Исследование эффективности действия ТИС

Исследование эффективности действия теплоизоляционных смесей на основе зол-уносов

В.В. Назаратин. Литейное производство. 2009. № 2. С. 20...26

Аннотация

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.

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.

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 = τ_из/τ
где: τ_из - время затвердевания отливки в теплоизоляции;
        т - 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). 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 ρ = 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. 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:

Η = ξ∙(V_пр + V₀)/V_пр
где: Н -
        V_пр - объем прибыли;
        V₀ - объем отливки;
        ξ - 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), ρ = 0,8 г/см³;
2. жидкое стекло (ЖС), ρ = 1,15 г/см³;
3. ортофосфорная кислота (ОФК), ρ = 1,10 г/см³;
4. жидкое стекло (ЖС), ρ = 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. 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.

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.

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, ρ = 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.

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). 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 ρ = 0,8 г/см³ до 1,35 при ρ = 1,1 г/см³.

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 (ρ = 1,0 г/см³), имеет рассредоточенную усадочную рыхлоту, расположенную на ~ 60 мм выше центра отливки. Отливка шара, затвердевающая в ТИС (ρ = 0,8 г/см³) с добавкой перлита, имеет плоскопарал­лельный уровень понижения металла, характерный для затвердевания подобных отливок в формах, обогреваемых высокоэффективными экзотермическими смесями.

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 (ρ = 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.

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

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 основе всего комплекса ис­следований можно считать уста­новленным, что значения K_эфф для смесей на Кузнецких золах (ρ ~ 1,0 г/см³), независимо от величи­ны приведенного радиуса отливки, практически не меняются и лежат в пределах - 1,35...1,40, а для смеси (ρ ~ 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. 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 ρ = 0,9 г/см³ с 10 масс. ч. ЖС (ρ = 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.

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 (Δ) и d = 300, Н = 1000мм (□)

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 (ρ = 0,8 г/см³)

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

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

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

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.

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 (ρ = 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.

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 (η). Расчеты показали, что ВГ вырос с 51 % для обычной прибыли до ~ 70 % для изолированной, а η - с ≈ 0,1...0,12 до ≈ 0,18...0,20. При этом экономия металла за счет использования изоляции составила 180 кг на од­ной прибыли.

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

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. 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 η - 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