Удосконалення технології отримання високоякісних формовочних та стрижневих сумішей з використанням полімерних добавок

1.

МАГІСТЕРСЬКА РОБОТА
зі спеціальності 136 – Металургія
На тему:
Удосконалення технології отримання високоякісних формовочних та
стрижневих сумішей з використанням полімерних добавок
Виконав: студент групи ЛВ-21-1м
Уманський П.І.
Керівник випускної роботи:
д.т.н., професор
Савельєв С.Г.

2.

Мета роботи: Дослідження рідинноскляної формувальної
суміші з додаванням в рідке скло полімерних добавок: Н-КМЦ
(натрієва сіль карбоксиметилцелюлози), полівініловий спирт,
полістирол
Завдання: Покращення властивостей суміші та зниження
собівартості виливків.

3.

Методи зміцнення рідинноскляної формувальної суміші та їх міцні властивості
Можливі способи затвердіння рідкого скла.
Міцність на вигин формувальних сумішей з 3-відсотковим рідинноскляним в'яжучим при різних процесах затвердіння:
1 – мікрохвильова сушка; 2 – затвердіння в сушилі; 3 – в гарячих ящиках; 4 – СО2; 5 – СО2 витримка 24 години; 6 – затвердіння
складними ефірами.

4.

Недоліки рідкого скла
Застосування РС для зміцнення формувальної суміші не
відповідає вимогам отримання якісних виливків. При
прожарюванні зразків, РС плавиться при 793°С, а
розм'якшується при нижчій температурі, тобто зовнішній
шар з цим єднальним при прожарюванні зразків і заливці
сталі повністю втрачає міцність. При охолодженні до
температури нижче 600°С міцність таких зразків у багато
разів вища за міцність їх з єднальним ЕТС, а усадка
внаслідок рідинного спікання зовнішнього шару більша,
ніж шарів з єднальними, отримуваними з ЕТС. Втрата
міцності при нагріві зразків і висока міцність при
одночасно високій усадці остигаючого зовнішнього шару
зразка завжди призводить до спотворення контуру
виливків і часто до тріщин в них.

5.

Схеми експериментальних досліджень технологічних властивостей сумішей з
рідинноскляними-полімерними в'яжучими
З метою поліпшення ряду технологічних параметрів рідинноскляних сумішей для литва в умовах
ливарного виробництва для детального дослідження були відібрані наступні полімерні добавки:
натрієва сіль карбоксиметилцелюлози (Н-КМЦ – клей для шпалер), полівініловий спирт (ПВС) і
полістирол (ПС)

6.

Додавання розчину Н-КМЦ в рідке скло
за вертикаллю – в'язкість за ВЗ-4, секунда; за горизонталлю – вміст Н-КМЦ, %
Залежність в'язкості рідкого скла (М – 2,5) від кількості введеного в нього 30-відсоткового водного розчину Н-КМЦ
При змішуванні водного розчину Н-КМЦ з рідким склом, Н-КМЦ випадає в осад, що
призводить до утворення суспензії. При цьому, зі збільшенням долі Н-КМЦ в рідкому склі
в'язкість усієї суміші падає, незважаючи на збільшення кількості твердої фази в рідкому
склі. Падіння в'язкості при змішуванні Н-КМЦ з рідким склом викликане тим, що Н-КМЦ,
потрапляючи в рідке скло, утворює суспензію дрібнодисперсних часток, а вода, що була в
розчині Н-КМЦ, переходить в розчин рідкого скла, тим самим зменшуючи його в'язкість.
Причому, розміри основних часток Н-КМЦ багато в чому залежать від концентрації розчину
Н-КМЦ, що вводиться в рідке скло, за однакових умов перемішування.

7.

