и зернистостью 0,63-1,0 мм.

3. Способ по и. 2, о т л и ч à е-шийся тем, что, с целью получения качественных опорных слоев за счет достижения заданной температуры . экзотермической реакции,. е качестве материала на основе окислов железа используют гематит или железную руду, или окалину углеродистой или легированной стали, или шлак металлургического производства, или колошнико;вую пыль.

1 10

Изобретение относится к литью по выплавляемым моделям и может быть ис0 пользовано при изготовлении оболочковых форм по выплавляемым моделям, прокаливаемых и заливаемых без опор" ного наполнителя.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемо- му эффекту является способ изготовле ния оболочковых форм по .выплавляемым модулям, который включает послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии на этилси ликате и с экзотермической добавкой, послойную обсыпку огнеупорным мате" риалом, сушку каждого слоя и обжиг оболочковых форм.

В качестве экзотермической добавки суспензия содержит 3-12 мас.3 алюминиевого порошка и 9-36 мас.3 окалины.

При обжиге форм, полученных известным способом, при 900-1000 С алюминиевый порошок и окалина вступают между собой в реакцию, сопровождающую ся выделением тепла.

При этом достигается повышение прочности форм, образование соединений на основе алюмосиликатов натрия и железа, повышается трещиноустойчивость форм за счет меньшего теплового расширения оболочек, сокращается цикл обжига благодаря выделяющемуся при реакции теплу t 1j.

Недостатками. известного способа являются наличие расслоения и разруше ния оболочковых форм, значительные ма териальные и энергозатраты, неудовлет ворительные условия труда, Указанное разрушение оболочковых форм обусловлено тем, что в процессе протекания экзотермической реакции встречаются барьеры в виде слоев об- сыпочного инертного материала, При подходе к каждому слою обсы-почного материала фронта экзотермической реакции происходит остановка последней, и в следующем слое суспен. зии реакция начинается лишь после того, как встретившийся сло" обсыпочного материала прогреется до необходимой температуры. Таким образом, экзотермическая реакция протекает не равномерно, а скачками, и это приводит к местному повышению напряжений на границе слоев и, как следствие, к образованию трещин и последую" щим расслоению и разрушению оболочковых форм. При этом отвлечено повыше25480 2

we материальных и энергозатрат за счет дороговизны алюминийсодержащего компонента (алюминиевого порошка) и его перерасхода на прогрев обсыпоч" ного материала:

Кроме того, известный способ ухудшает условия труда работающих из"за значительного пыления алюминиевой пудры (порошка), используемого в со10 ставе суспензии.

Цель изобретения - улучшение качества оболочек за счет снижения напряжений в облицовочном слое и на границе опорных слоев и уменьшение энер"

15 гозатрат при прокалке форм, Поставленная цель достигается тем, что согласно способу изготовления многослойных оболочковых форм по выплавляемым моделям, включающему послойное нанесение на блок выплавляе" мых моделей огнеупорной суспензии на этилсиликате и с экзотермической добавкой, послойную обсыпку огнеупорным материалом, сушку каждого жиг оболочкОвых форм при формообразовании слоев, начиная со второго, в обсыпочный огнеупорный материал вводят О,ч8-11,63 мас.ь экзотермического материала в виде

30 молотой алюминиевой стружки, а в качестве экзотермической добавки в огнеупорной суспензии используют 280 мас.4 материала на основе окислов железа.

С целью получения качественных

-З5 опорных слоев за счет снижения перепада температур между соседними слоями.используют алюминиевую стружку с содержанием алюминия в пределах

87-943 и зернистостью 0,63-1,0 мм.

Кроме того, с целью получения качественных опорных слоев за счет до" стижения заданной температуры экзотермической реакции в качестве материала на основе окислов железа исполь"

4> зуют гематит или железную руду, или окалину углеродистой или легированной стали, или шлак металлургического производства, или колошниковую пыль.

При этом оптимальное соотношение

50 между .экзотермическими компонентами и обсыпке и в суспензии определяется из условия соблюдения стехиометрического соотношения между этими компонентами в соответствии с формулой

Z ;,.

