Суха формувальна суміш, що ущільнюється в сипкому стані

Реферат: UA 83018 U UA 83018 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до ливарного виробництва, а саме, до сухих формувальних сумішей, що ущільнюються в сипкому стані при виготовленні ливарних піщаних форм, а також може застосовуватися для виробництва будівельних або вогнетривких виробів з зернистих сумішей. Ці суміші після ущільнення зміцнюють фільтрацією рідини з реагентом, що викликає затвердіння суміші, нагріванням (спіканням), пропарюванням та іншими способами. Відомо застосування готових сухих формувальних сумішей, що поставляються в мішках, з зернистих матеріалів на основі гіпсу, такі суміші також виготовляються в ливарних цехах змішуванням в сухому вигляді [1]. Вони застосовуються після замішування з водою до рідко рухомого стану для виготовлення форм переважно для ювелірного і зубопротезного лиття по моделях, що виплавляються. Переважна більшість вживаних зернистих сумішей при отриманні ливарної форми перед ущільненням зволожуються або замішуються з в'яжучим, яке змочує, обволікає (плакує) зерна наповнювача. Вода, що змочує зерна кварцового піску, є слабким в'яжучим. Без такого змочування зерен наповнювача була б відсутня поява манжет, що зв'язують зерна та разом з ними утворюють адгезійно-когезійний комплекс, згідно з загальною концепцією про міцність дисперсних систем [2]. При цьому велика вірогідність того, що зерна наповнювача, покриті в'яжучим, стикаються між собою через прошарки плівок, а ущільнення суміші пов'язано з деформацією і руйнуванням одних манжет між зернами і утворенням нових. Це потребує значних витрат на обладнання, оснастку і енергію для ущільнення сумішей або витрат на перевід сумішей в рідко рухомий стан, часто супроводжуване наступним сушінням. Наступний найменш витратний спосіб ущільнення суміші, властивий типу сумішей, до яких належить ця корисна модель, полягає в віброущільненні сухої сипкої суміші протягом 30…120 с до максимально можливої щільності при стикуванні зерен наповнювача своєю поверхнею за відсутності плівок в'яжучого. Наприклад, пісок для бетону повинен складатися із зерен різного розміру, щоб його міжзернова пористість була мінімальною; чим менше обсяг порожнин у піску, тим менше потрібно цементу для отримання щільного бетону [3]. Відомий аналіз закономірностей зміни пористості в системах, що складаються з куль двох 0.5 різних діаметрів; показано, що мала куля з діаметром d=(2 -1)D0,41D, де D - діаметр другої великої кулі, може розміститись в порах між кулями діаметром D [4, 5]. Це підтверджують експериментальні дані: мінімальна пористість спостерігається при додаванні близько половини дрібних зерен до більш крупних зерен [5]. Але такі дії по гранулометричній оптимізації застосовують для зменшення пористості лише до піщаних наповнювачів. Інформації про обмеження розміру зерен технологічних добавок в залежності від розміру зерна наповнювача сухих формувальних сумішей, що ущільнюється в сипкому стані, не виявлено. Ці суміші лише починають застосовуватись в дослідних умовах, також на початковому стані знаходяться дослідження можливості їх зернової оптимізації. Аналогічні роботи з приготування бетонів з урахуванням гранулометричного складу наповнювачів вказують, що вигідніше використовувати наявний поблизу матеріал, навіть якщо це вимагає застосування більш жирних сумішей, ніж возити здалеку наповнювач кращого зернового складу. Підкреслюється, що не існує ідеального гранулометричного складу природного матеріалу і що можна приготувати якісний бетон на наповнювачах з широким діапазоном гранулометричного складу [6], для чого важлива відповідна методика. Змінність в ливарних цехах гранулометричного складу наповнювачів, що можуть змінюватись кілька разів на годину при подачі з конвеєра в змішувач в залежності від кількості чистого та вторинного наповнювачів та за інших причин, потребує оперативної