Доклад: Исследование технологического процесса изготовления стержней COLD-BOX-AMIN-методом
Нижегородский Государственный Технический Университет
Кафедра “Литейно-металлургических процессов и сплавов”
Отчёт по научно-исследовательской практики
Тема: “Исследование технологического процесса изготовления стержней COLD-BOX-
AMIN-методом”
Выполнил: студент
гр. 00-ЛП
Волков А.В.
Проверил: доцент
Беляев С.В.
Н.Новгород
2004 г.
Содержание
Задание...............................
Стержни из холоднотвердеющих смесей в литейном производстве России......4
Теоретические сведения о Cold-box-amin-процессе...........7
Особенности формирования структуры связующего способа амин-процесс
изготовления стержней.......................10
Модернизации стержневых машин для изготовления стержней по процессу «Cold-
box-amin»..........................16
Охрана труда при использовании компонентов смеси...........18
Проведение лабораторных испытаний новых связующих в сравнении с аналогами,
применяемыми в литейном производстве ОАО “ГАЗ”.....21
Лабораторный пескострельный аппарат типа L1 с комбинированным газогенератором
по процессам Coldbox и Betaset.............22
Стержни из холоднотвердеющих смесей в литейном производстве России
В отечественном литейном производстве доля стержней и форм, изготавливаемых
из холоднотвердеющих смесей (ХТС) по экспертным оценкам составляет 50-55%.
До начала 90-х годов это были преимущественно смеси с жидким стеклом (СО2-
процесс и жидкое стекло со сложноэфирными отвердителями) и смолами кислотного
отверждения (карбамидными, карбамидофурановыми, фенолофурановыми).
ХТС использовались только в отраслях с серийным производством для среднего и
крупного литья. В массовом производстве (автомобильной промышленности,
сельхозмашиностроении и т.д.) они практически не применялись, в то время как
в промышленно развитых странах в этих отраслях от 60 до 80% стержней в
настоящее время производится по технологии «Cold-box-amin». Единственным
исключением был Литейный завод КАМАЗа, который с 1994-1995 годов перешел на
изготовление комплекта стержней блока цилиндров по технологии «Эпокси-CO2».
В прошедшее десятилетие благодаря усилиям группы российских специалистов -
литейщиков и химиков ситуация принципиально изменилась. На 11 заводах на
стержневых комплексах фирмы «Laempe» внедрена технология изготовления
стержней «Cold-box-amin». В их числе «ГАЗ», «Заволжский моторный завод»,
«Пермские моторы», «Красный двигатель» в Новороссийске, «Чебоксарский
агрегатный завод» и другие. Идет подготовка к производству крупных стержней
по этой технологии для стального вагонного литья на Чебоксарском заводе
«Промтрактор», «Cold-box-amin». В этом же направлении проблема решается и
на «Уралвагонзаводе» в Нижнем Тагиле. Все они используют комплект
отечественных материалов для этого процесса - трехкомпонентное связующее
«Полифам-1К» и др. Важно, что этот тип ХТС применяется не только в массовом,
но и в мелкосерийном производстве. Системный анализ экономики показывает,
что во всех случаях имеет место повышение качества и точности отливок,
снижение себестоимости, улучшение экологической ситуации приемлемые сроки
окупаемости капитальных затрат.
Хорошие перспективы имеют в наших условиях технологии «α-set:» и
«β-set», основанные на применении щелочной фенольной водорастворимой
смолы отверждаемой смесью эфиров. В самотвердеющем варианте («α-set:»)
живучесть смеси регулируется выбором отвердителя. При отверждении
газообразным эфиром - метилформиатом («β-set») время отверждения до
манипуляторной прочности составляет 15-30 сек. Обе эти технологии внедрены на
ряде заводов. Большой интерес представляют реализованные у нас проекты
модернизации производства, в которых все стержни изготавливают по этим двум
технологиям.
Учитывая традиционный для России опыт работы по СО2-процессу, большой интерес
вызывает новая технология «Resol-CO2», которая основана на применении
отечественного синтетического полимерного связующего «Экофен», отверждаемого
углекислым газом. Этот процесс применяют или осваивают более 15 предприятий
для изготовления стержней и форм для отливок из всех видов сплавов, в том
числе углеродистых и легированных сталей.
На данной стадии химические предприятия России в состоянии полностью
обеспечить любые потребности литейного производства в синтетических связующих
и вспомогательных материалах, которые по техническому уровню отвечают
западным стандартам.
К сожалению, в России предприятия, специализирующиеся на производстве
фурановых смол, не выпускают смолы для ХТС с высоким содержанием фурилового
спирта - 80-90%. Эти смолы обладают хорошими технологическими свойствами,
высокой прочностью и термостойкостью при содержании в смесях на уровне 1-
1,2%, легко регенерируются. На Западе этот класс смол преобладает в литейных
цехах тяжёлого машиностроения, в первую очередь при изготовлении крупных
форм. В химическом и сырьевом плане производство этих смол не представляет
существенных проблем.
Применение ХТС в одном цехе и для стержней и для форм позволяет иметь
отработанную смесь без глины и жидкого стекла. Это в свою очередь позволяет
применять установки для механической регенерации с выходом 80-90%
качественного регенерата. На ряде заводов регенерационные установки такого
типа действуют в составе технологических комплексов.
Западный рынок предлагает большой выбор оборудования для процессов, связанных
с применением ХТС. Это стержневые комплексы, линии опочной и безопочной
формовки, системы подогрева песка и воздуха, системы осушки воздуха,
регенерационные установки, смесители, вибростолы, лабораторное оборудование.
Специально следует указать на технологические решения экологических проблем,
связанных с применением ХТС.
В общей массе токсичных веществ, которые образуются в технологическом
процессе получения отливки и попадают в воздух, воду и почву внутри рабочих
помещений и в окружающей среде значительная доля приходится на эмиссию из
формовочных и стержневых смесей.
Если средний коэффициент термодеструкции принять равным 0,5, то масса
токсичных веществ, выделяемых в окружающую среду (для органических связующих)
составит более 50 тысяч тонн ежегодно.
В течение четырех последних десятилетий во всех индустриальных странах
осуществляются технологические разработки, направленные на снижение
газовыделений. Исследования связаны с совершенствованием или созданием
принципиально новых связующих систем. В результате сложилось несколько
направлений, которые в той или иной степени решают экологическую проблему.