Дослідження міцності властивостей формувальних сумішей при температурах 200°С та
700°С з додаванням до 30 відсотків розчину H-КMЦ з часткою води до Н-КМЦ від 1 до 5
за вертикаллю – міцність на розрив, МПа;
за горизонталлю – концентрація розчину НКМЦ, %
за вертикаллю – залишкова міцність на
розрив, МПа;
за горизонталлю – концентрація Н-КМЦ, %
Вплив змісту та концентрації розчину Н-КМЦ
в рідинноскляному в'яжучому на міцність
суміші затверджуваної: а) сушкою при
температурі 200°С; б) продуванням СО2.
Зміст розчину Н-КМЦ: 1) 1 мас; 2) 2 мас; 3) 3
мас; 4) 4 мас; 5) 5 мас
Вплив змісту та концентрації розчину Н-КМЦ
в рідинноскляному в'яжучому на залишкову
міцність суміші, затвердженої: а) сушкою при
температурі 200°С та прожареною при
температурі 700°С; б) продуванням СО2 та
прожареною при температурі 700°С.
Зміст розчину Н-КМЦ: 1) 1 мас; 2) 2 мас; 3) 3
мас; 4) 4 мас; 5) 5 мас
за вертикаллю – коефіцієнт втрати міцності; за
горизонталлю – концентрація Н-КМЦ, %
Вплив змісту та концентрації розчину Н-КМЦ в
рідинноскляному в'яжучому на коефіцієнт
втрати міцності, затвердженої: а) сушкою при
температурі 200°С та прожарення 700; б)
продуванням СО2 та прожарення 700.
Зміст розчину Н-КМЦ: 1) 1 мас; 2) 2 мас; 3) 3 мас;
4) 4 мас; 5) 5 мас

8.

Дослідження міцності властивостей формувальних сумішей при температурах 200°С та
700°С з додаванням до 30 відсотків розчину плакованого H-КMЦ з часткою рідкого скла без
додавання води до Н-КМЦ від 1 до 5
за вертикаллю – міцність на розрив, МПа; за
горизонталлю – концентрація Н-КМЦ, %
Вплив змісту та концентрації розчину Н-КМЦ
при плакуванні піску на міцність суміші з
рідким склом, затвердженої: а) сушкою при
температурі 200°С; б) продуванням СО2.
Зміст розчину Н-КМЦ: 1) 1 мас; 2) 2 мас; 3) 3
мас; 4) 4 мас; 5) 5 мас
за вертикаллю – залишкова міцність, МПа; за
горизонталлю – концентрація Н-КМЦ, %
за вертикаллю – коефіцієнт втрати міцності;
за горизонталлю – концентрація Н-КМЦ, %
Вплив змісту та концентрації розчину Н-КМЦ
при плакуванні піску на залишкову міцність
суміші з рідинноскляної суміші, затвердженої: а)
сушкою при температурі 200°С; б) продуванням
СО2. Зміст розчину Н-КМЦ: 1) 1 мас; 2) 2 мас; 3) 3
мас; 4) 4 мас; 5) 5 мас
Вплив змісту та концентрації розчину Н-КМЦ
при плакуванні піску на коефіцієнт втрати
міцності рідинноскляної суміші, затвердженої: а)
сушкою при температурі 200°С; б) продуванням
СО2. Зміст розчину Н-КМЦ: 1) 1 мас; 2) 2 мас; 3) 3
мас; 4) 4 мас; 5) 5 мас

9.

Додавання розчину ПВС в рідке скло
за вертикаллю – міцність, МПа; за горизонталлю – вміст розчину ПВС, %
Залежність міцності на розрив піщаної суміші з використанням як в'яжучого 25-відсоткового розчину ПВС
На відміну від Н-КМЦ розчин ПВС утворює при висиханні досить однорідну, щільну і міцну
плівку, що дозволяє використати ПВС як самостійне в'яжуче. Піщана суміш, приготована з
використанням піску фракції 0315 та в'яжучого 25-відсоткового розчину ПВС і
затвердження сушкою при температурі 200°С, має досить високі міцні властивості при
випробуваннях на розрив.

10.

