«Определение объема газов при

Дипломная работа

Литье по газифицируемым моделям является одним из новейших спо-

собов производства отливок.

Технология литья по газифицируемым моделям имеет ряд существен ных преимуществ перед другими способами, являющихся традиционными.

Целью данной дипломной работы является исследование таких не мало важных параметров, для литья по газифицируемым моделям, как, температу ра плавления и температура деструкции пенополистироловых моделей и ско рость плавления пенополистирола. Так же задачей дипломного проекта явля ется разработка методики выполнения лабораторной работы по исследова нию объема выделяемых газов.

Лист

44.03.04.012ПЗ 5 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

1. ЛИТЬЕ ПО ГАЗИФИЦИРУЕМЫМ МОДЕЛЯМ (ЛГМ)

Литье по газифицируемым моделям (ЛГМ) является одним из новых способов производства отливок, появившихся в результате научно технической революции во второй половине XX в. наряду с такими техноло гическими процессами, как вакуум-пленочная формовка, непрерывное литье, литье под низким давлением, импульсная формовка и др. Однако наиболь ший интерес у литейщиков вызвало сообщение о способе литья по моделям, которые не удаляются из формы, а остаются в ней и газифицируются под действием тепловой энергии металла, поступаемого в форму. Такая техноло гия, названная литьем по газифицируемым моделям, решила важнейшую за дачу литейного производства — повышение точности отливок до уровня ли тья по выплавляемым моделям при издержках производства литья в песчано глинистые формы.

Но прежде чем ЛГМ-процесс стал промышленной технологией, был сделан значительный объем научно-исследовательских и опытно конструкторских работ, в результате которых были созданы специальные модельные материалы и противопригарные покрытия, технология и оборудо вание для изготовления моделей, инженерная методика проектирования тех нологического процесса, оборудование для изготовления форм и т.д.

Основоположником ЛГМ был американский архитектор Г. Шроер, ко торый в 1956 г. применил модели из пенополистирола для получения худо жественной отливки. В 1958 г. он получил патент США на способ Cavityls Castings Mold and Method for Making Same. В том же году архитектор А. Дука в лаборатории Массачусетсского технологического института получил первую художественную отливку из бронзы скульптуры «Пегас» массой 150 кг. В 1961 г. английский архитектор Кларк применил данный способ для по лучения отливки чугунной мачты массой 3500 кг для колокола. Однако про мышленное применение ЛГМ-процесса началось только спустя четыре года после его изобретения.

5 стр., 2115 слов

Модель интеграции строительного производства

... Выполнение указанных принципов невозможно без интеграции инвестиционно-строительной деятельности [6]. Мы предлагаем модель управления интеграцией в строительстве, используя математико-статистический анализ и учитывая ... финансовой помощи государства на определенный срок, когда в строительном производстве происходит полная интеграция. В антикризисных программах ведущих стран мира просматривается ...

Лист

44.03.04.012ПЗ 6 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

В развитии ЛГМ-процесса можно условно выделить четыре периода. Первый период охватывает 1958-1970 гг. и характеризуется внедрением дан ной технологии для производства единичных отливок массой от нескольких килограмм до более массивных отливок. Первая промышленная отливка мас сой 12 т была получена в Германии в 1962 г. Спустя год для фирмы «Ford Motors Со» были отлиты две заготовки для штампов массой 6750 и 2700 кг. К концу 1964 г. в 10 литейных цехах различных фирм США применялся ЛГМ процесс для производства единичных отливок. Активные работы по внедре нию ЛГМ проводились в ФРГ группой специалистов, возглавляемой проф. А. Виттмозером, которая в 1958 г. приобрела права на патент Шроера. В 1965 г. в таких промышленно развитых странах, как США, Англия, ФРГ, Франция и Япония, было произведено более 40 тыс. т отливок, причем только в США данный способ литья для производства отливок из черных сплавов применя ли 35 литейных цехов . В 1963 г. на Международной выставке в Дюссель дорфе экспонаты по ЛГМ-процессу были широко представлены различными фирмами. В 1967 г. создается Международная ассоциация литья по газифи цируемым моделям, которая объединила 150 фирм с общим выпуском отли вок 800 т в сутки. Быстрое распространение ЛГМ для производства единич ных отливок из черных сплавов стало возможным благодаря явным преиму ществам данного способа по сравнению с литьем по извлекаемым моделям. Главными из этих преимуществ являются: снижение трудоемкости и стоимо сти изготовления моделей, увеличение точности отливок и снижение их мас сы, уменьшение трудоемкости изготовления форм и значительное сокраще ние цикла изготовления литых заготовок, начиная с разработки технологии и заканчивая получением отливки.

Наряду с расширением производства единичных отливок многие науч ные центры различных фирм проводили интенсивные работы по применению ЛГМ в серийном производстве, чему способствовало опубликование в 1960 г. патента X. Неллина о применении песка без связующего для изготовления формы. По данному патенту модель из пенополистирола помещается в кон Лист

44.03.04.012ПЗ 7 Изм. Лист № докум. Подпись Дата тейнер, засыпается сухим песком или другим сыпучим огнеупорным матери алом, и форма уплотняется вибрацией, после чего она заливается металлом. Однако применение данного способа для получения отливок сложной конфи гурации приводило к браку из-за обвала формы. Поэтому исследования были направлены на изыскание способа упрочнения формы из несвязанных сыпу чих материалов. Так, в 1966 г. был опубликован патент Гофмана на способ получения отливок по газифицируемым моделям в магнитной форме. На 35 м Всемирном конгрессе литейщиков проф. А. Виттмозер впервые сделал до клад о магнитной формовке. При данном способе изготовления формы при меняется металлический ферромагнитный песок или дробь размером 0,3-0,5 мм. После уплотнения формы вибрацией она помещается в постоянное маг нитное поле, которое обеспечивает магнитную связь между частицами наполнителя, что придает форме необходимую прочность, предотвращая ее разрушение при заливке металла. Магнитная формовка получила применение в США, Японии и в странах Западной Европы для производства серийных отливок из различных сплавов. В 1970 г. в разных странах работало более 10 полуавтоматических установок магнитной формовки.

118 стр., 58730 слов

Организация производства отливок литейного цеха

... и путями. 1.3.1 Организация и планирования работы формовочного отделения Формовочное отделение литейного цеха является ведущим участком по производству отливок, мощность и показатели работы которого принимаются за базовые при ... с магнитной шайбой Весовая тележка Очистка и просушка шихты Плавильный участок Индукционно-тигельная печь ИЧТ-31/7-3 Ковш Q=5т Мостовой кран Q =10 Происходит плавка сплава ...

Швейцарская фирма «Brown Bovery» организовала серийное производство полуавтоматических установок магнитной формовки. В Бельгии одна из фирм применяла магнит ную формовку для отливки стальной цепи из 40 тыс. звеньев, в Англии дру гая фирма получала тормозные колодки для железнодорожного транспорта, в ФРГ изготавливались магнитной формовкой тройники из серого чугуна мас сой до 20 кг и муфты из высокопрочного чугуна, в Нидерландах — сложные тонкостенные отливки из чугуна. В Японии работала линия магнитной фор мовки производительностью двадцать форм в час при металлоемкости одной формы до 70 кг. Однако магнитная формовка не получила должного приме нения, т. к. использование дорогостоящего металлического песка (дроби) сводило на нет экономические преимущества ЛГМ относительно традици онных способов литья, хотя и обеспечивало более высокое качество отливок. Этому способствовало и появление в 1968 г. патента на способ получения от Лист

44.03.04.012ПЗ 8 Изм. Лист № докум. Подпись Дата ливок по газифицируемым моделям в формах из песка с применением вакуу ма. Согласно патенту, для формовки используется специальный контейнер, оборудованный системой вакуумирования. Газифицируемая модель зафор мовывается в кварцевом песке, который уплотняется вибрацией. Сверху на форму накладывается полиэтиленовая пленка, после чего форма вакуумиру ется и заливается металлом. Считается, что вакуум предохраняет форму от разрушения во время ее заливки расплавом.

Второй период развития ЛГМ пришелся на 1970-е гг. и характеризуется накоплением опыта изготовления сложных отливок, технологической и тех нической подготовкой их серийного производства. Создаются региональные научно-производственные объединения и исследовательские центры в соста ве промышленных фирм и в технологических институтах, которые проводят работы по совершенствованию технологии ЛГМ и оказанию помощи пред приятиям во внедрении данной технологии для серийного производства от ливок из различных сплавов взамен традиционных способов литья. Так, в 1970 г. Общество литья по газифицируемым моделям и фирмы «Correcto Werke», «Grunweid and Hartman», a также «Группа магнитной формовки» (А. Виттмозер и Р. Гофман) подписали соглашение об организации нового объ единения под сокращенным названием «VV». Данное объединение обладало правами на 100 патентов и патентных заявок по ЛГМ в европейских странах. Оно обслуживало около пятидесяти европейских фирм, оказывало им по мощь в совершенствовании и внедрении ЛГМ.

В научно-исследовательском центре фирмы «Ford Motors» проводились работы по применению ЛГМ для получения отливок из серого и высоко прочного чугунов и алюминиевых сплавов широкой номенклатуры деталей автомобиля (сплошные и полые коленвалы, зубчатые колеса, шатуны, кол лекторы, головка и блок цилиндров и др.).

Соответствующие работы про водились фирмами «Fiat», «General Motors», «Jut Board Marine», «Deereand Co», «Arco» и многими. др.

Лист

44.03.04.012ПЗ 9 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

К концу 1970-х гг. уже более чем в 70 литейных цехах разных фирм технология ЛГМ находилась на стадии внедрения или осуществлялся выпуск серийных отливок в промышленных масштабах. Накопленный за это десяти летие научный и практический опыт применения ЛГМ для получения отли вок из черных и цветных сплавов стал основой для внедрения данной техно логии в серийном производстве широкой номенклатуры отливок в различных отраслях машиностроения в 1980-е гг., которые определяют третий период в развитии ЛГМ-процесса. Наибольшие успехи во внедрении ЛГМ были до стигнуты автомобильными фирмами. Фирма «Ford Motors» в 1980 г. освоила промышленную установку для производства отливок впускного коллектора из алюминиевого сплава и выпустила 25 000 коллекторов высокого качества. В 1984 г. в этом же цехе была установлена вторая полуавтоматическая линия производительностью 180 форм в час, на которой производство коллекторов было доведено до 3 млн в год, при этом максимальный брак литья составил около 5 %. На старой установке было освоено производство отливок из чугу на: корпус водяного насоса, тормозной диск, выхлопной коллектор, полый коленвал. Данный цех имел производственную площадь 2700 м2 и являлся в то время самым крупным литейным цехом по производству отливок ЛГМ.

15 стр., 7016 слов

Стоматологические сплавы

... форму перед заливкой в неё жидкого металла до температуры 1000 0 С, расплавление металла ведите в форсированном режиме, рекомендуемая температура разливки 14500 С. АО «Дина». Каталог сплавов для стоматологии, ... также других марок сталей и сплавов. Опыт производства жаропрочных и коррозионных сплавов позволил разработать в 1987 году первый сплав для стоматологии. Разработанный КХС получил название « ...

Фирма «General Motors» в 1982 г. на предприятии «Сатурн» установила автоматическую линию производства ЛГМ головки и блока цилиндров из алюминиевого сплава для дизельного двигателя в количестве 1000 отливок в сутки при трехсменной работе. В настоящее время в цехе работают две авто матические линии. На второй линии получают отливки из чугуна: коленвал, корпус дифференциала, впускной коллектор и др. В цехе автоматизирова ны все технологические операции, за исключением заливки форм металлом. Отмечается высокое качество отливок, которые по точности соответствуют литью под давлением, а по качеству поверхности — литью в кокиль. Фирма успешно решила экологическую проблему. При вакуумировании форм во время заливки их металлом продукты термодеструкции модели поступают в установку каталитического дожигания газов до углекислого газа и паров во Лист

44.03.04.012ПЗ 100 Изм. Лист № докум. Подпись Дата ды. В цехе работает 180 человек (по 60 в каждой смене).