1=1

1025480 где С - безразмерное. отношение массы конгломерата окислов химических элементов к массе молотой алюминиевой стружки; а - безразмерное содержание алюминия в стружке;

М. и m. - соответственно атомная

4 масса и валентность

i-го химического элемента, образующего оки.сел;

1— безразмерное содержание

1 окисла. 1-го химического элемента в материале на основе железа (конгломерате);

1,1 и и - индексы химических элементов соответственно

1-го и последнего, l t n, i = 1,2,3...,n.

Примерные составы конгломератов окислов химических элементов и расчет ные соотношения массы конгломерата окислов химических элементов и расчетные соотношения массы конгломератов к массе. алюминиевой стружки- в соответствии с указанной формулой представлены в табл. 1 и 2.

Послойный состав обсыпок со стружкой. различных алюминиевых сплавов; составы суспензий с различными конгло мератами окислов химических элементов результаты испытаний оболочек, изготовленных согласно предлагаемому способу, с использованием различных комбинаций суспензии и обсыпок; сводные сведения экспериментальных данных приведены в табл. 3-6.

При прокаливании оболочек, изготовленных данным способом, имеют мес то следующие экзотермические реакции, которые можно записать в следующем суммарном виае:

l1 42 yl

1 1 1 1

ЬО „ "1 где Э, 0 и AC - обозначения соответственно химического элемента, кислорода и алюминия, непосредственно участвующих в реакциях с выделением тепла.

Реакции начинаются в периферийном слое оболочки при температуре не менее 900 К и протекают в дальнейшем самопроизвольно. При этом слой обсы-, почного материала не тормозит реакции, поскольку содержит компоненту реакции (молотую алюминиевую стружку), непосредственно контактирующую с обеими соседними слоями суспензии.

Результатом присутствия молотой алю5 миниевой стружки в составе обсыпочного материала является непрерывность протекания экзотермической реакции и отсутствие вероятности повышения местных напряжений на границе слоев. о Материальные затраты при этом снижаются как за счет замены дорогостоящего алюминиевого порошка на молотую алюминиевую стружку, так и за счет сокращения расхода алюминийсодержаще15 го компонента, поскольку в данном способе отпадает необходимость прогрева слоя обсыпочного материала до температуры не менее 900 К. Поскольку

Ф стружка по сравнению с алюминиевым по2о рошком (пудрой) практически не выделяет пыли, то условия. труда работающих значительно улучшаются (см. табл. 7).

Переменное содержание стружки в опорных слоях оболочки обусловлено условием получения определенной заданной температурой в соответствующем слое оболочки, необходимой для дости- жения поставленной цели.

3О . Конкретное целевое назначение экзотермических добавок в соответствующих слоях оболочек следующее: первый слой - обычный облицовочный без добавок; второй слой - добавки введены в количествах, обеспечивающих.темЗ5 пературу экзотермической реакции

= 1 173 К (900 С ) с целью снижения времени воздействия термических напряжений эа счет ускорения прогрева оболоч4 ки до температуры прокаливания; четвертый слой - добавки введены в количествах, обеспечивающих температуру экзотермической реакции в пределах

2023-2273 К (1750-2000 С) для придания этому слою своиств, пятыи слои с несколько уменьшенными указанными эффектами, добавки введены в количествах, обеспечивающих температуру экзотермической реакции 2273 К

50 (2000 С) с целью образования расплава на наружной поверхности оболочки, реализующего пористую структуру слоя и эффект залечивания возможных трещин, а также способствующего образованию ферросилиция; третий слой55 .добавки введены в количествах, обеспечивающих температуру экзотермической реакции=1473 К (1200 C) при которой кремнезем начинает размягчать1025480

Конгломерат окислов хими" ческих we" ментов

Содержание окислов в конгломерате, Ф ее е

510

Рес+Г О +

+ Ге304..

CaO+ gO +

+HnO +

+ AA ç+

+ Té

Сг О

Мп, О.

Остальное до 1003

Окалина угле" родистых сталей и чугунов

85-90 5-8

Окалина хромистых сталей

57-79 5-8.11-27 То же

Окалина мар. Ганцовистых сталей

t I»

77 85 1-2

10-15

Окалина вольф-... рамсодержащих сталей

64-87 4-7 5-22

«11»

Химически чистый гематит

Реа04)Ф

- 1003

« I l«

Окалина вана" . диевых сталей

76-84 4=6 5-10

39-89 6-27

« I I»

Руда железная .

