Разработка и освоение противопригарных покрытий литейных форм на основе отходов гальванического производства для изготовления стальных и чугунных отливок
| Вид материала | Автореферат |
- Разработка ресурсосберегающих технологий переплава стружечных отходов для изготовления, 324.1kb.
- Исследование температурных напряжений и деформациЙ в чугунных кокилях для изготовления, 94.72kb.
- Песчаные смеси на основе пенополистирола для литейных форм и стержней. Способ вторичного, 29.41kb.
- «технология литейного производства», 45.75kb.
- Разработка технологии получения резиновых смесей для изготовления автодеталей с использованием, 364.23kb.
- Cовременная технология производства металлических отливок, 70.54kb.
- Методические указания к курсовому проекту, 194.16kb.
- «производство отливок из сплавов цветных металлов», 38.25kb.
- Пояснительная записка к заседанию секции «Кластерные принципы переработки отходов», 387.85kb.
- Правила проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных, 3046.62kb.
На правах рукописи
Крюкова Ирина Сергеевна
Разработка и освоение противопригарных покрытий литейных форм на основе отходов гальванического производства для изготовления
стальных и чугунных отливок
Специальность 05.16.04 – Литейное производство
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2009
Работа выполнена на кафедре «Литейно-металлургические процессы и сплавы» ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им.Р. Е. Алексеева»
| Научный руководитель | доктор технических наук, профессор Леушин Игорь Олегович |
| | |
| Официальные оппоненты | доктор технических наук, профессор Илларионов Илья Егорович Чебоксарский политехнический институт (филиал) ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет» (г. Чебоксары) кандидат технических наук, доцент Гейко Игорь Васильевич ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им.Р. Е. Алексеева» (г. Нижний Новгород) |
| Ведущая организация | Нижегородский научно – исследовательский институт машиностроительных материалов «Прометей» (г. Нижний Новгород) |
Защита состоится «27» февраля 2009 года в «15» часов на заседании диссертационного совета Д.212.165.07 при Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603600, г. Н.Новгород, ул. Минина, д. 24.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е.Алексеева.
Автореферат разослан «_____»__________2009г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Ульянов В.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Одной из важнейших задач литейного производства является получение отливок с чистой поверхностью и размерами, максимально приближенными к готовым изделиям. Ее решение в значительной степени зависит от выбора противопригарных материалов. В настоящее время известно более 400 составов противопригарных покрытий литейных форм. Однако многие из них обладают высокой ценой или имеют ограниченную область использования, что затрудняет их широкое применение на производстве. Проблема осложняется множеством часто противоречащих друг другу теорий возникновения пригара. В связи с этим особое внимание обращают на себя работы Бабкина В.Г., Баландина А.Н., Берга П.П., Валисовского И.В., Васина Ю.П., Ващенко К.И., Дорошенко С.П., Дробязко А.И., Жуковского С.С., Илларионова И.Е., Кидалова Н.А., Куманина И.Б, Лясса А.М., Оболенцева Ф.Д., Рыжикова А.А., Сварика А.А., Черногорова П.В., Чернышова Е.А. и др. Эти авторы предлагают использовать в качестве наполнителей покрытий недорогие и недефицитные материалы, например, отходы различных производств (абразивного, металлургического, литейного и т.д.). Такой подход объясняется необходимостью экономии и рационального использования имеющихся ресурсов.
Как никогда острыми в настоящий момент становятся вопросы нехватки материальных источников для обеспечения нормальной работы производств. В то же время все более нарастают проблемы складирования и утилизации отходов, в состав которых входит большое количество дефицитных металлов.
Разработка технологий, позволяющих применять вторичные ресурсы, с одной стороны решает актуальные проблемы литейного производства, например, борьбы с пригаром на отливках, а с другой стороны - задачи утилизации техногенных отходов и улучшения экологической обстановки в целом.
В представленной работе оценена и научно обоснована возможность применения отходов гальванического производства в качестве наполнителя противопригарного покрытия; исследованы механизмы формирования пригарной корки; разработан состав покрытия; предложена технология предварительной подготовки отходов для использования в составе покрытий литейных форм.
Работа выполнялась в соответствии с планом НИР Министерства образования и науки РФ (2005 - 2008), а также в рамках программ сотрудничества с рядом предприятий Нижегородского региона. Актуальность работы отмечена на I-ом областном конкурсе молодежных инновационных команд РОСТ, проведенном Правительством Нижегородской области в 2007 году.
