| На рис. 89 показан характер изменения газопроницаемости для всех рассмотренных смесей при одинаковой температуре, равной 20° С. Так как изучавшиеся смеси различались между собой только составом пенообразователя, то индукционный период твердения у них оставался практически неизменным, в то время как устойчивость пены была различной. Поэтому газопроницаемость смесей в данном случае должна находиться в прямой зависимости от устойчивости пены. Этот вывод подтверждается данными рис. 90. При сопоставлении кривых рис. 89 и рис. 90 легко установить, что смеси по величине газопроницаемости располагаются в том же порядке, в каком изменяется у них устойчивость пены.
Метод повышения газопроницаемости ЖСС с помощью НЧК применим не только для смесей на жидком стекле; он пригоден и для других составов смесей, только содержание пенообразователя и соотношение между ДС-РАС и НЧК может быть иным. Некоторым исключением являются лишь смеси с СДБ и алюминатным отвердителем. Их газопроницаемость ниже, чем остальных смесей, и с трудом поддается регулированию. Это, по-видимому, объясняется высокой вязкостью СДБ и большой эластичностью затвердевших пленок связующего, затрудняющих разрушение пены и восстановление газопроницаемости.
Влияние содержания минеральных масел в пенообразователях.
Нефтяные сульфокислоты (контакт Петрова) и сульфосоли (ДС-РАС) содержат значительное количество несульфированных соединений в виде минеральных масел, обладающих свойствами пеногасителей. По техническим условиям, содержание несульфированных соединений в керосиновом контакте Петрова доходит до 3 %, а в ДС-РАС — до 1 %.
Исследования по влиянию минеральных масел в пенообразователе на газопроницаемость смесей проводил А. С. Варшавский. Необходимое для исследований количество минеральных масел выделяли из контакта Петрова. С этой целью последний разводили водой в соотношении 1 : 3, выдерживали в течение двух суток и всплывшие на поверхность раствора масла собирали.
В изучавшихся контакте Петрова и ДС-РАС содержание минеральных масел снижали с 3,0—1,0 до 0,1% путем их выпаривания. Процесс получения выпаренных, очищенных от несульфированных соединений контакта Петрова и ДС-РАС состоял в следующем. Контакт Петрова нейтрализовали едким натром, разводили водой до плотности 1,105 г/см3 и отстаивали. Отстоявшийся раствор фильтровали для удаления осадка и выпаривали при 60—70° С до плотности 1,16 г/см3.
Состав выпаренного контакта Петрова: 30—36% сульфосоли, 2% сульфата натрия, до 0,1% минерального масла.
ДС-РАС разводили водой в соотношении 3 : 1 и выпаривали при 60—70° С до плотности 1,20 г/см3.
Состав выпаренного ДС-РАС: 50—55% сульфосоли, 3% сульфата натрия, до 0,1% минеральных масел.
Содержание минеральных масел в выпаренных контакте Петрова и ДС-РАС изменяли в пределах 0,1—3,0%. Результаты опытов приведены в табл. 41.
Как видим, устойчивость пены и газопроницаемость ЖСС определяются главным образом содержанием минеральных масел (несульфированных соединений) в составе пенообразователя.
В связи с этим представляется целесообразным регламентировать содержание минеральных масел в ДС-РАС и контакте Петрова, внеся соответствующие изменения в технические условия на эти продукты.
Так, судя по данным табл. 41, применительно к ЖСС с жидким стеклом, содержание минеральных масел в пенообразователе ДС-РАС следовало бы увеличить с 1,0 до 1,5—2,0%.
В настоящее время содержание масел и в ДС-РАС и в контакте Петрова колеблется в значительных пределах, из-за этого их пенообразующие свойства также изменяются, что в свою очередь затрудняет получение ЖСС со стабильными технологическими характеристиками.
Механизм формирования газопроницаемости ЖСС. Некоторые специалисты полагают, что для получения смесей с высокой газопроницаемостью пена должна разрушаться до начала твердения смеси. Однако, как будет показано ниже, устойчивость пены должна быть больше индукционного периода и интенсивное восстановление газопроницаемости должно начинаться после его завершения. На такой характер формирования газопроницаемости указывает и ход кинетических кривых на рис. 87 и 89. Быстрый рост газопроницаемости наблюдается в интервале от 30 мин до 2 ч, т. е. после начала твердения. Об этом свидетельствует и изменение макроструктуры ЖСС в процессе твердения, показанной на рис. 91, а, б и в. Разрушение пленок в процессе твердения смеси может быть следствием протекания двух процессов:
усадки жидкой композиции, приводящей к развитию в пленках напряжений и возникновению трещин; на влияние этого фактора указывается также и в работах Киевского политехнического института;
разрушения отдельных участков пленок пены, находящихся в жидком или полужидком состоянии после затвердевания смеси.