Ргломерат руды железной

65-89 7-17

»Н»

Шлак сварочный

Остальное до 1003

61-74 25-35

° В

22-.27 50-60 - - 15»22

Шлак бессемеровский

»Н»

Шлак мартеновский

4-19

9-25 15-25

Пыль колошни- ковая

65-87 10-20

«II» е е»е е ся, и таким образом этот слой играет роль лластификатора, воспринимающего воздействие перепада температур между

"холодными" 1»2 слоями и "горячими"

4-5 слоями.

Из анализа экспериментальных данных следует, что коэффициент, корре" ляции линейного распределения температуры по изобретению в среднем на

12,13 выше по сравнению с прототипом, что свидетельствует о меньших перепадах температур и непрерывности протекания экзотермической реакции на границе слоев; окружные напряжения, характеризукнцие термостойкость наиболее ответственного облицовочного слоя оболочки, по изобретению в среднем на 11,5Ô ниже, чем по прототипу: местные (контактные) напряжения на границе слоев оболочки в среднем на .23,33 меньше таковых по прототипу.

Таблица 1 е е ее е»» е » е «««ее»

1025480

Таблица 2

Конгломерат окислов химических элементов.

Отношение массы конгломерата окислов химических элементов к массе силуминовой стружки от сплава

Алг А.з АА9 Средн (АЕ 87-90 ) (Ае 88,9-94,1Z) (Ae 90,6.-92,8ж) (АЕ 89-92 ) Окалина углеродистых сталей и чугунов

1,8-2, О

1,8-2,1

1,8" 2,1

1 «9-2,1

Окалина хромистых сталей

1,9-3,0

2,0-3,2

2,0-3,1

2,0 3,1

Окалина марганцовистых сталей

2,4-2,9

2,5-3,0

2,5 3,0 .

2,5" 3,0

Окалина вольфрамсодержащих сталей

2,0-3,8

2,1-3«9

2,1-3,9

2,1-3,9

Окалина ванадиевых сталей

2,3-2,8

2,4-2,8

2,3-2,8

2,3 2,7

Химически чистый гематит

2,6"2,«

1,z" 3,0

2,-6-2, 7

1,2-2,9

2,6-2,8

1,2 3,0

2,6-2,7

1,2-3, О

Руда железная

Агломерат руды железной

2,0-3,0

1 9-2,8

2,1-2 7

1,7-2,3

0,6-1,6

2,0-2,8

1 9 2.7

2,0-2,9

2,1-2,8

1,8-2,4

2,1 "2,7

1,8-2, 3

0,6-1,6

0,6" 1,7

2,0" 3,0

2,0-2,9

2,0" 2 9

2,0-2,8

Таблица 3

« ««мм Ьw

Содержание компонентов, 3

Состав обсыпок

Обсыпочный материал Р 1:

Алюминиевая стружка от сплава АЛ2

Песок кварцевый

100

87-90

Остальное

Обсыпочный материал У 2: 100

100

100

Алюминиевая стружка 89-94

11,01

11,63

О от сплава АЛ3

Песок кварцевый

16-11

Шлак сварочный

Шлак бессемеровский

Шлак мартеновский .

Пыль колошниковая

Среднее. по окислам

Содер" жание алюминия в стружке, 3

2029

2,2-2,8

1,8-2 3

0,6-1,6

2,0-2,9

2,0-2,8

100 100 100 100 о 48 423 7,98 1î 77

0,50 4,38 8,25 11,14

100 1ОО 1OO

0,49 4,33 8,16 о,52 4,57 8,62

Остальное

1025480

Продолжение табл )

«е «« « е ««««« » «

Состав обсыпок

Обсыпочный материал H 3:

100

Алюминиевая стружка 91-93 от сплава АЛ9

Песок кварцевый е Таблица 4

«Ь ««

Послойное содержание компонентов, 2 3 4

«»«««й

100 1 ОО 100 100 100

Состав суспензии

«« ° ««««

Суспензия и 1:

