Закономерности образования связующих из ортофосфорной кислоты и огнеупорных наполнителей

Проанализированы общие закономерности взаимодействия ортофосфорной кислоты с раз-личными огнеупорными материалами. Установлена возможность образования связующих из этой кислоты с различными наполнителями стержневых смесей, такими как: кварц, циркон и алюмосиликаты. С использованием методов планирова...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2015
1. Verfasser:	Кеуш, Д.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2015
Schriftenreihe:	Процессы литья
Schlagworte:	Проблемы технологии литья
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166724
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Закономерности образования связующих из ортофосфорной кислоты и огнеупорных наполнителей / Д.В. Кеуш // Процессы литья. — 2015. — № 4 (112). — С. 40-46. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-166724
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1667242025-02-23T18:13:00Z Закономерности образования связующих из ортофосфорной кислоты и огнеупорных наполнителей Закономірності утворення зв’язувальних компонентів із ортофосфорної кислоти і вогнетривких наповнювачів Тhe Patterns of the Formation Binders of Orthophosphoric Acid and Refractory Fillers Кеуш, Д.В. Проблемы технологии литья Проанализированы общие закономерности взаимодействия ортофосфорной кислоты с раз-личными огнеупорными материалами. Установлена возможность образования связующих из этой кислоты с различными наполнителями стержневых смесей, такими как: кварц, циркон и алюмосиликаты. С использованием методов планирования экспериментов и математи-ческой оптимизации установлен состав смеси на основе кварцевого наполнителя, который имеет высокие физико-механические свойства. Разработанная смесь пригодна как фор-мовочная или стержневая для стального литья и позволяет получать отливки без пригара и поверхностных дефектов. Проаналізовано загальні закономірності взаємодії ортофосфорної кислоти з різними во-гнетривкими матеріалами. Встановлено можливість утворення зв’язувальних компонентів з цієї кислоти із різними наповнювачами стрижневих сумішей, такими як: кварц, циркон та алюмосилікати. З використанням методів планування експериментів та математичної оптимізації встановлено склад суміші на основі кварцового наповнювача, яка має найвищі фізико-механічні властивості. Розроблена суміш є придатною як формувальна або стрижнева для сталевого литва і дозволяє отримувати виливки без пригару та поверхневих дефектів. The common patterns of interaction between phosphoric acid and various refractory materials were analyzed. The possibility of the formation u binders of this acid with various fillers core mixtures – such as quartz, zircon and aluminium silicates was installed.Using the methods of planning experiments and mathematical optimization was installed the composition of the mixture based on silica filler which has the highest physical and mechanical properties.Designed mixture is suitable as a molding or core one for steel casting and allows produce castings without burnt and surface defects. 2015 Article Закономерности образования связующих из ортофосфорной кислоты и огнеупорных наполнителей / Д.В. Кеуш // Процессы литья. — 2015. — № 4 (112). — С. 40-46. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166724 621.742 ru Процессы литья application/pdf Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Проблемы технологии литья Проблемы технологии литья
spellingShingle	Проблемы технологии литья Проблемы технологии литья Кеуш, Д.В. Закономерности образования связующих из ортофосфорной кислоты и огнеупорных наполнителей Процессы литья
description	Проанализированы общие закономерности взаимодействия ортофосфорной кислоты с раз-личными огнеупорными материалами. Установлена возможность образования связующих из этой кислоты с различными наполнителями стержневых смесей, такими как: кварц, циркон и алюмосиликаты. С использованием методов планирования экспериментов и математи-ческой оптимизации установлен состав смеси на основе кварцевого наполнителя, который имеет высокие физико-механические свойства. Разработанная смесь пригодна как фор-мовочная или стержневая для стального литья и позволяет получать отливки без пригара и поверхностных дефектов.
format	Article
author	Кеуш, Д.В.
author_facet	Кеуш, Д.В.
author_sort	Кеуш, Д.В.
