close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

ГОСТ 2.301 - 68 «ЕСКД. Форматы»;pdf

код для вставкиСкачать
НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМ. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА
На правах рукописи
ЛЕУШИНА ЛЮБОВЬ ИГОРЕВНА
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ СТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ
ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ С ПРИМЕНЕНИЕМ
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПРОКАЛИВАНИЯ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ
И ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ
05.16.04  Литейное производство
Диссертация
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель
доктор технических наук, профессор
В.А. Ульянов
Нижний Новгород  2014
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………...
5
ГЛАВА 1 ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА…………………………………………………………..
14
1.1 Технологическая схема литья по выплавляемым моделям………………….
14
1.2 Повышение качества оболочковых форм – основной способ
профилактики дефектов литья по выплавляемым моделям…………………….
25
1.3 Опыт ресурсосбережения при производстве стального литья
по выплавляемым моделям………………………………………………………..
38
Выводы по главе 1………………………………………………………………….
42
ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПРОКАЛИВАНИЯ ОБОЛОЧКОВЫХ
ФОРМ НА ОСНОВЕ КВАРЦА ДЛЯ ТОЧНОГО СТАЛЬНОГО
ЛИТЬЯ.........................................................................................................................
2.1 Модельное
представление
о
прокаливании оболочковых
43
форм
на основе кварца………………………………………………………………….
43
2.2 Выбор технологических добавок к материалу формы………………………
52
2.3 Выбор термовременных режимов прокаливания оболочковых форм……..
59
2.4 Возможные риски реализации схемы низкотемпературного прокаливания
оболочковых форм…………………………………………………………………
66
Выводы по главе 2………………………………………………………………….
71
ГЛАВА 3 ОЦЕНКА РИСКОВ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПРОКАЛИВАНИЯ ОБОЛОЧКОВЫХ
ФОРМ………………………………………………………………………………….
73
3.1 Оценка трещиностойкости оболочковой формы в традиционной схеме
литья по выплавляемым моделям…………………………………………………
73
3.2 Оценка термостойкости / трещиностойкости оболочковых при литье по
выплавляемым моделям с использованием низкотемпературного прокаливания………………………………………………………………………………..
82
3
3.3 Прогнозирование образования дефектов газового происхождения при
изменении технологии литья по выплавляемым моделям………………………
90
3.4 Оценка образования поверхностных дефектов в стальных отливках, получаемых в оболочковых формах с применением низкотемпературного прокаливания………………………………………………………………………
94
Выводы по главе 3…………………………………………………………………
98
ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И ИХ
ОПЫТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРОБОВАНИЕ……………………..
100
4.1 Опытно-экспериментальное опробование схемы прокаливания
оболочковых форм без опорного наполнителя…………………………………..
100
4.2 Опытно-экспериментальное опробование схемы прокаливания
оболочковых форм с опорным наполнителем…………………………………...
111
4.3 Профилактика пироэффекта при заливке в опорном наполнителе
оболочек с технологическими добавками кислородсодержащего вещества
в обсыпочный материал……………………………………………………………
121
4.4 Методика экспериментальной оценки образования газовых дефектов в
стальных отливках, получаемых по выплавляемым моделям…………………..
125
4.5 Опытно-экспериментальное опробование применения техногенных
отходов в технологии литья по выплавляемым моделям……………………….
132
4.5.1 Шламы селитровых ванн………………………………………………….
134
4.5.2 Отходы абразивной обработки деталей из черных сплавов……………
138
4.5.3 Бой керамических оболочковых форм…………………………………..
141
4.5.4 Отработанная модельная композиция ПС 50-50……………………….
143
4.6 Термостатирование оболочковых форм литья по выплавляемым
моделям……………………………………………………………………………..
148
Выводы по главе 4………………………………………………………………….
159
ГЛАВА 5 ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ РАЗРАБОТОК В
УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ПРОИЗВОДСТВА………………………….
164
5.1 Оценка эффективности внедрения разработок………………………………
164
4
5.1.1 Оценка энергоэффективности внедрения технологии
низкотемпературного прокаливания оболочковых форм…………………….
164
5.1.2 Оценка экологичности внедрения технологии низкотемпературного
прокаливания оболочковых форм……………………………………………..
166
5.2 Организационно-технические мероприятия по внедрению разработок
в действующее производство……………………………………………………..
171
5.3 Перспективы применения разработок……………………………………….
175
Выводы по главе 5………………………………………………………………….
177
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………
179
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………………..
187
ПРИЛОЖЕНИЕ……………………………………………………………………...
217
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Литье по выплавляемым моделям (ЛВМ) является одним из наиболее перспективных специальных способов литья, применяемым для
получения литых заготовок деталей машин высокой сложности. Главным достоинством
ЛВМ считается высокая точность геометрии получаемых отливок, позволяющая минимизировать затраты на последующую механическую обработку отливок до получения
готовой детали. Однако широкое применение данного способа литья сдерживается рядом его недостатков, таких как высокие трудо-, материало- и энергоемкость технологических операций и переходов, длительность производственного цикла изготовления отливок и подготовки производства, в том числе, специальной оснастки и оборудования.
Стратегия развития науки и инноваций в Российской Федерации на период до 2015
года, Концепция долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года и Стратегия инновационного развития Российской Федерации на период до 2020 года подчеркивают необходимость выхода страны на инновационный путь для удержания позиций в мировой экономике. Очевидно, что их реализация невозможна без эффективного решения проблемы ресурсосбережения в таких наиболее затратных отраслях промышленности, как литейное производство и в частности
ЛВМ.
Актуальность работы подтверждается соответствием ее содержания приоритетным
направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечню критических технологий РФ, а также основным задачам инновационного развития
промышленного потенциала Нижегородской области и Приволжского региона.
Тематика и содержание работы соответствуют профилю Федеральных целевых программ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2014–2020 гг.», а также государственным программам «Развитие науки и технологий» Российской Федерации на период до 2020 года
и «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности на период до
2020 года».
Степень разработанности темы исследования. Разработками в области ЛВМ занимались такие российские ученые,
Евстигнеев А.И.,
как Васин Ю.П.,
Знаменский Л.Г.,
Иванов В.Н.,
Гаранин В.Ф., Дубровин В.К.,
Илларионов И.Е., Кулаков Б.А.,
6
Лакеев А.С., Озеров В.А., Петров В.В., Рыбкин В.А., Сапченко И.Г., Тимофеев Г.И.,
Чернышов Е.А., Шагеев А.С., Шатульский А.А., Шкленник Я.И. и др.
Особенно активно работы проводились в период 50–90-х гг. двадцатого века, когда
ставились задачи исследования физических и химических явлений и процессов, лежащих в основе действующих и вновь создаваемых вариантов технологии ЛВМ, а также
модернизации, механизации и автоматизации литейного оборудования цехов точного
литья. При этом в качестве приоритетных рассматривались вопросы использования новых материалов при изготовлении оболочковых форм (ОФ), освоения ЛВМ новых сплавов со специальными свойствами, изучения условий обеспечения стабильного качества
отливок. В итоге большинство из полученных научных результатов было успешно внедрено в практику действующего производства, удалось сформировать мощную экспериментально-теоретическую базу для дальнейших исследований, которые нашли продолжение в работах
Берстнева А.А., Варламова А.С., Варфоломеева М.С., Денисо-
ва М.И., Дмитриева Э.А., Карпинского А.В., Лысикова Д.К., Мартынова К.В., Никифорова С.А., Некрасова С.А., Редькина И.А., Смыкова А.Р. и других, занимавшихся, в том
числе вопросами совершенствования формообразования, повышения качества отливок,
оценки напряженно-деформированного состояния ОФ, автоматизированного проектирования технологических процессов ЛВМ.
В настоящее время все большим приоритетом в российской промышленности, и в частности, в литейном производстве, становится ресурсосбережение. Учитывая современное состояние действующих отечественных цехов точного литья, большинство из которых ориентированы на выпуск серийной и мелкосерийной продукции, основные направления ресурсосбережения применительно к ЛВМ связаны, прежде всего, с повышением энергоэффективности этого процесса на основе инновационных технических решений, позволяющих более рационально использовать имеющееся технологическое
оборудование, а также со снижением материалоемкости, в частности, расширением использования так называемых вторичных ресурсов, например, техногенных отходов взамен первичных, в том числе импортных, характеризующихся более высокой ценой и
дефицитностью.
Особого внимания исследователей требуют обостряющиеся противоречия между:
– повышающимися требованиями к качеству литых заготовок и отстающими от современного уровня возможностями действующего производства;
7
– нарастающим дефицитом ресурсов для производства точного литья и их нерациональным расходованием на предприятиях;
– острой нехваткой инновационных и наукоемких технических решений в области
ЛВМ и трудностями их реализации.
Эти противоречия определяют спектр задач в области ЛВМ, требующих решения в
первую очередь, а также основную, по мнению автора, проблему отечественного точного литья – проблему недостатка ресурсосберегающих технологических решений, соответствующих вызовам времени.
В данной работе эта проблема рассматривается применительно к производству стальных отливок.
Целью работы является разработка и освоение в условиях действующего производства научно обоснованных технологий точного стального литья, базирующихся на принципах ресурсосбережения и обеспечивающих высокое качество отливок.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
– провести информационно-аналитический обзор состояния исследований и имеющегося опыта ресурсосбережения в производстве стального ЛВМ;
– сформулировать модельное представление об операции прокаливания ОФ на основе
кристаллического кварца, учитывающее основные аспекты этого процесса;
– научно обосновать принципиальную возможность оптимизации термовременного
режима прокаливания оболочек за счет снижения температурного максимума и сокращения длительности пребывания форм в печи;
– теоретически оценить возможные риски реализации технической схемы низкотемпературного прокаливания ОФ, предложить способы их возможного устранения и минимизации, провести проверку на практике и в итоге разработать технологические варианты схемы, учитывающие специфику действующего производства;
– разработать ряд технологических решений, предусматривающих использование в
ЛВМ техногенных отходов;
–
провести
организационно-технические
мероприятия
по
опытно-
экспериментальному опробованию и промышленному внедрению разработок на предприятиях, дать оценку ожидаемых эффектов.
Объектом исследования является технология стального ЛВМ, в качестве предмета
выступают операции и переходы этой технологии, одна из которых – операция прокали-
8
вания ОФ ЛВМ.
Научная новизна
1. Сформулировано модельное представление об операции прокаливания ОФ на основе кварца, базирующееся на трех ее аспектах (термомеханический, физикохимический, функциональный), позволившее показать, что ключевые процессы формообразования оболочки проходят в основном при температурах, не превышающих 600˚С.
Найдены предпосылки для приближения к этой границе температурного максимума
прокаливания при реализации термовременного режима данной операции.
2. Научно обоснован выбор вариантов кислородсодержащих добавок в материал формы и термовременного режима прокаливания ОФ в опорном наполнителе и без опорного наполнителя, позволяющих минимизировать временные и энергетические затраты на
операцию прокаливания керамических оболочек.
3. Предложен новый термин «потенциал газотворности материала формы» – объѐм
газа, который может выделить навеска материала формы при нагреве в температурном
интервале от начала прокаливания до заливки еѐ металлическим расплавом. По мнению
автора диссертации, его использование обеспечит более адекватную оценку процесса
газовыделения литейных форм, учитывающую специфику ЛВМ.
4. Выявлен эффект более полной реализации потенциала газотворности материала
формы в условиях низкотемпературного прокаливания с использованием кислородсодержащих технологических добавок, проявляющийся в виде дополнительного пика на
экспериментальной кривой газотворности, позволяющий говорить о принципиальной
возможности управления потенциалом газотворности материала ОФ.
Теоретическая и практическая значимость работы
1. По итогам проведенного автором информационно-аналитического обзора, предложена упрощенная версия классификации способов обеспечения качества ОФ ЛВМ, предусматривающая их деление на два возможных направления (конструкторское и технологическое), которая может быть использована на производстве при выборе вариантов
решения проблемы.
2. Теоретически и экспериментально доказано, что введение кислородсодержащего
вещества позволяет обеспечивать получение дополнительного количества кислорода,
необходимого для более полного сгорания остатков модельной композиции, и выделение тепла экзотермических реакций для повышения спекаемости ОФ и термодеструкции
9
связующего материала оболочки на ранних стадиях прокаливания форм в условиях температур, не превышающих 600˚С, что в свою очередь дает возможность минимизировать временные и энергетические затраты на операцию прокаливания керамических
оболочек.
3. Предложены упрощенные методики оценки трещиностойкости и минимально допустимой толщины стенки ОФ ЛВМ на основе кварца, применимые в условиях действующего производства.
4. На основе принципа
замены сплошного цилиндра составным, разработанного
А.В. Гадолиным применительно к металлическим конструкциям, теоретически показана
возможность управления свойствами многослойной ОФ ЛВМ (в частности, жесткость,
податливость и трещиностойкость) за счет рационального выбора материала каждого
слоя.
5. Проведены теоретическая оценка основных рисков реализации технической схемы
низкотемпературного прокаливания ОФ (пониженные термостойкость и трещиностойкость, повышенные газовыделение форм и вероятность поверхностных дефектов на
стальных отливках) на основе закономерностей, ранее полученных исследователями
ЛВМ, а также практическая проверка вариантов технических схем низкотемпературного
прокаливания ОФ в условиях действующего производства с использованием технологических добавок в материал формы (дихромат калия, перманганат калия, борная кислота).
6. Разработана методика экспериментальной оценки образования газовых дефектов в
отливках, получаемых ЛВМ, на основе анализа потенциала газотворности материала
ОФ, позволяющая по итогам традиционного экспериментального контроля газопроницаемости и газотворности материала ОФ, на стадии ее изготовления, прогнозировать
образование газовых дефектов в стальных отливках, получаемых способом точного литья.
7. Разработаны технологические решения, предусматривающие использование в ЛВМ
пяти наименований техногенных отходов:
– шламов селитровых ванн в качестве кислородсодержащего вещества, интенсифицирующего прокаливание ОФ;
– отходов абразивной обработки деталей из черных сплавов в качестве обсыпочного
материала ОФ;
10
– керамического боя в качестве обсыпочного материала ОФ;
– отработанной модельной композиции ПС 50-50 для защиты стальных отливок от
обезуглероживания и окисления при термической обработке;
– абразивной пыли полировально-шлифовальной обработки изделий из сплавов черных металлов для получения мелкозернистой структуры тонкостенных стальных отливок в условиях управляемого теплоотвода.
Все они прошли успешное опытно-экспериментальное опробование на предприятиях.
8. Разработаны и внедрены в действующее производство с получением экономического эффекта технологические варианты стального ЛВМ с применением низкотемпературного прокаливания ОФ. Показаны их высокая энергоэффективность и удовлетворительная экологическая безопасность по сравнению с технологиями, ранее реализуемыми
на предприятиях.
Методология и методы исследования. В ходе подготовки диссертации применялись
такие методы научных исследований, доказавшие свою эффективность на эмпирическом и теоретическом уровнях работы, как системный, гипотетический, моделирование,
аналогирование, формализация, металлографический структурный анализ.
При выполнении практической части работы использовались современные лабораторные приборы: металлографический цифровой комплекс Altami MET3MT, оснащенный программой обработки и анализа изображений в режиме реального времени Altami
Studio; прибор для измерения газотворности модели PGD-E фирмы Simpson Technologies GmbH, Швейцария; приборы производства «Литмашприбор» для контроля свойств
формовочных материалов; программное обеспечение MathCAD, Microsoft Excel, а также
технологическое оборудование промышленных предприятий ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина», ОАО «Правдинское конструкторское бюро», ОАО «Нижегородский машиностроительный завод», ОАО «НИТЕЛ».
Все оборудование и приборы, использованные в работе, сертифицированы, а рабочие
методики контроля качества получаемых стальных отливок соответствуют техническому регламенту, действующему на предприятиях, в том числе ГОСТ, ОСТ и ТУ.
Положения, выносимые на защиту:
1. Упрощенная версия классификации способов обеспечения качества ОФ ЛВМ, предусматривающая их деление на два возможных направления (конструкторское и технологическое), которая может быть использована на производстве при выборе вариантов
11
решения проблемы.
2. Модельное представление об операции прокаливания ОФ на основе кварца, базирующееся на трех ее аспектах (термомеханический, физико-химический, функциональный), позволившее показать, что ключевые процессы формообразования оболочки проходят в основном при температурах, не превышающих 600˚С.
3. Варианты кислородсодержащих добавок в материал формы и термовременного режима прокаливания ОФ в опорном наполнителе и без опорного наполнителя, позволяющие минимизировать временные и энергетические затраты на операцию прокаливания керамических оболочек.
4. Результаты теоретической оценки основных рисков реализации технической схемы
низкотемпературного прокаливания ОФ и практической проверки ее вариантов в условиях действующего производства.
5. Упрощенные методики оценки трещиностойкости и минимально допустимой толщины стенки ОФ ЛВМ на основе кварца.
6. Эффект более полной реализации потенциала газотворности материала формы в
условиях низкотемпературного прокаливания с использованием кислородсодержащих
технологических добавок.
7. Методика экспериментальной оценки образования газовых дефектов в отливках,
получаемых ЛВМ, на основе анализа потенциала газотворности материала ОФ, позволяющая по итогам традиционного экспериментального контроля газопроницаемости и
газотворности материала ОФ, на стадии ее изготовления, прогнозировать образование
газовых дефектов в стальных отливках, получаемых способом точного литья.
8. Технологические варианты стального ЛВМ с применением низкотемпературного
прокаливания ОФ.
9. Технологические решения, предусматривающие использование в ЛВМ пяти наименований техногенных отходов.
Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертации, получены
автором лично, либо с участием соавторов, ссылки на публикации которых приведены в
тексте работы.
Автору принадлежат постановка и планирование диссертационного исследования, а
также выполнение теоретической части работы. Практическая часть работы, опытнопромышленное опробование и внедрение результатов выполнялись автором в составе
12
коллектива исследователей на базе ряда предприятий с участием их сотрудников. Обработка полученных результатов и их обобщение проводились автором самостоятельно.
Автор благодарит сотрудников кафедры «Металлургические технологии и оборудование» (до 2014 года – «Литейно-металлургические процессы и сплавы») Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева и работников
других организаций за содействие, оказанное при подготовке диссертации.
Степень достоверности и апробация результатов. Высокая степень достоверности
получаемых результатов подтверждается корректным использованием базовых теоретических положений, методологического аппарата и терминологии; положительными результатами при практическом использовании разработок в условиях производства.
Работа выполнялась в период с 2009 по 2014 гг. Ее результаты были представлены на
Всероссийской конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (3–5
декабря 2010 года), г. Новосибирск; второй научно-практической конференции «Заготовительные производства Волго-Вятского региона» (21–23 октября 2010 года), г. Н. Новгород; отмечены на X Международной молодежной научно-технической конференции
«Будущее технической науки» (13 мая 2011 года), г. Н. Новгород; Всероссийской научно-практической конференции «Наука и практика. Перспективы развития» (20 мая 2011
года), г. Набережные Челны; VI Международной научно-практической конференции
«Прогрессивные литейные технологии» (24–28 октября 2011 года), г. Москва; XVII Нижегородской сессии молодых ученых. Технические науки (19–23 марта 2012 года), г.
Арзамас; IX Международной научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра» (20-22 июня 2012 года), г. Санкт-Петербург; Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика литейных процессов» (13–15 июня
2012 года), г. Новокузнецк; Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «Инновации в материаловедении» (3–5 июня 2013 года), г. Москва;
Международной научно-практической конференции «Новые технологии наукоемкого
машиностроения: приоритеты развития и подготовка кадров» (16 мая 2013 года), г. Казань; XI Съезде литейщиков России (16–20 сентября 2013 года), г. Екатеринбург; VII
Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (11–15 ноября 2013 года), г. Москва; Международной научно-практической
конференции «Актуальные вопросы развития науки» (14 февраля 2014 года), г. Уфа; IV
Международной научно-практической конференции «Современные инновации в науке и
13
технике» (17 апреля 2014 года), г. Курск.
Результаты работы представлялись на Национальном конкурсе инновационных проектов, организованном Ассоциацией Менеджеров России в 2011 году; на первом и втором Всероссийских конкурсах по поддержке высокотехнологичных инновационных молодежных проектов, проведенных Национальной ассоциацией инноваций и развития
информационных технологий, в 2011 году; конкурсе на выделение грантов в рамках
проекта «Инновационное внедрение – школа успеха молодежи, вторая очередь» в 2012
году.
По итогам конкурса за 2011 год работа награждена премией Ученого Совета НГТУ
им. Р.Е. Алексеева, а 2013 году – поддержана грантом Нижегородской области в сфере
науки, технологий и техники. В 2009–2010 гг. автор отмечен именной стипендией им.
Р.Е. Алексеева; в 2012 году – стипендией Правительства РФ; в 2012–2014 гг. – стипендией им. академика Г.А. Разуваева.
Публикации. Результаты диссертационного исследования представлены 35 публикациями в научных рецензируемых журналах, сборниках научных трудов и материалах
конференций, в том числе 10 – в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. По результатам работы получены патент на изобретение и четыре
положительных решения по заявкам на патент (в соавторстве).
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения,
пяти глав, заключения и списка литературы, изложенных на 219 страницах машинописного текста, включая 38 рисунков, 17 таблиц, приложение. Список литературы включает
330 источников и представлен на 30 страницах.
14
ГЛАВА 1 ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ
ВОПРОСА
1.1 Технологическая схема литья по выплавляемым моделям
Разработками теоретических и технологических основ ЛВМ в течение длительного
времени занимаются в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете [1, 2], Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова [3],
Московском государственном авиационном технологическом университете
им. К.Э. Циолковского [4, 5], Московском институте стали и сплавов (технологический
университет) [6],
Нижегородском государственном техническом университете им.
Р.Е. Алексеева [79], Рыбинском государственном авиационном технологическом университете им. В.П. Соловьева [10, 11], Челябинском политехническом институте [12],
ныне Южно-Уральском государственном университете [1315] и других ведущих научных центрах России. Имеется информация о том, что вопросами ЛВМ активно занимаются и за рубежом [318323].
Процесс ЛВМ, описываемый в том числе в источниках [5, 1618], можно представить
в виде обобщенной технологической схемы, приведенной на рисунке 1.1.
Процесс изготовления моделей включает в себя операции подготовки модельных составов, изготовления моделей отливок и литниковых систем, отделки и контроля моделей, а также сборки их в блоки [1923].
Модели, как правило, изготавливают из материалов, представляющих собой многокомпонентные композиции, комбинации восков (парафино-стеариновая смесь, природные твердые воски и т.д.) [2429].
При изготовлении модельных составов используется до 80-90% возврата, собранного
при удалении моделей из литейных форм. Качество возврата зависит от условий выплавления моделей, особенно от температурного режима. Возврат модельного состава
следует не только освежать, но и периодически регенерировать.
Изготовление моделей в пресс-формах включает в себя подготовку пресс-формы,
введение в ее полость модельного состава, выдержку модели до затвердевания, разборку
пресс-формы и извлечение моделей, а также охлаждение моделей до температуры производственного помещения.
15
Рисунок 1.1 – Обобщенная технологическая схема ЛВМ
Конструкция литниково-питающей системы играет в ЛВМ ведущую роль. Это связано с тем, что она выполняет три функции [5, 3032]: 1) в процессе изготовления блока
моделей и оболочки литейной формы литниковая система является несущей конструкцией, удерживающей на себе модели и оболочку; 2) в процессе заливки она представляет собой систему каналов, через которые металл подводится к отливке; 3) в период затвердевания отливки литниково-питающая система может выполнять роль прибыли.
В процессе ЛВМ ключевым является создание слоев ОФ.
Процесс изготовления оболочки состоит в следующем. На поверхность блока моделей, чаще всего окунанием, наносят сплошную тонкую пленку суспензии, которую далее обсыпают песком. Суспензия прилипает к поверхности моделей и точно воспроизводит их форму, а песок обсыпки внедряется в слой суспензии, смачивается ею и фиксирует суспензию на поверхности модели в виде тонкого облицовочного (первого или
рабочего) слоя. Создаваемая песком шероховатая нерабочая поверхность оболочки способствует хорошему сцеплению последующего слоя суспензии с предыдущим.
Важными показателями, определяющими прочность формы, являются вязкость и
жидкотекучесть суспензии. Вязкость можно регулировать введением определенного ко-
16
личества наполнителя («наполненностью» суспензий). При этом с увеличением «наполненности» суспензий толщина прослоек связующего раствора между частицами порошка уменьшается, снижается усадка и вызываемые ею негативные эффекты, а также повышаются прочностные свойства ОФ [33].
Материалы для изготовления оболочки подразделяются на следующие группы: материалы основы, связующие, растворители и добавки.
К материалам основы относятся пылевидные, применяемые для приготовления суспензий, и пески, предназначенные для ее обсыпки. Материалами основы служат кварц,
шамот, циркон, магнезит, высокоглиноземистый шамот, электрокорунд, хромомагнезит
и другие [34]. Широко используемый материал – кварц. Некоторые материалы основы
оболочки получают в готовом к употреблению виде, а другие предварительно сушат,
прокаливают, размалывают, просеивают.
Существенным недостатком кварца являются его полиморфные превращения, которые протекают при изменении температуры и сопровождаются резким изменением объема [4, 21], в итоге приводящим к растрескиванию и разрушению ОФ.
Плавный подогрев форм с целью снижения вероятности их растрескивания, который
проводят в опорном наполнителе, способствует увеличению длительности технологического процесса и дополнительным энергетическим затратам.
Одним из вариантов снижения вероятности растрескивания ОФ в ходе их прокаливания является замена пылевидного кварцевого песка, как наполнителя, на диспергированный кварцевый песок полифракционного состава. При этом улучшаются реологические свойства суспензии, повышается трещиноустойчивость форм и снижается брак по
засорам и пробою оболочек [35].
Согласно информации, приведенной в [36], применение сферокорунда (полые сферы
огнеупорных оксидов) в качестве обсыпочного материала позволяет снижать массу оболочки в 2-3 раза и получать ровный слой обсыпки без манипуляций модельного блока.
В работе [37] для замены пылевидного дистенсиллиманитового концентрата, часто
применяемого в качестве огнеупорного наполнителя для суспензий, авторы предлагают
использовать пылевидный алюмосиликат, который не претерпевает полиморфных превращений в интервале рабочих температур керамической формы. Из-за низкого коэффициента термического расширения формы, полученные на пылевидном алюмосиликате, имели высокую прочность при высоких температурах. Стоимость пылевидного алю-
17
мосиликата гораздо ниже дистенсиллиманитовых порошков.
Перспективным материалом для замены кварцевого песка является плавленый кварц.
В результате его применения сокращается количество слоев ОФ, время сушки, расход
вспомогательных материалов [3840]. Использование плавленого кварца (торговая марка «Экосил-мелур») способствует улучшению качества оболочки вследствие низкого
коэффициента термического расширения, высокой химической стойкости и малой насыпной плотности указанного материала.
Однако плавленый кварц является более дорогим по сравнению с кварцевым песком.
Кроме того, по мнению [41], в спеченном состоянии газопроницаемость плавленого
кварца в четыре раза меньше, чем у кристаллического кварца.
Необходимо отметить, что замена пылевидного кварца на более термостойкие, но дорогие наполнители, такие как корунд, прозрачное и непрозрачное кварцевые стекла,
циркон, не всегда обеспечивает высокую термостойкость ОФ, так как на нее влияют не
только терморасширение материала наполнителя, но и термомеханические изменения
связующих материалов при прокаливании и заливке. Термомеханические свойства керамики с одинаковым огнеупорным наполнителем, например, пылевидным кварцем,
одинаковы, но на разных связующих материалах, например, на основе жидкого стекла и
гидролизованного этилсиликата, значительно различаются [42] .
Наиболее распространенным связующим материалом является этилсиликат. Перед
использованием этилсиликат подвергают гидролизу, в результате чего получают спирт и
силикагель (спирт улетучивается с поверхности, а силикагель является хорошим связующим, обеспечивающим получение прочной ОФ). Этому вопросы посвящены многочисленные работы [4345].
Поскольку этилсиликат не растворяется в воде, при гидролизе необходимо вводить
растворители: этиловый спирт, ацетон, бензин, изопропиловый спирт и др.
С целью повышения прочности форм и живучести суспензии за счет ускорения гидролиза этилсиликата и стабилизации связующего из-за перехода его из неустойчивой
области с рН 0,51 в стабильную с рН 2 используют барботирование суспензии [4648].
Однако применение этилсиликатного связующего создает ряд трудностей в действующем производстве. Необходимость создания в литейных цехах участка гидролиза
этилсиликата с целью получения гидролизованного раствора делает процесс более трудоемким. По мнению [49], использование этилсиликатного связующего требует вакуум-
18
но-аммиачной сушки ОФ. Кроме того, связующие растворы этилсиликата и суспензии,
изготовленные на их основе, обладают ограниченной живучестью (не более семи суток),
склонны к огеливанию при незначительных нарушениях условий их эксплуатации, что
повышает себестоимость керамических форм за счет значительных безвозвратных потерь материалов. Проведение гидролиза этилсиликата – весьма трудоемкий процесс,
чувствительный ко многим внешним факторам. В этой связи в промышленности широко
используются готовые связующие на основе этилсиликата, например, такие как ГС-20-Э
ГС-12И, разработанные ВИАМ и НИИТАвтопром, а также ГС-20П-А, ГС-32 и другие, в
настоящее время выпускаемые НПК «Пента-91» [50].
Технологические варианты отказа от этилсиликатных суспензий с органическими
растворителями рассматриваются в работах [5155].
Все более широкое применение в ЛВМ находят водные этилсиликатные связующие в
связи с изменением требований по экологической чистоте производства и их более низкой стоимостью. Так, например, разработан новый способ гидролиза этилсиликата, позволяющий получать водные растворы с более высокими связующими свойствами и живучестью [56]. Отмеченные достоинства новых связующих достигаются присутствием в
их составе полиэтоксисилоксанов с большой длиной цепочки олигомерных молекул, обладающих в десятки раз меньшей скоростью гидролиза, чем этоксисилоксаны, входящие
в состав этилсиликата. Условием образования полиэтоксисилоксанов служит проведение процесса гидролиза по безэмульсионной схеме малым количеством воды с последующим разбавлением полученных концентрированных растворов до требуемого содержания условного диоксида кремния. При этом наиболее высокими связующими
свойствами обладают растворы, содержащие в своем составе в 1,5 раза меньше этилсиликата в сравнении с используемыми в промышленности чисто этилсиликатными водными составами, что позволяет значительно экономнее расходовать дорогостоящий
кремнийорганический материал.
В качестве связующего, улучшающего прочностные свойства оболочки, может выступать «Сиалит-20», представляющий собой стабильный водный коллоидный раствор
частиц кремнезема размером 810 нм и являющийся готовым связующим [5759].
В последнее время используют литейную керамику, изготовленную на основе водных
суспензий, содержащих минимальное количество органических соединений или не содержащих их вообще. Это связано с ужесточающимися требованиями техники безопас-
19
ности, санитарно-гигиеническими нормами и повышением требований к экологичности
технологических процессов [6062].
Кроме того, активно разрабатываются новые виды бескремнеземных связующих [63],
такие как, например, алюмоорганическое связующее типа алкоксиалюмоксановых олигомеров [64]. В результате обеспечивается повышение термостойкости и прочности керамической оболочки.
Устранение негативного влияния диоксида кремния на качество поверхности отливок
и повышение огнеупорной стойкости формы обеспечивает бескремнеземное готовое
связующее Алюмокс на основе α-Al2O3 [65]. При этом, несмотря на преимущества данного связующего в части снижения трудоемкости приготовления суспензии, методы
сушки, пригодные для форм на основе этилсиликата, для Алюмокс не применимы, поскольку для получения качественных ОФ сушку требуется проводить в два самостоятельных этапа с выдержкой каждого слоя в камере с высокой влажностью до полного
удаления растворителя с последующим выветриванием каждого слоя от избыточной
влаги. В противном случае наблюдается сползание наносимого слоя с модели вместе с
предыдущим. Кроме того, прокалку ОФ на Алюмокс требуется проводить при температурах порядка 1300˚С.
С целью замены экологически вредного и дорогостоящего этилсиликата некоторые
исследователи предлагают использовать в качестве связующего ЛВМ алюмоборфосфатный концентрат. При этом суспензию готовят на алюмоборфосфатном концентрате и
пылевидном кварце, а обсыпку проводят зернистым материалом, являющимся отвердителем к связующему [6668].
Перспективной для использования на практике представляется технология применения термостойкого силикофосфатного связующего, не требующего предварительной
подготовки, предлагаемая ООО НПФ «Промлит» [69]. Она характеризуется ускоренным
формированием термостойкой, трещиноустойчивой ОФ (до двух часов на слой покрытия при температуре 2428˚С и относительной влажности 5060%), а при совместном
использовании с этилсиликатным связующим – сокращением интервала нанесения каждого последующего слоя формы до 1060 минут, возможностью прокаливания форм без
опорного наполнителя. Данная технология позволяет, среди прочих преимуществ, сократить время и энергозатраты на прокаливание форм по сравнению с прокалкой в
опорном наполнителе в 710 раз, исключить или уменьшить расход этилсиликатного
20
связующего, органических растворителей, кислот не менее чем на 50%.
Для формирования наружных слоев оболочки часто используют жидкое стекло с модулем 2,53,0, однако жидкое стекло по качеству значительно уступает этилсиликату.
Низкая термостойкость или склонность к пластическим деформациям керамических
форм с жидким стеклом обусловлена образованием в них при 780800˚С жидкой фазы
вследствие наличия легкоплавкой эвтектики в двойной системе Na2O-SiO2 [7072].
Соляная кислота выступает катализатором гидролиза этилсиликата; серная кислота
нейтрализует вредные примеси, такие как окись и гидроокись железа [7374], активизирует безводный раствор этилсиликата [75] и повышает жидкотекучесть суспензии [33];
борная кислота упрочняет и увеличивает стойкость оболочек [76]; аммиак ускоряет
процесс гелеобразования при сушке слоев покрытия [77].
Однако, по мнению [78], низкая межслойная прочность керамики аммиачного упрочнения и вызванная этим предрасположенность форм к засорам определяется сочетанием
укороченных циклов отверждения и наличием в суспензии серной кислоты, являющейся
сильным коагулянтом. В этой связи недостаточно отвержденный подслой – одна из причин склонности технологий с аммиачным упрочнением к массовым засорам.
Процесс сушки огнеупорного покрытия, нанесенного на модельный блок, весьма длителен и занимает до 50% времени всего цикла изготовления деталей методом ЛВМ.
Режим сушки ОФ является наиболее ответственной операцией, при несоблюдении
режимов которой в оболочке могут образовываться дефекты [49, 7982].
Во время сушки в оболочке идут три взаимосвязанных процесса: испарение растворителя, коагуляция (золь – студень – гель) и гидролиз. Каждый из этих процессов при данных условиях идет с определенной скоростью и каждый из них влияет на другие, ускоряя или замедляя их [5, 18].
Период сушки керамического покрытия необходим для формирования его предварительного упрочнения. Ускоряющие этот процесс известные способы химического отверждения слоев, такие как воздушно-аммиачная сушка, попеременное нанесение этилсиликатных и жидкостекольных слоев керамического покрытия, окунание формируемого слоя ОФ в растворы щелочей [83] сокращают цикл формообразования в 1,52,0 раза
по сравнению с воздушной сушкой. Однако, являясь поверхностно упрочняющими, эти
способы вызывают неравномерное огеливание этилсиликатного связующего в слое покрытия, что приводит к усадочным напряжениям и образованию микротрещин в пленке
21
связующего, значительно снижая, в свою очередь, потенциальную прочность керамической формы. Поэтому условием получения ОФ высокой прочности и полного использования потенциальной связующей способности этилсиликатных растворов является максимальное удаление растворителя из слоя ОФ перед стадией ее каталитического отверждения [84].
Некоторыми исследователями предлагается плакировать зернистые материалы, используемые в качестве обсыпочных материалов ОФ, катализаторами гелеобразования
этилсиликатного связующего с целью сокращения цикла формообразования и улучшения качества керамических оболочек [85].
Немецкой фирмой MK Technology предлагаются технология и оборудование для ускоренной сушки ОФ, изготовленных на водных суспензиях [324327]. Разработка позволяет обеспечить стабильность качества оболочек, что очень важно в условиях высокой чувствительности материала формы к скоростному режиму подачи воздушного потока в операционную камеру.
Исследованиям закономерностей выплавления моделей из ОФ уделено значительное
внимание [86].
Выплавку воскообразных модельных составов обычно проводят в среде теплоносителя (горячая вода, водяной пар, горячий воздух, модельный состав). Авторами [87] разработан способ удаления модельной композиции, позволяющий генерировать тепло для
непосредственного нагрева ОФ, не применяя вообще никакого теплоносителя, основанный на воздействии электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона на
ОФ.
По мнению [88], условия выплавления моделей влияют на брак по трещинам и качество получаемых отливок, поэтому необходимо тщательно контролировать температуру
выплавления моделей, оптимизировать конструкцию ОФ (например, отказ от стояка) и
увеличивать прочность керамики [89] .
Качественная прочная оболочка на блоке может дать трещины, если при выплавлении
моделей нагревать блок медленно. Модельные воскообразные материалы обладают низкой теплопроводностью. Поэтому при медленном нагревании модель прогревается на
всю толщину, расширяется, давит на оболочку и разрывает последнюю [5, 18, 90].
При быстром нагревании, из-за низкой теплопроводности модельного состава, он оплавляется с поверхности, в то время как внутри остается холодным. Оплавившийся с
22
поверхности модельный состав становится подвижным. При этом он или впитывается в
стенки оболочки или вытекает из нее, образуя зазор между оболочкой и моделью. Быстрое нагревание блока – одно из условий правильного ведения процесса выплавления.
Выплавление модельной композиции из самотвердеющих ОФ на основе алюмоборфосфатном концентрате рекомендуется проводить тепловыми методами, исключающими воду, например, в печи, горячим воздухом или сверхвысокочастотным генератором
[91].
Прокаливание ОФ – особо ответственная операция во всей цепочке технологии ЛВМ,
поскольку именно на нее приходится значительная часть временных и энергетических
затрат производственного цикла.
Оболочка после выплавления или растворения моделей содержит некоторое количество газотворных веществ, которыми могут быть остатки модельного состава, а также
продукты неполного гидролиза этилсиликата, прочно удерживающие в капиллярах оболочки влагу. Если в такую ОФ залить металл, он будет «кипеть» и не заполнит тонких
сечений (дефект типа «недолив»), а отливки будут поражены газовыми раковинами. Поэтому для удаления газотворных составляющих из оболочек их следует подвергать прокаливанию в электрических или газовых печах в окислительной атмосфере [4, 16, 18,
19].
По данным [19], температура формы перед заливкой составляет 9001000С (сплавы
на основе железа), на основе никеля 9001100С; на основе меди  600700С; на основе алюминия  600700С.
Вопросы оптимизации прокаливания ОФ привлекают особое внимание исследователей [92101].
Еще в 1973 году в США предложен совмещенный способ выплавления моделей и
прокаливания форм [102]. В соответствии с этим способом, модельные блоки, заформованные в опоки, перед установкой в печь для выплавки моделей пропитываются легковоспламеняемой жидкостью (этилсиликат или его гидролизованный раствор в спирте
или ацетоне). Пропитанная форма загружается в печь литниками вниз. Горение жидкости вызывает быстрый нагрев модели, вследствие чего модель выплавляется раньше,
чем форма успевает прогреться.
Имеется и отечественный опыт оптимизации прокаливания ОФ. В 80-е годы двадцатого века представителям украинского Института проблем литья и Тульского оружейно-
23
го завода
в условиях действующего производства удалось получить качественные
стальные отливки с применением технической схемы низкотемпературного прокаливания ОФ и температурным максимумом 800-850˚С, что на практике доказало возможность решения функциональных задач операции прокаливания в низкотемпературной
области. Полученный результат обеспечивался введением в состав ОФ таких кислородсодержащих веществ, легко разлагающихся при нагреве, как натриевая селитра, бертолетова соль, перманганат калия. Тем не менее, из-за нестабильности качества получаемых отливок, чувствительности предлагаемой технологии к множеству внешних факторов и недостаточной степени изученности технической схемы результаты не получили
широкого распространения.
В 1982 году на Челябинском тракторном заводе им. В.И. Ленина внедрена технология
прокаливания, предусматривающая введение в суспензию 50%-го раствора натриевой
селитры, позволяющая интенсифицировать процесс и тем самым сократить его длительность [103].
В качестве альтернативы введению кислородсодержащих технологических добавок в
состав ОФ, проходящих низкотемпературное прокаливание, некоторыми исследователями вопроса предлагалось вакуумирование.
Так, например, в начале 2000-х годов
представителями Рыбинской авиационной технологической академии
(А.А. Жуков,
С.П. Серебряков) и ОАО «НПО «Сатурн» (А.Е. Суслов) была успешно опробована в условиях предприятия техническая схема низкотемпературного прокаливания с использованием вакуума кварцевых ОФ на ЭТС-связующем. Однако ее дальнейшее внедрение
сдерживается необходимостью проектирования, изготовления, монтажа и освоения специального оборудования.
В настоящее время в цехе Воронежского механического завода внедрена двухэтапная
схема прокаливания [104]. На первом этапе проводится прокаливание оболочек без наполнителя при 960+40˚С. Форму загружают в прокалочную печь при температуре не
выше 500˚С и нагревают со скоростью 100-150˚С/ч. После прокаливания формы охлаждают вместе с печью до температуры ниже 500˚С и извлекают из печи. На втором этапе
ОФ уплотняют в металлической опоке наполнителем, загружают в печь и нагревают до
температуры 550+50˚С. Затем форму извлекают из печи и устанавливают на устройство
принудительного охлаждения сжатым воздухом, где в ОФ перед заливкой создается
градиент температур 100150˚С между нижней и верхней ее частью. В результате общая
24
длительность цикла прокаливания сократилась в 1,5 раза, в два раза уменьшилось количество потребляемой электроэнергии по сравнению с традиционной схемой.
Поскольку операция прокаливания ОФ является наиболее энергоемкой во всем технологическом процессе ЛВМ, многие разработки направлены именно на оптимизацию
данной технологической операции в части снижения ее ресурсоемкости. Основные варианты повышения эффективности прокаливания ОФ, по мнению автора, можно разделить на следующие группы:
конструкторские (использование специальных устройств и приспособлений)
1)
[105107];
2)
создание окислительной среды в полости прокаливаемой ОФ [108114];
3)
введение в состав формы модифицирующих добавок, снижающих содержание
остаточного углерода, перед прокалкой [115117]
4)
применение подвижного теплоносителя [118120];
5)
оптимизация термовременного режима прокаливания [121123];
6)
использование физических способов воздействия (например, вакуумирование)
[124126];
использование
сверхвысоких
частот
[127],
гамма-облучение
[128130];
введение экзотермических добавок в материал ОФ [131, 132].
7)
Операции плавки металла и его заливки в ОФ подробно рассмотрены в работах [133,
134].
В керамических ОФ, которые получены по выплавляемым моделям, гелеобразный
SiO2 при нагреве от залитого металла может реагировать с оставшимися в стенке формы
предельными углеводородами или с углеродом металла. В результате реакций образуется газообразный окисел SiO (аэросил), который часто является причиной появления в
отливках газовых раковин. С понижением температуры идет реакция: 2 SiO = Si + SiO2.
Кремний растворяется в металле, а SiO2 покрывает внутреннюю поверхность раковин
тонким слоем [135].
После выполнения основных финишных операций [4, 1623] для придания отливкам
необходимых свойств и структуры, а также снятия внутренних напряжений, образующихся после затвердевания жидкого металла, отливки подвергаются термической обработке.
Термическая обработка заключается в нагреве отливок до необходимой температуры,
25
выдержке при этой температуре для прогрева отливок и охлаждения при определенной
скорости. Отливки из углеродистых и легированных сталей чаще всего подвергают нормализации с нагревом до температуры 800900С.
1.2 Повышение качества оболочковых форм – основной способ профилактики
дефектов литья по выплавляемым моделям
При взаимодействии керамической оболочки с легкоплавкой моделью, средой выплавки и прокалки, наполнителем и металлом формируются чистота поверхности, точность отливок, макро- и микроструктура, механические свойства отливок и возникают
различные дефекты.
Вопросами дефектообразования в точном литье занимались многие исследователи
[29, 42, 53, 78, 88, 89, 136, 137, 138].
Авторами работ [17, 18, 139] предложена классификация дефектов отливок, изготовленных по выплавляемым моделям.
На основе этой классификации в таблице 1.1 автором представлено соответствие некоторых дефектов отливок, полученных методом ЛВМ, видам несовершенств ОФ.
Таблица 1.1 – Возможные дефекты отливок, обусловленные несовершенством ОФ
Наименование
дефекта отливки
1
Возможные причины
возникновения дефекта
2
Шероховатость по- Неудовлетворительные техверхности
нологические свойства или
качество приготовления модельного состава, несоблюдение оптимальных режимов
изготовления моделей, недостаточная прочность оболочки,
пробой первого слоя
Вид
несовершенства ОФ
3
Выкрашивание непрочного первого
слоя
оболочки при выплавлении
моделей вследствие излишней вязкости модельного состава; недостаточная поверхностная прочность оболочки
из-за плохого смачивания модели суспензией; растрескивание и частичное
выкрашивание оболочки вследствие
высокого местного нагрева отдельных
частей оболочки при прокаливании изза выгорания не выплавленного и впитавшегося в оболочку модельного состава; образование в полости формы
26
Продолжение таблицы 1.1
1
2
3
налета кремнезема вследствие неполного гидролиза этилсиликата в связующем облицовочного слоя, растворения связующим некоторых компонентов модельного состава
Заливы
Образование на поверхности Образование трещин в одном или немоделей и между слоями обо- скольких слоях оболочки формы
лочки воздушных пузырьков
из-за плохого смачивания поверхности моделей суспензией и плохой подготовки
суспензии; нарушение оптимальных режимов сушки обо-
вследствие недостаточной ее термостойкости, нарушения режимов изготовления формы, некачественных модельных и формовочных материалов;
растрескивание оболочки под давлением модельного состава в блоке
лочки
(продолжительность,
температура, влажность воздуха, скорость циркуляции
воздуха)
вследствие его нагрева или охлаждения, при изменениях температуры окружающей среды (при сушке слоев ОФ
и при удалении из нее моделей); разрушение оболочки при вакуумноаммиачной
сушке из-за взрывного
характера испарения органических
растворителей при излишне быстром
создании вакуума, либо вследствие
расширения полых моделей при наборе
вакуума в сушильной камере; образование трещин в ОФ вследствие объемных изменений в ней при прокаливании и охлаждении перед заливкой; образование трещин в оболочке
под давлением опорного наполнителя
Недолив
Низкая
газопроницаемость, Низкая газопроницаемость ОФ, сповысокая газотворность ОФ, собствующая образованию воздушных
низкая температура ОФ
мешков в форме при заливке
Пригар
Близкое расстояние между Низкая химическая
отливками в керамическом стойкость ОФ
блоке
Спай
Низкая температура ОФ
Засор
Попадание формовочных ма- Недостаточные трещиностойкость и
териалов через трещины в
прочность ОФ
и
термическая
Холодная ОФ
27
Окончание таблицы 1.1
1
2
3
оболочке при заливке жидким
металлом
Газовые раковины
Наличие газотворных приме- Неполное удаление из ОФ остатков
сей в формовочных материа- модельной композиции
лах; повышенная
газотворность и недостаточная
газопроницаемость ОФ
Горячие трещины
Нетехнологичность конструк- Недостаточная податливость литейной
ции отливок и блока оболочек формы
Отклонение разме- Неточность размеров моделей
ров отливок от тре- вследствие применения мобуемых
дельных составов с большой
усадкой, несоблюдения оптимальных режимов их изготовления
Образование трещин в оболочке, отслаивание облицовочного слоя от поверхности модели; деформация ОФ в
результате объемных изменений формовочных материалов при неравномерном нагреве и охлаждении различных частей формы, недостаточной
прочности облицовочного слоя формы
Анализ таблицы 1.1, представленной выше, позволяет сделать вывод о том, что большинство дефектов отливок тесно связано с недостаточно высоким качеством ОФ.
Качество керамической оболочки формируется на всех технологических этапах их изготовления: от создания моделей, приготовления и нанесения на них огнеупорной суспензии, обсыпки огнеупорным материалом, послойной сушки слоев ОФ, выплавления
моделей из форм, до прокаливания и заливки ОФ расплавом.
Причинами получения брака в отливках может быть ряд факторов, связанных со
свойствами ОФ. Методики их измерения изложены в работах [140141].
С повышенным браком стального точного литья производственники чаще всего связывают низкие трещиностойкость и термостойкость, а также высокую газотворность
при недостаточной газопроницаемости керамической ОФ. В этой связи остановимся на
данных терминах подробнее.
В [142, 143] под термостойкостью понимается способность огнеупорных и других
хрупких материалов противостоять, не разрушаясь, термическим напряжениям, обусловленным изменением температуры при нагреве или охлаждении. Термостойкость
обычно оценивают числом циклов нагревания и охлаждения, выдерживаемых образцом
28
или изделием до появления трещин или разрушения, или температурным градиентом,
при котором возникают трещины.
Некоторые исследователи [144, 145] в качестве критерия термостойкости предлагают
рассматривать время сохранения материалом формы прочности при определенных условиях нагружения и нагрева вплоть до образования трещин и разрушения.
Существуют и другие экспериментальные методы оценки термостойкости ОФ, например, с помощью специальных номограмм в зависимости от технологии изготовления
отливок [145, 146].
В источнике [143] трещиностойкость трактуется как способность конструкции, материала, изделия воспринимать действующие на него нагрузки без образования трещин.
Применительно к ОФ о трещиностойкости можно косвенно судить по горячей прочности. Она зависит от термостойкости связующего и теплофизических свойств наполнителя.
Для ЛВМ, когда речь идет об одной и двух теплосменах (прокаливание и заливка
ОФ), различие в содержании терминов «термостойкость» и «трещиностойкость» становится весьма условным. Это, по мнению автора, позволяет говорить об оценке термостойкости и трещиностойкости одновременно в тех случаях, когда критерием этой
оценки выступает факт образования и развития трещин в форме (именно по этому факту
проводится визуальный контроль качества ОФ в условиях действующих литейных цехов).
Не менее важными свойствами материала ОФ, во многом определяющими ее качество, выступают газопроницаемость и газотворность.
Газопроницаемость – способность материала пропускать через себя воздух, по которой судят о способности формы пропускать через себя газы или пары, образующиеся
при взаимодействии с отливкой.
Газотворность – способность материала выделять газы при нагреве вследствие образования газообразных продуктов термической деструкции связующего и испарения свободной влаги.
По мнению [144, 147], оценка вероятности образования газовых дефектов в отливках,
основанная на определении газопроницаемости и газотворности раздельно, носит очень
приближенный характер. Поэтому предлагается ее проводить по интегральному безразмерному критерию, представляющему собой отношение газотворности к газопроницае-
29
мости.
Результаты информационно-аналитического обзора, выполненного автором диссертации, дают основания для важного тезиса о том, что основным способом профилактики
дефектов отливок, получаемых по выплавляемым моделям, является повышение качества ОФ, особенно в части оптимального сочетания их термостойкости, трещиностойкости, газотворности и газопроницаемости.
Проблема повышения качества ОФ была и остается предметом изучения многих исследователей [148170]. Ими предлагается ряд возможных вариантов улучшения качества ОФ в части их трещиностойкости.
Однако широкое применение их разработок в действующем производстве до последнего времени сдерживалось отсутствием четкой систематизации вариантов решения
проблемы повышения качества форм.
Существенная заслуга в устранении этой ситуации принадлежит Петрову В.В., разработавшему детальную классификацию основных факторов, определяющих трещиностойкость ОФ, предполагающую их деление на четыре группы (факторы, обусловленные свойствами исходных материалов; технологические факторы; конструктивные факторы; факторы механического воздействия) [155].
Вслед за ним автором диссертации предлагается собственная упрощенная версия
классификации, предусматривающая два возможных направления повышения качества
оболочковых литейных форм: конструкторское и технологическое (рисунок 1.2) [171].
Варианты 1.1, 1.2 конструкторского направления, такие как увеличение количества
слоев, увеличение толщины стенки или слоя, позволяют повысить жесткость ОФ и тем
самым стойкость против термомеханических воздействий на всех этапах их изготовления.
Вариант 1.3 описан в работе [172]. Авторами этой работы на примере корпуса водомерной колонки установлено, что на брак по трещинам существенно влияют условия
выплавления моделей. При выплавлении в тонком среднем сечении формы модельная
масса расплавляется раньше, чем в районе присоединения питателей, прибылях и стояке. Возникает давление, способствующее появлению трещин, которые развиваются при
прокаливании. Для устранения разницы линейного расширения моделей стояка и детали
предложена конструкция формы без стояка. Данный вариант решения проблемы предлагается авторами
для
крупных
отливок сложной геометрии, что накладывает
30
31
определенные ограничения на область (возможность) его применения.
Другим примером реализации варианта 1.3 является технология свободной заливки
расплава модельного состава для формирования литниковой системы [173]. Стояки при
этом являются пустотелыми. В собранную форму перед заливкой проставляются металлические стержни. Спустя 1,5-2 минуты стержень извлекается, в застывающую модельную массу вставляется модель литниковой чаши с укороченной ручкой и в форму доливается остаток модельного состава для формирования геометрии чаши. Растрескивание
форм-оболочек в процессе сушки блоков с применением пустотелых стояков устраняется, снижается масса модельных блоков, однако следует отметить значительную трудоемкость реализации данной технологии.
Формовка оболочек в упрочняющий слой (вариант 1.4), являющийся «жакетом», из
жидкоподвижной самотвердеющей смеси на жидком стекле с добавкой карбонатного
песка также позволяет повысить прочность и жесткость ОФ [174]. Несмотря на все преимущества, технология характеризуется необходимостью введения дополнительных
операций, повышению трудоемкости технологического процесса и дополнительными
затратами на материал «упрочняющего» слоя.
В работах [156, 175] (вариант 1.5) исследовалось влияние пористости слоев на прочность формы. Было установлено, что предел прочности образцов-пластин с крайними
слоями без порообразующих добавок уменьшается незначительно с возрастанием пористости слоев. Поэтому при рациональном проектировании ОФ по выплавляемым моделям с повышенной термопрочностью пористые слои целесообразно располагать симметрично по толщине стенки ближе к середине.
При использовании разнослойных (этилсиликат и жидкое стекло) ОФ также наблюдается положительный эффект, поскольку расположенный внутри и вблизи оси стенки
жидкостекольный слой при вытопке и нагреве создает незначительный изгибающий
момент в ОФ, который, за счет податливости жидкого стекла, гасится соседними слоями
на гидролизованном растворе этилсиликата [158]. Последнее, образуя наружный контур
стенки оболочки, определяет основную величину момента сопротивления формы, особенно при высоких температурах. Кроме того, поскольку температура залитого расплава
выше температуры формы, то жидкостекольный слой, размягчаясь, релаксирует плюсовые напряжения лицевого этилсиликатного слоя, ослабляя силовое воздействие на последующие слои. Однако на практике применение жидкостекольного слоя часто приво-
32
дит к проблемам затрудненного отделения керамики от отливки (плохая выбиваемость)
и снижается газопроницаемость формы. Недостаток обеих разработок, приведенных
выше, заключается в серьезном усложнении технологии.
В технологическом направлении повышения прочности ОФ выделяются три группы.
Первая группа – применение внешних воздействий на ОФ при ее изготовлении.
Наложение вибрационного воздействия на стадии изготовления ОФ (вариант 2.1.1)
обеспечивает равномерное нанесение обсыпочного материала на слои формы, что приводит к более плотному расположению фракции зернистого огнеупорного наполнителя
в каждом формируемом слое. Однако необходимость приобретения дополнительного
оборудования накладывает определенные ограничения на применение данного варианта.
По данным некоторых исследователей [176], выдержка керамических оболочек в водных растворах солей металлов (магния, алюминия, кальция) (вариант 2.1.2) также положительным образом отражаются на уменьшении вероятности образования трещин в
ОФ. При этом за счет введения дополнительных операций повышается трудоемкость
технологического процесса.
Исследователи [177] предлагают оптимизировать процесс изготовления ОФ методом
электрофореза (вариант 2.1.3). Электрофорез представляет собой электрокинетическое
явление перемещения частиц дисперсной фазы коллоидных растворов в жидкой или газообразной среде под действием внешнего электрического поля. С помощью электрофореза удается покрывать мелкими частицами поверхность, обеспечивая глубокое проникновение в углубления и поры. При этом эффект усиливается одновременным введением
в форетическую
суспензию
химически упрочняющихся добавок (мочевино-
формальдегидной смолы, модифицированной фуриловым спиртом для повышения
стойкости). При последующем прокаливании происходит спекание частиц огнеупорного
наполнителя, повышающее прочность
керамики и снижающее ее деформационную
способность. Однако предлагаемый авторами способ небезопасен с экологической точки
зрения [178].
Использование сверхвысокочастотного нагрева (вариант 2.1.4) для прокаливания
оболочковых керамических форм на основе электрокорунда, предполагает необходимость оснащения производства дополнительным оборудованием для его осуществления
[179, 180]. ОФ после обработки в поле сверхвысоких частот имеют большую степень
33
однородности структуры, равномерное распределение по объему зерен корунда и плотную упаковку зернистой массы. Эти особенности состава и структуры обеспечивают их
высокие прочностные характеристики. Метод обладает высокой производительностью,
способствует значительному уменьшению энергозатрат, обеспечивает высокое качество
поверхности форм и их высокие физико-механические характеристики. Кроме того, при
воздействии излучения сверхвысокой частоты на ОФ происходит практически безынерционный нагрев (независимый от материала ОФ), что дает возможность легко управлять
процессом.
Вторая группа – формирование пористой структуры в оболочке.
Создание пористой структуры керамической формы, релаксирующей термические
напряжения, благоприятно сказывается на повышении ее трещиностойкости, а также
обеспечении оптимального сочетания газотворности и газопроницаемости. Необходимая толщина форм с пористыми слоями достигается меньшим их количеством. Так в работе [181] речь идет об изготовлении керамических форм на основе жидкостекольной
суспензии с пористой структурой, которую получают продувкой жидкостекольной суспензии воздухом (вариант 2.2.1). Воздух при этом частично растворяется в жидкой фазе,
а некоторые образовавшиеся его пузырьки находятся длительное время в суспензии,
становясь источником пористой керамики. Дополнительная операция продувки суспензии существенно усложняет технологический процесс литья по выплавляемым моделям.
В работе [182] предлагается создавать пористую структуру путем применения различных режимов барботажной обработки этилсиликатных суспензий с эфироальдегидной фракцией, ацетоном и водой, использования в качестве обсыпочных материалов
перлита и пенополистирола. Поскольку после обсыпания суспензии кварцевым песком
покрытия из аэрированной суспензии имеют большую открытую пористость в виде
мелких, но глубоких раковин из-за выхода замешанного при барботировании воздуха, то
нанесение второго и последующих слоев производили погружением предварительно
смоченного суспензией блока моделей в порообразующие материалы. Однако формы,
изготовленные из аэрированных суспензий, прокаленные и заливаемые без опорного
наполнителя, разрушаются под действием гидростатического давления расплавленного
металла. По мнению автора [182], желаемый результат может быть достигнут лишь при
условии прокаливания ОФ в опорном наполнителе, что в свою очередь накладывает определенные ограничения на его применении в действующем производстве.
34
Исследователи [183] для обсыпки одного из слоев используют пористые огнеупорные материалы, препятствующие распространению образующихся трещин: аглопорит
гравиеподобной формы, глинозольный керамзит, зольный гравий (вариант 2.2.2). Одним
из преимуществ пористых огнеупоров является их развитая поверхность и низкая кажущаяся плотность (0,41,7 г/см3), позволяющие единице массы связующего удерживать крупное зерно и наращивать в один прием слой определенной толщины.
Эффективным вариантом решения проблемы может служить использование цеолитов, отличающихся строго регулярной структурой пор, в качестве огнеупорного материала [150, 184].
Повышения качества ОФ можно добиться введением в этилсиликатную суспензию
непосредственно после этилсиликата перекиси водорода в количестве 0,61,8% от массы связующего. Выделяющиеся мелкие пузырьки кислородсодержащего газа барботируют связующее, ускоряют гидролиз этилсиликата и стабилизируют связующее из-за
перехода его из неустойчивой области с рН 0,51,0 в стабильную с рН 2. В результате
помимо повышения качеств ОФ снижается расход связующих материалов [46, 185, 186].
Для формирования пористой структуры возможно применение отходов сельскохозяйственного производства (лузги подсолнечника, шелухи гречихи, мелко резаной соломы),
карбамида, вспененных полистирольных гранул [187]. Однако эти материалы имеют ряд
недостатков. Отходы сельхозпроизводства имеют нестабильные свойства по геометрии
и влажности, а их остропластинчатая форма является концентратором напряжений в
форме. Карбамид, вследствие его высокой гигроскопичности, резко ухудшает условия
сушки, а высушенные формы при хранении сильно увлажняются с разупрочнением керамики. При выгорании карбамида в атмосферу выделяются токсичные оксиды азота,
предварительное растворение карбамида удлиняет цикл изготовления форм и отливок и
создает трудно разрешимую проблему его утилизации.
Вспененные полистирольные гранулы также малопригодны из-за необходимости создания участка для вспенивания и рассева гранул, что приводит к увеличению производственных мощностей и соответственно себестоимости отливок. Во избежание выше указанных недостатков предлагается использовать в качестве обсыпочного материала гранулированный модельный состав с размерами гранул 0,72,0 мм. При меньших размерах наблюдается расслоение слоев (по пористому слою), при больших – пористые слои
имеют низкую прочность. По информации авторов, термостойкость ОФ увеличивается,
35
прокаливать этилсиликатные формы на кварцевых материалах можно без опорного наполнителя. Однако операция грануляции модельного состава усложняет технологический процесс в целом.
Третья группа – выбор материала ОФ.
Повышение термостойкости, трещиноустойчивости и газопроницаемости форм достигается за счет использования в качестве огнеупорного армирующего материала с низким коэффициентом термического линейного расширения (вариант 2.3.1) – отходов
фарфорового производства после предварительной высокотемпературной обработки
(обжига) [150, 188], шамотной крошки [189], плавленого кварца [39] и электрокорунда
соответственно подобранного гранулометрического состава [190].
По варианту 2.3.2 предлагается армировать форму чешуйчатой слюдой одновременно с нанесением суспензии, предварительно замешивая в нее слюду [191]. После присыпки обсыпочным материалом чешуйки слюды как бы пронизывают слои, повышая
трещиностойкость форм.
Прочность оболочки может быть повышена за счет введения модифицированного
связующего на основе щелочного кремнезоля [192]. Усиление эффекта достигается
применением в качестве огнеупорного наполнителя алюмосиликата. Он не претерпевает
полиморфных превращений в интервале рабочих температур керамической формы. Изза низкого коэффициента термического расширения формы, полученные на пылевидном
алюмосиликате, обладают достаточной прочностью при высоких температурах.
В работе [146] говорится об изготовлении первых двух слоев керамической формы с
этилсиликатом, а последующих с жидкостекольным связующим. После сушки четвертого из шести слоев оболочки помещают в водный раствор алюмохромфосфатной связки. Для нанесения двух последних слоев в жидкостекольную суспензию добавляют
2,53,0% предварительно распушенного хризотилового асбеста. После нанесения пятого и шестого слоев их послойно упрочняют в растворе, содержащем равные количества
(по массе) алюмохлорида, спирта и ортофосфорной кислоты. Однако асбест неприемлем
с позиции отсутствия его экологической безопасности, поскольку он является сильным
канцерогеном, вызывающим онкологические заболевания.
В работе [193] предлагается принципиально другой механизм формирования прочности ОФ при ее изготовлении: замена этилсиликата алюмохромфосфатной связкой (путем
внесения алюмохромфосфатной связки в количестве 5% по массе в гидролизованный
36
раствор этилсиликата). В процессе удаления гигроскопической воды при сушке огнеупорных изделий происходят полимеризация и поликонденсация пленки фосфатного
связующего с образованием новых химических соединений с огнеупорными материалами изделий. При нагреве до температуры обжига удаляется химически связанная вода,
что несколько разрыхляет и разупрочняет структуру пленки связующего. Но это разупрочнение компенсируется спеканием огнеупорных материалов при высоких температурах.
Использование огнеупорных суспензий с низкомодульным жидким стеклом, наполнителем которых является минерал – пирофиллит, способствует предупреждению расплавления силикатной эвтектики жидкого стекла, что ведет к сдвигу максимума рабочих температур выше 900°С [72]. Пластические деформации в такой керамике отсутствуют, что обеспечивает ее высокую трещиностойкость.
Термостойкое готовое связующее «Армосил» представляет собой водную дисперсию
мелких сферических частиц SiO2, способных смешиваться со всеми огнеупорными материалами. «Армосил» обладает достаточной прочностью, точностью размеров и простотой применения. В процессе коагуляции связующего образуются гели с очень низкими остаточными напряжениями. Формы на основе «Армосил» обладают большей газопроницаемостью и имеют меньшую склонность к растрескиванию. При высыхании
«Армосил» твердеет необратимо [194, 195].
В качестве армирующего обсыпочного материала (вариант 2.3.3), усиливающего тиксотропно-структурирующие связи, выступает волокнистый высокопористый диатомит
[196]. Наличие такого каркаса в структуре еще не затвердевшего покрытия создает благоприятные условия для релаксации внутренних напряжений, проявляющихся при сушке. Равномерно распределенные волокнистые частицы диатомита устраняют зарождение
и распространение трещин в оболочке при прокаливании и заливке.
Исследователи [197] в качестве материала опорной части, обеспечивающего плотный
контакт с керамической этилсиликатной облицовкой и сохраняющего высокую жесткость и стабильность размеров при температурах заливки, предлагают использовать цементные смеси на основе шамота, кварцевого песка с керамзитом, керамзита.
Авторы работы [198] акцентируют внимание на замене последнего слоя формооболочки защитно-упрочняющим покрытием на основе синтетических смол (вариант 2.3.4).
Последний слой синтетической смолы наносят путем окунания, а затем отверждают в
37
жидком отвердителе (мочевино-формальдегидные и карбамидно-фурановые смолы).
После отверждения смолы на поверхности формы образуется прочная водонерастворимая пленка, придающая форме дополнительную прочность и предотвращающая размокание и разупрочнение ее при выплавлении модельного состава.
Увеличение прочности форм при 900°С объясняется образованием при выгорании
смолы коксового скелета, дополнительно скрепляющего зерна обсыпочного материала
предыдущих слоев оболочки. При этом не ухудшается газопроницаемость и снижается
газотворность формы. Однако предлагаемые для использования смолы являются опасными вредными веществами, которые при малых концентрациях в воздухе имеют однонаправленное действие на организм человека [178].
Ликвидации возможности появления трещин по варианту 2.3.5 способствуют добавки
термита (алюминиевая пудра, порошок окалины) в упрочняющие слои формы, которые
при прокаливании нагревают эти слои до расплавления [199]. Смачивая кремнезем, образовавшийся расплав продуктов экзотермических реакций залечивает трещины в оболочке. Экзотермические добавки повышают податливость оболочковой формы.
Исследователи [85, 200] связывают проблему обеспечения трещиностойкости ОФ с
вопросом ускоренного изготовления форм. Решение проблемы достигается путем плакирования зернистых материалов катализаторами гелеобразования этилсиликатного связующего и использования плакированных зернистых материалов в качестве обсыпки
слоев керамического покрытия. В качестве зернистых материалов могут выступать:
шлифзерно электрокорунда №1680, сеяный шамот зернистостью 0,251,0 мм, кварцевый песок марок 1К1О202, 2К1О202, 1К1О203, 2К1О203 и др.
Предлагаемая классификация не претендует на полноту охвата всех возможных способов решения проблемы качества ОФ. Тем не менее, она способствует систематизации
имеющейся информации по этой актуальной проблеме, минимизации затрат для ее решения и, по мнению автора диссертации, может принести пользу технологу-литейщику
при проведении практических работ в условиях действующего производства. Алгоритм
работы с данной классификацией прост и понятен: технолог конкретного предприятия,
обладающий полной информацией о возможностях последнего, методом исключения из
приведенного списка вариантов выбирает оптимальный и наилучший, по его мнению,
сосредотачивая свои усилия на его практической реализации, не теряя времени на дополнительный информационный поиск.
38
1.3 Опыт ресурсосбережения в производстве стального литья по выплавляемым
моделям
В современном мире обеспечение ресурсосбережения является обязательным требованием к технике, технологии, организации производства и непроизводственной деятельности, хозяйственному механизму. В частности, в процессе производства и эксплуатации новой техники расход ресурсов должен снижаться, а новые технологии должны
быть безотходными или малоотходными и малооперационными.
Стратегия инновационного развития Российской Федерации на период до 2020 года,
Стратегия развития науки и инноваций в Российской Федерации на период до 2015 года
подчеркивают необходимость выхода страны на инновационный путь для удержания
позиций в мировой экономике. Очевидно, что их реализация невозможна без эффективного решения проблемы ресурсосбережения в таких наиболее затратных отраслях промышленности, как литейное производство.
Традиционно под эффективностью использования ресурсов понимают оптимальное
соотношение между результатами и затратами на их достижение, когда при минимальных расходах ресурсов обеспечивается наибольший эффект (результат) [201].
В соответствии с ГОСТ Р 52104-2003 «Ресурсосбережение. Термины и определения»,
ресурсосбережение представляет собой организационную, экономическую, техническую, научную, практическую и информационную деятельность, в том числе методы,