Цех расположен под одной крышей с механическим цехом, что говорит об экологической чистоте производства отливок ЛГМ. Фирма «Robert’s Со» изготовила и освоила ше стипозиционную установку производительностью 180 форм в час. Модель ные блоки подаются по монорельсу и манипулятором устанавливаются в опоку-контейнер, который засыпается сухим кварцевым песком посредством телескопической трубы-дозатора. Форма уплотняется вибрацией с регулиру емым направлением и величиной амплитуды. После заливки формы и извле чения отливки из нее песок поступает в установку кипящего слоя, в которой он обеспыливается, а содержащиеся в нем продукты термодеструкции моде ли дожигаются. После охлаждения песок вновь поступает на формовку. Эта же фирма заключила соглашение с фирмой «Badine Aluminum» о создании совместного предприятия по производству отливок из алюминиевых сплавов. Новое предприятие оснащено формовочной линией производительностью 30 форм в час с размером контейнера в плане 1016 х 813 мм. Предприятие обес печивает литьем свыше 10 потребителей, которые производят строительные машины, электродвигатели и детали для ЭВМ.

По мнению американских специалистов, ЛГМ-процесс является одним из лучших современных способов литья, который может удовлетворить по требности крупносерийного производства отливок высокой точности. В со четании с системой автоматического управления на базе микропроцессорной техники и роботов применение данного способа литья позволит создать гиб кое производство отливок. Такое положение основано на единой опоке, в ко торой используется весь ее объем, в отличие от разъемной формы, едином формовочном материале, простоте формовки, неограниченном сроке хране ния моделей и недорогой оснастке.

27 стр., 13471 слов

Информационная безопасность фирмы, занимающейся производством мебели

... доставки, а, значит, и качество готовой продукции. При производстве мебели мы используем петли австрийской фирмы Blum - лидера европейского рынка производителей мебельных петель, дающего пожизненную гарантию на ... по обеспечению ИБ, включает в себя решения: по организационным методам обеспечения безопасности, по системе КУД, по системе видеонаблюдения, по системе пожарно-охранной сигнализации, а ...

В 1990-е гг. ЛГМ находит широкое применение в Японии, Корее и Ки тае. В Японии около 200 фирм используют ЛГМ для производства отливок из различных сплавов. Фирма «Morikawa Sandino» в короткие сроки приобрела репутацию лидера в производстве отливок ЛГМ и стала ведущей фирмой в

Лист

44.03.04.012ПЗ 111 Изм. Лист № докум. Подпись Дата разработке технологии и оборудования для данного способа производства отливок. В 1984 г. она начала проводить исследования данного процесса, а уже в 1985 г. стала производить в промышленном масштабе втулки подшип ника для двигателя «Honda», гильзы цилиндров из фосфор-ванадиевого чугу на, коробку дифференциала из высокопрочного чугуна, впускные коллекто ры из алюминиевого сплава. В КНР создано специализированное предприя тие по производству отливок соединительных деталей трубопровода. Фирма «Dong Kuk» (Корея) освоила производство фитингов из высокопрочного чу гуна по газифицируемым моделям. В 1988 г. в промышленно развитых стра нах производство отливок ЛГМ осуществлялось более чем в 100 литейных цехах с месячным выпуском 400 т чугунного и 2000 т алюминиевого литья. Еще в 100 литейных цехах велись опытно-промышленные работы по внедре нию производства отливок из различных сплавов. В Англии в конце 1980-х гг. было сдано в эксплуатацию шесть опытно-промышленных установок для изготовления отливок данным способом. По данным зарубежных специали стов, количество цехов, работающих по технологии ЛГМ, в ближайшие не сколько лет будет ежегодно удваиваться.

Расширению объемов производства отливок ЛГМ в различных странах способствовало дальнейшее усовершенствование технологии и оборудова ния. Так, фирмы «Castek» (Англия) и «Teksid» (Италия) разработали техноло гический процесс под фирменным названием Policast, который включал в се бя технологию изготовления моделей, сборку модельных блоков, их окраску и формовку, заливку формы металлом. Фирмы «FATA» и «Fiat Teksid» по строили в Италии два цеха для производства коллекторов автомобильных двигателей по ЛГМ-процессу. В одном цехе выпускаются выхлопные кол лекторы из серого чугуна на автоматической линии производительностью 40 форм в час, причем в форме одновременно отливаются 8 коллекторов. В другом цехе на автоматической линии производительностью 50 форм в час отливаются впускные коллекторы из алюминиевого сплава.

Лист

44.03.04.012ПЗ 122 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

Ассоциация «SCRATA» (Steel Casting Rusers and Trade Association) разработала технологический процесс ЛГМ под фирменным названием Replicast в двух вариантах. При Replicast-FM модель из пенополистирола с литниковой системой устанавливается в контейнер и засыпается сухим пес ком, который затем уплотняется вибрацией. Верх контейнера закрывается полиэтиленовой пленкой, и в форме создается вакуум порядка 0,04-0,05 МПа, после чего форма заливается металлом. Такая технология ЛГМ позволяет по лучать отливки в форме из песка массой до 2 т, что значительно расширяет область применения ЛГМ-процесса. Способ Replicast-CS (Shell moulding refractory) разработан для производства отливок из высококачественных ма лоуглеродистых сталей и других сплавов, которые чувствительны к продук там термодеструкции пенополистирола. По данному способу на модель из ие-нополистирола повышенной плотности (40-50 кг/м3) наносится керамиче ская оболочка из 4-5 слоев, как при литье по выплавляемым моделям. Тол щина оболочки составляет 3,2-4,7 мм. Затем полученная керамическая форма помещается в печь, где при температуре 9300 °С происходит спекание обо лочки и выгорание модели. Полученная керамическая оболочка помещается в контейнер, засыпается кварцевым песком, который уплотняется в контей нере вибрацией, затем полученная форма накрывается полиэтиленовой плен кой, и перед заливкой формы металлом в ней создается вакуум порядка 0,04 0,05 МПа. Такая технология позволяет получать точные и качественные от ливки из низкоуглеродистых марок стали без поверхностного и объемного науглероживания. Ассоциация «SCRATA» передала все права на продажу лицензии по Replicast-процессу фирме «Foseco International», которая за ко роткое время реализовала 13 лицензий. Фирма «Glencast Ltd» по лицензии фирмы «Foseco» производит до 90 % заготовок штампов. Аналогичные от ливки данным способом получает фирма «Haffer-sley Neuman Hender». Фир ма «Bradey and Foster» (Англия) на линии производительностью 6 форм в час получает литьем по газифицируемым моделям в вакуумируемые формы из песка крупные отливки из жаро- и износостойких чугунов. Это позволило ей

29 стр., 14106 слов

Технология литья под давлением

... в производство на многих предприятия нашей страны и за рубежом; Литья под давлением сплавов на основе железа (чугун, сталь) внедрено на отдельных заводах [2]. В технологии литья под ... контакта и не ухудшающих качества поверхности отливок. Эффективность указанных мероприятий определяется конструкцией рабочей полости пресс-форм. Аннотация Данная работа содержит пути оптимизации технической схемы ЛПД ...

Лист

44.03.04.012ПЗ 133 Изм. Лист № докум. Подпись Дата полностью отказаться от стержней, а в ряде случаев и от механической обра ботки, при этом трудозатраты на очистку отливок сократились на 29%, на формовку — на 28%, на механическую обработку — на 9%. Точность отли вок возросла на 13%.

Фирма «Wolverhampton Iron Founders» производит отливки ЛГМ мас сой от 0,22 до 70 кг. Модели из пенополистирола поставляет фирма «Foseco». На модели наносится противопригарное покрытие, и затем с литниковой си стемой они устанавливаются в контейнер емкостью 1 м3, в котором зафор мовываются сухим песком.

Английская фирма «Herry Bar Metal Со» заменила технологический процесс литья в кокиль на ЛГМ для производства отливок из алюминиевых сплавов. Фирма поставляет впускные коллекторы, корпуса водяных насосов и другое литье автомобильным предприятиям. Опыт работы фирмы показал высокую эффективность ЛГМ при получении сложных тонкостенных отли вок повышенной точности, при этом стоимость пресс-форм для моделей из пенополистирола соизмерима со стоимостью кокиля.

В литейном цехе фирмы «Peugeot» установлена автоматическая линия производительностью 60 форм в час для ЛГМ 4-цилиндрового блока дизель ного двигателя. Линия имеет три позиции формовки. На первой позиции кон тейнер засыпается на 1/3 высоты сухим кварцевым песком, который затем приводится в псевдожидкое состояние за счет подачи воздуха под давлением в нижнюю часть контейнера. Блок, состоящий из двух моделей и литниковой системы, манипулятором погружается в кипящий слой песка. На второй по зиции контейнер засыпается песком доверху, и форма уплотняется вибраци ей. На третьей позиции контейнер досыпается песком, и сверху формы уста навливается груз. Заливка форм производится при помощи автоматической заливочной установки при строгом контроле температуры металла. При за ливке форма вакуумируется (без наложения пленки).

5 стр., 2396 слов

Получение отливок центробежным литьем

... отсутствия литниковой системы. Выход годных отливок повышается до 95%. Технология центробежного литья обеспечивает целый ряд преимуществ, зачастую ... отливок, возможностью получения более тонкостенных отливок из сплавов, обладающих низкой жидкотекучестью, высокими технико-экономическими показателями производства. К недостаткам центробежного литья относятся трудность получения качественных отливок ...

Перед выбивкой форма продувается воздухом, и выделяющиеся газы поджигаются постоянно горя щим газовым факелом. Модели из пенополистирола поставляет фирма

Лист

44.03.04.012ПЗ 144 Изм. Лист № докум. Подпись Дата «Saplest», которая специализируется на производстве различных изделий из пенополистирола. В литейном цехе фирмы «Sitroen» ЛГМ отливаются рыча ги подвески автомобиля. Фирма «Passavant Werke» (Германия) имеет Цех ЛГМ мощностью 7600 т в год, в котором производятся отливки нефтяных се параторов трех типоразмеров массой 90, 190 и 250 кг в количестве 48 тыс. комплектов. При переходе на ЛГМ с песча-но-глинистой формовки по извле каемым моделям количество брака снизилось с 8-10 до 3-5 %.

Общество «SAFAM» впервые в Европе разработало и внедрило авто матическую линию для производства отливок из ковкого чугуна по газифи цируемым моделям. Линия состоит из горизонтально замкнутого конвейера, автоматов для изготовления форм и их выбивки после охлаждения отливок, установки регенерации песка в кипящем слое. Контейнер размером 840 х 840 х 920 мм заполняет песком специальный быстродействующий распредели тель. Производительность линии 120 форм в час. Отливки имеют повышен ную размерную точность и низкую шероховатость поверхности, сокращены операции обрубки, очистки литья и значительно улучшились условия труда. В научно-исследовательском центре «Voreppe» фирмы «Pechiney Group» в г. Гренобле разработана технология литья по газифицируемым моделям с при менением изо-статического прессования металла в процессе его кристалли зации, что позволило значительно снизить пористость отливок из алюминие вых сплавов. Отливки изготавливаются на 8-позиционной карусельной уста новке производительностью 80 форм в час. Отмечается, что данная техноло гия снижает себестоимость литья на 20 %.