Все они связаны с применением органических связующих, или заменой их на
неорганические, которые, будучи безопасными, в экологическом отношении,
обладали бы аналогичными технологическими свойствами (прочность, скорость
отверждения, живучесть и т.д.).
Снижение содержания связующей композиции в составе смеси и содержания в
смолах свободных мономеров.
За счет оптимальной рецептуры и режимов синтеза смол, а также применения
силанов для фенольных и фурановых смол типа ФФ-65С, КФ-65С и других
удалось снизить содержание связующего в смеси.
Применительно к процессу «Cold-box-amin» содержание связующих н начальном
этапе составляло 2-2,2%. Повышение прочности стержней сразу после продувки и
при дальнейшем хранении было достигнуто за счет модифицирования фенольной
части и подбора смеси растворителей. Связующие последнего поколения
имеют прочность на разрыв при содержании в смеси 1,4% 13-14 кг/см² сразу
после продувки, 20-21 кг/см² через 3 часа и около 30 кг/см² через
24 часа. Это позволило снизить содержание связующего в смеси до 1,2%, а в
некоторых случаях до 0,8-1%.
Пропорционально снизился общий объем эмиссии токсичных веществ (фенола,
формальдегида, оксида углерода и др.) на холодной и горячей стадии процесса.
Доля процессов, основанных на применении нагреваемой оснастки, снизилась в
среднем в 2,5 раза за последние 20 лет , лидирующее положение заняли смеси
холодного отверждения, главным образом отверждаемые газообразными аминами.
Разработки принципиально новых связующих композиций существенно продвинуты в
США (фирма «Ноrmel» по лицензии «General Моtors») и ФРГ (фирма «Laemре»),
целью которых является создание таких связующих, которые не выделяли
токсичных компонентов, обладали бы высокой прочностью и отличной
выбиваемостью.
Связующее «GМВОND» General Моtors представляет продукт, образующийся при
переработке животного сырья и содержащий в качестве связующей основы протеин.
Отверждение смеси осуществляется в теплом ящике (120-140ºС), по кинетике и
уровню прочности оно близко к фурановым смесям для горячих ящиков, смесь
отлично выбивается.
Разработка «Laemре» - смесь с неорганическим связующим отверждается в
микроволновом поле; скорость отверждения и прочность смеси по данным фирмы
близка к параметрам процесса «Соld-bох». При погружении в воду связующее
полностью и быстро растворяется, что решает проблему выбивки.
И в первом и во втором случае смеси не имеют запаха и практически не выделяют
при нагреве токсичных компонентов.
Всё изложенное свидетельствует о том, что в ближайшие 5-7 лет следует ожидать
значительных усовершенствований в технологии изготовления стержней в
массовом и крупносерийном производстве.
Теоретические сведения о Cold-box-amin-процессе.
Cold-box-amin-процесс разработан в США в 1968 г. фирмой Ashland. Стержневая
смесь содержит 100% кварцевого песка, 0,6...0,8% фенольной смолы (СК1), 0,6.
..0,8% полиизоцианата (СК2). После уплотнения смеси в ящике пескодувным или
пескострельным способом стержень продувается смесью паров низкокипящей
жидкости - третичного амина (триэтиламина, диметиламина), с воздухом, и
стержень приобретает начальную прочность, которая составляет 60% её конечного
значения. Время продувки 2..5 с, далее 10...20 с стержень продувают воздухом
для его очистки от паров амина. Расход катализатора менее 1,5 г на 1 кг
стержневой смеси. В результате взаимодействия компонентов связующего в
присутствии катализатора (амина) образуется твердый полимер – полиуретан,
который и обеспечивает высокую прочность стержня. Для подготовки, дозирования
и подачи амина применяют специальные газогенераторы, которые испаряют амин,
смешивают его с воздухом и подают в стержневой ящик.
Смесь амина с воздухом, после прохода через стержневой ящик, направляется в
нейтрализатор, где полностью нейтрализуется разбавленной серной кислотой с
образованием водорастворимой соли - сульфата аммония. Степень очистки воздуха
в этой системе близка к 100%. Таким образом, весь тракт подачи амина
полностью герметизирован, что обеспечивает безопасность процесса. При
необходимости готовые стержни окрашивают противопригарной краской.
В России разработаны и производятся все необходимые для этого процесса
материалы, которые прошли экспертные испытания в ФРГ, по качеству они не
уступают продукции ведущих европейских и американских производителей, таких
как Huttenes Albertus (ФРГ), Ashland (США), Furtenbach (Австрия) и др.
Процесс отверждения - полиприсоединение
а) полиуретановая смола + полиизоцианат = резольное связующее
б) резольное связующее + газообразный амин = полиуретан
Реакция между бензильно - эфирной смолой и изоцианатом происходит следующим
образом:
Бензо-эфирная
смола
Изоцианат
Полиуретан
Описание материалов:
1) Бензильно - эфирная смола (орто-фенолный резоль)
Смолы, применяемые при процессе Cold-box-amin, являются конденсационного
типа. Их изготовляют на основе фенолов и формальдегидов, а затем растворяют в
эфирах или углеводородах. Реакция смол от нейтральной до слабо-кислой.
Растворы смол окрашены по-разному. Их растворимость в воде ограниченная.
2) Изоцианаты
Изоцианат, применяемый при процессе Cold-box-amin,, является смесь из ди-
фенил-метановый-4,4'-ди-изоцианата (мономера метил – ди изоцианата) и из
полимера на основе метил-ди-изоцианата (функциональность полимера не менее
чем 2), которые растворены в органической среде. Изоцианаты обычно поставляют
в виде жидкостей коричневого или темно-коричневого цвета.
3) Амины
В качестве катализаторов при процессе Cold-box-amin применяют следующие амины:
- три-етил-амин (ТЕА);
- ди-метил-етил-амин (ДМЕА);
- ди-метил-изопропил-амин (ДМИА).
А также смеси из выше указанных типов с температурами испарения выше 35ºС.