зміни складу суміші за результатами нескладного розрахунку. На даний час оператор змішувача сумішей, що стосуються цієї корисній моделі, не має такого простого методу (подрібнених до заданого розміру зерна добавок) для забезпечення стабільної якості суміші при поточному коригуванні її зернового складу. Відомі також сухі суміші для футеровок з мінімальною пористістю [7]. Їх наповнювачі спеціально розсіюються і потім змішуються в певній пропорції. Ці суміші дорогі і для ливарних форм не застосовуються. В одній з останніх робіт зазначено, що при зміні співвідношення крупних та дрібних фракцій кварцового піску існує стала залежність у зміні міцності формувальної суміші. Якщо у вологому стані вплив дрібної фракції слабко впливає на характеристики міцності, то у сухому стані спостерігається значне підвищення міцності суміші (у 1,2…1,5 рази) при вмісті дрібної фракції у межах 35…55 % від кількості крупної [8]. Однак ці дослідження виконані для сумішей з в'яжучим і водою, міцність сумішей з плівками в'яжучого багато в чому залежить від кількості і якості в'яжучого і часто залежить від ступеня і методів ущільнення, зазначений інтервал вмісту дрібної фракції вельми великий, а отримані 1 UA 83018 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 математичні моделі з високою ймовірністю характеризуються багатофакторністю і потребою уточнювання для кожної одиниці ущільнювального устаткування чи модельно-формувального оснащення ливарного цеху, що не дозволяє їх застосовувати для сухих сипких сумішей, що ущільнюються вібрацією. Найбільш близьким до заявленого технічного рішення є опис використання сухої формувальної гіпсопіщаної суміші, яка містить наповнювач - кварцовий пісок і технологічні добавки, зокрема, як в'яжуче - порошкоподібний гіпс [9]. З цієї суміші в контейнері виготовляють форму з крижаною моделлю, подібно до формування по способу лиття за газифікованими моделями. При таненні моделі в цій сухій зернистій суміші та фільтрації в формувальну суміш продуктів танення крижаної моделі гіпс зволожується, твердне і зв'язує зерна цієї формувальної суміші. Але ця суха формувальна суміш отримана без урахування оптимізації гранулометричного складу. Огляд джерел сучасної інформації на цю тему викликає цілковиту впевненість у тому, що ця суміш безумовно поступається за показниками якості та економічності показникам сумішей з "ідеальним" гранулометричним складом наповнювачів, які характеризуються найменшою міжзерновою пористістю при мінімальній поверхні частинок заповнювача [10]. Сухі формувальні суміші, що ущільнюються в сипкому стані, а потім зміцнюються просоченням рідини, спіканням, пропарюванням, вакуумуванням тощо і містять крім наповнювача технологічні добавки, лише починають застосовуватися в ливарних процесах. Відомі методики гранулометричного оптимізації, що застосовуються для будівельних матеріалів, стосуються оптимізації наповнювачів, бо суміші ущільнюють в вологому, переважно в тістоподібному, стані. Відсутність до теперішнього часу для формувальної суміші за цією корисною моделлю нескладних методів розрахунку оптимальних зернових складів (суміші в цілому з заданим розташуванням зерен технологічних добавок між зернами наповнювача), придатних для використання в умовах заводської лабораторії, збільшує трудомісткість виробництва і утруднює стабільне досягнення якісних показників цих сумішей, зокрема щільності та міцності. Особливо за умов застосовування в постійному обороті формувальних дільниць ливарних цехів в середньому 60…95 % суміші з вторинного сухого піску з періодичним додаванням в цей оборот до 100 % чистого формувального піску і/або регенерованого піску, що часто мають різний зерновий склад. Задача корисної моделі, створення простого методу оптимізації складу і оперативного методу розрахунку такого зернового складу зазначеного виду формувальної суміші і демонстрація прикладів їх використання, при