Широкое внедрение ЛГМ в крупносерийном производстве стало воз можным благодаря созданию высокопроизводительного автоматизированно го оборудования и систем управления технологическим процессом на основе применения микропроцессорной техники и ЭВМ. Так, например, фирмы «Fiat Teksid» и «FATA ALUMINIUM» создали комплекс оборудования для производства отливок по технологии Policast. Модели изготавливаются на специальных автоматах производительностью 40-50 съемов в час. Склейка

Лист

44.03.04.012ПЗ 155 Изм. Лист № докум. Подпись Дата моделей посредством термоклея происходит на вакуумном прессе произво дительностью 50 циклов в час. Сборка модельных блоков осуществляется на карусельной установке производительностью 120 циклов в час методом сварки при температуре 150 °С. Модельный блок роботом-манипулятором окрашивается методом окунания в баке с противопригарным покрытием, со держащим тиксо-тропные добавки. Другой манипулятор устанавливает гото вые модельные блоки в опоки и поддерживает их при формовке сухим квар цевым песком. Заливка формы металлом, охлаждение отливки и выбивка формы происходят на автоматической линии. В процессе выбивки манипуля тор извлекает блок отливок из опоки и укладывает в специальную тару, кото рая по мере заполнения транспортируется на участок финишной обработки. Технология Policast и весь комплекс оборудования демонстрировались фир мами на международных выставках в Москве (1968) и в Дюссельдорфе (1989).

10 стр., 4981 слов

Литье по газифицируемым моделям

... позволяет изготовлять отливки, по точности не уступающие отливкам, полученным литьем под давлением, а по качеству поверхности - полученным кокильным литьем при несравнимо меньших затратах на производство. В СССР освоение процесса литья по газифицируемым моделям было ...

В настоящее время многие зарубежные фирмы выпускают специали зированное оборудование для производства отливок ЛГМ, среди которых следует назвать следующие: «Robinson Foun-drey», «Vulcan Engineering», «Intermets Research Foundrey», «Ford Motors», «Plant Robert», «Arco», «Founder Automation», «CS Cast» в США, «Pechiney» во Франции, « Wolverhampton Iron Founders » в Англии и мн. др. Крупным производителем литейного оборудования, в том числе для ЛГМ, является фирма «Maverey Group», в которую входят такие фирмы, как «Moverek Fordath», «Marerex International», «International Keting Accociates», «Movertnern Engineering», «Bobrek Engineering», «Parts and Servie» и др. В 1980-е гг. ЛГМ окончательно утвердилось в серийном и массовом производстве отливок ответственного назначения, потеснив традиционные способы литья, и в первую очередь в песчано-глинистые формы по извлекаемым моделям.

Представители многих зарубежных фирм этот факт объясняют следу ющими преимуществами ЛГМ:

  • уменьшаются затраты на оборудование и материалы;

Лист

44.03.04.012ПЗ 166 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

  • исключаются из производственного процесса стержневое, формовоч ное и смесеприготовительное оборудование;
  • применение в качестве материала формы сухого кварцевого песка и упрочнение формы вакуумом;
  • снижение требований к квалификации рабочего персонала;
  • возможность комплексной автоматизации всего технологического процесса;
  • сокращение числа технологических операций и оборудования для фи нишной обработки отливок;
  • использование недорогой и сравнительно простой оснастки;
  • значительное улучшение условий труда.

Для 1990-х гг. характерны дальнейшее расширение объема производ ства отливок ЛГМ, появление крупных фирм и объединений, комплексно решающих вопросы внедрения технологии и оборудования, создание новых технологий на основе ЛГМ. Английская фирма «Avto Ellois» начала свою де ятельность по исследованию ЛГМ в 1988 г. и через несколько лет стала од ной из ведущих фирм по внедрению данной технологии в различных странах мира, за что Британский институт литья наградил ее культовым мечом. В 1989 г. на коммерческих началах фирма внедрила технологию ЛГМ в Ав стралии, в 1994 г. — в Северной Америке, в 1995 г. — в Индии. Разработан ному технологическому процессу производства отливок по газифицируемым моделям фирма дала название Stirocast. Особенностью этого процесса явля ется гарантия получения отливок высокого качества при низких капитальных затратах. Фирма считает, что ЛГМ станет основной технологией производ ства высококачественных отливок в XXI в.. В г. Эйндховен (Голландия) ком пания «ГЕМКО» проводит работы по технологии, проектированию участков и цехов, оснащению их оборудованием для производства отливок ЛГМ. В 1997 г. в Центре разработки и внедрения технологии была освоена установка литья по газифицируемым моделям производительностью 40 съемов в час при металлоемкости одной формы до 160 кг, которая предназначалась для

Лист

44.03.04.012ПЗ 177 Изм. Лист № докум. Подпись Дата демонстрации технологии ЛГМ заказчикам. Эта фирма проводит активную работу по внедрению данной технологии в различных странах, в том числе и в России.

8 стр., 3585 слов

Изготовление металлоизделий из лома методом электрошлакового литья

... выбора номенклатуры отливок, изготовляемых этим способом. Только при правильном выборе номенклатуры деталей можно достичь высокой экономической эффективности производства. Электрошлаковое литье ЭШЛ имеет ... воздухом) в водоохлаждаемый медный кристаллизатор, являющийся литейной формой. Отливки, полученные электрошлаковым литьем, приближаются по свойствам к поковкам. Применяется ограниченно для ...

В конце 1990-х гг. в США работало 75 литейных цехов, которые произ водили более 115 тыс. т отливок в год ЛГМ, в Европе свыше 100 цехов вы пускали более 125 тыс. т, в Японии и Китае более 200 цехов и участков про изводили около 100 тыс. т литья в год. По данным фирмы «Vulcan Engineering Со», в 1997 г. общий объем производства отливок по газифици руемым моделям составил 460 тыс. т в год.

В СССР исследования ЛГМ были начаты в 1963 г. инженером А. Чуд новским в Научно-исследовательском институте специальных способов ли тья (г. Одесса), и в том же году ему было выдано авторское свидетельство на отечественный вариант ЛГМ. Промышленное применение данная технология получила уже в 1965 г. на Горьковском автомобильном заводе, где была по лучена первая партия отливок (227 наименований, общая масса около 100 т).

В первом полу! одни 1966 г. на этом же заводе было произведено 600 отли вок массой от 18 до 3500 кг (общая масса более 420 т).

В середине 1960-х гг. активизируются работы по исследованию технологии ЛГМ в различных научно-исследовательских институтах и в вузах. В первую очередь надо от метить следующие организации, в которых научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы получили приоритетное развитие: НИИСЛ (г. Одесса), МВТУ им. Баумана, ВНИИЛитмаш, Московский автомеханиче ский институт (МАМИ), Московский авиационно-технологический институт (МАТИ), ЦНИИТМаш (г. Москва), ВПКТИСтройдормаш (г. Киев), Харьков ский филиал ВНИИЛитмаш. В 1965 г. при Научно-техническом обществе машиностроительной промышленности был создан Комитет литья по гази фицируемым моделям под руководством д. т. н., проф. Г.Ф. Баландина, кото рый существует и по настоящее время в составе Российской ассоциации ли тейщиков. В те годы комитет сыграл значительную роль в координации научно-исследовательских работ и пропаганде нового способа производства

Лист

44.03.04.012ПЗ 188 Изм. Лист № докум. Подпись Дата отливок. В то время советскими учеными-литейщиками были разработаны теоретические основы производства отливок в формах из песка без связую щих компонентов, теория формирования отливок, технологические основы проектирования ЛГМ, создан специальный литейный пенополистирол ПСВ Л для газифицируемых моделей.

В 1970-е гг. в СССР сформировались научно-технические центры по разработке технологии и оборудования для ЛГМ в Институте проблем литья Академии наук Украины (г. Киев), в ВПКТИСтройдормаш (г. Киев), в Харь ковском филиале ВНИИЛитмаш. В эти годы началось внедрение ЛГМ в еди ничном и серийном производстве отливок. В 1971 г. был пушен первый в стране цех серийного производства отливок по газифицируемым моделям в г. Прилуки (Полтавская обл.) мощностью 200 т литья в год. Участки и цеха различной мощности создаются на Ивановском автокрановом заводе, Го мельском экскаваторном заводе, Брянском заводе ирригационных машин, Могилевском лифтостроительном заводе, Московском заводе «Динамо», Электростальском заводе тяжелого машиностроения, Волжском автомобиль ном заводе и др. Создаются первые цеха магнитной формовки на Курганском арматурном заводе и Белоцерковском заводе сельхозмашиностроения. Про водятся работы по производству крупных стальных отливок на Невском ма шиностроительном заводе. Технология ЛГМ внедряется на Дрогобыческом автокрановом заводе, Курганском машиностроительном заводе, Белополь ском заводе пищевого машиностроения, Одесском заводе «Центролит». Наряду с внедрением технологии литья по газифицируемым моделям в науч но-производственных центрах проводятся работы по ее совершенствованию. Так, в НИИСЛе (г. Одесса) на основе ЛГМ был разработан новый технологи ческий процесс получения отливок в вакуумируемые формы из песка массой до 2000 кг под фирменным названием ГАМОЛИВ, который был успешно внедрен на Одесском заводе «Центролит». В ИПЛ АН УССР (в настоящее время Физико-технический институт металлов и сплавов) был разработан процесс ЛГМ с применением вакуума и заливки формы металлом под регу Лист

44.03.04.012ПЗ 19 Изм. Лист № докум. Подпись Дата лируемым давлением, который получил название ГАМОДАР. В Москве в НИИТАвто-проме организуется новый научно-технический центр по ЛГМ, который в 1990-е гг. становится основным разработчиком технологии и обо рудования в России.

В конце 1980-х и начале 1990-х гг. разрабатываются крупные проекты цехов серийного производства отливок ЛГМ для ряда заводов России, Укра ины, однако в связи с резким спадом производства в результате распада СССР работы по реализации данных проектов сворачиваются. Резко сокра щается финансирование научно-исследовательских работ, закрывается ряд научно-технических центров, затем научно-исследовательские работы прак тически прекращаются. Однако достигнутые в предшествующие годы успехи в области технологии и оборудования вызывают интерес зарубежных произ водителей литья. Так, АО «Камет» (старое название — ВПКТИСтройдор маш) успешно внедрил технологию и оборудование для производства отли вок ЛГМ в Судане, АО «НИИТАвтопром» — в Болгарии, ФТИМС (бывший ИПЛ АН УССР)— в Румынии и Польше. Интерес к работам по ЛГМ прояв ляют фирмы Турции, Ирана, Вьетнама, Индии и других стран. В середине 1990-х гг. наметилась тенденция роста заинтересованности промышленных предприятий и фирм к технологии ЛГМ, что объясняется возросшими требо ваниями к качеству отливок со стороны потребителей литья, а также гибко стью данной технологии при сравнительно низких капитальных затратах на ее внедрение. На ряде заводов Украины создаются мелкие участки производ ства отливок ЛГМ, оснащенные системой вакуумирования формы при ее за ливке металлом, установками каталитического дожигания продуктов термо деструкции модели и регенерации отработанного песка. В России на ОАО «Волжский литейно-механический завод» (ныне — ОАО «Волжский завод точного литья») создан цех, оснащенныйи высокопроизводительным обору дованием отечественного изготовления для производства отливок из серого и высокопрочного чугуна мощностью 5 тыс. т в год. В цехе предусмотрены регенерация отработанного песка и каталитическое дожигание продуктов

Лист

44.03.04.012ПЗ 20 Изм. Лист № докум. Подпись Дата термодеструкции модели. Работы по завершению процесса внедрения обору дования и технологии проводились на заводе на основании программы Пра вительства Российской Федерации НИИЛитмаш, МГИУ и ОАО «СММ» (Специальное машиностроение и металлургия).