процессы, комплекс организационно-технических мер и мероприятий, сопровождающих
все стадии жизненного цикла объектов и направленных на рациональное использование
и экономное расходование ресурсов.
Экономической категорией, характеризующейся снижением удельного расхода материальных ресурсов на единицу продукции по сравнению с базисным или текущим периодом, но без снижения качества и технического уровня продукции, является экономия
материальных ресурсов.
В соответствии с Концепцией долгосрочного социально-экономического развития
Российской Федерации на период до 2020 года, к основным приоритетам социальной и
экономической политики относятся обеспечение интенсивного технологического обновления массовых производств на базе новых энерго- и ресурсосберегающих экологически безопасных технологий, а также развитие экологически чистых производств.
39
Проблема ресурсосбережения является одной из центральных проблем современного
литейного производства, поскольку оно характеризуется высокими материало- и энергоемкостью, а большинство его технологий требует объемных затрат, связанных с обеспечением работы оборудования, экологической безопасности и стабилизации качества выпускаемой продукции. В этом смысле ЛВМ не является исключением.
В практике ЛВМ термин «ресурсосбережение» часто выступает как синоним энергосбережения. Основанием для этого служит тот факт, что энергоемкость этого технологического процесса в 23 раза выше, чем у других способов литья [202]. Кроме того, нерациональное использование ресурсов во многом обусловлено имеющими место слабыми учетом и контролем их расходования, а также несовершенством действующей технологии.
По единому мнению большинства производственников, занимающихся проблемами
точного стального литья, пристального внимания требуют, прежде всего, первичные
производственные ресурсы, представляющие собой материалы, энергию, топливо и т.д.,
поступающие на заводы извне. Современные условия рыночной экономики (конкуренция, ограниченность ресурсов, высокие требования к качеству выпускаемой продукции)
ставят новые проблемы в области ресурсосбережения [203]. В этой связи актуальной
становится задача формирования вторичных ресурсов, создаваемых собственными силами внутри предприятия на основе использования первичных. К ним относятся трудовые, временные ресурсы, а также те техногенные отходы, которые могут быть вовлечены во вторичный производственный цикл. По мнению автора, только такой подход позволяет предприятию быть конкурентоспособным в современных условиях, сохраняя в
своей структуре литейные цеха и участки, занимающиеся производством ЛВМ.
Ресурсоемкость и, в первую очередь, энерго- и материалоемкость продукта являются
важнейшими факторами его конкурентоспособности [204]. Снижение затрат на материалы и энергию, составляющих у большинства предприятий, занимающихся производством литья, более 50% себестоимости продукции, чрезвычайно актуально. Каждый
процент снижения этих затрат обеспечивает значительно больший эффект, чем аналогичное по масштабам привлечение средств на модернизацию производства [205].
Для производства одной тонны годного стального литья в условиях литейного цеха
машиностроительного предприятия требуется до 2500 кВт·ч энергии и до 1,71,9 т шихтовых материалов. Поэтому перед всеми промышленными предприятиями стоит задача
40
эффективного использования и экономии энергии и материальных ресурсов, что обеспечит им очевидные преимущества при освоении новых рынков сбыта [202].
В литейном производстве проблема ресурсосбережения органично связана с проблемой повышения качества литья. По мнению [206], эта связь проявляется двояко:
1) повышение качества отливок является одним из резервов экономии ресурсов в
сфере потребления отливок благодаря улучшению их эксплуатационных потребительских свойств;
2) при производстве отливок расходуются материальные, топливно-энергетические,
трудовые ресурсы, которые необходимо рационально использовать.
Ресурсосбережение в литейном производстве – важнейшая задача и результативное
следствие инновационного развития. Освоение достижений науки и техники должны
приводить в конечном счете к существенной экономии материалов, энергии и труда.
Вместе с тем, ускорение научно-технического прогресса означает, прежде всего, экономию времени, являющуюся главным критерием ресурсосбережения и универсальной
формой экономии ресурсов.
Проблема ресурсосбережения и повышения экологической безопасности актуальна
сегодня во всем мире. В частности, немецкие сталелитейные предприятия постоянно
стремятся оптимизировать потребление энергии. Так, по подсчѐтам Экономического
объединения «Сталь», с 1960 года благодаря внедрению технических инноваций и осуществленному за это время совершенствованию производственных процессов удельное
потребление первичных энергоносителей было сокращено почти на 40%. В литейной
промышленности экономия энергии в условиях постоянно повышающихся цен является
сегодня важным вопросом. Литейное производство отличается наличием так называемых «энергоинтенсивных» процессов. Эти процессы подвергаются критическому рассмотрению, в связи с чем в Германии разрабатывается единая концепция, интегрирующая все технологические процессы. (Для этого определяется потребность в электроэнергии каждого из этих процессов, сравнивается с фактической на предприятии и, исходя
из этого, для каждого частного процесса разрабатывается энергосберегающая концепция
с использованием соответствующих инноваций [328].)
В настоящее время в Европе ожидается введение новых более строгих предписаний в
области энергоэффективности [207]. В частности, Еврокомиссия предлагает введение
национальных систем повышения энергоэффективности, предусматривающих обязательства по ежегодному снижению потребления энергии на 1,5%. Кроме того, большое
41
внимание уделяется вопросам повышения экологической безопасности.
Точное литье выделяется из специальных видов литья как наиболее затратное и энергоемкое, поскольку это связано с одновременным выполнением многих технологических процессов. Изготовление ОФ в технологическом процессе ЛВМ является наиболее
трудоемким и затратным. В разделах 1.1 и 1.2 диссертации уже упоминались инновационные технические решения, направленные на совершенствование технологии ЛВМ.
Многие из них непосредственно связаны и с ресурсосбережением в условиях действующего производства.
Рассмотрим некоторые примеры использования техногенных отходов в практике
ЛВМ.
Авторами [208] представлен опыт работы Курганского машиностроительного завода
по использованию пылевидного отхода, улавливаемого в системах газоочистки ферросплавного производства,  пирогенного микрокремнезема, который вводится в состав
суспензии на основе гидролизованного раствора этилсиликата. В результате термостойкость ОФ повышается на 40%, прочность ОФ после воздушной сушки  на 2530%, сокращается продолжительность прокаливания, уменьшается расход тепло- или электроэнергии, снижается брак отливок по просечкам, керамическим включениям, ужиминам
и другим дефектам.
Сегодня проблема регенерации материала отработанных керамических форм, главным образом на основе дефицитных и дорогостоящих материалов, таких как электрокорунд, циркон, дистенсиллиманит, является весьма актуальной. Исследователями [209]
разработана высокоэффективная технология и создана промышленная установка пневморегенерации материала отработанных керамических форм, изготовленных на основе
электрокорунда и дистенсиллиманита. Наряду с очисткой поверхности зерен электрокорунда от пленок связующего предусматривается разделение регенерата на зернистую
фракцию с размером зерен 0,10,63 мм, представляющую собой электрокорунд, и порошкообразную фракцию с размером частиц менее 20 мкм, являющуюся дистенсиллиманитом, что обеспечивается за счет использования оригинального пневматического
классификатора жалюзийного типа.
В работе [35] предлагается использовать молотый динасовый огнеупор отработанной
футеровки электродуговых печей в качестве тридимитного материала, обеспечивающего
повышение термостойкости ОФ.
Авторы [210] с целью повышения качества форм за счет повышения их прочности,
42
успешно применяют обсыпочный материал, включающий отходы абразивной обработки
отливок из черных сплавов, а в работах [211, 212] предлагается использовать в составе
материала формы золу теплоэлектроцентралей.
В работе [213] к применению предлагается суспензия для ОФ на основе этилсиликата,
содержащая в своем электрофильтровую пыль из отходов ферросплавных печей при
выплавке кремнийсодержащих сплавов. Данная добавка обеспечивает высокую газопроницаемость оболочек, сокращение продолжительности сушки, повышение термостойкости форм и улучшение чистоты поверхности отливок.
Авторы работы [214] рекомендуют использовать способ изготовления форм ЛВМ с
применением кварцевого песка в первом слое и размолотого шлак-отхода ваграночного,
доменного или мартеновского производства во втором и последующих слоях. Это позволяет повысить прочность, термостойкость и газопроницаемость форм, а также
уменьшить обезуглероживание поверхности стальных отливок.
Техническое решение авторов [215] предусматривает применение в качестве обсыпочного огнеупорного материала для изготовления многослойной ОФ гранулированного
шлака производства ферросплавов различной зернистости [216].
Выводы по главе 1
1. Результаты информационно-аналитического обзора показывают отсутствие принципиальных изменений в технологической схеме ЛВМ. При этом операция прокаливания ОФ характеризуется исследователями вопроса как наиболее трудоемкая, длительная
и энергоемкая, и в этой связи требует повышенного внимания к себе.
2. К основным дефектам точного стального литья, обусловленным несовершенством
ОФ, относятся шероховатость поверхности, заливы, недолив, пригар, спай, засор, газовые раковины, горячие трещины, отклонение размеров отливок от требуемых. По мнению автора, большая часть из них может быть связана с термовременным режимом проведения и другими особенностями операции прокаливания ОФ.
3. В настоящее время промышленными предприятиями уделяется повышенное внимание вопросам ресурсосбережения в стальном ЛВМ. Имеющийся опыт реализации мероприятий по ресурсосбережению убедительно доказывает их технико-экономическую
и экологическую целесообразность. Особенно наглядно это проявляется при использовании техногенных отходов в технологии ЛВМ.
43
ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПРОКАЛИВАНИЯ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ НА
ОСНОВЕ КВАРЦА ДЛЯ ТОЧНОГО СТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ
2.1 Модельное представление о прокаливании оболочковых форм
на основе кварца
Прокаливание керамических форм является ответственной операцией, от которой зависит качество отливок, изготавливаемых методом ЛВМ. Так, например, длительность
прокаливания форм в опоках с наполнителем может составлять 2030% всего технологического цикла.
Эта энергоемкая операция необходима для полного удаления из литейной формы остатков модельного состава и воды после выплавления модельной композиции, завершения основных превращений в связующем, а также формирования прочности и спекания
огнеупорного материала оболочки на основе кварца при одновременном обеспечении
необходимой газопроницаемости формы и минимальной ее газотворности. Условия
прокаливания существенно влияют на точность отливок, брак по искажению формы, газовым дефектам, засорам, гребешкам, неметаллическим включениям.
Для формирования цельного представления о процессе прокаливания ОФ, по мнению
автора, его целесообразно рассматривать в трех аспектах:
 термомеханический;
 физико-химический;
 функциональный.
Под термомеханическим аспектом процесса прокаливания формы автором понимается качественная картина возникновения и распределения термических напряжений в
оболочковой форме и, как следствие, возникающих ее деформаций (сжатие / растяжение), связанных с реализацией термовременного режима прокаливания.
Физико-химический аспект подразумевает проведение оценки протекания возможных
полиморфных превращений, физических процессов и химических реакций в материале
формы, обусловленных ее прокаливанием.
Функциональный аспект позволяет получить представление о степени выполнения
операцией прокаливания ее целевого назначения, в данном случае – удаления из ОФ ос-
44
татков модельной композиции и обеспечения завершенности спекания материала формы.
Рассмотрим указанные аспекты более подробно.
Термомеханический аспект. ОФ прокаливают как в опорном наполнителе, так и без
него.
При реализации технической схемы прокаливания без опорного наполнителя ОФ загружают непосредственно в рабочее пространство нагревательной печи (температура
загрузки варьируется в зависимости от конфигурации будущей отливки и особенностей конструкции монтажа моделей в блок), затем нагревают до технологически установленного температурного максимума, выдерживают, после чего подают их под заливку стальным расплавом. Несмотря на то, что каждая ОФ характеризуется многослойностью (число слоев может составлять 12), из-за небольшой толщины стенки с некоторым допущением форму можно охарактеризовать как теплотехнически тонкое тело, для которого правомерно считать процесс прогрева одинаковым как с внутренней,
так и с наружной стороны. В этой связи, при условии соблюдения технологически установленной скорости нагрева от температуры загрузки к температурному максимуму
и однородности материала формы, вероятность возникновения термических напряжений минимальна, следовательно, риск трещинообразования и разрушения оболочек
теоретически сводится к нулю.
При подаче в нагретую печь опок с ОФ и опорным наполнителем со стороны рабочей
полости нагрев идет быстрее, чем снаружи, через слой наполнителя, то есть происходит
односторонний нагрев. Поэтому для исключения термических напряжений начальную
температуру и скорость нагрева выбирают, исходя из условий обеспечения равномерного нагрева.
Таким образом, в ходе прокаливания ОФ в опорном наполнителе наблюдается
встречный прогрев от рабочей полости формы и поверхности металлической опоки в
направлении материала наполнителя. В итоге на поверхностях опоки и рабочей полости формы наблюдаются сжимающие температурные напряжения, а в теле формы – наоборот, растягивающие, что повышает вероятность образования трещин из-за градиента температур.
Для того чтобы в стенке формы вследствие ее одностороннего нагрева не возникли
термические напряжения, превышающие по своей величине предельно допустимые,
45
начальную температуру в печи и скорость нагрева выбирают из условия равномерного
нагрева ОФ. Для кварцевых материалов рекомендуемая начальная температура загрузки в печь составляет 300˚С [217], скорость нагрева соответственно равна 100150˚С /ч
[22].
Физико-химический аспект. В самом общем случае материал ОФ состоит из связующего и огнеупорной обсыпки. В качестве связующего в данном случае мы рассматриваем гидролизованный раствор этилсиликата, а огнеупорной обсыпкой для ОФ выступает кристаллический кварц.
Этилсиликат представляет собой прозрачную, иногда слабо окрашенную, жидкость
с запахом эфира. Этилсиликат получают в результате реакции этерификации, или эфиризации [218]: SiCl4+4C2H5OH → (C2H5О)4Si+4HCl. (При избытке воды, кроме моноэфира, называемого также тетраэтоксисиланом, можно получить диэфир (C2H5О)6Si2О,
триэфир (C2H5О)8Si3О2 и др.)
Гидролиз этилсиликата водой в присутствии ацетона или спирта обеспечивает ему
приобретение вяжущих свойств. Суть процесса заключается во взаимодействии этилсиликата с водой и замещении в эфире ортокремниевой кислоты этоксильных групп
(С2Н5О) гидроксильными (ОН), с образованием силоксановых связей между молекулами.
Гидролиз проходит на поверхности раздела фаз: этилсиликат и вода не растворимы
друг в друге, вследствие чего для ускорения реакции добавляют ацетон, спирт или
эфирно-альдегидную фракцию, катализатором служит НСl. При малом количестве воды протекает реакция: (C2H5О)4Si+H2О → (C2H5О)3Si(OH) + C2H5OH. При большом
количестве воды: (C2H5О)4Si+4H2О → Si(OH)4+4C2H5OH. Таким образом, получается
гель кремниевой кислоты, обеспечивающий вяжущие свойства [5, 18, 77].
При проведении прокаливания компоненты материала ОФ подвергаются воздействию температуры.
По данным [97], в ходе прокаливания форм протекает термическая диссоциация связующих гелей. Она наиболее активно проходит в температурном интервале 60300˚С и
в основном заканчивается при 500600˚С. Гидросиликат натрия теряет химически и
механически связанную воду и превращается в безводный силикат, а кремнийорганические связки теряют при этом воду и органический остаток и превращаются в силикагель.
46
Присутствуя в составе материала формы (суспензия, огнеупорная обсыпка), а при
прокаливании в наполнителе – и в его составе, кварц претерпевает полиморфные превращения при нагреве, протекающие с изменением объема, что способствует появлению напряжений и трещин в ОФ.
В литературе отсутствует единообразие относительно порядка наименования модификаций кварца: одни ученые придерживаются обозначения различных модификаций
буквами α, β ... в порядке повышения или понижения температуры превращения, другие  порядок обозначений применяют по степени распространенности или в порядке
открытия. Вслед за П. Ниггли, Ф. Ринне, А.Е. Ферсманом, Я.И. Шкленником [5, 219],
мы считаем более рациональным первый порядок обозначения, Соответственно, схематично переход из одной модификации кварца при нагреве в другую можно представить следующим образом:
β-кварц → (573˚С) α-кварц → (870˚С) α-тридимит → (1470˚С) α-кристобалит →
(1713˚С) плавленый кварц.
Кристаллическая структура кварца и его полиморфных модификаций характеризуется расположением иона Si4+ всегда в окружении четырех ионов O2-, находящихся в
вершинах тетраэдра. Каждая вершина тетраэдра одновременно служит вершиной другого, смежного с ним, тетраэдра. Кристаллические решетки состоят из каркасов тетраэдров, сцепленных друг с другом через вершины, при этом различаются ориентировка и
общая симметрия в их расположении. Упаковка ионов O2- не является плотной, и в каркасах между тетраэдрами присутствуют «пустотки» (А.Г. Бетехтин). В низкотемпературных модификациях кварца они имеют малые размеры, а в более «рыхло» построенных высокотемпературных модификациях эти «пустотки» крупнее. От этого зависит
плотность модификаций кварца [220222].
При температурах ниже 573С устойчивой формой диоксида кремния является кварц (ρ=2650 кг/м3). При нагревании он претерпевает ряд последовательных полиморфных превращений, связанных с изменением объема, из-за смены вида кристаллической решетки. При температуре 573С -кварц переходит в -кварц (ρ=2530 кг/м3),
при этом объем скачкообразно увеличивается на 2,4%, что приводит к растрескиванию
кристаллов и увеличению пылевидной составляющей в материале основы оболочки.
При температуре 870С -кварц медленно переходит в -тридимит (ρ=2220 кг/м3) с
увеличением объема на 15,1% и дальнейшим уменьшением плотности. При последую-
47
щем нагревании до 1470С -тридимит претерпевает полиморфное превращение в кристобалит (ρ=2190 кг/м3) с увеличением объема на 4,7% и снижением плотности.
При температуре 1713С -кристобалит плавится, а при последующем охлаждении
превращается в плавленый кварц (изменение объема 0,1%) [144, 147].
Наиболее существенно для термонапряженного состояния формы быстропротекающее превращение при 573С, когда при нагреве увеличивается линейный размер на
1,4%. Это одна из причин образования трещин в оболочках и засоров в отливках. Превращения при 870˚С происходят крайне медленно и, по мнению [18], для практики литья значения не имеют. Кроме того, практикуемое во многих литейных цехах предварительное прокаливание обсыпочного материала может несколько снизить негативное
последствие опасных полиморфных превращений кварца.
Функциональный аспект. Одной из функциональных целей прокаливания является
удаление из оболочки газотворных составляющих, которые могли бы себя проявлять
при заливке формы металлическим расплавом (прежде всего, это вода, входящая в состав материала формы и связанная с другими его компонентами химически, физикохимически и физико-механически [223], а также остатки модельной композиции и продукты термодеструкции компонентов). (Нельзя не учитывать и воздух, находящийся в
порах газопроницаемой формы.) По данным [18], процесс их удаления состоит из двух
стадий: газификации и сжигания продуктов термодеструкции и выжигания углерода,
отслоившегося в капиллярах (порах) оболочки в условиях недостатка кислорода. Первая стадия реализуется в области относительно низких температур (ниже 600˚С), а вторая – соответственно, высоких, обычно составляющих более 700˚С, что и определяет
необходимость высокотемпературного прокаливания ОФ стального ЛВМ.
При этом в условиях обильного доступа кислорода вторая стадия отсутствует и уже
при температурах порядка 400°С происходит реакция (2.1), позволяющая полностью
решить задачу удаления из формы газотворных составляющих:
2 CnH2n+2 + (3n +1) O2 =2n CO2 + (2n + 2) H2O + Q
(2.1)
(для модельных композиций на основе парафина n=25-40).
При ограничении доступа кислорода в рабочую полость ОФ и тех же температурах
реакция идет по-другому (2.2), что также позволяет осуществить решение указанной
задачи, но уже с изменением характера атмосферы с окислительного на восстановительный:
48
CnH2n+2 + (n +1/2) O2 =n CO + (n + 1) H2O+ Q.
(2.2)
В условиях очень ограниченного доступа кислорода в рабочую полость формы реакция имеет вид (2.3):
CnH2n+2 + 1/2(n +1) O2 =n C + (n + 1) H2O+ Q.
(2.3)
В порах формы и на ее рабочей поверхности образуется сажистый углерод, для которого (как уже сказано раньше) требуется вторая стадия, обусловливающая необходимость высокотемпературного прокаливания оболочки в течение длительного времени.
Другой важной функциональной целью прокаливания выступает обеспечение полноты спекания, связанного с реакциями компонентов материала формы в твердой фазе.
Традиционно исследователями процесса ЛВМ обсуждается проблема термостойкости
и трещиностойкости керамических ОФ и в этой связи часто упоминается термин «спекание» [224]. Однако вопросам механизмов спекания, влияния этого процесса на качество ОФ и особенно выявления факторов, влияющих на его протекание, до сих пор уделено недостаточное внимание. При этом именно спекание лимитирует реализацию на
практике одной из важнейших операций технологии ЛВМ – операции прокаливания
форм перед их заливкой металлическим расплавом [225].
Под спеканием понимают [226] процесс превращения конгломерата частиц, объединенных преимущественно силами трения и адгезии, в единое твердое тело с прочными
межатомными или межмолекулярными химическими связями. С определенной степенью приближения это определение может быть отнесено к спеканию материала пористых керамических ОФ ЛВМ.
Протекание процесса спекания керамики всегда связано со стремлением к минимуму
поверхностной энергии системы «зерна – связка – поры», сопровождающимся переносом вещества, который может осуществляться различными путями. В настоящее время
экспериментально установлены и теоретически обоснованы твердофазовые и жидкостный виды спекания, а также спекание по испарительно-конденсационному механизму,
спекание за счет пластической деформации и реакционное спекание [227].
Для большинства видов современной технической керамики характерны непосредственное применение или синтез кристаллических фаз и, как следствие, доминируют
твердофазовые виды спекания, однако нельзя исключить совместное действие нескольких механизмов.
Именно это наблюдается при прокаливании кварцевых ОФ ЛВМ на таком распро-
49
страненном в отечественном литейном производстве связующем, как гидролизованный
этилсиликат. Композиция из кварцевой обсыпки и огнеупорной суспензии на основе
этилсиликата – исходный материал многослойной ОФ перед прокаливанием – в ходе
этой операции с целью обеспечения полноты спекания подвергается тепловому воздействию в нагревательной печи по заданному термовременному режиму, проходя ряд известных полиморфных превращений, теряя влагу и испытывая термодеструкцию органической составляющей [19].
При этом температурный максимум нагрева в печи, как правило, достигает уровня
9001000°С, а общая продолжительность пребывания форм в печи – до 1415 часов даже для технической схемы без опорного наполнителя.
Следуя модельным представлениям о физике спекания [228], можно предположить,
что во время прокаливания ОФ ЛВМ проявляют себя, как минимум, два механизма спекания: диффузионный, относящийся к твердофазовым видам, и жидкостный, когда
взаимодействием твердой и жидкой фаз спекаемой композиции можно пренебречь (растворение твердой фазы в жидкой незначительно или отсутствует).
Рассмотрим их более подробно. Диффузионный механизм спекания тесно связан со
структурой материала, подвергаемого спеканию, и наличием дефектов [229]. По мере
увеличения количества дефектов в кристаллической решетке и поверхности спекаемого
материала возрастает его поверхностная энергия. Реальные тонкоизмельченные кристаллические тела различаются между собой ее величиной. В ходе соприкосновения
мелких кристаллических частиц при нагреве происходит перенос вещества с большей
энергией в местах контакта в направлении частицы с меньшей энергией, поскольку по
законам термодинамики любая система стремится к выравниванию уровней энергии.
Поэтому движущей силой переноса вещества при диффузионном спекании выступает
разность величин поверхностной энергии в местах контакта частиц. Следствием перераспределения поверхностной энергии частиц оказывается их срастание, соединение в
твердое тело, то есть спекание в соответствии с приведенным выше определением. При
этом важен тот факт, что при относительно низких температурах нагрева, когда преобладает поверхностная диффузия, происходит сфероидизация пор, увеличение контакта
между частицами, что приводит к упрочнению, но не уплотнению материала, вероятно,
за счет получения ячеистой каркасной структуры наподобие сот, то есть пористость и
проницаемость, как минимум, не уменьшаются. При более высоких температурах про-
50
являет себя объемная диффузия, предопределяющая снижение пористости за счет роста
зерен – рекристаллизации. Наблюдается своеобразное выжимание пор за пределы спекаемой системы, а в итоге усадка и уплотнение спекающегося материала.
В основном, опытным путем выявлены факторы, влияющие на степень и скорость
спекания: температура и продолжительность спекания, дисперсность частиц, коэффициент диффузии. Так, площадь контакта между оксидными частицами в спекаемой системе (а, следовательно, и степень спекания), по данным, приведенным в работе [224], растет пропорционально времени в степени 1/5, а усадка материала – в степени 2/5. Скорость спекания прогрессивно уменьшается во времени. Наиболее интенсивное спекание
происходит до достижения пористости около 10%, после чего скорость уплотнения
(уменьшение пористости) резко падает. По времени это совпадает с началом интенсивного роста зерен. Скорость спекания кристаллического материала из оксидной керамики
приблизительно обратно пропорциональна размеру частиц. Коэффициент диффузии, зависящий от температуры нагрева композиции и ее состава, существенно увеличивается
с ростом дефектности структуры.
Отсюда становятся очевидными основные пути повышения скорости и степени диффузионного спекания. Это, прежде всего тонкое измельчение материала (повышение
дисперсности), а также введение в его состав добавок, увеличивающих дефектность
кристаллической решетки. Следует отметить, что увеличение продолжительности спекания и повышение температуры нагрева спекаемой композиции представляются нецелесообразными по причинам высокой энергозатратности, а также опасности трещинообразования в керамике из-за усадочных напряжений. В связи с тем, что в последние годы в практике ЛВМ активно используют так называемые «дуплекс-технологии» (а точнее даже «политехнологии») изготовления ОФ из разнородных материалов, таких, например, как кварц, корунд, магнезит и другие, необходимо упомянуть и возможность
интенсификации спекания за счет дополнительной взаимной диффузии атомов контактирующих зерен в сложном поле химического потенциала, где происходит наложение
градиентов, обусловленных неравновесным распределением вакансий и атомов разного
сорта [224], а также вероятного реакционного спекания разнородных материалов.
Механизм жидкостного спекания, или спекание с участием жидкой фазы, наряду с
диффузионным является одним из распространенных. Он присущ многим видам керамики, когда плавящееся стекловидное вещество вводят специально, либо оно образуется
51
в результате взаимодействия добавок с композицией. Чаще всего спекание многофазной
керамической массы, содержащей или образующей стекловидное вещество, в процессе
нагрева сопровождается заполнением межзеренного пространства жидкой фазой без
взаимодействия с твердой. Происходит своеобразное склеивание частиц композиции без
существенного химического взаимодействия со связкой, а свойства ее исходных фаз сохраняются.
На полноту спекания и его скорость, как и в случае диффузионного спекания, здесь
большое влияние оказывает дисперсность частиц. Кроме того, важными факторами
жидкостного спекания являются вязкость жидкой фазы (точнее, ее изменение в температурном интервале спекания), а также хорошая смачиваемость твердых частиц композиции расплавом.
Заслуживает внимания то, что спекание твердых частиц значительно улучшается в
условиях появления жидкой фазы в контакте между ними при нагреве. Можно говорить
о том, что одновременное спекание по двум механизмам (диффузионному и жидкостному) дает дополнительный положительный эффект за счет явления контактного плавления, когда композиция образует систему эвтектического типа.
Проведенный анализ процесса прокаливания по трем основным аспектам позволяет
выделить некоторые предпосылки для проведения дальнейшей работы
1. На реализацию прокаливания в опорном наполнителе требуется значительный
расход энергии, поскольку масса оболочки составляет только около 10% массы всей
формы, а остальная часть является «балластом» [20].
Несколько уменьшить затраты на прокаливание за счет снижения температуры
можно путем проведения данной операции в вакууме или в высокотемпературном
псевдоожиженном слое огнеупорного материала, когда процессы возгонки, деструкции
или окисления удаляемых из формы продуктов значительно интенсифицируются [16].
Кроме того, для минимизации затрат на прокаливание исследователи предлагают
проводить его без наполнителя, а последующую заливку проводить в наполнителе. При
невозможности отказаться от прокаливания в наполнителе рекомендуется применять
материалы с минимальным термическим расширением и не имеющие полиморфных
превращений (плавленый кварц, электрокорунд, карборунд, циркон) [5, 18].
При проведении операции прокаливания оболочек без опорного наполнителя снижается вероятность возникновения термических напряжений, поэтому риск трещинообра-
52
зования и разрушения оболочек минимизируется.
2. Ключевые физико-химические процессы, связанные с формированием трещиностойкой и технологичной формы, проходят при температурах не выше 600˚С, что создает предпосылки для приближения температурного максимума прокаливания к этой
границе.
3. Исключения необходимости высокотемпературного прокаливания оболочки в течение длительного времени можно добиться использованием технологических добавок
к материалу ОФ, способствующих интенсификации удаления остатков модельной композиции.
4. Исходя из требований к многослойным ОФ и ориентируясь, прежде всего на обеспечение хорошей спекаемости кварцевой керамики в рабочем слое, целесообразно:
– в сочетании с готовым этилсиликатным связующим применять для него огнеупорную обсыпку мелкой фракции, прошедшую предварительное измельчение в шаровой
мельнице для обеспечения дополнительной механоактивации, например, цирконовый
нанопорошок [230];
– в состав обсыпки на первом слое вводить добавки, образующие твердые растворы с
основным компонентом (например, для кварцевых форм применять добавки Al2O3 или
TiO2);
– в состав суспензии вводить восстановители для смещения стехиометрического равновесия между ионами металла и кислорода и повышения химической активности окисла SiO2 (например, растворы отработанных поверхностно-активных веществ);
– в состав обсыпки вводить добавки, обеспечивающие контактное плавление при
температурах прокаливания форм (например, борную кислоту, порошок алюминия, силикат натрия);
– в состав материала упрочняющих слоев формы вводить добавки, способствующие
поддержанию их высокой пористости и газопроницаемости.
2.2 Выбор технологических добавок к материалу формы
Удаление остатков модельной композиции из полости ОФ – одна из целевых задач
операции прокаливания. Основные способы решения этой задачи приведены в таблице
2.1. Тем не менее, представленные варианты имеют ряд ограничений для использования
53
в действующем производстве.
Таблица 2.1 – Возможные способы удаления остатков модельной композиции из ОФ
Способ удаления
1
Нагрев до
температур
Преимущества
Недостатки
2
3
высоких
Высокая эффективность для
тонкостенных и ажурных
отливок
Длительность; значительные затраты электроэнергии (энергоемкость)
Добавка
кислородсодержащего вещества
для интенсификации
горения
Сокращение длительности
прокаливания
Усложнение технологии (введение дополнительной операции);
потребность в кислородсодержащем веществе
Добавка
сильного
окислителя для интенсификации
термодеструкции
Сокращение времени прокаливания и требуемой температуры нагрева
Усложнение технологии (введение дополнительной операции);
ядовитые и отравляющие вещества
Промывка керамической оболочки активным растворителем
(например, насыщенным раствором селитры,
ацетоном,
уайт-спиритом, водными растворами кислот и щелочей)
Возможность автоматизации
операции промывки
Усложнение технологии (введение операции промывки); необходимость в дополнительных
производственных
площадях;
пожаро- и взрывоопасность растворителей (операция должна
проводиться под специальным
защитным кожухом); вредные
испарения растворителей; необходимость вентиляции в помещениях для промывки и доплат
персоналу за вредную работу
Изменение
состава
модельной композиции с целью удаления
ее остатков за меньшее время при более
низких температурах
Композиция быстрее разлагается (требуется меньше
энергетических затрат); эффективен, если в состав
композиции вводить кислородсодержащие
вещества
или окислители
Потребность в дорогих компонентах (например, вместо парафина) или в дорогостоящих модельных композициях
Нагрев ОФ до высоких температур особенно важен для тонкостенных и ажурных отливок. Однако данный способ обладает рядом недостатков, таких как значительные дли-
54
тельность и затраты электроэнергии (энергоемкость).
Введение в состав материала ОФ кислородсодержащих веществ для интенсификации
горения позволяет сократить продолжительность операции прокаливания, а также снизить температуру, до которой требуется нагревать оболочки. В результате сокращаются
энергозатраты. Однако при этом усложняется технологический процесс ЛВМ за счет
введения дополнительной операции. Кроме того, требуются затраты на приобретение
кислородсодержащих веществ для внесения их в состав материала ОФ. Способ имеет
высокий потенциал для применения в промышленности [231, 232].
Добавление в состав материала ОФ сильного окислителя, не обязательно содержащего кислород (галогены, аммиак), для интенсификации термодеструкции гарантирует сокращение времени прокаливания и требуемой температуры нагрева. Однако способ ограничивается необходимостью применения дополнительных средств индивидуальной
защиты, поскольку применяемые вещества являются ядовитыми и отравляющими.
Способ промывки керамической оболочки растворителем, несмотря на свои преимущества перед другими способами, такими как отсутствие необходимости нагрева непосредственно при промывке, а также эффективность в автоматизированном производстве
(использование роботов для реализации данной операции), имеет и ряд недостатков, ограничивающих его применение в действующем производстве. К ним относятся: усложнение технологии, поскольку кроме одной операции прокалки, вводится дополнительная операция промывки; потребность в дополнительных производственных площадях;
пожаро- и взрывоопасность растворителей, вследствие чего операция должна проводиться под специальным защитным кожухом; вредные испарения растворителей; необходимость вентиляции в помещениях для промывки и доплат персоналу за вредную работу.
Изменение состава модельной композиции с целью удаления ее остатков за меньшее
время при более низких температурах достаточно эффективно в действующем производстве, однако затратно вследствие дороговизны модельных композиций.
Исходя из анализа способов удаления остатков модельной композиции, можно сделать вывод о целесообразности применения кислородсодержащих веществ, разлагающихся при температурном воздействии и одновременно выполняющих роль сильных
окислителей, для улучшения удаления остатков модельной композиции, то есть повышения эффективности прокаливания ОФ [233].
55
Именно поэтому дальнейшие авторские исследования были направлены на подбор
наиболее оптимального кислородсодержащего окислителя. Возможные недостатки данного способа перекрываются перспективными преимуществами, получаемыми в ходе
его реализации.
Рассматривались различные варианты кислородсодержащих окислителей (таблица
2.2).
Таблица 2.2 – Кислородсодержащие окислители
Температура
разложения,
°С
Особенности применения
2
3
Перманганат калия
KMnO4
> 200°С
Разлагается до первого полиморфного превращения
в материале оболочки; за счет выделяющегося
MnO2 существует вероятность образования горячей
коррозии (питтинга) в легированных сталях
Селитры:
натриевая NaNO3
калиевая KNO3
кальциевая Ca(NO3)2
> 380°С
> 400°С
> 560°С
Высокая взрывоопасность при превышении критической температуры
Перхлорат калия
(бертолетова соль)
KClO3
~ 350°С
Взрывоопасность; ядовитое вещество (из-за присутствия в составе хлора)
Дихромат калия
K2Cr2O7
> 610 °С
Разлагается при температурах выше первого полиморфного превращения в материале оболочки
Окислитель
1
Пероксиды
BaO2,
K2O4 (надпероксид),
Na2O2
Серный ангидрид SO3
> 600°С
> 450°С
> 460°С
> 400°С
Неустойчивые вещества, склонные к быстрому разложению; дефицитны
Взаимодействует с предельными углеводородами с
образованием токсичного удушливого сернистого
газа SO2
Реакции разложения представленных в таблице 2.2 кислородсодержащих окислителей
имеют следующий вид [234, 235]:
4 KMnO4 = 2 K2O + 4 MnO2 + 3 O2 (при t°  200°С),
2 NaNO3 = 2 NaNO2 + O2 (при t°  380°С),
56
2 KNO3 = 2 KNO2 + O2 (при t°  400°С),
Ca(NO3)2 = Ca(NO2)2 + O2 (при t°  560°С),
2 KClO3 = 2 KCl + 3 O2 (при t°  350°С),
(2.4)
4 K2Cr2O7 = 2 Cr2O3 + 4 K2CrO4 + 3 O2 (при t°  610°С),
2 BaO2 = 2 BaO + O2 (при t°  600°С),
K2O4 = K2O2 + O2; K2O2 = K2O + O2 (при t°  450°С),
2 Na2O2 = 2 Na2O + O2 (при t°  460°С),
2SO3 = 2 SO2 + O2 (при t°  400°С).
По мнению автора, при выборе конкретного кислородсодержащего окислителя для
введения в состав материала ОФ в качестве технологической добавки, способствующей
интенсификации удаления модельной композиции из рабочей полости формы, ключевую роль играют температура начала термического разложения вещества (в сравнении с
температурами полиморфных превращений кварца) и технический вариант прокаливания ОФ (без опорного наполнителя или с ним).
ОФ имеет определенное количество слоев (для варианта с опорным наполнителем
обычно их 35; для варианта без опорного наполнителя соответственно не менее пяти
[18]). Для прокаливания в опорном наполнителе число слоев оболочки, как правило, делают меньшим, чем у оболочек, прокаливаемых без опорного наполнителя. Это связано
с тем, что наполнитель, окружающий оболочку во время прокаливания, препятствует
расширению формы и соответственно развитию (распространению) трещин.
При проведении прокаливания без опорного наполнителя число слоев оболочки, как
правило, увеличивают по сравнению с предыдущим вариантом с целью предотвращения
разрушения оболочки. Кроме того, возможен вариант замены кварцевого песка на материалы с меньшим коэффициентом линейного термического расширения с целью защиты
оболочки от трещинообразования и возможного разрушения.
Многослойная ОФ в результате прокаливания должна освободиться от остатков модельной композиции, приобрести необходимые технологические свойства, обеспечивающие высокое качество будущей отливки: прочность, газопроницаемость, податливость и минимальную газотворность.
При осуществлении выбора подходящих кислородсодержащих окислителей нельзя не
учитывать тот факт, что введение выбранных веществ ни в коей мере не должно ухуд-
57
шать качество керамических ОФ, в противном случае задача выбора веществ будет решена нерационально.
Обратим внимание на тот факт, что температуры начала термодеструкции всех представленных в табл. 2.3 материалов не превышают температурный барьер второго полиморфного превращения кварца α-кварц → α-тридимит, равный 870˚С. В этой связи особого внимания требует прохождение материалом формы барьера первого полиморфного
превращения.
Проанализируем состояние нагреваемой ОФ с кислородсодержащими веществами,
имеющими температуру начала термодеструкции ниже (первый случай) и выше (второй
случай) температуры первого полиморфного превращения кварца β-кварц → α-кварц,
равной ~573˚С.
В первом случае выделяющийся кислород имеет существенно меньшие возможности
для выхода из формы, поскольку она еще относительно холодная и обладает большей
плотностью материала по сравнению с материалом, уже прошедшим полиморфное превращение (см. п.2.1). Очевидно, что кислород – продукт термической диссоциации технологической добавки в материал формы – оказывает механическое воздействие на материал и усложняет напряженно-деформированное состояние оболочки. В этой связи
при нагреве в многослойной оболочке еще до достижения ею температурного барьера
первого полиморфного превращения происходит накопление термических и механических напряжений, образование микропор и микротрещин и, как следствие, разупрочнение. Естественно, что такая «ослабленная» ОФ при определенных условиях может не
выдержать механической перегрузки, связанной с переходом ранее упомянутой критической температурной границы в 573˚С, и вероятность ее разрушения повышается. Предотвратить такое негативное течение событий может использование технической схемы
прокаливания формы в опорном наполнителе, который подобно каркасу безусловно повысит жесткость конструкции, подвергающейся термомеханическим нагрузкам.
Во втором случае кислород, выделяющийся при разложении технологической добавки, имеет возможность поступления в микропоры, пустоты и микротрещины формы, которые еще до начала выделения газа уже сформировались как результат первого полиморфного превращения кварца. Механическое воздействие кислорода на материал
меньше, чем в первом случае, а вероятность разрушения формы ниже. Очевидно, в таких условиях необходимость применения технической схемы прокаливания с опорным
58
наполнителем отпадает.
В этой связи приведенные выше положения были приняты автором в качестве рабочей гипотезы, а для дальнейших работ выбирались следующие кислородсодержащие
вещества:
 перманганат калия и селитры могут быть использованы при проведении прокаливания в опорном наполнителе;
 дихромат калия может быть использован при проведении прокаливания без опорного наполнителя.
По данным [236], имеется опыт использования дихромата калия в ЛВМ для очистки
алюминиевых отливок от остатков ОФ.
Надпероксид калия, а также пероксиды натрия и бария из дальнейшего рассмотрения
исключались как дефицитные. Перхлорат калия (бертолетова соль) и серный ангидрид
отбрасывались вследствие их высокой взрывоопасности и токсичности.
Весьма важным представляется взаимодействие указанных технологических добавок
с остатками модельной массы в рабочей полости формы. В температурном интервале
прокаливания ОФ возможно протекание следующих реакций:
KMnO4 + CnH2n+2  K2O + CO2 + MnO2 + H2O,
NaNO3 + CnH2n+2  NaNO2 + CO2+ H2O,
(2.5)
K2Cr2O7 + CnH2n+2  K2CO3 + Cr2O3+ H2O.
Следует отметить, что в результате первой реакции за счет выделяющегося MnO2, по
данным Берстнева А.А., повышается вероятность образования горячей коррозии (питтинга) будущих стальных отливок. Это особенно опасно для высоколегированных нержавеющих сталей типа 08Х18Н9ТЛ, 20Х13Л и других. Однако перманганат калия
обеспечивает успешный выход кислорода из материала ОФ в ходе прокаливания в кратчайшие временные сроки.
Кроме того, по мнению автора диссертации, совместно с выбранными кислородсодержащими окислителями, при проведении прокаливания оболочек как в опорном наполнителе, так и без него, для «залечивания» трещин, неизбежно образующихся при
полиморфных превращениях кварца, необходимо вводить в состав материала ОФ небольшое количество борной кислоты [76].
При прокаливании происходит разложение борной кислоты до борного ангидрида
по реакции:
59
2H3BO3 = B2O3+ 3H2O↑ (t°  171°С).
(2.6)
Образующийся борный ангидрид, не имеющий запаха, в температурном интервале
прокаливания ОФ плавится, заполняя макро- и микротрещины, формирующиеся в керамической оболочке в результате полиморфных превращений (переход β-кварца в αкварц) и выделения кислорода из кислородсодержащего вещества, входящего в состав
материала оболочковой формы. При этом коэффициент линейного термического расширения образующегося борного ангидрида минимален по сравнению с материалом ОФ.
Таким образом, введение борной кислоты в состав материала ОФ способствует повышению прочности ОФ при их прокаливании и улучшению качества поверхности отливок за
счет спекания керамического материала оболочки и уменьшения «гребешков» на поверхности отливок [237].
Подведем предварительные итоги.
При проведении прокаливания одновременно идут два ключевых процесса, касающиеся остатков модельной композиции в ОФ: горение предельных углеводородов (при
достаточном количестве кислорода) и их пиролиз (в условиях недостатка кислорода).
Введение определенного количества кислородсодержащего вещества позволяет интенсифицировать оба этих процесса, поскольку обеспечивается получение дополнительного
количества кислорода, необходимого для более полного сгорания остатков модельной
композиции, и выделение тепла экзотермических реакций для повышения спекаемости
ОФ и термодеструкции связующего материала оболочки. При этом из технологической
цепочки изготовления ОФ исключаются дополнительные трудоемкие операции, сокращается время прокаливания форм, снижается температурный максимум их пребывания
в печи. Это, в свою очередь, обеспечивает уменьшение ресурса потребляемой электроэнергии и возможность замены высокотемпературных печей на среднетемпературные.
2.3 Выбор термовременных режимов прокаливания оболочковых форм
Под термовременным режимом прокаливания ОФ автором понимается зависимость
температуры прокаливания от его продолжительности, характеризующаяся совокупностью параметров, к которым относятся: температура помещения оболочек в прокалочную печь, скорость нагрева ОФ, температурный максимум нагрева в печи, выдержка
оболочек при достижении температурного максимума, температура подачи оболочек
60
под заливку металлическим расплавом и общая продолжительность пребывания ОФ в
прокалочной печи.
В общем виде график термовременного режима прокаливания керамических оболочек можно представить в следующем виде (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Общий вид графика термовременного режима прокаливания ОФ:
tзагр – температура загрузки ОФ в прокалочную печь, ˚С;
tмакс – температурный максимум прокаливания, ˚С;
vнагр – скорость нагрева, ˚С/ч;
τвыд – время выдержки ОФ при температурном максимуме, ч.
Анализ термовременного режима прокаливания в технологическом процессе производства отливки в условиях действующего производства дает возможность судить о ресурсо- и энергоэффективности данной операции и, соответственно, всей технологии
ЛВМ в целом.
Оптимизация указанных выше параметров позволяет минимизировать временные и
энергетические затраты на операцию прокаливания керамических оболочек в соответствии с необходимостью внедрения новых энерго- и ресурсосберегающих экологически
безопасных технологий (см. п.1.3).
Выбор термовременного режима прокаливания ОФ для каждого конкретного случая
(производственной технологии) осуществляется с учетом следующих основных факторов: технической схемы прокаливания керамических оболочек (в опорном наполнителе,
либо без опорного наполнителя); используемого материала ОФ; особенностей конст-
61
рукции будущей отливки; типа прокалочной печи в зависимости от способа нагрева
(электрический или газовый).
Так, например, при применении технической схемы прокаливания без опорного наполнителя значительно сокращается общая продолжительность реализации операции
прокаливания за счет отсутствия необходимости дополнительных затрат на нагрев
опорного наполнителя, и соответственно снижается энергоемкость всего технологического процесса. Однако при этом теоретически температура загрузки ОФ в прокалочную
печь должна быть приближена к комнатной. Это связано с необходимостью постепенного нагрева ОФ вместе с печью и, соответственно, минимизацией возникающих напряжений, вызывающих трещинообразование. Тем не менее, на практике, например, по
опыту ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина» [238], температура загрузки оболочек в прокалочную печь составляет 250300˚С. Скорость нагрева оболочковых форм составляет 150200˚С/ч, температурный максимум прокаливания
может достигать 1050˚С, а выдержка при максимуме не менее 4 часов. Общая продолжительность прокаливания может достигать 9 часов (рисунок 2.2).
Рисунок 2.2 – Базовый режим прокаливания ОФ без опорного наполнителя
на предприятии ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина»
При прокаливании в опорном наполнителе, находящемся в опоках при нагреве ОФ,
его температура возрастает медленнее, чем температура печи. Поэтому форму рекомендуют нагревать с определенной скоростью, а затем давать выдержку в печи с целью выравнивания температур по ее объему и, соответственно, уменьшения возникающих тер-
62
мических напряжений [239]. Это особенно важно, если для прокаливания используются
нагревательные печи, в которых сложно управлять необходимой скоростью нагрева. В
результате линия нагрева в графике термовременного режима прокаливания приобретает вид ступенчатой ломаной, аппроксимация которой позволяет говорить о соблюдении
рекомендуемой скорости нагрева в печи, а продолжительность цикла прокаливания в
опорном наполнителе существенно увеличивается.
На ОАО «Правдинское конструкторское бюро» (НПО «Правдинский радиозавод»)
загрузка опок с ОФ и наполнителем проводится в печь с температурой 300˚С. Для оболочковых форм на основе кварца рекомендуемая скорость нагрева составляет 150˚С/ч
[5, 18], температурный максимум прокаливания составляет 900˚С, а выдержка – 67 часов в зависимости от сложности отливок и размеров опок (рисунок 2.3). Общая продолжительность прокаливания может достигать 11 часов.
Рисунок 2.3 – Базовый режим прокаливания ОФ с опорным наполнителем
на предприятии ОАО «Правдинское конструкторское бюро»
(НПО «Правдинский радиозавод»)
Материал ОФ (кристаллический кварц, корунд, дистенсиллиманит, плавленый кварц
и т.д.) также оказывает влияние на выбор термовременного режима их прокаливания,
который определяется протеканием полиморфных превращений в материале керамической оболочки, сопровождающихся изменением объема, и соответственно возникнове-
63
нием напряжений и снижением трещиностойкости ОФ. Помимо этого, немаловажную
роль играют коэффициент линейного термического расширения материала формы, его
теплофизические свойства (теплоемкость, теплопроводность), структура материала и
количество примесей в нем.
Особенности конструкции получаемых отливок также вносят свой вклад при формировании термовременного режима прокаливания ОФ. Поскольку для получения тонкостенных ажурных отливок требуются более высокая температура заливки формы, а также более высокая степень удаления из нее остатков модельной композиции и высокая
газопроницаемость оболочки, при выборе термовременного режима прокаливания необходимо предусматривать существенно меньшую скорость нагрева оболочек, а также
большие значения температурного максимума прокаливания и длительности выдержки
при нем.
При назначении температуры подачи оболочек под заливку металлическим расплавом
следуют известным рекомендациям [217] о том, что детали с резкими переходами толщин при условии правильной посадки их на блоки заливаются при температуре оболочковых форм 600700˚С; ажурные мелкие отливки заливают в опоки при температуре
750850˚С.
Типы прокалочной печи являются важным фактором, который необходимо учитывать
при реализации прокаливания керамических оболочек.
Электрические печи потребляют в ходе операции прокаливания более 25% всей установочной мощности [125]. Кроме того, вследствие неравномерного прогрева в электрических печах из-за наличия так называемых «затененных мест» повышается вероятность
растрескивания ОФ.
Электрические и газовые печи, являясь печами-теплообменниками, передают тепло,
выделяющееся в печи, обрабатываемому материалу. В газовых нагревательных печах,
благодаря интенсивной конвекции, в рабочем пространстве отсутствуют «теневые зоны», обусловленные максимальными тепловыми потоками на участках вблизи нагревателей электрической печи, что обеспечивает достаточную равномерность прогрева загруженных ОФ [240].
Рабочие камеры газовых печей работают под избыточным давлением, подсосы извне
практически отсутствуют, что позволяет рентабельно использовать всю зону печи от загрузки до выгрузки, поскольку подстуживание около загрузочных и разгрузочных окон
64
сведено к минимуму. Кроме того, газовое пламя дает возможность осуществлять циркуляцию воздуха в зоне прокаливания, что в свою очередь приводит к равномерному нагреву опок [217].
Замена электрических печей на газовые позволяет сокращать длительность прокаливания ОФ, сократить межремонтные периоды и улучшить качество проведения данной
операции [99].
Подытоживая сказанное, можно констатировать, что выбранный термовременной режим прокаливания должен обеспечить минимум газотворности ОФ, а также максимум
их трещиностойкости как на стадии прокаливания, так и дальнейшей заливки расплавом, поскольку именно с этими характеристиками формы связано абсолютное большинство имеющего место брака стальных отливок.
Проведение прокаливания ОФ с применением технологических добавок к их материалу (см. п.2.2), по нашему мнению, позволит интенсифицировать протекание соответствующих физико-химических процессов и за счет этого сделать термовременной режим этой операции более экономичным без снижения качества получаемых отливок.
Данное положение принимаем как рабочую гипотезу.
В качестве технологических добавок к материалу ОФ для варианта прокаливания без
опорного наполнителя автором предлагается использовать дихромат калия, а для варианта прокаливания ОФ с опорным наполнителем – селитры и перманганат калия.
Согласно модельного представления об операции прокаливания ОФ, полагаем, что
целевые задачи прокаливания решаются до достижения температуры 600˚С (см. п.2.1):
заканчивается термическая диссоциация связующих гелей; проходит первое полиморфное превращение кварца; идет удаление остатков модельной композиции и продуктов
термодеструкции компонентов; реализуется спекание оболочки. Поэтому, с гарантией
осуществления выше названных процессов выбираем температурный максимум прокаливания, равный 650700˚С.
Для снижения вероятности растрескивания ОФ, в соответствии с рекомендациями
[217], выбираем температуру загрузки форм в нагревательную печь равной 300˚С для
обоих вариантов технической схемы прокаливания (как с опорным наполнителем, так и
без него).
Для варианта прокаливания без опорного наполнителя, в соответствии с рекомендациями [5, 18], выбираем скорость нагрева, равную 150200˚С/ч. Учитывая, что нагрев
65
оболочек, заформованных в опорный наполнитель, следует проводить с меньшей скоростью, чем при отсутствии опорного наполнителя (что обусловлено необходимостью минимизации градиента температур между рабочим слоем оболочки и опорным наполнителем, нагреваемым от стенок опоки), для варианта прокаливания ОФ в опорном наполнителе выбираем уровень 100150˚С/ч [5, 18].
Указанные значения скоростей нагрева соответствуют результатам исследования
[241], согласно которым при быстром прокаливании без опорного наполнителя с последующей заливкой оболочки к моменту заливки имеют лишь 50% прочности, обеспечиваемой связующим при 900˚С, что вызвано быстрым нагревом оболочки до 900˚С и последующим охлаждением до 400500˚С. При медленном нагреве, например, в наполнителе, и последующей заливки в форму при 600800˚С потеря прочности составляет
1030%.
Длительность выдержки ОФ в прокалочной печи определяется экспериментально: для
варианта прокаливания без опорного наполнителя принимаем ее равной 2,0 часа (рисунок 2.4), а для варианта прокаливания в опорном наполнителе – 4,0 часа (рисунок 2.5).
При этом учитываются следующие факторы: размер садки, помещаемой в рабочее
пространство прокалочной печи; состояние оборудования (моральный и физический износ).
Рисунок 2.4 – Предлагаемый режим прокаливания ОФ без опорного наполнителя
66
Общая продолжительность операции прокаливания ОФ без опорного наполнителя составляет около 5 часов, что в 1,8 раза меньше (на 44,4% короче), чем длительность технологического цикла прокаливания по базовой заводской технологии.
Рисунок 2.5 – Предлагаемый режим прокаливания ОФ с опорным наполнителем
Общая продолжительность операции прокаливания ОФ с опорным наполнителем составляет около 7,0 часов, что в 1,6 раза меньше (на 36,4% короче), чем длительность
технологического цикла прокаливания по базовой заводской технологии.
2.4 Возможные риски реализации схемы низкотемпературного прокаливания
оболочковых форм
Любая технология, предлагаемая к реализации в действующем производстве, направленная на улучшение ряда его показателей, таких как производительность, прибыль, сокращение материальных и энергетических затрат, никогда не является идеальной,
вследствие чего всегда сопряжена с возникновением ряда возможных рисков [242244].
Несмотря на свои преимущества, кажущиеся очевидными, технология низкотемпературного прокаливания ОФ ЛВМ всѐ же требует более пристального и внимательного
рассмотрения в части возможности возникновения рисков в ходе ее реализации.
Оценим так называемые «узкие места», которые могут возникнуть при реализации
предлагаемой схемы низкотемпературного прокаливания ОФ в условиях действующего
67
производства.
К возможным рискам низкотемпературного прокаливания ОФ можно отнести следующие:
1) недостаточная трещиностойкость форм при прокаливании и заливке металлическим расплавом, обусловленная неполным спеканием материала ОФ, резким перепадом температур между формой и заливаемым расплавом, снижением механических характеристик материала формы (прочности и горячей прочности) из-за выделения продуктов термодеструкции, которая в конечном итоге может привести к появлению в отливках дефектов типа «гребешок»;
2) высокая вероятность получения при заливке дефектов газового происхождения в
теле отливки из-за остаточной газотворности формы, связанной, с одной стороны, с неполнотой прокаливания формы, а с другой – с появлением дополнительного кислорода
как продукта разложения технологической добавки в материале формы;
3) опасность образования при заливке оболочки на поверхности отливок дефектов типа «питтинг-коррозия» (для легированных сталей) и «темных пятен» (для углеродистых
сталей), как результата физико-химического взаимодействия материалов отливки и
формы в окисляемой среде;
4) получение обезуглероженного (мягкого ферритного) слоя на поверхности отливок
по причине химической реакции углерода стали с окислительной средой после заливки
формы металлическим расплавом.
Рассмотрим эти возможные риски реализации схемы низкотемпературного прокаливания ОФ последовательно, с целью теоретической оценки их существенности и определения путей снижения.
Риск недостаточной трещиностойкости форм при прокаливании и заливке металлическим расплавом весьма существенен и для традиционной технологии ЛВМ, включающей операцию высокотемпературного (до 9001050°С) прокаливания ОФ. Поэтому для
технологии ЛВМ с низкотемпературным прокаливанием, когда неизбежно происходит
ослабление каркаса литейной формы в результате термодеструкции кислородсодержащей добавки, она становится ещѐ более актуальной, что не требует специальных теоретических доказательств.
Поиск вариантов решения проблемы или хотя бы снижения ее остроты, по нашему
мнению, следует проводить в направлениях:
68
– оптимизации числа и толщины слоев оболочки;
– варьирования материалов суспензии и огнеупорной обсыпки;
– применения специальных добавок к ним, позволяющих повысить технологичность
на различных этапах производственного процесса.
Теоретическая подоплека для этого имеется в работах многих ученых-исследователей
(см. п. 1.2).
В качестве известных вариантов решения возможной проблемы можно упомянуть,
например:
– замену этилсиликата на готовые связующие типа ГС [50, 63], Сиалит [57], Алюмокс
[65];
– упрочняющие добавки борной кислоты в материал обсыпки [115];
– использование в качестве альтернативы кварцевому песку, как материалу огнеупорной обсыпки, электрокорунда, алюмосиликата, дистенсилиманита, плавленого кварца и
др. [37, 245, 246];
– применение дуплекс-технологии отверждения оболочек, при которой последующий
слой ОФ отверждает предыдущий [247], и ряд других.
Охарактеризуем подробнее второй возможный риск низкотемпературного прокаливания ОФ, связанный с высокой вероятностью получения при заливке дефектов газового
происхождения в теле отливки из-за остаточной газотворности формы.
Низкая по сравнению с традиционной («классической») технологией температура
прокаливания оболочек может не обеспечить полное удаление из них всех газов, следствием чего будет высокая газотворная способность формы во время заливки, что приведет к попаданию газов в рабочую полость формы и дефектам типа «недолив», «газовая
пористость».
Так, например, по мнению Танкелевич Б.Ш., Демидовой А.А. [248], газотворность
керамических оболочек зависит в основном от температуры и практически не зависит от
условий прокаливания. Повышение температуры с 9001000˚С до 1200˚С дает качественный скачок в удалении газотворных составляющих. Даже четырехчасовая выдержка
при 9001000˚С не обеспечивает снижения газотворности форм до уровня, достигаемого
в течение 1 часа при 1200˚С.
По мнению Чихачева В.В., Кириевского Б.А. [128], остатки модельной композиции
составляют лишь 30-40% всех газотворных веществ, находящихся в ОФ, а основную
69
часть газотворных соединений (60-70%) составляют продукты гидролиза этилсиликата,
входящего в состав керамической оболочки.
При условии строгого соблюдения традиционной технологии ЛВМ, включающей
операцию высокотемпературного прокаливания, как показывает опыт, вероятность появления в теле отливки дефектов газового происхождения невелика. Это объясняется
нейтрализацией в оболочке газотворных составляющих, которые могли бы себя проявлять при заливке формы металлическим расплавом, рассмотренных в п.2.1. При этом
учитывается, что вода полностью удаляется из формы при температурах до 600°С [249].
Сложность может заключаться только в выборе необходимого количества кислородсодержащей добавки в материал ОФ, поскольку остаточное содержание модельного состава в оболочке после выплавления заведомо неизвестно и может быть оценено лишь
приблизительно. Например, по оценке [18], оно может составлять до 7,0% от массы оболочки.
В этой связи возможны варианты, когда кислорода, получающегося в результате термодеструкции кислородсодержащей добавки, будет либо недостаточно, либо слишком
много. В первом случае будут иметь место реакции (2.2) или (2.3), что особенно нежелательно из-за остаточного сажистого углерода. Во втором случае возможны пироэффект
при заливке формы расплавом, создание окислительных условий заливки металла в
форму, а также проникновение избыточного кислорода в тело формирующейся отливки.
Опасность образования при заливке оболочки на поверхности отливок дефектов типа
«питинг-коррозия» (для легированных сталей) и «темных пятен» (для углеродистых
сталей), как результата физико-химического взаимодействия материалов отливки и
формы в окислительной среде актуальна как для базовой, так и для предложенной технологии ЛВМ. При заливке стальным расплавом ОФ на основе кварца наблюдается непосредственный контакт жидкого металла с формой. В это время термодинамически вероятным становится целый ряд химических реакций [250]:
2Si + SiO2 = 2SiO,
SiO2 = SiO +O (при Т>1400°C),
2Fe + SiO2 = 2FeO +Si,
Fe +SiO = FeO +Si,
2Fe +O2= 2FeO.
При дальнейшем снижении температуры протекают реакции:
(2.7)
70
Si + O2 = SiO2,
2Fe +SiO2 = 2FeO∙SiO2,
(2.8)
то есть на поверхности отливки из углеродистой стали образуются «темные пятна» –
тонкая пленка железной окалины и железосиликата (фаялит).
По мнению автора, использование технической схемы низкотемпературного прокаливания ОФ с применением кислородсодержащих добавок снизит вероятность образования «темных пятен» на стальных отливках из углеродистых сталей по той причине, что
находящийся в составе фаялита монооксид железа будет активно реагировать с дополнительным кислородом с образованием гематита Fe2O3 по реакции:
4FeO+O2=2Fe2O3.
(2.9)
Это снизит вероятность образования пригара при заливке ОФ стальным расплавом, либо
сделает его легко отделяемым, поскольку связь гематита с кварцевой основой ОФ прочнее, чем связь вюстита FeO с железом стальной отливки из-за различной кристаллохимической природы указанных оксидов железа (по данным Крюковой И.С.).
Механизм образования «питтинг-коррозии» на поверхности отливок из легированных
сталей детально рассмотрен в работах профессора Серебрякова С.П., его учеников и
других и во многом связан с присутствием в составе материала формы и будущей отливки окислов марганца и хрома [251–254].
Снижение данного риска возможно при замене кварца на другой, более химически
инертный и огнеупорный материал (например, электрокорунд Al2O3 или циркон ZrO2), а
также проведение технологических мероприятий, направленных на создание в рабочей
полости формы в период заливки расплавом восстановительной атмосферы (например,
введение углеродсодержащих добавок в материал формы, обеспечение недостатка кислорода строгой дозировкой и минимизацией кислородсодержащих добавок в форму,
засыпкой углеродсодержащих материалов, например, отработанной модельной композиции на зеркало металла после заливки по методу Шагеева З.А. [136]).
Это создает условия для протекания реакции
2С+О2 = 2СО (восстановительная атмосфера), либо С+О2 = СО2
и далее С+СО2 = 2СО (реакция Белла – Будуара).
(2.10)
Риск получения обезуглероженного (мягкого ферритного) слоя на поверхности отливок по причине химической реакции углерода стали с окислительной средой после заливки формы металлическим расплавом имеет место, как для базовой, так и для предла-
71
гаемой технологии ЛВМ. Как и предыдущий, он предопределяется окислительным характером атмосферы рабочей полости формы, лишь с той разницей, что собственно
обезуглероживание поверхностного слоя стальных отливок за счет химического взаимодействия кислорода с углеродом металла происходит уже после формирования литейной корочки, то есть при температурах, меньших температуры солидус. Кроме того, по
мнению автора, вероятность образования обезуглероженного слоя для предлагаемой
технологии ЛВМ будет ниже по сравнению с базовой по причине более низкой температуры поверхности формирующейся отливки, контактирующей с кислородом воздуха.
Таким образом, авторская задача состоит в том, чтобы с позиции теории (виртуальная
оценка) и практики оценить степень вероятности указанных рисков, найти возможности
их минимизации или устранения и проверить их на практике или в эксперименте. Теоретические оценки и результаты их экспериментальной проверки приводятся в последующих главах диссертации.
Выводы по главе 2
1. Сформулировано модельное представление об операции прокаливания ОФ на основе кварца, базирующееся на трех аспектах:
 термомеханическом аспекте, непосредственно связанном с реализацией термовременного режима прокаливания с учетом возникновения и распределения напряжений и
деформаций в ОФ;
 физико-химическом аспекте, подразумевающем оценку протекания возможных полиморфных превращений, физических процессов и химических реакций в материале
ОФ;
 функциональном аспекте, предусматривающем основное целевое назначение операции прокаливания, а именно, удаление остатков модельной композиции и завершенности процесса спекания материала формы.
Научно обосновано, что ключевые процессы, связанные с образованием оболочки
(удаление из литейной формы остатков модельного состава и воды после выплавления
модельной композиции, завершение основных превращений в связующем, спекание огнеупорного материала оболочки на основе кварца при одновременном обеспечении необходимой газопроницаемости формы и минимальной ее газотворности) проходят в ос-
72
новном при температурах не выше 600˚С. Тем самым создаются предпосылки для приближения к этой границе температурного максимума прокаливания при реализации
термовременного режима данной операции.
Предложена рабочая гипотеза, согласно которой, введение соответствующих добавок
способствует интенсификации удаления модельной композиции и улучшению спекаемости кварцевой керамики в рабочем слое ОФ, что позволяет оптимизировать термовременной режим прокаливания оболочек за счет снижения температурного максимума
и сокращения длительности пребывания форм в печи.
2. Выявлена целесообразность применения кислородсодержащих веществ, разлагающихся при температурном воздействии и одновременно выполняющих роль сильных
окислителей, для улучшения удаления остатков модельной композиции, то есть повышения эффективности прокаливания ОФ (перманганат калия, селитры – при проведении
прокаливания в опорном наполнителе; дихромат калия – при проведении прокаливания
без опорного наполнителя).
Введение определенного количества кислородсодержащего вещества позволяет обеспечивать получение дополнительного количества кислорода, необходимого для более
полного сгорания остатков модельной композиции, и выделение тепла экзотермических
реакций для повышения спекаемости ОФ и термодеструкции связующего материала
оболочки.
3. Предложены варианты термовременного режима прокаливания ОФ в опорном наполнителе и без опорного наполнителя, позволяющие минимизировать временные и
энергетические затраты на операцию прокаливания керамических оболочек.
4. Выполнен анализ возможных рисков реализации технической схемы низкотемпературного прокаливания ОФ в условиях действующего производства и определены способы их возможного устранения и минимизации.
73
ГЛАВА 3 ОЦЕНКА РИСКОВ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПРОКАЛИВАНИЯ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ
Основными рисками реализации технической схемы низкотемпературного прокаливания ОФ являются пониженные прочность, горячая прочность, термостойкость, трещиностойкость и газопроницаемость, повышенные газовыделение форм и вероятность
поверхностных и газовых дефектов на стальных отливках. Проведем теоретический
анализ вероятности их возникновения на основе закономерностей, ранее полученных
исследователями ЛВМ. Такой анализ, по нашему мнению, целесообразно начать с рассмотрения оценки трещиностойкости ОФ в традиционной схеме ЛВМ.
3.1 Оценка трещиностойкости оболочковой формы в традиционной схеме литья по
выплавляемым моделям
Одним из важнейших требований, традиционно предъявляемых к ОФ для ЛВМ, является их минимальная склонность к трещинообразованию (трещиностойкость или трещиноустойчивость). Его невыполнение в конечном итоге приводит к образованию таких
литейных дефектов на отливках, как «ужимина», «засор», «уход металла», «просечка» и
«гребешок», нарушающих геометрию литой заготовки и требующих введения дополнительных финишных операций по ее зачистке и механической обработке. Под термином
«трещиностойкость» подразумевается способность ОФ выдерживать механическое и
температурное воздействие на нее без появления явных признаков разрушения, то есть
трещин.
Трещиностойкость является важнейшей характеристикой ОФ ЛВМ.
В связи с тем обстоятельством, что недостаточная трещиностойкость ОФ ЛВМ, подвергающейся термомеханической нагрузке при заливке металлическим расплавом, может вызывать образование и развитие трещин, приводящих к ее полному или частичному разрушению, чрезвычайно важной становится попытка оценить возможность этого
нежелательного явления, пользуясь исходными характеристиками технологической
схемы ЛВМ [255, 256]. Своеобразный прогноз поведения ОФ при ее будущей заливке
позволит при необходимости ещѐ на стадии подготовки производства ЛВМ внести необходимые коррективы в технологию.
74
Математические модели напряженно-деформированного состояния ОФ в процессе
заливки металла и затвердевания отливок были в центре внимания таких ученых, как
Евстигнеев А.И., Петров В.В. и других [150, 155]. В частности, с помощью этих моделей
авторами предлагается проводить прогноз вероятности разрушения формы по результатам решения систем дифференциальных уравнений численным бескоординатным методом профессора Одинокова В.И. Несмотря на высокую адекватность получаемых решений, реализация алгоритма их поиска на практике затруднена из-за необходимости подготовки больших массивов исходных данных, часто недоступных и определяемых только экспериментально.
Предлагаемая методика оценки трещиностойкости оболочковых форм ЛВМ носит упрощенный характер и базируется на следующих основных положениях и допущениях
1. При расчете ОФ заменяется толстостенным цилиндром, для которого отношение
толщины стенки к внутреннему диаметру составляет не менее 1/20 [257].
2. Эффект многослойности в расчете не учитывается: стенка оболочки представляется
однородной, изотропной, выполненной из материала огнеупорной основы формы.
3. Оболочка считается нагруженной внутренним механическим давлением в условиях
стационарного теплового воздействия при максимально возможном температурном напоре.
Учитывая вышесказанное, введем необходимые обозначения.
Пусть rв и rн – соответственно внутренний и наружный радиусы толстостенного цилиндра; r – текущий радиус цилиндрической поверхности;
рв – давление, оказываемое на внутреннюю поверхность цилиндра при гравитационной заливке формы металлическим расплавом (принимаемое в расчетах максимально
возможным и равное гидростатическому давлению столба заливаемого расплава, то есть
2
p в  gh , где ρ – плотность заливаемого расплава; g = 9,81 м/с –ускорение свободного
падения; h – высота столба заливаемого расплава);
[σр] и [σс] – пределы прочности материала формы соответственно при растяжении и
при сжатии;
Е – модуль Юнга для материала формы;
μ – коэффициент Пуассона для материала формы;
α – коэффициент линейного термического расширения материала формы;
75
Т1 – температура на внутренней поверхности цилиндра (принимаем ее равной температуре заливки формы);
Т2 – температура на внешней поверхности цилиндра (принимаем ее равной температуре формы перед заливкой).
Расчетная схема и ее характеристики представлены на рисунках 3.1 и 3.2.
Рисунок 3.1 – Ключевые характеристики расчетной схемы
а)
б)
Рисунок 3.2 – Расчетная схема:
а) толстостенный цилиндр, подвергающийся действию равномерно распределенного
внутреннего давления; б) элемент, выделенный из толстостенного цилиндра
При этом распределение температуры по толщине стенки цилиндра, как известно,
подчиняется логарифмическому закону [258]:
ln  r 
r
Tr   T2  T1  T2    н 
r
ln  в 
 rн 
(3.1)
76
В связи с полярной симметрией цилиндра и нагрузки нормальные радиальные напряжения σr, действующие в сечениях плоскостями, проходящими через ось симметрии О,
и нормальные окружные напряжения σθ, действующие по цилиндрической поверхности, являются главными напряжениями. В площадках, по которым они действуют, касательные напряжения равны нулю.
Определяем напряжения от давления рв.
В соответствии с формулами Ламе имеем:
– для радиальных напряжений
0при 0  r  rв