цьому мається на увазі оптимізація складу суміші з огляду підтримання стабільних показників щільності та міцності. Поставлена задача вирішується тим, що в сухій формувальній суміші, що ущільнюється в сипкому стані, яка містить наповнювач з зернистих матеріалів із середнім розміром зерна Д ср і один або декілька видів технологічних добавок з зернистих матеріалів, включаючи в'яжуче, затверджувач, протипригарні, поліпшуючі вибивальність, або інші добавки, в тому числі комплексні, згідно з корисною моделлю, середній розмір зерен технологічних добавок не перевищує 0,41Дср. Крім того, наповнювачем в цій формувальній суміші може бути сухий пісок формувальний по ГОСТ 2138-91 або його суміш з вторинним і/або регенерованим піском формувальним в кількості 0…100 %, а вміст (мас. %) технологічних добавок складає менше 0,5 Х=100(0,41Дср/Дмакс) -М, де Дср і Дмакс - середній і максимальний розміри зерна наповнювача, М - фактичний вміст (мас. %) фракцій в наповнювачі з розмірами меншими 0,41Дср або меншими сторін комірки сита найближчого більшого розміру від 0,41Дср при визначенні середнього розміру зерна стандартними методами. Також хоча б один вид зерна цієї суміші може мати здатність утримуватися на поверхні модельного оснащення та/або утримувати на своїй поверхні інші зерна цієї суміші електростатичними силами. А як технологічну добавки ця суміш може містити мелений пінополістирол, мелені його відходи і/або мелені його відходи, що попередньо пройшли теплову обробку. Застосування сипких технологічних добавок з зернистих матеріалів заданого зернового складу дозволяє при виготовлені форми розташувати їх зерна між зернами сухого піску формувального по ГОСТ 2138-91 з масовою часткою вологи не більше 0,5 % якості одного з найбільш широко вживаних наповнювачів. Зерна кварцу в системі "наповнювач-в'яжуче" мають найбільшу міцність. Використання відсутності іншої взаємодії між частинками крім внутрішнього тертя в матеріалі для такого поки "нетрадиційного" виду формувальних сумішей дає можливість при ущільненні створити міцний каркас із зерен наповнювача при контакті їх своєю поверхнею, а технологічні зернисті добавки не перешкоджають утворенню цього каркаса, бо розміщаються (витісняються) переважно в пори цього зернового каркаса подібно до концепції економії цементу в монографії [3]. Але за цією монографією пісок і цемент замішуються та ущільнюється 2 UA 83018 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 не в сухому стані, а в тістоподібному з додаванням води, що має дещо інший механізм ущільнення. Застосування в суміші лише сухих компонентів, які при вібрації, що зменшує внутрішнього тертя, в період формування досягають максимальної щільності, дозволило прямо застосувати результати кульової моделі до всієї сипкої суміші по книгах [4, 5], в яких вона лише теоретично розглянута для наповнювачів сумішей з в'яжучим, що створює адгезійно-когезійні сили в системі зв'язування суміші піщаної форми. В роботах [4, 5] не могла бути застосована кульова модель до суміші в цілому, бо в них не описані сипкі суміші за цією корисною моделлю. Принципова відмінність ущільнення двох видів сумішей залежить від в'яжучого, яке в одному випадку зернисте та відповідає заданій зерновій фракції, в іншому - склеєне з зернами наповнювача. Зерна сипких сумішей при вібрації виконують коливальні рухи, набувають стану "псевдорідини" та ущільнюються з кінцевим розміщенням зерен в максимально можливій щільності, а зерна з в'яжучим покриваються плівками і практично починають склеюватися ще в період замішування та з великими зусиллями під час ущільнення, при якому про вільне розташування куль можна думати лише, умовно розглядаючи зерна без в'яжучого. Для наповнювача з зернистих матеріалів із середнім розміром зерна Дср при приготуванні формувальної суміші з одним або кількома видами технологічних добавок з зернистих матеріалів, згідно з концепцією піщаного