Цель и основные задачи работы
На основании результатов изучения состояния вопроса и аналитического обзора имеющихся информационных источников целью работы ставилась: разработка и промышленное освоение противопригарных покрытий литейных форм на основе отходов гальванического производства (ОГП) для стальных и чугунных отливок. Для достижения цели решались следующие задачи:
• показать принципиальную возможность применения ОГП в качестве наполнителя противопригарного покрытия литейной формы для стального и чугунного литья;
• разработать и испытать в условиях производства новый состав противопригарного покрытия литейных форм на основе ОГП, обеспечивающий качество стальных и чугунных отливок по пригару на уровне не ниже имеющегося;
• исследовать процесс формирования пригара на поверхности стальных и чугунных отливок при использовании покрытия литейных форм на основе ОГП и выявить основные факторы, влияющие на его протекание;
• уточнить механизм и сформулировать условия получения легкоотделимой корки пригара на стальном и чугунном литье при использовании ОГП в составе покрытий литейных форм;
• провести оценку экологической безопасности и эколого-экономической целесообразности применения покрытий на основе ОГП в действующем производстве;
• разработать технологию подготовки ОГП, приготовления и применения покрытий литейных форм на их основе, предложить варианты решений связанных с этим организационно-технических проблем и провести промышленное опробование разработок на предприятиях.
Научная новизна работы
• на основе комплекса экспериментальных исследований ОГП выявлены предпосылки и доказана принципиальная возможность и экологическая безопасность применения этого материала в качестве основы противопригарных покрытий литейных форм для стальных и чугунных отливок;
• по итогам физико-химического и термодинамического анализов процессов, протекающих при высокотемпературном взаимодействии противопригарного покрытия на основе ОГП, металлического расплава и материала формы, показана доминирующая роль оксида железа Fe2O3 в ходе формирования многослойной корки легкоотделимого пригара на отливках из сплавов системы «железо-углерод»;
• уточнены представления и подтверждены предположения ряда исследователей о комплексной физико-химической и физико-механической природе формирования пригарной корки и неправомерности деления пригара на термический, механический и химический;
• сформулированы основные условия получения легкоотделимой корки пригара на стальном и чугунном литье при использовании ОГП в составе покрытий литейных форм, а именно: содержание Fe2O3 в составе покрытия должно быть 50 – 80%, что обеспечивает большее кристаллохимическое сродство «покрытие - форма», чем «отливка - покрытие»; взаимную несмачиваемость материалов покрытия и отливки при формировании последней; отсутствие капиллярной фильтрации и возникновение эффекта охрупчивания пригарной корки за счет получения градиентов коэффициентов термического расширения слоев корки пригара и материала отливки.
Практическая значимость работы
• решена задача использования ОГП в литейно-металлургических технологиях, а именно, в качестве наполнителя противопригарных покрытий литейных форм стального и чугунного литья, с получением технико-экономического и экологического эффектов;
• разработан и освоен в условиях действующего производства новый состав противопригарного покрытия на основе ОГП, обеспечивающий качество отливок по пригару на уровне не ниже имеющегося, как альтернатива покрытиям на графитовой (для чугуна) и цирконовой (для стали) основах;
• предложена универсальная методика оценки эколого-экономической целесообразности применения покрытий литейных форм, пригодная для решения задач выбора материалов на стадии технологической подготовки производства литья;
• ожидаемый экономический эффект от внедрения разработок на предприятиях составляет более 40000 рублей на годовую программу выпуска 2000 тонн литья; получение эффекта обеспечивается заменой материала наполнителя покрытия литейных форм более дешевым (ОГП), снижением штрафов и выплат за утилизацию отходов, затрат на очистку отливок от пригара и транспортных расходов при сохранении качества литья;
• экологический эффект заключается в высвобождении земель, предназначенных под захоронение ОГП.
Достоверность результатов обеспечивалась использованием высокоточного сертифицированного оборудования и средств измерения, подтверждалась положительными результатами опытно-промышленных испытаний разработанных противопригарных покрытий. В исследованиях использовался комплекс методов: ионная хроматография, анализ на хромато-масс-спектрометре Trace GC Ultra/ DSQII с использованием электронной библиотеки масс-спектров «NIST 2003»; атомно-эмиссионый метод с дуговым возбуждением спектра, вертикально расположенными графитовыми электродами и регистрацией спектров с помощью спектрографа со скрещенной дифракцией СТ1, при этом противоречий известным физическим и физико-химическим представлениям не установлено.
Личный вклад автора состоит:
• в постановке задачи исследования;
• в проведении экспериментов по определению свойств ОГП и оценки работы противопригарного покрытия на основе ОГП;
• в обработке и анализе полученных результатов;
• в организации опытно-промышленных испытаний в условиях действующего производства.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы обсуждались на научных конференциях: Х Международной научно-практической конференции «Промышленные и бытовые отходы: проблемы хранения, захоронения, утилизации, контроля», Пенза, 2006; V Юбилейной Международной молодежной научно-технической конференции, Н.Новгород, 2006; VI Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки – Нижегородскому региону», Н. Новгород, 2007; на VIII –ом Съезде литейщиков, Ростов–на–Дону, 2007; на заседаниях и занятиях XXVII Российской научно-технической школы под эгидой ВАК РФ, посвященной 150-летию К.Э. Циолковского, 100-летию С.П. Королева и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. академика В.П. Макеева», Миасс, 2007; на семинарах и совещаниях кафедры «Литейно-металлургические процессы и сплавы» НГТУ им. Р.Е. Алексеева в 2005-2008 годах; первом областном конкурсе молодежных инновационных команд РОСТ «Россия – Ответственность – Стратегия – Технологии», Н.Новгород, 2007.
