Холоднотвердеющая смесь для изготовления литейных стержней и форм
Владельцы патента RU 2705823:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) (RU)
Изобретение относится к литейному производству, в частности к изготовлению литейных форм и стержней из холоднотвердеющих песчано-смоляных смесей. Смесь включает карбамидную или карбамидофурановую смолу и огнеупорный наполнитель, а в качестве катализатора отверждения используют жидкий отход химической очистки оцинкованной стальной обрези от цинкового покрытия в виде водного раствора, содержащего хлорид цинка, при следующих соотношениях компонентов, мас. %: огнеупорный наполнитель 100; карбамидная или карбамидофурановая смола 2,0-2,2; жидкий отход химической очистки оцинкованной стальной обрези от цинкового покрытия в виде водного раствора, содержащего хлорид цинка, 0,8-1,2. Технический результат - повышение живучести смеси при сохранении прочности форм и стержней. 2 табл.
Холоднотвердеющие песчано-смоляные смеси широко применяются в литейном производстве при изготовлении форм и стержней. Холоднотвердеющие смеси (ХТС) состоят из наполнителя (кварцевый песок), синтетического связующего, катализатора отверждения и различных улучшающих смесь добавок. В состав ХТС в качестве связующих вводят карбамидные, карбамидофурановые, фенолофурановые смолы и катализатор, в присутствии которого смесь упрочняется. В качестве катализаторов карбамидных и карбамидофурановых смол получили распространение неорганические материалы. В зависимости от требуемой скорости твердения ХТС, обуславливаемой в основном серийностью производства, применяют комплексные или однокомпонентные неорганические отвердители. Важнейшим свойством песчано-смоляных смесей является живучесть смеси - время, в течение которого приготовленная смесь остается технологически пригодной к употреблению. Живучесть смесей на основе фурановых и карбамидофурановых смол определяется скоростью реакций этих смол с катализатором и зависит от времени выдержки и температуры окружающей среды.
Известна холоднотвердеющая смесь, содержащая огнеупорный наполнитель, карбамидофурановую смолу 1,8-2,0 мас.% и ортофосфорную кислоту 0,6-0,8 мас.%, концентрации 1,56-1,58 г/см3 в качестве катализатора [1].
Недостатком этой смеси является низкое значение живучести (5-10 минут) [1].
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является смесь для изготовления литейных форм и стержней [2], включающая огнеупорный наполнитель, карбамидную смолу, ортофосфорную кислоту и этанол при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
огнеупорный наполнитель - 100;
карбамидная смола 2,16-2,64;
ортофосфорная кислота 0,6-0,8;
этанол 0,54-0,66.
В качестве катализатора отверждения здесь используется ортофосфорная кислота. Этанол используется в качестве добавки, улучшающей живучесть смеси, однако использование этанола связано с дополнительными рисками пожарной безопасности на производстве, кроме того этанол является дорогостоящим материалом.
Задачей изобретения является создание холоднотвердеющей песчано-смоляной смеси, которая обеспечивала бы повышение живучести смеси в сравнении с прототипом при сохранении прочности форм и стержней.
Технический результат заключается в создании холоднотвердеющей песчано-смоляной смеси, обеспечивающей повышение живучести смеси при сохранении прочности форм и стержней.
Технический результат достигается тем, что смесь для изготовления литейных форм и стержней, включающая в качестве связующего карбамидную или карбамидофурановую смолу, огнеупорный наполнитель, согласно изобретению, в качестве катализатора отверждения используют жидкий отход химической очистки оцинкованной стальной обрези от цинкового покрытия в виде водного раствора, содержащего хлорид цинка, при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
огнеупорный наполнитель - 100;
карбамидная или карбамидофурановая смола 2,0-2,2;
жидкий отход химической очистки оцинкованной стальной обрези от цинкового покрытия в виде водного раствора, содержащего хлорид цинка 0,8-1,2.
Сущность изобретения состоит в следующем.
