Исследование и разработка технологического процесса ускоренного приготовления этилсиликатной суспензии с использованием эффекта кавитации

Литьё по выплавляемым моделям является одним из перспективных методов получения отливок со сложной конфигурацией и практически из любых сплавов. Качество получаемых отливок во многом зависит от физико-механических и служебных свойств формы в которую производится заливка расплавленного металла.

Формой для получения отливки в литье по выплавляемым моделям служит керамическая оболочка, состоящая из нескольких слоев. Количество слоев в керамической оболочке определяется её составом, прочностными свойствами и газопроницаемостью.

Изготовление каждого слоя состоит из нескольких этапов: приготовление суспензии на основе связующего раствора, нанесение её на модель отливки, обсыпка полученного слоя огнеупорным материалом, сушка слоя. После нанесения необходимого числа слоёв, как правило 5+6, производится удаление модельного состава из полости полученной керамической оболочки и её прокалка.

Физико-механические и служебные свойства керамических оболочек зависят во многом от свойств и технологии приготовления связующего. В настоящее время как в России, так и за рубежом, основным компонентом для приготовления связующего служит этилсиликат (ЭТС), представляющий собой смесь эфиров ортокремниевой и поликремниевой кислот с присутствием незначительного количества хлороводорода.

Приготовление связующего производится путём гидролиза ЭТС с добавлением органического растворителя (спирт, ацетон, эфиро-альдегидная фракция и др.) и катализатора (соляная кислота, уксусная кислота и др.). Применение в процессе приготовления связующего органического растворителя и катализатора ведёт к ухудшению социально-экологических, санитарных, пожаро-взрывоопасных условий на производстве.

Существует ряд технологических процессов основанных на применении готовых связующих, кремнезолей, этилсиликатно-фосфатных связующих, а также их сочетания в которых были сделаны попытки решить проблемы, возникающие при приготовлении связующего. Но они не были полностью решены.

Интенсивное механическое перемешивание (мешалка с частотой вращений крыльчатки 2800 об/мин) и введение в реагирующий объём определённого количества катализатора (0,6−0,8% НС1) позволило без применения органических растворителей получить огнеупорную суспензию. Но из-за низкого содержания в ней Si02 снизились физико-механические свойства оболочки. Такие суспензии используются только для нанесения облицовочных слоев.

Во всех существующих технологических процессах перемешивание исходных компонентов производится с помощью высокоскоростных мешалок или введением в несущую среду барботирующего газа.

Внедрение технологического процесса гидролиза ЭТС без применения органических растворителей тормозится из-за невозможности получения обычными способами достаточного содержания в суспензии SiC>2, а также из-за отсутствия технологий, оборудования и методик его расчёта, позволяющих получить огнеупорную суспензию для получения керамических оболочек с удовлетворительными физико-механическими свойствами.

Суспензии, для получения керамических оболочек, содержащие 12−18% SiC>2, по данным отечественных и зарубежных исследователей, обладают необходимыми физико-механическими свойствами при изготовлении отливок из любых сплавов.

Создание суспензий, содержащих 12−18% SiC>2 без применения органических растворителей при гидролизе ЭТС, возможно при кавитационном воздействии на несущую среду этилсиликат — вода. Возникающие при процессе кавитации микродавления в жидкой среде приводят к повышению её степени дисперсности и, соответственно, к увеличению числа поверхностей раздела фаз. Также увеличивается скорость протекания реакции гидролиза ЭТС, по сравнению с другими методами получения, в 8−10 раз за счёт равномерного распределения реагирующих компонентов по всему объёму несущей среды. При этом эффективно используются находящиеся в исходном этилсиликате органический растворитель и катализатор.

Достоинством разрабатываемого технологического процесса, по сравнению с другими технологическими процессами, использующими органические растворители и катализатор при приготовлении связующего, является возможность получения оболочек, не уступающих по своим служебным и физико-механическим свойствам керамическим формам полученным при использовании растворителя и катализатора. При этом улучшаются социально-экологические, санитарные, пожаро-взрывоопасные условия на производстве.

Использование процесса приготовления этилсиликатной суспензии без применения органического растворителя и катализатора для получения керамических форм сдерживается из-за отсутствия способа её получения, расчётов параметров технологического процесса, оборудования и, как следствие, данных в технической литературе.