Таблица 1 Основные физико-механические характеристики аминов
| Параметр | ТЕА | ДМЕА | ДМИА | | Химическая формула | (С2Н5)3N | C2H5N(CH3)2 | (CH3)2CHN(CH3)2 | | Допустимая рабочая концентрация, мг/м³ | 40 | 25 | 25 | | Плотность, г/см³ | 0,73 | 0,68 | 0,73 | | Температура кипения, ºС | 89 | 35 | 64 | | Температура плавления, ºС | -11 | -45,5 | -27 | Предел взрывоопасности нижняя граница верхняя граница | 1,6 9,3 | 0,9 11,2 | 1 8,1 | | Температура вспышки, ºС | 215 | 190 | 190 | | Классификация по температуре вспышки | G3 | G4 | G4 | | Классификация по взрывоопасности | 2 | 2 | 2 | | Класс опасности | В | В | В | | Опасность загрязнения вод | 1 | 1 | 1 |
Свойства стержневой смеси:
1) Текучесть стержневой смеси отличная.
2) Прочностные характеристики являются функцией весовой доли смолы по
отношению к массе песка, а также отношению перемешивания смолы с
полиизоцианатом. Классические смеси с 0,4..0.6 % смолы при отношении смолы :
полиизоцианату = 1:1 имеют прочность при сжатии от 3 до 5 МПа., причём
прочность при огибании (0 ч) не менее 1.5 МПа.
3) Газотворная способность - во время заполнения формы расплавом возможно
выделение фенола, бензоля и свободного формальдегида.
4) Живучесть стержневой смеси (в закрытом состоянии) - несколько дней.
5) Выбиваемость:
- для отливок из железных сплавов – отличная;
- для отливок из алюминиевых сплавов – проблематичная.
6) Значительное влагопоглощение приводит к разупрочнению и повышенной
осыпаемости.
Влияние стержневой смеси на качество и металлическую структуру отливки:
1) Возможно образование НСN в поверхностных участках стальных отливок;
2) Возможно образование блестящего углерода;
3) Возможно образование ужимин.
Регенерация смеси - термическая или механическая.
Возможно применение разных песков - промытого и сухого хромистого,
циркониевого или кварцевого песка с содержанием основных окислов не более чем
1%. Увеличение основности контактной поверхности песчаного зерна приводит к
резкому уменьшению прочности стержневой смеси. Возможно применение
противопригарных красок на водяной или алкогольной основе, причём режим
окрашивания имеет важное значение.
Состав смеси:
1) 100% песок;
2) 0,4...0,6% полиуретановая смола (жидкое состояние);
3) 0,4...0,6% полиизоцианат (жидкое состояние);
4) 0,05...0,2% амин (газообразное состояние).
Экология процесса
Разрешённая максимальная рабочая концентрация (МРК) для аминов в Германии
очень низкая - 0.0010...0.0025%. Поэтому амино-воздушную смесь в участке
машины собирают и отводят в скруббер с подходящей мощностью на очистку. Из
скруббера в атмосферу отводят очищенный воздух.
Особенности формирования структуры связующего способа амин-процесс
изготовления стержней.
Данные, полученные в ходе исследований по определению физико-механических
характеристик полиуретанового покрытия, подтверждают теорию формирования
прочности стержней системы Колд-бокс-амин, строящейся на исследовании
структуры полиуретанового связующего.
При исследовании с помощью растрового электронного микроскопа структуры
отверждённого связующего было определено, что образуемое при производстве
стержней по методу Колд-бокс-амин полиуретановое связующее состоит из
беспорядочного склеенных друг с другом или сросшихся шарообразных частиц
полиуретана. Плотность образуемых глобул варьируется в довольно широком
диапазоне и определяется скоростью отверждения связующего и содержанием в
связующем растворителя. Диаметр глобул практически не зависит от плотности
их срастания и составляет примерно от 0,1 до 0,2 мкм.
При рассмотрении поверхности излома образца, характеризуемого когезионным
типом разрыва, ребристые или ломанные куски шарообразных частиц полиуретана,
указывающих на трансгранулярный разрыв, не обнаружены. Мостики связующего
разрушаются путем отделения глобул друг от друга. Т. о., когезионная
прочность связующего способа Колд-бокс-амин определяется прочностью
склеивания (срастания) глобул полиуретана.
При изготовлении стержней в результате очень быстрого образования
полиуретана за счет продувки газообразным катализатором растворитель к
моменту разделения фаз твердая-жидкая в полиуретане находится в
тонкодиспергированном виде. Высокая плотность шариков наблюдается там, где
растворитель может быстро отводиться (или испаряться) во время отверждения.
При протекании реакции отверждения плотные слои шариков полиуретана
оказываются окружены слоями растворителя. Данный слой растворителя действует
как разделительный слой и предопределяет места будущих разрывов мостиков
связующего. Такие гладкие, как бы «выровненные» слоем растворителя слои
глобул, т.н. «покровные слои», типичные только для связующего системы Колд-
бокс-амин, могут легко отделяться друг от друга и являться причиной резкого
снижения прочности.
Разрыв связующего по покровным слоям (т.н. «субпокровный разрыв») имеет
большое значение в теории формирования прочности стержней, изготавливаемых
по методу Колд-бокс-амин. При исследовании мест разрывов свежеизготовленных
стержней чисто адгезионных разрывов обнаружено не было. Даже при кажущемся
полном отделении связующего от зерна песка при более сильном увеличении этой
зоны были обнаружены очень тонкие, плотноупакованные слои шарообразного
полиуретана. Предположительно, открытые поверхности зерен песка представляют
хорошие условия для экзогенного образования полиуретана, на поверхности
раздела связующее - наполнитель преимущественно начинается реакция
отверждения и этим обуславливается плотная, прочная шаровая сетка полиуретана
на поверхности зерна песка. Непосредственно соседний слой связующего обеднён
смолой и изоцианатом и характеризуется высоким содержанием растворителя.
Между покровным слоем, выращенным на поверхности песчаных частиц, и
внутренней, возникшей вследствие эндогенного образования центров
кристаллизации глобулярной структурой, неизбежно будут иметься локальные
слои из не содержащего связующего растворителя. Наличием таких покровных
слоев объясняют многие ранее не вполне объяснимые явления, характерные для
способа Колд-бокс-амин изготовления стержней, а именно - высокая
гигроскопичность стержней, явление значительного набора прочности стержня
при его хранении (подсушки) и сильное влияние количества растворителя
связующей системы на прочность стержней.