Дослідження міцності властивостей формувальних сумішей при температурах 200°С та
700°С з додаванням до 30 відсотків розчину ПВС з часткою води до ПВС від 1 до 5
за вертикаллю – міцність на розрив, МПа; за
горизонталлю – концентрація ПВС, %
за вертикаллю – залишкова міцність, МПа; за
горизонталлю – концентрація ПВС, %
за вертикаллю – коефіцієнт втрати міцності;
за горизонталлю – концентрація ПВС, %
Вплив змісту та концентрації розчину ПВС в
рідинноскляному в'яжучому на міцність суміші,
затверджуваної: а) сушкою при температурі
200°С, б) продуванням СО2 з подальшою
підсушкою. Зміст розчину ПВС: 1) 1 мас; 2) 2 мас;
3) 3 мас; 4) 4 мас; 5) 5 мас
Вплив змісту та концентрації розчину ПВС в
рідинноскляному в'яжучому на залишкову
міцність суміші, затверджуваної: а) сушкою
при температурі 200°С, б) продуванням СО2 з
подальшою підсушкою. Зміст розчину ПВС: 1) 1
мас; 2) 2 мас; 3) 3 мас; 4) 4 мас; 5) 5 мас
Вплив змісту та концентрації розчину ПВС в
рідинноскляному в'яжучому на коефіцієнт
втрати міцності суміші, затверджуваної: а)
сушкою при температурі 200°С, б) продуванням
СО2 з подальшою підсушкою. Зміст розчину ПВС:
1) 1 мас; 2) 2 мас; 3) 3 мас; 4) 4 мас; 5) 5 мас

11.

Дослідження міцності властивостей формувальних сумішей при температурах 200°С та
700°С з додаванням до 30 відсотків розчину плакованого ПВС з часткою рідкого скла без
додавання води до ПВС від 1 до 5
за вертикаллю – міцність на розрив, МПа; за
горизонталлю – концентрація ПВС, %
Вплив змісту та концентрації розчину ПВС при
плакуванні піску на міцність суміші з рідким
склом, затверджуваної: а) сушкою при
температурі 200°С, б) продуванням СО2. Зміст
розчину ПВС: 1) 1 мас; 2) 2 мас; 3) 3 мас; 4) 4 мас;
5) 5 мас
за вертикаллю – залишкова міцність, МПа; за
горизонталлю – концентрація ПВС, %
Вплив змісту та концентрації розчину ПВС при
плакуванні піску на залишкову міцність суміші з
рідким склом, затверджуваної: а) сушкою при
температурі 200°С, б) продуванням СО2. Зміст
розчину ПВС: 1) 1 мас; 2) 2 мас; 3) 3 мас; 4) 4 мас;
5) 5 мас
за вертикаллю – коефіцієнт втрати міцності,
МПа; за горизонталлю – концентрація ПВС, %
Вплив змісту та концентрації розчину ПВС при
плакуванні піску на коефіцієнт втрати міцності
суміші з рідким склом, затверджуваної: а)
сушкою при температурі 200°С, б) продуванням
СО2. Зміст розчину ПВС: 1) 1 мас; 2) 2 мас; 3) 3
мас; 4) 4 мас; 5) 5 мас

12.

Дослідження міцності властивостей формувальних сумішей при температурах 200°С та
700°С з додаванням до 30 відсотків розчину ПС з часткою води до ПС від 1 до 5
за вертикаллю – міцність на розрив, МПа; за
горизонталлю – концентрація розчину ПС, %
Вплив змісту та концентрації розчину ПС в
рідинноскляному в'яжучому на міцність
суміші, затверджуваної: а) сушкою при
температурі 200°С, б) продуванням СО2.
Зміст розчину ПС: 1) 1 мас; 2) 2 мас; 3) 3 мас;
4) 4 мас
за вертикаллю – залишкова міцність, МПа;
за горизонталлю – концентрація розчину
ПС, %
Вплив змісту та концентрації розчину ПС в
рідинноскляному в'яжучому на залишкову
міцність суміші, затверджуваної: а) сушкою
при температурі 200°С, б) продуванням СО2
з подальшою підсушкою. Зміст розчину ПС:
1) 1 мас; 2) 2 мас; 3) 3 мас; 4) 4 мас
за вертикаллю – коефіцієнт втрати міцності;
за горизонталлю – концентрація ПС в розчині,
%
Вплив змісту та концентрації розчину ПС в
розчині на коефіцієнт втрати міцності суміші
з рідким склом, затверджуваної: а) сушкою при
температурі 200°С, б) продуванням СО2.
Зміст розчину ПС: 1) 1 мас; 2) 2 мас; 3) 3 мас; 4)
4 мас

13.

