Исследование эффективности действия теплоизоляционных смесей на основе зол-уносов

Размещено на http://allbest.ru

Исследование эффективности действия теплоизоляционных смесей на основе зол-уносов

В.В. Назаратин

Введение

Оценка эффективности действия теплоизоляционных смесей (ТИС) на прибылях стальных отливок с помощью теплофизических характеристик требует знания этих величин в широком интервале температур прогрева формы от температуры, близкой к солидусу на границе раздела металл-форма, до начальной (перед заливкой) температуры смеси на периферийных зонах изоляционного слоя.

Значения теплофизических коэффициентов, установленные на лабораторных образцах без учета сложных физико-химических процессов, происходящих под воздействием высоких температур затвердевающей прибыли, могут существенно отличаться от их значений в реальных условиях.

В настоящее время пока не представляется возможным с приемлемой для практики степенью точности рассчитать продолжительность затвердевания изолированной прибыли и ее размеры, при которых обеспечиваются нормальные условия питания отливки.

С помощью лишь прямых температурных замеров времени затвердевания металла в литейной форме, облицованной ТИС, можно комплексно оценить реальную эффективность действия смеси с учетом всех физико-химических изменений по сечению теплоизоляционного слоя под воздействием резко меняющегося температурного поля.

В качестве критерия оценки эффективности действия ТИС используют [1] коэффициент эффективности:

К_эфф = ф_из/ф

где: ф_из - время затвердевания отливки в теплоизоляции;

ф - время затвердевания такой же по размерам отливки в песчаной форме.

Значение К_эфф определяли на отливках шаров и квазибесконечных цилиндров из стали 30Л.

Отливки шаров имели диаметр 150 и 300 мм, отливки цилиндров d = 200 мм, H = 600 мм и d = 300 мм, Н = 1000 мм.

Через единую литниковую систему одновременно заливали две отливки при 1560 °С: в песчаную форму и теплоизоляционную. Толщина теплоизоляционной оболочки: для шара диаметром 150 мм - 30 мм, для шара диаметром 300 мм - 40 мм, для цилиндров - 50 мм (рис. 1).

Рис. 1. Схема эксперимента по определению коэффициента эффективности: а - на шарах диаметром 150 и 300 мм; б - на цилиндрах диаметром 200 и 300 мм; ТП - термопара; ПФ - песчаная форма; ТИЗ - термоизолирующая засыпка; ПС - песчаная смесь, ИС - изолирующая смесь.

Шары заливали сталью 30Л при температуре 1560 °С. Время затвердевания фиксировали платинородий-платиновыми термопарами, размещенными в тепловом центре отливки. К_эфф определяли для смесей плотностью с = 0,8...1,2 г/см³.

Для определения коэффициента использования объема изолированных прибылей отливали цилиндры d = 200 мм, Н = 400 мм по схеме, представленной на рис. 2, а.

Рис. 2. Схема эксперимента по определению эффективности действия теплоизоляции на отливках: а - цилиндров, б - ступенчатых плит; Пр - прибыль, О - отливка, ПФ - песчаная форма, Т - темплет, ПС- песчаная смесь.

Цилиндры разрезали по вертикальной оси. По величине зон плотного и пораженного усадкой металла цилиндр условно разделяли на отливку и прибыль и рассчитывали выход годного и коэффициент использования объема прибыли по формуле:

З = о•(V_пр + V₀)/V_пр

где: Н - коэффициент использования объема прибыли

V_пр - объем прибыли;

V₀ - объем отливки;

о - коэффициент объемной усадки стали.

Для практической проверки эффективности действия теплоизоляции и правильности установленных зависимостей для расчета размеров изолированных прибылей были изготовлены две отливки ступенчатых плит "жидкой" массой до 650 кг и толщиной стенки 200 мм.

Для сравнения, одна плита изготовлялась с обычной прибылью, а другая - с прибылью, облицованной ТИС. Технология изготовления и схема разрезки плит представлены на рис. 2, б.

Первая серия экспериментов по оценке эффективности действия ТИС на основе зол-уносов была проведена на золах Кузнецких углей, которые по теплоизоляционным и огнеупорным характеристикам несколько уступают золам Экибастузских и Подмосковных углей.

Такой методический подход объяснялся тем, что золы Подмосковных и, особенно, Экибастузских углей, обладающие лучшими физико-технологическими характеристиками, гарантируют получение заведомо более высоких результатов, чем зола Кузнецких углей.

Оценку эффективности действия ТИС проводили на шаровой пробе диаметром 150 мм. Было испытано четыре варианта составов золовых смесей:

1. жидкое стекло (ЖС), с = 0,8 г/см³;

2. жидкое стекло (ЖС), с = 1,15 г/см³;

3. ортофосфорная кислота (ОФК), с = 1,10 г/см³;

4. жидкое стекло (ЖС), с = 0,8 г/см³ с добавкой 10 масс. ч. перлита.

Полученные результаты сравнивали с контрольным временем затвердевания шара диаметром 150 мм, залитого в песчаную форму по чистой модели. Контрольное время затвердевания шара в песчаной форме - 12 мин (рис. 3, кривая 1).

Рис. 3. Экспериментальные данные по затвердеванию опытной отливки шара диаметром = 150 мм:

1 - в песчаной форме; 2,3 - в ТИС на ЖС плотностью 0,8 и 1,15 г/см³, соответственно; 4 - в ТИС на ОФК, с = 1,1 г/см³; 5 - в ТИС на ЖС плотностью 0,8 г/см³ с добавкой перлита (10 масс, ч.).

На рис. 3 представлены кривые 2...5 затвердевания шаровых проб в формах с теплоизоляционными оболочками из смесей приведенных составов (в порядке перечисления).

Коэффициент эффективности определяли из соотношения

K_эфф = t_из/12.

Из представленных данных следует, что время затвердевания шаров, изготовленных в формах из смесей первых трех составов - 16...16,5 мин, K_эфф - 1,33...1,37.

Введение перлита (10 масс, ч.) позволило улучшить теплоизоляционные свойства смеси и увеличить время затвердевания шаров до 21 мин, а K_эфф - до 1,75 (кривая 5).

После извлечения отливок из форм было исследовано качество поверхности проб и состояние теплоизоляционных оболочек по их сечению.

Пробы имели заданную геометрию, чистую металлическую поверхность без каких-либо признаков пригара.

Визуальный осмотр отработанной оболочки показал, что по ее сечению со стороны отливки имеется спекшийся уплотненный слой с признаками поверхностного оплавления (рис. 4), что является следствием недостаточно высокой огнеупорности зол Кузнецких углей.

Рис. 4. Слой отработанной теплоизоляционной оболочки из смеси на основе золы кузнецких углей

Несмотря на это, изделия из указанных зол могут быть использованы для облицовки прибылей стальных отливок, поскольку, обладая достаточно хорошими изоляционными свойствами, прогрев и спекание смеси (в отрезок времени, сопоставимый со временем затвердевания отливки) происходят только в поверхностном слое толщиной до 5 мм, за пределами которого смесь сохраняет свои прочностные и теплоизоляционные свойства, близкие к исходному состоянию.

Полученные результаты были сопоставлены с установленной А. Штайгером и Р. Владовером [2] на шаровых пробах диаметром 150 мм зависимостью между плотностью теплоизоляционных изделий и их К_эфф (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость коэффициента эффективности от плотности материалов (Штайгер, Влодавер): 1 - стироцел; 2 - изоляция на базе Al₂O₃; 3 - песчаная смесь; 4 - шамотный кирпич; 5 - хромомагнезитовый кирпич; б - магнезитовый кирпич; 7- графит

На рис. 6 представлена подобная зависимость, полученная по данным исследований настоящей работы.

Из графиков видно, что значения K_эфф, представленные авторами [2], для теплоизоляции на основе AI₂O₃ в интервале плотности 0,8...1,1 г/см³, хорошо корреспондируются со значениями этих коэффициентов, полученных в данной работе для ТИС на основе зол-уносов каменных углей, изменяясь от 1,8 при с = 0,8 г/см³ до 1,35 при с = 1,1 г/см³.

Рис. 6. Зависимость коэффициента эффективности от плотности ТИС: на шарах диаметром 150 мм (о), на шарах диаметром 150 мм из прогоревшей экзосмеси (*); цилиндрах d = 200, H = 400 мм (Д) и d = 300, Н = 1000мм (?)

Дальнейшие исследования эффективности действия теплоизоляции на основе Кузнецкой золы проводили на отливках шаров диаметром 300 мм, эквивалентных по времени затвердевания бесконечным плитам толщиной 100 мм (рис.7).

Время затвердевания, соответственно, 33, 45 и 56 мин, а K_эфф равен 1,36 и 1,70, то есть результаты практически полностью совпали с ранее установленными значениями на шарах диаметром 150 мм.

Об эффективности действия ТИС на основе зол Кузнецкого угля можно судить по рис. 8.

При затвердевании в песчаной форме без ТИС концентрированная усадочная раковина проникла за центр шара. Шар, облицованный ТИС (с = 1,0 г/см³), имеет рассредоточенную усадочную рыхлоту, расположенную на ~ 60 мм выше центра отливки. Отливка шара, затвердевающая в ТИС (с = 0,8 г/см³) с добавкой перлита, имеет плоскопараллельный уровень понижения металла, характерный для затвердевания подобных отливок в формах, обогреваемых высокоэффективными экзотермическими смесями.

Рис. 7. Экспериментальные данные по затвердеванию опытной отливки шара диаметром 300 мм: 1 - в песчаной форме; 2 - с ТИС на ОФКр = 1,04 г/см³; 3 - сТИС на ЖС + 10 масc. ч. перлита (с = 0,8 г/см³)

Рис. 8. Вид усадочной раковины в отливке шара диаметром 300 мм, полученной: а - в песчаной форме, с = 1,5 г/см³; б, в - в форме из ТИС, с = 1,0 и 0,8 г/см³, соответственно

Методикой проведения исследований было также предусмотрено изготовление более крупных отливок типа цилиндров d = 200 мм и Н = 600 мм, массой 140 кг, а также цилиндров d = 300 и Н= 1000 мм, массой 510 кг. Цилиндр d = 200 мм облицовывали ТИС с ЖС (с = 1,1 г/см³).

Цилиндр d = 300 мм облицовывали ТИС с ЖС с добавкой 10 масс. ч. перлита (р = 0,85 г/см³). Для сравнения, такие же цилиндры изготовляли в формах из обычной песчано-глинистой смеси.

Результаты температурных замеров показали, что время затвердевания цилиндра d = 200 мм с теплоизоляцией (без перлита) и в обычной форме, соответственно, ~ 55 и 40 мин, а для цилиндра d = 300 мм с теплоизоляцией (с добавлением перлита) и без утепления составляет, примерно, 138 и 82 мин, соответственно. Эти данные еще раз показали, что для ТИС на Кузнецких золах без перлита K_эфф ~ 1,37, а с перлитом - 1,7.

На основе всего комплекса исследований можно считать установленным, что значения K_эфф для смесей на Кузнецких золах (с ~ 1,0 г/см³), независимо от величины приведенного радиуса отливки, практически не меняются и лежат в пределах - 1,35...1,40, а для смеси (с ~ 0,8 г/см³) с перлитом - в пределах 1,65...1,75.

Визуальный осмотр поверхности отливки и строения отработанного слоя теплоизоляционной облицовки показал, что, с увеличением приведенного радиуса и времени затвердевания металла наблюдается некоторое увеличение толщины (до 10...15 мм) спекшегося уплотненного слоя смеси. теплоизоляция зола затвердевание отливка

Необходимо особо отметить, что несмотря на относительно невысокую огнеупорность Кузнецких зол, на поверхности отливок отсутствует какой-либо пригар или трудно отделяемая спекшаяся корка, которые бы затрудняли отрезку прибылей.

Для сравнения, были также проведены исследования эффективности действия ТИС на основе зол-уносов Экибастузских углей, обладающих более высокими огнеупорными и теплоизоляционными характеристиками. Оценку эффективности действия Экибастузской золы проводили на смеси с = 0,9 г/см³ с 10 масс. ч. ЖС (с = 1,47 г/см³).