Публикации
По теме диссертации с 2006 по 2008 г.г. опубликовано 15 печатных работ, из которых 4 в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. Принята на экспертизу заявка на патент.
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения.
Диссертация содержит 163 страниц машинописного текста, 26 рисунков и 36 таблиц. Список литературы включает 151 наименование. В приложении представлены результаты компьютерного моделирования процесса затвердевания отливок в литейной форме с применением противопригарного покрытия на основе ОГП в среде пакета LVM-Structure.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель исследования, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе представлен аналитический обзор существующих теорий возникновения пригара на отливках из железоуглеродистых сплавов. Представлена условная классификация существующих методов борьбы с пригаром с разделением на механические, физико-химические, термические и химические.
Показано, что не существует единой теории возникновения пригара и общепринятой методики борьбы с ним.
В результате проведенного анализа существующих методов борьбы с пригаром выявлены наиболее часто повторяющиеся рекомендации ряда исследователей проблемы:
- уменьшать размеры зерен огнеупорного наполнителя;
- применять в составе противопригарных покрытий материалы, способствующие снижению газопроницаемости формы и повышение ее газотворной способности;
- производить заливку при оптимальной температуре жидкого металла, избегая ее превышения;
- вводить в песчано-глинистую смесь газотворные добавки, создающие в порах формы избыточное газовое давление, препятствующее, наряду с капиллярными силами, проникновению жидкого металла в поры формы;
- добавлять окислительные добавки для получения легкоотделимой корки пригара;
- использовать противопригарные покрытия на основе высокоогнеупорных материалов (цирконового концентрата, электрокорунда, маршалита и др.);
- обеспечивать высокое уплотнение формовочной смеси при изготовлении форм для крупных отливок и при применении крупнозернистого песка.
Проанализирована проблема утилизации отходов гальванического производства. Показаны перспективность и актуальность разработки технологий, позволяющих применять отходы в литейно-металлургических технологиях и, в частности, в составе покрытий литейных форм.
Во второй главе описана разработка состава противопригарного покрытия, применение которого обеспечит получение легкоотделимой корки пригара; исследованы свойства ОГП как наполнителя противопригарного покрытия.
В работе рассматривались отходы ванн травления и фосфатирования. Их ежегодный вывоз на полигоны Нижегородской области достигает 100 тонн в год. В исходном состоянии ОГП представляют собой глинистые неоднородные комья влажностью до 90%. Плотность твердой фазы отходов составляет 2600—5000 кг/м3. В состав ОГП входят оксиды цинка, натрия, фосфора, кремния, причем их содержание в шламе колеблется в интервале 0,1-10%. Основа ОГП (до 80%) – оксиды железа Fe2O3.
После сушки при температуре 400°С и последующего размола основное содержание остается на ситах 02, 016, что по ГОСТ 2180-78 соответствует мелкой фракции наполнителя.
В результате цикла экспериментальных работ предложено противопригарное покрытие с наполнителем следующего состава (таблица 1).
Представленный состав может быть получен в результате смешения отходов ванн травления и ванн фосфатирования в равных пропорциях.
Таблица 1. Химический состав наполнителя (усредненный)
| Компонент | Содержание, % |
| Оксид железа (Fe2O3) | 79,3 |
| Оксид цинка (ZnO) | 0,1 |
| Оксид натрия (Na2O) | 1,3 |
| Оксид фосфора (P2O5) | 2,0 |
| Оксид кремния (SiO2) | 5,0 |
| Оксид алюминия (Al2O3) | 1,2 |
| Хлориды | 0,3 |
| Нитраты | <0,1 |
| Остальное* | 0,9 |
| Влажность** | 10,0 |
*По уточненному химическому анализу в состав отходов входят углеродсодержащие добавки, применяемые для улучшения технологических свойств гальванованн, и до 20 неорганических соединений, в том числе соединений серы и хлора.
**Кристаллогидратная вода, и вода, образовавшаяся в результате деструкции органических примесей.
Для приготовления готового покрытия к наполнителю добавляется связующее (декстрин) 10% по массе, и вода до плотности 1600 кг/м3.
Данный состав наполнителя обеспечивает получение качественных отливок из железоуглеродистых сплавов, так как:
- наличие в составе ОГП оксидов железа Fe2O3 способствует получению легкоотделимой корки пригара при изготовлении чугунных и стальных отливок. Увеличение содержания Fe2O3 более 80% приводит к росту затрат углерода, необходимого на его восстановление до Fe3O4, FeO и Fe, что в свою очередь может значительно увеличить глубину обезуглероженного слоя на стальных отливках. Увеличение содержания оксида натрия в покрытии приводит к уплотнению корки пригара и его привариванию к поверхности отливки. Повышение содержания P2O5 в противопригарном покрытии приводит к нежелательной диффузии фосфора в материал отливки.