 r r    p B  rв2   rн  2 
 r 2  r 2  1   r   приr в  r  rн
 н в    
(3.2)
- для окружных напряжений
0при 0  r  rв

  r    p B  rв2   rн  2 
 r 2  r 2  1   r   приr в  r  rн
 н в    
(3.3)
Анализ формул (3.2) и (3.3) показывает, что напряжения σr во всех точках цилиндра
(при rв≤r ≤ rн) отрицательны (сжатие), а σθ положительны (растяжение), причем σr < σθ.
Далее определим температурные напряжения, возникающие в цилиндре из-за разности температур его внутренней и наружной поверхностей ΔТ=Т1–Т2.
Получаем [259]:
 для радиальных напряжений
0при 0  r  rв

  E    T
 r ,T r   
 2  1    ln  rн
r

 в

  rн 
rв2
 ln   
   r  rн2  rв2



rн2   rн

 1  2   ln 
r   rв


 при rв  r  rн

(3.4)
 для окружных напряжений
0при 0  r  rв


E    T
 ,T r   
 2  1    ln  rн
r

 в


r2
r 
 1  ln  н   2 в 2
 
 r  rн  rв



r2   r
 1  н2   ln  н
r   rв


 при rв  r  rн (3.5)

77
Анализ формул (3.4) и (3.5) показывает, что напряжения σr,T равны нулю на его
внутренней и наружной поверхностях и отрицательны во всех остальных точках (сжатие), а напряжения σθ,T имеют отрицательный знак на внутренней и положительный знак
на наружной поверхностях цилиндра.
Определяем суммарные напряжения, складывая соответствующие напряжения от
давления и температуры.
Для радиальных напряжений (складываем (3.2) и (3.4))
0при0  r  rв

2
  rн 
 p  r2 
r
rв2
E    T
 r ,s r    B в  1   н   

ln

   2 2
2
2
 rн  rв   r   21   ln  rн    r  rн  rв
r 

 в

 r 2   r 
 1  н2   ln  н  при rв  r  rн (3.6)
 r   rв 
Для окружных напряжений (складываем (3.3) и (3.5))
0при0  r  rв

2
 p  r2 
r
E    T
 ,s r    B в  1   н   
2
2
 rн  rв   r   21    ln  rн
r

 в


r2
r 
 1  ln  н   2 в 2
 
 r  rн  rв


 r2
 1  н2
 r
  rн
  ln 
 r
  в
 при r  r  r (3.7)
в
н


Анализ формулы (3.6) показывает, что суммарные радиальные напряжения σr,s достигают своего наибольшего абсолютного значения на внутренней поверхности цилиндра
(при r = rв), при этом имея отрицательный знак, соответствующий сжатию:
 r ,s
r rв
 p B
(3.8)
Соответственно на наружной поверхности цилиндра
 r ,s
r  rн
0
(3.9)
Из формулы (3.7) следует, что суммарные окружные напряжения σθ,s во всех точках
цилиндра положительны (растяжение), и при этом
 ,s
r rв 

p B rв2  rн2
rн2  rв2



ET  1


21      rн

 ln  r
  в


2rн2 


 rн2  rв2 





(3.10)
78
 ,s
r rн 
2p B  rв2

rн2  rв2
ET
r 
21     ln  н 
 rв 
(3.11)
Имеем плоское напряженное состояние. При этом главные напряжения σ1=σθ,s; σ2=σ0=0;
σ3=σr,s. Для хрупкого материала формы применяем условие прочности по теории Мора:
σ1 – ([σp]/[ σc])∙σ3≤[σp]
(3.12)
Из соотношений (3.8) – (3.11) с учетом (3.12) очевидно, что опасными точками в поперечном сечении цилиндра являются точки, находящиеся на его внутренней поверхности, что согласовывается с известными представлениями о механизме разрушения ОФ
при заливке металлическим расплавом и результатами экспериментальных заливок ОФ
ЛВМ.
Эквивалентное напряжение в этих точках (левая часть неравенства (3.12)) с учетом
рВ=ρgh равно:
 экв 
 экв

gh rв2  rн2
rн2  rв2





2rн2  gh  p
ET  1




c 
21      rн  rн2  rв2 
 
ln


  rв 

 




 rв2  rн2  p  ET  1
2rн2 
 gh   2 2 

 2 2

 rн  rв  c  21     ln  rв  rн  rв 
 r 

  н

 
или
(3.13)
Анализируя полученное выражение (3.13), с учетом того, что для хрупкого материала
форм ЛВМ  р   с [257], можно принять
   0.
р
с 
Кроме того, сравнение величины
слагаемых в первой скобке выражения (3.13) приводит к выводу о том, что
 
р
rв2  rн2

.
2
2
с 
rн  rв
В итоге правомерно заменить выражение (3.13) на:
79
 экв




rв2  rн2
2rн2 
ET  1
 gh  2



rн  rв2 21      rв  rн2  rв2 
 
 ln  r 

  н

(3.14)
Обращая внимание на второе слагаемое в выражении (3.14), учитывая, что rв < rн, , а
также ∆Т>0, µ<1, E>0, α>0, определяем, что оно будет иметь отрицательный знак. При
этом первое слагаемое в выражении (3.14) всегда положительно. Это означает, что в
точках, находящихся на внутренней поверхности цилиндра, термические напряжения
имеют отрицательный знак (что соответствует сжатию), а механические напряжения положительны (что соответствует растяжению).
В итоге предлагаемая упрощенная методика оценки трещиностойкости ОФ ЛВМ сводится к следующему:
1) задание исходных данных для расчета;
2) расчет σэкв по формуле (3.14);
3) сравнение полученного значения с величиной [σр] для проверки выполнения условия
(3.12).
Выполнение условия (3.12) будет свидетельствовать об удовлетворительной трещиностойкости ОФ и минимальной вероятности растрескивания оболочки при заливке металлическим расплавом. Напротив, нарушение этого условия будет сигнализировать
технологу-литейщику о необходимости корректировки технической схемы ЛВМ.
В качестве исходных данных для расчета наряду с рабочими характеристиками конкретной технологии ЛВМ (ρ, h, ∆T), задаваемыми технологом, применяются величины
rв, rн, Е, α, µ. Значение rн оценивается как половина усредненного отношения площади
сечения формы к соответствующему периметру. Величина rв принимается равной величине rн, уменьшенной на значение толщины стенки ОФ, задаваемой технологом. Значения величин Е, α и µ, в соответствии со вторым допущением предлагаемой методики,
выбираются по справочным данным для материала огнеупорной основы формы (в нашем случае – для кварца). Величина [σр] в формуле (3.12) принимается технологом равной величине горячей прочности ОФ, которая может быть определена в лабораторных
условиях для каждого конкретного материала форм и температуры по известным методикам.
80
Для снижения трудоемкости реализации предлагаемой методики и обеспечения наглядности промежуточных и окончательных результатов расчетов может быть сформирован и использован соответствующий программный модуль в любом расчетном математическом пакете, например, в среде MathCAD.
Для производственной практики не менее важной является возможность расчета конструктивных размеров оболочки, обеспечивающих трещиностойкость формы. В этой
связи проведем оценку минимально допустимой толщины стенки ОФ [260].
При заливке металлическим расплавом ОФ испытывает как механические, так и термические напряжения. В связи с этим возникает реальная опасность разрушения оболочки, если толщина ее стенки будет не достаточной для предотвращения этого. Отсюда вытекает необходимость оценки этой толщины хотя бы в самом первом, грубом приближении.
Будем рассматривать оболочку как сосуд, наполненный горячей жидкостью и охлаждаемый снаружи (на рисунке 3.3 направление теплового потока показано сплошными
стрелками, а механическое воздействие жидкости – пунктирными).
а)
б)
в)
г)
Рисунок 3.3 – Термосиловая нагрузка на ОФ:
а) температурный градиент; б) термические напряжения;
в) механические напряжения; г) суммарные напряжения
Под воздействием давления металлического расплава в оболочке возникают растягивающие напряжения [261]:
 p  0,5  pd
s
(3.15)
где d – внешний диаметр сосуда, или приведенный диаметр, характеризующий кривизну оболочки, м;
s – толщина его стенки, м;
p – давление расплава, Па (Принимаем p  gh , где ρ – плотность расплава при за-
81
ливке в форму; h – металлостатический напор, определяемый из технологической схемы
заливки; g=9,8 м/с2 – ускорение свободного падения).
В результате имеем:
 p  0,5  ghd
s
(3.16)
Для упрощения принимаем, что температура и температурные напряжения изменяются поперек стенки оболочки линейно. Тогда перепад температур ∆t можно выразить через количество теплоты, проходящей через стенку в единицу времени на единицу поверхности (плотность теплового потока), по закону Фурье:

q    t
s
(3.17)
где λ – теплопроводность материала оболочки, Вт м  град  ;
∆t – перепад температур между внутренней и наружной поверхностями оболочки, ºС.
Температурные напряжения рассчитываются [262]:
 t  E    t
(3.18)
где Е – модуль упругости материала оболочки, МПа;
α – коэффициент линейного термического расширения материала оболочки, град-1.
Тогда, с учетом (3.17), имеем
t 
Eqs

(3.19)
Из (3.16) и (3.19) видно, что термические напряжения при заданной интенсивности
теплового потока возрастают по модулю с увеличением толщины стенки оболочки s, а
силовые напряжения – напротив, уменьшаются.
Для суммарных напряжений получаем (суммируя (3.16) и (3.19) и принимая d  2R ,
где R – внешний радиус оболочки):
   p   t  0,5  ghd
s

Eqs Rgh
Eqs


s


(3.20)
Далее находим минимум функции   s  , дифференцируя (3.20) по s и приравнивая
нулю. Получаем значение s, для которого σ будет минимальным:
s
Rgh
Eq
(3.21)
82
Учитывая, что ОФ на основе кварца более чем на 90% состоит из этого материала,
значения λ, Е и α выбираются по справочным данным для кварца. Величина R рассчитывается как половина усредненного отношения площади сечения формы к соответствующему периметру. Плотность ρ заливаемого расплава берется по справочным данным, величина металлостатического напора h задается технологом для конкретной литниково-питающей системы. Плотность теплового потока q может быть рассчитана в соответствии с законом теплопроводности Фурье как отношение количества теплоты ОФ,
отнесенное к площади ее поверхности, в единицу времени.
3.2 Оценка термостойкости / трещиностойкости оболочковой формы при литье по
выплавляемым моделям с использованием низкотемпературного прокаливания
В последнее время всѐ большее внимание уделяется снижению высокой ресурсозатратности литейных технологий, в том числе ЛВМ.
В этой связи представляют интерес любые разработки, направленные на снижение
энерго- и материалоѐмкости процесса, обеспечение его экологической безопасности и
ресурсосбережения при реализации.
Предлагаемая техническая схема низкотемпературного прокаливания ОФ [243, 244],
состоящая во введении в состав материала ОФ определенного количества кислородсодержащих веществ, интенсифицирующая процесс прокаливания ОФ за счет выделения
дополнительного количества кислорода, получаемого в ходе экзотермических реакций,
имеет ряд специфических особенностей. К ним можно отнести: более высокие пористость материала формы, удельная поверхность пор в оболочке и меньшая температура
формы при заливке металлическим расплавом. В первом приближении эти обстоятельства предопределяют риски получения брака отливок из-за недостаточной трещиностойкости оболочек при контакте с металлом. Таким образом, необходимой становится
сравнительная оценка соответствующих эксплуатационных характеристик форм, изготовленных по новой технологии ЛВМ с применением технической схемы низкотемпературного прокаливания ОФ и базовой (заводской) технологии.
Согласно работе [329], энергия, подведѐнная при заливке металла, затрачивается на
упругую деформацию ОФ, а также преобразуется в кинетическую энергию, связанную с
образованием и ростом трещин в оболочке, и поверхностную энергию. Развитие трещин
83
приводит к появлению новых поверхностей и, как следствие, к росту эффективной поверхностной энергии, которая в свою очередь уменьшает кинетическую энергию волны
упругой деформации. По мнению автора [330], энергия, приходящаяся на единицу объѐма оболочки, подвергаемой термоудару, представляет собой сумму энергий упругой
деформации каркаса оболочки и образования трещин.
Основываясь на этом, а также допуская, что передача тепла при заливке формы металлом осуществляется теплопроводностью, профессор Александров В.М. с коллегами
[145, 146] предложили в качестве критерия термостойкости ОФ точного литья принять
время τ, которое способна выдержать форма после заливки расплава без растрескивания
и разрушения
m3
 FS(1  m)
K

 T
(3.22)
где  F – удельная поверхностная энергия разрушения материала оболочки;
S – площадь поверхности контакта металла и формы;
m – пористость формы;
 – проницаемость формы;
К – константа Козени-Кармана (по данным [263], в расчѐтах можно принять К=4
при условии представления материала оболочки ячеистым пористым телом);
 – теплопроводность материала формы;
ΔТ – температурный напор, определяемый разностью температур металла и
формы.
В нашем случае ОФ, изготовленные по базовой и новой технологиям, испытывают
при заливке одинаковые механические нагрузки, связанные с гидроударом на начальной
стадии и металлостатическим напором в период формирования отливки, а различия в
поведении ОФ связаны прежде всего с изменением величины ΔТ в предлагаемой технической схеме по сравнению с базовой. Кроме того, количество теплосмен, которым подвергается ОФ, и в первом и во втором случае равно 1. По этой причине вполне правомерно рассматривать τ в качестве критерия термостойкости / трещиностойкости ОФ при
их заливке стальным расплавом и дальнейшем формировании отливок. Справедливость
такого подхода подтверждается в работе [146], где рассматривается методика расчѐта
для процесса точного литья в ОФ без опорного наполнителя.
84
Проведѐм сравнительный анализ (3.22) для базовой и новой технологий.
По данным [264], величина  F остаѐтся практически неизменной для материала оболочки с числом слоѐв не менее пяти (это характерно для точного литья стали в формы
без опорного наполнителя) и пористостью до 55%.
Поэтому, учитывая, что для базовой технологии mбаз = 0,12 [146], а для новой
mнов = 0,25 (на основе сравнительного статистического анализа изломов ОФ ), считаем в
формуле (3.22) величину  F для них одинаковой, как и площадь поверхности контакта
металла и формы S и константу Козени-Кармана К, поскольку они неизменны для обоих
вариантов.
Если пористость материала понимается нами как наличие в нѐм пор (пустот) с возможностью количественной оценки отношением объѐма пор к общему объѐму материала, то проницаемость – это способность материала пропускать через себя газы при перепаде давления. Здесь, прежде всего речь идѐт о продуктах газовыделения оболочки при
еѐ контакте с металлическим расплавом во время заливки и последующих прогрева (изза T >0) и охлаждения.
Согласно [265], величина проницаемости во многом определяется значением пористости, еѐ характером (открытая или закрытая), а также размером и формой собственно
пор
~m
S2 уд
,
(3.23)
где Sуд – удельная площадь поверхности пор.
Поскольку, как указывалось ранее, при визуальном осмотре излома определили, что
объем пор для новой технологии в 2 раза больше, чем для базовой, а площадь поверхности пор связана с величиной их объема степенной зависимостью (степень 2/3), получаем
22/3 =1,6
и
принимаем величину Sуд для новой технологии изготовления оболочек
(Sуд)нов =1,6 (Sуд)баз. Далее, учитывая, что
mнов ≈ 2,083mбаз,
(3.24)
получаем
2
2
2
 нов m нов (S уд ) баз m нов  (S уд ) баз 
0,25  1 



    0,814
 
2
 баз m баз (S уд ) нов
m баз  (S уд ) нов 
0,12  1,6 
то есть
βнов = 0,814 βбаз.
(3.25)
85
Для теплопроводности пористого материала в соответствии с уравнением Лихтенекера [222] имеем
  1дm  mн ,
(3.26)
где  д – теплопроводность диспергированной фазы;
 н – теплопроводность непрерывной (матричной) фазы;
m – пористость материала формы.
Учитывая, что в качестве диспергированной фазы выступает воздух, для которого
принимаем  д ≈0,05 Вт/м∙К, а в качестве матричной – соответственно кварцевый песок,
для которого соответственно  н ≈0,25Вт/м∙К [266], получаем для новой технологии
 нов  0,051mнов  0,25mнов  0,0510,25  0,250,25  0,075 Вт/м∙К.
При этом, по данным [145], λбаз = 0,18 Вт/м∙К, то есть
 нов ≈ 0,417  баз .
(3.27)
Температурный напор в оболочке при изготовлении стальных отливок для базовой
технологии
( T )баз = 1823–1273=550К, для новой технологии ( T )нов = 1823–973=850К.
Тогда
(T) нов 
(3.28)
850
(Т) баз  1,55(Т) баз .
550
В итоге, с учѐтом (3.22) получаем
 нов

 баз
(1  m нов ) баз (T) баз 
m 3нов
 нов
m 3баз
(1  m баз ) нов (T) нов 
 баз
    (Т) баз   m нов 