title	Закономерности образования связующих из ортофосфорной кислоты и огнеупорных наполнителей
title_short	Закономерности образования связующих из ортофосфорной кислоты и огнеупорных наполнителей
title_full	Закономерности образования связующих из ортофосфорной кислоты и огнеупорных наполнителей
title_fullStr	Закономерности образования связующих из ортофосфорной кислоты и огнеупорных наполнителей
title_full_unstemmed	Закономерности образования связующих из ортофосфорной кислоты и огнеупорных наполнителей
title_sort	закономерности образования связующих из ортофосфорной кислоты и огнеупорных наполнителей
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Проблемы технологии литья
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166724
citation_txt	Закономерности образования связующих из ортофосфорной кислоты и огнеупорных наполнителей / Д.В. Кеуш // Процессы литья. — 2015. — № 4 (112). — С. 40-46. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Процессы литья
work_keys_str_mv	AT keušdv zakonomernostiobrazovaniâsvâzuûŝihizortofosfornojkislotyiogneupornyhnapolnitelej AT keušdv zakonomírnostíutvorennâzvâzuvalʹnihkomponentívízortofosfornoíkislotiívognetrivkihnapovnûvačív AT keušdv thepatternsoftheformationbindersoforthophosphoricacidandrefractoryfillers
first_indexed	2025-11-24T06:41:17Z
last_indexed	2025-11-24T06:41:17Z
_version_	1849652912740892672
fulltext	40 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 4 (112) ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЬЯ УДК 621.742 Д. В. Кеуш Национальный технический университет Украины «КПИ», Киев ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ СВЯЗУЮЩИХ ИЗ ОРТОФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ И ОГНЕУПОРНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ Проанализированы общие закономерности взаимодействия ортофосфорной кислоты с раз- личными огнеупорными материалами. Установлена возможность образования связующих из этой кислоты с различными наполнителями стержневых смесей, такими как: кварц, циркон и алюмосиликаты. С использованием методов планирования экспериментов и математи- ческой оптимизации установлен состав смеси на основе кварцевого наполнителя, который имеет высокие физико-механические свойства. Разработанная смесь пригодна как фор- мовочная или стержневая для стального литья и позволяет получать отливки без пригара и поверхностных дефектов. Ключевые слова: наполнитель, ортофосфорная кислота, пирофиллит, пирофосфат кремния, пылевидный кварц, связующее, стержневая смесь, циркон. Проаналізовано загальні закономірності взаємодії ортофосфорної кислоти з різними во- гнетривкими матеріалами. Встановлено можливість утворення зв’язувальних компонентів з цієї кислоти із різними наповнювачами стрижневих сумішей, такими як: кварц, циркон та алюмосилікати. З використанням методів планування експериментів та математичної оптимізації встановлено склад суміші на основі кварцового наповнювача, яка має найвищі фізико-механічні властивості. Розроблена суміш є придатною як формувальна або стрижнева для сталевого литва і дозволяє отримувати виливки без пригару та поверхневих дефектів. Ключові слова: наповнювач, ортофосфорна кислота, пірофіліт, пірофосфат кремнію, пилоподібний кварц, зв’язувальний компонент, стрижнева суміш, циркон. The common patterns of interaction between phosphoric acid and various refractory materials were analyzed. The possibility of the formation u binders of this acid with various fillers core mixtures – such as quartz, zircon and aluminium silicates was installed.Using the methods of planning experiments and mathematical optimization was installed the composition of the mixture based on silica filler which has the highest