О возможности существования пленок в подобном состоянии можно судить по механизму твердения смесей, рассматривавшемуся в главе 4. В процессе структурообразобания смесей модуль жидкой фазы непрерывно снижается, из-за чего ее затвердевание может сильно запаздывать.
Взаимосвязь между различными свойствами ЖСС
Свойства ЖСС чаще всего рассматривают и изучают в отрыве друг от друга без достаточного учета того, как изменение одного свойства может повлиять на изменение остальных, зависимых от него свойств. Так, всякое повышение живучести смеси, к которому часто прибегают на практике, неизменно вызывает снижение газопроницаемости. Снижение устойчивости пены в смеси может вызвать такое малоизученное явление, как усадка смеси до затвердевания, приводящая к браку стержней.
Усадка проявляется в виде проседания смеси на участках стержней, находящихся в поднутрениях стрежневых ящиков или в отслоении толстой корки смеси на стержнях в тех же местах.
Нами было показано, что образование этих дефектов вызвано преждевременным разрушением пены, в основном или полностью заканчивающимся до начала твердения смеси, т. е. до окончания индукционного периода.
Условия образования усадки рассмотрим на примере ЖСС с жидким стеклом и феррохромовым шлаком. Для определения усадки применяли прибор, представляющий собой гильзу диаметром 50 мм и высотой 100 мм, над которой располагался шток, создававший давление на смесь, равное 15 г/см2. Верхний конец штока соединялся с индикатором. Гильзу заполняли контролируемой жидкой смесью, сверху на смесь опускали шток и через определенные интервалы времени фиксировали величину усадки. Последняя на стержнях появлялась тогда, когда величина усадки, измеряемой прибором, превышала 0,5—0,6%.
В выбранных нами для изучения смесях (табл. 42) устойчивость пены, величину индукционного периода и соотношение между ними регулировали изменением вида и состава пенообразователя, а также применением шлака различной активности. Во всех смесях содержание связующего, отвердителя и дополнительно вводимой воды оставалось неизменным.
При проведении опытов одновременно определяли текучесть смеси, устойчивость пены, кинетику изменения пластической прочности, газопроницаемости и величину усадки смеси до затвердевания. Тем самым представлялось возможным рассмотреть характер формирования таких свойств ЖСС, как живучесть, индукционный период твердения и газопроницаемость в их взаимосвязи, а также условия образования усадки смеси до затвердевания.
Как уже отмечалось, усадка смеси до затвердевания непосредственно связана с двумя технологическими параметрами — устойчивостью пены и индукционным периодом твердения. Из рис. 92 и табл. 42 видно, что усадка возникает во всех случаях, когда устойчивость пены меньше индукционного периода твердения.
На рис. 93 и 94, а, б, в, г показан характер формирования пластической прочности Рт, усадки Д/ и газопроницаемости ?l в течение первого часа твердения для смесей с различным составом пенообразователей.
Рассмотрим первый случай (рис. 93, а) — смесь с одним контактом Петрова. Устойчивость пены, равная 2 мин, значительно меньше индукционного периода твердения. Вследствие быстрого разрушения пены в короткое время формируется газопроницаемость, однако при этом наблюдается большая усадка смеси до затвердевания (~4,5%). При введении в смесь, наряду с контактом Петрова, 0,05% мылонафта (рис. 93, б) устойчивость пены увеличивается до 6 мин и продолжает оставаться меньше индукционного периода. В этом случае усадка уменьшается, а формирование газопроницаемости несколько задерживается. При содержании в смеси 0,1% мылонафта (рис. 93, в) устойчивость пены больше индукционного периода, усадка отсутствует, а скорость восстановления газопроницаемости остается достаточно высокой. Повышение содержания мылонафта до 0,2% (рис. 93, г) приводит к снижению темпа восстановления газопроницаемости.
Таким образом, усадка смеси исчезает при добавке 20% мылонафта и более по отношению к контакту Петрова, т. е. при отношении
На рис. 94, а, б, в, г приведены такие же данные для смесей с ДС-РАС. Смесь с 0,15% ДС-РАС (рис. 94, а) имеет устойчивость пены значительно больше индукционного периода, усадка при этом отсутствует, однако восстановление газопроницаемости протекает крайне медленно и начинается через 1,5—2 ч после приготовления смеси. Как известно, для восстановления газопроницаемости в смесь с ДС-РАС вводят пеногаситель НЧК. При добавке 0,03% НЧК (рис. 94, б) смесь начинает твердеть вместе с пеной, усадки нет, а газопроницаемость смеси быстро восстанавливается. При повышении содержания НЧК до 0,05% (рис. 94, в) устойчивость пены в смеси приближается к величине индукционного периода твердения. Максимальная усадка смеси, измеренная на приборе, составляет ~0,42% и близка к предельно допустимой (>0,5—0,6%), при которой на стержнях появляются усадочные дефекты. Газопроницаемость смеси достигает максимальных значений в течение первых 60 мин. Дальнейшее увеличение количества НЧК в смеси до 0,07% (94 г) сильно снижает устойчивость пены и приводит к образованию усадки.