  баз   
  

(

Т
)
m
нов  
баз 
 нов  
3
2
 
  баз 
  нов 
1
2

1  m нов
1  m баз
откуда, усредняя, имеем
1
3
нов
1
1
0,75
 1  2 1 - 0,25

 (2,083) 2  
 2,398  0,645  3,006  1,108 
 4,39
 
≈
баз 0,417 1,55
0,88
 0,814  1 - 0,12
или
 нов  4,39  баз .
(3.29)
Это свидетельствует о большей термостойкости / трещиностойкости оболочек, изго-
86
товленных по новой технологии. По мнению автора, прежде всего это объясняется
большими значениями пористости материала формы и удельной площади поверхности
пор, позволяющими говорить о возможности рационального распределения напряжений
в стенке оболочки по типу сотовых конструкций.
Таким образом, приведенные теоретические выкладки доказывают неубедительность
первоначальных ожиданий недостаточной трещиностойкости ОФ, изготовленных с
применением технической схемы низкотемпературного прокаливания.
Тем не менее, актуальной остается задача поиска путей повышения трещиностойкости оболочки, альтернативных такому наиболее распространенному из них как оптимизация числа слоев и их толщины без изменения материала формы. Для ее решения попытаемся провести краткий анализ напряженно-деформированного состояния формы на
наиболее опасных по трещинообразованию стадиях процесса ЛВМ.
Появление и развитие трещин в теле ОФ ЛВМ может обуславливаться множеством
объективных и субъективных факторов, действующих на всем протяжении весьма длительного производственного цикла изготовления и эксплуатации литейной формы
вплоть до ее разрушения при выбивке. Однако, по мнению большинства исследователей
ЛВМ (Евстигнеев А.И., Кулаков Б.А., Озеров В.А., Петров В.В., Рыбкин В.А., Сапченко И.Г., Чернышов Е.А., Шкленник Я.И. и др.), основными операциями, потенциально опасными по трещинообразованию в оболочках, являются прокаливание форм и их
заливка металлическим расплавом с последующими формированием и охлаждением отливок, связанные либо с термическим, либо с термомеханическим воздействием на литейную форму.
Помимо потенциально опасных по трещинообразованию в ОФ операций прокаливания и заливки форм металлическим расплавом с последующими формированием и охлаждением отливок, связанных либо с термическим, либо с термомеханическим воздействием на литейную форму, ситуация усугубляется и тем обстоятельством, что при нагреве и охлаждении температурные напряжения, действующие в материале оболочки,
меняют свой знак с отрицательного (сжатие при нагреве) на положительный (растяжение при охлаждении), а неравномерность толщины стенки оболочки, вызванная, например, неизбежными погрешностями при нанесении слоев огнеупорной суспензии на модельный блок сложной геометрии, приводит к возникновению в ней дополнительных
изгибающих моментов и сосредоточенных сил.
87
Так, например, в ходе прокаливания оболочки в силу специфики ее геометрии (сложная конфигурация, имеющиеся «карманы», тонкие сечения рабочей полости) вначале
нагрев происходит от наружной к рабочей, облицовочной ее части, создавая сжимающие температурные напряжения в наружной и растягивающие во внутренней части. Однако через короткое время из-за свободного доступа теплоносителя в рабочую полость
формы температурные напряжения в облицовочной части оболочки также становятся
сжимающими.
При заливке оболочки металлическим расплавом физическая картина распределения
напряжений по толщине стенки формы становится еще более неопределенной и меняющейся с течением времени не только из-за нестационарности процесса теплопереноса в
системе «металл – форма», но и из-за дополнительного влияния механического фактора
(гидродинамическое давление расплава на внутреннюю поверхность формы и газовое
противодавление потоку в «карманах» оболочки при заполнении формы, переменное
металлостатическое давление по высоте стояка и деформации, претерпеваемые материалом оболочки из-за полиморфных превращений и термодеструкции при последовательном нагреве и охлаждении формы, то есть изменении температурного градиента).
Опыт показывает, что и в том и в другом случае появление и развитие трещин связано
с недостаточными жесткостью или наоборот, податливостью оболочки в условиях термического или термомеханического нагружения, а также завышенными скоростями теплопереноса [267–269]. Важностью последнего фактора, например, объясняется широко
известная практическая рекомендация об ограничении максимума скорости нагрева
кварцевых оболочек при прокаливании величиной 100–150°С/ч.
При рассмотрении плоского напряженного состояния оболочковых конструкций некоторые исследователи для оценки вероятности трещинообразования успешно применяют известную методику расчета толстостенных цилиндров по безмоментной теории
[257, 259], которая обеспечивает получение вполне адекватных результатов. В этих расчетах пренебрегают изгибом поверхности и считают, что напряжения по стенке оболочки распределены равномерно.
В практике механических расчетов толстостенным называется такой цилиндр, для которого отношение толщины стенки к внутреннему диаметру не менее 1/20. Геометрия
ОФ ЛВМ вполне соответствует этому критерию. Вывод формул расчѐта напряжений в
толстостенных цилиндрах основан на том, что для них соблюдается гипотеза плоских
88
сечений, т.е. поперечные сечения цилиндра, плоские до нагружения, останутся плоскими и после нагружения.
Основными уравнениями для расчѐта напряжений в толстостенных цилиндрах являются формулы Ламе, уже упомянутые в п.3.1:
2
 2  rв2 

1
2  rн
 r  2 2  p н rн  1  2   p в rв   2  1
rн  rв 
 r 
r

(3.30)
где σr – меридиональные (радиальные) напряжения;
rн – наружный диаметр толстостенного цилиндра;
rв – внутренний диаметр толстостенного цилиндра;
pн – наружное давление (в нашем случае принимаем pн=0);
pв – внутреннее давление, оказываемое на поверхность цилиндра;
r – текущий диаметр цилиндрической поверхности.
2
 2  rв2 

1
2  rн



    2 2  p н rн  1  2   p в rв   2  1 ,
rн  rв 
 r 
r

(3.31)
где σθ – окружные напряжения.
Анализ формул Ламе (3.30, 3.31) для окружных σθ и меридиональных (радиальных)
напряжений σr, используемых в рамках этой методики, показывает, что при действии на
оболочку только внутреннего давления (случай, соответствующий заливке металлического расплава в ОФ, представляющую собой сосуд цилиндрической формы) напряжения σr во всех точках оболочки отрицательны (сжатие), а σθ положительны (растяжение).
При этом | σθ |>| σr | и своего максимума достигают на внутренней (рабочей) поверхности формы, что делает именно здесь наибольшей вероятность трещинообразования в
оболочке. Тезис о пиковых окружных напряжениях в облицовочном слое оболочки как
первопричине появления и развития в нем трещин при заливке формы расплавом подтверждает и источник [270].
Более того, дальнейшее рассмотрение схемы работы оболочки приводит нас к выводу
о том, что охлаждение формы, следующее за заливкой ее расплавом, обусловливает
дальнейший рост растягивающих напряжений σθ в облицовочном слое.
При этом становится очевидным, что такие меры повышения жесткости оболочки,
как увеличение числа слоев или их толщины, не могут однозначно обеспечить минимум
σr и особенно σθ, в связи с чем требуются другие конструктивные решения.
89
Для решения данной проблемы автором предлагается использовать принцип замены
сплошного цилиндра составным, разработанный применительно к металлическим многослойным конструкциям академиком Гадолиным А.В.: способ уменьшения окружных
напряжений σθ за счѐт повышения прочности толстостенного цилиндра [257].
Рассмотрим два соседних слоя многослойной ОФ ЛВМ.
Если материалы первого (охватываемого) и второго (охватывающего) слоя отличаются, то различаются и соответствующие им величины коэффициентов линейного термического расширения α1 и α2 и модулей упругости Е1 и Е2. Тогда при нагреве или охлаждении на ΔТ двух соседних слоев одинаковой толщины s для их термического расширения /сжатия имеем:
1  s  1  1  T  – измененная толщина первого слоя
(3.32)
 2  s  1   2  T  – измененная толщина второго слоя
(3.33)
На контактной поверхности слоев возникают дополнительные напряжения величиной
  ET ,
(3.34)
где ΔЕ=Е1–Е2; Δα=α1–α2.
При α1>α2 и нагреве (ΔТ>0) Δ1>Δ2. Имеет место ситуация «термического натяга». В
итоге 2-й (охватывающий) слой препятствует расширению 1-го (охватываемого) слоя,
обеспечивает его сжатие и повышение жесткости формы. При α1>α2 и охлаждении
(ΔТ<0) Δ1<Δ2. Имеет место ситуация «термического зазора». В итоге 2-й (охватывающий) слой образует зазор с 1-ым (охватываемым), что обеспечивает повышение пористости формы и делает ее более податливой.
При α1< α2 и нагреве (ΔТ>0) Δ1<Δ2. Имеет место ситуация «термического зазора». В
итоге 2-й (охватывающий) слой образует зазор с 1-ым (охватываемым), что обеспечивает повышение пористости формы. При α1< α2 и охлаждении (ΔТ<0) Δ1>Δ2. Имеет место
ситуация «термического натяга». В итоге 2-й (охватывающий) слой обеспечивает сжатие 1-го (охватываемого) слоя и повышение жесткости формы.
Учитывая тот факт, что знак Δσ в формуле (3.34) может быть как положительным,
так и отрицательным в ситуациях нагрева / охлаждения оболочки, можно сделать важный вывод о возможности рационального подбора материалов слоев многослойной ОФ
для управления ее жесткостью, пористостью и, как следствие, податливостью, и в конечном итоге обеспечения трещиностойкости формы.
90
3.3 Прогнозирование образования дефектов газового происхождения при
изменении технологии литья по выплавляемым моделям
В течение последних десятилетий в свете обострившейся необходимости повышения
качества литья при жесткой экономии материальных, энергетических, трудовых и временных ресурсов проблеме прогнозирования образования литейных дефектов уделялось
особое внимание. Существенные позитивные результаты в этой области были достигнуты как в России, так и за еѐ пределами. При этом доминирующие позиции в данном направлении уже традиционно занимают разработчики, использующие в качестве инструментария современные IT-технологии и мощный математический аппарат для оперативного выполнения массовых вычислений, связанных с применением сеточных методов типа метода конечных разностей и конечных элементов [271].
Однако в этой области до сих пор остаются белые пятна, касающиеся литейных дефектов, в частности, газового происхождения. Прежде всего, это объясняется недостаточной изученностью газового режима работы литейных форм в отличие от теплового и
гидравлического, а также особенностями физико-химии газовых явлений, имеющих место при контактировании формы с металлическим расплавом, в частности, в некоторых
специальных способах литья, таких как ЛВМ, что, как следствие, лишает разработчиков
надежной теоретической базы для решения проблемы.
На этом фоне технологи-литейщики постоянно сталкиваются с необходимостью прогноза (даже самого приблизительного) при освоении новых вариантов технологии по
количеству и местам расположения в отливках таких дефектов газовой природы, как
недолив, газовая раковина, вскип и т.д.
Применительно к ЛВМ стали это в первую очередь касается газообразных продуктов
термодеструкции материала формы при прокаливании и взаимодействии еѐ с металлическим расплавом при заливке.
В этой связи автором предлагается обратить внимание на разработки основоположников литейной науки.
Ещѐ в 50-60-х годах двадцатого века представителями Нижегородской (Рыжиков
А.А., Спасский А.Ф.) и Московской (Куманин И.Б.) научных школ были изучены закономерности газовыделения литейных форм при контакте с жидким металлом, которые
можно обобщить соотношением [249, 272, 273]:
91
G  Г
2
 b ф Т  S   ,

(3.35)
где G – количество газа, выделяющегося из материала формы за время τ;
Г – газотворность материала формы;
bф – теплоаккумулирующая способность материала формы;
ΔТ – температурный напор, определяемый разностью температур металла и формы;
S – площадь поверхности контакта металла и формы;
τ – текущее время.
При условии удовлетворительной дегазации расплава до заливки в форму соотношение (3.35) вполне может быть использовано в качестве опорного для количественного
прогноза газовых дефектов в отливках.
Газотворность Г для каждого материала определяется экспериментально.
Теплоаккумулирующая способность формы вычисляется по известной формуле
bф    с   ,
(3.36)
где λ – теплопроводность материала формы;
с – удельная теплоѐмкость материала формы;
ρ – массовая плотность материала формы.
Теплофизические характеристики материала формы λ, с и ρ, входящие в формулу
(3.36), могут определяться как экспериментальным, так и расчѐтным путѐм по известным методикам, либо извлекаются из баз данных программ компьютерного моделирования формирования отливки.
Остальные величины в соотношении (3.35) легко измеряются или задаются для проведения оценочного прогнозного расчѐта.
Вывод из всего сказанного очевиден: для проведения полноценного прогноза газовых
дефектов необходима кропотливая работа специалистов производственных и исследовательских лабораторий для скорейшего создания мощного статистического массива информации по газотворности различных материалов форм.
Кроме того, можно утверждать, что соотношения (3.35) и (3.36) вполне применимы
для сравнения вариантов литейной технологии, что очень важно для цеховых технологов уже сейчас, до решения выше названной задачи.
Выполним такое сравнение для базового варианта технологии ЛВМ и предлагаемого
варианта с использованием технической схемы низкотемпературного прокаливания ОФ.
92
Предложенная схема интенсификации процесса прокаливания ОФ характеризуется
некоторыми рисками, вызывающими опасения у производственников: присутствие в
материале оболочки кислородсодержащей добавки, способной к термодеструкции при
заливке; повышенная пористость материала формы и пониженная температура формы
могут привести к дополнительному газовыделению формы при заливке и, как следствие,
к образованию дефектов типа «недолив», «газовая пористость» и т.д.
В этой связи проведем оценочный прогнозный расчѐт по формулам (3.35) и (3.36),
предусматривающий сравнение базового и нового вариантов технологии.
Прежде всего, выявим величины, фигурирующие в указанных формулах, значения
которых различаются для обоих вариантов: Г, bф (и соответственно λ, с, ρ) и ΔТ.
Далее проанализируем каждую из этих величин.
Авторы работы [96] на основе многочисленных экспериментальных данных убедительно доказывают, что при температурах порядка 700–750°С из материала формы отводится до 70% содержащейся в нѐм влаги и других летучих. Очевидно, речь идѐт о
полном удалении физико-химически и физико-механически связанной воды, а также газообразных продуктах разложения тяжелых предельных углеводородов парафиновой
группы из остатков модельной композиции. В оболочке частично остаѐтся химически
связанная вода (кристаллизационная и цеолитная влага возгоняются, а конституционная
остаѐтся), в основном, участвующая в процессе структурирования связующего. Здесь же
отмечается более активное протекание структурных превращений в связующем в присутствии кислорода: они фактически завершаются в температурном интервале 750–
770°С (это соответствует условиям реализации предлагаемого варианта). Построенные
авторами работы [96] кривые газотворности позволяют однозначно сказать, что к 700–
750°С материал оболочки расходует только 70% своего газотворного потенциала.
На этом основании записываем соотношение:
Гнов ≈ 1,3 Гбаз.
(3.37)
(Соответствующие индексы относятся к новому и базовому вариантам технологии
ЛВМ.)
Для теплопроводности пористого материала (к таковому относим материал оболочки)
в соответствии с (3.26) имеем:  баз  0,18 Вт/м∙К,  нов ≈ 0,417  баз .
Для теплоѐмкости пористого материала [222] расчѐт ведѐтся по формуле
93
с  с ист (1  m) ,
(3.38)
где сист – теплоѐмкость матричной фазы материала.
Учитывая, что mбаз=0,12 [145], а mнов=0,25 (на основе сравнительного анализа изломов ОФ), получаем
c нов с ист (1  m нов ) 1  m нов 1  0,25



 0,852 , откуда
с баз с ист (1  m баз ) 1  m баз 1  0,12
снов=0,852сбаз
(3.39)
Для оценки массовой плотности пористого материала используется формула, математически изоморфная соотношению (3.38) [222]:
   ист (1  m) .
(3.40)
Поэтому по аналогии с (3.39) получаем
 нов = 0,852  баз .
(3.41)
Для температурного напора: при изготовлении стальных отливок для базовой технологии ( T )баз=1823–1273=550К, для новой технологии ( T )нов=1823–973=850К.
Тогда
850
(T) баз  1,55(Т) баз .
550
( T )нов≈
(3.42)
В итоге с учетом (3.35) получаем
G нов Г нов (b ф ) нов (Т ) нов


≈
, но, учитывая (3.36), имеем
G баз Г баз (b ф ) баз (Т) баз
(b ф ) нов  ( нов  с нов   нов )
1
2
и (b ф ) баз  ( баз  с баз   баз )
1
2
,
что приводит к
G нов Г нов   нов 



G баз Г баз   баз 
1
2
с 
  нов 
 с баз 
1
2
 
  нов 
  баз 
1
2

(Т) нов
,
(Т) баз
откуда, усредняя, имеем
1
1
1
G нов
 1,3  (0,417 ) 2  (0,852 ) 2  0,852  2  1,55  1,109 или
G баз
Gнов ≈1,109 Gбаз.
(3.43)
Полученный результат наглядно демонстрирует, что при реализации нового варианта
технологии ЛВМ с применением технической схемы низкотемпературного прокаливания ОФ вероятность образования газовых дефектов несколько выше, чем для базового
94
варианта (примерно на 10%) [274].
По мнению автора, полученный результат можно объяснить следующим образом: в
условиях новой технологии горение остатков модельной композиции и связующего в
среде избыточного кислорода создает в порах формы эффект дополнительного разрежения, способствующего более полной реализации газотворного потенциала оболочки на
стадии еѐ прокаливания даже при температуре, более низкой по сравнению с базовой
технологией. Это, в свою очередь, создает условия для выведения из формы 20% из 30%
не удаленной ранее влаги и других летучих, что свидетельствует об эффективности нового варианта технологии ЛВМ.
В дополнение к сказанному, учитывая нестрогий характер соотношения (3.37), следует обратить внимание на практические меры по снижению Гнов. К ним можно отнести,
например, обеспечение направленного газоотвода от рабочей полости формы на стадии
заливки повышением газопроницаемости упрочняющих слоѐв, улучшение спекаемости
рабочего слоя, снижение газонасыщенности заливаемого в ОФ металлического расплава, создание благоприятных условий заливки, в частности, выбор литниково-питающей
системы, и другие.
3.4 Оценка образования поверхностных дефектов в стальных отливках,
получаемых в оболочковых формах с применением низкотемпературного
прокаливания
Главные особенности технологии ЛВМ с применением технической схемы низкотемпературного прокаливания ОФ – низкая температура заливаемой ОФ (600–650°С) и возможность выделения формой при заливке остаточного кислорода, повышающая активность еѐ материала (кислород может вступать во взаимодействие с компонентами расплава, что приведет к образованию неметаллических включений в теле отливки).
Ранее в п. 2.4 нами была показана несущественность опасности появления на поверхности отливок, полученных с применением низкотемпературного прокаливания из углеродистых сталей, дефектов в виде так называемых «темных пятен». Однако практический интерес представляет вопрос оценки вероятности образования поверхностных дефектов в отливках, получаемых по данной технологии из нержавеющих и жаропрочных
легированных сталей, таких как питтинг и плена.
95
Согласно [275], питтинг («черные точки», «тѐмные пятна», «далматинец») представляет собой локальное разрушение в виде точечных язв, начинающихся с поверхности
отливки и содержащих в основном оксиды металла. Глубина внедрения этих дефектов в
среднем составляет 0,1–1,4 мм, в некоторых случаях эта величина превышает припуск
на механическую обработку, что значительно повышает себестоимость литой заготовки
и снижает чистоту поверхности отливки.
Плена – дефект в виде самостоятельного или окисленного слоя на поверхности отливки, образовавшегося при недостаточно спокойной заливке. Причинами возникновения плены могут быть: неправильный подвод металла, окисление металла при заливке и
образование плѐнки окислов на поверхности потока металла или заливка прерывистой
струѐй [136].
При этом существующие представления о механизмах возникновения названных дефектов литья во многом сходятся.
Так, в работах Степанова Ю.А. и Лаптева В.Г. высказывается гипотеза послойного и
суспензионного строения окисной плѐны, образующейся при физико-химическом взаимодействии расплава легированной стали, формы и атмосферы [276, 277]. Авторами отмечается, что силикаты глинозѐма (Al2O3∙SiO2) и марганца (MnO∙SiO2) при формировании плѐны и течении металла в форме будут оставаться жидкими. Образовавшиеся TiO2
и Cr2O3 прилипают к стенке при течении металла, но как только расплавляется легкоплавкая эвтектика (SiO2–Al2О3–MnO), образуется жидкая прослойка, которая не налипает на стенку, а придавливается к ней, заполняя микронеровности. Остальная часть, выдавливаясь на поверхность, образует сплошную податливую плѐну.
При течении такая плѐна смачивает попавшиеся на пути песчинки засоров, увлекает
их за собой и растворяет, образуя шлак. В результате этого отливки, полученные в форме с засорами, вместо характерного брака – засоров – бывают поражены глобулярными
включениями или шлаком, вышедшим на поверхность.
С повышением активности формы в составе плены увеличивается количество жидкой, более легкоплавкой фазы. Это приводит к увеличению толщины плены, повышает
еѐ податливость. Кроме того, если сталь хорошо раскислена, жидкая составляющая, находясь сверху и препятствуя проникновению кислорода в металл, замедляет образование тугоплавких окислов. В плохо раскисленной стали эти окислы образуются за счѐт
кислорода, находящегося в металле. Такая плена также может привести к образованию
96
вытянутых включений или спаев значительной толщины.
При высокой активности формы, например, при засорах, на поверхности металла образуется уже не плена, а слой шлака [276].
Серебряков С.П. и Берстнев А.А. концептуально описывают механизм образования
точечных поверхностных дефектов (питтинга), особую роль отводя металлооксидной
прослойке, образующейся между отливкой и формой. По их мнению, в ходе плавки жаропрочных хромистых и хромоникелевых сталей в жидкой металлической ванне плавильного агрегата образуются оксиды кремния и марганца. Ещѐ во время плавки они
могут составлять легкоплавкие соединения с более низкими температурой плавления
(1170-1250°С) и плотностью, чем у стали. В ходе заливки металлического расплава из
тигля индукционной печи в ОФ и при последующем течении его в форме (при безнапорном режиме) окисная плѐнка может разрываться и прилипнуть к стенкам формы, а
фрагменты окислов за счет сил поверхностного натяжения могут стягиваться в округлые
частицы [253].
Существуют два механизма взаимодействия между частицами окислов и стенками
оболочковых форм: капиллярная пропитка и диффузионная миграция. Капиллярная
пропитка связана с прогревом окисным расплавом поверхностного слоя формы и его составляющих (силикогеля и зѐрен кварца). За счѐт реакции с кремнезѐмом количество
жидкой фазы увеличивается. Таким образом, между отливкой и формой образуется металлооксидная прослойка, пребывающая до двух часов в жидком и твѐрдо-жидком состоянии и способствующая растворению окалины. Это обстоятельство облегчает доступ
кислорода к поверхности отливки. Диффузионный механизм состоит в протекании
двухсторонней диффузии: ионов металла из отливки к форме и ионов кислорода к отливке. Окислы вступают во взаимодействие как между собой, так и с материалом формы. В итоге, при охлаждении отливки диффузия замедляется и из металлоксидной прослойки выкристаллизовывается тѐмная фаза, изъязвляющая профиль литой заготовки
образуется «питтинг» [254].
Среди последних отечественных публикаций по заявленной теме можно выделить
статьи Брюхановой Е.В. и Голотенкова О.Н., в которых главной причиной образования
точечных дефектов на отливках называется формирование при заливке ОФ на поверхности расплава сферических тугоплавких оксидных образований, плохо смачивающихся
сталью [251, 278]. При попадании хромистой плѐны на стенки формы происходит еѐ на-
97
липание и плѐна теряет подвижность. Рост плѐны происходит за счѐт дальнейшего окисления потока металла и растягивания плѐны движущимся потоком. В итоге на поверхности отливок остаѐтся рисунок, повторяющий профиль плѐны.
По мнению авторов [251, 278], плѐны не возникают, если температура металла больше некоторого температурного порога плѐнообразования, который зависит от химического состава стали. Так, например, для стали марки 10Х18Н9ТЛ этот температурный
порог лежит в пределах 1600-1630°С.
Механизм образования точечного дефекта в отливках, ЛВМ из коррозионостойких
хромистых сталей, реализуется следующим образом. При заполнении формы расплавом
оксидные включения, находящиеся на зеркале расплава, проникают в полость формы.
Далее начинается физико-химическое взаимодействие оксидов металла с оксидами оболочки, ускоряемое капиллярным впитыванием оксидов металла в оболочку, и растворение кремнезема в оксидах металла. При этом, находясь в растворе, кремнезем может
диссоциировать с образованием кислорода, который усиливает процесс развития дефектов. В результате взаимной диффузии оксидов металла в оболочку и оксидов материала
оболочки к поверхности отливки происходит насыщение формирующих питтинг оксидов металла (не смачивающихся хромистой сталью) кремнием и в результате этого увеличение объема дефекта. (То есть причиной образования питтинга авторы считают попадание в полость отливки оксидных включений, а не окисление железа кремнеземом
формы с последующим растворением кремния в металле отливки, как предполагают
другие исследователи [251].)
В меньшей степени плѐны будут возникать в том случае, если огнеупорный материал
формы будет заменѐн на более химически стойкий к оксидам металла, например, плавленый кварц и электрокорунд. При отсутствии легкоплавких эвтектик между оксидами
металла и инертным материалом формы чѐрное «пригарное вещество», пропитывающее
оболочку в дефектных местах отливки, не образуется [278].
Сказанное выше позволяет провести собственную оценку вероятности образования
поверхностных дефектов в отливках, получаемых методом ЛВМ в формах с применением низкотемпературного прокаливания, проведя параллели с представленными физикохимическими моделями [279].
Так, в ходе плавки легированных сталей в индукционной тигельной печи образуются
окислы кремния, марганца и других легирующих компонентов (например, хрома, нике-
98
ля, титана). Ещѐ во время плавки они могут составлять легкоплавкие соединения типа
шпинелей с более низкой температурой плавления (1170–1250°С), чем у стали. Эти соединения находятся в основном на поверхности струи и зеркале металла.
При заливке металла в относительно холодную ОФ, нагретую до температуры (650–
700°С), окисные соединения вместе с расплавом перемещаются по каналам формы и
быстро охлаждаются вследствие значительного градиента температур между стенкой
формы и расплавом, переходя из жидкой фазы в твѐрдую, более технологичную для
улавливания известными методами (с помощью фильтров, технологических напусков и
других конструктивных элементов формы). Твѐрдая фаза окислов проникает в тело отливки и может расплавиться лишь там, в разогреваемой части, впоследствии располагаясь в теле отливки, а не на еѐ поверхности.
Если окисные соединения всѐ-таки сохранят жидкую фазу в зоне контакта со стенками формы, то, имея недостаточную жидкотекучесть, они не будут проникать в капилляры пористой оболочки, а скорость протекания процессов их диффузии в тело формирующейся отливки снизится до минимума по причине относительно низкой температуры формы.
Таким образом, имеются все основания для вывода о несущественности риска образования поверхностных дефектов в стальных отливках, полученных в ОФ с применением технической схемы низкотемпературного прокаливания. Это, в свою очередь, создаѐт серьѐзные предпосылки успешного применения предлагаемого варианта для изготовления отливок из нержавеющих и жаропрочных легированных сталей, склонных к образованию плен и питтинга.
Выводы по главе 3
1. Предложена упрощенная расчетная методика оценки трещиностойкости ОФ ЛВМ,
согласно которой при расчете ОФ заменяется толстостенным цилиндром, для которого
отношение толщины стенки к внутреннему диаметру составляет не менее 1/20, нагруженным равномерно распределенным внутренним давлением и подвергающимся стационарному температурному воздействию изнутри.
2. Предложена формула для приближенной оценки минимально допустимой толщины
стенки ОФ на основе кварца, предусматривающей рассмотрение оболочки как сосуда,
99
наполненного горячей жидкостью и охлаждаемого снаружи.
3. На основе критерия термостойкости Александрова В.М., Кулакова Б.А. и Лонзингера В.А. проведена теоретическая оценка термостойкости / трещиностойкости ОФ, полученных с использованием технической схемы низкотемпературного прокаливания,
подтверждающая их большую термостойкость / трещиностойкость по сравнению с ОФ,
изготовленными по базовой технологии, что объясняется большим значением пористости материала формы, обуславливающим возможности рационального распределения
напряжений в стенке оболочки по типу сотовых конструкций.
4. На основе принципа замены сплошного цилиндра составным, разработанного Гадолиным А.В. применительно к металлическим конструкциям, сформулированы теоретические предпосылки управления трещиностойкостью керамической многослойной
ОФ ЛВМ, подтверждающие возможность рационального подбора материалов слоев ОФ
для управления ее свойствами (в частности, жесткостью, податливостью и трещиностойкостью).
5. На базе закономерностей газовыделения литейных форм при контакте с жидким
металлом, сформулированных Рыжиковым А.А., Спасским А.Ф. и Куманиным И.Б.,
проведен оценочный прогнозный расчет образования дефектов газового происхождения
при реализации технической схемы низкотемпературного прокаливания ОФ, подтверждающий ее эффективность. На фоне повышенной (на 30%) газотворности ОФ, изготовленных с применением технической схемы низкотемпературного прокаливания, относительно ОФ, изготовленных по традиционной технологии ЛВМ, газовыделение первых превышает газовыделение вторых только на 10%.
6. По итогам анализа известных физико-химических моделей возникновения поверхностных дефектов (в виде питтинга или окисной плены) Серебрякова С.П.,
Берстне-
ва А.А. и других исследователей в отливках из нержавеющих и жаропрочных легированных сталей, получаемых ЛВМ, показана несущественность риска их образования
применительно к технической схеме низкотемпературного прокаливания ОФ.
100
ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И ИХ
ОПЫТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРОБОВАНИЕ
4.1 Опытно-экспериментальное опробование схемы прокаливания оболочковых
форм без опорного наполнителя
Цель опытно-экспериментального опробования заключалась в проверке эффективности реализации схемы низкотемпературного прокаливания ОФ ЛВМ без опорного наполнителя в условиях участка ЛВМ металлургического производства ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина» [280]. Рассматривались следующие варианты реализации операции прокаливания:
Вариант 1 – базовый, соответствующий технологии, реализуемой на ОАО «Арзамасский приборостроительный завод» в настоящее время, без ввода технологических добавок в состав материала ОФ.
Вариант 2 – с использованием нового термовременного режима, разработанного по
рекомендациям п. 2.3, без ввода технологических добавок в материал формы.
Вариант 3 – с использованием нового термовременного режима, разработанного по
рекомендациям п. 2.3, с технологическими добавками дихромата калия K2Cr2O7 и борной кислоты H3BO3 в материал обсыпки многослойной ОФ, начиная со второго слоя.
Вариант 4 – с использованием нового термовременного режима, разработанного по
рекомендациям п. 2.3, с технологическими добавками пероксида бария BaO2 и борной
кислоты H3BO3 в материал обсыпки многослойной ОФ, начиная со второго слоя.
При проведении экспериментального опробования за основу бралась технология изготовления стальных отливок методом ЛВМ, применяемая на ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина». В соответствии с программой экспериментов изменения в штатную технологию вносились только на этапах формирования
слоев и прокаливания ОФ. Это было связано с необходимостью минимизации затрат на
совершенствование существующего производственного процесса.
Для изготовления выплавляемых моделей применялась модельная композиция марки
ПС 50-50 (парафин марки В1...В5 ГОСТ 23683-79 «Парафины нефтяные твердые. Технические условия» – 50%; кислота стеариновая (стеарин) ГОСТ 6484-96
«Кислота стеа-
риновая техническая (стеарин). Технические условия» – 50%). Модельный состав
101
ПС 50-50 имел следующие характеристики: зольность не более 0,01%; температура начала размягчения 30°С. Для приготовления модельного состава использовалась установка модели 651, при этом допускалось использование возврата модельной массы до
50%. Необходимое количество парафина, стеарина и возврата загружалось в плавильный бак установки. Температура внутри плавильного бака составляла 70-100С. Остальные операции приготовления модельной композиции (плавка, перемешивание, фильтрация, термостатирование) производились автоматически. Контролировались температура
модельной массы внутри плавильного бака (термометр), расход подаваемого воздуха
(ротаметр), температура вода в смесе- и мазепроводах, плавильном и емкостном баках
(терморегулятор). Для изготовления моделей отливки и элементов литниково-питающей
системы использовалась шприц-машина модели 41-00/365 и технологическая оснастка
(пресс-формы). По мере надобности рабочая полость пресс-форм смазывалась трансформаторным маслом или смазкой «СК», состоящей из спирта гидролизного ГОСТ
17299-78 «Спирт этиловый технический. Технические условия» – 50% и масла касторового ГОСТ 6757-73 «Масло касторовое техническое» – 50%. Запрессовка модельной
массой производилась при ее температуре 42-48С под избыточным давлением до
0,1атм. с последующей выдержкой в пресс-форме для охлаждения модели. Готовые модели визуально контролировались на отсутствие трещин, утяжин, недоливов, вздутий и
других дефектов. Забракованные модели отправлялись на переплав. Годные модели выдерживались на воздухе при температуре не более 25С не менее двух часов для стабилизации размеров. Модели, сложные по геометрии, хранились на специальных подставках для предупреждения коробления. При необходимости для длительного хранения
моделей использовался холодильный шкаф.
Для изготовления модели стояка использовался метод свободной заливки модельной
массы в пресс-форму. Заливка производилась при температуре 6010С. При этом в
пресс-форму устанавливался металлический стержень-державка. Возможные дефекты
(трещины) на поверхности модели стояка заделывались модельной массой. После зачистки моделей от облоя, заделки швов от стыков составных частей пресс-формы, удаления с поверхности моделей смазки проводилась их обдувка сжатым воздухом.
Далее на специальных столах модели собирались в модельные блоки по эскизу. Для
этого использовался электропаяльник. После зачистки подтеков модельной массы блок
поступал на следующую операцию для нанесения на его поверхность огнеупорной сус-
102
пензии (рисунок 4.1).
Огнеупорная суспензия приготавливалась в гидролизере модели 661 на основе готового связующего ГС-20Э ТУ 6-02-1-046-95 и маршалита (пылевидного кварца) марки А
или Б по ГОСТ 9077-82. Перемешивание составляющих огнеупорной суспензии проводилось до получения рабочей вязкости 55 с (с контролем по вискозиметру ВЗ-4).
При необходимости для доводки связующего до рабочей вязкости использовалась добавка азотной кислоты. В качестве зернистого материала обсыпки применялся предварительно прокаленный кварцевый песок марок 1К2О202 ГОСТ 2138-91 для первого слоя
и 1К1О103 ГОСТ 2138-91 для последующих слоев. Модельный блок покрывался равномерным слоем огнеупорной суспензии посредством двукратного погружения в рабочую
емкость гидролизера. Далее для нанесения обсыпки блок погружался в псевдокипящий
слой пескосыпа мод. 42-00/107. Количество слоев обсыпки составляло пять (рисунок
4.2)
Рисунок 4.1 – Модельные блоки перед
Рисунок 4.2– Нанесение огнеупорного
нанесением покрытия
покрытия
После нанесения каждого слоя обсыпки проводилась сушка блоков в полуавтоматической установке вакуумно-аммиачной сушки мод. 41-00/570. Режим сушки: 1) продувка воздухом в течение 3 мин 15 с; 2) обеспечение вакуумирования до давления
0,039 МПа в течение 30 с; 3) выдержка в среде аммиака 15 мин (аммиак поступает в камеру под давлением не более 0,196 МПа до остаточного давления в камере 0,029 МПа);
4) набор нормального давления в камере продувкой воздухом в течение 5 мин.
Общий цикл сушки каждого слоя, по показаниям таймера камеры, составлял 23 мин
103
45 с. (рисунок 4.3).
Выплавление модельного состава из многослойных ОФ проводилось горячей водой,
нагретой до температуры 90-100С, с добавкой борной кислоты в количестве 3,0% от
объема воды в специальной ванне. При этом блоки оболочек укладывались в корзину
ванны в один-два ряда, загружались в ванну и выдерживались в ней 25 мин. После
подъема корзины с блоками из ванны из форм вода сливалась и извлекались металлические стержни-державки.
Выплавленный модельный состав поступал в плавильный бак установки для приготовления модельного состава для повторного использования. Далее проводился визуальный контроль качества каждой ОФ на отсутствие трещин.
Затем оболочки проходили сушку в нагревательной камере-сушиле при температуре
50-70С в течение 1,5-2,0 ч и далее поступали на прокалку.
Прокалка форм проводилась без опорного наполнителя.
Для проведения этой операции использовалась прокалочная печь СНО 8.5.17.5/12.
Блоки оболочек укладывались на поддоны печи, причем температура в печи при загрузке составляла 300С (рисунок 4.4).
Рисунок 4.3 – Подача блоков на сушку
в вакуумно-аммиачную камеру
Рисунок 4.4 – Загрузка ОФ на прокалку
Прокаливание ОФ проводилась по режимам, приведенным в таблице 4.1.
Серией предварительных испытаний с использованием математического планирования эксперимента было установлено, что содержание дихромата калия и пероксида бария в количестве менее 5% от массы зернистого материала обсыпки не обеспечивает
104
полного выгорания остатков модельной композиции из полости формы, а выше 10%
приводит к растрескиванию оболочки из-за интенсивного газовыделения.
Таблица 4.1 –Термовременные режимы прокаливания ОФ без опорного наполнителя
Режим прокаливания
№ варианта
Особенность / название
варианта
Температура
загрузки, ˚С
Скорость
нагрева,
˚С/ч
Температурный
Время вы-
максимум,
˚С
держки, ч
1
2
3
4
5
6
1
Базовый, соответствующий
технологии, реализуемой на
ОАО «Арзамасский приборостроительный завод», без
ввода технологических добавок в состав материала
ОФ
300
не более
150
1050
4,0
2
Без ввода технологических
добавок в состав материала
ОФ
300
не более
150
700
1,5-2,0
3
С технологическими добавками дихромата калия
K2Cr2O7 (сухой порошок)
5,0-10,0% масс. обсыпки и
борной кислоты H3BO3
(сухой порошок) 2,0-3,0%
масс. обсыпки, начиная
со второго слоя
300
не более
150
700
1,5-2,0
4
С технологическими добавками пероксида бария
BaO2 (сухой порошок) 5,010,0% масс. обсыпки и
борной кислоты H3BO3
(сухой порошок) 2,0-3,0%
масс. обсыпки, начиная
со второго слоя
300
не более
150
700
1,5-2,0
Содержание борной кислоты менее 2,0% от массы зернистого материала обсыпки не
обеспечивает защиты от трещинообразования, а более 3,0% от массы зернистого материала обсыпки ведет к образованию большого количества легкоплавких соединений,
нежелательной диффузии бора в поверхностный слой отливок и трудностям их после-
105
дующей механической обработки.
Обсыпка первого (рабочего) слоя ОФ проводилась без применения добавки кислородсодержащего вещества и борной кислоты, поскольку это ухудшило бы качество поверхности будущих отливок.
После прокаливания ОФ подавались под заливку расплавом стали.
Эксперимент проводился с использованием легированных сталей 20Х13Л ГОСТ 97788 и 09Х17Н3СЛ ГОСТ 977-88. Выплавка сталей проводилась в индукционных тигельных печах средней частоты типа ИСТ-016 с тиристорным преобразователем частоты.
Для плавки сталей использовалась основная футеровка плавильных печей на основе
магнезита (MgCO3).
В опытных многослойных ОФ (пять слоев) изготавливались отливки двух наименований номенклатуры цеха: «Кронштейн» массой 0,08 кг из стали 20Х13Л ГОСТ 977-88
(толщина стенки до 4 мм) и «Вилка» массой 1,6 кг из стали 09Х17Н3СЛ ГОСТ 977-88
(толщина стенки до 5 мм). Опытные партии состояли из двадцати форм. В ОФ для получения отливок «Кронштейн» находилось по 8 отливок, а в форме «Вилка» – по одной
отливке. Выпуск металла из печи и заливка форм без опорного наполнителя проводились при температуре 1580–1600С. Формы заливались непосредственно из печи.
После заливки ОФ они охлаждались на воздухе и далее в отделении финишных операций участка производилась выбивка на установке для выбивки керамики.
После этого проводилась отрезка отливок от стояка на обрезном станке с дисковыми
пилами (рисунок 4.5).
Рисунок 4.5 – Отливки после отделения их от стояка дисковой пилой
Отрезанные литники поступали на шихтовку. Далее в дробеструйном аппарате про-
106
водилась очистка отливок от остатков керамики и образовавшейся окалины. Затем отливки подвергались предварительному визуальному контролю состояния поверхности и
выборочному рентгенографическому контролю на микротрещины и неметаллические
включения. Дальнейшие операции, такие как, например, термическая обработка годных
отливок, проводились по штатной технологии ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина».
Модель отливки «Кронштейн», модельные блоки, ОФ, отливка и деталь «Кронштейн»
представлены на рисунках 4.6–4.10.
Рисунок 4.6 – Звено-модель отливки «Кронштейн», материал ПС 50-50
Рисунок 4.7 – Модельные блоки для изготовления отливок «Кронштейн»
107
Рисунок 4.8 –ОФ для изготовления отливок «Кронштейн»
Рисунок 4.9 – Отливка «Кронштейн»
Рисунок 4.10 – Деталь «Кронштейн»
Модель отливки «Вилка», модельные блоки, ОФ, отливка и деталь «Вилка» представлены на рисунках 4.11 – 4.15.
Рисунок 4.11 – Звено-модель отливки
Рисунок 4.12. –Модельный блок для
«Вилка», материал ПС 50-50
изготовления отливки «Вилка»
108
Рисунок 4.13 –ОФ для изготовления отливок «Вилка»
Рисунок 4.14 – Отливка «Вилка»
Рисунок 4.15 –Деталь «Вилка»
Контролировались состояние ОФ в ходе их заливки металлическим расплавом (визуально – на предмет образования трещин и разрушения), а также качество получаемых
отливок:
– визуальным осмотром поверхности;
– методом рентгеноструктурного анализа;
– методом макроструктурного анализа;
– методом микроструктурного анализа.
Результаты экспериментов приведены в таблицах 4.2 и 4.3.
109
Таблица 4.2 – Результаты промышленных экспериментов (отливка «Кронштейн»)
№
ва
ри
ан
та
Вариант
Результаты контроля
состояния ОФ
в ходе заливки
Результаты
контроля качества
отливок
Брак,
%
1
2
3
4
5
1
Базовый,
соответствующий
технологии,
реализуемой на ОАО
«Арзамасский приборостроительный завод»,
без ввода технологических добавок в состав
материала ОФ
На трех из двадцати
оболочковых форм визуально зафиксированы
трещины. Цвет форм
бледно-розовый.
На 35 отливках из
160
зафиксирован
дефект «шероховатость поверхности»
21,9
2
С новым термовременным режимом без ввода
технологических доба-
Формы имеют светлосерый цвет, характерный для «непрокала».
На поверхности 113
отливок
из
160
имеются
остатки
70,6
вок в состав материала
ОФ
3
С новым термовременным режимом с технологическими добавками
дихромата
калия
K2Cr2O7 (сухой порошок) 5,0-10,0% масс.
обсыпки и борной кислоты H3BO3 (сухой
порошок)
2,0-3,0%
масс. обсыпки, начиная
со второго слоя
сажистого углерода
и зафиксирован дефект
«шероховатость поверхности».
В тонких сечениях
наблюдаются недоливы, в поверхностном слое – газовые раковины.
При
прокаливании
форм слышно потрескивание. Цвет форм
бледно-розовый.
На 3 отливках из 160
имеются
дефекты
«шероховатость поверхности», на 2 отливках – газовая пористость.
3,1
110
Продолжение таблицы 4.2
1
2
3
4
5
4
С новым термовременным режимом с технологическими добавками
BaO2 (сухой порошок)
5,0-10,0% масс. обсыпки и H3BO3 (сухой порошок) 2,0-3,0% масс.
обсыпки, начиная со
второго слоя
При
прокаливании
форм слышно потрескивание. Цвет форм
бледно- розовый.
На 4 отливках из 160
имеются
дефекты
«шероховатость поверхности», на 3 отливках – газовая пористость.
4,4
Таблица 4.3–Результаты промышленных экспериментов (отливка «Вилка»)
№
ва
ри
ан
та
1
Результаты
Вариант
2
контроля
состояния ОФ
в ходе заливки
3
Результаты
контроля качества
отливок
4
Брак,
%
5
1
Базовый, соответствующий технологии,
реализуемой на ОАО
«Арзамасский приборостроительный
завод», без ввода технологических добавок в
состав материала ОФ
Цвет форм бледнорозовый.
На 3 отливках из 20
зафиксирован дефект
«шероховатость
поверхности».
15,0
2
С новым термовременным режимом без
ввода
технологических добавок в состав
материала ОФ
Цвет форм
серый.
На поверхности 16 отливок из 20 имеются
остатки сажистого углерода и зафиксирован
дефект «шероховатость
поверхности». В тонких сечениях наблю-
80,0
светло-
даются недоливы, в
поверхностном слое –
газовые раковины.
111
Продолжение таблицы 4.3
С новым термовременным режимом с
технологическими добавками
дихромата
калия K2Cr2O7 (сухой
порошок) 5,0-10,0%
масс. обсыпки и борной кислоты H3BO3
3
Цвет форм бледнорозовый.
Дефектов не зафиксировано
0
Цвет форм бледнорозовый.
На одной отливке имеется дефект «газовая
пористость».
5,0
(сухой порошок) 2,03,0% масс. обсыпки,
начиная со второго
слоя
4
С новым термовременным режимом с
технологическими добавками BaO2 (сухой
порошок) 5,0-10,0%
масс.
обсыпки
и
H3BO3 (сухой порошок) 2,0-3,0% масс.
обсыпки, начиная со
второго слоя
Таким образом, промышленные испытания опытных ОФ показали высокую эффективность применения технологических добавок K2Cr2O7 или BaO2 в количестве 5,0–
10,0% от массы зернистого материала обсыпки и H3BO3 в количестве 2,0–3,0% от массы зернистого материала обсыпки для решения задачи сокращения энергозатрат на
операцию прокаливания ОФ при сохранении высокого уровня качества стальных отливок.
4.2 Опытно-экспериментальное опробование схемы прокаливания оболочковых
форм с опорным наполнителем
Цель опытно-экспериментального опробования заключалась в проверке эффективности реализации схемы низкотемпературного прокаливания ОФ ЛВМ в опорном наполнителе в условиях участка точного литья ОАО «Правдинское конструкторское бюро».
112
Рассматривались следующие варианты реализации операции прокаливания:
Вариант 1 – базовый, соответствующий технологии, реализуемой на ОАО «Правдинское конструкторское бюро» в настоящее время, без ввода технологических добавок в
состав материала ОФ.
Вариант 2 – с новым термовременным режимом с технологическими добавками дихромата калия K2Cr2O7 и борной кислоты H3BO3 в состав обсыпочного материала многослойной ОФ, начиная со второго слоя.
Модели изготавливались из парафино-стеариновой модельной композиции марки
ПС 50-50 в соответствии с технологией ОАО «Правдинское конструкторское бюро»
Приготовление огнеупорной суспензии на основе гидролизованного раствора этилсиликата, подготовленного совмещенным способом, проводилось с применением в составе
суспензии кварца пылевидного молотого марки Б ГОСТ 9077-82 «Кварц молотый пылевидный. Общие технические условия». В качестве материала обсыпки использовался
формовочный песок 3К2О3020 ГОСТ 2138-91 «Пески формовочные. Общие технические
условия», предварительно прокаленный в термической печи в течение 1,5 ч при температуре 900-950˚С. Готовую суспензию равномерно наносили на модельные блоки путем
двух-трехкратного погружения с целью удаления пузырьков воздуха с поверхности блока и предоставления возможности стечь излишкам покрытия. Модельные блоки с нанесенной огнеупорной суспензией плавно погружались в псевдокипящий слой песка с последующими медленным поворотом и выдержкой в песке не менее 5 секунд.
Сушка каждого из пяти слоев суспензии на модельных блоках проводилась на воздухе в течение 5-6 часов.
Выплавление модельной композиции проводилось в горячей воде с температурой 80–
90˚С. Далее проводились визуальный контроль качества каждой ОФ на отсутствие трещин и их сушка на воздухе в течение 4–5 часов, после чего оболочки заформовывались
в опоки.
В качестве опорного наполнителя использовался бой отработанных керамических
оболочек.
При этом особое внимание обращалось на следующее [281]:
– количество ОФ в прокалочных опоках ограничивалось тремя-четырьмя, поскольку
большее их число привело бы к повышению вероятности трещинообразования из-за наложения температурных полей и локального перегрева;
113
– керамический бой, используемый в качестве опорного наполнителя, измельчался до
фракции 5-7 мм;
– наличие слоя наполнителя между каждой оболочкой и опокой и между оболочками
толщиной не менее 50 мм обеспечивало равномерность прогрева форм; в противном
случае возросла бы вероятность возникновения и развития трещин в оболочке и, как
следствие, дефекта на поверхности отливок.
Прокаливание проводилось в печи СНО 8.16.5/10И2 по термовременным режимам,
приведенным в таблице 4.4.
Таблица 4.4 – Термовременные режимы прокаливания ОФ в опорном наполнителе
Режим прокаливания
№ варианта
1
2
Особенность или
название варианта
Базовый, соответствующий технологии,
реализуемой на ОАО
«Правдинское конструкторское бюро»,
без ввода технологических добавок в
состав
материала
ОФ
С технологическими добавками дихромата
калия
K2Cr2O7 и борной
кислоты H3BO3 в
состав обсыпочного материала многослойной ОФ, начиная со второго
слоя, согласно п.
4.1
Температура загрузки,
˚С
Скорость
нагрева,
˚С/ч
Температурный максимум, ˚С
Время выдержки, ч
300
не более
150
900
7
300
не более
150
700
4
После проведения прокаливания ОФ выгружались из прокалочной печи и подавались
непосредственно под заливку стальным расплавом.
Эксперимент проводился с отливками «Кронштейн» (толщина стенок до 4 мм), «Пла-
114
стина» (толщина стенок до 4 мм) и «Штырь» (толщина стенок до 5 мм) из стали 20Л
ГОСТ 977-88. Всего заливалось по 20 форм для каждого из вариантов. Температура заливки форм составляла 1550-1570˚С.
Результаты эксперимента приведены в таблице 4.5.
Таблица 4.5 –Результаты промышленных экспериментов
№
варианта
Вариант
1
1
2
2
Характеристика
опытных форм
Результаты контроля качества
Брак, %
отливок
3
4
5
соответсттехнологии,
8 форм для отливки
«Кронштейн» по 8 от-
На 24 отливках из
112 зафиксирова-
21,4
реализуемой на ОАО
«Правдинское конструкторское бюро», без
ввода технологических
ливок в форме; 6 форм
для отливки «Пластина» по 4 отливки в
форме; 6 форм для от-
ны дефекты «шероховатость поверхности», «коробление»
добавок в состав материала ОФ
ливки «Штырь» по 4
отливки в форме
С новым термовременным режимом с
технологическими добавками
дихромата
калия K2Cr2O7 и борной кислоты H3BO3 в
состав обсыпочного
материала многослойной ОФ, начиная со
второго слоя, согласно п. 4.1
8 форм для отливки
«Кронштейн» по 8 отливок в форме; 6 форм
для отливки «Пластина» по 4 отливки в
форме; 6 форм для отливки «Штырь» по 4
отливки в форме
Базовый,
вующий
На 98 отливках из
112 зафиксирован
дефект
«недолив»; других дефектов не выявлено
87,5
В ходе проведения заливки форм, изготовленных по второму варианту, наблюдались
интенсивное газовыделение и «горение» оболочек (рисунок 4.16), сопровождающиеся
неприятным запахом.
По мнению автора, наиболее вероятной причиной повышенного газовыделения при
заливке ОФ могло стать неполное протекание реакции термического разложения дихромата калия при прокаливании вследствие недостаточной выдержки форм в печи или не-
115
герметичности ее рабочего пространства.
Причинами неприятного запаха при заливке ОФ жидкой сталью могли стать следующие обстоятельства:
1) При высоких температурах оставшиеся в ОФ предельные углеводороды CnH2n+2
модельной композиции могут окисляться до летучих спиртов, обладающих неприятным
запахом особенно в присутствии водяных паров.
2) Появление в воздухе рабочей зоны ароматических эфиров, которые являются продуктами разложения стеарина модельной композиции, не представляют экологической
опасности. Стеарин мог остаться в форме до заливки в связи с неполным удалением модельной композиции из «карманов» литейной формы, что подтверждается фотографией
бракованных отливок (рисунок 4.17).
Рис. 4.16 – «Горение» ОФ в ходе проведения
заливки
Рисунок 4.17 – Бракованные отливки
3) Этилсиликат, не полностью прошедший гидролиз, мог стать источником появления
ароматических эфиров.
Дублирующий эксперимент проводился на площадке литейного цеха ОАО «НИТЕЛ»
[282]. Изготавливались по две опытных ОФ (две – по действующей технологии предприятия и две – по предлагаемой, по варианту 2 табл. 4.4.) для производства отливок
«Барашек» (толщина стенок до 4 мм) из стали 45Л ГОСТ 977-88. Количество слоев оболочковых форм составляло пять. Заливка форм проводилась при температуре 15501570˚С. В результате из 84 отливок, залитых в формы, изготовленные по действующей
116
технологии, годными были признаны 70 штук, а остальные (14 штук, или 16,7%) были
забракованы по дефекту «недолив». Соответственно из 84 отливок, залитых в формы,
изготовленные по варианту 2 таблицы 4.4, годными оказались 12 штук, а оставшиеся 72
штуки, или 85,7% от опытной партии, были забракованы по дефекту «недолив» (рисунок 4.18).
а – годные отливки
б – отливки с дефектом типа «недолив»
Рисунок 4.18 – Годные отливки «Барашек» и отливки с дефектом типа «недолив»
Кроме того, при заливке форм, изготовленных по варианту 2 таблицы 4.4, наблюдался
значительный пироэффект, а дополнительный металлографический анализ выявил наличие на поверхности опытных отливок обезуглероженного слоя толщиной 0,08–0,09
мм.
Дублирующий эксперимент подтвердил недостаточность выдержки форм в печи на
стадии прокаливания при фиксированном количестве технологических добавок дихромата калия и борной кислоты.
В этой связи были внесены изменения в программу дальнейших экспериментальных
исследований ОФ с опорным наполнителем.
Вариант увеличения длительности пребывания форм в прокалочной печи при температурном максимуме отвергался как экономически нецелесообразный, поскольку это
привело бы к повышению общей продолжительности производственного цикла.
В качестве рабочих гипотез были предложены:
– сокращение количества кислородсодержащего вещества в материале ОФ позволит
сохранить длительность ее выдержки при температурном максимуме без ущерба качеству получаемых отливок;
117
– выбор технологической кислородсодержащей добавки с возможно меньшей температурой начала разложения обеспечит интенсификацию процесса прокаливания без увеличения его продолжительности, за счет успешного выхода кислорода еще в ходе нагрева оболочек до достижения температурного максимума.
Сокращения количества технологических добавок, по мнению автора, можно добиться их введением не в состав обсыпочного материала, а непосредственно в суспензию.
Что же касается дихромата калия с температурой разложения более 610˚С, то он может
быть заменен, например, перманганатом калия с существенно более низкой температурой начала разложения, составляющей 200˚С.
Рассматривались следующие варианты реализации операции прокаливания (таблица
4.6):
Вариант 3 (промежуточный) – с новым термовременным режимом с технологическими добавками дихромата калия в состав суспензии K2Cr2O7 и борной кислоты
H3BO3 в состав обсыпочного материала многослойной ОФ, начиная со второго слоя.
Вариант 4 – с новым термовременным режимом с технологическими добавками дихромата калия K2Cr2O7 и борной кислоты H3BO3 в состав суспензии многослойной ОФ,
начиная со второго слоя.
Вариант 5 – с новым термовременным режимом с технологическими добавками
перманганата калия KMnO4 и борной кислоты H3BO3 в состав суспензии многослойной
ОФ, начиная со второго слоя.
Соответствующие термовременные режимы прокаливания представлены в таблице
4.6.
Эксперимент проводился в условиях участка точного литья ОАО «Правдинское конструкторское бюро» с отливками «Кронштейн» (толщина стенок 4 мм), «Пластина»
(толщина стенок 4 мм) и «Штырь» (толщина стенок 5 мм) из стали 20Л ГОСТ 977-88.
Температура заливки форм составляла 1550-1570˚С.
Результаты экспериментов по вариантам 3–5 представлены в таблице 4.7.
Вариант 3 рассматривался как промежуточный между двумя техническими схемами
ввода добавок: в состав обсыпочного материала и в состав суспензии.
Количество вводимого в суспензию кислородсодержащего вещества (дихромат калия,
перманганат калия) выбиралось в 8–10 раз меньшим по сравнению с вариантом их ввода
в обсыпочный материал.
118
Повышенное количество вводимой в суспензию борной кислоты (3,0–4,0% масс. вместо 2,0–3,0% масс. для варианта ввода в обсыпочный материал) выбиралось для обеспечения лучшей спекаемости оболочки.
Таблица 4.6 – Термовременные режимы прокаливания ОФ в опорном наполнителе
Режим прокаливания
№ варианта
Особенность или название варианта
1
2
3 (промежуточный)
4
5
Температура загрузки,
˚С
3
Скорость
нагрева,
˚С/ч
Температурный максимум, ˚С
Время
выдержки, ч
4
5
6
С технологическими добавками дихромата калия K2Cr2O7 0,5-1,0% от
массы
суспензии
и
борной
кислоты
H3BO3 2,0-3,0% от массы обсыпочного материала многослойной ОФ,
начиная со второго слоя.
300
не более
150
700
4
С технологическими добавками дихромата калия K2Cr2O7 0,5-1,0%
масс. и борной кислоты
H3BO3 3,0-4,0% масс. в
состав суспензии многослойной ОФ, начиная со
второго слоя.
300
не более
150
700
4
С технологическими добавками перманганата калия KMnO4 0,5-1,0% масс.
и борной кислоты H3BO3
3,0-4,0% масс. в состав
суспензии многослойной
ОФ, начиная со второго
слоя.
300
не более
150
700
4
119
Таблица 4.7 – Результаты промышленных экспериментов
№
варианта
1
3
Вариант
Характеристика
опытных форм
Результаты
контроля качества отливок
Брак, %
2
3
4
5
Промежуточный: с новым
термовременным
режимом
с технологическими
добавками
дихромата калия K2Cr2O7 0,5-1,0% от
массы суспензии и борной кислоты H3BO3 2,03,0% от массы обсыпочного материала многослойной ОФ, начиная со
10 форм для отливки
«Кронштейн» по 8
отливок в форме; 8
форм для отливки
«Пластина» по 4 отливки в форме; 5
форм для отливки
«Штырь» по 4 отливки в форме
На 6 отливках из
132 зафиксирован
дефект
«недолив»;
на
6 отливках – «газовая раковина»
(рисунок 4.19)
9,1
С новым термовременным режимом с технологическими
добавками
дихромата калия K2Cr2O7
0,5-1,0% масс. и борной
кислоты H3BO3 3,0-4,0%
масс. в состав суспензии
многослойной ОФ, начиная со второго слоя.
17 форм для отливки
«Кронштейн» по 8
отливок в форме; 5
форм для отливки
«Пластина» по 4 отливки в форме; 10
форм для отливки
«Штырь» по 4 отливки в форме
Из 196 отливок на
5 отливках зафиксирован дефект «недолив»;
на 3 отливках –
«газовая раковина»
4,1
С новым термовременным
режимом с технологическими добавками перманганата калия KMnO4 0,51,0% масс. и борной кислоты H3BO3 3,0-4,0%
масс. в состав суспензии
многослойной ОФ, начиная со второго слоя.
8 форм для отливки
«Кронштейн» по 8
отливок в форме; 4
формы для отливки
«Пластина» по 4 отливки в форме
Из 80 отливок на
1 отливке зафиксирован дефект
«недолив»
1,3
второго слоя.
4
5
120
При проведении эксперимента по варианту 3 производилось добавление борной кислоты в пескосып. При этом наблюдалось значительное «зависание» облака борной кислоты над обсыпочным песком вследствие разницы в их плотностях.
Рисунок 4.19 – Газовые раковины в отливках «Штырь» (разрез)
При проведении экспериментов по вариантам 4 и 5 непосредственно перед нанесением суспензии на модельный блок она тщательно перемешивалась с целью предотвращения окомкования и седиментации борной кислоты и выдерживалась в течение короткого
времени (до 4-5 минут) для удаления пузырьков замешанного воздуха.
Во время заливки экспериментальных форм, изготовленных по вариантам 3-5, пироэффект не наблюдался. Реализация вариантов 4 и 5 обеспечила получение отливок хорошего качества (рисунок 4.20, рисунок 4.21).
Рисунок 4.20 – Блок отливок «Пластина»
Рисунок 4.21 – Блок отливок «Штырь»
перед выбивкой
перед выбивкой
121
Таким образом, промышленные испытания опытных ОФ показали высокую эффективность применения технологических добавок дихромата калия K2Cr2O7 или перманганата калия KMnO4 в количестве 0,5–1,0% от массы суспензии и борной кислоты
H3BO3 в количестве 3,0–4,0% от массы суспензии для решения задачи сокращения
энергозатрат на операцию прокаливания ОФ при сохранении высокого уровня качества
стальных отливок.
4.3 Профилактика пироэффекта при заливке в опорном наполнителе оболочек
с технологическими добавками кислородсодержащего вещества в обсыпочный
материал
Несмотря на достигнутые результаты по вариантам 4 и 5 (см. п.4.2), предусматривающим ввод технологических добавок в суспензию, их реализация в условиях действующего производства затруднена из-за сложностей подготовки суспензии к применению.
В частности, необходимо строго соблюдать режим приготовления суспензии: тщательное перемешивание по мере введения в нее технологических добавок во избежание
их седиментации и соответствующего снижения технологических свойств суспензии
(вязкость, способность к коацервации). Непосредственно перед нанесением суспензии
на модельный блок необходимы ее тщательное перемешивание для профилактики окомкования борной кислоты и выдержка в течение короткого времени (до 4–5 минут) для
удаления пузырьков замешанного воздуха.
В этой связи для условий заливки в опорном наполнителе практический интерес
представляет вариант введения технологических добавок в обсыпочный материал ОФ
(вариант 2 таблицы 4.4). Основным препятствием на пути его реализации является высокая вероятность пироэффекта в ходе заливки ОФ, как следствие, приводящая к образованию дефектов отливок типа «недолив», что подтверждается результатами экспериментов в условиях участка точного литья ОАО «Правдинское конструкторское бюро» и
литейного цеха ОАО «НИТЕЛ», приведенными в п.4.2.
Очевидно, для снижения высокой вероятности пироэффекта в ходе заливки ОФ необходима точная дозировка вводимых добавок.
Поэтому в рамках работы решалась задача поиска технического решения по профи-
122
лактике пироэффекта при заливке в опорном наполнителе оболочек с технологическими
добавками кислородсодержащего вещества в обсыпочный материал.
Во главу угла ставилось следующее обстоятельство. Сложно строго гарантировать
тот факт, что кислород, выделяемый кислородсодержащим окислителем, входящим в
состав материала формы, при еѐ прокалке будет целиком израсходован для решения задачи полного удаления модельного состава из полости литейной формы, поскольку остаточное содержание модельного состава в оболочке после выплавления можно оценить
лишь приблизительно. В связи с этим высокой становится вероятность получения пироэффекта, обусловленного выделением при последующей заливке ОФ металлическим
расплавом избыточного кислорода, создающего опасность для персонала литейных цехов.
С целью совершенствования технологического процесса в части введения в состав
материала ОФ вещества, обеспечивающего заполнение ОФ и гарантирующего предотвращение пироэффекта при их заливке металлическим расплавом и повышения безопасности процесса ЛВМ при высоком качестве ОФ и отливок, автором разработан способ
изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям,
включающий нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, обсыпку зернистым материалом, введение, начиная со второго слоя оболочки, в составе
зернистого материала для обсыпки, кислородсодержащего вещества (дихромат калия) в
количестве 5-10% масс. и борной кислоты в количестве 2–3% масс., вытопку моделей,
сушку и прокалку; в первый слой оболочки, в составе зернистого материала для обсыпки, вводят порошок алюминия в количестве 5–10% масс. [283].
Промышленное опробование предлагаемого способа проводилось на базе участка литья по выплавляемым моделям металлургического производства ОАО «Арзамасский
приборостроительный завод им. П.И. Пландина».
Для изготовления огнеупорной суспензии использовалось готовое связующее ГС20Э ТУ 6-02-1-046-95 и маршалит (пылевидный кварц) марки А и Б по ГОСТ 9077-82. В
качестве зернистого материала для обсыпки первого слоя применялся кварцевый песок
марок 1К2О202 ГОСТ 2138-91 с добавкой порошка алюминия марки АСД-4 в количестве 5-10% масс. Для изготовления последующих слоев ОФ использовали кварцевый песок марки 1К1О103 ГОСТ 2138-91 с добавкой порошка борной кислоты из расчета 2–3%
масс. зернистого материала для обсыпки и порошка дихромата калия из расчета 5–10%
123
масс. зернистого материала для обсыпки.
Обсыпка первого (рабочего) слоя ОФ зернистым материалом осуществлялась в псевдокипящем потоке в пескосыпе без применения добавки кислородсодержащего вещества и борной кислоты, поскольку это ухудшило бы качество поверхности будущих отливок.
При этом зернистый материал для обсыпки содержал необходимое количество порошка алюминия с целью формирования в рабочем слое армирующего каркаса и повышения спекаемости материала формы за счет образования минералов силлиманитовой
группы алюмосиликатных соединений nSiO2∙mAl2O3 (силлиманит, андалузит, дистенсиллиманит).
Сушку каждого слоя проводили на воздухе в течение 5–6 часов при температуре 22–
28°С и влажности не выше 60%. Общее количество слоев ОФ – пять.
Нанесение зернистого материала для обсыпки на слои ОФ, начиная со второго, проводилось без применения добавки порошков алюминия, поскольку это экономически
нецелесообразно.
Вытопка моделей осуществлялась горячей водой при температуре 90–100С. Далее
проводилась сушка ОФ на воздухе в течение 4 ч. Затем проводилась формовка оболочковых форм в прокалочные опоки с использованием в качестве наполнителя измельченного керамического боя оболочек.
Прокаливание ОФ в опорном наполнителе в прокалочной печи СНО 8.5.17.5/12 осуществлялось по режиму: нагрев до 700С со скоростью не более 150С в час с выдержкой при температурном максимуме 4 ч.
В многослойных ОФ изготавливались отливки «Корпус» массой 250 г (толщина стенки до 8 мм) из стали 23ХГС2МФЛ ГОСТ 977-88. Проводилась заливка 10 опытных форм
по 4 отливки в форме. Температура заливки составляла 1580–1630С. Осуществлялся
визуальный контроль качества получаемых отливок после выбивки.
Результаты промышленных испытаний, проведенных согласно предлагаемому способу, представлены в таблице 4.8.
Как показал проведенный эксперимент, введение определенного количества порошка
алюминия обеспечивает двойной положительный эффект.
Во-первых, алюминий будет связывать избыточный кислород, получаемый в результате разложения кислородсодержащего вещества, вводимого в материал формы, остаю-
124
щийся в литейной форме после удаления остатков модельной композиции, что позволит
предотвратить нежелательный пироэффект, создающий опасность для персонала литейных цехов.
Таблица 4.8 – Результаты промышленных испытаний (отливка «Корпус»)
Количество
вводимого
порошка
алюминия,
% масс.
0
пироэффект на 5 формах; дефект «недолив» на 11 отливках
2,5
пироэффект на 2 формах; дефект «недолив» на 4 отливках
5,0
пироэффект не зафиксирован; дефекты отливок не выявлены
7,5
пироэффект не зафиксирован; дефекты отливок не выявлены
10,0
пироэффект не зафиксирован; дефекты отливок не выявлены
12,5
пироэффект не зафиксирован; дефект «шероховатость поверхности»
на 3 отливках
Во-вторых, в результате взаимодействия избыточного кислорода с порошком алюминия по реакции 4Al + 3O2 = 2Al2O3 в рабочем слое формы образуется электрокорунд –
химически стойкий материал с существенно меньшим коэффициентом линейного термического расширения по сравнению с кварцем SiO2.
Образующийся в результате химических реакций электрокорунд позволяет обеспечить повышение прочности и трещиностойкости ОФ, создав своеобразный армирующий
каркас именно в первом слое оболочки, испытывающем наибольшие температурные
градиенты и опасном с точки зрения проникновения нежелательных включений в тело
формирующейся отливки во время заливки формы металлическим расплавом.
Содержание порошка алюминия в количестве менее 5% масс. зернистого материала
для обсыпки не обеспечивает достаточной гарантии для предотвращения пироэффекта,
недоливов и образования газовых дефектов в отливках. Содержание порошка алюминия
в количестве более 10% масс. зернистого материала для обсыпки ведет к нежелательному повышению концентрации алюминия в поверхностном слое материала отливок,
снижению газопроницаемости оболочки, ухудшению качества поверхности отливок изза образования наплывов избыточного алюминия, а также пригара.
125
Таким образом, экспериментально доказано, что профилактика пироэффекта и, как
следствие, снижение вероятности образования дефектов отливок типа «недолив» при
заливке в опорном наполнителе оболочек с технологическими добавками кислородсодержащего вещества в обсыпочный материал обеспечивается реализацией способа изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям,
включающего нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, обсыпку зернистым материалом, введение, начиная со второго слоя оболочки, в составе
зернистого материала для обсыпки, кислородсодержащего вещества в количестве 5–10%
масс. и борной кислоты в количестве 2–3% масс., вытопку моделей, сушку и прокалку,
при введении в первый слой оболочки порошка алюминия в количестве 5–10% масс. в
составе зернистого материала для обсыпки.
4.4 Методика экспериментальной оценки образования газовых дефектов
в стальных отливках, получаемых по выплавляемым моделям
Проблема необходимости прогнозирования образования в отливках дефектов газового происхождения является одной из наиболее важных в литейном производстве и требующих скорейшего разрешения. С ней не в последнюю очередь связан ответ на вопрос
о выборе материала литейной формы, еѐ конструкции и специфике подготовки к заливке
металлическим расплавом.
Поиском вариантов еѐ решения на протяжении нескольких десятилетий активно занимались многие исследователи. В последнее время в качестве оценочного критерия
вероятности образования в отливках газовых дефектов предлагается рассматривать безразмерную величину М, представляющую собой отношение газотворности Г (см3/г) и
газопроницаемости К (усл. ед.) материала литейной формы [144]:
М=Г/К.
(4.1)
При этом рекомендуется использовать методы экспериментального измерения указанных характеристик.
В то же время специфика некоторых видов литья, в частности, стального ЛВМ, требует обязательного ее учѐта при решении указанной задачи.
Так, испытания газопроницаемости при 20°С характеризуют воздухопроницаемость
материала оболочки при постоянной, причѐм заниженной, вязкости воздуха, хотя в ус-
126
ловиях прокаливания и далее реальной заливки металлическим расплавом меняются состав и вязкость газовой среды рабочей полости формы [18]. Метод определения газотворности основывается на оценке удельного объѐма газа, выделившегося из навески
малой массы в ходе еѐ прокаливания в трубчатой печи при фиксированной температуре
1000°С в течение 10 минут и не учитывает тот факт, что перед заливкой металлом оболочковая форма прокаливается, часть газов удаляется из неѐ ещѐ до заливки расплавом,
а температура нагрева формы собственно при контакте с заливаемым металлом может
отличаться от 1000°С.
Кроме того, дополнительные сложности возникают при проведении сравнительной
оценки вариантов технологии ЛВМ, в которых термовременные параметры процесса
существенно различаются.
В этой связи автором предлагается несколько иной методический подход к оценке вероятности образования газовых дефектов в отливках, получаемых ЛВМ, вносящий коррективы в процедуры оценки величин газопроницаемости К, газотворности Г и форму
записи критерия (4.1) [284].
Суть его сводится к следующему.
Для определения уточненной величины газопроницаемости в соответствии с [18] используем формулу
K  K 20  k  ,
(4.2)
где К20 – газопроницаемость материала оболочки, измеренная при 20°С;
k   k  ( t ) – поправочный коэффициент, учитывающий колебания вязкости газовой
среды в рабочей полости оболочки, связанные с еѐ нагревом и изменением компонентного состава, и представляющий собой отношение динамической вязкости воздуха при
20°С (  20 ) к еѐ значению при текущей температуре t (  t ), то есть
k  (t) 
 20
t
, где  t  f (t ) .
(4.3)
Например, математическая обработка данных [285], выполненная автором с использованием Excel, позволила получить регрессионную зависимость (при достоверности
аппроксимации R2 = 0,983):
k  ( t )  0,17 ln t  1,601 ,
где t – текущая температура газовой среды в рабочей полости оболочки, °С.
(4.4)
127
Далее, учитывая, что современная лабораторная база позволяет получить информацию о кинетике газовыделения оболочки, а именно, на основе экспериментальных данных измерений построить зависимость газотворности (удельного объѐма газа, выделившегося из навески) от температуры, проводим анализ такой кривой газотворности (рисунок 4.22).
Рисунок 4.22 – Анализ кривой газотворности оболочки ЛВМ
Кривую газотворности Г=Г(t) условно делим на два участка AB и BC, соответствующие циклу прокаливания формы и температурному напору Δt – разности температуры
заливки оболочки металлическим расплавом tзал и конечной температуры цикла прокаливания t кон
пр , которую можно принять равной температурному максимуму на графике
термовременного режима прокаливания формы, принятого на конкретном предприятии
max
.
t пр
Точка А на кривой газотворности соответствует температуре начала цикла прокаликон
вания t нач
пр , точка В – температуре конца цикла прокаливания t пр , точка С – температуре
заливки формы расплавом (сталь).
Площадь под кривой газотворности, ограниченная сверху линией АВС и снизу осью
абсцисс, будет соответствовать некоторой новой величине – потенциалу газотворности
материала оболочки Пг, равной:
128
Пг = F1 + F2,
где F1 
t кон
пр
 Г( t )dt
и F2 
t нач
пр
(4.5)
t зал
 Г(t )dt .
t кон
пр
Еѐ физический смысл – объѐм газа, который может выделить навеска материала формы при нагреве в температурном интервале от начала прокаливания оболочки до заливки еѐ металлическим расплавом. По мнению автора диссертации, новая величина позволяет более адекватно оценивать процесс газовыделения оболочек ЛВМ в течение всего
их жизненного цикла.
Учитывая, что часть потенциала газотворности оболочки F1 реализуется до еѐ заливки
ещѐ на стадии прокаливания, а реально повлиять на образование газовых дефектов в отливках при заливке может только оставшаяся часть F2, соответствующая температурному напору t , именно ей и следует уделять внимание при расчѐте оценочного критерия
М.
Таким образом, приходим к скорректированному выражению для оценки вероятности
образования газовых дефектов в стальных отливках, получаемых методом ЛВМ:
M 
*
t зал
 Г(t )dt / K ,
(4.6)
max
t пр
где К рассчитывается по формуле (4.2) для температуры заливки tзал.
Авторский методический подход, основанный на использовании соотношения (4.6),
прошѐл опробование при решении практической задачи сравнительной оценки двух вариантов технологии ЛВМ (варианты 1 и 3 п. 4.1).
По первому (базовому) варианту прокаливание ОФ на основе кварца проводилось без
max
опорного наполнителя до температурного максимума 1000°С ( t пр
= 1000°С).
По второму (новому) варианту – варианту, предусматривающему скоростное низкотемпературное прокаливание, – в состав материала форм на стадии их изготовления
вводились технологические добавки дихромата калия и борной кислоты, а прокаливание
форм, также без опорного наполнителя, проводилось до температурного максимума
700°С ( t пр = 700°С). При этом время выдержки форм при температурном максимуме
m ax
существенно уменьшалось.
Лабораторные испытания материалов проводили на оборудовании ОАО ННИИММ
«Прометей» (г. Нижний Новгород).
129
Для экспериментального измерения газопроницаемости материала оболочек при 20°С
использовали прибор ОАО Усманского завода литейного оборудования (Литмашприбор) в комплекте с патроном Фишера [21].
Поправочный коэффициент
k  рассчитывали для температуры заливки стали
tзал=1550°С по соотношению (4.4). Полученные результаты представлены в таблице 4.9.
Таблица 4.9 – Оценка газопроницаемости оболочек
Варианты
Базовый
Новый
К20
11
12
k
0,35
0,35
К
3,9
4,2
Характеристики
Для аналитического мониторинга газотворности использовали прибор модели PGD-E
фирмы Simpson Technologies GmbH, Швейцария. При контрольных фиксированных
температурах воздуха в рабочей камере (20, 50, 100, 200 и далее с шагом 100° до
1000°С) на экране прибора получали графические зависимости от времени давления газа, выделяющегося из навески материала в течение 3 минут, имеющие типовой вид,
представленный на рисунке 4.23.
pгаза,
мБар
p*
τ, с
Рисунок 4.23 –Типовой вид зависимости давления газа, выделяющегося навеской,
от времени испытания на приборе PGD-E
130
С полученных графиков снимали асимптотические значения газового давления р *, которые переводили по таблицам в соответствующие величины газотворности Г для указанных температур с целью построения итоговых аппроксимированных температурных
кривых газотворности Г(t). Далее средствами Excel проводили экстраполяцию до температуры заливки tзал=1550°С. Полученные кривые газотворности для базового и нового
вариантов технологии приведены на рисунке 4.24 и рисунке 4.25.
Рисунок 4.24 – Кривая газотворности для базового варианта технологии ЛВМ (заливкой
выделена часть потенциала газотворности, не реализованная при прокаливании)
Рисунок 4.25 – Кривая газотворности для нового варианта технологии ЛВМ (заливкой
выделена часть потенциала газотворности, не реализованная при прокаливании)
131
Выделенная заливкой на рисунке 4.24 часть потенциала газотворности под кривой, не
реализованная в ходе операции прокаливания, соответствует температурному интервалу
m ax
от t кон
= t пр
= 1000°С до tзал = 1550°С.
пр
Выделенная заливкой на рисунке 4.25 часть потенциала газотворности под кривой, не
реализованная в ходе операции прокаливания, соответствует температурному интервалу
m ax
от t кон
пр = t пр = 700°С до tзал = 1550°С.
Далее по кривым газотворности оценивали нереализованную часть еѐ потенциала с
использованием пакета математических расчѐтов MathCAD, рассчитывая площади заштрихованных областей на рисунке 4.24 и рисунке 4.25:
F2 баз 
1550
см 3  С
Г
(
t
)
dt
≈
935
;
баз