Гидролизованный раствор этилсиликата 40 {ГРЭС40) 40

30

52-54

27-29

77-80

2-3

Остальное

100

1 00

ГРЭС40

Окалина углеродистых сталей и чугунов

79-80

Иаршаллит

Суспензия и 3:

Остальное

100

100

100

l00 I 00

40

ГРЭС40 20

35

Окалина хромистых сталей

О 2,9-4,4 39,4-42,3 75,8-78,7 79-80

Остальное

Иаршаллит

Суспензия h" 4:

100

ГРЭС40

О 2,6-4 35,5-38,2 68,5-71 «1 79-80

Окалина марганцовистых сталей

Остальное

Маршаллит

Суспензия II 5:

ГРЭС40

100

100

Окалина вольфрамсодержащих сталей

О 2,5-3,7 33,6-36 64,8-67,2 79-80

Остальное

100

100

40 l 00

20

Гематит .

Иаршаллит

Суспензия Ю 2:

Маршаллит.

Суспензия ь 6:

ГРЗС40

Содер-. жание алюминия в стружке, ф

Содержание компонентов, Ф

100 100 100 100

0,50 4,42 8,35 11,26

0,51 4,52 8 53 11,51

Остальное

3-40 37,5-40 72,2-75

1025480

Продолжение табл. 4 (компонентов, Г

;Послойное содержание

Состав суспензии

Окалина ванадиевых сталей

79-80

37 40.2 74,1

71,3-74

Иаршаллит

Остальное l 00

100

100

100

30 20

43,6-46,8. 79-80

3,2-4,8

Остальное

Агломерат руды железной

0 2 8-4,1 37,3-40,1 71,9-74,7 79-80

Остальное

100 100 100 100 100

40 40 35 25

0 2,7-4 36-38,7 69,3-72 .Остальное

79-80

l00

100 l00

100

Суспензия N 10:

40 35 25

2,5-3,8 33,9-36,4 65,3-67 8

Остальное

79-80

Марщаллит е

Суспензия и 11: l 00

100

100 100

100

40 30

5,1-7,6 68,2-73,3

Остальное

100. 100

100

100

40 30 25

2,9-4,3. 36,6-41,4 74,3-77;1

Остальное

Пыль колошниковая

Иаршаллит

Суспензия и 7:

ГРЭС40

Руда железная

Маршаллит

Суспензия Ь 8:

ГРЭС40. Маршаллит

Суспензия М 9:

ГРЭС40

Шлак сварочный

Иаршаллит

ГРЭС40

Шлак бессемеровский

ГРЭС40

Шлак мартеновский

Иаршаллит

Суспензия Н 12:

ГРЭС40

100

100

20

79-80

79-80

20

79-80

79-80. !4

1025480!

Таблица

Комбинации обсыпок и суспенаий с экзотермическими добавками

У состава суспензии по табл.2

15,9-56,3

0,2-65,4

0,1-58,9

0,04-0,054

Прототип

0,049-0,055

0,073-0,10/

0,1 "35,2

0,1-40,4

0,085-0,092

О, !56-0,214

0, 090-0,095

0,1-28,5

0,1-33,1

5,4-35,6

0,121-0,205

О,!75-0,284

3.2-17,5

6,8-28,4

0,096-0,106

7,2" 13,2

10,1-4О,О

0,090"0,125

0,081-0,131

9,8-.26 3

6,5-35,4

О, 1-27,8

О, 1-31, О

0,1-56,9

0,1-17,4

12!

5,7-52,4

6,3-35,6

0,051-0, 055

О,О78-0,!Î4

11,2-28,4 0,1-19,6

0,093-0,099

0,1-21,4

0,1-35,6

0,1-36,0

0,188-0,265

0,102-0,244

0,1-21,3

0,1-38,8

7 «3-10,2

7,2"28,8

0,1-48,5

0,1-39,6! 73-1975

7>0 35,0

0,1 "31,4

"0,1-28,9

0;1.-54,9

12 г! состава обсыпочного материала . по табл.

2

3.