В 1993 г. по технология ЛГМ на ОАО «Южноуральский арматурно-изоляторный завод» пущен цех по про изводству изоляторов и арматуры высоковольтных линий электропередачи из высокопрочного чугуна мощностью 500 т. В конце 2000 г. технология ЛГМ внедряется на ЗАО «Златоустовский литейный завод «Метапласт»», на заводе «СОЭЗ-Автодеталь» для производства отливок из алюминиевых сплавов для ВАЗа, на ООО «АКС» (С.-Петербург) для производства отливок из медных и углеродистых сплавов взамен литья по выплавляемым моделям. ООО «АКС» в настоящее время является единственным в России разработчиком и по ставщиком механизированных линий формовки, заливки и выбивки форм и другого оборудования для цехов и участков литья по газифицируемым моде лям. Отливки из медных сплавов производятся на ООО «Металит» (г. Ижевск).

Научно-исследовательские работы по данному процессу проводятся на кафедре литейного производства МГИУ под руководством автора. Техно логия ЛГМ в настоящее время внедряется на многих предприятиях Россий ской Федерации.

За последние 40 лет на основе применения газифицируемой модели были разработаны технологические процессы, которые предопределили ши рокое внедрение ЛГМ в промышленность [1].

1.1 Недостатки литья по газифицируемым моделям

К недостаткам литья по газифицируемым моделям нужно отнести, прежде всего, большое выделение газа при сгорании модели, что при непра вильном ведении заливки (заливка должна вестись с определённой скоро стью) и при плохой газопроницаемости формовочной смеси ведёт к образо ванию газовых пор в отливках, уменьшающих их прочность.

Лист

44.03.04.012ПЗ 21 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

При термическом разложении пенополистирола, выделяются различ ные газо- и парообразные продукты, которые наносят вред организму рабо чего, а также атмосфере литейного цеха.

В таблице 1, приведен список всех веществ выделяемых при термоде струкции пенополистирола, а также их количества. Далее приведем описание каждого из этих веществ:

  • H 2 (водород) – легкий бесцветный газ, нетоксичен и не взрыво опасен в малых количествах;
  • СО (угарный газ) – бесцветный газ, без запаха, со слегка кислова тым вкусом.

В наших исследованиях было замечено незначительное повы шение концентрации до 3,7%,что может приводить к развитию у человека сонливости и слабости. Угарный газ попадает в атмосферный воздух при лю бых видах горения. В городах в основном в составе выхлопных газов из дви гателей внутреннего сгорания. Угарный газ активно связывается с гемогло бином, образуя карбоксигемоглобин, и блокирует передачу кислорода ткане вым клеткам, что приводит к гипоксии герметического типа. Угарный газ также включается в окислительные реакции, нарушая биохимическое равно весие в тканях;

— CH 4 (метан) – простейший углеводород, бесцветный газ, без запа ха. Метан одновременно и взрывоопасен, и потенциально ядовит для челове ка, но в количестве 2,19% не причиняет человеку вреда. Метан является са мым физиологически безвредным газом в гомологическом ряду парафиновых углеводородов. Физиологическое действие метан не оказывает и не ядовит (из-за малой растворимости метана в воде и плазме крови и присущей пара финам химической инертности).

Погибнуть человеку в воздухе с высокой концентрацией метана можно только от недостатка кислорода в воздухе. Так, при содержании в воздухе 25—30 % метана появляются первые признаки удушья (учащение пульса, увеличение объёма дыхания, нарушение коорди нации тонких мышечных движений и т.д.).

Более высокие концентрации ме

Лист

44.03.04.012ПЗ 22 Изм. Лист № докум. Подпись Дата тана в воздухе вызывают у человека кислородное голодание — головную боль, одышку, — симптомы, характерные для горной болезни.

Так как метан легче воздуха, он не скапливается в проветриваемых подземных сооружениях. Поэтому случаи гибели людей от удушья при вды хании смеси метана с воздухом весьма редки.

Первая помощь при тяжелом удушье: удаление пострадавшего из вред ной атмосферы. При отсутствии дыхания немедленно (до прихода врача) ис кусственное дыхание изо рта в рот. При отсутствии пульса — непрямой мас саж сердца;

  • C2 H 4 (этилен) – бесцветный горючий газ со слабым запахом. Этилен является одним из важнейших соединений, производимых в огром ных промышленных масштабах. Его используют в качестве сырья для произ водства целого спектра различных органических соединений (этанол, эти ленгликоль, уксусная кислота и т.д.).

    Этилен служит исходным сырьем для производства полимеров (полиэтилен и др.).

    Его применяют в качестве веще ства, ускоряющего рост и созревание овощей и фруктов. Этилен обладает наркотическим действием, класс опасности – четвертый;

  • C 2 H 6 (этан) – по сравнению с метаном он взрывоопасен и мало токсичен. Обладает слабым наркотическим и галлюциногенным действием (ослаблено за счет низкой растворимости в жидкостях организма).

    Класс опасности – четвертый;

  • C2 H 2 (ацетилен) – бесцветный газ, легче воздуха, взрывоопасное вещество при температуре свыше 500 °С , взрывоопасность уменьшается при

— разбавлении его другими газами (азот, метан и пропан).

Веще ство может всасываться в организм при вдыхании. При утечке содержимого этот газ может привести к гибели от удушения, вследствие снижения содер жания кислорода в воздухе в замкнутом пространстве. Быстрое испарение жидкости может вызвать обморожение. Вещество может оказывать действие на нервную систему. Вещество разлагается при разогреве и повышении дав ления , вследствие чего возникает опасность пожара и взрыва. Вещество яв Лист

44.03.04.012ПЗ 23 Изм. Лист № докум. Подпись Дата ляется сильным восстановителем и бурно реагирует с окислителями и с фто ром и хлором под воздействием света, приводя к опасности возникновения пожара и взрыва. Газ хорошо смешивается с воздухом, легко образует взрыв чатые смеси;

  • C 5 H 12 (пентан) – обладает наркотическим действием, но в малых

количествах не опасен. Класс опасности – четвертый;

  • C 6 H 6 (бензол) – при непродолжительном вдыхании паров бензола

не возникает немедленного отравления, поэтому порядок работ с бензолом не регламентирован. В больших количествах вызывает тошноту и головокруже ние, а в особо тяжких случаях смертельный исход. Бензол является одним из самых распространённых ксенобиотиков антропогенного происхождения.

При непродолжительном вдыхании паров бензола не возникает немед ленного отравления, поэтому до недавнего времени порядок работ с бензо лом особо не регламентировался. В больших дозах бензол вызывает тошноту и головокружение, а в некоторых тяжёлых случаях отравление может по влечь смертельный исход. Первым признаком отравления бензолом нередко бывает эйфория. Пары бензола могут проникать через неповрежденную ко жу. Жидкий бензол довольно сильно раздражает кожу. Если организм чело века подвергается длительному воздействию бензола в малых количествах, последствия также могут быть очень серьёзными. Бензол является силь ным канцерогеном. Исследования показывают связь бензола с такими забо леваниями, как апластическая анемия, острые лейкозы хронический миело идный лейкоз, миелодиспластический синдром и заболевания костного мозга;

— C 7 H 8 (толуол) – бесцветная подвижная летучая жидкость, с рез кими запахом. Является сильным токсичным ядом. Пары толуола могут про никать через неповрежденную кожу и органы дыхания, вызывать поражение нервной системы (заторможенность, нарушения в работе вестибулярного ап парата), в том числе необратимое. Поэтому работать с толуолом и раствори телями, в состав которых он входит, необходимо в прочных резиновых

Лист

44.03.04.012ПЗ 24 Изм. Лист № докум. Подпись Дата перчатках в хорошо проветриваемом помещении или с использованием вы тяжной вентиляции;

— C8 H 8 (стирол) – токсичен, класс опасности – третий. Яд общеток сического действия, он обладает раздражающим, мутагенным и канцероген ным эффектом и имеет очень неприятный запах (порог ощущения запаха — 0,07 мг/м³).

При хронической интоксикации у рабочих бывают поражены центральная и периферическая нервная система, система кроветворения, пи щеварительный тракт, нарушается азотисто-белковый, холестериновый и ли пидный обмен, у женщин происходят нарушения репродуктивной функции. Стирол проникает в организм в основном ингаляционным путём. При попа дании на слизистые оболочки носа, глаз и глотки паров и аэрозоля стирол вызывает их раздражение. Содержание метаболитов бензола в моче — мин дальной, фенилглиоксиновой, гинуриновой и бензойной кислот — исполь зуют в качестве экспозиционного теста. Практически все реакции, которые подвергаются данные вещества, несут потенциальную угрозу здоровью и да же жизни человеку.

Из выше перечисленных продуктов реакции самым опасным является стирол, при содержании его 70,10%. Он представляет основную угрозу для организма рабочего и для атмосферы цеха, но также является главным ком понентом для производства пенополистирола. Таким образом, данный способ литья (ЛГМ) является достаточно вредным с точки зрения экологии, несмот ря на все его преимущества.[11]

Лист

44.03.04.012ПЗ 25 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

Таблица 1 – Состав продуктов термодеструкции при плотности модели 25 кг/м3, вес. %

Продукты термодеструкции 700 °С

Парообразные продукты термодеструкции

13,0

C6 H 6

13,15

4,35

C7 H 8

4,35

69,40

C8 H 8

70,10

86,75

Итого:

87,60

Газообразные продукты термодеструкции

0,28

H2

0,22

2,94

СО

3,74

2,19

CH 4

1,49

2,74

C2 H 4

2,12

0,25

C2 H 6

0,75

0,02

C2 H 2

0,03

2,38

i − C 5 H 12

2,25

10,80

Итого:

10,60

3,25

Углерод

1,80

Всего: 100

Примечание. Верхняя строка – результаты анализа при скорости подъема металла в форме 1,0 см/с, нижняя строка – 2,5см/с.

Одним из способов решения данной проблемы является применение литья вакуумным всасывания по пенополистироловым моделям. Схема уста новки литья по газифицируемым моделям вакуумным всасыванием приведе на на рисунке 1.

Суть данного процесса заключается в том, что форму помещают в спе циальную вакуумную камеру, которая в свою очередь подключена через ре сивер к вакуумному насосу. Во время заливки все выделяемые газы отсасы ваются из формы через ресивер и идут на очистку или дожигание.

Лист

44.03.04.012ПЗ 26 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

Рисунок 1 – Схема установки литья по газифицируемым моделям ваку умным всасыванием:

1 – тигель с расплавом; 2 – металлопровод; 3 – модель из пенополистирола; 4 – песча ная форма; 5 – вакуумная камера; 6 – дросселирующее устройство, 7 – ресивер.

Экологическая безопасность технологического процесса обеспечивает ся исключением из применения токсичных связующих, большого объема формовочных и стержневых песчаных смесей (обычно 2 т смеси со связую щим идет в отвал на 1 т литья), транспортировки их и выбивки отливок. Например, 1 куб. м пенополистирола модели весит 25 кг, если он замещается 7 т жидкого чугуна, то при этом на 1 т литья расходуется 25/7=3,6 кг полиме ра. Тогда как в формах из смоляных холодно-твердеющих смесей (ХТС) при потреблении 3% связующего в смеси на 3 т смеси на 1 т литья расход состав ляет 0,03х3000=90 кг полимерного связующего, или в 90/3,6=25 раз больше.

Чтобы пенопластовая модель не дымила в цех, при заливке металла в форму и в период его затвердевания из контейнера отсасывают насосом все газы — разрежение поддерживают примерно пол-атмосферы. Затем эти газы через трубу вакуумной системы подают для обезвреживания в систему тер мокаталитического дожигания, где они окисляются до уровня не менее 98% и в виде водяного пара и двуокиси углерода выбрасываются в атмосферу за пределами помещения цеха. Традиционные формы после заливки металлом дымят в помещении, как ни вентилируй рабочую зону цеха.