каркаса з порами, куди витіснені добавки, середній розмір Дтд зерен технологічних добавок не перевищує 0,41 Дер. Для визначення розмірів зерен наповнювача і технологічних добавок, зокрема, використовували методику по ГОСТ 29234.3-91. Таку суміш автори застосовували в технології лиття по разових крижаних моделях, зокрема, згідно з описом [9]. В цьому процесі рідина від талої моделі просочувалась в пори суміші піщаної форми. При цьому зерна добавок в складі суміші змочувались, піддавалися гідратації для гідратаційних в'яжучих (напівводний гіпс, цемент) або розчинялись (порошковий концентрат рідкого скла). Це призводило до утворення манжет, що зв'язували зерна наповнювача та створювали адгезійно-когезійний комплекс [2], типовий для технології піщаної форми. Тобто, зв'язування проводили після ущільнення зерен. Наступний метод оптимізації ґрунтується на рекомендованому в роботі [10] найбільш простому і зручному для кварцових пісків рівнянні Фуллера, згідно з яким оптимальна гранулометрія наповнювача являє собою параболу. За рівнянням Фуллера [10] X i = 0,5 100(Дi/Дмакс) , де, крім раніше зазначених позначень, Хі - вміст фракції з розміром зерен менше Ді, %. Підставивши Дi = Дтд = 0,41Дср в це рівняння, отримали необхідний вміст фракції такого розміру в формувальній суміші, що відповідає розміру Д тд. Якщо відняти з нього масу (%) М вже наявних зерен у формувальному піску з розміром, меншим Дтд, визначену гранулометричним аналізом цього піску, то отримаємо інтервал, який можна повністю чи частково заповнити технологічними добавками. Таким чином, отримали дві відмітних ознаки сухої формувальної суміші з оптимізованим складом згідно з розглянутим методом обмеження розмірів зерна технологічних добавок і уточненим складом згідно з методом розрахунку оптимального зернового складу сухої формувальної суміші, що відповідають першим двом пунктам формули корисної моделі. У статті [2] зазначена електростатична взаємодія між органічними полімерними в'яжучими і формувальним піском, а також утримування частинок формувальної суміші на поверхні крижаної моделі (як разовому оснащенні) електростатичними силами [12]. Ці сили здатні утримувати дрібні частки технологічних добавок на поверхні зерен або оснащення (на відміну від хаотичного розміщення), частково створюючи ефект, аналогічний змочуванню зерен рідиною. Але при віброущільненні більш великі і важкі зерна наповнювача при коливальному русі і взаємному терті витісняють полімерні дрібні частинки з контактних поверхонь зерен наповнювача. Накладення вібрацій часто супроводжується, крім того, ефектом руйнування зерен полімеру гострими краями більш твердих і міцних зерен наповнювача зі збільшенням диспергування частинок полімеру. Наступне за ущільненням зв'язування шляхом появи плівок води або переведення в рідкий стан часток технологічних добавок їх розчиненням або розплавленням електростатичне утримання часток в'яжучого на поверхні частинок наповнювача збільшує кількість манжет між зернами наповнювача, оскільки віддалені частинки в'яжучого від поверхні зерен наповнювача мають менші можливості утворити сполучні манжети. Розташування на поверхні разових моделей технологічної добавки, що зменшує пригар, або утримання часток в'яжучого в парі з частинками затверджувача, що вступають в реакцію між собою при зволоженні і т. п. також доцільно виконати вельми слабкими електростатичними силами, що регулюються величиною нанесеного заряду чи застосуванням антистатичних засобів. 