Мгновенная прочность стержней Колд-бокс-амин-процесса сильно зависит от
содержания растворителя в исходных связующих материалах. С увеличением
содержания растворителя в связующем доля субпокровного разрыва в общем
разрыве возрастает и преимущественно определяет низкую прочность мостиков
связующего. Окончательная прочность стержней, изготовленных с повышенным
содержанием растворителя в связующем, также будет уступать прочности стержней
с нормальным содержанием растворителя, т.к. возникают крупноячеистые шаровые
структуры, и поэтому разрыв мостиков связующего происходит когезионно через
крупноячеистую глобулярную структуру.
Как для мгновенной прочности исключительно важным является доля субпокровного
разрыва, так и для окончательной прочности крайне важны плотность и степень
сшивки глобулярной структуры, также определенным образом зависящие от
содержания в связующем растворителя.
При длительном хранении стержней происходит испарение растворителя из зон его
локальной концентрации и происходит упрочнение стержней за счет
дополнительной сшивки (срастания) глобул полиуретана покровной зоны с
внутренней основой мостика связующего. Результаты исследования с помощью
растрового микроскопа показывают, что субпокровный тип разрыва присущ только
свежеизготовленным стержням. Здесь необходимо отметить, что не смотря на
преобладание субпокровного разрыва, характеризуемого крайне низкой
когезионной прочностью между «выровненными» слоями связующего,
свежеизготовленные стержни системы Колд-бокс-амин характеризуются довольно
высокими значениями абсолютной прочности. Изучение мест разрывов таких
стержней позволяет утверждать, что прочность стержней поддерживается за счет
местных срастаний между покровным слоем и эндогенно образованным глобулярным
скелетом. Местные срастания являются причиной того, что субпокровные разрывы
часто встречаются вместе со смешанными разрывами.
При длительном хранении стержня субпокровный разрыв становится всё более
редко встречаемым, что указывает на увеличение срастания покровных слоёв. На
месте субпокровного разрыва появляется характеризуемый более высокой
прочностью смешанный разрыв или чисто когезионный тип разрыва. Вид смешанного
типа разрыва различен и зависит от содержания растворителя в связующем. С
изменением вида разрыва с субпокровного на когезионный сильно возрастает и
прочность стержней. Основную роль в процессе увеличения прочности стержней
при хранении играет процесс испарения (удаления) растворителя из зон его
локальной концентрации и последующее срастание (сшивание) слоёв связующего,
имеющее химические и физические причины.
Еще одной крайне важной особенностью стержней, изготавливаемых по методу
Колд-бокс-амин, является их высокая чувствительность к действию внешних
факторов при хранении и окраске стержней. При окраске стержней, а также при
их хранении в условиях повышенной влажности наблюдается значительная потеря
прочности. Гигроскопичности связующего системы Колд-бокс-амин способствует
их открытая структура - крупноячеистый глобулярный скелет газоотвержденного
полиуретана. Решающую роль в формировании прочности связующего,
подвергаемого воздействию влаги, оказывает степень сшивки глобул полиуретана.
Высокое влияние степени сшивки на формирование прочности стержня,
подвергаемому воздействию влаги, подтверждает тот факт, что степень
разупрочнения стержней системы Колд-бокс-амин (имеющих крупноячеистый
глобулярный скелет газоотвержденного полиуретана) гораздо превышает
разупрочнение стержней системы Пеп-Сет (имеющих крайне плотную глобулярную
систему самоотвержденного полиуретана). Очевидно, что на степень сшивки
глобул полиуретана оказывают в первую очередь температура, при которой
протекает реакция полимеризации связующего и скорость протекания реакции. С
увеличением температуры и уменьшением скорости реакции степень сшивки
увеличивается, а следовательно, повышается и стойкость стержней к влаге.
Крупноячеистая шаровая упаковка связующего системы Колд-бокс-амин позволяет
объяснить высокую гигроскопичность стержней. В начальный момент времени
свежеизготовленные стержни благодаря наличию растворителя в связующем слабо
подвержены вредному действию влаги. Прочность таких стержней практически
полностью восстанавливается после окрашивания путём подсушки, разрыв таких
высушенных стержней происходит по когезионному типу. Стержень, лишенный
растворителя и подвергшийся воздействию влаги благодаря своей открытой
структуре и наличию большого количества микротрещин в результате гидролиза
связующего быстро теряет в первую очередь адгезионную прочность. Восстановить
прочность таких стержней путем их подсушки уже невозможно (связь между
плёнкой связующего и наполнителя нарушается необратимо), разрыв стержней
осуществляется по адгезионному признаку. Таким образом, потеря прочности
связующего во влажной атмосфере является выражением общего воздействия
нескольких параметров. Здесь играют роль скорость испарения растворителя,
упрочнение сшивки глобул связующего и разрушение связующего вследствие
гидролиза. Важна также температура и скорость отверждения стержня, т.к. от
этих параметров зависит начальная степень сшивки глобул полиуретана.
Полученные в результате собственных исследований физико-механических
характеристик газоотвержденного полиуретанового покрытия данные, подтверждают
основные положения существующей теории прочности стержней системы Колд-бокс-
амин, формируемой на основе исследования структуры полиуретанового
связующего, проведенного немецкими специалистами Бенишем и Лотцем.
Установлено, что между механизмом формирования прочности покрытия на основе
полиуретанового связующего и механизмом формирования прочности литейных
стержней системы Колд-бокс-амин существует прямая связь. Методы исследования
физико-механических свойств полиуретановых пленок могут быть использованы
для изучения свойств связующих материалов системы Колд-бокс-амин.
При проведении параллельных исследований реальных стержней и пленок покрытия
установлено:
1. Прочность стержней системы Колд-бокс-амин в первую очередь зависит от
состояния макро и микроструктуры связующего материала. В начальный момент
времени после изготовления стержней наименее прочной областью стержня
является подкорковая зона связующего.
Одновременно происходит дополнительное упрочнение микроструктуры связующего
за счёт упрочнения связей между глобулами полиуретана. В результате
воздействия влаги, благодаря открытой структуре связующего, снижается
адгезия связующего к кварцевому песку. Растворитель, содержащийся в
подкорковой зоне, блокирует доступ воды к поверхности раздела связующее -
наполнитель и позволяет в результате последующей сушки восстановить
прочность стержня. Стержни, лишённые остаточного растворителя связующего, не
могут быть защищены от вредного воздействия влаги и в результате
неблагоприятных внешних условий (или при их окраске) прочность таких
стержней падает необратимо.