Лист

44.03.04.012ПЗ 27 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

Такое удаление газов из сухого песка формы согласно проведенным измерениям концентраций примесей в воздухе цеха в 10-12 раз снижает по казатели загрязнений атмосферы рабочей зоны цеха по сравнению с литьем в традиционные песчаные формы. Формовочный кварцевый песок после из влечения из формы отливок, благодаря его высокой текучести, обычно транспортируют по закрытой системе трубопроводов пневмотранспорта, ис ключающей пыление его на воздухе цеха. Песок поступает в установку тер морегенерации, где очищается от остатков конденсированных продуктов де струкции пенополистирола, а затем после охлаждения в проходных закрытых охладителях подается опять на формовку при использовании около 97% обо ротного песка. Значительную часть бункеров и трубопроводов комплекса для оборота песка часто монтируют за пределами помещения цеха у внешней его стены, при этом на открытом воздухе песок быстрее охлаждается. Изолиро вание в закрытых трубопроводах потоков материалов и отсасывание дожигание газов в сочетании с весьма чистым модельным производством да ет возможность создать экологически чистые цеха высокой культуры произ водства.

Другим существенным недостатком пенопластовой модели является потеря точности при уплотнении формовочной смеси из-за податливости пе нополистирола. Решить эту проблему можно с помощью электромагнитного поля и замены формовочной смеси железными опилками. На дно опоки, вставленной внутрь соленоида, присоединённого к сети переменного тока, насыпают слой железного порошка, ставят на него пенопластовую модель с литниковой системой и засыпают её доверху тем же железным порошком (опилками), затем включают ток, превращающий железный порошок в моно лит, и заливают расплавленный металл, мгновенно сжигающий пенопласт. Как только отливка чуть затвердеет, ток выключают, и форма вновь стано вится порошком [5].

Лист

44.03.04.012ПЗ 28 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

1.2 Материалы (производство пенополистирола, химическая фор-

мула)

Полистиро́л — продукт полимеризации стирола ла), термопластичный полимер линейной структуры.

Таблица 2 – Сведенья о пенополистироле

Общие

Сокращение PS

Химич. формула (C 8 H 8 ) n

Физич. св-ва

Плотность 1,069-1,125 г/см³

Термич. св-ва

Т пл. ~140оC

В таблице 2 представлены краткие сведенья о пенополистироле.

1.2.1 Получение полистирола

Основным методом производства стирола в технике до сих пор являет ся каталитическое дегидрирование этилбензола при высоких температурах. Этилбензол, в свою очередь, получают каталитическим жидкофазным алки лированием бензола этиленом на безводном AlCl 3 в мягких условиях. Выход полупродукта и мономера в обоих процессах близок к 90 % от теории. Наибольшую сложность вызывает очистка конечного, продукта от этилбен зола и побочных веществ (бензола, толуола и др.), которая производится многоступенчатой ректификацией смеси. Применяют также метод получения этилбензола, состоящий в непосредственном выделении его из смеси ксило лов. Эту смесь, содержащую 15—18% этилбензола, выделяют из легкой фракции пиролиза нефти. Для четкого разделения компонентов смеси, тем пературы кипения которых очень близки (отличаются только на 4°С), необ ходимо применение высоких и эффективных ректификационных колонн.

Обычно в качестве катализаторов реакции применяют окислы металлов (железа, магния, цинка, меди и др.), и процесс протекает в присутствии водя ного пара, понижающего парциальное давление реагентов примерно до 0,01

Лист

44.03.04.012ПЗ 29 Изм. Лист № докум. Подпись Дата МПа. В результате уменьшения давления равновесие обратимой реакции де гидрирования сдвигается в сторону образования стирола, поскольку она со провождается увеличением объема реакционной смеси.

Кроме снижения давления смешение пара с этилбензолом непосред ственно перед подачей в контактный аппарат приводит к уменьшению по бочных реакций, перегретый пар обеспечивает нагревание, необходимое для реакции дегидрирования. Кроме этого, благодаря непрерывной реакции во дяного пара с коксом, осажденным на катализаторе, устраняется необходи мость в периодической регенерации последнего и тем самым обеспечивается непрерывность процесса дегидрирования в течение длительного срока.

Реакция дегидрирования этилбензола осуществляется в контактном ап парате 4 шахтного типа без топки, изготовленном из углеродистой стали; снаружи он покрыт теплоизоляционным материалом, а внутри футерован ог неупорным кирпичом. Иногда используют трубчатые контактные аппараты с топками. Воздух из воздуходувки подается для нагревания в печь, которая служит для перегрева (до 710°С) водяного пара, поступающего из теплооб менника с температурой 385°С. Обогрев печи производится газообразным топливом. Причем отходящими газами нагревается подаваемый в печь воз дух, а также этилбензол в испарителе. Пары этилбензола перед поступлением в контактный аппарат нагреваются в теплообменнике до температуры 520°С. Смешение паров этилбензола и воды, подаваемых из теплообменников, про исходит при поступлении в контактный аппарат через вход, расположенный в нижней части реактора. Смесь паров, поднимаясь вверх, проходит в кон тактной зоне через решетку из хромоникелевой стали, на которой находится катализатор. Выходящие из аппарата продукты реакции, имеющие темпе ратуру 565°С, охлаждаются при последовательном прохождении теплооб менников и одновременно нагревая пары этилбензола и перегревая водяные лары. Затем контактные газы направляются в холодильник смешения для охлаждения до температуры 105°С, при этом происходит конденсация смо лообразных веществ — побочных продуктов реакции дегидрирования

Лист

44.03.04.012ПЗ 30 Изм. Лист № докум. Подпись Дата этилбензола. Выходящая из холодильника смесь сжижается в конденсаторе. Полученный конденсат сначала в сепараторе освобождается от газов (водо рода, метана, этана, двуокиси и окиси углерода), а затем в разделителе отста ивается, и в результате чего происходит разделение на смолообразные веще ства, воду и углеводороды [4].

Очистка сырого дегидрогенизата является самым сложным процессом в производстве стирола, так как температура кипения (136°С) этилбензола (его в сырце около 60%), близка к температуре кипения стирола; кроме того, при повышенной температуре происходит быстрая полимеризация стирола, поэтому ректификацию стирола производят перегонкой в вакууме при пони женной температуре, в колонне специальной конструкции с добавлением ин гибитора — гидрохинона.

Полистирол в промышленности получают главным образом свободно радикальной полимеризацией стирола, используя все известные методы: блочный, эмульсионный, суспензионный и в растворителях. Наибольшее распространение получили методы блочной и эмульсионной полимеризации. Блочный метод полимеризации стирола. Процесс полимеризации стирола в массе (блочный метод) ведется как периодическими, так и непрерывными способами, обычно в две стадии: сначала получают сиропообразный раствор полимера в стироле, содержащий 30—35% полистирола; затем образуется готовый полимер, в котором присутствует 0,5—1% стирола.

Начальная стадия протекает большими массами при энергичном пере мешивании и интенсивном отводе тепла, что возможно при низкой вязкости реакционной смеси; на конечной стадии образовавшийся форполимер пе реводится в формы небольшой емкости, в которых в большей степени воз можны контроль и регулировка процесса полимеризации.

По одному из периодических методов блочной полимеризации предва рительная стадия осуществляется в реакторе емкостью 2м3, изготовленном из нержавеющей стали и снабженном водяной рубашкой и обратным холодиль ником. Для сокращения индукционного периода процесса полимеризации

Лист

44.03.04.012ПЗ 31 Изм. Лист № докум. Подпись Дата стирол нагревают подачей пара в рубашку реактора, а затем создают вакуум до 26 кПа. При таком разрежении стирол кипит при 100— 110°С, и экзотер мическая реакция протекает при этой температуре, причем часть выделяемо го тепла расходуется на испарение мономера, а избыток отводится из реакто ра с помощью холодной воды, подаваемой в рубашку взамен пара с момента кипения стирола. Процесс предварительной полимеризации продолжается около 4 ч, после чего вязкий форполимер, охлажденный до 70°С, переливают в формы емкостью 20 л, изготовленные из чистого олова или луженой жести. Окончательная полимеризация в формах идет по ступенчатому температур ному режиму при 100—115°С и, наконец, при 125—140°С. По окончании процесса формы охлаждают и вскрывают. По другому периодическому спо собу блочная полимеризация стирола проводится сначала в реакторе из не ржавеющей стали емкостью 10 м3 при температуре 80—90°С в присутствии инициаторов. Затем полученный форполимер подают в другой реактор, по конструкции подобный фильтр-прессу и состоящий из алюминиевых рам и нагревательных плит, расположенных между ними. Плиты имеют отверстия для последовательного заполнения всех рам реакционной смесью. Благодаря шлифованным поверхностям плит и рам, а также наличию гидравлического пресса в реакторе создаются герметичные пространства, заполняемые форпо лимером. Плиты нагреваются горячей водой или паром и охлаждаются хо лодной водой. Реакция протекает в соответствии с описанным выше ступен чатым режимом, и по окончании полимеризации реактор охлаждают до 40°С. Образовавшиеся блоки полистирола (массой около 80 кг) измельчают в спе циальных дробилках.

Недостатки, присущие периодическому способу полимеризации стиро ла в массе, связаны с плохой теплопроводностью и повышенной вязкостью образующегося блока, а также с наличием в блоке трудноудаляемого непро реагировавшего мономера. В связи с экзотермичностью процесса полимери зации стирола внутри блока создаются местные перегревы, приводящие к по лучению в этих зонах полистирола пониженной молекулярной массы, что

Лист

44.03.04.012ПЗ 32 Изм. Лист № докум. Подпись Дата увеличивает полидисперсность полимера. При высокой температуре внутри блока происходит деструкция полимера, в результате чего кроме снижения молекулярной массы увеличивается содержание остаточного мономера. Зна чительное количество последнего заметно ухудшает свойства полистирола, снижая температуру размягчения и устойчивость к старению (особенно при действии солнечного света) [8,9].

1.2.2 Технология: процесс изготовления пенополистирола

В производстве пенополистирола основной материал вспенивающийся полистирол ПСВ-С в гранулах. Различные бром- и хлорсодержащие органи ческие соединения добавляют в смесь не более пяти процентов для того, что бы полученный материал обладал повышенной стойкостью к горению.

Изготовление пенополистирола включает в себя несколько этапов: предварительное и вторичное вспенивание, сушка, вылеживание на воздухе, формовка и порезка.

Предварительное вспенивание гранул ПСВ-С производится при помо щи обработки насыщенным паром при температуре не ниже 95 градусов. Насыпная плотность должна стать 18-35 кг/м3. В первые секунды в устрой стве для вспенивания происходит расширение гранул и резкое падение плот ности полистирола с 140 кг/м3 до 60 кг/м3. Процесс наиболее активно длится первые пять минут.

Последующий процесс уменьшения плотности гранул происходит зна чительно медленнее. По этой причине наиболее оптимальный временной режим для предвспенивателя 5-10 минут. Изменение угла атаки лопаток вспенивателя и скорости подачи сырья позволяет регулировать эту функцию.

Вторичное вспенивание гранул ПСВ-С производится с целью достиже ния насыпной плотности ниже 15-18 кг/м3.

Сушка предназначена для удаления влаги с поверхности гранул, кото рая образовывается после вспенивания.

Лист

44.03.04.012ПЗ 33 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

Вылеживание на воздухе требуется для выравнивания атмосферного и внутригранульного давления. Необходимо, чтобы воздух проник внутрь гра нул, внутри которых после остывания образуется вакуум.