Проводилось сравнение свойств предлагаемого покрытия с «идеализированным», обеспечивающим получение корки легкоотделимого пригара (таблица 2).
Таблица 2. Свойства противопригарных покрытий
| Свойство | «Идеализированное» покрытие | Разработанное покрытие |
| Плотность | 1250-1350 кг/м3 (графитовый наполнитель для чугунного литья) 1850-2100 кг/м3 (цирконовый наполнитель для стального литья) | 1600 кг/м3 |
| Газопроницаемость | Более 100 ед. (более 60∙10-8 м2/Па∙с) | 180 ед. (106∙10-8 м2/Па∙с) |
| Фракция | мелкая | мелкая |
| Пористость | Более 50% | 57% |
| Коэффициент однородности | Более 50% | 55% |
| Седиментационная устойчивость | Более 90% | 85% |
| Прочность к истиранию | Не менее 2,0 кг | 3,5 кг |
| Поверхностное натяжение | Более 200 мДж/м2 | 300 мДж/м2 |
| Межфазное натяжение | Более 1000 мН/м | 1071 мН/м |
| Краевой угол смачивания | Более 90° | 114°6´ |
| Теплоемкость | Более 100 Дж/кгК | 324,2 Дж/кгК |
| Теплопроводность | Более 0,35 Вт1/2/м2К | 0,435 Вт1/2/м2К |
| Коэффициент аккумуляции тепла | Более 2∙10-6м2/с | 2,5∙10-6м2/с |
Свойства предлагаемого покрытия определены экспериментально по стандартным методикам в лабораторных и промышленных условиях, свойства «идеализированного» покрытия – по результатам литературного обзора с учетом имеющихся рекомендаций исследователей проблемы.
Результаты сравнения показали, справедливость гипотезы о возможности применения ОГП в качестве наполнителей противопригарных покрытий литейных форм.
По справочным данным проводился анализ кристаллохимической природы материалов отливки, наполнителя противопригарного покрытия и формы показавший, что:
- связь «Fe2O3 - SiO2» выше, чем связь «Fe – FeO», что способствует легкому отделению пригара от отливки;
- различная кристаллохимическая природа оксидов железа FeO, Fe3O4, Fe2O3 и 2FeO∙SiO2 придает дополнительную хрупкость многослойной пригарной корке.
В процессе сушки происходит термодеструкция органических компонентов, входящих в состав отходов. Результаты химического анализа летучих компонентов доказали экологическую безопасность применения гальваношламов (таблица 3).
Таблица 3. Состав летучих компонентов термодеструкции ОГП
| Название | Количество (% по массе) | Кол-во вещества мг/м3 | ПДКм.р. мг/м3 | Класс опасности |
| двуокись углерода | 15,16 | 0,24256 | 20 | 2 |
| сернистый ангидрид | 32,41 | 0,51856 | 10 | 3 |
| хлористый водород | 2,53 | 0,04048 | 10 | 2 |
| ацетон | 4,76 | 0,07616 | 200 | 4 |
| муравьиная кислота | 1,12 | 0,01792 | 1 | 2 |
| хлор-уксусный альгидрид | 5,15 | 0,0824 | 0,3 | 2 |
| уксусная кислота | 0,42 | 0,00672 | 5,0 | 3 |
| дихлорпропановая кислота | 1,2 | 0,0192 | 10 | 3 |
| бензол | 0,09 | 0,00144 | 5 | 2 |
| α-хлорацетон | 0,22 | 0,00352 | 0,5 | 2 |
| тиофен | 0,39 | 0,00624 | 20 | 4 |
| метилметакрилат | 12,34 | 0,19744 | 5 | 3 |
| трисилоксан | 0,17 | 0,00272 | | |
| фурфурол | 0,35 | 0,0056 | 10 | 3 |
| трихлорацетон | 0,6 | 0,0096 | 0,3 | 2 |
| хлорбензол | 0,34 | 0,00544 | 100 | 3 |
| стирол | 1,92 | 0,03072 | 30 | 3 |
| хлорфенол | 0,48 | 0,00768 | 1 | 2 |
| дихлорбензол | 15,16 | 0,24256 | 100 | 3 |
| хлорбензонитрил | 0,46 | 0,00736 | 20 | 4 |
| трихлорбензол | 0,96 | 0,01536 | 10 | 2 |
| нафталин | 0,48 | 0,00768 | 20 | 4 |
В отходах присутствуют в значительном количестве сернистый ангидрид и хлористый водород, так как для травления изделий использовались растворы серной и соляной кислот. Остальные органические соединения являются продуктами взаимодействия компонентов гальванованн, остатками ПАВ, разделительных покрытий и др.
Третья глава посвящена исследованию процессов формирования пригарной корки на основе:
- оценки тепловых процессов в зоне раздела «металл-форма»;
- оценки термодинамической вероятности протекания химических реакций;
- прогнозирования глубины проникновения жидкого металла в поры литейной формы (гипотеза капиллярной фильтрации);
- анализа термомеханических явлений и эффектов в зоне раздела «металл - форма».