г
1000
F2 нов 
1550
 Г нов (t )dt
3 
≈ 790 см  С .
г
700
Более полная реализация потенциала газотворности во втором варианте, на наш
взгляд, связана с наличием на соответствующей кривой газотворности двух пиков в отличие от первого варианта.
В итоге для модернизированного критерия вероятности образования газовых дефектов М*, рассчитываемого по соотношению (4.6), получили
М*баз 
935
790
 239,7 ; М*нов 
 188,1.
3,9
4,2
Учитывая, что вероятность образования дефектов в отливках тем меньше, чем меньше значение критерия М*, а М*нов < М*баз , можно сделать вывод о предпочтительности нового варианта технологии ЛВМ с применением технической схемы низкотемпературного прокаливания ОФ.
Сформулированный
вывод в полной мере соответствует результатам опытно-
промышленных экспериментов, описанных в п. 4.1.
Таким образом, разработанная методика сравнительной экспериментальной оценки
образования газовых дефектов в отливках, получаемых ЛВМ, на основе анализа потенциала газотворности материала ОФ, позволяющая по итогам традиционного экспериментального контроля газопроницаемости и газотворности материала ОФ, на стадии ее
изготовления, прогнозировать образование газовых дефектов в стальных отливках, по-
132
лучаемых способом точного литья, включает в себя следующие этапы:
– экспериментальное определение газопроницаемости оболочек (в работе испытания
проводились при 20°С на приборе ОАО Усманского завода литейного оборудования
(Литмашприбор) в комплекте с патроном Фишера);
– пересчет полученной величины газопроницаемости на температуру, равную температуре заливки формы расплавом, с учетом колебаний вязкости газовой среды в рабочей
полости оболочки, связанных с еѐ нагревом и изменением компонентного состава;
– построение экспериментальных температурных кривых газотворности Г(t) по алгоритму, представленному выше;
– оценку потенциала газотворности материала формы по построенным кривым;
– расчет и сравнение значения критерия вероятности образования газовых дефектов в
отливках как отношения ранее вычисленных потенциала газотворности материала формы к ее газопроницаемости при температуре заливки формы для различных вариантов
технологии ЛВМ.
По мнению автора, данная методика вполне может быть использована на практике
для решения важнейшей задачи прогнозирования образования газовых дефектов в
стальных отливках, получаемых по выплавляемым моделям, по итогам экспериментального контроля газопроницаемости и газотворности материала ОФ.
4.5 Опытно-экспериментальное опробование применения техногенных отходов
в технологии литья по выплавляемым моделям
В настоящее время проблемы утилизации отходов промышленных производств становятся всѐ более актуальными в связи с интенсивно ухудшающейся экологической обстановкой и постоянно растущими производственными затратами.
Отходы производства – фактор, воздействующий на окружающую природную среду
и, в конечном итоге, отрицательно влияющий на качество жизни человека. Однако их
применение, например, в качестве вторичных материальных ресурсов выгодно с экономической точки зрения и позволяет успешно решать ряд таких важных хозяйственных
задач, как экономия основного сырья, предотвращение загрязнения водоѐмов, почвы и
воздушного бассейна, увеличение объѐмов производства изделий, производство новой
для предприятий продукции [286].
133
Практика показывает, что основная масса всех образующихся техногенных отходов
(отходы металлургии, машиностроения, горной промышленности, энергетики, химических и других производств, доля которых с каждым годом неуклонно возрастает) не
может быть утилизирована на предприятиях, которые ответственны за их образование.
Сегодня шире используются отходы смежных отраслей. Особая роль при решении
данной проблемы принадлежит, в частности, литейно-металлургическому производству
– основной заготовительной базе машиностроения. Распространяется мнение о том, что
предприятия машиностроения, имеющие в своей структуре литейные цеха, так же как и
предприятия «большой металлургии» в состоянии с высокой эффективностью утилизировать подавляющее большинство отходов самых разных отраслей, в том числе и бытовые отходы [133].
Проблема утилизации отходов играет значимую роль и сказывается на экологической
обстановке и экономической ситуации в стране. Многие промышленные предприятия
осознают важность грамотной утилизации отходов любых видов: используются разные
методы и специальные средства переработки и т.д.
При этом следует отметить, что на данный момент утилизация отходов, при катастрофической нехватке полигонов для их захоронения, – актуальная мировая проблема.
Однако существуют выходы из сложившейся ситуации, одним из которых может
явиться рециклинг – повторное использование отходов в той или иной технологии после
дополнительной обработки.
В рамках комплексного проекта «Разработка технологических решений по рециклингу отходов производства легких коммерческих автомобилей с включением в стратегию
по утилизации в рамках комплексного проекта «Создание высокотехнологичного производства экологичных ресурсосберегающих легких коммерческих автомобилей», выполняемого НГТУ им. Р.Е. Алексеева совместно с ОАО «ГАЗ» в соответствии с Постановлением Правительства РФ №218, автором в составе рабочей группы проекта разрабатывались технические предложения и принципиальные схемы вторичного применения
промышленных отходов производства автомобилей ОАО «ГАЗ» в технологии ЛВМ.
Работы проводились с отходами следующих наименований:
– шламы селитровых ванн (№5150000000000 по Федеральному классификационному
каталогу отходов);
– отходы абразивной обработки деталей из черных сплавов (№3140430411004 по Фе-
134
деральному классификационному каталогу отходов);
– бой керамических ОФ (№3140070201995 по Федеральному классификационному
каталогу отходов)
– отработанная модельная композиция ПС 50-50;
– абразивная пыль полировально-шлифовальной обработки изделий из сплавов черных металлов.
При этом преследовалась цель обеспечения как экономичности процесса литья, так и
повышения качества ОФ и, вследствие этого, уменьшения количества дефектов в отливках.
4.5.1 Шламы селитровых ванн
Шламы селитровых ванн могут быть использованы в качестве кислородсодержащего
вещества, интенсифицирующего прокаливание ОФ.
В цехах термической обработки часто применяют селитровые ванны. Детали, подготовленные после проведения закалки к операции отпуска, погружают в расплав солей
(NaNO3, KNO3), нагретый до 430–550°С и выдерживают (в зависимости от типа и материала деталей). Выше указанных температур селитры разлагаются и вступают в химическое взаимодействие с железом (из материала деталей и самих ванн). При этом реакции сопровождаются выделением большого количества тепла, которое может вызвать
взрыв [287].
После охлаждения детали помещаются в специальный бак с водой с целью их промывания от остатков солей. Соответственно в баке с течением времени накапливаются
техногенные отходы двух видов: водный раствор натриевой (калиевой) селитры и придонный осадок (шлам, относящийся к отходам 3 класса опасности).
Состав отхода (по данным Управляющей компании предприятий Группы «ГАЗ»)
представлен в таблице 4.10.
Перед отправлением на утилизацию проводят окончательное разделение водного
раствора селитры и придонного осадка.
Годовые объемы образования этих отходов составляют в среднем 5 тонн, а затраты на
их утилизацию высоки.
135
Таблица 4.10 – Состав отхода «Шламы селитровых ванн»
Наименование компонента отхода
Содержание, %
нефтепродукты
0,073
свинец
0,003
цинк
0,030
медь
0,053
никель
0,090
железо
9,790
марганец
0,098
нитрат натрия
60,093
окалина
29,800
Всего
100
В связи с этим высокую значимость приобретает задача определения возможных малозатратных вариантов применения отходов, не требующих организационных мероприятий, связанных с техническим перевооружением, использования специального оборудования и существенных изменений в литейно-металлургических технологиях, в частности, в литье по выплавляемым моделям.
При таком подходе отходы рассматриваются как полупродукты производства, представляющие собой потенциально ценный исходный материал для применения в литейных технологиях.
Путем применения полупродукта переработки шламов селитровых ванн можно усовершенствовать технологический процесс ЛВМ в части повышения экономичности за
счет использования отходов производства и меньшего количества кислородсодержащего вещества, вводимого в материал ОФ, при высоком качестве ОФ и отливок [288].
Автором предложен способ изготовления многослойных оболочковых литейных
форм по выплавляемым моделям, включающий послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, введение кислородсодержащего вещества, начиная со второго слоя оболочки с использованием борной кислоты, обсыпку зернистым
материалом, вытопку моделей, сушку и прокаливание. При этом кислородсодержащее
вещество вводят в составе материала огнеупорной суспензии, к которой добавляют
борную кислоту в количестве 3–4% масс. В качестве кислородсодержащего вещества
используют полупродукт переработки шламов селитровых ванн, применяемых в цехах
136
термической обработки для проведения операции отпуска, в количестве 2–4% масс. суспензии.
Полупродукт переработки шламов селитровых ванн представляет собой 10–40%-ный
водный раствор калиевой (натриевой) селитры. Его получают путѐм вымачивания шлама в воде, отделения осадка и слива жидкости, находящейся в верхней части резервуаров, содержащих шлам. Данные операции проводятся на предприятиях, содержащих в
своѐм составе цеха термической обработки, и являются обязательными перед отправлением отходов на утилизацию. Поэтому никаких дополнительных операций не вводится.
Введение определенного количества кислородсодержащего вещества позволяет интенсифицировать процессы удаления остатков модельной композиции и обеспечить выделение тепла экзотермических реакций для повышения спекаемости оболочковых
форм и термодеструкции связующего материала оболочки в ходе проведения операции
прокаливания оболочковых форм перед подачей их на заливку металлическим расплавом.
При этом уменьшаются затраты предприятий на приобретение кислородсодержащих
веществ, а также на проведение утилизации шламов селитровых ванн термических цехов.
Борная кислота, вводимая в состав огнеупорной суспензии, способствует повышению
прочности ОФ при их прокаливании и улучшению качества поверхности отливок за счѐт
спекания керамического материала оболочки и уменьшения дефектов типа «гребешок»
на поверхности отливок. В ходе прокаливания борная кислота разлагается до борного
ангидрида, который в температурном интервале прокаливания ОФ плавится, заполняя
макро- и микротрещины, формирующиеся в керамической оболочке в результате полиморфных превращений кварца и выделения кислорода из кислородсодержащего вещества, входящего в состав огнеупорной суспензии.
Оптимальное количество технологической добавки борной кислоты в состав суспензии было выявлено экспериментально (см п. 4.2). При содержании борной кислоты менее 3% масс. эффект упрочнения незначителен. Содержание борной кислоты более 4%
масс. приводит к образованию большого количества легкоплавких соединений, в результате чего при последующей заливке металлическим расплавом происходит нежелательная диффузия бора в поверхностный слой, что впоследствии затрудняет механическую обработку отливок.
137
Опытно-экспериментальные работы проводились в условиях ОАО «Правдинское
конструкторское бюро».
Огнеупорная суспензия, необходимая для формирования первого слоя ОФ, включала
гидролизованный раствор этилсиликата ГОСТ 26371-84 «Этилсиликат 40. Технические
условия», пылевидный молотый кварц марки Б по ГОСТ 9077-82. Для изготовления
слоѐв ОФ, начиная со второго, применялась огнеупорная суспензия, содержащая в своѐм
составе 2–4% масс полупродукта переработки шламов селитровых ванн и 3–4% масс.
борной кислоты ГОСТ 18704-78 «Кислота борная. Технические условия» (помимо компонентов, указанных для получения первого слоя оболочек). В качестве зернистого материала обсыпки применялся формовочный песок марки 3К2О3020 ГОСТ 2138-91. Сушку каждого слоя проводили на воздухе в течение 5-6 часов при температуре 25-28°С и
влажности не выше 60%. Общее количество слоев оболочковой формы – пять.
Нанесение огнеупорной суспензии на первый (рабочий) слой ОФ проводилось без
применения добавки кислородсодержащего вещества и борной кислоты, поскольку это
ухудшило бы качество поверхности отливок из-за повышенной шероховатости. Вытопка
моделей проводилась в горячей воде. Прокаливание ОФ в опорном наполнителе в прокалочной печи СНО 8.16.5/10И2 осуществлялось по режиму: нагрев до 700С со скоростью не более 150С в час с выдержкой при температурном максимуме 4,0 ч.
В многослойных ОФ изготавливались отливки «Кронштейн» массой 120 г (толщина
стенки до 4 мм) из стали 20Л ГОСТ 977-88 (по восемь отливок в форме). Заливка форм
проводилась при температуре 1550–1570С.
Результаты промышленных испытаний, проведенных согласно предлагаемому способу, представлены в таблице 4.11 .
Введение кислородсодержащего вещества (полупродукта шламов селитровых ванн) в
состав огнеупорной суспензии обеспечивает интенсивное выгорание остатков модельной композиции из полостей ОФ, а также снижает время и температурный максимум
пребывания ОФ в прокалочной печи. В процессе прокаливания при нагреве выше 400°С
обезвоженный окислитель разлагается с выделением значительного количества кислорода. Остатки модельной композиции сгорают, причѐм этот процесс идѐт значительно
интенсивнее за счѐт работы дополнительного количества кислорода.
Содержание кислородсодержащего вещества в количестве менее 2% масс. огнеупорной суспензии не обеспечивает полного выгорания остатков модельной композиции из
138
полости ОФ, а более 4% масс. приводит к растрескиванию ОФ из-за интенсивного газовыделения.
Таблица 4.11– Результаты промышленных испытаний
Содержание полупродукта
шламов селитровых ванн в
суспензии, % масс.
Содержание борной
кислоты H3BO3 в
суспензии, % масс.
Брак отливок, %
Примечания
0,5
50,0
Остатки сажистого уг-
1,0
25,0
1,5
20,0
лерода в поверхностном слое отливок
2,0
5,0
-
2,5
0
-
7,0
-
3,0
-
0
-
35,0
Высокая шероховатость поверхности отливок и «гребешки»
100
Брак форм по трещинам после прокаливания до заливки
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
3,0-4,0
Испытания показали эффективность предлагаемого способа при высоком качестве
ОФ и отливок.
4.5.2 Отходы абразивной обработки деталей из черных сплавов
Вопрос применения различных обсыпочных материалов ОФ для улучшения ее
свойств долгое время находится в центре многочисленных исследований.
Некоторые исследователи предлагают применять в составе суспензии электрофильтровую пыль из отходов ферросплавных печей при выплавке кремнийсодержащих соединений [213]. Однако при этом требуются дополнительные затраты на приобретение
веществ, вводимых в состав суспензии. Кроме того, сложным является процесс подготовки водного нейтрализованного раствора алюмометилсиликоната натрия требуемых
139
концентрации и рН.
Другие авторы с целью улучшения качества отливок, для присыпки второго и последующих слоев используют размолотый шлак – отход ваграночного, доменного или мартеновского производства [214]. При этом способ не лишен недостатков. Вводится дополнительная операция по размалыванию шлаков, характеризующаяся высокой трудоемкостью. Использование диоксида кремния в качестве обсыпочного материала обусловливает возможные негативные последствия полиморфных превращений в кварце,
приводящие к ослаблению прочности форм и снижению их трещиностойкости.
Возможно проведение обсыпки ОФ кварцевым песком с добавлением электрокорунда
[289]. Однако введение в состав материала ОФ дорогостоящего электрокорунда приводит к повышению себестоимости отливок, полученных по известному способу.
По результатам информационно-аналитического обзора известных технических решений в данной области автор поставил перед собой задачу совершенствования технологического процесса в части использования в качестве материала ОФ дешевого и недефицитного вещества, обеспечивающего стабильные прочность и трещиностойкость
ОФ.
В качестве обсыпочного материала для изготовления ОФ по выплавляемым моделям
автором предлагается использовать материал, содержащий отходы абразивной обработки деталей из черных сплавов, включающие электрокорунд, железную окалину и железо, имеющий следующий состав, % масс.: электрокорунд 30–40, железная окалина 25–
35, железо – остальное.
При этом повышение экономичности процесса ЛВМ достигалось за счет использования отходов производства во всех слоях ОФ при высоком качестве ОФ и отливок, достигаемом за счѐт полного исключения из состава обсыпочного материала диоксида
кремния (кварц) и замены его оксидом алюминия (электрокорунд).
Данный техногенный отход образуется на машиностроительных предприятиях,
имеющих в своѐм составе цеха механической обработки, и в большинстве случаев отправляется непосредственно на полигоны промышленных отходов для захоронения.
Экспериментальные работы по изготовлению ОФ проводились в условиях участка
точного литья ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина». Для
приготовления
огнеупорной суспензии использовалось готовое связующее ГС-20Э
ТУ 6-02-1-046-95 и маршалит (пылевидный кварц) марки А и Б по ГОСТ 9077-82. При
140
необходимости для доводки связующего до рабочей вязкости использовалась добавка
азотной кислоты.
В качестве обсыпочного материала применялась абразивная пыль электрокорундовых
шлифовальных кругов обработки деталей из черных сплавов на бакелитовой связке, выгорающей при температуре 150-180°С. Испытания проводились для усредненного компонентного состава материала, прошедшего просеивание для распределения по фракциям. Для первого слоя применялся материал с размером фракции 0,2–0,3 мм, для последующих слоев – свыше 0,5 мм.
Общее количество слоев ОФ – пять. Прокаливание и заливка ОФ стальным расплавом
проводились без опорного наполнителя. Проводился визуальный контроль оболочек на
наличие трещин, а также штатный контроль качества отливок согласно технологии, действующей на предприятии.
Результаты промышленных испытаний представлены в таблице 4.12.
Таблица 4.12 – Результаты промышленных испытаний
Общее количество опытных форм, шт.
10
Количество форм, забракованных по трещинам после прокалки, шт.
0
Количество форм, забракованных из-за разрушения при заливке, шт.
1
Выход годных отливок, изготовленных в незабракованных формах, %
90,0
Таким образом, использование в качестве обсыпочного материала отходов абразивной обработки деталей из черных сплавов (абразивная пыль шлифовальных кругов обработки деталей из черных сплавов), представляющего собой механическую смесь электрокорунда, железной окалины и железа, позволяет обеспечить повышение прочности
ОФ за счет создания железом своеобразного армирующего каркаса с высокой теплопроводностью, а также увеличить трещиностойкость форм из-за присутствия в материале
оболочки электрокорунда с коэффициентом линейного термического расширения, существенно меньшим, чем у кварца. Кроме того одновременное присутствие в составе
материала окислов железа и алюминия создает предпосылки для образования в рабочем
слое оболочки при высоких температурах шпинелей ферраллитного типа, способных
удерживать большое количество влаги, что в свою очередь обеспечивает ускоренное
спекание керамики.
141
Техногенные отходы, используемые в качестве обсыпочного материала, обеспечивают создание ОФ высокой прочности, способной выдерживать значительные механические и термические нагрузки. Кроме того, высокое содержание в материале электрокорунда способствует увеличению химической и коррозионной стойкости форм, что гарантирует получение качественных отливок.
При этом уменьшаются затраты литейных цехов на приобретение дорогостоящих веществ, а также на мероприятия по захоронению промышленных отходов цехов механической обработки на специальных полигонах.
4.5.3 Бой керамических оболочковых форм
Оценивалась возможность применения боя керамических ОФ в качестве обсыпочного
материала.
Использование кварца в его низкотемпературной модификации создает дополнительные риски изготовления ОФ в части их пониженной трещиностойкости вследствие полиморфных превращений. Поэтому многие исследователи разрабатывают способы изготовления керамических оболочек с применением кварца в фазах тридимита и кристобалита.
Однако эти высокотемпературные модификации кварца характеризуются сложностью
и дороговизной их получения в первичном переделе, а соответствующие способы [290–
292] характеризуется высокими трудоѐмкостью, энергоемкостью, длительностью
и
сложностью реализации, поскольку требует введения дополнительных операций технологического процесса.
С целью решения задачи экономии затрат на приобретение свежих материалов и сокращения операций их подготовки к использованию при снижении трудовых и энергетических ресурсов на реализацию технологического процесса изготовления керамических оболочек при одновременном сохранении высокого качества ОФ автором был
предложен свой способ изготовления керамических оболочек для литья по удаляемым
моделям, включающий формирование оболочки путем послойной обмазки модельного
блока керамической суспензией с последующей обсыпкой огнеупорным материалом и
сушкой, удаление моделей и прокалкой; предусматривающий использование измельченного боя керамических оболочек, содержащего в своем составе кварц в фазах триди-
142
мита и кристобалита, в качестве обсыпочного материала.
В составе боя керамических оболочек, образующегося после выбивки стальных отливок из форм, помимо кварца в фазах тридимита и кристобалита (основа) содержится до
5-10% железа и железной окалины.
Высокотемпературные фазы кварца – тридимит и кристобалит – формируются необратимо в ходе заливки керамических оболочек стальным расплавом, их последующей
выбивки и хранения образовавшегося боя и имеют меньший коэффициент линейного
термического расширения по сравнению с низкотемпературными фазами кварца – α- и
β-кварцем. Их использование в качестве обсыпочного материала исключает повторное
протекание полиморфных превращений кварца при прокаливании и заливке форм, обусловливающих изменение объема, плотности и смены видов кристаллических решеток
материала, что позволяет повысить трещиностойкость и прочность оболочек и минимизировать брак получаемых отливок. Железо создает своеобразный армирующий каркас
и способствует повышению теплопроводности материала оболочки, позволяя получать
мелкозернистую микроструктуру отливок за счѐт высокой скорости охлаждения формы.
Окись железа присутствует в составе боя керамических оболочек большей частью в виде гематита, что снижает вероятность образования пригара при заливке форм стальным
расплавом, либо делает его легкоотделяемым.
Опытно-экспериментальное опробование проводилось в условиях участка точного
литья металлургического производства ОАО «Арзамасский приборостроительный завод
им. П.И. Пландина» (см. п. 4.1).
В качестве обсыпочного материала применялся измельченный бой керамических оболочек, прошедший просеивание с целью распределения по фракциям. Для первого слоя
применялся бой со средним размером фракции 0,2 мм, для последующих слоев – свыше
0,3 мм.
Общее количество слоев ОФ – шесть.
Прокаливание форм проводилось без опорного наполнителя по режиму, соответствующему действующей на предприятии технологии (см. п. 4.1). Для проведения этой
операции использовалась прокалочная печь СНО 8.5.17.5/12.
В многослойных ОФ изготавливались отливки «Основание» массой 1,5 кг (толщина
стенки до 6 мм) из стали 20Х13Л ГОСТ 977-88. Заливка форм проводилась при температуре 1550-1580С.
143
Результаты промышленных испытаний, проведенных согласно предлагаемому способу, показали, что из десяти опытных оболочек ни одна не разрушилась при прокаливании и последующей заливке стальным расплавом.
Таким образом, испытания подтвердили эффективность предлагаемого способа для
получения высококачественных ОФ при снижении трудо-, энергоемкости, сложности
технологического процесса их изготовления и экономии затрат на свежие материалы.
4.5.4 Отработанная модельная композиция ПС 50-50
Процесс приготовления модельной композиции заключается в поочередном или одновременном расплавлении ее составляющих, фильтровании полученных расплавов и
их разливке в формы-изложницы.
Парафино-стеариновые двухкомпонентные составы широко распространены в отечественной промышленности вследствие легкости приготовления, невысокой температуры
их плавления (в среднем 50–60˚С), жидкотекучести и низкой зольности (0,01–0,04%).
Парафин представляет собой смесь твердых насыщенных (предельных) углеводородов метанового ряда СnН2n+2 (при n=25–40), получаемых при возгонке нефти, бурого угля и сланцев. Парафин пластичен, недорог, не является дефицитным, температура размягчения парафина составляет около 30˚С [293].
Стеарин представляет собой смесь жирных кислот. Основой является стеариновая
кислота СН3(СН2)16СООН, в качестве примесей выступают преимущественно пальмитиновая и олеиновая кислоты (соответственно СН3(СН2)14СООН и СН3 – (СН2)7 – СН =
СН – (СН2)7 – СООН) [293]. Стеарин – дорогой и дефицитный материал, склонный к
взаимодействию с формовочными материалами и с гидролизованным раствором этилсиликата, что может способствовать появлению дефектов на поверхности будущих отливок. Кроме того, стеарин может прилипать к рабочей поверхности пресс-форм в ходе
изготовления моделей, способствует их охрупчиванию и склонен омыляться при выплавлении в горячей воде [5, 18].
Традиционно при изготовлении модельных композиций используют до 80% возврата
модельного состава ПС 50-50, собранного после удалении из ОФ. Однако одного освежения возврата модельного состава недостаточно, необходимо проводить регенерацию
модельной композиции после пяти циклов применения с целью восстановления утра-
144
ченных технологических свойств [5]. Данный процесс характеризуется необходимостью
использования дополнительных ресурсов, трудоемкостью и длительностью (перемешивание и выдержка регенерируемой модельной композиции с добавлением серной кислоты; отделение осадка путем отстаивания; нейтрализация состава путем подогрева и обработки жидким стеклом; повторное отстаивание; добавление стеарина вследствие
больших по сравнению с парафином потерь для восстановления первоначального соотношения компонентов модельного состава). В силу данных обстоятельств на большинстве предприятий после 5–7 циклов использования модельная композиция складируется
в отвалы и не используется как вторичный ресурс.
Поэтому возникает задача необходимости нахождения путей применения отработанной парафино-стеариновой модельной композиции ПС 50-50 в промышленном производстве. Один из вариантов использования отработанного модельного состава предлагается в данной работе.
Отработанная модельная композиция ПС 50-50 может выполнять функцию защиты
стальных отливок от обезуглероживания и окисления при термической обработке. Это
подтверждается компонентным составом материала, включающим в себя углеводороды.
Невысокая температура плавления и жидкотекучесть парафино-стеаринового модельного состава являются предпосылками для обеспечения надежной физической защиты отливок от контакта с кислородом воздуха при проведении термической обработки. Кроме
того, в высокотемпературных областях углеводороды испытывают термодеструкцию с
образованием диоксида и монооксида углерода в зависимости от условий доступа кислорода (избыток, ограниченный доступ и недостаток), а искусственное ограничение
доступа кислорода позволит обеспечить восстановительный характер среды в рабочем
пространстве нагревательной печи, что в свою очередь, снизит вероятность окисления и
обезуглероживания поверхности отливок.
На практике наиболее распространенными дефектами нормализации считают окисление (окалинообразование) и обезуглероживание поверхностного слоя стальных отливок.
Оба эти дефекта связаны с химическим взаимодействием поверхности металла отливки
с окружающей средой.
Обычно для предотвращения этих процессов в условиях действующего производства
применяют обработку в термических нагревательных печах с защитными газовыми средами, в вакуумных печах, а также используют засыпку садки печи карбюризатором, в
145
качестве которого может выступать древесный уголь или чугунная стружка [294–297].
При этом использование предлагаемых способов влечет за собой ряд недостатков.
Повышается трудоемкость и сложность реализации технологического процесса. Высокие затраты на используемые материалы и энергетические ресурсы повышают себестоимость получаемых в ходе обработки деталей. При этом может снизиться экологичность процесса термической обработки.
С целью снижения материальных затрат на приобретение карбюризатора и одновременного повышения качества защиты стальных отливок от обезуглероживания, в частности, минимизации толщины обезуглероженного слоя, был предложен способ защиты
стальных отливок от обезуглероживания при термической обработке, включающий помещение отливок в контейнер и их засыпку карбюризатором, в качестве карбюризатора
используют смесь древесного угля и отработанной парафино-стеариновой модельной
композиции в соотношении 70:30 по массе, а количество карбюризатора составляет 20–
25% объема садки [298].
Карбюризатор, содержащий древесный уголь и отработанную парафино-стеариновую
модельную композицию, представляющую собой смесь твердых предельных углеводородов метанового ряда, при проведении термической обработки отливок выполняет
функцию защиты их поверхности от обезуглероживания.
На начальной стадии термообработки в условиях доступа (избытка) кислорода протекают реакции горения:
модельной композиции
2 CnH2n+2 + (3n +1) O2 =2n CO2 + (2n + 2) H2O + Q
(4.7)
и древесного угля
C+O2=CO2 + Q, ΔG˚=-393260-2,29T
(4.8)
При этом компоненты карбюризатора, частично расплавляясь, обеспечивают физическую защиту поверхности стальных отливок от доступа кислорода воздуха.
Когда кислород воздуха практически полностью израсходован на протекание реакций
(4.7) и (4.8), в прогретом рабочем пространстве термической печи создаются предпосылки для анаэробного нагрева и формирования восстановительной атмосферы из-за
протекания химических реакций:
CnH2n+2 + (n +1/2) O2 =n CO + (n + 1) H2O + Q,
(4.9)
146
CnH2n+2 + 1/2(n +1) O2 =n C + (n + 1) H2O + Q.
(4.10)
По данным [299], при пиролизе парафина обезуглероживания отливок не происходит,
а пироуглерод, отложившийся на поверхностях отливок в виде тонкой пленки, позволяет обеспечить своеобразную химическую защиту поверхности стальных отливок от доступа кислорода воздуха, поскольку, в свою очередь, вступает во взаимодействия с компонентами окислительной среды по реакциям:
C + CO2=2CO+ Q, ΔG˚= 172130–177,46T
(реакция Белла-Будуара протекает при Т>696˚С);
2C + О2=2CO+ Q, ΔG˚= –110560–89T;
C + H2O=CO + H2
(реакция Гана протекает при Т>700˚С).
(4.11)
(4.12)
(4.13)
Опытная работа проводилась на базе литейного участка кузнечно-литейного цеха
ОАО «Нижегородский машиностроительный завод».
Нормализация
отливок массой до 0,3 кг, загруженных в контейнер, полученных
литьем по выплавляемым моделям из стали 45Л ГОСТ 977-88, осуществлялась по режиму 850–870°С (воздух) в течение двух часов в печи СНО-20.4,0.1,4/10 с последующим
отпуском при 630-650°С. Перед загрузкой садки на дно контейнера засыпался слой измельченного древесного угля толщиной 1–2 см. Далее в контейнер загружалась садка и
засыпалась сверху плотным слоем измельченного карбюризатора. При этом карбюризатор содержал древесный уголь и отработанную парафино-стеариновую модельную композицию ПС 50/50 в различных соотношениях от 50:50 до 80:20 по массе. Его количество составляло 15–30% объема садки.
Визуально контролировалась загрязненность поверхности отливок остатками модельной композиции. Толщина обезуглероженного слоя на отливках опытной садки контролировалась металлографическим методом.
Результаты промышленных испытаний, проведенных согласно разработанному способу, представлены в таблице 4.13. Как видно из таблицы 4.13, соответствие требованиям по толщине обезуглероженного слоя и отсутствие необходимости последующей очистки отливок от остатков отработанной парафино-стеариновой модельной композиции
обеспечиваются при содержании в карбюризаторе древесного угля и отработанной парафино-стеариновой модельной композиции в соотношении 70:30 по массе и количестве
карбюризатора, составляющем 20–25% объема садки.
147
Таблица 4.13 – Результаты промышленных испытаний
Соотношение компонентов карбюризатора в
% по массе
древесный уголь
отработанная модельная
композиция (ОМК)
1
2
50
60
70
80
Количество
карбюризатора, % объема
садки
Соответствие
нормативнотехническим
требованиям
по толщине
обезуглероженного слоя
Примечание
3
4
5
15
нет
поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
20
нет
поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
25
нет
поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
30
нет
поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
15
нет
поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
20
нет
поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
25
нет
поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
30
нет
поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
15
нет
поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
20
да
поверхность отливок не требует очистки от остатков ОМК
25
да
поверхность отливок не требует очистки от остатков ОМК
30
да
поверхность отливок загрязнена остатками ОМК
15
да
поверхность отливок не требует очистки от остатков ОМК
20
да
поверхность отливок не требует очистки от остатков ОМК
25
да
поверхность отливок не требует очистки от остатков ОМК
30
да
поверхность отливок не требует очистки от остатков ОМК
50
40
30
20
148
Таким образом, засыпка стальных отливок, подвергаемых термической обработке,
карбюризатором из древесного угля и отработанной парафино-стеариновой модельной
композиции, минимизирует доступ кислорода к поверхности отливок и естественным
путем, без применения дополнительного оборудования и необходимости вложения
средств, создает защитную атмосферу, предотвращающую их окисление и обезуглероживание. Кроме того, получение «сухого» водорода (водорода H2 без водяного пара
H2O) по реакции (4.13) в рабочем пространстве печи способствует повышению ресурса
работы еѐ нагревательных элементов.
Содержание древесного угля и отработанной парафино-стеариновой модельной композиции в карбюризаторе в соотношении более 70:30 по массе экономически нецелесообразно. Содержание древесного угля и отработанной парафино-стеариновой модельной
композиции в карбюризаторе в соотношении менее 70:30 по массе приводит к необходимости проведения дополнительной очистки отливок от остатков модельной композиции, не прореагировавших с кислородом атмосферы рабочего пространства нагревательной термической печи.
Количество карбюризатора менее 20% от объема садки не обеспечивает гарантированной защиты от обезуглероживания и окисления поверхности стальных отливок. Количество карбюризатора более 25% от объема садки приводит к необходимости проведения дополнительной очистки отливок от остатков модельной композиции, не прореагировавших с кислородом атмосферы рабочего пространства нагревательной термической печи.
Испытания показали эффективность предлагаемого способа при высоком качестве
отливок, в частности, с минимальной толщиной обезуглероженного слоя, и пониженными материальными затратами на приобретение карбюризатора, а также повышением
ресурса работы нагревательных элементов.
В результате затраты на термообработку стальных отливок уменьшатся при обеспечении высокого качества обрабатываемых заготовок.
4.6 Термостатирование оболочковых форм литья по выплавляемым моделям
В условиях действующего производства остро встаѐт вопрос выработки и реализации
мероприятий, позволяющих снизить или исключить брак по трещинам и короблению
149
заготовок деталей ответственного назначения, получаемых методом точного литья, традиционно отличающимся высокими ресурсозатратностью и трудоемкостью.
Как показывает опыт, короблению и горячим трещинам чаще всего подвержены отливки с тонкими стенками или разностенностью, а основной причиной образования указанных дефектов выступает неравномерное и быстрое охлаждение залитых ОФ. Однако,
как показывает опыт, изменение условий формирования отливок, связанное со снижением скорости их охлаждения, вызывает образование грубой крупнозернистой структуры.
Поэтому даже применение технической схемы прокаливания и заливки ОФ в опоках с
опорным наполнителем, обеспечивающей более мягкий режим охлаждения отливок (более энергозатратной по сравнению с безопочными прокаливанием и заливкой), не всегда
гарантирует отсутствие в отливках указанных видов брака [300, 301].
Как показали результаты проведенного автором информационно-аналитического обзора, многие варианты решения данной проблемы технически сложны и в этой связи
мало пригодны для условий действующего производства [302–304].
Одним из вариантов решения, наиболее просто реализуемом на практике, является
способ изготовления стальных отливок по выплавляемым моделям, описанный в [18].
Его сущность заключается в том, что тонкостенную прочную ОФ без опорного наполнителя нагревают до 1000–1050°С, заливают расплавом при температуре 1480–1500°С и
выдерживают в нагревательной печи до 800–850°С. При достижении этой температуры
ОФ переносят в термостат с температурой 600–650°С, где выдерживают до 300°С с последующим охлаждением на воздухе. При таком режиме получают поликристаллическую структуру с минимальными остаточными напряжениями, но со сравнительно
крупной макроструктурой.
Согласно другому варианту технологического процесса, описанного в том же источнике, мелкодисперсные окислы, являющиеся модификаторами – центрами кристаллизации, вносятся в поверхностный слой ОФ. Затем ОФ нагревают, заливают расплавом и
охлаждают по первому варианту. В результате получается более мелкая макроструктура
в поверхностном слое отливки, которую можно регулировать количеством модификатора и его дисперсностью.
Очевидно, что и эти варианты не свободны от недостатков. Так, например, вводимые
в поверхностный слой ОФ при еѐ изготовлении мелкодисперсные окислы требуют специальной подготовки, в частности, измельчения до определенной степени дисперсности.
150
Кроме того, эти варианты обладают высокой трудоемкостью из-за введения дополнительных операций (помещение залитых ОФ в нагревательную печь с выдержкой до определенной температуры; помещение ОФ в нагретый до 600–650°С термостат с нахождением форм в нем до достижения определенной температуры), а для их реализации необходимы дополнительные значительные энергетические затраты на подогрев термостата до 600–650°С.
По мнению автора, существует простой, экономичный и приемлемый для действующего производства путь получения высококачественных отливок за счет обеспечения
управляемого теплоотвода, связанный с использованием отходящего тепла залитой ОФ
и технологических добавок техногенных отходов производства в материал ОФ, гарантирующих получение мелкозернистой структуры, который может быть пригоден для вариантов заливки форм в опорном наполнителе и без такового.
Суть предлагаемого решения состоит в том, что, согласно способу изготовления отливок по выплавляемым моделям, включающему послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, введение мелкодисперсных модификаторов в
состав суспензии первого слоя, обсыпку зернистым материалом, вытопку моделей, сушку и прокаливание, помещение ОФ в экранирующее термостатирующее устройство, заливку металлическим расплавом и финишные операции, в качестве мелкодисперсного
модификатора используют отход производства – абразивную пыль полировальношлифовальной обработки изделий из сплавов черных металлов в количестве 1–2% масс.
суспензии, а ОФ помещают в экранирующее термостатирующее устройство непосредственно перед заливкой металлическим расплавом.
Экранирующее термостатирующее устройство представляет собой тонкостенный экран-отражатель, эквидистантно охватывающий залитую ОФ (например, для опоки круглой формы, или ОФ с литниково-питающей системой I-го типа, в плане – коаксиально
расположенный тонкостенный цилиндр).
При заливке формы между опокой (или ОФ) и экраном-отражателем создается воздушная прослойка. Экранирующий эффект обеспечивается путем нанесения на внутреннюю поверхность тонкостенного цилиндра покрытия с высокой теплоотражающей
способностью. В качестве материала покрытия может использоваться любая светлая
краска с высокими теплоотражающей и кроющей способностями, стойкая к воздействию высоких температур. Кроме того, возможен вариант выполнения внутренней по-
151
верхности тонкостенного цилиндра зеркальной, без нанесения дополнительного покрытия.
После заливки формы, помещенной в такое экранирующее термостатирующее устройство, происходит формирование и охлаждение отливок. При этом большая часть тепла отводится от залитой формы излучением, но не теряется безвозвратно, рассеиваясь в
атмосфере цеха, а частично отражается стенкой термостатирующего устройства и направляется обратно к форме. Образующийся таким образом отраженный тепловой поток
замедляет охлаждение формы и способствует выравниванию распределения температур
в теле отливок.
Проведем предварительную приближенную количественную оценку работы экранирующего термостатирующего устройства для варианта заливки форм радиусом R1 в
плане.
Геометрические размеры экранирующего термостатирующего устройства – тонкостенного цилиндра: R2 – радиус экрана-отражателя, Н – его высота.
Расчѐтная схема представлена на рисунке 4.26. Оценку проводим, опираясь на основные положения феноменологической теории радиационного (или лучистого) теплообмена, которая не рассматривает механизм взаимодействия излучения с веществом [305].
R1
R2
Рисунок 4.26 – Расчетная схема
В рамках этой теории считается, что каждое тело испускает электромагнитное излучение, а теплообмен между телами происходит в результате распространения электромагнитных волн, энергия которых при взаимодействии с веществом переходит в тепло.
Основные соотношения этой теории следуют из законов термодинамики и излучения
абсолютно черного тела. При этом радиационные свойства реальных тел, определяющие
характер их собственного излучения, а также поведение по отношению к падающему на
152
них излучению других тел, описываются некоторыми эмпирическими величинами, такими, как степень черноты, поглощательная, отражательная и пропускательная способности.
В качестве допущения принимаем факт мгновенного прогрева тонкостенной (теплотехнически тонкой) ОФ при ее заливке металлическим расплавом до его температуры.
Тепловому излучению соответствует интервал длин волн от 0,4 до 25 мкм, включающий оптический диапазон 0,4–0,8 мкм и ближнюю инфракрасную область 0,8–25 мкм.
Именно на этот интервал длин волн приходится основная доля теплообмена излучением
в промышленных теплотехнических агрегатах [305].
За основу принимаем известный алгоритм расчета теплообмена излучением между
двумя серыми поверхностями, разделенными лучепрозрачной (диатермичной) средой,
по методу сальдо-потоков Поляка Г.Л. [306, 307].
Для оценки влияния действия экрана на результирующий тепловой поток первоначально находим эту величину для системы без экрана:
1. Излучение залитой формы в окружающую среду (атмосферу цеха).
Лучистый поток от залитой формы (излучателя) окружающей среде
4
4
 T
T