physical and mechanical properties.Designed mixture is suitable as a molding or core one for steel casting and allows produce castings without burnt and surface defects. Keywords: binder, core mixture, filler, phosphoric acid, pulverized quartz pyrophyllite, silica pyrophosphate, zircon. Ортофосфорная кислота способна образовывать неорганические полимеры с рядом огнеупорных материалов. Для изготовления футеровок нагревательных печей используют фосфатные связующие – цементы, которые упрочняются при нагреве и не теряют прочности при рабочих температурах свыше 1000 0С. Такие растворы базируются на основе алюмосиликатных, кремнезёмистых и цирконо- ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 4 (112) 41 Проблемы технологии литья вых огнеупоров, которые имеют много общего с наполнителями формовочных смесей [1]. Учитывая высокую связующую способность продуктов взаимодействия Н 3 РО 4 с преобладающим большинством огнеупоров, следует предположить, что связу- ющее может образовываться также при взаимодействии данной кислоты с наиболее простыми по минералогическому составу наполнителями – кварцем и цирконом, а также алюмосиликатами, например, пирофиллитом. Процесс изготовления литейных форм и стержней принципиально отличается от изготовления огнеупорных изделий более низкой (180-350 0С) температурой упроч- нения и отсутствием необходимости высокотемпературного прокаливания [2, 3]. Поэтому необходимо точно определить температуру взаимодействия огнеупорных наполнителей с Н 3 РО 4 , при которой образуется связующее с прочной структурой. Постановка задачи Известно, что амфотерные и даже кислотные оксиды могут взаимодействовать с Н 3 РО 4 при нагреве, поэтому возможно создание смесей, которые упрочняются в горячей оснастке, с новыми по минералогической природе связующими. При этом продукты взаимодействия оксидов с Н 3 РО 4 должны не только образовываться как химические соединения, но и иметь связующую способность. Что касается материалов, которые следует рассматривать в качестве основных для реализации таких взаимодействий, то к их ряду относятся наиболее распро- странённые огнеупорные наполнители. Источником амфотерного оксида Al 2 O 3 в статье является алюмосиликатный огнеупор – пирофиллит Al 2 (OH) 2 [Si 4 O 10 ], оксида ZrО 2 – циркон (ZrО 2 ⋅ SiО 2 ). Источником кислотного оксида SiО 2 является пылевид- ный кварц (ПК). Таким образом, целью проведения исследований является разработка новых смесей теплового упрочнения на основе ортофосфорной кислоты и ряда огнеупор- ных материалов, которые смогли бы обеспечить изготовление высококачественных отливок при минимальных затратах. Для достижения цели были поставлены следу- ющие задачи: • исследовать процессы взаимодействия ортофосфорной кислоты с огнеупор- ными материалами различной природы и установить оптимальные температуры упрочнения для каждой системы • установить наличие или отсутствие связующей способности продуктов взаи- модействия Н 3 РО 4 с огнеупорными материалами, исследовать фазовый состав и структуру продуктов упрочнения, а также определить возможность использования исследованных связующих систем в составе смесей; • исследовать свойства смесей с различными комбинациями огнеупорных на- полнителей; • установить влияние состава и параметров упрочнения на свойства смесей с фосфатами кремния (система SiО 2 – Н 3 РО 4 ); • оптимизировать состав смесей по их физико-механическим свойствам, а также определить оптимальный режим упрочнения литейных форм (стержней); • провести лабораторные испытания исследованных смесей при получении стальных отливок. Методика исследования Во всех исследованиях была использована ортофосфорная кислота 85 %-ной концентрации, марка ОСН12-3 ГОСТ 10678 – 