3 UA 83018 U 5 10 15 20 25 30 Характерною комплексною добавкою, здатною до електростатичного нанесення на зерна піску, служить мелений пінополістирол, його відходи і/або мелені його відходи, що пройшли теплову обробку. Останній вид має відносно малий об'єм і зручний для складування. Ця добавка при нагріванні вище температури її плавлення і при наступному охолодженні суміші має зміцнюючі суміш властивості, а вище температури газифікації сприяє знеміцненню піщанорідкоскляних сумішей і підвищує її газопроникність при високих температурах. Для прикладів застосування методу оптимізації складу і оперативного методу розрахунку оптимального зернового складу сухої формувальної суміші використовували дані гранулометричного складу конкретного формувального піску по ГОСТ 2138-91, поміщені в таблицю, рекомендовану по ГОСТ 29234.3-91 для визначення середнього розміру зерна. Далі показаний розрахунок. Оскільки величина зерна характеризується номером сита, на якому залишається дане зерно після проходження його крізь попереднє сито, то Дмакс = 1,00 мм. При розрахунку по ГОСТ 29234.3-91 для цього піску Дср = 0,206 мм. Тоді, згідно з цією корисною моделлю, середній розмір зерен технологічних добавок повинен не перевищувати Д тд = 0,41Дср = 0,084 мм. Оскільки сито з комірками розміром 0,084 мм по ГОСТ 29234.3-91 не вказані, то посилили умови і як М прийняли масу частинок, що пройшли крізь комірку найближчого більшого розміру 0,10. Тоді за даними таблиці М = 5,2 % і розрахунок допустимого вмісту технологічних добавок 0,5 0,5 виглядав так: X = 100 (Дтд / Дмакс) - М = 100(0,084 / 1) - 5,2 = 29,0 - 5,2 = 23,8 %. Таким чином, суміш, згідно з розрахунком, повинна складатися з формувального піску, розсівання якого показано в таблиці, і технологічних домішок із середнім діаметром менше 0,084 мм у кількості менше 23,8 %. Прикладом цієї сипкої суміші для віброущільнення в сухому стані і подальшого зміцнення при просочуванні водної композиції від талої крижаної моделі служила суміш такого складу на основі розглянутого піску: формувальний пісок - 76,2 %; гіпсове в'яжуче -15 % тонкого помелу з максимальним залишком на ситі з коміркою розміром на світлі 0,2 мм не більше 2 %; цемент 8,3 % з питомою поверхнею 0,7…0,9 м /г; мелені відходи пінополістиролу, що пройшли теплову обробку, - 0,5 %. Ці технологічні добавки мали Дср менший 0,084 мм. При отриманні форм по крижаних моделях з такої суміші до складу льоду моделі вводили рідке скло до 1 % для прискорення твердіння суміші і її водостійкості. В результаті отримали оболонкові форми задовільної якості з товщиною стінки 15…25 мм при формуванні в контейнерній формі, де на вказану товщину піщаної суміші відбулася фільтрація талої рідини крижаної моделі і цей зволожений прошарок затвердів, а також з товщиною стінки 3…5 мм при формуванні методом кількаразового нанесення на поверхню моделі вказаної сипкої суміші за методом [12]. 35 Таблиця розсівання формувального піску Розмір сторін комірки сита на світлі, мм 2,50 1,60 1,00 0,63 0,40 0,315 0,20 0,16 0,10 0,063 0,05 Тазик Всього 40 Залишок на ситі, г 0 0 0,1 0,4 1,8 4,6 18,75 8,9 11,6 2,35 0,15 0,05 50,00 Залишок на ситі, Частинок, розміром менше % сторін комірки сита, % 0 100 0 100 0,2 99,8 0,8 99,0 3,7 95,3 9,5 85,8 38,5 47,3 18,3 29,0 23,8 5,2 4,8 0,4 0,3 0,1 0,1 0 100 Крім "свіжого" формувального піску застосовували вторинний сухий пісок, що висипали з форм при видаленні виливків і охолоджували до температури приміщення цеху, та/або вторинний пісок, що пройшов теплову регенерацію, в довільній пропорції. Операції формувань і розсівань з такими пісками і їх сумішами проводили аналогічно використанню чистого піску. Запропоновані згідно з корисною моделлю сухі сипучі суміші, що після ущільнення в сипучому стані зміцнюються просоченням рідини, спіканням, пропарюванням, вакуумуванням, придатні для виробництва будівельних або вогнетривких виробів, футеровки виливниць та ковшів. 4 UA 83018 U 5 10 15 20 25 30 35 Формувальна суміш згідно з корисною моделлю отримана з використанням нескладного методу оптимізації її складу та оперативного методу розрахунку оптимального зернового складу з огляду показників щільності та міцності, зокрема з визначенням допустимих зернової фракції та кількості технологічних добавок. Ці методи засновані на даних стандартних випробувань і сучасних результатах гранулометричного аналізу сипучих формувальних матеріалів. Застосування таких сумішей спростить технологічну підготовку процесу їх приготування, дозволить оперативно коригувати склади сумішей при зміні рецептури і матеріалів, що поставляються чи надходять з обороту, а наведений приклад розрахунку полегшить його застосування лаборантами формувальних відділень. Запропоновані методики рекомендується занести в комп'ютерні програми, які дозволяють вести як розрахунки, так і моніторинг зміни характеристик суміші на тривалих проміжках часу як складових операцій контролю якісних показників ливарного процесу. Джерела інформації: 1. Репях С.И. Технологические основы литья по выплавляемым моделям. - Днепропетровск: Лира, 2006.-1056 с. 2. Жуковский С.С., Ромашкин В.Н. О "шаровой" модели формовочной смеси // Литейное производство, 1986. - №3. - С. 12-13. 3. Баженов Ю.М., Комар А.Г. Технология бетонных и железобетонных изделий. - М.: Стройиздат, 1984.-672 с. 4. Берг П.П. Формовочные материалы. - М.: Машгиз, 1963.-408 с. 5. Берг П.П. Качество литейной формы. - М.: Машиностроение, 1971.-286 с. 6. Невилль А.М. Свойства бетона. - М.: Стройиздат, 1972.-344 с. 7. Шумихин В.С, Лузан П.П., Жельнис М.В. Синтетический чугун - К.: Наукова думка, 1971160 с. 8. Шейко О.І., Клименко В.А., Ігнат'єва ЯВ. Вплив гранулометричного складу кварцового піску на міцність формувальної суміші // Материалы II Междунар. научно-практич. конф. "Литейное производство, технологии, материалы, оборудование, экономика и экология". 1921.11.2012. Киев, ФТИМС НАН Украины. - С. 314-316." 9. Шинський О.И., Дорошенко В.С. Спосіб виготовлення ливарних форм по легкоплавких моделях. Пат. UA 83891, МПК В22С9/04, В22С7/00.- Опубл. 26.08.08. Бюл. №16. 10. Зозуля П.В. Штукатурные материалы: традиции и современность // Доклады конференции Baltimix-2006, http://rudocs.exdat.com/docs/index-215924.html (дата обращения: 27.11.2012). 11. Влияние зернового состава заполнителя на уплотнение низкоцементного бетона / В.В. Песчанская, Ю.А. Онасенко, Ю.С. Пройдак, И.В. Голуб // 36. наук. пр. ВАТ "УкрНДІВогнетривів ім. А.С. Бережного".-2010. -Вип. 110. - С. 220-226. 12. Дорошенко В.С. Нанесение порошковых красок на ледяные литейные модели, применяемые для получения отливок из металла // Экология и промышленность России.-2011.№3. - С. 10-13. 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 60 1. Суха формувальна суміш, що ущільнюється в сипкому стані, яка містить наповнювач з зернистих матеріалів із середнім розміром зерна Дcр і один або декілька видів технологічних добавок з зернистих матеріалів, включаючи в'яжуче, затверджувач, протипригарні, поліпшуючі вибивальність, або інші добавки, в тому числі комплексні, яка відрізняється тим, що середній розмір зерен технологічних добавок не перевищує 0,41 Д cр. 2. Формувальна суміш за п. 1, яка відрізняється тим, що наповнювачем є сухий пісок формувальний по ГОСТ 2138-91 або його суміш з вторинним і/або регенерованим піском формувальним в кількості 0…100 %, а вміст (мас. %) технологічних добавок складає менше 0,5 Х=100(0,41Дср/Дмакс) -М, де Дср і Дмакс - середній і максимальний розміри зерна наповнювача, М - фактичний вміст (мас. %) фракцій в наповнювачі з розмірами, меншими 0,41 Дер або меншими сторін осередку сита найближчого більшого розміру від 0,41 Д ср при визначенні середнього розміру зерна стандартними методами. 3. Формувальна суміш за п. 1, яка відрізняється тим, що хоча б один вид зерна цієї суміші здатен утримуватися на поверхні модельного оснащення та/або утримувати на своїй поверхні інші зерна цієї суміші електростатичними силами. 4. Формувальна суміш за п. 1 або п. 3, яка відрізняється тим, що як технологічну добавку містить мелений пінополістирол, мелені його відходи і/або мелені його відходи, що попередньо пройшли теплову обробку. 5 UA 83018 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6