Из приведенных примеров можно сделать вывод о том, что для получения жидких смесей с хорошим сочетанием технологических показателей, не склонных к образованию усадки, необходимо регулировать устойчивость пены таким образом, чтобы она несколько превышала индукционный период твердения.
На усадку смеси оказывают влияние активность отвердителя, температура окружающего воздуха, модуль жидкого стекла. Чем выше активность отвердителя, тем меньше вероятность появления усадки. Так, замена малоактивного шлака (время затвердевания технологической пробы 70—80 мин) в смеси № 4 (см. табл. 42) шлаком повышенной активности (продолжительность затвердевания пробы 30—35 мин) устраняет усадку смеси. Особенно большое влияние на усадку смеси до затвердевания оказывает температура окружающего воздуха. С повышением температуры снижается устойчивость пены и повышается скорость твердения смеси, однако индукционный период сокращается обычно в меньшей степени, чем падает устойчивость пены. Поэтому с повышением температуры склонность смесей к образованию усадки возрастает.
Мы рассмотрели причины и условия образования усадки на ЖСС с жидким стеклом. Она может возникать и на жидких смесях с другими связующими материалами, но механизм ее формирования один и тот же.
Следует отметить, что опасность образования дефектов стержней и форм из-за усадки смеси возникает лишь при изготовлении сложных изделий, имеющих поднутрения или закрытые сверху участки стержней и форм, когда понижение уровня смеси не может быть компенсировано вышележащими слоями.
При изготовлении относительно простых стержней и форм, сечение которых по высоте увеличивается или изменяется мало, усадка приводит к самоуплотнению смеси и оказывается весьма полезной, так как она приводит не только к повышению плотности и прочности смеси, но и к быстрому восстановлению газопроницаемости. В таких случаях целесообразно применять жидкие смеси с малоустойчивой пеной.
Известный по ряду зарубежных публикаций и патентов, так называемый «Lisa-процесс», основан именно на этой особенности жидких смесей. В этих публикациях описывается способ изготовления стержней и форм из самоуплотняющихся жидких смесей. Отмечается, что принцип самоуплотнения основан на разрушении пузырьков пены до начала процесса твердения, в результате чего обеспечивается получение высоких значений плотности и газопроницаемости смеси.
Из изложенного должно быть ясно, что «Lisa-процесс» должен иметь ограниченную область применения. Подтверждением сказанного может служить то обстоятельство, что в публикациях освещается опыт производства с помощью этого метода отливок типа изложниц.
Газовый режим в стержнях и формах из ЖСС
Исследованию процессов газообразования в литейных формах из обычных уплотняемых смесей уделяется в последнее время большое внимание [34, 40, 62], в то время как применительно к жидким смесям эти вопросы изучены крайне мало.
Газопроницаемость жидких смесей, как было показано, изменяется во времени, и ее можно регулировать в широких пределах.
В этом отношении гидравлические свойства ЖСС заметно отличаются от свойств обычных пластических смесей. Отмеченные особенности жидких смесей оказывают существенное влияние и на газовый режим стержней и форм, изготовленных из ЖСС, при заливке их металлом. Рассмотрим вкратце особенности формирования газового давления в ЖСС на жидком стекле, возможности его расчета и регулирования.
Измерение газового давления проводили по методике, описанной в работе. Схема установки несколько изменена применительно к особенностям ЖСС (рис. 95). В металлический кокиль 1 заливали жидкую смесь, в которую заформовывали латунную трубку 4, соединяющуюся резиновым шлангом 5 с водным манометром 6. Нижнюю часть кокиля закрывали поддоном 2 с металлической сеткой 3. Отсчет газового давления начинался сразу после покрытия поверхности смеси жидким металлом.
Для определения величины газового давления, возникающего в форме при заливке ее металлом, П. П. Берг и Я. И. Медведев предлагают следующую приближенную формулу для случая параллельной фильтрации газов: 
Числитель формулы представляет собой объем газов, выделившихся из формы за время τ.