окр
QI  1  F1  C0   1

100  
100  



(4.14)
где  1 – степень черноты (поглощательная способность) излучателя;
F1 – площадь поверхности излучателя;
С0 = 5,6686 Вт/(м2∙К4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела;
Т1 – температура поверхности излучателя;
Токр – температура окружающей среды.
Для  1 = 0,8 [383]; R1 = 0,15 м; Н = 0,45 м; Т1 = 1773 К; Токр = 293 К получаем
2
F1  2R 1H  2  3,14  0,15  0,45  0,424 м и далее
 1773  4  293  4 
Q I  0,8  0,424  5,6686  
 
   1,92  98817 ,7  73,7  189,589 кВт.
100
100



 

Далее учитываем влияние экрана на результирующий тепловой поток:
2. Излучение залитой формы, помещенной в экранирующее термостатирующее устройство.
153
Результирующий лучистый поток от залитой формы (излучателя)
4
4
 T1

T2



Q II   пр  C 0  F1  



100   100  


(4.15)
1
 1 F

1
где  пр   1  1   2  1  – приведенная степень черноты замкнутой системы тел
F2




«залитая форма – экранирующее термостатирующее устройство» [306];
 2 – степень черноты (поглощательная способность) экрана-отражателя;
F2 – площадь поверхности экрана-отражателя;
Т2 – средняя температура поверхности экрана-отражателя в период охлаждения залитой формы в экранирующем термостатирующем устройстве.
(Для охлаждения залитой формы с 1773К до 293К получаем T2 
Для
 1 = 0,8;
Т2 = 1033К
R1 = 0,15 м;
R2 = 0,31 м;
(1773  293)
 1033 К.)
2
Н = 0,45 м;  2 = 0,08 [383]; Т1 = 1773К;
получаем
F2  2R 2 H  2  3,14  0,31  0,45  0,877 м2
 пр
 1 0,424  1

 


 1 
 0,8 0,877  0,08  
1
 0,147
и далее
 1773  4  1033  4 
Q II  0,147  5,6686  0,424  
 
   30,890 кВт.
100
100



 

Получаемая разность составит Q  Q I  Q II  189,589  30,890  158,699 кВт.
Фактически это означает, что охлаждение в экранирующем термостатирующем устройстве по сравнению с охлаждением на воздухе замедлится. Очевидно, это снизит вероятность коробления тонкостенных отливок и образования в них дефектов типа «горячая трещина».
Эксперимент проводился в условиях ОАО «Правдинское конструкторское бюро».
Экраном служил тонкий металлический лист. Диаметр экрана-отражателя составлял
620 мм. Его высота выбиралась, исходя из того, что, с одной стороны, он должен минимизировать потери тепла, излучаемого боковыми стенками ОФ или опоки, а с другой,
154
не создавать препятствий при заливке формы расплавом (В условиях действующего
производства целесообразно заранее помещать ОФ или опоку вовнутрь экранирующего
термостатирующего устройства.). Она составила 450 мм. Общий вид устройства представлен на рисунке 4.27.
Рис. 4.27 – Экран-отражатель перед использованием
В качестве техногенного отхода использовали абразивную пыль полировальношлифовальной обработки изделий из сплавов черных металлов в механообрабатывающем цехе предприятия, имеющую следующий компонентный состав: карбид кремния
(карборунд) 30–40%, железо 30–40%, железная окалина 25–35%.
Приготовление огнеупорной суспензии на основе гидролизованного раствора этилсиликата проводилось с применением в составе суспензии кварца пылевидного молотого
марки Б ГОСТ 9077-82 и добавлением серной кислоты для перевода гидроксида железа
в неактивную форму. Перемешивание составляющих огнеупорной суспензии проводилось в гидролизѐре до получения требуемой вязкости с контролем по вискозиметру
ВЗ-4.
При изготовлении опытных форм в состав суспензии первого слоя вводили техногенный отход производства, прошедший через сито №005 (с размером фракции аналогичным
маршалиту)
и
представляющий
собой
абразивную
пыль
полировально-
шлифовальной обработки изделий из сплавов черных металлов. Нанесение огнеупорной
суспензии на слои ОФ, начиная со второго, проводилось без применения добавки мелкодисперсных модификаторов на основе техногенного отхода производства.
155
При изготовлении контрольных ОФ использовалась суспензия без добавок мелкодисперсных модификаторов на основе техногенного отхода производства.
В качестве материала обсыпки использовался формовочный песок 3К2О3020 ГОСТ
2138-91, предварительно прокаленный в термической печи в течение 1,5 ч при температуре 900–950˚С с целью снижения негативного влияния от потери массы при его прокаливании. Сушка каждого из пяти слоев суспензии на модельных блоках проводилась на
воздухе в течение 5–6 часов. Выплавление модельной композиции проводилось в горячей воде с температурой 90–100˚С. Далее проводились визуальный контроль качества
каждой ОФ на отсутствие трещин и их сушка на воздухе в течение 4–5 часов, после чего
оболочки заформовывались в опоки.
Прокаливание ОФ проводилось в опорном наполнителе, в прокалочной печи СНО
8.16.5/10И2, по режиму: нагрев до 900С со скоростью не более 150С в час с выдержкой при температурном максимуме 7 ч.
Изготавливались отливки «Корпус» массой 2,5 кг из стали 40Л ГОСТ 977-88 с толщинами стенок 3–5 мм. Непосредственно перед заливкой опока с пятью ОФ помещалась в рабочее пространство экранирующего термостатирующего устройства, на поверхность внутренней стенки которого предварительно кистью наносилось покрытие с
высокой теплоотражающей способностью. В качестве покрытия выбиралась антикоррозионная термостойкая краска по ТУ 2312-001-49248846-2000.
Проводилось семь опытных заливок с изменением содержания техногенного отхода
производства, прошедшего через сито №005 (с размером фракции, аналогичным маршалиту) в составе суспензии первого слоя от 0 (без применения экранирующего термостатирующего устройства и мелкодисперсных модификаторов) до 3,0% от массы суспензии.
Заливка форм металлическим расплавом осуществлялась при температуре 1550°С, затем рабочее пространство экранирующего устройства закрывалось крышкой для предотвращения свободного выхода нагретого воздуха в атмосферу цеха.
После заливки протекали процессы формирования и охлаждения отливок. При этом
большая часть тепла отводилась от залитой формы излучением, но не терялась безвозвратно, рассеиваясь в атмосфере цехе, а частично отражалась покрытием внутренней
поверхности рабочего пространства и направлялась обратно к форме. Образующийся
таким образом отраженный тепловой поток замедлял охлаждение литейной формы и
156
способствовал выравниванию распределения температур в теле отливок. После затвердевания отливок крышку снимали, ОФ вынимали из рабочего пространства экранирующего устройства для подачи на дальнейшие операции выбивки, обрубки, зачистки.
Визуально контролировалось наличие трещин на поверхности отливок и их коробления. Кроме того, в условиях ЦЗЛ предприятия проводился металлографический контроль микроструктуры получаемых отливок.
Результаты экспериментов приведены в таблице 4.14.
Таблица 4.14 – Результаты экспериментов
№
эксперимента
1
1
Содержание техногенного
отхода в
суспензии,
% масс.
2
0
Применение
экранирующего термостатирующего
устройства
Брак отливок, %
Микроструктура материала
отливок
3
4
5
нет
80
(на четырех из пяти
отливок горячие трещины и коробления)
крупнозернистая, грубая;
повышенный обезуглероженный слой (более 0,5 мм)
2
0,5
да
0
3
1,0
да
0
4
1,5
да
0
5
2,0
да
0
6
2,5
да
7
3,0
да
60
(на трех из пяти отливок
шероховатость
поверхности)
100
(на всех отливках шероховатость поверхности)
неоднородная по толщине
стенки: крупнозернистая,
грубая в глубине; мелкозернистая – в поверхностном слое
мелкозернистая по всей
толщине стенки
мелкозернистая по всей
толщине стенки
мелкозернистая по всей
толщине стенки
мелкозернистая по всей
толщине стенки
мелкозернистая по всей
толщине стенки
157
Из таблицы видно, что отливки, полученные с применением экранирующего термостатирующего устройства и мелкодисперсных модификаторов, характеризовались более
мелкозернистой структурой по сравнению с отливками, полученными по базовой технологии (рисунок 4.28).
Микроструктура отливки, полученной
без применения экранирующего термостатирующего устройства и мелкодисперсных
модификаторов, увеличение х100
Микроструктура отливки, полученной
с применением экранирующего термостатирующего устройства и мелкодисперсных
модификаторов, увеличение х100
Микроструктура отливки, полученной
без применения экранирующего термостатирующего устройства и мелкодисперсных
модификаторов, увеличение х200
Микроструктура отливки, полученной
с применением экранирующего термостатирующего устройства и мелкодисперсных
модификаторов, увеличение х200
Рисунок 4.28 – Микроструктура отливок, полученных с применением экранирующего
термостатирующего устройства и мелкодисперсных модификаторов и без них
158
Толщина обезуглероженного слоя на отливках не превышала 0,5 мм. При этом во
всех таких отливках отсутствуют дефекты «горячая трещина» и «коробление».
Содержание техногенных отходов производства в количестве менее 1% масс. суспензии не обеспечивает необходимый модифицирующий эффект: по толщине стенки наблюдается неоднородная структура, крупнозернистая и грубая – в глубине и мелкозернистая – в поверхностном слое. Содержание техногенных отходов производства в количестве более 2% от массы суспензии приводит к дефектам «шероховатость поверхности» на отливках.
Таким образом, помещение ОФ непосредственно перед заливкой в экранирующее
термостатирующее устройство с целью более медленного (постепенного), чем на воздухе, охлаждения ОФ после заливки расплавом обеспечивало создание условий для управляемого теплоотвода, а также снижение энергетических затрат технологического процесса ЛВМ за счет использования отходящего тепла залитой ОФ. При этом предотвращалась свободная конвекция воздуха вокруг залитой формы и ограничивался объѐм
воздуха, окружающего блоки, что обеспечило снижение вероятности окисления поверхности формирующихся отливок. Это позволяет минимизировать остаточные напряжения в отливках, что особенно важно для тонкостенных отливок, склонных к короблению
и образованию горячих трещин.
Введение определенного количества тугоплавких мелкодисперсных модификаторов,
создающих дополнительные центры кристаллизации, позволяет гарантировать получение мелкозернистой структуры отливок. Кроме того, карбид кремния (карборунд), находящийся в составе техногенного отхода, обеспечивает отсутствие обезуглероженного
слоя на получаемых отливках благодаря созданию атмосферы, аналогичной атмосфере,
создаваемой карбюризатором, а железо и железная окалина способствуют быстрому отводу тепла от поверхности формирующейся отливки из-за своей высокой теплопроводности.
При этом снижаются затраты предприятий на приобретение мелкодисперсных модификаторов и на проведение захоронений абразивной пыли полировально-шлифовальной
обработки изделий из сплавов черных металлов на специальных полигонах.
В дополнение к сказанному, термостатирование ОФ в сочетании с введением в состав
их материала мелкодисперсных модификаторов дает предпосылки для полного отказа от
предварительной термической обработки без ущерба для качества получаемых отливок.
159
Выводы по главе 4
1. Проведено экспериментальное опробование схемы низкотемпературного прокаливания ОФ без опорного наполнителя в условиях участка ЛВМ металлургического
производства ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина».
Сравнивались предлагаемые варианты прокаливания с использованием нового термовременного режима прокаливания и введения технологических добавок в состав обсыпочного материала ОФ с базовым вариантом, соответствующим действующей на предприятии технологии.
Промышленные испытания опытных ОФ доказали эффективность применения технологических добавок дихромата калия K2Cr2O7 или пероксида бария BaO2 в количестве 5,0–10,0% от массы зернистого материала обсыпки и борной кислоты H3BO3 в количестве 2,0–3,0% от массы зернистого материала обсыпки для решения задачи сокращения энергозатрат на операцию прокаливания ОФ при сохранении высокого уровня
качества стальных отливок.
2. Проверялась эффективность реализации схемы низкотемпературного прокаливания
ОФ в опорном наполнителе в условиях участка точного литья ОАО «Правдинское конструкторское бюро» и ОАО «НИТЕЛ».
В результате проведения экспериментов было показано, что оптимальным для решения задачи сокращения энергозатрат на операцию прокаливания ОФ при сохранении
высокого уровня качества стальных отливок является введение технологических добавок дихромата калия K2Cr2O7 или перманганата калия KMnO4 в состав суспензии в количестве 0,5–1,0% от ее массы и борной кислоты H3BO3 в количестве 3,0–4,0% от массы
суспензии.
3. Решена задача поиска технического решения по профилактике пироэффекта при
заливке в опорном наполнителе оболочек с технологическими добавками кислородсодержащего вещества в обсыпочный материал.
Разработан способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям, включающий нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, обсыпку зернистым материалом, введение, начиная со второго слоя
оболочки, в составе зернистого материала для обсыпки, кислородсодержащего вещества
в количестве 5–10% масс. и борной кислоты в количестве 2–3% масс., вытопку моделей,
160
сушку и прокалку; при этом в первый слой оболочки, в составе зернистого материала
для обсыпки, вводят порошок алюминия в количестве 5–10% масс.
Экспериментально доказано, что реализация предложенного способа обеспечивает
снижение брака отливок по дефекту «недолив», а также гарантирует предотвращение
пироэффекта при их заливке металлическим расплавом, а также повышает безопасность
процесса ЛВМ при высоком качестве ОФ и отливок.
4. Экспериментально выявлен эффект более полной реализации потенциала газотворности материала формы в условиях низкотемпературного прокаливания с использованием кислородсодержащих технологических добавок.
Разработана методика сравнительной экспериментальной оценки образования газовых дефектов в отливках, получаемых ЛВМ, на основе анализа потенциала газотворности материала ОФ, позволяющая по итогам традиционного экспериментального контроля газопроницаемости и газотворности материала ОФ, на стадии ее изготовления, прогнозировать образование газовых дефектов в стальных отливках, получаемых способом
точного литья. Данная методика использована для доказательства эффективности применения технической схемы низкотемпературного прокаливания ОФ стального ЛВМ.
5. Предложены способы использования нескольких наименований промышленных
отходов в технологии ЛВМ.
– Разработан способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм по
выплавляемым моделям, включающий послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, введение кислородсодержащего вещества, начиная со
второго слоя оболочки с использованием борной кислоты, обсыпку зернистым материалом, вытопку моделей, сушку и прокаливание. При этом кислородсодержащее вещество
(в качестве которого используют полупродукт переработки шламов селитровых ванн,
применяемых в цехах термической обработки для проведения операции отпуска), вводят
в состав материала огнеупорной суспензии в количестве 2–4% ее масс., к которой добавляют борную кислоту в количестве 3–4% масс.
Эффективность способа подтверждена экспериментально. Обеспечивается интенсификация процессов удаления остатков модельной композиции и выделение тепла экзотермических реакций для повышения спекаемости ОФ и термодеструкции связующего
материала оболочки в ходе проведения операции прокаливания ОФ перед подачей их на
заливку металлическим расплавом. Кроме того, уменьшаются затраты предприятий на
161
приобретение кислородсодержащих веществ, а также на проведение утилизации шламов
селитровых ванн термических цехов.
– Разработан вариант совершенствования технологического процесса в части использования в качестве материала ОФ дешевого и недефицитного вещества, обеспечивающего стабильные прочность и трещиностойкость ОФ. В качестве обсыпочного материала
ОФ предложено использовать отходы абразивной обработки деталей из черных сплавов
(абразивная пыль шлифовальных кругов обработки деталей из черных сплавов), представляющие собой механическую смесь электрокорунда, железной окалины и железа.
При этом обеспечивается создание ОФ высокой прочности, способной выдерживать
значительные механические и термические нагрузки, увеличивается химическая и коррозионная стойкость форм, уменьшаются затраты литейных цехов на приобретение дорогостоящих веществ и на мероприятия по захоронению промышленных отходов цехов
механической обработки на специальных полигонах, и при этом гарантируется получение качественных отливок. Эффективность реализации способа доказана в ходе промышленных экспериментов.
– Разработан способ изготовления керамических оболочек для литья по удаляемым
моделям, включающий формирование оболочки путем послойной обмазки модельного
блока керамической суспензией с последующей обсыпкой огнеупорным материалом и
сушкой, удаление моделей и прокалкой, предусматривающий использование измельченного боя керамических оболочек, содержащего в своем составе кварц в фазах тридимита и кристобалита, в качестве обсыпочного материала. Решена задача экономии затрат на приобретение свежих материалов, сокращения операций их подготовки к использованию при снижении трудовых и энергетических ресурсов на реализацию технологического процесса изготовления керамических оболочек при одновременном сохранении высокого качества ОФ. Эффективность реализации способа доказана в ходе промышленных экспериментов.
– Разработан способ защиты стальных отливок от обезуглероживания при термической обработке, включающий помещение отливок в контейнер и их засыпку карбюризатором, в качестве карбюризатора используют смесь древесного угля и отработанной парафино-стеариновой модельной композиции в соотношении 70:30 по массе, а количество карбюризатора составляет 20–25% объема садки.
Промышленные эксперименты, проведенные в условиях действующего производства,
162
доказали эффективность реализации способа. Благодаря достигаемому ограничению
доступа кислорода к поверхности отливок и созданию защитной атмосферы предотвращаются их окисление и обезуглероживание. При этом не требуется применение дополнительного оборудования и необходимости вложения средств, а также минимизируется
толщина обезуглероженного слоя при одновременном снижении материальных затрат
на приобретение карбюризатора и повышении ресурса работы нагревательных элементов в рабочем пространстве нагревательной печи.
6. Разработан простой, экономичный и приемлемый для действующего производства
путь получения тонкостенных стальных отливок за счет обеспечения управляемого теплоотвода, связанный с использованием отходящего тепла залитой ОФ и технологических добавок абразивной пыли полировально-шлифовальной обработки изделий из
сплавов черных металлов в материал ОФ, гарантирующих получение мелкозернистой
структуры отливки, который может быть пригоден для вариантов заливки форм в опорном наполнителе и без такового.
Проведена приближенная количественная оценка эффективности работы экранирующего термостатирующего устройства, основанная на феноменологической теории радиационного теплообмена.
Промышленные эксперименты по реализации способа изготовления отливок по выплавляемым моделям, включающему послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, введение мелкодисперсных модификаторов в состав суспензии первого слоя, обсыпку зернистым материалом, вытопку моделей, сушку и прокаливание, помещение ОФ непосредственно перед заливкой металлическим расплавом в
экранирующее термостатирующее устройство, заливку металлическим расплавом и финишные операции (при использовании в качестве модификатора отхода производства –
абразивной пыли полировально-шлифовальной обработки изделий из сплавов черных
металлов в количестве 1–2% масс. суспензии, также убедительно доказали его эффективность.
Помещение ОФ непосредственно перед заливкой в экранирующее термостатирующее
устройство с целью более медленного (постепенного), чем на воздухе, охлаждения ОФ
после заливки расплавом обеспечивает создание условий для управляемого теплоотвода,
а также снижение энергетических затрат технологического процесса ЛВМ за счет использования отходящего тепла залитой ОФ. При этом предотвращается свободная кон-
163
векция воздуха вокруг залитой формы и ограничивается объѐм воздуха, окружающего
блоки, что обеспечивает снижение вероятности окисления поверхности формирующихся отливок. Это позволяет минимизировать остаточные напряжения в отливках, что особенно важно для тонкостенных отливок, склонных к короблению и образованию горячих трещин.
Введение определенного количества тугоплавких мелкодисперсных модификаторов,
создающих дополнительные центры кристаллизации, позволяет гарантировать получение мелкозернистой структуры отливок.
Кроме того, карбид кремния (карборунд), находящийся в составе техногенного отхода, обеспечивает отсутствие обезуглероженного слоя на получаемых отливках благодаря
созданию атмосферы, аналогичной атмосфере, создаваемой карбюризатором, а железо и
железная окалина способствуют быстрому отводу тепла от поверхности формирующейся отливки из-за своей высокой теплопроводности.
При этом снижаются затраты предприятий на приобретение мелкодисперсных модификаторов, а также на проведение захоронений абразивной пыли полировальношлифовальной обработки изделий из сплавов черных металлов на специальных полигонах. Создаются предпосылки для полного отказа от предварительной термической обработки без ущерба для качества получаемых отливок.
164
ГЛАВА 5 ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ РАЗРАБОТОК В УСЛОВИЯХ
ДЕЙСТВУЮЩЕГО ПРОИЗВОДСТВА
5.1 Оценка эффективности внедрения разработок
Результатом внедрения разработок, по мнению автора, является получение трех основных эффектов:
– технический,
– экологический
– экономический.
Технический эффект обусловливается снижением брака отливок и ОФ (например, по
трещинам в условиях предприятия ОАО «Правдинское конструкторское бюро») и соответствующим повышением их качества, а также обеспечением энергоэффективности
производства отливок (на ОАО «Арзамасский приборостроительный
завод
им.
П.И. Пландина» и ОАО «Правдинское конструкторское бюро»), связанной с внедрением
менее энергоемкой технологии низкотемпературного прокаливания ОФ, предложенной
в работе.
Экологический эффект связан со снижением затрат, обусловленных необходимостью
захоронения техногенных отходов (см. п. 4.5) на специальных полигонах, и определяется вторичным использованием отходов в технологическом процессе ЛВМ.
Экономический эффект является производным от первых двух.
5.1.1 Оценка энергоэффективности внедрения технологии низкотемпературного
прокаливания оболочковых форм
Рассмотрим два варианта технических схем: для прокаливания ОФ без опорного наполнителя и в опорном наполнителе.
Оценка энергоэффективности от внедрения нового режима прокаливания оболочковых форм без опорного наполнителя. Оценку проводим на основе анализа базового
и нового термовременных режимов прокаливания ОФ, согласно которым на предприятии ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина» выполнялись
опытно-промышленные работы.
Потребная мощность прокалочной печи (Р):
165
Р~Δt,
где Δt – разность конечной (t2) и начальной (t1) температур ОФ ЛВМ.
Для базовой технологии:
Δtб = 1050–300=750°С;
время работы печи  б 
1050  300
 4  9 ч (при скорости нагрева 150 ºC/ч и времени
150
выдержки 4 часа).
Для нового режима:
Δtнов = 700–300=400°С;
время работы печи  нов 
700  300
 2  4,67 ч (при скорости нагрева 150 ºC/ч и вре150
мени выдержки 2 часа).
Тогда соотношение необходимого количества теплоты Q для нового и базового вариантов составляет:
Q нов 400  4,67

 0,28 или Q нов  0,28Q б .
Qб
750  9
Экономия энергии Q составляет: Q  (1  0,28)  Q б  0,72Q б (то есть 72%).
Действительный фонд времени работы оборудования при двусменном режиме и прооб
должительности рабочей смены 8 ч, по данным предприятия, составляет Фд  3546 ч.
При установленной мощности печи Р уст  100 кВт и действительном фонде времени
работы печи Фд  3546 ч (для двусменного режима работы) получаем величину необходимого количества теплоты по базовой технологии Q б :
Qб  Р уст  Фоб
д = 100·3546=354600 кВт·ч.
Тогда экономия Q  0,72  354600  255312  255,3 МВт∙ч на одну прокалочную печь
об
в год, что при цене электроэнергии 4940 руб. за 1МВт∙ч (без НДС) составит в рублевом
эквиваленте 1,261 млн. руб.
Оценка энергоэффективности от внедрения нового режима прокаливания оболочковых форм в опорном наполнителе. Оценку проводим на основе анализа базового и нового термовременных режимов прокаливания ОФ, согласно которым на предприятии ОАО «Правдинское конструкторское бюро» выполнялись опытно-промышленные
работы.
Потребная мощность прокалочной печи (Р):
Р~Δt,
166
где Δt – разность конечной (t2) и начальной (t1) температур ОФ ЛВМ.
Для базовой технологии:
t б  900  300  600 °С;
время работы печи  б 
900  300
 7  11 ч (при скорости нагрева 150 ºC/ч и времени
150
выдержки 7 часов).
Для нового режима:
t нов  700  300  400 °С;
время работы печи  нов 
700  300
 4  6,67 ч (при скорости нагрева 150 ºC/ч и времени
150
выдержки 4 часа).
Тогда соотношение необходимого количества теплоты Q для нового и базового вариантов составляет:
Qнов 400  6,67