В современном производстве автомобиле- и машиностроения в качестве основного материала широко используется оцинкованный стальной лист с толщиной цинкового покрытия 20-60 мкм. Поэтому накапливается большое количество обрези оцинкованного стального листа, использование которой для выплавки чугуна затруднено в том случае, если плавильные участки машиностроительных предприятий оснащены индукционными плавильными агрегатами. Для подготовки оцинкованной стальной обрези к индукционному переплаву необходимо снятие цинкового покрытия со стальной основы. Согласно источнику [3] в результате отделения цинкового покрытия с оцинкованной стальной обрези в качестве побочного продукта при протекании химической реакции образуется жидкий отход, содержащий водный растворхлорида цинка, остаточное количество соляной кислоты и гексаметилентетрамин.
Усреднённый состав жидкого отхода очистки оцинкованной стальной обрези, мас.%:
растворенный хлорид цинка 10,5-12,5;
соляная кислота (конц.) 2,8-4,2;
гексаметилентетрамин 2,5;
вода - остальное.
Карбамидная или карбамидофурановая смола относятся к смолам кислотного отверждения, в отношении которых катализаторы кислотного действия оказывают решающее действие на pH среды, но сами в реакцию отверждения не вступают [1].
В качестве катализатора отверждения карбамидных или карбамидофурановых смол предлагается использовать жидкий отход химической очистки оцинкованной стальной обрези от цинкового покрытия в виде водного раствора, содержащего хлорид цинка. Растворы хлорида цинка имеют кислую реакцию, pH растворов обычно соответствует величинам от 1,5 до 3,5. Соляная кислота в составе катализатора оказывает дополнительное каталитическое действие на процесс отверждения смеси [1]. Таким образом, жидкий отход, полученный в результате снятия цинкового покрытия с оцинкованной стальной обрези, имеет выраженную кислую реакцию и способен выполнять функцию катализатора отверждения синтетических смол кислотного отверждения, таких, как карбамидные и карбамидофурановые смолы.
Содержащаяся во вводимом компоненте вода замедляет процесс отверждения смолы, что приводит к увеличению живучести смеси. Вместе с этим входящая в состав вводимого компонента соляная кислота - более сильная, чем ортофосфорная кислота, входящая в состав смеси-прототипа, и значительное содержание хлорида цинка (10,5-12,5 мас.%) в сочетании с ней обеспечивает полноту протекания процесса отверждения карбамидных и карбамидоформальдегидных смол с обеспечением прочности смеси, достаточной для технологических процессов изготовления форм и стержней. Исчезающе малое содержание гексаметилентетрамина в составе вводимого жидкого отхода очистки оцинкованной стальной обрези не может влиять на технологические свойства смеси.
В сравнении с прототипом снижено количество компонентов смеси, что упрощает процесс смесеприготовления.
Использование в составе холоднотвердеющих смесей отхода технологического процесса очистки оцинкованной стальной обрези способствует утилизации отходов литейного производства и позволяет предотвращать загрязнение окружающей среды, что положительно влияет на экологию.
Сужение интервала в сторону меньшего содержания связующего в сравнении с прототипом позволяет добиться экономии дорогостоящей синтетической смолы.
Пример реализации изобретения.
Для приготовления смеси использовали в качестве связующего смолу карбамидофурановую СВХК-40БСЛТУ-2223-007-14559685-2006 плотностью 1,245 г/см3, в качестве огнеупорного наполнителя - сухой кварцевый песок марки 2К2О303 ГОСТ 2138-91.
Смесь приготавливают следующим образом. В смешивающие бегуны загружают кварцевый песок и связующее, смесь перемешивают в течение 5-8 минут. Затем добавляют катализатор, и перемешивание проводят еще 5-8 минут до получения однородной массы, после чего смесь готова к формовке.
Содержание огнеупорного наполнителя принималось равным 100 мас.%, содержание остальных компонентов бралось сверх 100 мас.%. Количество связующего составляло 2,0 мас.%. Содержание катализатора варьировалось в пределах 0,4-1,4 мас.% с шагом 0,2 мас.%. Из смеси каждого варианта изготавливались образцы для контроля прочности на растяжение.
