Разработка и освоение противопригарных покрытий литейных форм на основе отходов гальванического производства для изготовления стальных и чугунных отливок

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
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 6010-8 м2/Пас)	180 ед. (10610-8 м2/Пас)
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 210-6м2/с	2,510-6м2/с