Поэтому в данной работе предполагается исследовать механизм процесса гидролиза этилсиликата при кавитационном воздействии на несущую среду, а также разработать технологию и оборудование для приготовления этилсиликатной суспензии, исключив из технологического процесса использование органического растворителя и катализатора, а также исследовать физико-механические характеристики полученных керамических оболочек.

Цель настоящей работы заключается в разработке, исследовании и внедрении кавитационного ускоренного способа получения этилсиликатной суспензии без применения органического растворителя, с отработкой оборудования и технологии изготовления оболочковых форм для получения отливок литьём по выплавляемым моделям.

Научная задача, на основе решения которой достигается указанная цель работы, заключается в установлении механизма протекания ускоренной реакции гидролиза этилсиликата, без применения органического растворителя и получения суспензии при воздействии на реакционную среду вихревой и вибрационной кавитации при получении керамических оболочек для литья по выплавляемым моделям.

Методы исследования. Для решения поставленной научной задачи будут использоваться методы теоретического анализа процессов, происходящих при воздействии вибрационной и вихревой кавитации на несущую среду (этилсили-кат — вода — дисперсные частицы) и экспериментальные исследования влияния этих процессов на физико-механические и служебные свойства керамических форм для получения отливок литьём по выплавляемым моделям.

Теоретическое исследование условий возникновения и протекания кавитации в несущей среде во всём её объёме, влияющее на скорость протекания реакции гидролиза этилсиликата без применения органического растворителя, будет осуществлено с помощью математической модели движения волновода в реакторе с последующим расчётом на ЭВМ.

Механизм образования суспензии исследуется посредством гидромоделирования на прозрачных моделях с одновременным фотографированием процесса. При этом возникающий в жидкой среде кавитационный процесс исследуется с помощью специального датчика измеряющего проводимость жидкости.

Физико-механические свойства полученных оболочек будут определяться при изгибе образцов аи.

Микроструктуру термообработанных отливок, полученных литьём по выплавляемым моделям по новой технологии, исследовали на оптическом микроскопе.

Качество поверхности отливок определяли визуально. Плотность отливок определяли методом гидровзвешивания.

В результате проведения теоретических и экспериментальных исследований и производственной проверки получены следующие научные результаты: 1. Определён механизм протекания реакции гидролиза этилсиликата (при соотношении этилсиликата и воды вплоть до стехиометрического соотношения), без применения органического растворителя, при воздействии на ре.

I* акционную среду вибрационной и вихревой кавитациями в процессе получения этилсиликатной суспензии.

2. Определены пороговые значения режимов вихревого воздействия на несущую среду, при которых начинается интенсивное перемешивание исходных компонентов и, следовательно, ускорение реакции гидролиза этилси-ликата и равномерное распределение твёрдых дисперсных частиц во всём объёме суспензии.

3. Экспериментально определены параметры реактора с вихреобразователем, при которых происходит возникновение эффекта кавитации во всём объёме несущей среды: диаметр реактора должен быть не более двух диаметров вихреобразователявысота столба жидкости не должна превышать 5 высот вихреобразователя.

4. Определены оптимальные соотношения компонентов в суспензии при которых обеспечиваются необходимые физико-механические свойства керамических форм для получения качественных отливок.

5. Установлено, что для ЭТС-32, при допустимом в нём содержании в состоянии поставки 0,1% НС1, отсутствует потребность в дополнительном использовании кислотного катализатора. Для проведения реакции гидролиза с использованием ЭТС-40 потребность в кислотном катализаторе минимальна и составляет не более 0,2% НС1.

6. Разработана методика расчёта установок использующих эффект вибрационной и вихревой кавитации.

7. Разработана программа расчёта «Расчёт сил», позволяющая определить основные параметры виброкавитационных установок.

8. Разработаны методы кавитационной термообработки, предварительной и окончательной очистки отливок от остатков керамической формы без проведения операции выщелачивания для стальных отливок.

На основе указанных научных результатов в работе предложены технологические режимы формирования керамической оболочки, предварительной и окончательной очистки отливок от остатков керамической формы и термокави-тационная обработка отливок.