Прочность образцов определяли на аппарате для исследования прочности формовочных и стержневых масс Centrozap LRu через 1 час и через 24 часа после их изготовления.
Из смеси каждого варианта изготавливались стержни-пробы в виде цилиндров размерами диаметр - 50 мм, высота 50 мм.
Живучесть смеси определяли следующим образом. Сначала определяли уплотняемость смеси по изменению высоты образца после уплотнения тремя ударами копра при постоянной массе навески. Далее находили живучесть по точке перегиба на кривой зависимости уплотняемости от времени выдержки, что соответствует потере прочности не более чем 30 %.
Составы испытанных смесей приведены в таблице 1, результаты представлены в таблице 2.
Таблица 1 Составы испытанных смесей
| Наименование ингредиентов | Содержание ингредиентов по примерам, мас.% | ||||||
| 1 (прототип) | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
| Огнеупорный наполнитель | 100 | ||||||
| Связующее | 2,16-2,64 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 |
| Этанол | 0,54-0,66 | - | - | - | - | - | - |
| Ортофосфорная кислота | 0,6-0,8 | - | - | - | - | - |
| Катализатор (жидкий отход химической очистки оцинкованного стального лома от цинкового покрытия в виде водного раствора, содержащего хлорида цинка) |
- | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1,0 | 1,2 | 1,4 |
Таблица 2 Результаты контроля
| Наименование свойств | Результаты испытаний по составам | ||||||
| 1 (прототип) | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
| Живучесть, мин | 12-15 | 98 | 74 | 22 | 25 | 32 | 110 |
| Прочность на растяжение через 1 час, МПа (кГс/см2) | 0,06-0,1 (0,6-1,0) | 0,002 | 0,008 | 0,08 | 0,12 | 0,10 | 0,004 |
| Прочность на растяжение через 24 часа, МПа (кГс/см2) | 0,98-1,18 (10-12) | 0,8 | 1,1 | 1,19 | 1,22 | 1,24 | 1,36 |
Из таблицы 2 видно, что при содержании в смеси катализатора в количестве, меньшем 0,8 мас.% и большем 1,2 мас.%, живучесть смеси превышает значение этой характеристики у прототипа в среднем вдвое. Прочность смеси на растяжение через 1 час не ниже таковой у прототипа, а через 24 часа - превышает ее.
Проведение повторных испытаний смеси с измененным содержанием связующего на 2,2 мас.% подтвердило устойчивый характер полученных результатов в части живучести и прочности смеси.
Таким образом, смесь с содержанием связующего 2,0-2,2 мас.% и катализатора в пределах 0,8-1,2 мас.% обеспечивает улучшенную живучесть смеси при сохранении прочности форм и стержней в сравнении с прототипом.
Цитируемые источники:
1. Технология литейного производства: Формовочные и стержневые смеси. // Под ред. С.С. Жуковского, А.Н. Болдина, А.И. Яковлева, А.Н. Поддубного, В.Л. Крохотина. Учебное пособие для вузов. - Брянск: Изд-во БГТУ, 2002. - 470 с.
2. Авторское свидетельство СССР SU 681648А, МКИ В22С 1/22. Холоднотвердеющая смесь для изготовления литейных стержней и форм. Г.П. Толкачева, Е.И. Мантрова, С.Л. Иванова.
3. RU 2599061 C1 Способ удаления цинка с оцинкованной стали И.О. Леушин, А.Ю. Субботин, М.А. Гейко.
Смесь для изготовления литейных форм и стержней, включающая в качестве связующего карбамидную или карбамидофурановую смолу, огнеупорный наполнитель и катализатор отверждения, отличающаяся тем, что в качестве катализатора отверждения используют жидкий отход химической очистки оцинкованной стальной обрези от цинкового покрытия в виде водного раствора, содержащего хлорид цинка, при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
| огнеупорный наполнитель | 100 |
| карбамидофурановое связующее | 2,0-2,2 |
| жидкий отход химической очистки оцинкованной | |
| стальной обрези от цинкового покрытия в виде | |
| водного раствора хлорида цинка | 0,8-1,2 |