2. Температурный режим и другие параметры продувки оказывают значительное
влияние на состояние макро - и микроструктуры связующего, а следовательно и
на прочностные показатели стержней системы Колд-бокс-амин.
Повышение температуры стержневой оснастки, стержневой смеси паро-газовой
каталитической смеси, а также повышенное давление продувки приводят к
значительному испарению растворителя связующего в момент изготовления
стержня. Это ведёт к уменьшению подкорковых зон растворителя. За счёт
увеличения температуры объектов катализа увеличивается первичная степень
сшивки глобул полиуретана. Стержни, изготовленные при таких режимах,
обладают повышенной начальной прочностью, быстро набирают максимальную
прочность при хранении их в условиях нормальной влажности. При окрашивании
и/или хранении таких стержней в условиях повышенной влажности происходит
значительная потеря прочности, как правило, необратимая.
Пониженные же температуры объектов изготовления стержней системы Колд-бокс-
амин ведут к образованию значительных подкорковых зон и к снижению прочности
сшивки глобул полиуретана,
Начальная прочность таких стержней очень низкая, набор максимальной прочности
требует значительного времени, конечная прочность стержней понижена за счет
укрупнения скелета связующего. Окраска таких стержней затруднительна по
причине чрезмерного снижения прочности за счет ослабления и без того сильно
развитых подкорковых зон.
3. Содержание растворителя в связующих материалах системы Колд-бокс-амин во
многих случаях является фактором, определяющим прочность стержня. Стержни,
изготовленные из обеднённой в результате каких-либо причин (длительного
процесса смесеприготовления, длительного хранения смеси в условиях повышенных
температур, многократного прохождения сжатого воздуха через слой смеси в
пескодувном резервуаре при машинном способе изготовления стержней и пр.)
смеси, характеризуется ослабленными в первую очередь адгезионными связями. За
счет снижения текучести таких смесей ухудшатся плотность набивки стержня. В
результате недостаточной плотности таких стержней, а также присущей им
невысокой адгезионной прочности связующего такие стержни сильно подвержены
браку вследствие плохого надува, значителен брак по бою стержней вследствие
их невысокой прочности. Повышена осыпаемость таких стержней. При окраске
и/или хранении стержней в условиях повышенной влажности происходит сильное
невосстановимое разупрочнение стержней.
Степень разупрочнения стержней системы Колд-бокс-амин, а также способность
этих стержней к восстановлению прочности при окраске и/или воздействию
повышенной влажности также в основном определяется наличием остаточного
растворителя в покровных зонах. Стержни, лишённые защитного слоя растворителя
в покровной зоне, в результате снижения адгезии связующего к кварцевому
песку в результате вредного воздействия влаги сильно и окончательно теряют
свою прочность.
Принимая во внимание рассмотренные выше условия формирования прочности
стержней системы Колд-бокс-амин, разработаны следующие рекомендации по
применению рассматриваемой технологии:
4. Конструктивные особенности оборудования:
4.1. Конструкция смесеприготовительного оборудования должна обеспечивать
быстрое и без существенных потерь испарителя приготовление смеси. Смесители
должны оснащаться крышками; рекомендуемый принцип смешивания вихревой или
вибрационный.
4.2. Для избежания потерь растворителя связующего вследствие многократного
прохождения воздуха сквозь слой стержневой смеси в пескодувном резервуаре при
машинном изготовлении стержней, необходимо использование систем контроля
количества смеси в пескодувном резервуаре с целью поддержания минимально
необходимого для разового надува количества смеси.
4.3. Схема производственного технологического комплекса изготовления стержней
методом Колд-бокс-амин должна исключить длительное хранение готовой
стержневой смеси по причинам недопущения чрезмерного испарения растворителя.
Наиболее технологичными из существующих на сегодняшний день образцов
производственного оборудования могут считаться стержневые комплексы фирмы
«Laempe» (Германия), обеспечивающих компактное изготовление стержневой смеси
и стержней (быстрое смесеприготовление в заданном объеме под очередной
надув).
5. Технологические особенности процесса:
5.1. Кварцевый песок, применяемый для изготовления стержней, должен быть
обогащенным (лишённым вредных примесей, снижающих живучесть смеси).
5.2. Необходим жесткий контроль за влажностью песка и сжатого воздуха,
применяемого для продувки стержней. Песок должен быть высушен до содержания
остаточной влаги не более 0,1 %. Применяемый сжатый воздух должен быть
тщательно осушен.
5.3. Наиболее оптимальным температурным режимом литейного стержневого
участка и исходных стержневых материалов является диапазон 15-25°С. При
эксплуатации процесса в условиях пониженных температур для увеличения
конечной прочности стержней желательно производить подсушку стержней. При
эксплуатации процесса в условиях повышенных температур для нейтрализации
увеличенного испарения растворителя рекомендуется использование так
называемых «летних» связующих материалов с несколько повышенным содержанием
растворителя.
5.4. Рекомендуемые режимы продувки (катализатор ТЭА, в зависимости от массы
стержня): температура газации и продувки воздухом: 100-150°С; давление
газации: 0,5-1,5 МПа; давление продувки воздухом: 2 - 5 МПа.
Время газации и продувки воздухом, расход катализатора устанавливаются в
зависимости от геометрии и массы стержня.
5.5. Стержни, изготовленные по способу Колд-бокс-амин подвержены вредному
воздействию влаги. Хранение таких стержней при повышенной влажности
недопустимо. Окраску стержней необходимо производить сразу после
изготовления стержней с последующей подсушкой стержней. При окрашивании
стержней необходимо стремиться снизить количество воды, попадающей на
стержень.
Модернизации стержневых машин для изготовления стержней по процессу «Cold-
box-аmin»
1. Общеизвестны преимущества процесса «по холодным ящикам» перед горячим
процессом, связанные, в первую очередь, с возможностью получения более
точных и сложных по конфигурации стержней, что обеспечивается отсутствием
коробления оснастки (стержневых ящиков) и стержней в процессе изготовления, а
также более высокой прочностью полностью отвердевшего стержня на момент
извлечения его из ящика.