Решена задача стационарной теплопроводности с применением граничных условий III рода с учетом коэффициента теплоотдачи через многослойную стенку, состоящую из оксидов железа (Fe2O3, Fe3O4 и FeO) и фаялита FeO∙SiO2.
| а)  | б  ) |
Рис.1. Многослойное строение корки пригара: а) после заливки формы при повышенных температурах; б) после охлаждения отливки в форме
В результате получено уравнение
, (1)где εi – толщина i –ого слоя покрытия, м; λi – коэффициент теплопроводности i –ого слоя покрытия, Вт/мК; а - коэффициент температуропроводности противопригарного покрытия, м2/с; Gотл – масса отливки, кг; L – удельная теплота плавления металла, Дж/кгК; с- теплоемкость жидкого металла, Дж/кгК.; α1 – коэффициент теплоотдачи от поверхности отливки к поверхности формы.
Полученное выражение учитывает теплоотдачу от поверхности отливки к поверхности формы, технологические свойства материала отливки и противопригарного покрытия.
При решении квадратного уравнения получим, что необходимая минимальная толщина противопригарного покрытия составляет 0,8мм для стального литья и 0,6 мм – для чугунного.
Оценена термодинамическая вероятность протекания ряда химических реакций.
При контакте жидкого металла с поверхностью формы, обработанной противопригарным покрытием на основе ОГП, наблюдаются реакции восстановления оксидов железа, входящих в состав покрытия:
3Fe2O3+CО=2Fe3O4+CO2, ∆G=-59,1-36,96Т+16,32М0Т
Fe3O4 + CО= 3FeO + CO2 ∆G=38,7-31,167Т-8,94М0Т
FeO + CО = Fe+ CO2 ∆G=-16,4+10,54Т-14,91М0Т
где
(2)ΔG0 – изменение функции Гиббса данной реакции, Дж/ моль К
ΔH0 – изменение энтальпии данной реакции, Дж/ моль К
ΔS0 – изменение энтропии данной реакции, Дж/ моль К
, (3)где ni; nj – стехиометрические коэффициенты продуктов (j) и исходных веществ (i) реакции;
Ср – теплоемкости веществ.
Для расчета принято
М0 – константа уравнения
, (4)где Т – температура, К.
Возможно взаимодействие оксидов железа с кремнеземом с образованием фаялита (2FeO·SiO2):
2FeO+SiO2=2FeO∙SiO2 ∆G=-375,1+4,9Т-132,952М0Т
Все реакции проходят в избытке железа, который находится в поверхностном слое и является источником, необходимым для данных синтезов.
В интервале температур 1350 - 1400°С. происходит затвердевание металла отливки, а вюстит FeO и фаялит 2FeO∙SiO2, входящие в состав покрытия, еще находятся в расплавленном состоянии.
Для оценки смачивания поверхности затвердевающей отливки жидкими компонентами покрытия использовано соотношение
, (5)где γА – поверхностная энергия огнеупорного материала (поверхностное натяжение шлама); γВ – поверхностное натяжение расплава; γА/В – межфазное натяжение расплава.
Проведенные расчеты показали θ>90, что соответствует несмачиванию материала отливки жидкими компонентами покрытия и, как следствие, образованию легкоотделимой корки пригара.
Рассматривалась гипотеза капиллярной фильтрации жидкого расплава в поры литейной формы.
В итоге было теоретически и экспериментально подтверждено неравенство:
pм << pк + рr,
где pм – металлостатическое давление в форме; pк – капиллярное противодавление; рr – газовое давление в порах покрытия, равное сумме парциальных давлений газов в литейной форме.
Полученное соотношение опровергает гипотезу капиллярной фильтрации и одновременно свидетельствует о высокой вероятности формирования хрупкой корки пригара, без труда отделяющейся от отливки.
Аналогичный результат получается по итогам теоретического анализа процесса на основе закона фильтрации Дарси: скорость фильтрации расплава в поры формы имеет отрицательный знак.
Одним из основных факторов, обеспечивающих получение легкоотделимого пригара и определяющих качество литой поверхности, является прочность «прилипания» пригара к отливке. Ее величина зависит не только от сил сцепления, но и от напряжений, возникающих в многослойной корке пригара в процессе формирования отливки в форме.
Возникновение внутренних напряжений обусловлено различием коэффициентов термического расширения слоев пригарной корки как между собой, так и с материалом отливки.
В работе расчетным путем показано, что величина разности коэффициентов линейного термического расширения для основы ОГП Fe2O3 и образующегося из него в ходе углетермического восстановления после заливки литейной формы Fe3O4 находится в пределах 2,6∙10-6 - 3,6∙10-6 К-1.
По расчетной схеме (рис.1) обеспечивается получение градиента коэффициента термического расширения внутри корки пригара от формы к отливке. Как следствие, наблюдается возрастание внутренних напряжений в корке и проявляется эффект охрупчивания.