Дослідження міцності властивостей формувальних сумішей при температурах 200°С та
700°С з додаванням до 30 відсотків розчину плакованого ПС з часткою рідкого скла без
додавання води до ПС від 1 до 5
за вертикаллю – міцність на розрив, МПа; за
горизонталлю – концентрація ПС, %
Вплив змісту та концентрації ПС в розчині при
плакуванні піску на міцність суміші з рідким склом,
затверджуваної: а) сушкою при температурі
200°С, б) продуванням СО2.
Зміст розчину ПС: 1) 1 мас; 2) 2 мас; 3) 3 мас; 4) 4
мас; 5) 5 мас
за вертикаллю – залишкова міцність, МПа; за
горизонталлю – концентрація ПС, %
за вертикаллю – коефіцієнт втрати міцності; за
горизонталлю – концентрація ПС, %
Вплив змісту та концентрації ПС в розчині
при плакуванні піску на залишкову міцність
рідинноскляної суміші, затверджуваної: а)
сушкою при температурі 200°С, б)
продуванням СО2.
Зміст розчину ПС: 1) 1 мас; 2) 2 мас; 3) 3 мас;
4) 4 мас; 5) 5 мас
Вплив змісту та концентрації ПС в розчині при
плакуванні піску на коефіцієнт втрати міцності
рідинноскляної суміші, затверджуваної: а) сушкою
при температурі 200°С, б) продуванням СО2.
Зміст розчину ПС: 1) 1 мас; 2) 2 мас; 3) 3 мас; 4) 4
мас; 5) 5 мас

14.

Рейтингове оцінювання використання різних складів формувальних сумішей
Показники
Рівень введення до складу
рідинноскляного в'яжучого, %
Сумарна кількість в формувальній
суміші в’яжучого, мас. од.
Міцність форми, МПа
Рівень збільшення початкової
міцності форми, %
Залишкова міцність, МПа
Характеристика залишкової міцності
Рейтингове оцінювання, бал
Рідинноскляна формувальна суміш з додаванням
Н-КМЦ
ПВС
ПС
20-25
20-25
30
3-4
3-4
3-4
1,5
1,65
1,6-1,75
+50,0
+ в 2 рази
+ в 2,5 рази
0,1
практично
втрачається
2
→ до 0
повністю
втрачається
1
0,1
практично
втрачається
3
Рівень умовної економії на 1 тону формувальної суміші
Показники
Рідинноскляна формувальна суміш з додаванням
Н-КМЦ
ПВС
ПС
Умовна економія, %
20
10
30
Умовна економія, т/т
0,190
0,095
0,285
Вартість формувального матеріалу,
грн/т
Економія, грн/т
1200
228
114
342

15.

Порівняльний аналіз та висновки
за вертикаллю – міцність на розрив, МПа; за
горизонталлю – зліва направо: без добавок,
Н-КМЦ, ПВС, ПС.
Звідні гістограми максимальних міцних
рідинноскляних сумішей з полімерними
добавками. Сірим кольором – введення
полімерної добавки в сиру суміш; чорним
кольором – при плакуванні полімерною
добавкою піску; а) затвердіння суміші при
температурі 200°С, б) затвердіння суміші
СО2-газом
1. Введення до складу рідинноскляного в'яжучого 20-25% розчину НКМЦ у кількості 3-4 мас дозволяє отримати максимальну міцність
суміші – більш ніж на 50%; залишкова міцність менше 0,1МПа, тобто
практично повністю втрачає міцність.
2. Введення в рідинноскляне в'яжуче 20-25% розчину ПВС в тих же
кількостях збільшує міцність більш ніж в 2 рази; у разі затвердіння
СО2-газом міцність досягає 1,65МПа; залишкова міцність менше
0,1МПа.
3. Оптимальною концентрацією при введенні розчину полістиролу в
рідинноскляну суміш є 30-відсотковий розчин полістиролу в толуолі, і
оптимальний його вміст в рідинноскляній суміші складає 3-4 мас;
міцність підвищується до 1,6 – 1,75МПа; залишкова міцність менше
0,1МПа.
4. Плакування наповнювача полімерами дозволяє істотно підвищити
міцність рідинноскляних сумішей в затверджуваному стані в
середньому до 1,8-2,7 разів; залишкова міцність менше 0,1МПа.
5. З економічної точки зору, введення 30% розчину полістиролу в
толуолі в рідинноскляну суміш в кількості 3-4 мас. од. забезпечує
найбільше зростання початкової міцності форм та забезпечує
підприємству отримання найбільшої величини економії
формувальної суміші. Економія на рівні 342 грн/т суміші.