2. Однако, в России для изготовления автомобильных, тракторных и других
отливок массового производства на абсолютном большинстве заводов используют
технологический процесс изготовления стержней «по горячим ящикам». Заводы
оснащены автоматическими машинами для производства стержней по горячим
ящикам, для этого процесса создана вся необходимая инфраструктура. Отсутствие
средств не позволяет предприятиям провести массовую замену стержневых машин
на новое оборудование, работающее «по холодным ящикам».
3. Для перевода на «холодные ящики» действующую стержневую машину, работающую
«по горячим ящикам», необходимо ее дополнить устройством ввода-вывода
продувочной плиты, к которой подводится газ-отвердитель, а также установкой
для приготовления и дозирования газа-отвердителя. Кроме того, необходимо
установить нейтрализатор отработавшего газа-отвердителя.
4. От переделанной машины смесь отработавшего газа-отвердителя с воздухом,
обычно, отсасывают непосредственно от стержневых ящиков, которые заключаются
в специальный кожух («саркофаг»). Отсос ведётся от нижней части ящика с
нижней и боковых сторон, а от верхней части ящика только с боковых сторон.
Стержневая машина остается открытой и доступной для обслуживания. При этом
методе стержневые ящики должны быть из двух частей, а отъемные вставки должны
быть небольшими, приводимыми в действие клиньями.
5. С целью перевода на «холодные ящики» имеющихся в литейных цехах
стержневых машин, работающих по горячему процессу, АО «Литаформ» разработало
принципы такой модернизации. Одновременно с этим разработана техническая
документация и ведётся изготовление вспомогательного оборудования.
6. В состав вспомогательного оборудования входят:
6.1. Газовая станция, обеспечивающая подготовку газа-отвердителя и
дозирование его для каждого цикла изготовления стержней (каждого съёма
стержней). Современная газовая станция состоит из:
1) блока подогрева воздуха до начальной температуры продувки около 120°С;
2) блока подготовки газа-отвердителя для продувки стержневой смеси,
заполнившей ящик;
3) системы управления и контроля процессом продувки.
6.2. Станция раздачи газа-отвердителя (обычно, в сжиженном виде) по газовым
станциям, установленным возле стержневых машин, состоит из:
1) двух пожаробезопасных камер (контейнеров), в каждой из которых
расположена одна 200-литровая бочка с жидким газом-отвердителем, что
позволяет заменять опустошенные бочки на полные без остановки производства;
2) насосного блока, желательно по одному на каждую камеру;
3) трубопроводов раздачи сжиженного газа-отвердителя по газовым станциям,
установленным возле стержневых машин.
6.3. Нейтрализатор отсасываемого от стержневых машин газа-отвердителя в
смеси с воздухом. В комплект нейтрализатора входит собственно нейтрализатор,
каплеуловитель, вентиляторы, просасывающие воздух сквозь нейтрализатор, и
емкость для нейтрализации отработавших растворов.
7. В странах Европы и в США существуют специализированные фирмы, которые
производят и поставляют вышеперечисленное оборудование для стержневых машин,
изготавливающих стержни «по холодным ящикам». Это оборудование покупают как
фирмы-производители стержневых машин, так и предприятия, модернизирующие свои
машины, работающие «по горячим ящикам». В США подобная комплектация
стержневых машин вспомогательным оборудованием является повсеместной
практикой, а в Европе ряд фирм-изготовителей стержневых машин производит для
них и вспомогательное оборудование за исключением нейтрализаторов.
Охрана труда при использовании компонентов смеси
Опасности при общении с материалами:
Катализаторы в парообразном состоянии являются тяжелее воздуха. Газообразные
амины отличаются неприятным запахом. При концентрациях ниже допустимой
катализатор раздражает глаза, рот и дыхательную систему. При концентрациях
выше допустимых значений наступают временные нарушения наблюдательной
системы.
Поставка компонентов стержневой смеси допускается только в связи с
приложенным документом, в котором указаны правила при использованию
этих материалов.
Охрана труда при использовании бензил-эфирной смолы (орто-фенольного резола):
а) Растворы смолы раздражают дыхательную систему, глаза и кожу.
Попадание в пищеварительную систему может привести к повреждению организма.
Свободный фенол может проникнуть в тело через кожу и причинить явления
отравления.
б) Растворители смолы являются нелетучими, но легко запалимыми.
В случае запаления пожар гасят порошкообразными материалами и СО2.
в) Растворы смол могут попасть в грунт и подпочвенную воду и причинить их
загрязнение (смолы классифицирована: по опасности от загрязнения вод в классе
1).
Охрана труда при использовании изоцианатов
а) Изоцианаты и их растворы раздражают дыхательную систему, глаза и кожу. Их
попадание в пищеварительную систему может привести к повреждению организма.
б) Продолжительное общение с изоцианатами можно причинить повышенную
чувствительность кожи и дыхательной системы. Этим надо противодействовать
подходящими мероприятиями.
в) Из-за повышенной химической реакционной способности изоцианатов
рекомендуют во время работы обращать повышенное внимание. Изоцианаты
взаимодействуют с водой, алкоголями, аминами и различными смолами, причём в
результате этого взаимодействия обычно выделяется СО2. Если в ёмкости с
изоцианатом из-за каких либо причин попала вода, рекомендуют открыть ёмкость.
В противном случае возможно газовое давление СО2 может опасно увеличиться.
г) Изоцианаты и их растворы - легко зажигаемые вещества.
В случае их запаления, пожар гасят порошкообразными материалами, водой, пеной
и СО2.
Хранение и транспортирование компонентов смеси
Соблюдать инструкции, указывающие условия общений с легко зажигаемыми и
опасными для питьевой воды материалами. Предотвращать недопустимое нагревание
емкостей с материалами по процессу Cold-box-amin. В противном случае давление
СО2 в этих ёмкостях может опасно увеличиться. Ёмкости с материалами по
процессу Cold-box-amin раскрывать осторожно. Смолу, изоцианаты и амины
транспортируют в хорошо замкнутых емкостях.
1) Бензил-эфирная смола
Растворы бензил-эфирной смолы хранят при нормальной температуре, предотвращая
влияние источников директного излучения. Если обнаружено вытекание смолы,
немедленно уплотнить ёмкость или перелить её содержание в другую.