Наличие в составе ОГП хлоридов и влаги предположительно также способствует легкому отделению корки пригара от отливки из-за образования газовой прослойки (HCl, H2O и других летучих) в процессе заливки формы и формирования отливки.
Экспериментальная проверка данного положения показала его истинность для содержания Fe2O3 в ОГП не менее 50 % по массе.
В четвертой главе представлена методика оценки эколого-экономической целесообразности применения покрытия литейных форм.
Соответствующий алгоритм представлен блок-схемой на рис.2.
Анализ экономических параметров применения покрытия К2≥1
Анализ технологических параметров применения покрытия 0,7 ≤К1 ≤1
Оценка комбинации показателей К3=К31К32К33≥1
Степень вредности воздействия покрытия на экологию К4=(0,5 или 1)
Вывод о возможности применения покрытия К=К1К2К3К4≥1
Рис.2. Блок-схема оценки эколого-экономической целесообразности применения покрытий литейных форм
В работе дан пример применения блок-схемы для оценки разработанного покрытия на основе ОГП.
ЭТАП 1:
Определялась технологическая возможность применения ОГП в качестве наполнителя противопригарного покрытия как коэффициент, равный доле реальных технологических показателей, соответствующих «идеализированным», выявленным на основе анализа литературных данных. К1=11/13=0,85, т.е. 11 из 13 показателей (см. таблицу 2) соответствуют «идеализированным».
Для экономической оценки использовали коэффициент, равный отношению затрат по старой технологии к затратам по новой (таблица 4): К2≈1,2
Таблица 4. Сравнение затрат до и после внедрения новой технологии по данным ОАО «РУМО»
| Статья сравнения | До внедрения технологии, руб/год | После внедрения технологии, руб/год |
| Платежи за сбор и захоронение отходов | 27 405 | --- |
| Транспортные расходы на вывоз отходов | 22 500 | --- |
| Потребность в покрытии (тонн в год) | | |
| Стоимость покрытия | 194445 | |
| Стоимость декстрина (связующего для покрытия на основе ОГП) | --- | 43500 |
| Транспортные расходы на доставку покрытия | 30000 | --- |
| Стоимость предварительной подготовки | --- | 187088 |
| Доля цикла изготовления отливки, затрачиваемая на очистку отливок от пригара | 30% | 10% |
| Общие затраты | 274 350 | 230 588 |
| Экономический эффект от внедрения покрытия на основе ОГП | 43 762 | |
ЭТАП 2:
Определялись количественные характеристики экологических и экономических аспектов разработки:
- коэффициент К31, равный доле ресурсов техногенного происхождения в их общей потребности: К31=8700/8700=1;
- коэффициент К32, оценивающий динамику соотношения экологических и экономических характеристик «нового» и «старого» вариантов (например, отношения объема потребляемых техногенных отходов к прибыли).
При этом К32=1, если соотношение не изменилось; К32=2, если соотношение улучшилось; К32=0,5, если соотношение ухудшилось. В нашем случае принимаем К32=2.
- коэффициент К33, равный отношению прибыли к экологическим штрафам и выплатам. Для данной разработки К33=1,33, при прибыли 40000 рублей в год и плате за утилизацию отходов 30000 рублей в год.
В результате на втором этапе получаем:
К3=К31К32К33=1*2*1,33=2,66>1
ЭТАП 3:
На третьем этапе оценивалась степень вредности воздействия покрытия на экологическую обстановку по коэффициенту К4 (коэффициент К4=1 при отсутствии вредного воздействия; К4=0,5 при оказании вредного воздействия).
В нашем случае К4=1, так как в работе была доказана экологическая безопасность применения покрытия на основе ОГП.
На последнем этапе делался окончательный вывод о целесообразности применения покрытия, оценивалось значение коэффициента К: К=0,85∙1,2∙2,66∙1=2,71
В пятой главе рассмотрены вопросы внедрения разработок в действующее производство и представлены результаты их промышленного опробования.
Представлена технология подготовки ОГП, включающая в себя:
- сушку до постоянной массы (время и температура сушки определяются экспериментально в зависимости от массы высушиваемого материала, например, для 10 кг ОГП время сушки – 4 часа при 400°С);
- размол в шаровой мельнице до фракции 0315;
- рассев с последующим использованием остатков на ситах 02 и мельче.
На участке подготовки ОГП предусмотрены:
- на виброситах и мельницах – одиночные или групповые циклоны;
- на складах - система очистки воздуха от пыли средней и высокой эффективности.