Этап формовки склеивание гранул в блок определенного размера. В специальную пресс-форму загружается масса на 15-180 сек, где и происходит формовка при помощи обработки паром, давление которого должно быть 0,7 1,5 кг/см. Остывание длится от 7 до 40 минут, после чего готовые блоки из влекаются из пресс-формы. Время остывания зависит от желаемой плотности.

Внутри пресс-форма смазывается специальной обмазкой, состоящей из 25г талька, 25г хозяйственного мыла на один литр воды, кремнийорганиче ской жидкости №5 и мыло хозяйственное. Эта эмульсия оберегает ПСВ-С от прилипания к стенкам.

Заключительный этап производства пенополистирола порезка — необ ходим для получения листов пенопласта заданных размеров. Для фигурной резки пенопласта используются специальные станки, управляемые компью тером.

В производственном помещении необходимо поддерживать опреде ленный температурный режим не ниже +18 С [5].

На данный момент многие предприятия, которые выпускали полисти рол для технологии ЛГМ, закрывают его производство. Это связано, прежде всего, с его небольшой рентабельностью и большими трудозатратами для его производства. Качественный литейный полистирол выпускают в Италии, Ка наде и Японии. Все эти предприятия ориентированы на крупных и постоян ных потребителей. К примеру, Японский производитель ориентирован на американский рынок. Итальянский производитель поставляет свою продук цию нескольким крупным предприятиям в западной Европе. Канадский про изводитель имеет свое представительство в Европе, но его продукцией поль зуется несколько предприятий.

Отличительными характеристиками литейного полистирола от упако вочного или строительного является наличие лубриканта, который смазывает

Лист

44.03.04.012ПЗ 34 Изм. Лист № докум. Подпись Дата вспененные гранулы и помогает более легкому заполнению формы при полу чении модели, стабильностью размеров гранул, отсутствием компонентов, которые уменьшают горение полистирола при заливки металла, а соответ ственно остаток углерода в отливки становится меньше.

Намного легче состоит дело с литейным сополимером (Япония) для Украинских и Российских потребителей. Данное изделие доступно для наших потребителей и значительно повышает качество отливок. Науглера живание материала отливки составляет менее четырех сотых процента. Ма териал обеспечивает идеальную шероховатость поверхности изделия и сни жает затраты на механическую обработку. Данные результаты получены на нескольких предприятиях Украины. Конечно, данный материал ориентиро ван для получения стальных изделий с низким содержанием углерода. Ли тейный сополимер — идеальный материал для производства букс, которые ис пользуются в железнодорожном транспорте, а также многих других изделий, где процент брака достаточно высок.

Количество жаропрочных покрытий или красок просто пестрит на рынке материалов ЛГМ. Многие предприятия используют отечественные по крытия или производят собственноручно для своих целей, но все же при знанным лидером в производстве противопригарных покрытий остается ком пания ASK (Германия).

Немаловажным условием для уменьшения содержания углерода в от ливках является применение литников с полыми стояками, клея малой золь ностью, а также фильтрационных ячеек, исключающие неметаллические включения и успокаивающие поток металла на выходе и превращающие его в ламинарный поток.

Все данные изделия являются неотъемлемыми составляющими для ка чественного технологического процесса литья по газифицируемым моделям [7].

Лист

44.03.04.012ПЗ 35 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

1.2.3 Модели ЛГМ. Изготовление моделей ЛГМ

Модели разового применения в литейном деле позволяют получать наиболее точные отливки. Для серийных отливок такие модели изготавлива ют вдуванием гранул пенополистирола в алюминиевые пресс-формы (мно гоместные для мелких моделей) с последующим вспениванием и спеканием гранул путем нагрева пресс-форм в течение нескольких минут до ~130°С. Алюминиевые пресс-формы можно изготавливать точным литьем, но чаще это делается путем механообработки. По пресс-формам можно изготовить тысячи и более пенопластовых моделей.

Для разовых и крупных отливок весом до нескольких тонн модели вы резают из плит пенопласта нагретой нихромовой проволокой по шаблонам или на гравировально-фрезерных станках с ЧПУ. Затем полистироловую мо дель склеивают с пенопластовым литником, покрывают быстросохнущей краской с порошком-огнеупором, помещают в контейнер, где засыпают ее сухим песком, и заливают расплавленным металлом через этот литник. При заливке полистирол испаряется, и модель замещается металлом. При этом металл затвердевает в виде отливки в неподвижном песке, который, облегая модель при засыпке песка (формовке), принял форму зеркального отображе ния этой отливки.

Образующиеся при заливке металла газы из контейнера отсасывают насосом – разрежение поддерживают примерно на уровне 0,5 атм, одновре менно это разрежение уплотняет и удерживает в неподвижном состоянии пе сок в процессе замещения модели металлом. Затем газы через трубу вакуум ной системы подают для утилизации и обезвреживания в систему термоката литического дожигания. Там они окисляются примерно на 98%, и в виде во дяного пара и двуокиси углерода выбрасываются в атмосферу за пределами помещения цеха. Традиционные формы со связующим после заливки метал лом дымят в помещении, как ни вентилируй рабочую зону цеха, а удаление газов из сухого песка насосом в 10-12 раз снижает показатели загрязнений

Лист

44.03.04.012ПЗ 36 Изм. Лист № докум. Подпись Дата воздуха рабочей зоны цеха по сравнению с литьем в традиционные песчаные формы согласно проведенным измерениям концентраций примесей в воздухе цеха.

Формовочный кварцевый песок после извлечения остывшей отливки из формы благодаря его высокой текучести обычно транспортируют по закры той системе трубопроводов пневмотранспорта, исключающей распыление его в цехе. Примерно треть его поступает в установку терморегенерации, где он освобождается от остатков конденсированных продуктов деструкции пе нополистирола, а затем, смешиваясь с остальной частью, после охлаждения в проходных закрытых охладителях подается опять на формовку. В результате потери оборотного песка не превышают нескольких процентов — это просы пи, уносятся с отсасываемыми газами и т.п.

Значительную часть бункеров, трубопроводов и оборудования ком плекса по охлаждению и складированию оборотного песка обычно монтиру ют за пределами помещения цеха у внешней его стены, при этом сухой пе сок, который не боится мороза, быстрее охлаждается на открытом воздухе. Изолирование в закрытых трубопроводах потока песка, отсасывание из фор мы и последующее дожигание газов в сочетании с чистым модельным произ водством дает возможность создать экологически чистые цеха высокой куль туры производства.

Экологическая безопасность технологического процесса обеспечивает ся также исключением из него токсичных связующих веществ и большого объема формовочных и стержневых песчаных смесей (обычно от 2 до 4 т от работанной смеси со связующим веществом идет в отвал на 1 т литья), а так же их транспортировки и выбивки отливок. Например, 1 куб. м пенополисти рола модели весит 25 кг. Если он замещается 7 т жидкого чугуна, то при этом на 1 т литья расходуется 25/7=3,6 кг полимера. А в формах из смоляных хо лодно-твердеющих смесей при потреблении 3% связующего вещества на 3 т смеси, которая требуется для 1 т литья, расход связующего полимера состав ляет 0,03х3000=90 кг, что в 90/3,6=25 раз больше [].

Лист

44.03.04.012ПЗ 37 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

Полученная отливка, имеет высокую точность и конкурентный товарный вид. Держа в руках легкую модель, можно увидеть и промерить по всей конфи гурации будущую отливку и скорректировать ее возможные огрехи, что при обычной формовке для сложных с несколькими стержнями отливок не сделать. Модель из пенопласта легче отливки из чугуна в 7000/25=280 раз, возьмешь ее в руки – будто держишь пустоту, которая затем превращается в металл.

Наши литейщики не привыкли к таким технологическим возможностям и такому качеству литья, так как стереотипы, заложенные еще в институтах, тормозят понимание потенциала этой технологии. В ней отсутствует непри ятный запах от горелых связующих полимеров, нет заливов по разъему фор мы (разъемов не имеется) и смещения стержней и форм при сборке, т. к. от сутствуют сами стержни со всеми проблемами их производства и выбивки. Производственные участки — модельный, формовочный, плавильный, очистной имеют примерно одинаковые площади и оснащаются простым обо рудованием.

Так как модели помещают в сухом песке в контейнере, стоящем на вибростоле, где песок уплотняют около 1-1,5 минут, то отпадает надобность в высокоточных формовочных машинах прессования и устройствах сборки форм. Акцент перенесен на изготовление легчайших моделей с плотностью материала 25-26 кг/куб. м, которое обычно доверяют женским рукам.

Для серийного производства отливок используются полуавтоматы, цикл производства пенопластовых моделей на которых составляет около трех минут. Они позаимствованы из упаковочной отрасли, где их используют для производства фасонной упаковки, легкой тары, а также декоративных пане лей и элементов фасада зданий. Условия труда, подобные условиям упако вочного производства, вытесняют образ старой, задымленной «литейки». Таким способом получают отливки из чугуна и стали всех видов, бронзы, ла туни и алюминия всех литейных марок. В ящике на «елке или кусте» могут сразу лить десятки отливок, как в ювелирном производстве, с почти ювелир

Лист

44.03.04.012ПЗ 38 Изм. Лист № докум. Подпись Дата ной точностью. До 90% отливок можно применять без последующей механи ческой обработки.

Описанная технология весьма экономична в сравнении с традицион ной. На 1 т литья расходуют 50 кг кварцевого песка, 25 кг противопригарных покрытий, 6 кг пенополистирола и 10 кв. м полиэтиленовой пленки. Низкие затраты на модельно-формовочные материалы позволяют экономить не ме нее $100 на 1 т литья, размещение отливок по всему объему контейнера поз воляет получать 70-80% годного литья, экономия шихты металла составляет 250-300 кг, электроэнергии — 100-150 кВт.ч, масса отливок снижается на 10 20% по сравнению с традиционной опочной формовкой [10].

Крупная экономия получается при литье сложных отливок из износо стойких сталей (траки и детали гусениц, бронефутеровок, корпусные детали) так как резко снижаются затраты на их механообработку. Льют без ограни чений на конструкции и конфигурации колеса, звездочки, головки и блоки цилиндров, патрубки бензиновых и дизельных двигателей, коленвалы, и др. Капитальные затраты на организацию и ввод в эксплуатацию производства сокращаются в 2-2,5 раза. Опыт запуска участков производительностью до 50-150 т/месяц показал, что срок их окупаемости не превышал 1,5 года.

Можно размещать такие участки при кузнях, термических и ремонтных цехах. Если создавать или реконструировать «литейку», то литье в моделях из полистирола – тот бизнес, где металл своим оборудованием и рабочей си лой переводится в конкурентный товар. Страны, где металл производят из собственных руд путем углубленной его переработки, обретают шанс опере дить конкурентов. Сегодня килограмм черного металла (в рядовом прокате, чушках, ломе) стоит в среднем $0,5, килограмм изделий из металла в автомо биле или танке стоит уже $50…100, а в самолете — $1500…2000. Замена экспорта продукции металлургии на экспорт машин и механизмов — это один из шагов перевода сырьевой экономики на высокотехнологичную и усиление роли в глобальном разделении труда, когда экономическая конку ренция все в большей степени определяется конкуренцией научно Лист

44.03.04.012ПЗ 39 Изм. Лист № докум. Подпись Дата технической, а разработка и внедрение технологических инноваций — ре шающий фактор социального и экономического развития, залог экономиче ской безопасности.

Возрастающий поток патентной информации свидетельствует о серьез ном интересе к этой технологии всех ведущих машиностроительных компа ний. Технологические потоки и пространственное размещение моделей в объеме контейнерной формы удобно предварительно имитировать на ЭВМ, а при изготовлении модельной оснастки все чаще применяют 3D-графику для программирования станков с ЧПУ. Созданы, проектируются и внедряются в производство десятки видов конвейерных цехов, оснащенных манипулято рами и линиями непрерывного действия. Они хорошо зарекомендовали себя в автотракторном моторостроении, при литье трубоарматуры и деталей насо сов, корпусов электродвигателей, деталей коммунального машиностроения и др. Однако чаще создаются небольшие производственные цеха, состоящие из модельного, формовочного, плавильного и очистного участков, оснащенных несложным оборудованием, одинаковым для черных и цветных сплавов. По данным на сайте AFS способом ЛГМ (Full Mold Casting and Lost Foam Casting) в 2007 г. в КНР выпущено 0,648 млн. т отливок (86,5% — чугун; 13,0% сталь и 0,5% цветные металлы).

Если общий тоннаж литья в КНР за 2007-2011 гг. вырос с 31,3 до 41,26 млн. т, то с учетом таких темпов очевид но, что в настоящее время выпуск отливок способом литья ЛГМ в КНР давно превысил 1 млн. т [2,3].

Большинство крупнейших автопроизводителей Европы, Азии и Амери ки ежегодно используют в производимых автомобилях несколько сотен ты сяч тонн точных отливок, полученных описанным способом. General Motors, Ford Motors, BMW, Fiat, VW, Renault и ряд других фирм полностью перешли в 1980-90 годах на изготовление этим способом отливок блоков цилиндров, головок блока, впускных и выпускных коллекторов, коленвалов для наиболее массовых типов двигателей.

Лист

44.03.04.012ПЗ 40 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

В Физико-технологическом институте металлов и сплавов (ФТИМС) НАН Украины (отдел формообразования под руководством профессора Шинского О. И.) спроектировали оборудование и запустили ряд участков в России и Украине, внедрили такое оборудование в Польше и Вьетнаме. На опытном производстве ФТИМС в Киеве льют черные и цветные металлы развесом 0,1-1500 кг до 50 т/месяц, отрабатывают технологию и оснастку для новых цехов, проектируют оборудование и линии под программу литья и площади цеха заказчика, которые затем поставляют литейным предприятиям с пуско-наладкой всего комплекса оборудования и внедрением технологии в производство.

Производственный потенциал технологии литья ЛГМ далеко не исчер пан. Она также позволяет получать ранее нетехнологичные литые крупнопо ристые, ячеистые и каркасные отливки, лить не только металлы и сплавы, но и получать композиты и армированные конструкции, которые обладают улучшенными характеристиками. При этом в модель предварительно встав ляют различные детали или материалы, которые формируют композит или армированную конструкцию, а наложение газового давления на жидкий ме талл увеличивает стабильность пропитки таких изделий со вставками на дли ну до 1 м [10].

Лист

44.03.04.012ПЗ 441 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Определение температуры плавления и температуры деструкции пенополистирола

Литье ЛГМ относят к высокотехнологичным производствам, которые дают выход к устойчивому развитию из технологического отставания, когда в отечественной экономике нарастает сырьевая составляющая, доминирует продукция с низкой добавленной стоимостью и снижается конкурентоспо собность производства. Если в 80-е годы в структуре отечественной про мышленности и товарного экспорта вес машиностроения составлял порядка 30…40%, а черной металлургии был в два-три раза меньше, то сегодня наоборот. Именно развитие литейного производства – это шаг к восстановле нию и росту отечественного машиностроения, превращения страны из про давца полуфабрикатов в экспортера технологической продукции с большой добавленной стоимостью. Снижение зависимости национальной промыш ленности от импорта идей, технологий и товаров, реализация собственной программы инновационного развития позволит нам стать равноправным участником глобальных инновационных процессов.

Плавление пенополистирола под действием теплоты металла – сложное фазовое превращение вспененного полимера, характеризующееся переходом его из стеклообразного состояния в жидкое. Для полистирола, являющегося основой пенополистирола, температура стеклования близка к 80оC.

Для определения температуры плавления и деструкции были изготов лены образцы размером 26*26*22мм. Образцы изготавливались с помощью нагретой проволоки из плиты пенополистирола. Так же мы определили плот ность образцов двумя разными путями: в воде и спирте. Для этого мы взяли три образца размером 10*10*10мм дважды произвели взвешивание каждого, далее определили вытесняемый объем каждого образца в воде и спирте,

Лист

44.03.04.012ПЗ 42 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

m погружая каждый образец в них. По этим данным с помощью формулы Р =

V вычислили плотность нашего образца. Все данные этих опытов представлены в таблице 3, таблице 4 и таблице 5.

Таблица 3 — Масса образцов № образца Образец 1 Образец 2 Образец 3 Масса 1 0,0423 0,0572 0,0429 Масса 2 0,0423 0,0572 0,0429

Таблица 4 — Объем вытесняемый образцом, мл № образца Образец 1 Образец 2 Образец 3 Вода 1,9 2,3 2,0 Спирт 1,8 1,85 2,2

Таблица 5 — Плотность образцов, кг/м3 № образца Вода Спирт Образец 1 22,26 23,5 Образец 2 22,26 27,67 Образец 3 21,45 19,5

Получив значения плотности каждого образца, делаем усреднение и берем получившееся значение за плотность взятого для опытов пенополисти рола. Р в =22,26+22,26+21,45/3=21,99 кг/м3; Р с =23,5+27,67+19,5/3=23,55кг/м3. Пенополистирол является пористым материалом и так, как поверхность натяжения у воды и спирта разное, поэтому получились разные результаты по плотности. Для дальнейших опытов принимаем полученные результаты измерения в спирте так, как поверхность натяжения у спирта меньше чем у воды, следовательно, спирт лучше заполняет поры образцов.

Установка для определения температуры плавления и деструкции пе нополистирола представленная на рисунке 2, состоит из печи сопротивления 1 и нагреваемой на ней стальной плиты 2. Температура поверхности нагрева емой плиты определялась с помощью термопары 3 и терморегулятора 4 (ТРМ-500).

Образец помещали на плиту, нагретую до 800С, и продолжали

Лист

44.03.04.012ПЗ 43 Изм. Лист № докум. Подпись Дата нагревать до полного его испарения. Во время проведения опытов велась ви део съемка. После того как все опыты были сделаны по видеозаписям мы проводили анализ и определяли температуру плавления и деструкции. По данным опытов мы определили средние температуры и построили график.

Рисунок 2 — Установка для определения to плавления и to деструкции.

Таблица 6 – Температуры плавления и деструкции пенополистирола.

№ T плавл T дистр T плавл. ср T дистр. ср

1 116,6 260,5 111,89 261,8

2 117,8 283,9 111,89 261,8

3 111,5 269,4 111,89 261,8

4 113,8 254,1 111,89 261,8

5 103,6 275,4 111,89 261,8

6 105,7 244,3 111,89 261,8

7 117,6 252,8 111,89 261,8

8 111,5 260,3 111,89 261,8

9 112,7 247,7 111,89 261,8

10 108,1 263,9 111,89 261,8

Лист

44.03.04.012ПЗ 44 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

250

t плавл.

t дистр.

100 tср

tср

0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

№ образца

Рисунок 3 — Температуры плавления и деструкции пенополистирола

Проанализировав все заснятые опыты, данные опытов представлены в таблице 6, мы вычислили средние температуры и построили график.

На графике ломаными линиями показаны температуры по данным опытов. Прямыми линиями показаны средние температуры.

По ломаным линиям на графике мы видим, что полученные нами дан ные имеют погрешность. Это связано с тем, что мы не могли создать идеаль но одинаковые условия измерения показаний и то, что при определение дан ных происходило визуально так, как у нас нет таких приборов что бы опре делять это автоматически, что было бы гораздо точнее. Согласно теории слу чайных погрешностей определим погрешности на наши измерения:

1 n

1. Находим среднее арифметическое по формуле x = ∑ xi

n i =1 где n- количество образцов.

x i – данные результатов измерений.

2. Находим случайные отклонения по формуле ε i = xi − x . где x — среднее значение опытных данных.

3. Вычислить квадраты случайных отклонений ε i

Лист

44.03.04.012ПЗ 45 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

n

4. Вычислить значение S по соотношению S = ∑

n(n − 1) i =1

ε i2

где n- количество образцов.

ε i2 − квадрат _ случайных _ отклонений

5. При n = 10 задать доверительную вероятность α = 0,95 и по таблице 7 выбрать значение коэффициента Стьюдента.

6. Найти случайную погрешность среднего арифметического (оценоч ное значение абсолютной погрешности) по формуле ∆x 0 = tS где t- коэффициент Стьюдента.

S- среднее квадратичное отклонение.

Таблица 7 — Значение коэффициентов Стьюдента

n

α n

α

0,90 0,95 0,90 0,95

2 6,3 12,7 18 1,7 2,1

3 2,9 4,3 19 1,7 2,1

4 2,4 3,2 20 1,7 2,1

5 2,1 2,8 21 1,7 2,1

6 2,0 2,6 22 1,7 2,1

7 1,9 2,4 23 1,7 2,1

8 1,9 2,4 24 1,7 2,1

9 1,9 2,3 25 1,7 2,1

10 1,8 2,3 26 1,7 2,1

11 1,8 2,2 27 1,7 2,1

12 1,8 2,2 28 1,7 2,0

13 1,8 2,2 29 1,7 2,0

14 1,8 2,2 30 1,7 2,0

15 1,8 2,1 40 1,7 2,0

16 1,8 2,1 60 1,7 2,0

17 1,7 2,1 100 1,7 2,0

∞ 1,6 2,0

Все вычисления по определению погрешности представлены в таблице 8 и таблице 9.

Лист

44.03.04.012ПЗ 46 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

Таблица 8 — Погрешность измерений температуры плавления.

№ ti t cр εi ε i2 S t,(a=0,95) ∆t 0 , C

o

1 116,6 4,71 22,1841

2 117,8 5,91 34,9281

3 111,5 -0,39 0,1521

4 113,8 1,91 3,6481

5 103,6 -8,29 68,7241

111,89 1,498118 2,3 3,445672

6 105,7 -6,19 38,3161

7 117,6 5,71 32,6041

8 111,5 -0,39 0,1521

9 112,7 0,81 0,6561

10 108,1 -3,79 14,3641

Таблица 9 — Погрешность измерений температуры деструкции.

№ ti t cр εi ε i2 S t,(a=0,95) ∆t 0 , C

o

1 260,5 -0,73 0,5329

2 283,9 22,67 513,9289

3 269,4 8,17 66,7489

4 254,1 -7,13 50,8369

5 275,4 14,17 200,7889

261,23 9,594312 2,3 22,06692

6 244,3 -16,93 286,6249

7 252,8 -8,43 71,0649

8 260,3 -0,93 0,8649

9 247,7 -13,53 183,0609

10 263,9 2,67 7,1289

Выбрав из опытов данные по температурам и вычислив погрешности, мы можем сказать что температура плавления пенополистирола марки ПС-Б 25 равняется 111,89±3,5оС, а температура деструкции равняется 261,8±22,06оС.

2.2 Определение скорости плавления пенополистирола

Скорость плавления пенополистирола определяют по времени плавле ния образца известной длинны, помещенного на нагретый до заданной тем пературы нагреватель, от момента контакта образца с нагревателем и до

Лист

44.03.04.012ПЗ 47 Изм. Лист № докум. Подпись Дата полной потери исходного состояния. Исследованиями установлено что, при заполнении формы металлом модель обычно плавится последовательно, нагреваясь с одной из поверхностей. Поэтому принятый метод моделирует процесс плавления модели в форме при заполнении ее металлом.