 0,4 или Q нов  0,4Q б .
Qб
600  11
Экономия энергии Q составляет: Q  (1  0,4)  Q б  0,6Q б (то есть 60%).
Действительный фонд времени работы оборудования при односменном режиме и прооб
должительности рабочей смены 8 ч, по данным предприятия, составляет Фд  1773 ч.
При установленной мощности печи Р уст  86 кВт и действительном фонде времени
работы печи Фд  1773 ч (для односменного режима работы) получаем величину необходимого количества теплоты по базовой технологии Q б :
Qб  Р уст  Фоб
д =86·1773=152478 кВт·ч.
об
Тогда экономия Q  0,6  152478  91487  91,5 МВт∙ч на одну прокалочную печь в
год, что при цене электроэнергии 4940 руб. за 1МВт∙ч (без НДС) составит в рублевом
эквиваленте 452,0 тыс. руб.
5.1.2 Оценка экологичности внедрения технологии низкотемпературного
прокаливания оболочковых форм
Экологичность внедрения технологии низкотемпературного прокаливания ОФ проводим в три этапа:
– оценка степени экологической безопасности / опасности разработок на основе анализа исходных реагентов и продуктов химических реакций;
167
– расчет стоимости захоронений отходов, образующихся в результате получения
стальных отливок методом ЛВМ;
– оценка содержания технологической добавки в пыли при выбивке ОФ.
Степень экологической безопасности / опасности разработок. Оценку проводим на
основе анализа исходных реагентов и продуктов химических реакций (2.4), (2.5) в ходе
прокаливания ОФ:
K2Cr2O7 + CnH2n+2  K2CO3 + Cr2O3+ H2O,
4K2Cr2O7 = 2Cr2O3 + 4K2CrO4 + 3O2 (при t°  610°С),
KMnO4 + CnH2n+2  K2O + CO2 + MnO2 + H2O
4 KMnO4 = 2 K2O + 4 MnO2 + 3 O2 (при t°  200°С).
Характеристика исходных реагентов и продуктов реакций. В данных реакциях в
качестве исходных реагентов выступают K2Cr2O7, BaO2, KMnO4
Дихромат калия K2Cr2O7 (калия бихромат технический, хромпик) по степени воздействия на организм относится к веществам 1-го класса опасности. Предельно-допустимая
концентрация (ПДК) 0,01мг/м³ (в пересчете на CrO3) [308, 309].
Представляет собой неслеживающиеся кристаллы оранжево-красного цвета. Нелетуч,
растворим в воде; негорюч, пожаро- и взрывобезопасен.
Калия бихромат хранят в закрытых складских помещениях. Продукт, упакованный в
мягкие специализированные контейнеры разового использования, хранят на незагрязненных открытых площадках, имеющих твердое покрытие со стоком вод и обеспечивающих работу грузовых механизмов. Срок хранения дихромата калия не ограничен.
Перманганат калия KMnO4 ГОСТ 20490-75 относится к веществам 2-го класса опасности. Его ПДК в воздухе рабочей зоны в пересчете на MnO2 – 0,3 мг/м3. При увеличении концентрации продукт токсичен, действует на центральную нервную систему.
Препарат транспортируют всеми видами транспорта в соответствии с правилами перевозки грузов, действующими на данном виде транспорта.
Препарат хранят в упаковке изготовителя в крытых складских помещениях.
При работе с препаратом следует применять средства индивидуальной защиты, соблюдать правила личной гигиены и не допускать попадания препарата внутрь организма. Помещения, в которых проводятся работы с препаратом, должны быть оборудованы
непрерывно действующей приточно-вытяжной вентиляцией.
Средства индивидуальной защиты при работе с дихроматом калия, пероксидом ба-
168
рия и перманганатом калия [310]: при малых концентрациях в воздухе (при повышении
ПДК до 100 раз) – промышленный противогаз или респираторы типа ШБ-1 «Лепесток»,
«Астра-2» и У-2К, спецодежда, специальная обувь, средства защиты рук, защитные очки.
Наибольшую опасность среди продуктов приведенных реакций представляет триоксид хрома (зеленый крон, хромовая зелень) Cr2O3 , который по степени воздействия на
организм относится к 1-му классу опасности. ПДК 0,01мг/м³ [308]. Представляет собой
темно-зеленые кристаллы. Пожаро- и взрывобезопасен, нерастворим в воде, кислотах и
щелочах.
Производственные помещения, в которых проводится работа с окисью хрома, должны быть оснащены приточно-вытяжной вентиляцией, обеспечивающей состояние воздуха рабочей зоны в соответствии с требованиями. Оборудование и коммуникации
должны быть герметизированы. Места, где проводят все операции по обработке проб,
должны быть снабжены местной вытяжной вентиляцией. Работающие с окисью хрома
должны быть обеспечены специальной одеждой и средствами индивидуальной защиты
[311].
Таким образом, при соблюдении условий непревышения ПДК как для исходных реагентов, так и для продуктов реакций, не требуется дополнительных средств индивидуальной защиты персонала, тем самым обеспечивается соответствие ПОТ Р М-002-97
[312].
Расчет стоимости захоронений отходов, образующихся в результате получения
стальных отливок методом литья по выплавляемым моделям. Расчет стоимости
захоронений отходов проводим на примере введения дихромата калия в состав обсыпочного материала, а также суспензию ОФ.
Основными проблемами являются работа с вновь вводимыми в материал ОФ веществами и захоронение отходов, образующихся в результате получения стальных отливок методом ЛВМ.
Для получения одной тонны стального ЛВМ в соответствии с результатами промышленного опробования требуется около 1кг дихромата калия при его введении в обсыпочный материал.
При годовой программе производства стального литья на участке ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина» 5000 т/год для обеспечения ее
169
выполнения требуется 1 5000  5000 т дихромата калия.
С учетом неполноты протекания реакций подлежат (положительный вариант развития событий) захоронению только 10% от потребляемого количество дихромата калия,
поскольку остальные 90% прореагируют полностью. То есть захоронению подлежат
5  0,1  0,5 т дихромата калия.
Цена захоронения одной тонны дихромата калия на промышленном полигоне в Нижегородской области определяется следующим образом [313]:
1366 1,9 1,9 1,2 1,14  6746 руб./т
где 1366 – стоимость захоронения тонны хромсодержащих отходов (Cr6+);
1,9 – коэффициент, учитывающий состояние почвы в Поволжском экономическом
районе Российской Федерации;
1,9 – коэффициент, учитывающий состояние атмосферного воздуха в Поволжском
экономическом районе Российской Федерации;
1,2 – коэффициент, учитывающий попадание выбросов в воздушную атмосферу города;
1,14 – коэффициент, учитывающий возможность попадания отходов из почвы в бассейны рек.
Тогда на захоронение 0,5т дихромата калия потребуются следующие затраты:
6746  0,5  3373 руб.
При негативном варианте развития событий (прореагируют 50% потребляемого количества дихромата калия). Тогда захоронению подлежат 5  0,5  2,5 т дихромата калия.
Затраты на захоронение составят 6746  2,5  16865 руб., что меньше получаемого
экономического эффекта.
В ходе исследований в работе помимо варианта введения технологических добавок в
обсыпку рассматривался и вариант введения технологических добавок в суспензию.
При введении дихромата калия в суспензию его потребное количество в десять раз
меньше, чем при добавке в обсыпочный материал, т.е. составляет 0,1 кг на тонну литья
или 0,1 5000  500 кг=0,5т дихромата калия на годовую программу выпуска литья.
По положительному варианту развития событий (прореагируют 90% вещества) подлежат захоронению 0,5  0,1  0,05 т дихромата калия.
Затраты на захоронение составляют 6746  0,05  337 ,3 руб.
170
При негативном варианте развития событий (прореагируют 50% потребляемого количества дихромата калия), подлежат захоронению 0,5  0,5  0,25 т дихромата калия.
Затраты на захоронение составят 6746  0,25  1686 ,5 руб.
Таким образом, затраты на захоронение отходов, образующихся в результате получения стальных отливок методом ЛВМ, при использовании технологии низкотемпературного прокаливания несоизмеримо меньше, чем экономический эффект, получаемый
за счет повышения энергоэффективности производства ОФ (п. 5.1.1).
Оценка содержания технологической добавки в пыли при выбивке оболочковых форм. По результатам сравнительной оценки технических схем прокаливания ОФ
без опорного наполнителя и в опорном наполнителе определяем первую схему как
наиболее потенциально опасную по содержанию технологической добавки в пыли при
выбивке ОФ.
В этой связи расчет проводим для фактических условий ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина».
Для условий предприятия на 1 тонну литья требуется 100 кг керамики (в том числе 1
кг дихромата калия при его введении в обсыпку формы). Годовая программа производства на участке составляет 5000 тонн/год. Годовой фонд времени работы составляет
3593 ч при двухсменном режиме работы (для дальнейших расчетов принимаем 3600 ч).
Суточный фонд времени при двухсменном режиме работы составляет 16 ч.
Таким образом, суточная программа выпуска литья составляет 5000 
16
 22,2 т .
3600
Тогда на суточную программу выпуска литья потребуется 22,2 100  2220 кг керамики.
По заводским данным, на 1 кг керамического боя выделяется 2,3 г пыли.
Тогда на 2220 кг керамики будет выделяться 2220·2,3=5106 г = 5,11 кг пыли.
Получаем, что выделяется 5,11 кг/16 ч = 0,319 кг/ч = 319 г/ч.
При расходе воздуха в литейном цехе на приточную вентиляцию (без учета аэрации)
в расчете на одну тонну стальных отливок массой до 100 кг [312] 330000 м3/ч получаем
319 г/ч/330000 м3/ч = 0,001 г/м3= 1 мг/м3 (при ПДК пыли в воздухе рабочей зоны литейных цехов 2,0-4,0 мг/м3 [178]).
Таким образом, превышение ПДК по пыли не наблюдается.
171
По заводским данным, содержание дихромата калия в пыли не превышает 1%. Тогда
фактическое содержание дихромата калия в воздухе рабочей зоны составит:
1∙0,01 = 0,01 мг/м3 (при ПДК=0,01мг/м³ в пересчете на CrO3).
Таким образом, превышение ПДК в воздухе рабочей зоны по дихромату калия не
наблюдается [314].
Оценка экономической эффективности разработок проводилась экономическими
службами предприятий ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина» и ОАО «Правдинское конструкторское бюро» с учетом полученных энергоэффективности и снижения брака отливок и ОФ.
Соответствующие акты промышленного внедрения разработок на указанных предприятиях приведены в Приложении.
5.2 Организационно-технические мероприятия по внедрению разработок
в действующее производство
В условиях действующего производства получение литейной продукции требуемого
качества (в соответствии с техническими условиями, ГОСТ и международными стандартами) часто является проблемным: возможны получение дефектных (бракованных)
отливок, технологические потери при плавке и производстве литья, высокие энергетические затраты, нерациональное использование технологических материалов, загрязнение
окружающей среды.
К решению множества проблем предприятий нельзя подходить стихийно: необходима
процедура их ранжирования, в противном случае рациональный путь выхода из сложившейся ситуации не сможет быть найден. С целью выявления острых проблем в производстве литья по выплавляемым моделям был проведен технологический аудит профильных подразделений нескольких предприятий Нижегородского региона (ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина», ОАО «Правдинское конструкторское бюро», ОАО «НИТЕЛ», ОАО «Нижегородский машиностроительный завод»), предварительные результаты которого позволили выявить типичные проблемы
производства отливок способом точного литья, сохраняющие свою актуальность в течение многих лет.
Технологический аудит представляет собой способ проверки технологического со-
172
стояния структурного подразделения предприятия с использованием определенных критериев, позволяющий выявлять его сильные и слабые стороны. Это используется для
уточнения формулировки стратегии, направленной на повышение эффективности деятельности конкретного подразделения и предприятия в целом. Целью технологического
аудита является оценка способности предприятия интегрировать новые технологии, работать с партнерами, а также формирование понимания, что необходимо сделать для
успешного интегрирования и передачи новых технологий.
В этой связи рабочей группой кафедры «Литейно-металлургические процессы и сплавы» (с 2014 года – кафедра «Металлургические технологии и оборудование») Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева, в состав которой входил автор, предлагалось решать задачу помощи промышленным предприятиям, комплексно, в трѐх направлениях [315]: экономия материальных ресурсов; экономия
энергии и улучшение экологической обстановки.
В рамках первого направления «Экономия материальных ресурсов» ставилась задача
снижения брака продукции, например, по трещинам, за счѐт применения соответствующих мер по повышению трещиностойкости ОФ [316].
Соответствующие работы проводились в условиях действующего производства:
– ОАО «Правдинское конструкторское бюро» (мероприятия по повышению трещиностойкости ОФ стального ЛВМ технологическими методами; использование шламов селитровых ванн (промышленный отход производства автомобилей ОАО «ГАЗ») в качестве кислородсодержащего вещества, интенсифицирующего прокаливание ОФ (см. п.
4.5.1); применение отходов абразивной обработки деталей из черных сплавов в качестве
обсыпочного
материала
ОФ
(см.
п.
4.5.2);
абразивной
пыли
полировально-
шлифовальной обработки изделий из сплавов черных металлов в составе суспензии ОФ
для получения мелкозернистой структуры тонкостенных стальных отливок в условиях
управляемого теплоотвода (см. п. 4.6);
– ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина» (меры по
профилактике пироэффекта при заливке в опорном наполнителе оболочек с технологическими добавками кислородсодержащего вещества в обсыпочный материал (см. п. 4.3);
применение керамического боя в качестве обсыпочного материала ОФ (см. п. 4.5.3);
– ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» (использование отработанной
модельной композиции ПС 50-50 для защиты стальных отливок от обезуглероживания и
173
окисления при термической обработке (см. п. 4.5.4).
По итогам опытно-экспериментальных работ были получены результаты, позволяющие рекомендовать разработки к внедрению. По мнению автора, для этого от предприятий не потребуется затрат на техническое перевооружение, реконструкцию, обустройство дополнительных площадей, подвод коммуникаций, а также проведение ремонтностроительных работ.
Тем не менее, при использовании керамического боя в качестве обсыпочного материала может возникнуть необходимость приобретения дробилки для измельчения керамического боя и комплекта сит – для распределения его по фракциям, а при использовании отработанной модельной композиции ПС 50-50 может потребоваться применение
инструмента для очистки контейнеров, в которые загружаются отливки на термическую
обработку, от модельной композиции, налипшей на стенки.
Для направления «Экономия энергии» предлагалось применять кислородсодержащие
окислители в качестве добавки в состав материала керамических ОФ для ЛВМ с целью
сокращения ресурса электроэнергии, используемого для прокаливания ОФ – технология низкотемпературного прокаливания.
Соответствующие работы проводились в условиях действующего производства:
– ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина» – для схемы
прокаливания ОФ без опорного наполнителя;
– ОАО «Правдинское конструкторское бюро» – для схемы прокаливания ОФ в опорном наполнителе.
Проведен анализ возможных вариантов применения технологических добавок и выбор оптимального. В условиях действующего производства выполнено успешное экспериментальное опробование и внедрение данной технологии. Еѐ реализация на производстве позволила сократить энергозатраты на проведение операции прокаливания форм
при стальном ЛВМ почти в 3 раза (для ОАО «Арзамасский приборостроительный завод
им. П.И. Пландина») и 2,5 раза (для ОАО «Правдинское конструкторское бюро») при
сохранении высокого качества получаемых отливок.
Внедрение технологии в производство не только не требует существенных организационно-технических мероприятий по его реструктуризации, но и, кроме того, создает
условия для возможной замены дорогостоящих высокотемпературных прокалочных печей (с рабочей температурой свыше 1000°С) на более дешевые среднетемпературные (с
174
рабочей температурой от 500°С), а также существенного увеличения эксплуатационного
ресурса опочной оснастки для прокаливания ОФ.
В рамках направления «Улучшение экологической обстановки» предлагается повторное вовлечение отходов в технологический цикл ЛВМ в соответствии с идеей единой
ресурсо-экологической концепции современного производства, заключающейся в экономии потребляемых природных ресурсов, минимизации количества образующихся отходов и их воздействия на окружающую среду; утилизации накапливающихся отходов,
а также в использовании вторичных ресурсов [317].
Соответствующие работы проводились в условиях:
– ОАО «Правдинское конструкторское бюро» (использование шламов селитровых
ванн (промышленный отход производства автомобилей ОАО «ГАЗ») в качестве кислородсодержащего вещества, интенсифицирующего прокаливание ОФ (см. п. 4.5.1); применение отходов абразивной обработки деталей из черных сплавов в качестве обсыпочного материала ОФ (см. п. 4.5.2); абразивной пыли полировально-шлифовальной обработки изделий из сплавов черных металлов в составе суспензии ОФ для получения мелкозернистой структуры тонкостенных стальных отливок в условиях управляемого теплоотвода (см. п.4.6)
– ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина» (применение
керамического боя в качестве обсыпочного материала ОФ (см. п. 4.5.3);
– ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» (использование отработанной
модельной композиции ПС 50-50 для защиты стальных отливок от обезуглероживания и
окисления при термической обработке (см. п. 4.5.4).
Организационно-технические мероприятия по внедрению указанных разработок в
действующее производство совпадают с указанными выше для направления «Экономия материальных ресурсов».
Таким образом, мероприятия, реализуемые по всем трѐм указанным направлениям,
должны обеспечить снижение материалоѐмкости производства; повышение энергоэффективности технологического процесса литья за счѐт снижения температуры и времени
самой длительной и энергозатратной операции данного технологического процесса –
прокаливания ОФ перед подачей их на заливку металлическим расплавом; повышение
экологической безопасности за счѐт повторного вовлечения в технологический цикл
техногенных отходов (рециклинг и утилизация).
175
По мнению автора, разработки можно использовать на машиностроительных предприятиях, имеющих в своей структуре цеха или участки ЛВМ, выпускающие литые заготовки деталей различного назначения, в том числе для атомной, авиационной и автомобильной отраслей промышленности, из стали с целью решения многочисленных производственных проблем. Это обеспечит рациональное использование материалов, повышение энергоэффективности и экологической безопасности ЛВМ – способа получения деталей, являющимся сегодня конкурентоспособным во всем мире.
5.3 Перспективы применения разработок
В настоящее время в нашей стране активно реализуется курс на модернизацию экономики и ее ведущих отраслей, обусловленный необходимостью придания ей нового,
мощного импульса для развития, а также вступлением России во Всемирную торговую
организацию и общей тенденцией к глобализации. Это проявляется, прежде всего, в интенсивном развитии и расширении инновационной инфраструктуры и широком внедрении новых технологий в промышленности на основе таких приоритетов, как экологическая безопасность, энергоэффективность и экономия материальных ресурсов, техническом перевооружении производства и реконструкции действующих предприятий.
В Европе ожидается принятие новых более строгих предписаний в области энергоэффективности. В частности, Еврокомиссия предлагает введение национальных систем
повышения энергоэффективности, предусматривающих обязательства по ежегодному
снижению потребления энергии на 1,5% [207]. Кроме того, большое внимание уделяется
вопросам повышения экологической безопасности.
По данным Российской ассоциации литейщиков, в себестоимости литья энергетические затраты составляют 50-60%, а материалы – 30-35%.
Способ ЛВМ, рассматриваемый в диссертационном исследовании, в настоящее время
реализуют более 300 машиностроительных предприятий только на территории Приволжского федерального округа. Отливки, получаемые методом ЛВМ находят применение во многих отраслях промышленности: машиностроение, производство технологического оборудования, электротехника и точная механика, автомобилестроение, лабораторная и измерительная техника, электроника, производство насосов и арматуры, авиационная, атомная, оборонная промышленность и других (например, для изготовления
176
рабочих колес, направляющих аппаратов, тонкостенных корпусов, патрубков и выхлопных труб в автомобилях, нагнетателей технологического газа и т.д.). Для обеспечения
значительных преимуществ на рынке сбыта перед промышленными предприятиями, в
том числе и реализующими процесс точного литья, стоит задача эффективного использования и экономии как материальных, так и энергетических ресурсов.
При этом следует учесть наличие модели устойчивого экологически безопасного
промышленного развития ESID (Ecologically Sustainable Industrial Development). Ее цель
– удовлетворение потребностей людей без нарушения устойчивости биосферы. Концепция появилась в конце двадцатого столетия и заложила фундамент эпохи экологически
чистого производства / экологически чистых технологий [317].
Представленные в диссертационном исследовании разработки по снижению материалоемкости, повышению энергоэффективности, а также утилизации и рециклингу промышленных отходов в ЛВМ подтверждают факт одновременного достижения таких положительных эффектов как повышение экономичности процесса получения литья за
счет обеспечения стабильного качества получаемых отливок и снижение расходов на
мероприятия по захоронению промышленных отходов на специальных полигонах. Это
способствует реализации одного из принципов перехода Российской Федерации к модели устойчивого развития, а именно принципа «экологизации производства» (ДаниловДанильян В.И.) – применение экологически безопасных технологий, минимизирующих
экологический риск и негативное воздействие на окружающую среду.
В качестве перспективных направлений развития работы и задач, подлежащих решению, можно выделить следующие:
– проверка применимости технологии ЛВМ с использованием низкотемпературного
прокаливания ОФ для цветных сплавов (алюминиевые, титановые, жаропрочные);
– поиск резервов для экономии материальных ресурсов, используемых в технологическом процессе точного литья;
– поиск дешевых и доступных отечественных материалов, в частности, имеющих
техногенное происхождение, для замены дорогостоящих, в том числе импортных, применяемых в ЛВМ;
– активное продвижение концепции экологически безопасного промышленного развития применительно к технологии ЛВМ.
177
Выводы по главе 5
1. Проведена технико-экономическая оценка энергоэффективности результатов внедрения технической схемы низкотемпературного прокаливания ОФ без опорного наполнителя и в опорном наполнителе. Реализация разработки на производстве позволит
сократить энергозатраты на проведение операции прокаливания форм при стальном
ЛВМ почти в 3 раза с получением экономии 1,261 млн. руб. в рублевом эквиваленте
(для ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина») и 2,5 раза с
получением экономии 452,0 тыс. руб. в рублевом эквиваленте (для ОАО «Правдинское
конструкторское бюро») при сохранении высокого качества получаемых отливок.
2. Проведена оценка степени экологической безопасности внедрения
технологии
стального ЛВМ с применением низкотемпературного прокаливания ОФ. На основе анализа исходных реагентов и продуктов химических реакций, расчета стоимости захоронений отходов, а также оценки содержания технологической добавки в пыли при выбивке ОФ доказана экологичность внедрения разработки в действующее производство.
Показано, что затраты на захоронение отходов, образующихся в результате получения
стальных отливок методом ЛВМ, при использовании технологии ЛВМ с применением
технической схемы низкотемпературного прокаливания несоизмеримо меньше, чем
экономический эффект, получаемый за счет повышения энергоэффективности производства ОФ.
3. Экономическая эффективность использования технологии стального ЛВМ с применением низкотемпературного прокаливания ОФ подтверждена полученными актами
промышленного внедрения разработок на ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина» и ОАО «Правдинское конструкторское бюро».
4. Внедрение технологии стального ЛВМ с применением низкотемпературного прокаливания ОФ создает благоприятные условия, например, для возможной замены дорогостоящих высокотемпературных прокалочных печей (с рабочей температурой свыше
1000°С) на более дешевые среднетемпературные (с рабочей температурой от 500°С) и
существенного увеличения эксплуатационного ресурса опочной оснастки для прокаливания ОФ.
5. По результатам технологического аудита, проведенного автором в составе рабочей
группы кафедры «Литейно-металлургические процессы и сплавы» Нижегородского го-
178
сударственного технического университета им. Р.Е. Алексеева на некоторых предприятиях Нижегородского региона, имеющих в своей структуре участки точного литья
(ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина», ОАО «Правдинское конструкторское бюро», ОАО «НИТЕЛ», ОАО «Нижегородский машиностроительный завод»), даны рекомендации в части организационно-технических мероприятий
по экономии материальных ресурсов, энергии и улучшению экологической обстановки.
В качестве альтернативы материалам, применяемым в действующем производстве,
предложены:
– шламы селитровых ванн в качестве кислородсодержащего вещества, интенсифицирующего прокаливание ОФ;
– отходы абразивной обработки деталей из черных сплавов в качестве обсыпочного
материала ОФ;
– керамический бой в качестве обсыпочного материала ОФ;
– отработанная модельная композиция ПС 50-50 для защиты стальных отливок от
обезуглероживания и окисления при термической обработке;
– абразивная пыль полировально-шлифовальной обработки изделий из сплавов черных металлов для получения мелкозернистой структуры тонкостенных стальных отливок в условиях управляемого теплоотвода.
6. По мнению автора, внедрение разработок в действующее производство не только
не потребует затрат на техническое перевооружение, реконструкцию, обустройство дополнительных площадей, подвод коммуникаций, а также проведение ремонтностроительных работ, но и обеспечит снижение материалоѐмкости производства, повышение энергоэффективности ЛВМ и экологической безопасности за счѐт повторного вовлечения в технологический цикл техногенных отходов.
7. Сформулированы перспективные направления развития работы и задачи, подлежащие решению.
179
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведен информационно-аналитический обзор состояния вопроса, результаты которого показали недостаточную степень разработанности темы, противоречия во взглядах
ученых, занимающихся исследованиями в области стального ЛВМ, и необходимость
решения проблем снижения материалоѐмкости производства, повышения энергоэффективности и экологической безопасности технологического процесса точного литья.
Предложена авторская упрощенная версия классификации способов обеспечения качества ОФ ЛВМ, предусматривающая их деление на два возможных направления (конструкторское и технологическое), которая может быть использована на производстве при
выборе вариантов решения проблемы.
Сформулировано модельное представление об операции прокаливания ОФ на основе
кварца, базирующееся на трех аспектах:
– термомеханическом аспекте, непосредственно связанном с реализацией термовременного режима прокаливания с учетом возникновения и распределения напряжений и
деформаций в ОФ;
– физико-химическом аспекте, подразумевающем оценку протекания возможных полиморфных превращений, физических процессов и химических реакций в материале
ОФ;
– функциональном аспекте, предусматривающем основное целевое назначение операции прокаливания, а именно, удаление остатков модельной композиции и обеспечение завершенности спекания материала формы.
Показано, что ключевые процессы, связанные с образованием оболочки (удаление из
литейной формы остатков модельного состава и воды после выплавления модельной
композиции, завершение основных превращений в связующем, спекание огнеупорного
материала оболочки на основе кварца при одновременном обеспечении необходимой
газопроницаемости формы и минимальной ее газотворности) проходят в основном при
температурах не выше 600˚С. Тем самым создаются предпосылки для приближения к
этой границе температурного максимума прокаливания при реализации термовременного режима данной операции.
Предложена, научно обоснована и подтверждена на практике рабочая гипотеза, согласно которой, введение соответствующих добавок способствует интенсификации уда-
180
ления модельной композиции и улучшению спекаемости кварцевой керамики в рабочем
слое ОФ, что позволяет оптимизировать термовременной режим прокаливания оболочек
за счет снижения температурного максимума и сокращения длительности пребывания
формы в печи.
Проанализированы варианты кислородсодержащих добавок в материал формы, разлагающихся при температурном воздействии и одновременно выполняющих роль сильных окислителей, позволяющих обеспечивать получение дополнительного количества
кислорода, необходимого для более полного сгорания остатков модельной композиции,
предотвращения накопления сажистого углерода в капиллярах оболочки, и выделения
тепла экзотермических реакций для повышения спекаемости ОФ и термодеструкции
связующего материала оболочки в температурной области не выше 700˚С, то есть повышения эффективности прокаливания ОФ.
Предложены варианты термовременного режима низкотемпературного прокаливания
оболочковых форм с кислородсодержащими добавками в материал ОФ в опорном наполнителе и без опорного наполнителя, позволяющие минимизировать временные и
энергетические затраты на операцию прокаливания керамических оболочек.
Выполнен анализ возможных рисков реализации технической схемы низкотемпературного прокаливания ОФ в условиях действующего производства и определены способы их возможного устранения и минимизации.
Предложена упрощенная расчетная методика оценки трещиностойкости ОФ ЛВМ,
согласно которой при расчете ОФ заменяется толстостенным цилиндром, для которого
отношение толщины стенки к внутреннему диаметру составляет не менее 1/20, нагруженным равномерно распределенным внутренним давлением и подвергающимся стационарному температурному воздействию изнутри. Предложена формула для приближенной оценки минимально допустимой толщины стенки ОФ на основе кварца, предусматривающей рассмотрение оболочки как сосуда, наполненного горячей жидкостью и
охлаждаемого снаружи.
На основе принципа замены сплошного цилиндра составным, разработанного Гадолиным А.В. применительно к металлическим конструкциям, теоретически показана
возможность управления свойствами многослойной ОФ ЛВМ (в частности, жесткость,
податливость и трещиностойкость) за счет рационального выбора материала каждого
слоя.
181
Теоретически оценены возможные риски реализации технической схемы низкотемпературного прокаливания ОФ.
На основе критерия термостойкости Александрова В.М., Кулакова Б.А. и Лонзингера В.А. проведена теоретическая оценка термостойкости / трещиностойкости ОФ, полученных с использованием технической схемы низкотемпературного прокаливания,
подтверждающая их большее значение по сравнению с ОФ, изготовленными по базовой
технологии, что объясняется большим значением пористости материала формы, обуславливающим возможности рационального распределения напряжений в стенке оболочки по типу сотовых конструкций.
На основе закономерностей газовыделения литейных форм при контакте с жидким
металлом, сформулированных Рыжиковым А.А., Спасским А.Ф. и Куманиным И.Б.,
проведен оценочный прогнозный расчет образования дефектов газового происхождения
при реализации технической схемы низкотемпературного прокаливания ОФ, подтверждающий ее эффективность. На фоне повышенной (на 30%) газотворности ОФ, изготовленных с применением технической схемы низкотемпературного прокаливания, относительно ОФ, изготовленных по традиционной технологии ЛВМ, газовыделение первых превышает газовыделение вторых только на 10%.
По итогам анализа известных физико-химических моделей возникновения поверхностных дефектов (в виде темных пятен, питтинга или окисной плены) в отливках из углеродистых, нержавеющих и жаропрочных легированных сталей, получаемых литьем по
выплавляемым моделям, показана несущественность риска их образования применительно к технической схеме низкотемпературного прокаливания ОФ.
Проведена практическая проверка вариантов технических схем низкотемпературного прокаливания ОФ в условиях действующего производства.
Доказана эффективность применения дихромата калия K2Cr2O7
в количестве
5,0-10,0% от массы зернистого материала обсыпки и борной кислоты H3BO3 в количестве 2,0-3,0% от массы зернистого материала обсыпки – для технической схемы прокаливания без опорного наполнителя и дихромата калия K2Cr2O7 или перманганата калия
KMnO4 в состав суспензии в количестве 0,5-1,0% от ее массы и борной кислоты H3BO3
в количестве 3,0-4,0% от массы суспензии – для технической схемы прокаливания в
опорном наполнителе.
Решена задача профилактики пироэффекта при заливке в опорном наполнителе обо-
182
лочек с технологическими добавками кислородсодержащего вещества в обсыпочный
материал. Разработан способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм
по выплавляемым моделям, включающий нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, обсыпку зернистым материалом, введение, начиная со второго
слоя оболочки, в составе зернистого материала для обсыпки, кислородсодержащего вещества в количестве 5-10% масс. и борной кислоты в количестве 2-3% масс., вытопку
моделей, сушку и прокалку; при этом в первый слой оболочки, в составе зернистого материала для обсыпки, вводят порошок алюминия в количестве 5-10% масс. Экспериментально доказано, что реализация предложенного способа обеспечивает снижение брака
отливок по дефекту «недолив», а также гарантирует предотвращение пироэффекта при
их заливке металлическим расплавом, а также повышает безопасность процесса ЛВМ
при высоком качестве ОФ и отливок.
Предложен новый термин «потенциал газотворности материала формы» – объѐм газа,
который может выделить навеска материала формы при нагреве в температурном интервале от начала прокаливания до заливки еѐ металлическим расплавом. По мнению
автора диссертации, его использование обеспечит более адекватную оценку процесса
газовыделения литейных форм, учитывающую специфику ЛВМ.
Выявлен эффект более полной реализации потенциала
газотворности материала
формы в условиях низкотемпературного прокаливания с использованием кислородсодержащих технологических добавок, проявляющийся в виде дополнительного пика на
экспериментальной кривой газотворности, позволяющий говорить о принципиальной
возможности управления потенциалом газотворности материала ОФ.
Разработана методика сравнительной экспериментальной оценки образования газовых дефектов в отливках, получаемых ЛВМ, на основе анализа потенциала газотворности материала ОФ, позволяющая по итогам традиционного экспериментального контроля газопроницаемости и газотворности материала ОФ, на стадии ее изготовления, прогнозировать образование газовых дефектов в стальных отливках, получаемых способом
точного литья. Данная методика использована для доказательства эффективности применения технической схемы низкотемпературного прокаливания ОФ стального ЛВМ.
В качестве альтернативы материалам, применяемым в технологии ЛВМ действующего производства предприятий ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им.
П.И. Пландина», ОАО «Правдинское конструкторское бюро», ОАО «Нижегородский
183
машиностроительный завод», предложены:
– шламы селитровых ванн в качестве кислородсодержащего вещества, интенсифицирующего прокаливание ОФ;
– отходы абразивной обработки деталей из черных сплавов в качестве обсыпочного
материала ОФ;
– керамический бой в качестве обсыпочного материала ОФ;
– отработанная модельная композиция ПС 50-50 для защиты стальных отливок от
обезуглероживания и окисления при термической обработке;
– абразивной пыли полировально-шлифовальной обработки изделий из сплавов черных металлов для получения мелкозернистой структуры тонкостенных стальных отливок в условиях управляемого теплоотвода.
Соответствующие технологии, разработанные автором, прошли успешное опытноэкспериментальное опробование на предприятиях.
Разработан простой, экономичный и приемлемый для действующего производства
путь получения тонкостенных стальных отливок за счет обеспечения управляемого теплоотвода, связанный с использованием отходящего тепла залитой ОФ и технологических добавок абразивной пыли полировально-шлифовальной обработки изделий из
сплавов черных металлов в материал ОФ, гарантирующих получение мелкозернистой
структуры, который может быть пригоден для вариантов заливки форм в опорном наполнителе и без такового.
Технологические варианты стального ЛВМ с применением низкотемпературного
прокаливания ОФ внедрены в действующее производство ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина» и ОАО «Правдинское конструкторское бюро».
Проведена технико-экономическая оценка энергоэффективности технологии стального ЛВМ с применением низкотемпературного прокаливания ОФ для схем без опорного
наполнителя и в опорном наполнителе. Реализация разработки на производстве позволит сократить энергозатраты на проведение операции прокаливания форм при стальном
ЛВМ почти в 3 раза – для
ОАО «Арзамасский приборостроительный завод им.
П.И. Пландина» и 2,5 раза – для ОАО «Правдинское конструкторское бюро» при сохранении высокого качества получаемых отливок.
Проведена оценка степени экологической безопасности технологии стального ЛВМ с
применением низкотемпературного прокаливания ОФ. На основе анализа исходных
184
реагентов и продуктов химических реакций, расчета стоимости захоронений отходов, а
также оценки содержания технологической добавки в пыли при выбивке ОФ доказана
экологичность внедрения разработки в действующее производство. Показано, что затраты на захоронение отходов, образующихся в результате получения стальных отливок
методом ЛВМ, при использовании технической схемы низкотемпературного прокаливания несоизмеримо меньше, чем экономический эффект, получаемый за счет повышения
энергоэффективности производства ОФ.
Экономическая эффективность использования технологии стального ЛВМ с применением низкотемпературного прокаливания
ОФ подтверждена полученными актами
промышленного внедрения разработок.
Таким образом, основные выводы по диссертационному исследованию могут быть
сформулированы следующим образом:
1. Предложена авторская упрощенная версия классификации способов обеспечения
качества ОФ ЛВМ, которая может быть использована на производстве при выборе вариантов решения проблемы.
2. Сформулировано модельное представление об операции прокаливания ОФ на основе кварца, базирующееся на трех аспектах:
– термомеханическом аспекте, непосредственно связанном с реализацией термовременного режима прокаливания с учетом возникновения и распределения напряжений и
деформаций в ОФ;
– физико-химическом аспекте, подразумевающем оценку протекания возможных полиморфных превращений, физических процессов и химических реакций в материале
ОФ;
– функциональном аспекте, предусматривающем основное целевое назначение операции прокаливания, а именно, удаление остатков модельной композиции и обеспечение завершенности спекания материала формы.
Предложены и научно обоснованы варианты низкотемпературного прокаливания ОФ
в опорном наполнителе и без опорного наполнителя, позволяющие минимизировать
временные и энергетические затраты на операцию прокаливания керамических оболочек за счет введения кислородсодержащих добавок в состав материала ОФ.
3. Предложена авторская методика оценки трещиностойкости ОФ ЛВМ, предусмат-
185
ривающая замену ОФ при расчете толстостенным цилиндром с определенными параметрами. Предложена формула для приближенной оценки минимально допустимой
толщины стенки ОФ на основе кварца.
Теоретически показана возможность управления свойствами многослойной ОФ ЛВМ
(в частности, жесткость, податливость и трещиностойкость) за счет рационального выбора материала каждого слоя.
Эффективность предложенной технической схемы низкотемпературного прокаливания ОФ подтверждена результатами теоретической оценки термостойкости / трещиностойкости ОФ и оценочного прогнозного расчета образования дефектов газового происхождения, базирующихся на известных представлениях о трещинообразовании, газовыделении литейных форм и физико-химических моделях возникновения поверхностных
дефектов в стальном ЛВМ, сформулированных другими исследователями.
4. Предложен новый термин «потенциал газотворности материала формы» – объѐм
газа, который может выделить навеска материала формы при нагреве в температурном
интервале от начала прокаливания до заливки еѐ металлическим расплавом, позволяющий проводить более адекватную оценку процесса газовыделения литейных форм, учитывающую специфику ЛВМ.
Экспериментально выявлен эффект более полной реализации потенциала газотворности материала формы в условиях низкотемпературного прокаливания с использованием кислородсодержащих технологических добавок.
Разработана методика сравнительной экспериментальной оценки образования газовых дефектов в отливках, получаемых ЛВМ, на основе анализа потенциала газотворности материала ОФ, позволяющая по итогам традиционного экспериментального контроля газопроницаемости и газотворности материала ОФ, на стадии ее изготовления, прогнозировать образование газовых дефектов в стальных отливках, получаемых ЛВМ.
5. Разработаны технологические варианты стального ЛВМ с применением низкотемпературного прокаливания ОФ, предусматривающие использование кислородсодержащих добавок в материал ОФ:
– дихромата калия K2Cr2O7 и борной кислоты H3BO3 в составе обсыпочного материала ОФ – для технической схемы прокаливания без опорного наполнителя;
– дихромата калия K2Cr2O7 или перманганата калия KMnO4 и борной кислоты H3BO3
в составе суспензии ОФ – для технической схемы прокаливания в опорном наполните-
186
ле.
Решена задача предотвращения пироэффекта при заливке расплавом ОФ в опорном
наполнителе: ввод порошка алюминия в обсыпку в необходимом количестве позволил
связать избыточный кислород, выделяющийся при термодеструкции технологических
добавок, что обеспечило безопасность процесса ЛВМ.
6. Разработан ряд технологических решений, предусматривающих использование в
ЛВМ пяти наименований техногенных отходов:
– шламов селитровых ванн в качестве кислородсодержащего вещества, интенсифицирующего прокаливание ОФ;
– отходов абразивной обработки деталей из черных сплавов в качестве обсыпочного
материала ОФ;
– керамического боя в качестве обсыпочного материала ОФ;
– отработанной модельной композиции ПС 50-50 для защиты стальных отливок от
обезуглероживания и окисления при термической обработке;
– абразивной пыли полировально-шлифовальной обработки изделий из сплавов черных металлов для получения мелкозернистой структуры тонкостенных стальных отливок в условиях управляемого теплоотвода.
7. Результаты работы освоены в условиях действующего производства с получением
экономического эффекта, что подтверждается актами промышленного внедрения.
В качестве перспективных направлений дальнейшей разработки темы выбраны:
– проверка применимости технологии ЛВМ с использованием низкотемпературного
прокаливания ОФ для цветных сплавов (алюминиевые, титановые, жаропрочные);
– поиск резервов для экономии материальных ресурсов, используемых в технологическом процессе точного литья;
– поиск дешевых и доступных отечественных материалов, в частности, имеющих
техногенное происхождение, для замены дорогостоящих, в том числе импортных, применяемых в ЛВМ;
– активное продвижение концепции экологически безопасного промышленного развития применительно к технологии ЛВМ.
187
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Евстигнеев, А.И. Решение проблем формообразования в ЛВМ / А.И. Евстигнеев,
И.Г. Сапченко // Литейное производство. – 2012. – №9. – С. 37–40.
2. Петров, В.В. Трещиностойкость оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям / В.В. Петров. – Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет, 2000. – 78с.
3. Чернов, В.П. Исследование теплофизических свойств и термической стойкости
оболочковых форм на основе кварцевого песка и золы ТЭЦ для литья по выплавляемым
моделям / В.П. Чернов, Е.Н. Астапов, Е.А. Сафонова // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. – 2011. – №5. – С. 40–43.
4.
Озеров, В.А. Литье повышенной точности по разовым моделям / В.А. Озеров,
В.Ф. Гаранин. – М.: Высшая школа, 1988. –87с.
5. Литье по выплавляемым моделям / Я.И. Шкленник [и др.]; под ред. Я.И. Шкленника, В.А. Озерова. – М.: Машгиз, 1961. – 455с.
6.
Белов, В.Д. Некоторые особенности получения литых заготовок лопаток КВД и
ТВД газотурбинного двигателя из алюминида титана методом литья в керамическую
форму по выплавляемым моделям / В.Д. Белов, А.В. Фадеев // Новости материаловедения. Наука и техника. – 2014. – №2. – С. 2-3.
7. Тимофеев, Г.И. Автоматизированное проектирование пресс-форм для литья по
выплавляемым моделям / Г.И.Тимофеев, А.В. Нищенков // Литейное производство. –
1993. – №12. – С.21–22.
8. Уваров, Б.И. Оптимизация приготовления связующих и суспензий способом барботажного перемешивания / Б.И. Уваров, Е.А. Чернышов, Н.А. Кашуба // Технология и
организация производства: период. науч.-произв. сб. Укр. науч.-исслед. ин-т науч.-техн.
информ. и технико-экон. исслед. – Киев, 1988. – № 2. – С.31–33.
9. Чернышов, Е.А. Получение керамических форм на модифицированном этилсиликатном связующем / Е.А. Чернышов, Б.И. Уваров // Пути повышения качества литых заготовок в машиностроении: Материалы областной научно-технической конференции. –
ГПИ им. А.А.Жданова. – Горький, 1985. – С.11–12.
10. Шатульский, А.А. Применение ЭВМ для разработки технологии литья по выплавляемым моделям / А.А. Шатульский, В.В. Чистяков, В.А. Токарев // Литейное производство. – 1990. – №10. – С. 19–20.
11. Шатульский, А.А. Экспериментальное и теоретическое изучение процессов за-
188
полнения форм литья по выплавляемым моделям / А.А. Шатульский, В.А. Изотов, А.А.
Акутин // Материалы VI Съезда литейщиков России. – М., 1999. – С. 258–260.
12. Илларионов, И.Е. Формовочные материалы и смеси: в 2 Ч. / И.Е. Илларионов,
Ю.П. Васин. – Чебоксары: Изд-во ЧувГУ, 1992.
13. Кулаков, Б.А. Научная школа литейщиков Южного Урала / Кулаков Б.А. // Литейное производство сегодня и завтра: труды 9-й Международной научно-практической
конференции. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – С. 87–94.
14. Знаменский, Л.Г. «Активация» этилсиликатных связующих наносекундными
электромагнитными импульсами / Л.Г. Знаменский // Литейное производство. – 2002. –
№9. – С. 25–26.
15. Ивочкина, О.В. Электроимпульсно-фильтрационное формообразование в точном
литье / О.В. Ивочкина, Л.Г. Знаменский, И.Н. Ердаков, В.К. Дубровин // Труды седьмого Съезда литейщиков России. – Т.2. – Ростов н/Д, 2007. – С. 111–116.
16. Специальные способы литья: Справочник / В.А. Ефимов, Г.А. Анисович, В.Н. Бабич [и др.]; под общ. ред. В.А. Ефимова. – М.: Машиностроение, 1991. – 436с.
17. Курчман, Б.С. Точное литье / Б.С. Курчман. – М.: Оборонгиз, 1954. – 143с.
18. Литье по выплавляемым моделям / В.Н. Иванов, С.А. Казеннов, Б.С. Курчман [и
др.]; под ред. Я.И. Шкленника, В.А. Озерова. – М.: Машиностроение, 1984. – 408с.
19. Иванов, В.Н. Специальные виды литья / В.Н. Иванов / Под ред. В.С. Шуляка. –
М.: МГИУ, 2008. – 316с.
20. Небогатов, Ю.Е. Специальные виды литья / Ю.Е. Небогатов, В.И. Тамаровский. –
М.: Машиностроение, 1975. – 175с.
21. Специальные технологии литейного производства: в 2 ч. Ч.2 / А.И. Евстигнеев [и
др.]; под общ. ред. А.И. Евстигнеева, Е.А. Чернышова. – М.: Машиностроение, 2012. –
436с.
22. Степанов, Ю.А. Технология литейного производства: Специальные виды литья /
Ю.А. Степанов, Г.Ф. Баландин, В.А. Рыбкин; под ред. Ю.А. Степанова. – М.: Машиностроение, 1983. – 287с.
23. Гини, Э.Ч. Технология литейного производства: Специальные виды литья / Э.Ч.
Гини, А.М. Зарубин, В.А. Рыбкин; под ред. В.А. Рыбкина. – М.: Изд. Центр «Академия»,
2005. – 352с.
24. Репях, С.И. Классификация выплавляемых модельных составов для точного литья [Электронный ресурс] // LITYO.COM: информационный ресурс по литейному производству.
–
URL:
http://lityo.com.ua/статьи/831-klassifikatsiya-vyplavlyaemykh-
189
modelnykh-sostavov-dlya-tochnogo-litya (дата обращения: 10.05.2014).
25. ООО «ВИТЕХ-СЕРВИС»: МВС-3Т – новые решения в улучшении свойств модельных восковых составов // Информационный бюллетень №3(228). – М.: ИТЦМ «Металлург», 2012. – С. 10–13.
26. Максютина, Л.Г. Современные модельные составы для литья по выплавляемым
моделям / Л.Г. Максютина // Литейное производство. – 1998. – №8. – С. 20–21.
27. Седельников, В.В. Перспективные модельные композиции для ЛВМ / В.В. Седельников, В.В. Аппилинский, В.П. Сабуров, О.М. Деуля // Литейное производство. –
1998. – №9. – С. 24 – 25.
28. Герасимов, С.П. Исследование процессов свободной и затрудненной линейной
усадки в условиях литья по выплавляемым моделям / С.П. Герасимов, В.А. Палачев,
Ю.В. Моргачева // Прогрессивные литейные технологии: Труды конференции. – М.: Лаборатория рекламы и печати, 2013. – С. 362–363.
29. Дементьев, И.О. Влияние условий хранения выплавляемых моделей на точность
отливок / И.О. Дементьев. В.А. Рыбкин // Литейное производство. – 2000. – №8. – С.
22–23.
30. Шендерович, И.З. Литниковая система для отливок по выплавляемым моделям //
Литейное производство. – 1958. – №9. – С. 23.
31. Евстигнеев, А.И. Выбор типа стояка при литье по выплавляемым моделям / А.И.
Евстигнеев, В.И. Куренков, В.В. Петров, И.П. Дмитревский, О.И. Чеберяк // Литейное
производство. – 1994. – №3. – С. 18–19.
32. Чубрин, В.А. Роль литниково-питающей системы в литье по выплавляемым моделям / В.А. Чубрин // Литейное производство. – 1996. – №8. – С. 29–32.
33. Малыгин, Ю.Д. Влияние серной кислоты на формирование слоя огнеупорной
суспензии для форм ЛВМ / Ю.Д. Малыгин, О.И. Шаврин, П.Ю. Малыгин // Литейное
производство. – 1998. - №10. – С. 29–30.
34. Материалы для изготовления форм для ЛВМ [Электронный ресурс]: портал
«Производство и машиностроение». – URL:
http://poliformdetal.com/materialy-dlya-
izgotovleniya-form-dlya-lvm/ (дата обращения: 10.09.2013).
35. Дубровин, В.К. Термостойкие керамические формы на основе полифракционных
материалов / В.К. Дубровин, Б.А. Кулаков, А.В. Карпинский // Труды седьмого Съезда
литейщиков России. – Т.2. – Новосибирск: Изд. Дом «Историческое наследие Сибири»,
2005. – С. 114–118.
36. Чернов, Н.М. Перспективные технологические процессы в литье по выплавляе-
190
мым моделям / Н.М. Чернов // Труды седьмого Съезда литейщиков России. – Т.2. – Новосибирск: Изд. Дом «Историческое наследие Сибири», 2005. – С. 72–75.
37. Гагин, И.Н. Модифицированное связующее на основе щелочного кремнезоля и
алюмосиликатный огнеупорный наполнитель для суспензий литья по выплавляемым
моделям / И.Н. Гагин, Ю.Ф. Карпович // Литейщик России. – 2003. – №6. – С.33–34.
38. Дьячков, В.Н. Совершенствование технологии получения стальных отливок ответственного назначения литьем по выплавляемым моделям с целью повышения их качества / В.Н. Дьячков, А.М. Парамонов, К.В. Никитин, Г.С. Нуждин // Литейщик России. – 2013 – №10. – С. 36–38.
39. Савельев, Ю.Н. Совершенствование метода ЛВМ при изготовлении крупных
стальных отливок / Ю.Н. Савельев, А.С. Грибанов, А.А. Щетинин, Т.И. Сушко // Труды
седьмого Съезда литейщиков России. – Т.2. – Новосибирск: Изд. Дом «Историческое
наследие Сибири», 2005. – С. 79–85.
40. Лесников, А.К. Повышение эффективности производства в литье по выплавляемым моделям при использовании материала «Экосил-мелур» / А.К. Лесников, Ю.И. Фоломейкин, Л.В. Угадчикова // Литейщик России. – 2005. – №4. – С. 43–45.
41. Танкелевич, Б.Ш. Факторы заполняемости оболочковых форм из плавленого
кварца / Б.Ш. Танкелевич. А.А. Демидова, А.В. Абадаев // Литейное производство. –
1979. – №4. – С. 17–18.
42. Ахметов, Г.Ш. Влияние некоторых факторов на качество литья по выплавляемым
моделям / Г.Ш. Ахметов // Литье по выплавляемым моделям в приборостроении. –
Вып.2. – М., 1973. – С. 10–12.
43. Гаранин, С.В. Метод оценки качества гидролизованных растворов ЭТС-40, используемых при изготовлении оболочковых форм ЛВМ / С.В. Гаранин, В.В. Кошкин //
Литейщик России. – 2006. – №5. – С. 34–36.
44. Шкленник, Я.И. О двух способах гидролиза этилсиликата / Я.И. Шкленник // Литейное производство. – 1958. – №9. – С. 12–14.
45. Копылов, В.М. Этилсиликаты и продукты на их основе / В.М. Копылов, А.В. Лоханкин, Е.А. Озеренко, В.Н. Бочкарев // Литейное производство. – 1990. – №3. – С. 21–
22.
46. Способ приготовления суспензии с этилсиликатным связующим [Текст]: а. с.
№1303251 СССР: МПК В22 С5/04, 9/04 / авторы и заявители Уваров Б.И. [и др.]; патентообладатель ГПИ им. А.А. Жданова, опубл. 15.04.1987, Бюл. №14.
47. Евстигнеев, А.И. Совершенствование технологических процессов формообразо-
191
вания керамических форм / А.И. Евстигнеев, Г.И. Тимофеев, Е.А. Чернышов, И.Г. Сапченко. – Хабаровск, 1989. – 49с.
48. Чернышов, Е.А. Совершенствование технологии приготовления этилсиликатного
связующего / Е.А. Чернышов, Б.И. Уваров // Литейное производство. – 1984. – №8. – С.
21–22.
49. Кац, А.М. Модернизация системы управления вакуумно-аммиачной сушкой керамических блоков для литья лопаток по выплавляемым моделям / А.М. Кац, К.В.
Шварев. В.Е. Нескучаев // Литейщик России. – 2011. – №12. – С. 42–44.
50. Лоханкин, А.В. Новые готовые связующие для точного литья / А.В. Лоханкин //
Литейщик России. – 2012. – №5. – С. 42–44.
51. Клинова, Л.В. Оценка водных этилсиликатных связующих для оболочковых форм
по выплавляемым моделям / Л.В. Клинова, З.П. Калашникова, В.С. Осипчик, И.Н. Цапенко. – Литейное производство. – 1980. – №6. – С. 15–16.
52. Максимков, В.Н. Низкокремнеземистые этилсиликатные суспензии для керамических форм и стержней / В.Н. Максимков, А.Д. Романов, И.С. Матусевич // Литейное
производство. – 1983. – №3. – С. 18–19.
53. Кулаков, Б.А. Пути снижения дефектности отливок из никелевых сплавов при
литье по выплавляемым моделям / Б.А. Кулаков, В.К. Дубровин, А.Б. Кулаков, Л.Г.
Знаменский // Литейное производство. – 1995. – №10. – С. 24–25.
54. Иванова, Т.В. Совершенствование процесса изготовления керамических форм /
Т.В. Иванова, Г.А. Киселева, Т.М. Кириллова, П.И. Замараев // Литейное производство.
– 1992. – №7. – С. 18–19.
55. Муркина, А.С. Связующие растворы в производстве литья по выплавляемым моделям / А.С. Муркина // Литейщик России. – 2013. – №2. – С. 14–16.
56. Новый способ гидролиза этилсиликата без органических растворителей в производстве
литья
по
выплавляемым
моделям
//
Информационный
бюллетень
№9,10(138,139). – М.: ИТЦМ «Металлург», 2004. – С. 20.
57. Савельев, Ю.Н. Применение связующего «Сиалит-20» в крупногабаритном литье
по выплавляемым моделям / Ю.Н. Савельев, А.С. Грибанов, В.С. Кучеренко // Литейщик России. – 2006. – №5. – С. 26–28.
58. Мартынов, К.В. Особенности формирования структуры и поверхности контактного слоя керамических форм на основе ЭТС-40 и Сиалит-20С / К.В. Мартынов, В.О.
Емельянов, А.А. Бречко // Литейщик России. – 2006. – №2. – С. 24–27.
59. Мочалов, Н.А. Применение термостойкого связующего Сиалит-20 для совершен-
192