76, плотность – 1670 кг/м3. Определяли прочность смесей при сжатии на стандартных цилиндрических об- разцах с помощью универсальной установки модели УС-700 (предел измерения прочности до 3,5 МПа). При проведении измерений для каждой экспериментальной точки исполь- зовали не меньше 3-х образцов. Осуществляли обработку результатов экспе- 42 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 4 (112) Проблемы технологии литья риментальных данных, используя распределение Стьюдента при доверительной вероятности 90 % [4]. Эксперименты по оптимизации состава смесей выполнены с помощью централь- ного композиционного плана. Фазовый состав (качественный и количественный) анализировали на установке RIGAKU Ultima IV. Из смесей с определённым оптимальным составом изготавливали разъёмные формы в опоках размером 400х300х100 мм, а также стержни по технологии горячей оснастки. Формы заливали углеродистой сталью 20Л. Контролировали качество литых поверхностей на отсутствие дефектов. Экспериментальные данные Ранее нами было установлено, что связующие с ортофосфорной кислотой могут образовывать не только оксиды основных металлов, но и такие распространённые в технологиях литейного производства материалы, как кварцевые и алюмосиликатные наполнители [5]. Связующая способность основана на взаимодействии глинозёма (Al 2 O 3 ) и кремнезёма (SiO 2 ), которые составляют основу этих наполнителей, с ор- тофосфорной кислотой. В экспериментах решали вопрос образования связующих на основе ортофос- форной кислоты с различными огнеупорными материалами, а также исследовали зависимость свойств готовых смесей от типа огнеупорного наполнителя. Были использованы такие наполнители, как речной кварцевый песок 2К 5 О 2 03, измельчённый пирофиллит с преимущественной фракцией 0,2 мм и цирконовый кон- центрат. В смеси добавляли ортофосфорную кислоту (3 %) вместе с пылевидными материалами – кварцем и пирофиллитом. Из смесей изготавливали стандартные цилиндрические образцы, которые упрочняли в течение 1 ч при 250-300 0С. Резуль- таты определения прочности смесей представлены на рис. 1. Пылевидный пирофиллит в сочетании с кислотой обеспечивает меньшую проч- ность смесей по сравнению с пылевидным кварцем, что мы связываем с относи- тельно сложным кристаллическим строением этого минерала и его слишком низкой, как для наполнителя, твёрдостью. Циркон даже без добавления других пылевидных огнеупоров взаимодействует с кислотой и обеспечивает высокую прочность, которая может быть повышена при 2,5 2,0 0,5 1,0 1,5 0П р о чн о ст ь н а сж ат и е , М П а 0 2 4 6 8 10 12 Содержание пылевидной добавки, % 5 2 3 4 6 1 Риc. 1. Прочность смесей с различными огнеупорными наполни- телями и добавками:1 – пирофиллит + пылевидный пирофиллит; 2 – пирофиллит + ПК; 3 – кварцевый песок + пылевидный пи- рофиллит; 4 – кварцевый песок + ПК; 5 – циркон + пылевидный пирофиллит; 6 – циркон + ПК ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 4 (112) 43 Проблемы технологии литья добавлении пылевидного кварца. Добавка пылевидного пирофиллита в количе- стве до 2,5 % снижает общую прочность. Дальнейшее добавление пирофиллита (до 10 %) способствует увеличению прочности до уровня смесей с пылевидным кварцем. Это является свидетельством того, что адгезия фосфатов алюминия и кремния к частицам циркона приблизительно одинаковая. С целью установления точной температуры и характера взаимодействия ор- тофосфорной кислоты с огнеупорными наполнителями (цирконом, пылевидным кварцем, пирофиллитом) были приготовлены экспериментальные навески, содер- жащие 30 % Н 3 РО 4 и 70 % каждого из огнеупоров. Навески нагревали до различных температур от 120 до 360 с шагом 20 0С. При каждой температуре осуществляли выдержку в течение 15 мин. В результате установлено, что активное взаимодействие кислоты с образовани- ем прочных фосфатов (то есть упрочнение навесок) происходит с: пирофиллитом при 300, пылевидным кварцем при 320 0С, с цирконом при 360 0С. Установленные температуры уточняют литературные данные [1]: в частности, взаимодействие кис- лоты с пирофиллитом происходит при температуре на 50 0С выше, чем указано для оксида алюминия, с цирконом – на 60 0С выше, чем указано для оксида циркония. Интервал образования связующих с пылевидным кварцем (ПК) согласуется с литературными данными. По предварительному предположению, взаимодействие этих веществ происходит по следующей реакции: 2 Н3РО4 + SiO2 0 300 C→ 300 0С SiO2⋅P2O5 + 3H2O↑ Образованный в результате данного взаимодействия пирофосфат кремния является единственным связующим в смеси. Данный факт установлен методом рентгенофазового анализа (рис. 2) на установке RIGAKU Ultima IV. В качестве образца использована композиция ПК и ортофосфорной кислоты, упрочнённая при 300 0С. На дифрактограмме имеются максимумы, которые соответствуют пирофосфа- ту кремния и части оксида кремния, который не прореагировал с кислотой. Таким образом, впервые связующее в стержневой смеси успешно синтезировано непо- средственно из огнеупорного наполнителя. Оптимизацию состава смеси провели с помощью композиционного плана экс- перимента [6]. Учитывая уровни факторов и величину звёздного плеча, содержание ортофосфорной кислоты взято от 2,3 до 5,7 %; содержание ПК от 2,0 до 12,0 %; температура упрочнения в пределах от 230 до 370 0С. Увеличение содержания кислоты в смесях всегда приводит к увеличению их прочности, о чём свидетельствует расположение кривых на рис. 3. Но положение максимума прочности меняется в первую очередь в зависимости от соотношения компонентов. Так, при минимальном содержании кислоты (2,3 %, кривая 4) макси- мальная прочность достигается при 4 % ПК, а при добавлении большего количества кислоты необходимым является добавление большего количества ПК, и для смеси с 5,7 % кислоты (кривая 3) максимум прочности соответствует 12 % ПК. Процессы, которые происходят в исследованной системе, чётко демонстриру- ет рис. 4. При небольшом количестве ПК (кривые 1, 4) образование связующего в большей степени происходит при взаимодействии кислоты с частицами песка, которое происходит в области до 300 0С. При оптимальном соотношении кислоты с ПК (кривые 2, 5) взаимодействие происходит в основном, между ними, а максимум прочности соответствует установленным температурам (300-320 0С). Введение в смесь более 10 % ПК, во-первых, требует увеличения содержания кислоты, а во- вторых – сдвигает оптимальную температуру упрочнения в область 350 0С (кривая 3). 44 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 4 (112) Проблемы технологии литья 7 9 9 V re l 3 9 9 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 2 th et a / d eg Р и с. 2 . Ф аз о вы й а н ал и з ко м п о зи ц и и п ы ле ви д н о го к ва р ц а и Н 3 Р О 4 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 4 (112) 45 Проблемы технологии литья Таким образом, для достижения уровня максимума физико-механических свойств содержание ортофосфорной кислоты должно быть в пределах 3,5-4,0 %, содержание ПК – вдвое больше (7-8 %), для образования связующего при взаи- модействии именно между этими материалами, а температура упрочнения 300- 320 0С, которая соответствует их химическому взаимодействию. Из смеси состава: 3 % ортофосфорной кислоты, 6 % ПК, 3,0 % воды, осталь- ное – речной кварцевый песок 2К 5 О 2 03, изготовлена полуформа в опоке размером 400х300х100 мм по металлической модели для отливки «Роза» (рис. 5). Полуформа упрочнена в печи в течение 2 ч при 300 0С. Вторая полуформа изготовлена из сырой песчано-глинистой смеси. Форму залили сталью 20Л при температуре 1560 0С. Визуальный осмотр отливки показал, что качество поверхностей, изготовленных в контакте с кремний-фосфатной полуформой, лучше, чем поверхностей, полученных в песчано-глинистой полуформе. 