Отливали опытные шары диаметром 150 мм. Причем, формовку шаров как в эталонной песчано-глинистой, так и в изоляционной смеси выполняли по чистой модели. На основании температурных замеров было установлено, что время затвердевания шаров в песчано-глинистой смеси и ТИС - соответственно, 10 и 20 мин, а К_эфф = 2.

Полученное высокое значение К_эфф (по сравнению с К_эфф для Кузнецких зол) подтверждает правильность сделанных ранее выводов о лучших теплоизоляционных свойствах Экибастузских зол, обусловленных более низкими значениями коэффициентов теплопроводности, сохраняющимися на уровне исходного состояния в области высоких температур.

Это явление объясняется вспучиванием смесей на основе Экибастузской золы, приводящей к увеличению объема пор и уменьшению за счет этого плотности и теплопроводности разогретых прилегающих к поверхности прибыли слоев смеси.

Рис. 9. Строение отработанной теплоизоляционной оболочки из смеси на основе золы-уноса Экибастузских углей

Для подтверждения данного положения на рис. 9 представлена фотография отработанной теплоизоляционной оболочки, на которой видна значительная поризация прилегающего к прибыли слоя толщиной 10...15 мм, за пределами которого (по всем внешним признакам) смесь сохраняет свои исходные теплоизоляционные и огнеупорные свойства, что позволяет оболочке из Экибастузских зол-уносов сохранять заданные геометрические формы без каких-либо признаков деформации, размягчения и поверхностного пригара.

Учитывая, что значения К_эфф практически не меняются с увеличением приведенного радиуса, дальнейшие трудоемкие эксперименты по определению К_эфф на отливках больших размеров не проводили.

Для обеспечения нормальных условий питания, исключения возможных ошибок при определении размеров прибылей, облицованных ТИС на Экибастузской золе, было принято для расчетов заведомо заниженное значение К_эфф = 1,75.

На основании полученных данных по К_эфф для ТИС (с = 0,8...1,2 г/см³) был скорректирован предложенный Никласом коэффициент запаса, входящий в формулу для расчета приведенного радиуса прибылей, облицованных ТИС с К_эфф = 1,35...1,75. С учетом коэффициента Никласа, исходная формула для расчета прибылей в песчаной форме имеет вид:

R_пр = 1,2•R₀

где R₀ - приведенный радиус отливки, представляющий собой отношение объема охлаждаемого металла к его площади охлаждения.

Для прибылей, облицованных теплоизоляционными смесями с K_эфф = 1,35...1,75, эта формула приобретает вид:

R_пр = (0,9...1,0)•R₀

Здесь коэффициент запаса 0,9 относится к случаю применения ТИС с К_эфф = 1,75, а 1,04 - к случаю К_эфф = 1,35.

Для проверки правильности полученных данных и дополнительной проверки эффективности действия ТИС на ЖС и Экибастузской золе были изготовлены две ступенчатые плиты "жидкой" массой ~ 650 кг и толщиной стенок 200 и 100 мм.

Черновая масса каждой отливки 380 кг. Габаритные размеры отливки и схема ее формовки представлены на рис. 2, б По расчету, подприбыльная ступень отливки толщиной 200 мм имеет приведенный размер R₀ = 6,40 см.

Для питания такой отливки, изготовленной в обычной песчаной форме, требуется прибыль R_пр = 1,2 R₀, то есть R_пр= 1,2•6,4 см = 7,7 см. Такой приведенный радиус будет иметь цилиндрическая прибыль диаметром и высотой 400 мм, массой 360 кг.

Применение теплоизоляции на основе Экибастузской золы с К_эфф = 1,75 позволяет заменить обычную прибыль указанных размеров на равноценную ей (по времени затвердевания) с геометрическим приведенным радиусом R_пр = 0,9 R₀ = 5,8 см.

Этому приведенному радиусу будет соответствовать прибыль диаметром 300 мм, высотой 360 мм и массой 180 кг.

Формы заливали сталь марки 30Л при 1560 °С. Прибыли в обоих случаях засыпали сверху золой слоем толщиной 30 мм. После заливки в изолированной прибыли наблюдалось равномерное опускание зеркала металла по всей поверхности.

На рис. 10 представлены сечения прибылей и подприбыльной зоны отливки, изготовленной по обычной технологии и с использованием теплоизоляции. Форма и характер расположения усадочных раковин и пористости, отсутствие дефектов в отливке наглядно иллюстрируют, что утепленная прибыль массой 180 кг по своей эффективности равноценна (даже превосходит) обычной прибыли массой 360 кг.

Рис. 10. Прибыли отливок ступенчатых плит: а - изолированная; б - обычная

Зеркало металла в изолированной прибыли опустилось на ~ 60...80 мм. Усадка имеет более концентрированный вид и сосредоточена в верхней части прибыли.

Технологический запас плотного металла между усадкой и отливкой в обычной прибыли соответствовал заданному 25...30 мм, а в теплоизоляционной - 65...70 мм.

Такой высокий запас плотного металла свидетельствует об имеющейся возможности еще большего сокращения размеров теплоизолированных прибылей путем введения в расчет коэффициента запаса не 0,9, а 0,8...0,85, который будет соответствовать установленному на шарах диаметром 150 мм для Экибастузской золы.

Для данных отливок были рассчитаны выход годного (ВГ) и коэффициент использования объема прибыли (з). Расчеты показали, что ВГ вырос с 51 % для обычной прибыли до ~ 70 % для изолированной, а з - с ? 0,1...0,12 до ? 0,18...0,20.

При этом экономия металла за счет использования изоляции составила 180 кг на одной прибыли.

В работе также был проведен один контрольный эксперимент по оценке эффективности использования ТИС с ЖС (р = 0,85 г/см³) на основе золы Подмосковных углей применительно к отливке цилиндров d = 200 и Н = 400 мм.

Рис. 11. Темплеты отливок цилиндров d = 200 мм, Н = 400 мм: а - изготовлены в песчаной форме; б- в форме с теплоизоляционной облицовкой

На рис. 11 представлена фотография темплетов, вырезанных из осевой зоны этих цилиндров. В отливке, изготовленной в обычной форме, усадочные дефекты распространялись на глубину - 225 мм, а в изолированной - на 110 мм. Условно считая плотную часть цилиндра отливкой, а пораженную усадочными дефектами - прибылью, получили, что ВГ для песчаной формы - 45 %, а з - 0,10...0,12. Для изолированной прибыли эти параметры - 70% и 0,18...0,20, соответственно.

Анализ конфигурации, размеров прибылей и качества их поверхности показал, что смеси на золах Экибастузских и Подмосковных углей обеспечивают сохранение геометрических размеров прибыли, отсутствие пригара или трудноотделимой спекшейся корки, затрудняющей отрезку прибылей при помощи механической или автогенной резки.

Использованная литература

1. Назаратин В. В. Технология изготовления отливок ответственного назначения. М.: Машиностроение, 2006.

2. Steigen A., Wlodawer R. Anwendung von Jsoliermaterialien in der Giesserei. Technische Rundschau Sulger 4/1967. S. 252....255

Аннотация

Исследование эффективности действия теплоизоляционных смесей на основе зол-уносов. В.В. Назаратин.

Определена эффективность действия теплоизоляционных смесей на основе зол-уносов. Наибольший коэффициент эффективности - у смесей на Экибастузских золах, наименьший - у смесей, основанных на золах Кузнецких углей.

Оптимальная толщина теплоизоляционного слоя прибыли - 0,20...0,25 от ее диаметра. Применение теплоизоляционной смеси на основе зол-уносов увеличивает выход годного до 70%, обеспечивает экономию до 300 кг стали на 1 т годного, электроэнергии - до 150 кВт/ч.

Annotation

Performance of fly-ash-based heat-insulating mixes has been determined. The highest performance is shown by mixes based on the Ekibastuz fly ash, the lowest - by those based on the fly ash from the Kuznetsk coals.

The optimum thickness of the riser's heat-insulating layer is 0,20...0,25 of its diameter. Use of fly-ash-based heat-insulating mixes increases the casting yield to 70%, makes it possible to save up to 300 kg of steel per 1 ton of good castings, and electric energy up to 150 kW/h.

Размещено на Allbest.ru