Огнеупорный наполнитель для изготовления керамических литейных форм

 

Использование: в технологии изготовления литейных керамических форм по выплавляемым моделям, преимущественно для точного литья жаро - прочных сплавов, методом направленного затвердевания деталей с ориентированной структурой. Сущность изобретения: огнеупорный наполнитель в качестве основы содержит магнийсиликатную породу - оливинит. Огнеупорный наполнитель получают из смеси, содержащей оливинит, который предварительно прокаливают при 1450 - 1500^oС, магнезит спеченный и хромитовый концентрат при заданном соотношении. После расплавления полученной смеси в электродуговой печи, охлаждения и измельчения получают огнеупорный материал, который обладает огнеупорностью 1650^oС и открытой пористостью 28%. 4 табл.

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к технологии изготовления литейных керамических форм по выплавляемым моделям, преимущественно для точного литья жаропрочных сплавов методом направленного затвердевания деталей с ориентированной структурой, а также может быть использовано в других отраслях промышленности, где требуются огнеупорные материалы или огнеупорные наполнители.

При исполнении точного литья из жаропрочных сплавов методом направленного затвердевания деталей с ориентированной структурой, например при изготовлении лопаток газотурбинных двигателей по технологии литья с ориентированной структурой, продолжительность контакта жидкого металла с керамической формой достигает нескольких часов. В результате происходит процесс взаимодействия расплава с огнеупорным материалом формы, снижается чистота поверхности отливок и наблюдается деформация форм. Вследствие этого повышаются эксплуатационные требования к материалам, из которых изготавливают литейные формы, в частности к огнеупорным наполнителям.

Известны огнеупорные наполнители для изготовления керамических литейных форм, содержащие пылевидный кварц и электрокорунд.

Известна керамическая смесь для стержней, содержащая пылевидный кварц, техническую соду и органический пластификатор ПП-1513.

Известна смесь для изготовления литейных форм и стержней, содержащая алюмоцинкмагнийфосфатное связующее, трифолин и огнеупорный наполнитель на основе диоксида кремния.

Известна самотвердеющая смесь для изготовления форм и стержней при литье магниевых сплавов, содержащая порошкообразный материал на основе обожженного оксида магния, обработанного ПАВ, ортофосфорной кислоты, связующего и огнеупорного материала на основе кремнезема.

При производстве литых деталей методом направленного затвердевания (направленной кристаллизации) форму, предварительно прокаленную при температуре 950 1050^оС, повторно нагревают до температуры 1500 1550^оС при ее установке в плавильную печь и выдерживают в печи несколько часов. При воздействии на форму расплавленного металла в огнеупорном материале и на границе раздела фаз происходят полиморфные превращения с образованием новых фаз, а также процессы взаимодействия металла с формой, что в конечном итоге снижает качество отливок.

Известен огнеупорный наполнитель суспензии для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям, содержащий шпинель или бакор, или муллит, или смесь электрокорунда с диоксидом титана.

Известные огнеупорные наполнители позволяют обеспечить сравнительно высокое качество керамических форм, их механическую прочность и термостойкость, но используемые при их изготовлении материалы дефицитны и не обеспечивают в полной мере потребностей промышленности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому при использовании техническому результату является наполнитель, используемый при изготовлении оболочковых форм для литья высоколегированного сплава с направленной кристаллической структурой, содержащий 85 частей порошка Al₂O₃ и по меньшей мере один элемент из группы, в которую входят порошковый циркон (ZrO₂ ˙SiO₂), порошок муллита (3Al₂O₃˙2SiO₂), а также порошковую шпинель (MgO˙ Al₂O₃). Таким образом, магнийсодержащий компонент представлен шпинелью, а силиций содержит муллит или циркон.

Для приготовления данного наполнителя также используют дефицитные и дорогостоящие порошковый циркон, муллит и шпинель.

Для снижения стоимости огнеупорного наполнителя и расширения сырьевой базы при одновременном улучшении физико-технических и эксплуатационных показателей керамических литейных форм наполнитель по изобретению содержит в качестве магний- и силикатного материала оливинит, прокаленный при 1450 1500^оС, и дополнительно содержит магнезит спеченный и хромитовый концентрат при следующем соотношении ингредиентов, мас. оливинит, прокаленный при 1450 1500^оС, 65 80; магнезит спеченный 20 25; хромитовый концентрат 1 10.

В предлагаемом огнеупорном наполнителе в качестве основного компонента используют оливинит, подвергнутый предварительной термообработке. Оливинит представляет собой магнийсиликатную породу, до 98% состоящую из минерала оливина 2 (MgFe) 0˙ SiO₂ и содержащую в небольших количествах магнетит и хромпикатит (MgFe) 0˙ Cr₂O₃.

В настоящее время оливиниты при используемых на практике технологиях переработки минерального сырья практически полностью выбрасываются в отвалы. Например, оливиниты Ковдорского месторождения (нового уникального месторождения магнийсиликатного сырья) используются в настоящее время лишь при изготовлении отдельных опытных партий огнеупорных материалов, а оливиниты Хабозерского месторождения в настоящее время не используются в промышленности совсем. Большие запасы оливинита на Кольском полуострове позволяют решить проблему сырья для огнеупорной промышленности. Но его использование в природном виде затруднено и требует поиска новых технических решений.

Экспериментально установлено, что при нагревании оливинита происходит окисление двухвалентного железа до трехвалентного с образованием гематита Fe₂O₃ и энстатита МgSiO₃, в результате взаимодействия которых образуется магнезиоферрит MgFe₂O₄ и кристобаллит SiO₂. Установлено, что полиморфные превращения и физико-химические реакции заканчиваются при температуре 1450 1500^оС, стабилизация фазового состава завершается и дальнейший нагрев не вызывает каких-либо изменений материала, содержащего оливин.

Совокупность общих и частных существенных признаков изобретения обеспечивает возможность достижения цели изобретения (требуемого технического результата), а именно улучшение физико-технических и эксплуатационных показателей материала керамических литейных форм при одновременном снижении стоимости их изготовления.

Основой огнеупорного наполнителя является природный оливинит различных месторождений и другие природные соединения после их незначительной обработки, что резко снижает стоимость изготовления огнеупорного наполнителя и позволяет создать практически безотходную технологию. В результате появляется возможность получать огнеупорный материал с улучшенными физико-техническими и эксплуатационными показателями.

Огнеупорный наполнитель приготавливают из расплава смеси прокаленного при температуре 1450 1500^оС оливинита, спеченного магнезита и хромитового концентрата, взятых в указанном выше соотношении.

Химический состав исходных материалов представлен в табл. 1.

Для подтверждения возможности промышленной реализации изобретения и доказательства его эффективности проводили практические испытания в производственных условиях с использованием традиционного оборудования и технологий.

П р и м е р 1. Исходный оливинит Ковдорского месторождения фракции 0 5 мм обжигали при температуре 1500^оС, перемешивали со спеченным магнезитом марки ПЛЛ-86 (ГОСТ 24862-83) и хромитовым концентратом Донского ГОКа (ТУ 14-9-250-83) в соотношении, мас. оливинит прокаленный 84,5; магнезит спеченный 15; хромитовый концентрат 0,5.

Смесь плавили в электродуговой печи и после охлаждения получали материал плотностью 2,5 г/см³ с пределом прочности на сжатие 15 Н/мм², огнеупорностью 1650^оС и открытой пористостью 28% Материал измельчали и получали порошок с содержанием фракции 70 1000 мкм не менее 60-75% и максимальным размером частиц не более 2500 мкм. Из приготовленного таким образом порошкообразного огнеупорного наполнителя готовили суспензию, используя в качестве связующего этилсиликат-40. Из суспензии изготавливали литейные керамические оболочковые формы, применяя в качестве обсыпки тот же порошкообразный огнеупорный материал, что и наполнитель суспензии. Свойства образцов огнеупорного наполнителя приведены в табл. 2, а свойства материала керамических оболочковых форм для точного литья в табл. 3.

П р и м е р ы 2 5. Условия опытов аналогичны примеру 1, но композицию наполнителя изменяли в соответствии с данными табл. 4.

Анализ представленных в табл. 2 и 3 данных показывает, что при изготовлении керамических оболочковых литейных форм для точного литья с успехом может быть использован в качестве одного из основных компонентов огнеупорного наполнителя прокаленный оливинит. Оптимальным составом смеси для приготовления огнеупорного наполнителя являются соотношения по примерам 2-4.

Предложенный состав огнеупорного наполнителя позволяет разрешить проблему ресурсов сырья для изготовления литейных форм и повышения их качества. Вовлечение оливинитов в огнеупорную промышленность расширяет сырьевую базу и улучшает экологическую обстановку на горнорудных предприятиях, где оливиниты до настоящего времени направляются в отвалы. Экспериментально установлено, что предлагаемая композиция огнеупорного наполнителя позволяет использовать оливиниты практически всех известных месторождений.

Формула изобретения

ОГНЕУПОРНЫЙ НАПОЛНИТЕЛЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ по выплавляемым моделям, содержащий магний- и кремнийсодержащие материалы, отличающийся тем, что в качестве магний- и кремнийсодержащих материалов он содержит оливинит, прокаленный при 1450 1500^oС, и дополнительно спеченный магнезит и хромитовый концентрат при следующем соотношении компонентов, мас.

Оливинит, прокаленный при 1450 1500^oС 65 80 Спеченный магнезит 20 25 Хромитовый концентрат 1 10

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2