1 0 2 4 6 8 10 12 Содержание пылевидного кварца, % 3 2 5 4 4,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 0,5 1,0 1,5 0 П р о чн о ст ь н а сж ат и е , М П а Рис. 3. Зависимость прочности смесей от содержания ПК: 1 – 3 % кислоты, 260 0С; 2 – 5 % кислоты; 340 0С; 3 – 5,7 % кислоты, 370 0С; 4 – 2,3 % кислоты, 230 0С; 5 – 4 % кислоты, 300 0С 230 260 300 340 370 0,5 1,5 2,5 3,5 0 1,0 2,0 3,0 4,0 П р о чн о ст ь н а сж ат и е , М П а Температура упрочнения, 0С 4 2 5 1 3 Рис. 4. Зависимость прочности смесей от температуры упрочнения: 1 – 4 % ПК, 3 % кислоты; 2 –10 % ПК, 5 % кислоты; 3 – 12 % ПК, 5,7 % кислоты; 4 – 2 % ПК, 2,3 % кислоты; 5 – 7 % ПК, 4 % кислоты 46 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 4 (112) Проблемы технологии литья Выводы • Установлено, что ортофосфорная кислота при нагреве может образовывать соли с ок- сидами амфотерных (алюминий, цирконий) и кислотных (кремний) элементов с образова- нием соответствующих фосфатов, которые благодаря особенностям своего строения являются неорганическими связующими в формовочной смеси. • Температура взаимодействия ортофос- форной кислоты с огнеупорными наполните- лями, при которой наблюдается образование прочной структуры связующих, является сле- дующей: для пылевидного пирофиллита – 300 , пылевидного кварца – 320, циркона – 360 0С. • В смесях с различными огнеупорными наполнителями наиболее эффективной до- бавкой для образования связующего с орто- фосфорной кислотой является пылевидный кварц в количестве 5-10 %. В результате взаимодействия образуется пирофосфат кремния, который имеет высокую адгезию к наполнителю. • В результате оптимизации состава сме- сей определено, что содержание пылевидного кварца должно быть в два раза больше, чем содержание ортофосфорной кислоты (6-8 %), а содержание кислоты для обеспече- ния достаточного уровня общей и поверхностной прочности – 3-4 %. Температура упрочнения – 300-320 0С, что соответствует условиям образования пирофосфата кремния. • Синтезированное связующее имеет достаточно высокую огнеупорность и низ- кую физико-химическую активность к железоуглеродистым сплавам, что позволяет использовать смеси как формовочные или стержневые для получения стальных отливок с чистой поверхностью. 1. Копейкин В. А. Огнеупорные растворы на фосфатных связующих / В. А. Копейкин, В. С. Клемен- тьева, Б. Л. Красный. – М.: Металлургия, 1986. – 102 с. 2. Болдин А. Н. Литейные формовочные материалы. Формовочные, стержневые смеси и покрытия / А. Н. Болдин, Н. И. Давыдов, С. С. Жуковский и др. – М.: Машиностроение, 2006. – 507 с. 3. Дорошенко С. П. Формовочные материалы и смеси / С. П. Дорошенко, В. П. Авдокушин, К. Русин, И. Мацашек. – К.: Вища школа, 1980. – 416 с. 4. Рябчій В. А. Теорія похибок вимірювань: Навч. посібник / В. А. Рябчій, В. В. Рябчій. – Дніпро- петровськ: НГУ, 2006. – 166 с. 5. Лютый Р. В. Формовочные и стержневые смеси с фосфатными связующими и комбиниро- ванным наполнителем, отверждаемые при нагреве / Р. В. Лютый, А. С. Кочешков, Д. В. Кеуш // Вестник ДГМА, 2011. – №1(22). – С. 203-206. 6. Вознесенский В. А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-эконо- мических исследованиях / В. А. Вознесенский. – М.: Статистика, 1974. – 192 с. Поступила 31.03.2015 Рис. 5. Отливка «Роза» (сталь 20Л), полу- ченная в разъёмной форме

Закономерности образования связующих из ортофосфорной кислоты и огнеупорных наполнителей

Institution

Ähnliche Einträge