ствования технологий точного литья по выплавляемым моделям / Н.А. Мочалов, Е.Н.
Мочалова // Труды седьмого Съезда литейщиков России. – Т.2. – Новосибирск: Изд.
Дом «Историческое наследие Сибири», 2005. – С. 85–88.
60. Чулкова, А.Д. Использование кремнезоля для изготовления форм по выплавляемым моделям / А.Д. Чулкова, Н.А. Шабанова, Ю.И. Растегин, В.Н. Иванов// Литейное
производство. – 1981. – №11. – С. 16–18.
61. Иванов, В.Н. Кремнезольное связующее для литья по выплавляемым моделям /
В.Н. Иванов, И.Н. Гагин // Литейное производство. – 2000. – №10. – С. 29.
62. Емельянов, В.О. Водный раствор кремнезоля как альтернатива этилсиликату в
ЛВМ / В.О. Емельянов, К.В. Мартынов, В.Н. Мутилов, А.В. Соколов, В.П. Суханова //
Литейное производство. – 2012. – №3. – С. 30–31.
63. Емельянов, В.О. Керамические формы на бескремнеземном связующем / В.О.
Емельянов, К.В. Мартынов, Д.С. Тихонов, С.М. Рагозин // Литейное производство сегодня и завтра: труды 8-й Всероссийской научно-практической конференции. – СПб.: Издво Политехн. ун-та, 2010. – С. 318–321.
64. Способ изготовления бескремнеземных керамических форм для точного литья
металлов по выплавлеямым моделям [Текст]: пат. № 2411104 РФ: МПК В22С9/04 / авторы и заявители Муркина А.С. [и др.]; патентообладатели ФГУП ГНИИХТЭОС, ГОУ
ВПО «МАТИ», опубл. 10.02.2011.
65. Моисеев, В.С. Повышение качества литых лопаток ГТД / В.С. Моисеев, М.С.
Варфоломеев, А.С. Муркина, Г.И. Щербакова // Литейщик России. – 2012. – №5. – С.
36–38.
66. Ивочкина, О.В. Ресурсосберегающая технология формообразования в точном литье / О.В. Ивочкина, С.С. Верцюх, А.С. Варламов, Л.Г. Знаменский // Литейное производство сегодня и завтра: труды 9-й Международной научно-практической конференции. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – С. 409–412.
67. Илларионов. И.Е. Металлофосфатные связующие и смеси, особенности их отверждения / И.Е. Илларионов, И.А. Стрельников, Н.В. Петрова, А.Ф. Журавлев, А.А.
Моляков, С.Г. Макаров // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. – 2012. – №4(76). – С. 79–85.
68. Дубровин, В.К. Этилсиликатно-жидкостекольные керамические формы с ускоренным циклом изготовления / В.К. Дубровин, Л.Г. Знаменский, Б.А. Кулаков, О.М.
Пашнина, В.В. Береснев, А.С. Варламов // Труды восьмого Съезда литейщиков России.
– Т.2. – Р н/Д, 2007. – С. 105–110.
193
69. О ресурсосберегающих технологиях формообразования. Разработки ООО НПФ
«Промлит» // Информационный бюллетень №8(245). – М.: ИТЦМ «Металлург», 2013. –
С. 4.
70. Никифоров, С.А. Повышение огнеупорности жидкостекольной керамики комбинированных оболочек в ЛВМ / С.А. Никифоров, А.П. Никифоров, Е.П. Роот // Труды
седьмого Съезда литейщиков России. – Т.2. – Новосибирск: Изд. Дом «Историческое
наследие Сибири», 2005. – С. 95–99.
71. Кидалов, Н.А. Выбор технологических добавок в составы жидкостекольных смесей / Н.А. Кидалов // Литейщик России. – 2006. – № 7. – С. 37–41.
72. Макаревич, А.П. Керамические формы для литья по выплавляемым моделям с
низкомодульным жидким стеклом / А.П. Макаревич, А.С. Кочешков, Р.В. Лютый // Литейное производство. – 2005. – №10. – С. 20–22.
73. Ровнова, В.Д. Влияние предварительной обработки кварцево-силлиманитовых
наполнителей суспензии на качество керамических форм / В.Д. Ровнова, З.А. Шагеев,
В.М. Кононов // Новое в точном литье. – Киев, 1972. – С. 64–68.
74. Жуковский, С.С. Примеси железосодержащих минералов в кварцевых песках /
С.С. Жуковский, А.И. Лазутин, В.П. Петров, А.В. Мохов // Литейное производство. –
1984. – №8. – С. 14–15.
75. Малыгин, Ю.Д. Безгидролизная активизация этилсиликата в суспензиях для
форм ЛВМ / Ю.Д. Малыгин, О.И. Шаврин, П.Ю. Малыгин // Литейное производство. –
1999. – №12. – С. 18–20.
76. Раствор для удаления модельного материала из многослойных оболочковых форм
[Текст]: а.с. № 1201055 СССР: МПК В22D29/00, В22С7/02 / авторы и заявители Синюшин Ю.С. [и др.]; патентообладатель Ростовский научно-исследовательский институт
технологии машиностроения, опубл. 30.12.1985, Бюл. №48.
77. Шабанова, Н.А. Золь-гель технологии. Нанодисперсный кремнезем / Н.А. Шабанова, П.Д. Саркисов. – М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2012. – 328с.
78. Малыгин, Ю.Д. Засорный брак в ЛВМ / Ю.Д. Малыгин, О.И. Шаврин, П.Ю.
Малыгин // Литейное производство. –2000. – №2. – С. 25–27.
79. Богданов, М.Т. Влияние технологических факторов на прочность оболочки при
литье по выплавляемым моделям / М.Т. Богданов // Литейное производство. – 1958. –
№9. – С. 18–20.
80. Муркина, А.С. Исследование процессов сушки оболочковых форм / А.С. Муркина, О.Г. Оспенникова, В.Е. Хайченко // Литейное производство. – 2003. – №1. – С. 14–
194
16.
81. Гаранин, В.Ф. Влияние режимов сушки на прочность оболочек для литья по выплавляемым моделям / В.Ф. Гаранин, В.Г. Фирсов, А.С. Муркина // Литейное производство. – 1993. – №12. – С. 15–17.
82. Способ сушки оболочковых форм [Текст]: а.с. №1445848 СССР: МПК В22С9/04,
9/12 авторы и заявители Гелсциннус Г. [и др.]; патентообладатель ФЕБ Гиссерайанлагенбау унд Гуссерцейгниссе ГИСАГ, опубл. 23.12.1988, Бюл. №47.
83. Производство точных отливок / Я.И. Шкленник [и др.].– М.: Машиностроение,
1979. – 296 с.
84. Гаранин, В.Ф. Оптимизация режимов сушки оболочек для литья по выплавляемым моделям / В.Ф. Гаранин, В.Г. Фирсов, А.С. Муркина // Литейное производство. –
1991. – №5. – С. 28–29.
85. Знаменский, Л.Г. Гелеобразующий обсыпочный материал в литье по выплавляемым моделям / Л.Г. Знаменский, О.В. Ивочкина, А.С. Варламов // Литейщик России. –
2009. – №1. – С. 31–35.
86. Евстигнеев, А.И. Исследование закономерностей процесса выплавления моделей
из оболочковых форм / А.И. Евстигнеев, И.П. Дмитревский, И.Г. Сапченко, Г.И. Тимофеев // Литейное производство. – 1994. – №3. – С. 17–18.
87. Захватов, Ю.К. Удаление модельных масс из керамических форм в поле токов
высокой частоты / Ю.К. Захватов, И.Л. Рева, А.Н. Подымов // Авиационные материалы.
– Вып.6. – М.: ОНТИ, 1981. – С. 76–80.
88. Сапченко, И.Г. Технологические особенности снижения брака и улучшение экологии в литье по выплавляемым моделям при применении новой технологии изготовления комбинированных удаляемых моделей / И.Г. Сапченко, Г.Н. Жилин, А.И. Евстигнеев // Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов:
материалы межрегиональной научно-практической конференции. – Хабаровск: Изд-во
Хабаровского техн. ун-та, 2001. – С. 133–135.
89. Борщ, А.Н. Повышение точности и чистоты поверхности выплавляемых моделей
/ А.Н. Борщ, Ф.И. Бернацкий, Е.Б. Глотов, Н.Б. Диго // Литейное производство. – 1976. –
№9. – С. 32–33.
90. Курепин, В.И. Трещинообразование в оболочках форм при выплавлении модельного состава / В.И. Курепин // Литейное производство. – 1983. – №11. – С. 21–22.
91. Бабкин, В.Г. Самотвердеющая оболочковая форма для художественного литья по
выплавляемым моделям / В.Г. Бабкин, К.Ю. Калугин, А.А. Романов // Прогрессивные
195
литейные технологии: труды 4-й Международной научно-практической конференции. –
М.: ИД МЕДПРАКТИКА-М, 2007. – С. 187–191.
92. Золотой, А.Л. Стабилизация температурного режима формы при литье по выплавляемым моделям / А.Л. Золотой, В.М. Кононов // Литейное производство. – 1975. –
№11. – С. 30.
93. Писарев, И.Е. Безопочное прокаливание и заливка этилсиликатных оболочковых
форм / И.Е. Писарев, В.И. Мушиц, И.С. Ивахов // Литейное производство. –1984. – №9.
– С. 26–28.
94. Сокол, И.Б. Прокаливание форм в вакууме при литье по выплавляемым моделям /
И.Б. Сокол, Н.С. Старикова, Л.А. Жидкова // Литейное производство. – 1972. – №3. – С.
39–40.
95. Голенков, Ю.В. Силовое взаимодействие опорного материала с оболочковой
формой при литье по выплавляемым моделям / Ю.В. Голенков, В.А. Рыбкин, Р.Ф. Юсипов // Литейное производство. – 1988. – №2. – С. 14–15.
96. Танкелевич, Б.Ш. Газовыделения при прокаливании форм с этилсиликатным связующим / Б.Ш. Танкелевич. А.А. Демидова, А.В. Абадаев // Литейное производство. –
1979. – №12. – С. 21–22.
97. Ступишина, О.В. Исследование прочности керамических оболочек в производстве литья по выплавляемым моделям / О.В. Ступишина // Литейное производство. –
1958. – №9. – С. 14–17.
98. Пепелин, Б.А. Технология и оборудование для прокаливания и заливки форм при
литье по выплавляемым моделям / Б.А. Пепелин, В.М. Беляев // Литейное производство. – 1988. – №8. – С. 15–16.
99. Перевощиков, Э.П. Прокаливание керамических форм с заменой электрического
нагрева на газовый / Э.П. Перевощиков, Н.Е. Баженова // Литейное производство. –
1980. – №6. – С. 18–19.
100.
Дьячков, В.Н. Комплексный подход для повышения качества отливок из
стали 40ХЛ, получаемых способом ЛВМ / В.Н. Дьячков, К.В. Никитин // Литейное производство сегодня и завтра: труды 10-й Международной научно-практической конференции. – СПб.: Изд-во Культ-информ-пресс, 2014. – С. 324-330.
101.
Рудницкий, Ю.В. Безопочное прокаливание и заливка оболочковых форм
/ Ю.В. Рудницкий, В.В. Фомин, Л.И. Баранов, В.А. Чубрин // Литейное производство. –
1986. – №9. – С. 29.
102.
Кудачкин, Г.Б. Литье по выплавляемым моделям за рубежом / Г.Б. Кудач-
196
кин, А.П. Абатуров // Литье по выплавляемым моделям в приборостроении, 1973. –
Вып.2. – С. 26–29.
103.
Цайзер, Г.Г. Совершенствование процесса изготовления форм по выплав-
ляемым моделям / Г.Г. Цайзер, Ф.М. Березовский. А.Н. Сезганов, Т.М. Сухарева // Литейное производство. – 1982. – №11. – С. 15–16.
104.
Грибанов, А.С. Использование технологии точного литья по выплавляе-
мым моделям для изготовления крупногабаритных заготовок для деталей ответственного и особо ответственного назначения / А.С. Грибанов, П.П. Жернов // Литейщик России. – 2012. – №5. – С. 27–31.
105.
Способ прокаливания оболочковой формы [Текст]: а.с. №1245400 СССР,
МПК В22 С9/12 / автор и заявитель Жудинов М.И.; патентообладатель Жудинов М.И.,
опубл. 23.07.1986, Бюл. №27.
106. Способ прокаливания керамических форм [Текст]: пат. №2221670 РФ, МПК
В22С9/12 / автор и заявитель Суслов А.Е.; патентообладатель ОАО «Научнопроизводственное объединение «Сатурн», опубл. 20.01.2004.
107. Устройство для прокалки оболочковых форм в слое дисперсного материала
[Текст]: а.с. №1344501 СССР, МПК В22С9/12 / авторы и заявители Прозоров Е.Н. [и
др.]; патентообладатель Московский институт химического машиностроения, опубл.
15.10.1987.
108.
Способ изготовления керамической литейной формы [Текст]: а.с. №495140
СССР, МПК В22 С9/04 / авторы и заявители Перевозкин Ю.Л. [и др.]; патентообладатель Ростовский-на-Дону НИИ технологии машиностроения, опубл. 15.12.1975, Бюл.
№46.
109.
Способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм [Текст]:
а.с. №1101317 СССР, МПК В22С9/04 / авторы и заявители Кириевский Б.А. [и др.]; патентообладатель Институт проблем литья АН УССР, опубл. 07.07.1984.
110.
Способ прокаливания оболочковых форм для литья по выплавляемым мо-
делям [Текст]: а.с. №1210956 СССР, МПК В22С9/04 / авторы и заявители Кириевский
Б.А. [и др.]; патентообладатель Институт проблем литья АН УССР, опубл. 15.02.1986.
111.
Способ прокалки керамических форм, получаемых по выплавляемым мо-
делям [Текст]: а.с. №829316 СССР, МПК В22С9/12 / авторы и заявители Кириевский
Б.А. [и др.]; патентообладатели Тульский оружейный завод, Институт проблем литья
АН УССР, опубл. 15.05.1981, Бюл. №18.
112.
Способ выплавления модельной композиции из многослойной оболочко-
197
вой формы [Текст]: а.с. №1155347 СССР, МПК В22С7/02, В22С9/04 / авторы и заявители Найдек В.Л. [и др.]; патентообладатель Институт проблем литья АН УССР, опубл.
15.05.1985.
113.
Александрова, Е.Н. Усовершенствование технологии литья по выплавляе-
мым моделям / Е.Н. Александрова, Б.А. Кириевский // Перспективные технологии, материалы и оборудование в литейной индустрии: материалы Международной научнопрактической конференции. – Украина, Киев: Форум литейной индустрии, 2010. – С.
97–99.
114.
Способ прокаливания оболочковых форм [Текст]: а.с. №1147515 СССР,
МПК В22С9/12 / авторы и заявители Серебряков С.П. [и др.]; патентообладатель Рыбинский авиационный технологический институт, опубл. 30.03.1985.
115.
Состав связующего для суспензии [Текст]: пат. №2020023 РФ, МПК
В22С1/16 / автор и заявитель Глива В.К.; патентообладатель Бердянский завод «Южгидромаш», опубл. 30.09.1994.
116.
Раствор для пропитки оболочковых литейных форм [Текст]: а.с. №984625
СССР, МПК В22С3/00 / авторы и заявители Ченцов А.С. [и др.]; патентообладатель
Предприятие П/Я А-3697, опубл. 30.12.1982.
117.
Состав для обсыпки блоков моделей с керамическим покрытием [Текст]:
а.с. №1196095 СССР, МПК В22С1/00 / авторы и заявители Бушуева Л.Н. [и др.]; патентообладатель Предприятие П/Я Р-6500, опубл. 07.12.1985, Бюл. №45.
118.
Способ прокалки оболочковых форм [Текст]: а.с. №778905 СССР, МПК
В22С9/12 / авторы и заявители Прозоров Е.Н. [и др.]; патентообладатель Московский
институт химического машиностроения, Институт физической химии АН СССР, опубл.
15.11.1980, Бюл. №42.
119.
Способ обжига безопочных оболочковых форм [Текст]: а.с. №839657
СССР, МПК В22С9/12 / авторы и заявители Вербицкий В.Д. [и др.]; патентообладатель
НИИ технологии автомобильной промышленности, опубл. 23.06.1981.
120.
Способ прокалки керамических форм, получаемых по выплавляемым мо-
делям [Текст]: а.с. №927411 СССР, МПК В22С9/12 / авторы и заявители Танкелевич
Б.Ш. [и др.]; патентообладатели Танкелевич Б.Ш. [и др.], опубл. 15.05.1982, Бюл. №18.
121.
Способ прокаливания керамических форм [Текст]: а.с. №660773 СССР,
МПК В22С9/12 / авторы и заявители Масленников Н.Д. [и др.]; патентообладатель Институт проблем литья АН УССР, опубл. 05.05.1979, Бюл. №17.
122.
Способ прокалки литейных керамических форм, получаемых по выплав-
198
ляемым моделям [Текст]: а.с. №856647 СССР, МПК В22С9/12 / авторы и заявители Перевощиков Э.П. [и др.]; патентообладатель Предприятие П/Я М-5481, опубл. 23.08.1981.
123.
Способ изготовления форм по выплавляемым моделям [Текст]: а.с.
№1764770 СССР, МПК В22С9/04 / авторы и заявители Смирнов В.М. [и др.]; патентообладатель Днепропетровский металлургический институт, опубл. 30.09.1992.
124.
Способ прокалки керамических форм [Текст]: а.с. №270195 СССР, МПК
В22С9/04, В22С9/12 / авторы и заявители Мышалов С.В.[и др.]; патентообладатели
Мышалов С.В. [и др.], опубл.08.05.1970, Бюл. №16.
125.
Сокол, И.Б. Новое в технологии обжига форм для литья по выплавляемым
моделям / И.Б. Сокол, Б.А. Пепелин, В.И. Рутковский // Литейное производство. – 1960.
– №8. – С. 4–6.
126.
Сокол, И.Б. Некоторые вопросы обжига форм в вакууме / И.Б. Сокол, Н.С.
Старикова, Л.А. Жидкова // Новое в точном литье. – Киев, 1972. – С. 71–73.
127.
Шапранов, И.А. Использование сверхвысоких частот для прокаливания
оболочковых керамических форм / И.А. Шапранов, Г.М. Слепнев, С.П. Кокойкин, С.И.
Брыков, В.Н. Зимченко // Литейное производство. – 1990. – №7. – С. 24–25.
128.
Способ прокаливания форм, получаемых по выплавляемым моделям
[Текст]: а.с. №948531 СССР, МПК В22С9/12 / авторы и заявители Чихачев В.В. [и др.];
патентообладатель Тульский оружейный завод, Институт проблем литья АН УССР,
опубл. 07.08.1982, Бюл. №29.
129.
Способ прокаливания керамических форм [Текст]: а.с. №1655653 СССР,
МПК В22С9/12, В22С9/04 / автор и заявитель Перевощиков Э.П.; патентообладатели
Удмуртский государственный университет, Предприятие П/Я В-8062, опубл. 15.06.1991.
130.
Способ изготовления литейных форм [Текст]: а.с. №1156816 СССР, МПК
В22С9/00 / авторы и заявители Шинский О.И. [и др.]; патентообладатель Институт проблем литья АН УССР, опубл. 23.05.1985.
131.
Способ изготовления многослойных оболочковых форм по выплавляемым
моделям [Текст]: а.с. №1025480 СССР, МПК В22С9/04 / авторы и заявители Писарев
И.Е. [и др.]; патентообладатель Волгоградский инженерно-строительный институт,
опубл. 30.06.1983, Бюл. №24.
132.
Способ прокаливания форм, получаемых по выплавляемым моделям
[Текст]: а.с. №827248 СССР, МПК В22С9/12 / авторы и заявители Бушуев А.Н. [и др.];
патентообладатель Предприятие П/Я Р-6500, опубл. 07.05.1981.
133.
Кудрин, В.А. Теория и практика производства стали: учебник для вузов /
199
В.А. Кудрин. – М.: «Мир», ООО «Издательство АСТ», 2003. – 528с.
134.
Трухов, А.П. Литейные сплавы и плавка / А.П. Трухов, А.И. Маляров. –
М.: Академия, 2004. – 336с.
135.
Разумов, В.Н. Технология литейного производства / В.Н. Разумов. – Ива-
ново: Ивановский энергетический институт им. В.И. Ленина, 1974. – 171с.
136.
Чернышов, Е.А. Литейные дефекты. Причины образования. Способы пре-
дупреждения и исправления / Е.А. Чернышов, А.И. Евстигнеев. – Комсомольск-наАмуре: ГОУ ВПО «КнАГТУ», 2004. – 177с.
137.
Рускол, В.И. Проблемы литья по выплавляемым моделям / В.И. Рускол //
Литейное производство. – 1992. – №2. – С. 19–20.
138.
Лященко, Н.Н. Образование дефектов в отливках, изготавливаемых по вы-
плавляемым моделям / Н.Н. Лященко, Б.Б. Гуляев // Литейное производство. – 1960. –
№2. – С. 31–33.
139.
Чернышов, Е.А. Дефекты отливок и меры их предупреждения и исправле-
ния / Е.А. Чернышов. – Н.Новгород: НГТУ, 2002. – 166с.
140.
Семененко, А.А. Уточнение методики испытания образцов форм для литья
по выплавляемым моделям / А.А. Семененко // Литейное производство. – 1975. – №12.–
С. 23–24.
141.
Хрущева, Н.К. Определение прочности стержневой керамики при литье по
выплавляемым моделям / Н.К. Хрущева, И.М. Демонис, К.И. Рябцев, М.Ф. Солдатова,
В.М. Масленкова // Литейное производство. – 1986. – №11. – С. 15–16.
142.
Иванов, В.Н. Словарь-справочник по литейному производству / В.Н. Ива-
нов. – М.: Машиностроение, 1990. – 384с.
143.
Новый политехнический словарь / Гл. ред. А.Ю. Ишлинский. – М.: Большая
Российская энциклопедия, 2000. – 671с.
144.
Литейные формовочные материалы: Формовочные, стержневые смеси и
покрытия: справочник / А.Н. Болдин, Н.И. Давыдов, С.С. Жуковский [и др.] – М.: Машиностроение, 2006. – 507с.
145.
Васин, Ю.П. Расчет термостойкости оболочек при литье по выплавляемым
моделям / Ю.П. Васин, В.А. Лонзингер // Литейное производство. – 1987. – №2. – С.
20–21.
146.
Александров, В.М. Повышение термостойкости оболочковых форм для от-
ливок турбоколес / В.М. Александров, Б.А. Кулаков, В.А. Лонзингер // Литейное производство. – 1984. – №4. – С. 19–21.
200
147.
Формовочные материалы и технология литейной формы: справочник / С.С.
Жуковский, Г.А. Анисович, Н.И. Давыдов [и др.]; под общ. ред. С.С. Жуковского. – М.:
Машиностроение, 1993. – 432с.
148.
Аласкаров, Н.И. Исследование структуры и свойств оболочковых форм по
выплавляемым моделям при их прокаливании, заливке расплавом и кристаллизации отливок: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.16.04 / Аласкаров Нофал Иса оглы. – Комсомольск-на-Амуре, 1997. – 18с.
149.
Варламов, А.С. Технологические процессы ускоренного формообразования
в литье выплавляемым моделям: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.16.04 / Варламов
Алексей Сергеевич. – Челябинск, 2011. – 18с.
150.
Совершенствование технологических процессов в специальных видах ли-
тья / А.И. Евстигнеев, В.В. Петров, Е.А. Чернышов [и др.]. – Владивосток: Дальнаука,
2002. – 224 с.
151.
Дубровин, В.К. Теоретические основы и технологии процессов формооб-
разования на основе кремнеземистых и силикатных систем в точном литье: автореф.
дис. … д-ра техн. наук: 05.16.04 / Дубровин Виталий Константинович. – Челябинск,
2010. – 39с.
152.
Денисов, М.И. Разработка составов керамических суспензий и исследова-
ние свойств оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям на основе металлофосфатных связующих композиций: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.16.04 / Денисов Михаил Иванович. – Н.Новгород, 2000. – 16с.
153.
Некрасов, С.А. Особенности напряженно-деформированного состояния
оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям при их изготовлении и заливке
расплавом: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.16.04 / Некрасов Сергей Александрович. – Комсомольск-на-Амуре, 2003. – 24с.
154.
Редькин, И.А. Разработка и исследование процесса сушки керамических
оболочковых форм в условиях объемно-напряженного состояния: автореф. дис. … канд.
техн. наук: 05.16.04 / Редькин Иван Александрович. – М., 2010. – 16с.
155.
Петров, В.В. Теоретические и технологические основы управления свойст-
вами моделей и форм в литье по удаляемым моделям для получения качественных отливок: автореф. дис. … д-ра техн. наук: 05.16.04 / Петров Виктор Викторович. - Комсомольск-на-Амуре, 2002. – 41с.
156.
Сапченко, И.Г. Теория и практика формирования пористых структур в ли-
тье по выплавляемым моделям: автореф. дис. … д-ра техн. наук: 05.16.04 / Сапченко
201
Игорь Георгиевич. - Комсомольск-на-Амуре, 2011. – 30с.
157.
Шатульский, А.А. Развитие теории заполнения расплавом форм литья по
выплавляемым моделям и средств управления формированием микроструктуры отливок
типа «Лопатка» из жаропрочных сплавов: автореф. дис. … д-ра техн. наук: 05.16.04 /
Шатульский Александр Анатольевич. - Рыбинск, 2001. – 34с.
158.
Ким, Г.П. Использование разнослойных оболочковых форм / Г.П. Ким,
Н.В. Маркина, Н.Б. Зубкова // Литейное производство. – 2002. – №4. – С. 17–18.
159.
Жегур, А.А. Прочностные свойства форм для получения отливок по вы-
плавляемым моделям / А.А. Жегур // Литейное производство: технологии, материалы,
оборудование,
экономика
и
экология:
материалы
ІІ
Международной
научно-
практической конференции. – Киев: Физико-технологический институт металлов и
сплавов НАН Украины, 2012. – С.105–106.
160.
Колесник, К.Т. Повышение термической стойкости керамических оболочек
/ К.Т. Колесник, В.А. Скаженник, В.А. Шур // Литье по выплавляемым моделям в мелкосерийном производстве: материалы Всесоюзного семинара. – М.: НИИМАШ, 1966. –
С. 9–19.
161.
Никифоров, С.А. Механизм формирования термостойкости оболочковых
форм в ЛВМ / С.А. Никифоров, Д.В. Орлов, А.П. Никифоров // Литейное производство
сегодня и завтра: труды 8-й Всероссийской научно-практической конференции. – СПб.:
Изд-во Политехн. ун-та, 2010. – С. 311–318.
162.
Углев, Н.П. Термомеханические свойства керамик для литья по выплав-
ляемым моделям / Н.П. Углев, В.З. Пойлов, А.Л. Казанцев [и др.] // Литейное производство. – 2014. – №5. – С. 16-20.
163.
Способ литья точных заготовок деталей [Текст]: пат. №2083323 РФ: МПК
В22D27/04, В22С9/04 / автор и заявитель АОО «Уфимское моторостроительное производственное объединение»; патентообладатель АОО «Уфимское моторостроительное
производственное объединение», опубл. 10.07.1997.
164.
Суспензия для форм по выплавляемым моделям [Текст]: а.с. №1533811
СССР: МПК В22С1/18, В22С1/02 / авторы и заявители Славгородский Н.Д. [и др.]; патентообладатель ПО «Ростсельмаш», опубл. 07.01.1990.
165.
Способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по вы-
плавляемым моделям [Текст]: пат. №2412019 РФ: МПК В22С9/04 / авторы и заявители
Щербакова Г.И. [и др.]; патентообладатели ФГУП ГНИИХТЭОС, ГОУ ВПО «МАТИ»,
опубл. 20.02.2011.
202
166.
Суслов, А.Е. Некоторые аспекты технологии ЛВМ / А.Е. Суслов // Литей-
ное производство. – 2001. – №11. – С. 24–25.
167.
Огнеупорная суспензия для изготовления керамических оболочковых
форм, используемых в производстве литья по выплавляемым моделям [Текст]:
а.с.
№482235 СССР: МПК В22С1/00, В22С9/04 / авторы и заявители Гаюн Ю.А. [и др.]; патентообладатель Ростовский-на-Дону НИИ технологии машиностроения,
опубл.
30.08.1975, Бюл. №32.
168.
Способ изготовления литейных форм по выплавляемым моделям [Текст]:
а.с. №1731406 СССР: МПК В22С9/04 / авторы и заявители Андриенко В.И. [и др.]; патентообладатель Харьковский филиал ВНИИ литейного машиностроения, литейной
технологии, автоматизации литейного производства, опубл. 07.05.1992, Бюл. №17.
169.
Кулаков, Б.А. Пути повышения термической стойкости оболочковых форм
в литье по выплавляемым моделям / Б.А. Кулаков, С.А. Никифоров, Н.Ю. Фролова //
Вопросы теории и технологии литейных процессов: сб. науч. тр. – Челябинск: ЧГТУ,
1996. – С. 24–28.
170.
Береснев, В.В. Интенсивная технология изготовления комбинированных
оболочек ЛВМ на ООО «ЧТЗ-Уралтрак» / В.В. Береснев, Д.И. Ипанов, О.А. Гопоненко,
С.А. Никифоров, Е.П. Роот, А.П. Никифоров // Труды седьмого Съезда литейщиков России. – Т.2. – Новосибирск: Изд. Дом
«Историческое наследие Сибири», 2005. –
С. 157–159.
171.
Леушина, Л.И. Классификация вариантов повышения трещиностойкости
оболочковых форм литья по выплавляемым моделям / Л.И. Леушина, А.В. Нищенков,
Р.Н. Палавин // Заготовительные производства в машиностроении. – 2012. – №9. –
С. 3–7.
172.
Евстигнеев, А.И. Снижение брака оболочек при их прокаливании / А.И.
Евстигнеев, В.В. Петров, В.И. Куренков, В.В. Васин, Ри Хосен // Литейное производство. – 1992. – №4 – С. 20–21.
173.
Утешев, Г.В. Изготовление выплавляемых моделей литниковой системы
методом свободной заливки / Г.В. Утешев, И.А. Филиппова, А.Н. Любимов // Литейщик
России. – 2009. – №5. – С. 20–21.
174.
Макаревич, А.П. Смеси с карбонатным песком для упрочнения керамиче-
ских оболочковых форм / А.П. Макаревич, А.И. Савчишин, В.А. Клименко //Литейное
производство. – 1990. – №2. – С. 26
175.
Евстигнеев, А.И. Определение механических характеристик слоистых обо-
203
лочковых форм / А.И. Евстигнеев, И.Г. Сапченко, В.Н. Тышкевич, Г.И. Тимофееев //
Литейное производство. – 1992. – №8. – С. 25.
176.
Хмелев, Ю.Г. Поверхностное упрочнение керамических стержней на этил-
силикатном связующем / Ю.Г. Хмелев // Литейное производство. – 1986. – №9. – С. 17–
18.
177.
Евстигнеева, Н.С. Оптимизация процесса изготовления оболочковых форм
методом электрофореза / Н.С. Евстигнеева, В.А. Акопян, В.И. Крестьянов, В.В. Пиминов // Литейное производство. – 1984. – №8. – С. 19–20.
178.
Экология литейного производства / Ю.С. Юсфин [и др.]; под ред. А.Н.
Болдина [и др.]. – Брянск: Изд-во БГТУ, 2001. – 315с.
179.
Селиванов, Ю.А. СВЧ-энергия в процессах формообразования ЛВМ / Ю.А.
Селиванов // Повышение качества и эффективности литья по выплавляемым моделям. –
М.: МДНТП, 1989. – С. 91–97.
180.
Каблов, Е.Н. Технология удаления модельных масс из керамических форм
для литья по выплавляемым моделям / Е.Н. Каблов, И.М. Демонис, В.В. Деев, Ю.А.
Бондаренко, А.Р. Нарский // Литейное производство. – 2005. – №3. – С. 12–14.
181.
Васин, Ю.П. Повышение прочности керамических форм по выплавляемым
моделям / Ю.П. Васин, А.Н. Логиновский, А.Н. Копылов // Литейное производство. –
1983. – №4. – С. 42–43.
182.
Сапченко, И.Г. Пористые оболочковые формы / И.Г. Сапченко // Литейное
производство. – 1996. – №8. – С. 24–26.
183.
Юй, Г.М. Использование пористых материалов для форм отливок по вы-
плавляемым моделям / Г.М. Юй, С.Т. Моисеев, В.А. Рыбкин, А.А. Руденко // Литейное
производство. – 1979. – №4. – С. 33–34.
184.
Петров, В.В. Исследование возможности применения цеолитов в качестве
наполнителя суспензии и обсыпочного материала / В.В. Петров. А.И. Евстигнеев, В.В.
Телеш, В.И. Куренков, О.И. Чеберяк // Механика строительных конструкций из новых
материалов и проблемы практического внедрения в производство: сб. науч. тр. – Комсомольск-на-Амуре: КнАПИ, 1994. – С. 119–122.
185.
Приготовление суспензии для керамических и оболочковых форм / Е.А.
Чернышов [и др.] // Литейное производство. – 1983. – №6. – С.24–25.
186.
Чернышов, Е.А. Cовершенствование технологии приготовления этилсили-
катного связующего / Е.А. Чернышов, Б.И. Уваров // Литейное производство. – 1984. –
№8. – С. 21–22.
204
187.
Конотопов, В.С. Пористые формы в ЛВМ / В.С. Конотопов, В.Ф. Антипен-
ко, С.И. Кулагина // Литейное производство. – 1998. – №9. – С. 21.
188.
Евстигнеев, А.И. Армирование оболочковых форм фарфоровой крошкой /
А.И. Евстигнеев, В.В. Петров, В.И. Куренков, И.Г. Сапченко, В.В. Васин, Ри Хосен //
Литейное производство. – 1992. – №7. – С. 21–22.
189.
Карасев, А.И. Обсыпка шамотной крошкой оболочек при литье по выплав-
ляемым моделям / А.И. Карасев, С.И. Плис, М.Н. Телеван // Литейное производство. –
1974. – №6. – С. 39–40.
190.
Слепнев, Г.Н. Материал для изготовления керамических стержней и меха-
низм формирования его структуры / Г.Н. Слепнев, И.А. Шапранов, С.П. Кокойкин, В.Н.
Зинченко // Литейное производство. –1990. – №7. – С. 20–21.
191.
Тимофеев, Г.И. Армирующая суспензия для оболочковых форм при литье
по выплавляемым моделям / Г.И. Тимофеев, А.И. Евстигнеев, Ю.А. Зиновьев, Л.Ф. Лобанова, В.И. Лашин // Литейное производство. – 1981. – №5. – С. 18–19.
192.
Гагин, И.Н. Модифицированное связующее на основе щелочного кремне-
золя и алюмосиликатный огнеупорный наполнитель для суспензий литья по выплавляемым моделям / И.Н. Гагин, Ю.Ф. Карпович // Литейщик России. – 2003. – №6. –
С. 33–34.
193.
Ноздрин, В.Д. Применение алюмохромфосфатной связки при литье по вы-
плавляемым моделям / В.Д. Ноздрин, В.С. Омельченко, Т.К. Карцева, Н.М. Цаплева //
Литейное производство. – №4. – 1984. – С. 23.
194.
моделям
Готовые термостойкие связующие «Армосил» для литья по выплавляемым
от
компании
«СИТЕК»
[Электронный
ресурс].
–
URL:
http://www.ruscastings.ru/work/168/2130/2968/3895 (дата обращения: 10.02.2013).
195.
Емельянов, В.О. Структура и свойства керамических форм на связующем
«Армосил» / В.О. Емельянов, А.А. Бречко, К.В. Мартынов // Литейщик России. – 2007. –
№6. – С. 13–14.
196.
Селиванов, Ю.А. Изготовление двухслойных оболочковых форм / Ю.А.
Селиванов // Литейное производство. – 1990. – №7. – С. 22–23.
197.
Евстигнеева, М.Н. Изготовление тонкостенных отливок в керамических
формах / М.Н. Евстигнеева, В.А. Рыбкин, Р.Ф. Юсипов, Ю.В. Дедясов // Литейное производство. – 1984. – №10. – С. 21–22.
198.
Васин, Ю.П. Защитно-упрочняющее покрытие для оболочковых форм /
Ю.П. Васин, Ю.М. Иткин, А.Н. Логиновский, А.Н. Копылов // Литейное производство. –
205
1990. – №4. – С. 17.
199.
Писарев, И.Е. Ликвидация трещин в оболочковых формах при прокалива-
нии / И.Е. Писарев // Литейное производство. – 1975. – №7. – С. 19.
200.
Знаменский, Л.Г. Плакированные обсыпки в литье по выплавляемым мо-
делям / Л.Г. Знаменский, О.В. Ивочкина, А.С. Варламов. М.В. Судариков // Вестник
Южно-Уральского государственного университета. Серия Металлургия. – 2008. –
№9(109). – С. 37–40.
201.
Андронова, И.В. Стратегическое управление эффективным ресурсопотреб-
лением / И.В. Андронова // Российское предпринимательство. – 2006. – №9(81). –
С. 46-49.
202.
Дибров, И.А. Состояние и перспективные направления развития литейного
производства России / И.А. Дибров // Материалы X Съезда литейщиков России. – Казань: Изд-во «Вертолет», 2011. – С. 11-25.
203.
Стельмах, Н.Ю. Экономика и управление ресурсосбережением / Н.Ю.
Стельмах. – Бобруйск: БФ БГЭУ, 2010 – 126с.
204.
Геворкян, В.С. Управление ресурсосбережением как фактор повышения
конкурентоспособности предприятия: дис. ... канд. экон. наук: 08.00.05 / Геворкян Вазген Симонович. – М., 2003. – 164с.
205.
Ровин, Л.Е. Внедрение энергосберегающих технологий в литейном произ-
водстве / Л.Е. Ровин, С.Л. Ровин // Энергоэффективность. – 2005. – №4. – С. 22-24.
206.
Иоффе, М.А. Ресурсо- и энергосбережение в литейном производстве /
М.А. Иоффе, Г.А. Косников, Ю.А. Синев. – СПб.: Изд-во СЗТУ, 2006. – 207с.
207.
Шарф, А. Мегатема – энергоэффективность / А. Шарф // Черные металлы.
– 2012. – №1. – С. 58-61.
208.
Никифоров, С.А. Применение пирогенного кремнезема для огнеупорных
суспензий в ЛВМ / С.А. Никифоров, К.И. Гилевич // Литейное производство. – 2003. –
№7. – С. 18–19.
209.
Борисов, В.А. Регенерация материалов, используемых при изготовлении
керамических форм / В.А. Борисов, В.В. Варенцов, А.А. Жуков [и др.] // Литейное производство. – 2001. – №11. – С. 18–20.
210.
Обсыпочный материал [Текст]: а.с. №1364386 СССР: МПК В22С1/00 / ав-
торы и заявители Славгородский Н.Д. [и др.]; патентообладатель ПО «Ростсельмаш»,
опубл. 07.01.1988.
211.
Селиванова, Е.А. Оптимизация прокаливания оболочковых форм для литья
206
по выплавляемым моделям / Е.А. Селиванова, В.П. Чернов // Литейщик России. – 2010.
– №1. – С. 37–38.
212.
Селиванова, Е.А. Анализ термостойкости оболочковых форм для литья по
выплавляемым моделям / Е.А. Селиванова, В.П. Чернов // Литейное производство. –
2009. – №8. – С. 19–21.
213.
Суспензия для изготовления оболочковых форм на основе этилсиликатно-
го связующего [Текст]: пат. №2098217 РФ: МПК В22С1/16, В22С1/02, В22С1/10 / авторы и заявители Никифоров А.П. [и др.]; патентообладатель Челябинский государственный технический университет, опубл. 10.12.1997.
214.
Способ изготовления форм в производстве литья по выплавляемым моде-
лям [Текст]: а.с. №231069 СССР: МПК В22С9/04, С04В35/14 / авторы и заявители Пепелин Б.А. [и др.]; патентообладатель НИИ технологии автомобильной промышленности, опубл. 01.01.1968.
215.
Способ изготовления многослойной оболочковой формы по выплавляемым
моделям [Текст]: а.с. №1136883 СССР: МПК В22С9/04, В22С1/00 / авторы и заявители
Березовский Ф.М. [и др.]; патентообладатели Предприятие П/Я В-2302, Уральский научно-исследовательский и проектный институт строительных материалов, опубл.
30.01.1985.
216.
Лотош, В.Е. Фундаментальные основы природопользования. Книга третья.
Переработка отходов природопользования / В.Е. Лотош. – Екатеринбург: Полиграфист,
2007. – 503с.
217.
Козлов, А.В. Точное стальное литье по выплавляемым моделям / А.В. Коз-
лов. – М.: ГНТИ машиностроительной литературы, 1952. – 76с.
218.
Применение связующих в литейном производстве [Электронный ресурс] //
STROY-SERVER.RU. – URL: http://stroy-server.ru/notes/primenenie-svyazuyushchikh-vliteinom-proizvodstve (дата обращения: 05.04.2014).
219.
Бетехтин, А.Г. Курс минералогии / А.Г. Бетехтин. – М.: КДУ, 2007. – 720с.
220.
Бетехтин, А.Г. Минералогия / А.Г. Бетехтин. – М.: Государственное изда-
тельство геологической литературы, 1950. – 956c.
221.
Беркман, А.С. Пористая проницаемая керамика / А.С. Беркман. – М.: Гос-
стройиздат, 1959. – 170с.
222.
Васильев, Л.Л. Теплофизические свойства пористых материалов / Л.Л. Ва-
сильев, С.А. Танаева. – М.: Наука и техника, 1971. – 265с.
223.
Медведев, Я.И. Газы в литейной форме / Я.И. Медведев. – М.: Машино-
207
строение, 1965. – 239с.
224.
Матусевич, И.С. О спекании керамических форм и стержней / И.С. Мату-
севич // Литейное производство. – 1976. – №9. – С. 29–31.
225.
Леушин, И.О. О спекании керамических оболочковых форм для литья по
выплавляемым моделям / И.О. Леушин, В.А. Ульянов, Л.И. Леушина // Литейное производство. 2014. – №1. –С. 25–26.
226.
Химическая технология керамики и огнеупоров / Под ред. П.П. Будникова
и Д.Н. Полубояринова. – М.: Госстройиздат, 1972. – 553с.
227.
Гегузин, Я.Е. Физика спекания / Я.Е. Гегузин. – М.: Наука, 1984. – 312с.
228.
Ристич, М.М. Структура и механические свойства спеченных материалов:
Монография / М.М. Ристич, В.И. Трефилов, Ю.В. Мильман [и др.]. – Белград: Сербская
академия наук и искусств, 1999. – 261с.
229.
Производство технической керамики. Спекание [Электронный ресурс] //
PANDIA.RU: информационный портал. – URL: http://www.pandia.ru/399976 (дата обращения: 05.02.2012).
230.
Влияние добавок циркониевого нанопорошка на температуру спекания ке-
рамики / Студеникин, Г.В. [и др.] [Электронный ресурс] / Сайт РФЯЦ–ВНИИТФ. –
URL: http://toc.vniitf.ru/01ru/papers/16.htm (дата обращения: 11.04.2014).
231.
Леушина, Л.И. Энергосберегающая технология прокаливания оболочковых
форм для точного литья / Л.И. Леушина // Наука. Технологии. Инновации: материалы
Всероссийской конференции молодых ученых. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. – Ч.
2. – С. 256–257.
232.
Леушина, Л.И. Совершенствование технологии прокаливания оболочковых
форм для точного литья / Л.И. Леушина, А.В. Нищенков // Теория и технология металлургического производства: межрегиональный сб. науч. тр.; под ред. В.М. Колокольцева. – Магнитогорск: Изд-во ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. – Вып.10. – С.131–133.
233.
Леушина, Л.И. Варианты интенсификации процесса прокаливания оболоч-
ковых форм точного литья / Л.И. Леушина // Современные инновации в науке и технике:
сб. науч. тр. 4-й Международной научно-практической конференции, посвященной 50летию Юго-Западного государственного университета. – Курск: Изд-во Юго-Зап. гос.
ун-т, 2014. – Т.2. – С. 379–384.
234.
Леушина, Л.И. Прогрессивная технология прокаливания оболочковых
форм для точного стального литья / Л.И. Леушина, А.В. Нищенков, А.Ю. Субботин //
Литейщик России. – 2011. – №2. – С.40–42.
208
235.
Рабинович, В.А. Краткий химический справочник / В.А. Рабинович, З.Я.
Хавин. – Л.: Химия, 1978. – 392с.
236.
Доценко, В.К. Очистка алюминиевых отливок от остатков оболочки в рас-
плаве щелочи / В.К. Доценко, В.А. Марченко, Ю.В. Польгуев [и др.] // Литейное производство. – 1979. – №4. – С. 26–27.
237.
Способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм по вы-
плавляемым моделям [Текст]: пат. №2433013 РФ: МПК В22С9/04 / авторы и заявители
Леушин И.О. [и др.]; патентообладатель ГОУ ВПО «Нижегородский государственный
технический университет им. Р.Е. Алексеева», опубл. 10.11.2011, Бюл. №31.
238.
Нищенков, А.В. Повышение энергоэффективности работы участка точного
литья металлургического производства ОАО «Арзамасский приборостроительный завод» / А.В. Нищенков, Л.И. Леушина, С.Б. Смыслов // Заготовительные производства
Волго-Вятского региона: тр. второй научно-практической конференции. – Н.Новгород:
НРЛ, 2010. – С.163–164.
239.
Богословский, С.Д. Литье мелких стальных деталей по выплавляемым мо-
делям / С.Д. Богословский. – М.: Машиностроение, 1982. – 72с.
240.
Ененко, Г.М. Промышленные печи / Г.М. Ененко, Е.М.Степанов, Ю.П.
Филимонов. – М.: Машиностроение, 1964. – 360с.
241.
Чулкова, А.Д. Некоторые свойства оболочковых форм при высокой темпе-
ратуре / А.Д. Чулкова, В.Н. Иванов // Литейное производство. – 1980. – №6. – С. 13–14.
242.
Леушина, Л.И. Проблемы применения технологии низкотемпературного
прокаливания оболочковых форм литья по выплавляемым моделям / Л.И. Леушина, Р.Н.
Палавин // Литейное производство сегодня и завтра: труды 9-й Международной научнопрактической конференции. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – С. 419–423.
243.
Леушина, Л.И. О низкотемпературном прокаливании оболочковых форм /
Л.И. Леушина, Р.Н. Палавин // Литейное производство. – 2012. – №12. – С. 27–28.
244.
Леушина, Л.И. Технология низкотемпературного прокаливания оболочко-
вых форм точного литья / Л.И. Леушина, А.В. Нищенков, Р.Н. Палавин // Прогрессивные литейные технологии: труды VI Международной научно-практической конференции. – М.: НИТУ МИСиС, 2011. – С.167–169.
245.
Способ изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям
[Текст]: пат. №2375144 РФ: МПК В22С9/04 / авторы и заявители Булавин В.И. [и др.];
патентообладатель ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», опубл.
10.12.2009.
209
246.
Дьячков, В.Н. Совершенствование технологии получения отливок спосо-
бом ЛВМ / В.Н. Дьячков, А.М. Парамонов, К.В. Никитин // Литейщик России. – 2012. –
№5. – С. 32–33.
247.
Емельянов, В.О. Дуплексное отверждение форм ЛВМ / В.О. Емельянов,
К.В. Мартынов, Д.С. Тихонов // Материалы Х Съезда литейщиков России. – Казань:
Изд-во «Вертолет», 2011. – С. 359-361.
248.
Танкелевич, Б.Ш. Удаление модельной массы при прокаливании оболоч-
ковых форм / Б.Ш. Танкелевич, А.А. Демидова // Литейное производство. – 1974. – №6.
– С. 34–36.
249.
Медведев, Я.И. Газовые процессы в литейной форме / Я.И. Медведев. – М.:
Машинострение, 1980. – 200с.
250.
Казачков, Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов / Е.А. Ка-
зачков. – М.: Металлургия, 1988 – 288с.
251.
Голотенков, О.Н. Методика определения состава включений, образующих-
ся на границе раздела «металл-форма» при ЛВМ высокохромистых сталей / О.Н. Голотенков, Е.В. Брюханова, С.А. Макарова // Литейщик России. – 2010. – №6. – С. 40–42.
252.
Берстнев, А.А. Влияние состава формы по выплавляемым моделям и усло-
вий литья жаропрочных сталей на образование поверхностных дефектов / А.А. Берстнев, С.П. Серебряков // Литейщик России. – 2012. – №4. – С.20–23.
253.
Серебряков, С.П. Оценка окисления стали при заливке форм по выплав-
ляемым моделям / С.П. Серебряков, А.А. Берстнев // Справочник. Инженерный журнал.
– 2005. – №10. – С. 9–12.
254.
Серебряков, С.П. Предупреждение поверхностных дефектов при точном
литье стальных заготовок / С.П. Серебряков, А.Я. Ларионов, А.А. Берстнев // Литейное
производство. – 2004. – №11. – С. 24–26.
255.
Палавин, Р.Н. Теоретические предпосылки управления трещиностойко-
стью многослойной оболочковой формы для литья по выплавляемым моделям / Р.Н. Палавин, Л.И. Леушина, О.С. Кошелев // Литейщик России. – 2012. – №6. – С. 40–41.
256.
Кошелев, О.С. Упрощенная расчетная методика оценки трещиностойкости
оболочковых форм литья по выплавляемым моделям / О.С. Кошелев, Л.И. Леушина,
В.А. Ульянов // Литейщик России. – 2012. – №12. – С. 47–49.
257.
Дарков, А.В. Сопротивление материалов / А.В. Дарков, Г.С. Шпиро. – М.:
Высшая школа, 1989. – 624с.
258.
Юдаев, Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача / Б.Н. Юдаев. –
210
М.: Высшая школа, 1988. – 479с.
259.
Вафин, Р.К. Расчеты на прочность элементов машиностроительных конст-
рукций в среде MathCAD / Р.К. Вафин, Г.С. Егодуров, Б.И. Зангеев [и др.] ; под ред. Р.К.
Вафина. – Старый Оскол: ООО «ТНТ», 2006. – 580с.
260.
Леушина, Л.И. Оценка минимально допустимой толщины стенки оболоч-
ковой формы / Л.И. Леушина // Литейные процессы: Межрегиональный сборник научных трудов (вып. 10). – Магнитогорск: Изд-во ГОУ ВПО «МГТУ», 2011. – С. 60–63.
261.
Орлов, П.И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие.
В 2-х кн. Кн.1 / П.И. Орлов. – М.: Машиностроение, 1988. – 560с.
262.
Биргер, И.А. Расчет на прочность деталей машин: справочник / И.А. Бир-
гер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. – М.: Машиностроение, 1993. – 640с.
263.
Лейбензон, Л.С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде
/ Л.С. Лейбензон. – М., Л.: ОГИЗ, 1947. – 244с.
264.
Шпиндлер, С.С. Исследование термомеханических свойств оболочковых
форм по выплавляемым моделям / С.С. Шпиндлер, А.А. Неуструев, Р.Ф. Мамлеев // Литейное производство. – 1983. – №3. – С. 19–20.
265.
Будников, П.П. Химическая технология керамики и огнеупоров / П.П. Буд-
ников, Д.Н. Полубояринов. – М.: Издательство литературы по строительству, 1972. –
553с.
266.
Зальцман, Э.С. Теплообмен отливки и формы / Э.С. Зальцман. – Электро-
сталь: ЭПИ МГИСиС, 2006. – 260с.
267.
Петров, В.В. Трещиностойкость оболочковых форм / В.В. Петров, А.И. Ев-
стигнеев, Н.И. Аласкаров, В.В. Черномас, В.И. Одиноков // Литейное производство. –
1997. – №7. – С.27–28.
268.
Евстигнеев, А.И. Определение механических характеристик слоистых обо-
лочковых форм / А.И. Евстигнеев, И.Г. Сапченко, В.Н. Тышкевич, Г.И. Тимофеев // Литейное производство. – 1992. – №8. – С.25.
269.
Сапченко, И.Г. Технологические особенности повышения стойкости обо-
лочковых форм в литье по выплавляемым моделям при заливке металлом / И.Г. Сапченко, С.Г. Жилин // Вестник машиностроения. – 2009. – №9. – С.35–40.
270.
Писарев, И.Е. Свойства двухслойных керамических оболочек / И.Е. Писа-
рев // Литейное производство. – 1972. – №10. – С. 11–13.
271.
Петровский, П.В. Литейные компьютерные технологии в действии / П.В.
Петровский, М.В. Лосенкова, П.В. Аликин, П.Н. Никифоров // Материалы X Съезда ли-
211
тейщиков России. – Казань: Изд-во «Вертолѐт», 2011. – С. 456–462.
272.
Рыжиков, А.А. Теоретические основы литейного производства / А.А. Ры-
жиков. – Москва, Свердловск: Машгиз, 1961. – 447с.
273.
Куманин, И.Б. Вопросы теории литейных процессов. Формирование отли-
вок в процессе затвердевания и охлаждения сплава / И.Б. Куманин. – М.: Машиностроение, 1976. – 216с.
274.
Леушин, И.О. Прогнозирование образования дефектов газового происхож-
дения при изменении технологии литья по выплавляемым моделям / И.О. Леушин, В.А.
Ульянов, Л.И. Леушина // Известия вузов. Чѐрная металлургия. – 2013. – №11. –
С. 16–19.
275.
Энциклопедический словарь по металлургии: справочное издание. В 2-х т.
Т.1: А-О / Н.П. Лякишев и др. – М.: «Интермет Инжиниринг», 2000. – 412с.
276.
Лаптев, В.Г. Образование неметаллических включений в стальных отлив-
ках по выплавляемым моделям / В.Г. Лаптев, Ю.А. Степанов // Литейное производство.
– 1985. – №2. – С. 3–5.
277.
Лаптев, В.Г. Формирование окисной плены в потоке при заполнении форм
хромоникелевыми сталями / В.Г. Лаптев // Литейное производство. – 1980. – №6. – С. 8.
278.
Брюханова, Е.В. Технологические факторы и особенности окисления не-
ржавеющих сталей, влияющие на образование точечных дефектов на поверхности отливок при ЛВМ / Е.В. Брюханова, О.Н. Голотенков // Литейщик России. – 2012. – №12. –
С. 37–39.
279.
Леушина, Л.И. К вопросу образования неметаллических включений в
стальных отливках, полученных в оболочковых формах с применением низкотемпературного прокаливания / Л.И. Леушина, В.А. Ульянов // Прогрессивные литейные технологии: труды VII Международной научно-практической конференции. – Москва: Изд-во
НИТУ МИСиС, 2013. – С. 249–253.
280.
Леушина, Л.И. Промышленный инжиниринг участка точного литья метал-
лургического производства ОАО «Арзамасский приборостроительный завод» на основе
инновационных технических решений / Л.И. Леушина, А.В. Нищенков // Будущее технической науки: материалы X международной молодежной научно-технической конференции. – Н.Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2011. – С.236–237.
281.
Грачев, А.Н. Решение проблемы трещинообразования оболочковых форм
литья по выплавляемым моделям в условиях действующего производства / А.Н. Грачев,
Л.И. Леушина // Теория и технология металлургического производства: межрегиональ-
212
ный сб. науч. тр.; под ред. В.М. Колокольцева. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорского гос. техн. ун-та, 2012. – Вып.12. – С. 101–104.
282.
Леушина, Л.И. Опыт низкотемпературного прокаливания оболочковых
форм для точного литья / Л.И. Леушина, Р.Н. Палавин // Наука и практика. Перспективы
развития: материалы Всероссийской научно-практической конференции. – Набережные
Челны: ГОУ ВПО «КГТУ им. А.Н. Туполева», 2011. – С.22–24.
283.
Леушина, Л.И. Инновационные технические решения повышения трещи-
ностойкости оболочковых форм литья по выплавляемым моделям / Л.И. Леушина, В.А.
Ульянов, А.В. Нищенков // Теория и технология металлургического производства. –
2013. – №1(13). – С. 48–49.
284.
Леушин, И.О. Методика оценки образования газовых дефектов в стальных
отливках, получаемых по выплавляемым моделям / И.О. Леушин, В.А. Ульянов, Л.И.
Леушина // Литейщик России. – 2014. – №1. – С. 23–26.
285.
Михеев, М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеева. – М.:
Энергия, 1977. – 344с.
286.
Бобович, Б.Б. Переработка отходов производства и потребления: справоч-
ное издание / Б.Б. Бобович, В.В. Девяткин. – М.: «Интермет Инжиниринг», 2000. – 496с.
287.
Грачев, А.Н. Шлам селитровых ванн термических цехов – перспективный
материал для литейно-металлургического производства / А.Н. Грачев, О.С. Кошелев,
И.О. Леушин, Л.И. Леушина, К.А. Маслов // Заготовительные производства в машиностроении. – 2013. – №10. – С. 6–8.
288.
Леушина, Л.И. Варианты рециклинга шламов селитровых ванн в литейно-
металлургических технологиях / Л.И. Леушина, А.Н. Грачев, К.А. Маслов, И.О. Леушин
// Новые технологии наукоемкого машиностроения: приоритеты развития и подготовка
кадров: сб. статей Международной научно-практической конференции. – Казань: Изд-во
Казан. гос. техн. ун-та, 2013. – С. 69–71.
289.
Способ изготовления форм для литья по выплавляемым моделям [Текст]:
пат. №2297302 РФ: МПК В22С9/04 / авторы и заявители Васильев А.А. [и др.]; патентообладатели Давыдова Л.В. [и др.], опубл. 20.04.2007.
290.
Способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по вы-
плавляемым моделям [Текст]: пат. №2302311 РФ: МПК В22С9/04 / авторы и заявители
Дубровин В.К. [и др.]; патентообладатель ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», опубл. 10.07.2007.
291.
Тимофеев, Г.И. Использование отработанной смеси при изготовлении
213
форм по выплавляемым моделям / Г.И. Тимофеев, А.И. Евстигнеев // Литейное производство, 1980. – №3. – С. 21–22.
Способ изготовления керамических оболочек [Текст]: а.с. №1353565
292.
СССР: МПК В22 С9/04 / авторы и заявители Селиванов Ю.А. [и др.]; патентообладатель
Одессский политехнический институт, опубл. 23.11.1987.
Слета, Л.А. Химия: справочник / Л.А. Слета. – Харьков: ФОЛИО; М.: ООО
293.
«Издательство АСТ», 2000. – 496с.
Защитная газовая среда для термообработки [Текст]: а.с. №109248 СССР:
294.
МПК С21D1/74 / авторы и заявители Петров Н.П. [и др.]; патентообладатели Петров
Н.П. [и др.], опубл. 01.01.1957.
Способ термической обработки деталей [Текст]: а.с. №293853 СССР: МПК
295.
С21 D9/22 / авторы и заявители Пушкарев Б.Н. [и др.]; патентообладатель Московский
завод режущих инструментов, опубл. 01.01.1971.
Состав для защиты заготовок от окисления [Текст]: а.с. №395442 СССР:
296.
МПК С21 D1/68 / авторы и заявители Зеньковский А.Г. [и др.]; патентообладатель Московский вечерний металлургический институт, опубл. 01.01.1973.
Способ защиты металлических изделий от окисления и обезуглероживания
297.
при нагреве [Текст]: а.с. №749913 СССР: МПК С21 D1/70 / авторы и заявители Блинов
Ю.И.
[и
др.];
патентообладатель
Уральский
НИИ
трубной
промышленности,
опубл.23.07.1980.
298.
Нищенков, А.В. Применение отработанных модельных композиций при
проведении нормализации стальных отливок ответственного назначения / А.В. Нищенков, Л.И. Леушина // Литейные процессы: межрегиональный сб. науч. тр., посвященный
35-летию кафедры электрометаллургии и литейного производства. – Магнитогорск:
Изд-во ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. – С.129–131.
299.
Ежов, В.А. Качество поверхности отливок при литье в шамотные формы
по выплавляемым моделям без опорного наполнителя / В.А. Ежов, Э.Ч. Гини, Ю.П.
Горлов, И.А. Зайцева, А.И. Круглов // Литейное производство. – 1981. – №5. – С. 17–18.
300.
Леушина, Л.И. Термостатирование оболочковых форм в точном стальном
литье / Л.И. Леушина // Инновации в материаловедении: сб. материалов Всероссийской
молодежной научной конференции с международным участием. – ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН. – М.: ООО «Ваш полиграфический партнер», 2013. – С. 185.
301.
Грачев, А.Н. Термостатирование оболочковых форм литья по выплавляе-
214
мым моделям / А.Н. Грачев, Л.И. Леушина, В.А. Ульянов // Литейщик России. – 2014. –
№1. – С. 38–39.
Способ изготовления отливки по выплавляемым моделям [Текст]: пат.
302.
№2142352 РФ: МПК B22 C9/02 / автор и заявитель Черный В.А.; патентообладатель
Черный В.А., опубл.10.12.1999.
Литниково-питающее устройство для литья по выплавляемым моделям
303.
[Текст]: пат. №2330744 РФ: МПК B22 C9/08 / авторы и заявители Оконнишников М.В.
[и др.]; патентообладатель ОАО «НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко», опубл.
10.08.2008.
304.
Способ получения отливок и устройство для его реализации [Текст]: пат.
№2371278 РФ: МПК B22 C9/04 08 / авторы и заявители Каменев В.Д. [и др.]; патентообладатель ОАО «Силовые машины», опубл. 27.10.2009.
305.
Теплотехника металлургического производства. Т.1. Теоретические осно-
вы / В.А. Кривандин, В.А. Арутюнов, В.В. Белоусов [и др.] – М.: МИСиС, 2002. – 608с.
306.
Телегин, А.С. Тепло-массоперенос / А.С. Телегин, В.С. Швыдкий, Ю.Г.
Ярошенко. – М.: Металлургия, 1995. – 400с.
307.
Луканин, В.Н. Теплотехника / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер;
под ред. В.Н. Луканина. – М.: Высш. шк., 2003. – 671с.
308.
Беспамятнов, Г.П. Предельно допустимые концентрации химических ве-
ществ в окружающей среде / Г.П. Беспамятнов, Ю.А. Кротов. – Л.: Химия, 1995. – 374с.
309.
Бихромат калия. – URL: http://regionhim.ru/nefteproducty/dlya-dobichi-
nefti/199-kaliya-bihromat.html (дата обращения 12.02.2014).
310.
ный
Правила безопасности при производстве хромовых соединений [Электрон-
ресурс]
//
GOZ.RU:
портал
«Промышленная
безопасность».
–
URL:
http://www.q02.ru/trub/p/426/index.html (дата обращения: 15.04.2013).
311.
Юдин, Е.Я. Охрана труда в машиностроении / Е.Я. Юдин. – М.: Машино-
строение, 1983. – 432с.
312.
Правила
по охране труда в литейном производстве ПОТ Р М-002-97
[Электронный ресурс] // OHRANATRUDA.RU: портал «Библиотека ГОСТов и нормативов». –
URL: http://ohranatruda.ru/ot_biblio/normativ/data_normativ/42/42367/index.php
(дата обращения: 03.09. 2013).
313.
О нормативах платы за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих ве-
ществ стационарными и передвижными источниками, сбросы загрязняющих веществ в
поверхностные и подземные водные объекты, размещение отходов производства и по-
215
требления: Постановление Российской Федерации от 12 июня 2003 года № 344 (в ред.
Постановлений Правительства РФ от 01.07.2005 №410, от 08.01.2009 №7, от 30.04.2013
№393,
от
26.12.2013
№1273)
[Электронный
ресурс].
http://base.consultant.ru/cons/cgi/online.cgi?req=doc;base=law;n=148376
–
URL:
(дата обращения
05.05.2014).
314.
Леушина, Л.И. Экологический аспект промышленного применения низко-
температурного прокаливания оболочковых форм стального литья по выплавляемым
моделям / Л.И. Леушина, В.А. Ульянов // Теория и практика литейных процессов: материалы Всероссийской научно-практической конференции. – Новокузнецк: СибГИУ,
2012. – С. 188–192.
315.
Леушина, Л.И. Некоторые пути обеспечения рационального использования
материалов, повышения энергоэффективности и экологической безопасности процесса
литья по выплавляемым моделям / Л.И. Леушина, А.В. Нищенков, В.А. Ульянов // Труды одиннадцатого Съезда литейщиков России. – Нижний Тагил: Изд-во УВЗ, 2013. – С.
379–382.
316.
Грачѐв, А.Н. Решение проблемы трещиностойкости оболочковых форм ли-
тья по выплавляемым моделям в условиях действующего производства / А.Н. Грачѐв,
Л.И. Леушина // Теория и технология металлургического производства: межрегиональный сб. науч. тр.; под ред. В.М. Колокольцева. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск.
гос. техн. ун-та, 2012. – Вып. 12. – С. 101–104.
317.
Симонян, Л.М. Металлургические технологии переработки техногенного
вторичного сырья / Л.М. Симонян, А.Г. Фролов, Е.Ф. Шкурко. – М.: Изд. дом МИСиС,
2011. – 136с.
318.
Schütt, K.-H. Gusskonstruktion und Gussanwendung / K.-H. Schütt // Giesserei.
– 2010. – №7. – S. 62–77. – №8. – S. 18–22.
319.
Kless, P. Feingießen im 21.Jahrhundert / P. Kless, M. Vogel // Giesserei. –
2008. – №5. – S. 120–123.
320.
Schneller Feinguss // Giesserei. – 2013. – №6. – S. 78–82.
321.
Janke, T. Kooperierende Roboter spreizen Gusstrauben / T. Janke // Giesserei. –
2013. – №7. – S. 60–61.
322.
Thieme, C. Feinguss aus Süddeutschland / C. Thieme // Giesserei. – 2014. –
№2. – S. 108.
323.
S. 10.
Hero-Premium-Casting-Verfahren jetzt in Japan // Giesserei. – 2010. – №10. –
216
324.
Schütze, R. Grenzwertbeschreibung für das Trocknen von Wasserschlichten /
R. Schütze, M. Ansorg // Giesserei. – 2012. – №4. – S. 104–108.
325.
Kügelgen, M. Auf die Plätze, fertig, trocken! / M. Kügelgen // Giesserei. – 2007.
– №11. – S. 84–87.
326.
Hochgeschwindigkeits-Trocknung von Keramikschalen für den Feinguss //
Giesserei. – 2007. – №3. – S. 72.
327.
Neue Technik der Schalenherstellung für Feinguss // Giesserei. – 2005. – №2. –
S. 108.
328.
Piterek, R. Benchmark bei der Energie- und Rohstoffeffizienz / R. Piterek //
Giesserei. – 2013. – №1. – S. 74–78.
329.
Manning, C.R. The role of surface energy on thermal shock of ceramic materials
/ C.R. Manning, L.D. Linekack // Surface and Interface: Glas and ceram. – NY–London, 1974.
– P.473–490.
330.
Hasselman, D.P.H. United theory of thermal shock fracture initiation crack
propagation in brittle ceramics / D.P.H. Hasselman // Amer. Ceram. Soc, v.52, 1969. – №11. –
Р. 600–604.
217
ПРИЛОЖЕНИЕ
218
219
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа