Использование золошлаковых теплоизоляционных смесей

Литейное производство. 2009. № 3. С. 8...12

В.В. Назаратин

Проведено сравнение теплофизических свойств нескольких составов теплоизоля­ционных смесей для обогрева стальных отливок из прибылей разных диаметров. Найдены оптимальные диаметры прибылей и толщин теплоизоляционных оболочек для крупных стальных отливок разных конфигурации. Это позволило увеличить вы­ход годного до 70...75 % и получить существенную экономию жидкого металла - до 250...300 кг на 1 т годного металла.

The thermophysical properties of several compositions of heat-insulating mixes for heating steel castings from risers of different diameters have been compared. Optimal riser diameters and heat-insulating shell thicknesses for large steel castings of various configurations have been found. That allowed to increase yield up to 70...75% and achieve substantial liquid metal savings - up to 250...300 kg per 1 ton of good metal.

Для получения облицовочного теплоизоляционного слоя прибылей использовали два технологических варианта:

• формуемую теплоизо­ляционную смесь (ТИС) в виде облицовочного слоя необхо­димой толщины уплотняли вокруг модели прибыли с последующим самоотверждением (или по Сопро­цессу) с использованием тепловой обработки верхней полуформы в су­шильной камере или переносными газовыми горелками;
• по стержневым ящикам за­ранее изготовляли изделия из ТИС в виде оболочек (рис.1а) или бри­кетов (рис.1б) необходимой толщины и размеров. Первоначальная прочность изделий достигалась в результате взаимодействия компо­нентов самотвердеющих смесей или воздействия углекислого газа с пос­ледующей тепловой сушкой.

Схема технологии изготовления облицовочного слоя прибылей из го­товых теплоизоляционных изделий представлена на рис. 2. Размеры конусных прибылей с облицовочным слоем, получаемым из формуемой ТИС путем набивки вокруг модели, выбирают с помощью табл. 1 в за­висимости от заданной конфигура­ции прибыли.

Таблица 1

При формировании облицовоч­ного слоя из готовых изделий в виде брикетов размеры прибылей опреде­ляют по табл. 2.

Таблица 2

Рис. 1. Оболочки (а) и брикеты (б) из золошлаковой ТИС

Выбор теплоизоляционных бри­кетов производили в зависимости от расчетного диаметра прибыли согласно рис. 3 и табл. 3. Все ТИС изготовляли на рядовом цеховом смесеприготовительном оборудова­нии по принятой на заводе техно­логии приготовления формовочных смесей. Предварительно были про­ведены исследования на отливках цилиндров d = 300 и 350 мм, высотой 1000 мм и массой 510 и 690 кг, соот­ветственно.

Рис. 2. Схема технологии изготовления облицовочного слоя (2) прибылей из готовых теплоизоляционных изде­лий в виде оболочки (а), брикетов для прибыли круглого (б) и овального (в) сечений: 1 - модель отливки, 3 - на­полнительная смесь

На рис. 4 представлена схема технологии изготовления отливки ци­линдра 0 350 мм. Цилиндр 7 обли­цовывали брикетами. Верхний слой брикетов 4 изготовляли из ТИС, состоящей из Подмосковной золы с 20 масс. ч. жидкого стекла (ЖС). Центральную зону цилиндра обли­цовывали пятью брикетами. Каждый брикет изготовляли из разных соста­вов ТИС на основе Подмосковной золы (масс, ч):

• брикет 5: 60 зола; 30 огнеупорная глина; 10 перлит; 30 ортофосфорная кислота р = 1,32 г/см³;
• брикет 6: 100 зола; 20 ЖС; ρ = 1,32 г/см³;
• брикет 7: 95 зола; 5 перлит; 20 ЖС; ρ = 1,32 г/см³;
• брикет 8: 90 зола; 10 перлит; 20 ЖС; ρ = 1,32 г/см³;
• брикет 9: 95 зола; 5 огнеупорная глина; 20 ЖС; ρ = 1,32 г/см³.

Пространство между опокой и моделью цилиндра, облицованного брикетами из ТИС, заформовывали наполнительной смесью. Форму за­ливали сталью 30Л через стояк 10 d 40 мм. Зеркало металла засыпа­ли сухой золой 2 слоем 30...40 см. Общий вид отливки цилиндра после выбивки из формы представлен на рис. 5.

Цель эксперимента: на одной отливке провести сравнительное сопоставление теплофизических свойств сразу нескольких составов ТИС. С помощью хромель-алюмелевых термопар, установленных на наружной поверхности брикетов 5...9, замеряли температуру про­грева смесей в процессе затверде­вания отливки (рис. 6). Лучшими теплоизоляционными свойствами обладают смеси: зола с перлитом и чистая (без добавок) зола (брике­ты 8 и 6, соответственно). Добавки глины повышают теплопроводность смесей (брикеты 9 и 5). Температу­ра наружной поверхности брикетов в зависимости от состава смеси к концу процесса затвердевания (~ 160 мин) повышается до 450 °С (брикет 5) и 770 °С (брикет 5).

Отливки цилиндров диаметром 300 мм ис­пользовали для сравнительного ис­следования процесса затвердевания металла в форме из обычной песча­ной жидкостекольной смеси (ЖСС) и в форме из ТИС. Схема технологии изготовления отливки и простановки термопар представлена на рис. 7.

Облицовочный слой ци­линдра 2 оформляли в виде оболо­чек 5 внутренним диаметром 300 мм, высотой 200 мм и толщиной 60 мм. Оболочки 5, как из песчаной смеси, так и из ТИС, подвергали тепловой сушке. По аналогичной технологии было изготовлено две формы. Фор­мы заливали сифоном через стояк 1 0 40 мм сталью 30Л. После окончания заливки зеркало металла засыпали сухой золой 3 слоем 30...40 мм.

Рис. 3. Теплоизоляционные брикеты для облицовочного слоя прибылей для округленных (а) и прямолинейных (б) участков	Рис. 4. Схема технологии изготов­ления опытной отливки цилиндра d 350 мм: 1 - цилиндрическая модель отливки, 2 - засыпка; 3 - наполнительная смесь; 4 - верхний слой брикетов, 5...9 - нижние брикеты, 10- стояк

Процесс затвердевания металла опытных отливок исследовали с по­мощью платинородий-платиновых термопар 6...10. Время затвердевания отливки цилин­дра в форме из песчаной смеси 84 мин, из ТИС - 139 мин. Коэффициент эффективности, соответственно, К_эф = τ_из/τ = 139/84 = 1,6. По результатам разрезки цилиндров и определения усадочных раковин было подтверждено, что за счет использования ТИС на золах Подмосковных углей выход годного (ВГ) составил ~ 70...75%.

Таблица 3

Рис. 5. Опытная отливка цилиндра d = 350 мм

Рис. 7. Схема технологии изготовления опытной отлив­ки цилиндра диаметров 300 мм: 1 - стояк, 2 - модель отливки, 3 - засыпка, 4 - наполнительная смесь, 5 - брикеты, 6...10 - термопары

Следующим этапом работы было исследование воз­можности использования ТИС для обогрева ими прибылей диаметром > 500 мм. Была изготовлена опытная отливка плиты размером 390x1300x1300 мм, массой 3650 кг и приведенной толщиной R₀ ~ 10,6 см. Схема технологии изготовления и расположения термопар по телу отливки и формы представлена на рис. 8.

Учитывая отсутствие опыта и данных по применению теплоизоляции на прибылях такого большого диаметра при расчете приведенной толщины теплоизоляционной прибыли R_пр(из) величина коэффициента запаса прибыли была принята по верхнему пределу 1,0...1,05, при кото­ром достигается увеличение времени затвердевания в 1,3...1,5 раза, то есть R_пр(из) = 1,0∙R₀ = 1,0∙10,6 = 10,6 см.

Рис. 8. Схема расположения термопар 1...17 в литейных формах крупногабаритных плит

Рис. 9. Экспериментальные данные по затвердеванию отливки плиты по данным термопар: 1...5 - номера термопар

При соотношении H/D ~ 1,0 диаметр прибыли ~ 570 мм. С учетом запаса на засыпку зеркала прибыли и из­бежания перелива металла принята высота формуемой прибыли Н = 730...750 мм. Состав ТИС, % масс.: 80 зола-унос; 20 глина огнеупорная; 5 ЖС; ρ = 1,38 г/см³.

На рис. 9 представлены некоторые данные по термометрированию затвердевающего металла по оси плиты (т. 2) и в основании прибыли (т. 3), составляющие, соот­ветственно, 220 и 325 мин. Кривые прогрева теплоизоля­ционной оболочки прибыли представлены на рис. 10.

Исследование макростроения и серных отпечатков с темплетов отливки и прибыли (рис. 11) показало, что последняя имеет значительный запас плотного металла, позволяющий сократить размеры теплоизоляционной прибыли путем введения в расчет коэффициента запаса не 1,0, а 0,8...0,9, соответствующих увеличению времени затвердевания прибыли более чем в 2 раза, по сравнению с обычной песчаной фор­мой. Это свидетельствует об эффек­тивной работе ТИС на основе зол-уносов Подмосковных углей.

Рис. 10. Распределение температуры в теплоизоляционной оболочке при­были отливки плиты при затвердевании отливки в зависимости от: а - вре­мени (13...17 - номера термопар на рис. 8), б - толщины оболочек (через 50, 150, 250 и 320 мин)

Рис. 11. Серные от­печатки темплетов от­ливки плиты (рис. 8)

При уточненном коэффициен­те запаса (0,8...0,9) диаметр теп­лоизоляционной прибыли может быть уменьшен с 570 до 480...500 мм, при этом ВГ ~ 75%. Резуль­таты проведенных исследований позволили уточнить оптимальную толщину теплоизоляционной обо­лочки прибыли (h_из). При назна­чении этой величины обычно бе­рут h_из = 0,2∙D_np для прибылей D_пр < 200...300 мм.

Учитывая, что увеличение диа­метра обогреваемой прибыли до 600...800 мм и более, а также применение нового теплоизоля­ционного материала могут внести дополнительные корректировки в этот размер, нами были исследова­ны температурные поля по сечению теплоизоляционных оболочек для времени окончания затвердевания металла в прибыли с учетом тол­щины слоя, температура которого ~ 100 °С.

На рис. 12 представлены кривые, характеризующие толщину теплоизоляционного слоя с температурой > 100 °С для разных диаметров при­былей. Пролонгировав кривые 1, 2 и 3 до 100 °С, получили в точках Д В, С толщины оболочек, соответственно, ~ 60, 100 и 115 мм, что составит от исходного диаметра прибыли вели­чину 0,2.

Рис. 12. Распределение температу­ры по сечению теплоизоляционных оболочек в момент окончания про­цесса затвердевания прибылей диа­метров: 7 - 300, 2-510, 5-570 мм

Таким образом, подтверждено, что h_из = 0,20 - оптимальная для утепления прибылей широкого спек­тра стальных отливок за счет исполь­зования зол-уносов ТЭС Экибастузских, Подмосковных и Кузнецких углей.

Результаты работы были широко использованы в производственных условиях завода "Энергомашспец­сталь" (г. Краматорск) при изготов­лении крупногабаритных тяжеловес­ных стальных отливок:

• корпуса турбины (черт. 11.1720А) размером 3380х 2200х1455 мм, массой ~ 20 т из стали 15Х1М1ФЛ;
• цилиндра турбины (черт. 11.2648) d = 2840мм, высотой 1025 мм, толщиной стенки ~ 150мм, мас­сой 17,5 т из стали 10ГСЛ;
• цапфы загрузочной (черт. 18.2417) с наружным диаметром 3540 мм, высотой 1895 мм, тол­щиной стенок до 300 мм, массой ~ 44 т из стали 25Л.

Освоение ТИС на основе зол-уно­сов ТЭС на прибылях 0 600...800 мм и более позволило увеличить ВГ до 70...75% и получить экономию жидкого металла ~ 250...300 кг на 1 т годного.