Первый член знаменателя V/2p0 учитывает объем пор и начальное давление газа, которое чаще всего равно атмосферному. Его влияние проявляется только в начале процесса при τ→ 0, когда значение второго члена знаменателя очень мало. Второй член знаменателя К?Fτ/l характеризует пропускную способность формы. В этом выражении К — газопроницаемость; ?F/l определяет геометрические свойства форм и стержней (?F — сечение газового потока; l — длина пути фильтрации газов).
Величина газового давления, возникшего в форме, зависит от соотношения скоростей двух одновременно протекающих процессов: газовыделения и скорости отвода газов через смесь.
Можно считать, что в смесях с жидким стеклом количество образующихся газов определяется в основном влажностью смеси и температурой заливаемого металла, а при постоянной температуре заливки — только влажностью. Пропускная способность смеси при равных геометрических свойствах стержня или формы находится в прямой зависимости от газопроницаемости.
Формула (21) может быть положена в основу для расчета величины газового давления и построения номограммы с целью определения характеристик ЖСС с жидким стеклом и параметров форм и стержней, исключающих образование в отливках газовых раковин.
Для удобства пользования формулой проведены следующие преобразования:
где q — фактическая удельная газотворность смеси; SK — поверхность контакта формы с металлом; Н — глубина прогрева смеси до критической температуры.
За критическую температуру парообразования для ЖСС на жидком стекле принята температура 100° С; ρсм — объемная масса смеси.
Тогда
При постоянстве режимов заливки металла формула (22) примет вид
Числитель формулы qHρсм — удельный объем газов, выделившихся за время τ.
В формулу (23) необходимо ввести поправочный коэффициент z, зависящий от произведения MiГ, учитывающего конфигурацию форм и стержней:
MiГ представляет собой произведение критерия Михеева Mi и формы тела Г. По нашим данным, MiГ для формы ≤0,15; для стержней простой конфигурации ≤0,5; для стержней средней сложности 0,5< MiГ≤ 1,5, для стержней сложной конфигурации МГ > 1,5.
Глубина Н прогрева смеси до температуры парообразования зависит от сложности стержней, т. е. от произведения MiГ. Для стержней сложной конфигурации она не превышает 3,5—4,0 см.
Удельная газотворность смеси q определяется по диаграмме рис. 96 в зависимости от величины средней влажности и температуры смеси в данной форме или стержне. Среднюю влажность смеси рассчитывают путем определения полей влажности в данной форме на расстоянии H по формуле А. В. Лыкова
где Wц — влажность на расстоянии Н от поверхности; Wn — влажность на поверхности.
В свою очередь средняя температура в форме определяется по формуле
где N — постоянный коэффициент; для пластины N = 1/3, для цилиндра N — 1/2, для шара N = 3/5; tц — температура на расстоянии Н от поверхности формы; tn — температура на поверхности.
Первый член знаменателя в формуле (24) не учитывался, так как влияние его в первые моменты времени очень мало.
Длина пути фильтрации l для форм представляет собой кратчайшее расстояние от наиболее удаленной точки соприкосновения формы с металлом до поверхности контакта формы с атмосферой или вентиляционным каналом. Для стержней длиной пути фильтрации является кратчайшее расстояние от точки контакта стержня с металлом до поверхности знаковой части или накола.
Построенная по формуле (24) номограмма для определения условий, исключающих образование в отливках из чугуна газовых раковин, представлена на рис. 97.
Правило пользования номограммой следующее. По формуле (25) рассчитываем Wcp путем определения влажности на поверхности стержня или формы и на глубине (ориентировочно, с запасом 50 мм) определяем длину пути фильтрации l, величину газопроницаемости смеси К к моменту заливки формы или стержня металлом. Для стержней ориентировочно определяем группу сложности или рассчитываем значение MiГ.
Из точки Wср восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с прямой 1 для форм или до пересечения с прямыми 2, 3,4 в зависимости от группы сложности стержня. Затем проводим горизонтальную линию до пересечения со шкалой q; точку на шкале q соединяем со значением l и в точке пересечения прямой со шкалой К получаем минимальную величину газопроницаемости, при которой заливка стержня или формы безопасна с точки зрения образования газовых раковин.
Если газопроницаемость смеси меньше полученного на номограмме значения, необходимо или уменьшить l, сделав наколы, или подсушить смесь до допустимой влажности. С помощью номограммы можно решать и обратные задачи, определяя, например, допустимую влажность смеси, при которой величина газового давления будет ниже критического значения.
ЖИДКИЕ САМОТВЕРДЕЮЩИЕ СМЕСИ
П.А. БОРСУК, А.М. ЛЯСС
МОСКВА, 1979 |