3

7

9

Температура экэотермической реакции в слоях обо лочки, К

1245- 1650

1173-2270 г!73-1968

1173-2082

1173-1876

1173-2056

1173-!974

1173-1854

1 73-1926

1173"1998

1173-!972

1173-1682 !!73-1993

1173-2223

1173-!972

1173-2087 г!73-!880 ! 173-2059 !!73-1977

1173-1859

1173-!929

1173-2002

1173- 1686

1!73-1948

1173-2277 !!73-!949

1173-2095

1173- 1886 !!73-2067

Коэффициент

KOPPe JIRtlHH линейного распределени температуры по сечению оболочки

0,384-0,656

0,101-0,152

0,162-0,222

0,103"0,117

0,125-0,198

0,098-0,166

0,164-0,198

0,492-0,683

0,133-0,!68

0,051-0,056

0,086-0,105

О, 089;О, 092

0,161 0,204

О, 121 "О, 164

Окружные напряжения в облицовочном покрытии, ° 10 Па

15,7-52,0

7,2-40,4

8,3-32,6

6,2-28,5

9,3-41,3!

3.,8-1764

9,6-13,5

7,5-14,8

8,4-17,3

5,0" 12,7

3,2-8,4

15 7"52,8

2,8-!3,8

1,2-14,7

3,9-8.5

11,4"22,9

Местные (контактные) напряжения на границе слоев оболочки, ° 10 0à

0,1-21,5

О, "17,8

О, 1-28,4

0,1-40,0

0,1-24,6

0127,7

0,1-26,5

0,1-11,3

0,1-12,8

1025480

Продолжение табл. 5

Комбинации обсыпок и суспензий с экзотермическими добавками

М состава суспензии по табл.2

0,115-0,186

0,264-0,301

0,1-35,4

О,! -36,1

1173-1983

1173-1865

8,5-28,7

6,5-13,4

1 2-14,7 0,1 17 9

0,137-0,228

8,4-16,9

6,7-11,2

0,1-15,8

0,095-0,109

О, 108-0, 151

0,1-35,1

0,653-0,789 7,7-33,0 0 1-37,8

1173-1692

1173-1956

0,117-0,163 10,9-20,1 0,1-26,1

П р и м е ч а н и е, Гр. 3 — экспериментальные результаты; гр.4-6 - расчет по формулам с использованием данных гр. 3 таблицы.

Таблица 6

Составляющие и их свойства

Прототип

Предлагаемый способ

Суспензия, 3:

100

100

Этилсиликат 40 гидролизованный

20-40

Порошок или пудра алюминиевая

3-12

Окалина или конгломерат окислов химических элементов (2-5 слои) 9-36

20-80,0

Маршаллит или кварц пылевидный

Остальное

100

100

Обсыпочный материал, 3:

Стружка алюминиевая (2-5 слои) 0,48-11,63

Кварцевый песок

Остальное.Температура экзотермической реакции, К

1245-1615

1173-2273

Коэффициент корреляции линейного распределения температуры по сечению оболочки 0,.040-0,054

0,049-0,789

If состава обсыпочного материала, по табл. 1

Температура экзотермической реакции в слоях оболочки, К

1173-1933

1173-2006

1173-1979

Коэффициент корреляции линейного распределения температуры по сечению оболочки

Окружные напряжения в облицовочном покрытии, 10 Па

Местные контактные напряжения на границе слоев оболочки, 10 rla

102548I) 17

"Продолжение табл. 6

Составляющие и их свойства

Предлагаемый способ

Прототип

Окружные напряжения в облицовочном слое оболочки, 10"вПа

15,7-52,4

Местные (контактные) напряжения на границе слоев, ° 10" Па

0,1-58,9

Таблица 7

По изобретению

По прототипу

Показатели

Стоимость 1 т алюминийсодержащего компонента, руб.

200

1000

Прочность оболочки при изгибе, Па

88,3 I0

Наличие пыления алюминий-.! содержащего компонента

Составитель Г. Зарецкая

Редактор С. Пекарь ТехредМ.Гергель Корректор А. Дзятко

Заказ 4459/7

Тираж 813 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

rio делам изобретений и открытий

113035, Иосква, III-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал IlIlll "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

15,9-56,3

0,2-65,4

Имеет место пылейие алюминиевого порошка при приготовлении суспензии (90-100) ° 10

Отсутствует