Разработанные технология подготовки ОГП и состав покрытия опробовались на предприятиях Нижнего Новгорода: ОАО «РУМО» и ООО «Сормовская Кузница»
На базе ОАО «РУМО» была изготовлена промышленная партия отливок «Фланец сальника» массой 28 кг из сплава СЧ25 ГОСТ 1412 - 85. Использовалась единая формовочная смесь. Сравнительная оценка применяемого на предприятии противопригарного покрытия ГС-1М (ТУ 2.043.0224659.007-91) и разработанного покрытия на основе ОГП показала эффективность последнего (переход на новое покрытие не привел к ухудшению качества поверхности отливок) (рис. 3).
| а  ) | б)  |
| | |
Рис. 3. Внешний вид поверхности отливок с применением различных покрытий: а) покрытие на основе ОГП; б) покрытие ГС-1М (ТУ 2.043.0224659.007-91)
Опробование обнаружило также дополнительный положительный эффект применения покрытия на основе ОГП проявившийся в снижении отбеленного слоя на тонкостенном чугунном литье (рис. 4).
| | а  ) | б  ) | |
|---|---|---|---|
| | | ||
Рис. 4. Микроструктура поверхностного слоя чугунных отливок, полученных в формах с различными покрытиями: а) покрытие на основе ОГП (Х 70); б) покрытие ГС-1М (ТУ 2.043.0224659.007-91) (Х 70)
На базе ООО «Сормовская кузница» была изготовлена партия отливок «Балансир» массой 3800 кг из сплава 35Л ГОСТ 380-88. Использовалась шамотная формовочная смесь. Проводилась сравнительная оценка применяемого на предприятии противопригарного покрытия АПБ-1Ц (ТУ2243-022-58948815-2004) и покрытия на основе ОГП. Результаты выявили сохранение качества поверхности отливок, полученных с применением покрытия на основе ОГП. Промышленное опробование показало, что разработанное покрытие на основе ОГП обеспечивает защиту поверхности стальных отливок от обезуглероживания.
В результате дополнительных исследований на технологических ступенчатых пробах была получена зависимость глубины обезуглероженного слоя от толщины слоя покрытия (рис. 5) при толщинах стенок от 25 до 200мм.
Рис. 5. Зависимость глубины обезуглероженного слоя на стальном литье от толщины наносимого слоя покрытия
На базе ОАО «РУМО» была изготовлена партия экспериментальных отливок «Проба для изготовления разрывных образцов» массой 7 кг из сплава 12Х18Н9ТЛ ГОСТ 4543-71. Использовалась шамотная формовочная смесь. Сравнительная оценка применяемого на предприятии противопригарного покрытия АПБ-1Ц (ТУ2243-022-58948815-2004) и покрытия на основе ОГП показала сохранение качества поверхности отливок, полученных с использованием разработанного состава (рис. 6)
| а  ) | б  ) |
Рис. 6. Поверхности отливок с применением различных покрытий: а) покрытие на основе ОГП; б) покрытия АПБ-1Ц (ТУ2243-022-58948815-2004)
При этом доля временных затрат на очистку отливок от пригара в общем цикле изготовления отливок снизилась с 30% до 10%.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработок составляет более 40 тыс. рублей на годовую программу литья 2000 тонн литья.
Общие выводы по работе
1. На основе комплекса экспериментальных исследований доказаны принципиальная возможность и экологическая безопасность применения ОГП в качестве наполнителя противопригарных покрытий литейных форм стального и чугунного литья.
2. Разработан и испытан в условиях действующего производства новый состав противопригарного покрытия литейных форм на основе ОГП, обеспечивающий сохранение качества стальных и чугунных отливок по пригару при сравнении с графитовыми (для чугуна) и цирконовыми (для стали) наполнителями и дающий дополнительный эффект, проявляющийся в отсутствии отбела на чугунном литье и обезуглероживания на стальном литье, а также в улучшении качества поверхности отливок для легированных сталей типа 12Х18Н9ТЛ.
3. По итогам физико-химического и термодинамического анализа процессов, протекающих при высокотемпературном взаимодействии покрытия на основе ОГП, металлического расплава и материала формы, уточнены представления о формировании корки пригара, показана роль оксида железа Fe2O3 в составе покрытия, а именно теоретически и экспериментально доказано, что содержание Fe2O3 в составе покрытия обеспечивает большее кристаллохимическое сродство «покрытие - форма», чем «отливка - покрытие»; взаимную несмачиваемость материалов покрытия и отливки во время формирования последней; отсутствие капиллярной фильтрации и возникновение эффекта охрупчивания пригарной корки за счет градиентов коэффициентов линейного термического расширения слоев корки и материала отливки.
4. Сформулированы условия получения легкоотделяемой корки пригара на стальном и чугунном литье при использовании ОГП в качестве наполнителя покрытия литейных форм, вытекающие из полученных результатов исследования процесса формирования пригара. С их учетом разработаны технологии применения покрытий на основе ОГП для получения качественных стальных и чугунных отливок.
5. Разработана и опробована универсальная методика оценки эколого-экономической целесообразности применения покрытий литейных форм, пригодная для решения задач выбора материалов на стадии технологической подготовки производства литья.
6. Разработана технология подготовки ОГП, приготовления и применения покрытия литейных форм на их основе, предложены варианты решения организационно-технических проблем внедрения разработок в действующее производство.
Разработки прошли промышленное опробование с получением технического, экономического и экологического эффектов.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Научные статьи в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ
1.Крюкова, И.С. Применение отходов гальванического производства в составе противопригарных красок / И.С. Крюкова, И.О. Леушин, С.В. Беляев, С.В. Калистов // Заготовительные производства в машиностроении. - 2007. - №7. – С.5–7.
2.Крюкова, И.С. Применение отходов гальванического производства для формирования легкоотделимого пригара на стальных отливках / И.С. Крюкова, С.В. Беляев, И.О Леушин // Литейщик России. – 2008. - № 2. - С.43 -44.
3.Крюкова, И.С. Экологические аспекты применения отходов гальванического производства в качестве наполнителя противопригарного покрытия / И. С. Крюкова, И.О. Леушин, С.В. Беляев //Черные металлы. – 2008. - № 8. - С.9 -11.
4. Леушин, И.О. Противопригарные покрытия на основе отходов гальванического производства для стальных отливок / И. О. Леушин, С.В. Беляев, И.С. Крюкова, И.В. Казакова // Заготовительные производства в машиностроении. - 2009. - №1. – С.12–14.
Научные статьи во Всероссийских, региональных и межвузовских сборниках трудов
5.Крюкова, И.С. Исследование качества поверхности стальных отливок, полученных с применением противопригарного покрытия на основе гальваношламов/ И. С. Крюкова, И.О. Леушин, С.В. Беляев // Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении: Межвузовский сборник статей по материалам Всероссийской научно-технической конференции. - Нижний Новгород-Арзамас: НГТУ-АПИ НГТУ, 2007. – С. 715.
6.Крюкова, И.С. Разработка ресурсосберегающей технологии изготовления противопригарных покрытий для стального и чугунного литья с применением отходов гальванического производства / И.С. Крюкова, М.О. Адамантов, А.В. Коновалов // Каталог. Первый областной конкурс молодежных инновационных команд РОСТ: Россия – Ответственность – Стратегия – Технологии / Департамент образования Нижегород. обл., ГОУ ДПО «Нижегород. науч.-инф. центр». – Н.Новгород, 2007. – С.43–46.
7. Крюкова, И.С. Применение отходов гальванического производства в качестве наполнителя противопригарной краски / И.С. Крюкова, И.О. Леушин, С.В. Беляев, С.В. Калистов // Материаловедение и металлургия : тр. НГТУ. Т. 61 / НГТУ; редкол.: В.П. Кириенко [и др.]. - Н.Новгород, 2007. – С.33–37.
8.Крюкова, И.С. Оценка применимости техногенных отходов в литейном производстве / И.С. Крюкова, И.О. Леушин, С.В. Беляев // Современная металлургия начала нового тысячелетия : сб. тр. - Липецк, 2007. – Ч. 1. - С.162–167.
9. Крюкова, И.С. К вопросу о механизме образования пригара / И.С. Крюкова, И.О. Леушин, С.В. Беляев, // Материаловедение и металлургия : тр. НГТУ. Т. 68 / НГТУ; редкол.: В.П. Кириенко [и др.]. - Н.Новгород, 2008. – С.46–48.
Тезисы докладов
10.Крюкова, И.С. Термодинамические предпосылки применения отходов гальванического производства в качестве наполнителя противопригарной краски / И.С. Крюкова, И.О. Леушин, С.В. Беляев // Будущее технической науки – Нижегородскому региону : тез. докл. VI Междунар. молодежной науч.-техн. конф. - Н. Новгород, 2007. – С.181–182.
11.Леушин, И.О. Возможности применения гальваноотходов в литейно-металлургических технологиях / И.О. Леушин, С.В. Беляев, И.С. Крюкова // Х Междунар. науч.-практ. конф. «Промышленные и бытовые отходы: проблемы хранения, захоронения, утилизации, контроля» : сб. ст. – Пенза, 2006. – С.46–48.
12.Крюкова, И.С. Гальваноотходы в литейно-металлургических технологиях / И.С. Крюкова, С.В. Беляев, И.О. Леушин // Будущее технической науки – Нижегородскому региону : тез. докл. V Юбилейной Междунар. молодежной науч.-техн. конф. - Н.Новгород, 2006. – С.182.
13.Применение отходов гальванического производства в составе противопригарных красок /И. С. Крюкова, И.О. Леушин, С.В. Беляев, С. В. Калистов //Труды VIII Съезда Литейщиков России. - Ростов–на–Дону, 2007 – Т.2, С.218 – 221.
14.Крюкова, И.С. Получение легкоотделимого пригара на стальных отливках / И.С. Крюкова, С.В. Беляев, И.О. Леушин // Наука и технологии : тез. докл. XXVII Российской научно-технической школы, посвящ. 150-летию К.Э. Циолковского, 100-летию С.П. Королева и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. академика В.П. Макеева». – Миасс, 2007. - С.134.
Авторские свидетельства и патенты на изобретения
15.Заявка на патент № 2008121344 Противопригарное покрытие для литейных форм и стержней/ И.С. Крюкова, И.О. Леушин, С. В. Беляев, 2008.