Распространение утечки немедленно ограничить землей, покрыть песком или
другим подходящим материалом, устранить и обработать согласно правилам и
инструкциям. Если смола попала в подпочвенную воду, уведомить пожарную
часть.
2) Изоцианат
Хранить при температурах не менее 5 и не более 25 ºС (при температурах ниже
5 ºС изоцианаты склонны к обратимой кристаллизации).
Изоцианаты взаимодействуют с водой. Поэтому надо сохранять ёмкости
с изоцианатами в замкнутом состоянии и предохранять от влажности.
Большие ёмкости снабжать химикатами, абсорбирующими влажность
воздуха или изолировать инертным газом.
3) Амины
Хранить при нормальной температуре, предотвращая влияние источников
директного излучения.
Обработка компонентов и их поведение во время обработки.
1) Дозировка.
Дозировку компонентов стержневой смеси и последовательность перемешивания
выполнять сообразно данных производителя.
2) Перемешивание.
Жидкую смолу (компонент 1) и жидкий изоцианат (компонент 2) перемешивают при
комнатной температуре с песком. Образование токсичных продуктов
взаимодействия в опасных концентрациях исключается.
3) Изготовление форм (стержней).
Загрязнение рабочего места аминами может наступить в результате неправильной
дозировки.
4) Сохранение форм (стержней).
Во время сохранения форм (стержней) возможно выделение пар углеводородов и
аминов. Рекомендуют во время устранять остатки стержневой смеси в участке
рабочего места.
5) Заливка, охлаждение и выбивка.
Во время заливки смола коксуется с выделением газов
Перечень возможных газов:
Перемешивание смеси – фенол и органические растворители;
Производство стержней - органические растворители, амины;
Хранение стержней - органические растворители, амины;
Очистка, выбивка – формальдегид, фенол, бензол, органические растворители,
СО, аммиак, дифенилметан-4,4-диизоцианат, продукты пиролизы.
Контроль газовыделения в литейном цехе
В участках литейного цеха возможно выделение различных газов. При процессе
Cold-box-amin можно ожидать ниже указанные газы:
а) амины (на стержневом участке и в помещениях предназначены для хранения
изготовленных стержней).
б) СО и бензол (на участках заливки, охлаждения отливок и выбивки).
Остатки формовочной и стержневой смеси.
Остатки формовочной (стержневой) смеси надо собирать, обрабатывать и в случае
необходимости утилизировать. Неотверждённые формовочные (стержневые) смеси, а
также поломанные стержни (формы) содержат незначительное количество фенола.
Если после выбивки и раздробления эти пески не попадают в оборотную
формовочную смесь, тогда их подвергают механической и термической
регенерации. Если дальнейшее использование этих песков не предусматривается,
тогда их выбрасывают на специальные отвалы. Остатки формовочной (стержневой)
смеси, которые во время заливки являются подвергнутыми высокой термической
нагрузке и которые не раздробляют с целью подачи в оборотный песок,
обрабатывают методами термической или механической регенерации или отдают для
обработки вне завода.
Нейтрализация газов
Газы, выделяющиеся на стержневом участке, с повышенным содержанием
органических веществ, надо собирать, подавать в специализированное
оборудование и подвергать подходящей очистке (например, нейтрализацией
химическим путём, сгоранием, биологической очисткой и т.д.), если
концентрация аминов в воздухе превосходит допустимую (5 мгр/м³).
Проведение лабораторных испытаний новых связующих в сравнении с аналогами,
применяемыми в литейном производстве ОАО “ГАЗ”.
Для испытаний были представлены – связующие GP201, GP202 и ТЭА для
изготовления стержней по Cold-box-amin-процессу, для работы в условиях
повышенной влажности.
Испытания проводились в лабораториях формовочных материалов
исследовательского отдела управления главного металлурга в присутствии
представителей фирмы АОО “Шень Цюань” (КНР).
Для приготовления стержневой смеси использовался песок со средним зерном 0,2 мм,
рН – 6,6 и глиносодержанием 0,04%. Температура всех составляющих смесей
20,5ºС.
Таблица 2 Результаты испытаний.
| | Предел прочности при растяжении, кгс/см² | Состав | Сразу после приготовления | Смесь через 3 часа | | Смола – полиизоцианат,% | 1мин | 1 час | 3 час | 24 час | 1 мин | 24 часа | GP201/202 (КНР) | 0,8/0,8 | 6,8 6,8 | 12,1 9,0 | 12,7 12,8 | 14,7 13,8 | 3,3 3,8 | 11,8 11,4 | | После выдержки – 24 часа во влажных условиях | 10,0 9,2 | | | | “Полифарм-1К” (Россия) | 0,8/0,8 | 8,6 8,7 | 11,7 12,2 | 12,2 12,1 | 12,9 13,2 | 5,6 6,2 | 11,3 11,2 | | После выдержки – 24 часа во влажных условиях | 3,8 3,8 | | |
Примечание – для продувки использовался триэтиламин производства фирмы
“Полион-П” (Россия).
Выводы по результатам испытаний:
1. Представленные образцы связующих для Cold-box-amin-процесса по
физико-механическим свойствам стержневых смесей аналогичны применяемым на ОАО
“ГАЗ”.
2. После выдержки во влажных условиях – образцы приготовленные на
связующих GP201/202 обладают более высокими свойствами.
Лабораторный пескострельный аппарат типа L1 с комбинированным газогенератором
по процессам Coldbox и Betaset
Лабораторный пескострельный автомат L1 предназначен для эффективного ручного
изготовления стержней в неподогреваемой оснастке газовым отверждением по
таким процессам, как например СО2, Coldbox, Betaset, SО2.
Новая концепция L1 и колонная конструкция предлагают все элементы, которым
должна отвечать современная стержневая машина, применяемая в условиях
литейного производства. L1 разработана преимущественно для изготовления
лабораторных образцов из стержневых смесей, предназначенных для текучего
контроля их качества на стержневом участке, а также для производства мелких
стержней.
Непосредственно до начала "выстрела" стол прижимают к пескострельной головке
вместе с побочно-фиксированной оснасткой. После заполнения модельной оснастки
стержневой смесью стол отводят в начальное положение. Между модельной
оснасткой и пескострельной головкой подводят продувную плиту, прижимая её
стержневым ящиком к пескострельной головке. Следует подвод газообразного
отвердителя (катализатора). После окончания времени продувки газом снимают
стол машины, отводят продувную плиту, размыкают боковые пневмоцилиндры и
раскрывают двери защитной кабины.