Для определения скорости плавления пенополистирола изготавливают ся образцы размером 15×15×200 мм. Образцы вырезают нагретой проволокой из плиты пенополистирола или изготавливают в пресс-формах по принятым режимам предварительного вспенивания и окончательного формования, если испытание проводится для случая изготовления моделей из гранул в пресс формах.

Установка для определения скорости плавления (рис. 3) пенополисти рола состоит из печи 1 и нагреваемого в ней массивного металлического бло ка 2. Температура поверхности блока измеряется установленной в него тер мопарой 3 и терморегулятором ТРМ-500 (4).

Образец 5 закрепляют на заост ренном конце металлического штока 6 и помещают в кварцевую трубку 7. Перед испытанием металлический блок разогревают до заданной температу ры, кварцевую трубку закрепляют на штативе 9. Образец отпускают до со прикосновения с блоком. Перемещение образца фиксируется датчиком 8 и регистрируется осциллографом 10. При проведении испытаний при высоких температурах внутрь трубки под небольшим давлением подают инертный газ для предотвращения горения образца. Скорость плавления вычисляют по формуле

lоб

ν пл = ,

τ пл где l об — длинна образца;

  • τ пл — время плавления образца.

Лист

44.03.04.012ПЗ 48 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

Рисунок 3 – Установка для определения скорости плавления

За результат определения принимают среднее арифметическое пяти испытаний. При отклонении результатов определений более чем на 15% их отбрасывают, однако число оставшихся определений должно быть не менее трех.

В соответствии с техническими условиями скорость плавления матери ала модели определяется при контакте образца пенополистирола с нагретой поверхностью нагревателя. Однако в реальных условиях при заполнении формы жидким металлом модель часто плавится под действием лучистой

Лист

44.03.04.012ПЗ 49 Изм. Лист № докум. Подпись Дата энергии металла, непосредственно с ним не контактируя. При этом суще ственную роль в процессах теплообмена между зеркалом металла и поверх ностью плавления образца играет степень черноты ее полного нормального излучения. Для сравнительной оценки этой характеристики пенополистирола в зависимости от различных факторов использовали приближенный метод, основанный на принципе, предложенном Д. Т. Кокоревым. Установка пред ставляет собой нагревательную печь с массивным металлическим блоком из окалиностойкой стали. В поверхность блока зачеканена термопара, показа ния которой фиксируются гальванометром. Внутри шамотной трубки уста навливают образец пенополистирола с заделанной на определенной глубине термопарой, показания которой записываются самописцем типа НЗ-73. По записи показаний термопары фиксируется время прохождения фронтом плавления плоскости расположения термопары в образце испытуемого мате риала. В каждом опыте точно фиксируется температура металлического бло ка, которая находится в пределах 900-1000 ˚С, расстояние от поверхности из лучателя до облучаемого образца, глубина расположения спая термопары в образце. Степень черноты полного нормального излучения поверхности плавления пенополистирола определяется сравнением количества теплоты поглощенной образцом(Q обр ) и переданной излучением(Q изл ).

Qобр = (с мод (t 2 − t1 ) + r ),

t пл где G л – масса расплавившегося слоя образца;

  • с мод – теплоемкость пенополистирола;
  • r – теплота плавления пенополистирола;
  • t 1 – начальная температура;
  • t 2 – температура плавления пенополистирола;
  • τ пл – время плавления слоя образца, которое определяется эксперимен тально из опыта.

Т 

Qизл = 4,9 ⋅ ε 2 ⋅ ϕ12⋅  и  ⋅ F2 п ,

 100 

Лист

44.03.04.012ПЗ 50 Изм. Лист № докум. Подпись Дата где ε 2 – степень черноты поверхности плавления, которую необходимо опре делить;

  • φ 12 – взаимный коэффициент облученности поверхности пенополистиро ла и расплава;
  • Т и – температура излучателя;
  • F 2п – площадь облучаемой поверхности пенополистиролового образца.

Исследования показали, что значение степени черноты поверхности плавления для блочного пенополистирола и литейного пенополистирола находятся в пределах 0,22 – 0,34 и мало изменяются в зависимости от плот ности пенополистирола.

Алюминиевый расплав в установке имитирует стальная пластина 1, нагревание которой до заданной температуры производилось установленным под ней электрическим нагревателем 2, который через блок управления 3 со единяется с источником питания напряжением 220 В. Для контроля темпера туры стальной пластины в нее зачеканена термопара ХА 4. Стальная пласти на и нагреватель находятся в корпусе печи 5. Во избежание потерь тепла и нагрева корпуса печи он снабжен теплоизоляцией. В верхней части стальной пластины сделана проточка, в которую вставляется кварцевый цилиндр 6 с толщиной стенки 4 мм, в котором происходит плавление пенополистироло вого образца 7 определенной массы. Давление расплавленного металла ими тировалось специальным грузом 8, помещенным поверх пенополистиролово го образца. Наглядный пример установки изображен на рисунке 4.

Лист

44.03.04.012ПЗ 51 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

Рисунок 4 – Установка для определения скорости плавления

Исследования проводились следующим образом.

Образцы вырезаются из плиты пенополистирола тонкой трубой внут ренним диаметром 50 мм. Каждый образец зачищается от заусенцев шкуркой и подгоняются под диаметр кварцевой трубки, после чего образец

Лист

44.03.04.012ПЗ 52 Изм. Лист № докум. Подпись Дата взвешивается. Стальная пластина разогревается до нужной температуры, ко торая поддерживается регулятором на одном уровне. На пластину устанавли вается кварцевый цилиндр, в который опускается образец, придавливаемый сверху грузом. Время плавления образца засекается либо секундомером, либо электросекундомером.

Эксперимент проводился при температурах 400, 500, 600 и 700оС при массе груза 77,5 гр.

Таблица 10 – Скорость плавления пенополистирола

Время плавления, Скорость плавле № Температура печи, оС Масса образца, г.

сек ния, г/сек

1 2 3 4 5

1 1,64295 25,8 0,0637

2 1,54720 22,4 0,0691

3 1,50340 23,4 0,0642

4 1,59210 26,0 0,0612

5 400 1,58560 21,2 0,0748

6 1,44765 25,6 0,0565

7 1,62440 22,8 0,0712

8 1,61690 22,4 0,0722

9 1,56340 20,0 0,0782

1 1,32340 9,0 0,1470

2 1,40965 9,0 0,1566

3 1,41685 9,2 0,1540

4 1,44770 10,0 0,1448

5 1,42095 11,2 0,1269

6 1,42840 11,0 0,1299

7 1,44745 10,8 0,1240

8 1,34700 10,2 0,1321

9 1,42140 11,0 0,1292 10 1,36370 10,4 0,1311

Лист

44.03.04.012ПЗ 53 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

Окончание табл. 10

1 2 3 4 5

1 1,69095 8,4 0,2013

2 1,4535 5,6 0,2597

3 1,29670 7,2 0,1801

4 1,34855 6,6 0,2043

5 1,48445 6,8 0,2183

6 1,43230 7,2 0,1989

7 1,39665 6,4 0,2182

8 1,48975 6,4 0,2328

9 1,44290 6,6 0,2186 10 1,51255 8,2 0,1845

1 1,432275 4,0 0,3582

2 1,42545 5,8 0,2458

3 1,44720 4,2 0,3446

4 1,28490 4,0 0,3212

5 1,48750 5,0 0,2975

6 1,44860 4,8 0,3018

7 1,35870 4,0 0,3397

8 1,41515 5,4 0,2621

9 1,46480 5,0 0,2930 10 1,44075 4,8 0,3002

Таким образом, получив скорости плавления, найдем среднюю для каждой температуры: при температуре 400оС средняя скорость плавления со ставила 0,0679 г/сек; при температуре 500оС средняя скорость плавления со ставила 0,1376 г/сек; при температуре 600оС средняя скорость плавления со ставила 0,2117 г/сек; при температуре 700оС средняя скорость плавления со ставила 0,3064 г/сек. Проведя все исследования и получив скорости плавле ния мы можем сказать что, при увеличении температуры увеличивается и скорость плавления.

Лист

44.03.04.012ПЗ 54 Изм. Лист № докум. Подпись Дата

3. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ, РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОЙ

РАБОТЫ

В методической части дипломного проекта были разработаны методи ческие указания для лабораторной работы для студентов образовательной программы бакалавриата, направления подготовки 44.03.04 профессиональ ное обучение (по отраслям), профиль «Металлургия», профилизация «Техно логии и менеджмент в металлургических образцах». Входящий в модуль М6, модуль профилизации. Дисциплина: Прогрессивные методы литья. Всего ча сов: 144; аудиторных 60; лекции 28; практические занятия 18; лабораторные работы 16.

Лабораторная работа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМА ГАЗОВ ПРИ ДЕСТРУКЦИИ

ПЕНОПОЛИСТИРОЛА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

ДЕСТРУКЦИИ

Краткие теоретические сведения: Литье по газифицируемым моде лям (ЛГМ) является одним из новейших способов производства отливок, по явившихся в результате научно технологической революции во второй поло вине ХХ в.

Одним из важнейших технологических параметров для получения ка чественных отливок методом литья по ЛГМ является объем выделяемых га зов при сгорании модели. Данная лабораторная работа знакомит с методикой определения объема этих газов и параллельно с этим определяет температуру деструкции.

При деструкции пенополистирола выделяются следующие газы: H 2

(водород) – легкий бесцветный газ, нетоксичен и не взрывоопасен в малых количествах; СО (угарный газ) – бесцветный газ, без запаха, со слегка кисло ватым вкусом; CH 4 (метан) – простейший углеводород, бесцветный газ, без запаха. Метан одновременно и взрывоопасен, и потенциально ядовит для че

Лист

44.03.04.012ПЗ 55

Изм. Лист № докум. Подпись Дата

ловека, но в количестве 2,19% не причиняет человеку вреда; C 2 H 4 (этилен) – бесцветный горючий газ со слабым запахом. Этилен обладает наркотическим действием, класс опасности – четвертый; C 2 H 6 (этан) – по сравнению с мета ном он взрывоопасен и мало токсичен. Класс опасности – четвертый; C 2 H 2 (ацетилен) – бесцветный газ, легче воздуха, взрывоопасное вещество при температуре свыше 500 °С , взрывоопасность уменьшается при разбавлении его другими газами (азот, метан и пропан); C 5 H 12 (пентан) – обладает нарко тическим действием, но в малых количествах не опасен. Класс опасности – четвертый; C 6 H 6 (бензол) – при непродолжительном вдыхании паров бензола не возникает немедленного отравления, поэтому порядок работ с бензолом не регламентирован. В больших количествах вызывает тошноту и головокруже ние, а в особо тяжких случаях смертельный исход; C 7 H 8 (толуол) – бесцвет ная подвижная летучая жидкость, с резкими запахом. Является сильным ток сичным ядом; C8 H 8 (стирол) – токсичен, класс опасности – третий.

Цель работы: изучить особенности такого технологического парамет рапри литье по газифицируемым моделям, как выделяемых газов и опреде лить объем выделяемых газов и температуру деструкции пенополистирола.

Оборудование, инструменты и материалы: Штатив с держателем , термостойкая колба , пробка для колбы с подведенным к ней манометром и терморегулятора с термопарой , спиртовка , манометр , термопара , терморе гулятор ТРМ-500 и 10 образцов одинаковым размером.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Сухая перегонка пенополистрола позволяет пронаблюдать деструкцию последних. Работа выполняется в вытяжном шкафу. Сухую перегонку произ водят в приборе, состоящем из прозрачного сосуда , где производят нагрева ние пенополистирола (этот сосуд закреплен в лапках штатива ).

Сосуд при

Лист

44.03.04.012ПЗ 56

Изм. Лист № докум. Подпись Дата