Модельную оснастку и изготовленные в ней стержни снимают вручную.
Лабораторный автомат Laempe типа L1 состоит из:
- стабильной колонны,
- пескострельной головки,
- протяжного стола,
- бокового пневмоцилиндра,
- продувной плиты (для подачи газа-отвердителя) с кареткой,
- защитной кабины,
- блока управления.
Лабораторный автомат L1, блок управления, блок клапанов и газогенератор
собраны в общий монтажный комплекс. L1 работает модельными оснастками с
вертикальным, горизонтальным или смешанным разъёмом. Возможно применение
модельной оснастки из дерева, пластмассы, железа, алюминия или из
комбинированных материалов. Прижим стола машины к пескострельной головке
происходит силами, гарантирующими качественное заполнение модельной оснастки
стержневой смесью.
Все отдельные движения и операции управляют пневмосистемой.
Продувная плита изготовлена из алюминия. Компактная конструкция машины вместе
с газогенератором сокращает время монтажа на участке её применения до
минимума
Описание механизмов машины:
Рис 1. Общий вид лабораторного автомата L1 с газогенератором.
1) Колонна машины.
Состоит из: массивной сварочной конструкции со стабильной основой;
пустотелой колонны, выполняющей функцию воздушного резервуара; в верхней
части которой, совмещены пескострельная головка и пескострельный резервуар.
2) Стол машины.
Рабочий стол машины оснащен пневмоцилиндром, который управляет его движение
вверх/вниз. Пневмоцилиндр активируют во время прижимания модельной оснастки к
пескострельной головке непосредственно до начала заполнения оснастки
стержневой смесью, а также во время прижимания продувной плиты стержневым
ящиком к пескострельной головке непосредственно до начала продувки газом. На
столе машины размещены прижимные плиты для фиксирования модельной оснастки
боковыми пневмоцилиндрами.
3) Клапан управляющий "выстрелом".
Этим клапаном осуществляют связь между пескострельным и воздушным
резервуаром. Резервуар заполняют нагнетённым воздухом. Давление воздуха
настраивают регулирующим клапаном. Во время "выстрела" клапан размыкается,
сразу освобождая воздух, нагнетённый в резервуаре. Через пескострельные
отверстия головки стержневую смесь уплотняют в модельную оснастку.
4) Пескострельный резервуар.
Состоит из: снимаемой трубки для заполнения стержневой смесью объёмом 1
литра, вставочной щелевой гильзы из пластмассы, механизма замыкания
снимаемой трубки. По окончанию применения лабораторного автомата трубку
снимают с целью очистки от остатков стержневой смеси.
5) Вентиляционный клапан пескострельного резервуара.
Машина располагает вентиляционным клапаном, которым отводят воздух,
нагнетённый в пескострельном резервуаре через глушитель в рабочее
пространство машины. Этот клапан замыкают во время поднимания стола машины.
Клапан размыкают по окончанию "выстрела", а также во время съёма стола
машины.
6) Защитная кабина.
Лабораторный автомат оснащен защитной кабиной. Правую боковую дверь можно
демонтировать. Кабина защищает оператора от несчастных случаев во время
заполнения модельной оснастки стержневой смесью, а также во время продувки
газом-отвердителем. Кабина защищает оператора и от травм в результате
ошибочного управления автомата. Если фронтальная дверь является незакрытой,
питание машины воздухом прерывается аварийным клапаном. Рекомендуется
периодически проверять правильное функционирование этого клапана.
7)Газогенератор.
Для равномерного и быстрого отверждения литейных стержней применяют
газообразные отвердители и газогенераторы. Газогенератор Laempe служит для
эффективного испарения жидких отвердителей и катализаторов. Испарение
происходит в нагревателе газогенератора. Газообразный отвердитель
(катализатор) вводят через продувную систему в заполненную стержневой смесью
модельную оснастку.
Газогенератор интегрирован в конструктивном модуле вместе с лабораторным
пескострельным автоматом типа L1-LАВ-3 и предназначен для подачи
газообразного амина, или метилового формиата,
В корпусе газогенератора размещены бочка для снабжения жидким амином, ёмкость
для подачи метилового формиата, насос для дозировки амина, насос для
дозировки метилового формиата и нагреватель. Вентильный блок находится за
корпусом газогенератора. Пульт управления газогенератора расположен перед
пескострельном автоматом. Из-за обеспечения качественной вентиляции рабочего
места, вентиляционную систему включают до пуска газогенератора. Во время
рабочего цикла дверь газогенератора надо держать всегда в замкнутом
состоянии.
Газогенератор находится непосредственно у пескосгрельного автомата, чтобы
гарантировать кратчайшее расстояние между газогенератором и
продувной плитой.
Газогенератор Laempe служит для объёмной дозировки жидких отвердителей
(катализаторов) и их подачи в нагреватель. Газообразный отвердитель
(катализатор) подводят к модельной оснастке по шлангам. Во время продувки
отвердитель (катализатор) находится в газовой смеси с подогретым воздухом.
Дозировку отвердителя (катализатора) проводят непосредственно до начала
процесса изготовления стержней из-за того, что испарение катализатора
происходит за короткое время. Из-за того, что нагреватель располагает
достаточным объёмом, не существует опасность, что во время испарения
отвердителя (катализатора) его газовое давление не может нарастать до
значений, при которых протекает его конденсация.
Если это было бы возможно, расход отвердителя (катализатора) нарастает, а
верхние и нижние части стержня не отверждаются из-за конденсации амина
(метилового формиата). Основное правило, которое надо соблюдать при процессах
с холодным отверждением и газовой продувкой, это чем газообразнее отвердитель
(катализатор), тем выше скорость отверждения и тем лучше качество стержня/
Когда количество жидкого отвердителя (катализатора) выше оптимального,
газовое давление возрастает и приводит к его конденсации, причём объём
рабочего пространства нагревателя - насыщен.
Чтобы отвердитель (катализатор) успел превзойти сопротивление стержневой
смеси во всех участках модельной оснастки, надо соблюдать следующее правило:
управлять давлением продувки (значение параметра "максимальное давление
продувки") залают на пульте управления.
|