Указанные научные результаты и разработанные на их основе технологические мероприятия прошли проверку на опытной партии отливок деталей сельскохозяйственного машиностроения.

Данные выше научные результаты позволяют выдвинуть на защиту следующие основные положения.

1. Для проведения ускоренного гидролиза этилсиликата без применения органического растворителя и получения ЭТС суспензии из компонентов, у которых отношение плотности дисперсных частиц к плотности жидкости может достигать 3, необходимо вихревое или вибрационное воздействие на несущую среду со скоростью от 1,2 до 3,0 м/с.

2. Необходимым условием для возникновения и протекания кавита-ционного процесса в жидкой фазе является наличие вихревого и вибрационного воздействия на несущую среду в интервале исследуемых частот (16−120 Гц) со скоростью, превышающей пороговую (0,25 м/с), такая скорость при вихревой кавитации должна быть у начала лопасти вихреобразователя. .

3. Для проведения гидролиза ЭТС-32 без использования органического растворителя и получение ЭТС суспензии возможно использовать, без добавления катализатора, присутствующую в составе ЭТС соляную кислоту при её содержании 0,1%.

4. Скорость вихревого и вибрационного воздействия на несущую среду должна превышать пороговую скорость начала ускоренного гидролиза этилсиликата 1,2 м/с. При достижении температуры ЭТС суспензии в ходе её приготовления 310−325 К, она может быть использована для формирования керамической оболочки.

5. Проведение ускоренной реакции гидролиза этилсиликата возможно в течение 300−420 секунд при соотношении ЭТС и воды вплоть до стехиометрического.

6. Для организации кавитационного процесса во всём объёме несущей среды в вибрационном реакторе зазор между волноводом и стенкой реактора должен быть от 1-гЗх10'3 м, в противном случае произойдет разрушение волновода (зазор менее 1×10″ 3 м) или начнут возникать безкавитационные зоны (зазор более 3×10″ 3 м).

7. В случае вихревого воздействия на несущую среду должны быть выдержаны следующие геометрические и скоростные параметры: диаметр реактора не должен превышать двух диаметров вихреобра-зователя, высота 5 диаметров.

Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору Рыбкину В. А., за постоянное внимание и неоценимую помощь в работе, а также коллективу кафедры МТ-5 МГТУ им. Баумана.

Общие выводы.

1. Для получения отливок литьём по выплавляемым моделям возможно использование эффекта кавитации на следующих технологических этапах:

— гидролиз этилсиликата;

— получение ЭТС суспензии;

— предварительная очистка отливок от керамической формы;

— очистка отливок от остатков керамической формы;

— кавитационная термообработка.

2. Подтверждена возможность проведения гидролиза этилсиликата при воздействии низкочастотной (16−120 Гц) и вихревой кавитациями (60 100 об/с) на несущую среду при скорости превышающей пороговую (v>l.2м/с). Кроме того исследована возможность использования вихревой кавитации и разработана конструкция вихревой установки.

3. В результате анализа математической модели произведён расчёт сил сопротивления жидкости движению в ней волновода, которые зависят от величины зазора между стенкой реактора и волноводом, что определяет и другие параметры реактора.

4. Разработана программа для расчёта сил сопротивления жидкости движению в ней волновода.

5. Установлено влияние основных параметров вибрации и, впервые, вихревой кавитации на получение этилсиликатной суспензии.

6. Разработан ряд устройств для приготовления этилсиликатной суспензии.

7. Применение эффекта кавитации возможно для предварительной очистки отливок от керамической формы, для окончательной очистки отливок от остатков формы, а также для термокавитационной обработки отливок.

Экспериментально подтверждена адекватность минимальных значений силы сопротивления жидкости движению в ней волновода при минимальных зазорах между волноводом и стенкой реактора. При этом, если зазор меньше чем 1−3 мм, возможно разрушение волновода при его длительной эксплуатации. При величине зазора более 3 мм происходит образование безкавитационных зон в несущей среде. Проведённые исследования позволили разработать технологический процесс получения отливок литьём по выплавляемым моделям без использования органического растворителя и минимальном количестве катализатора.

Промышленное апробирование способа ускоренного приготовления этилсиликатной суспензии, предварительной и окончательной очистки отливок, термокавитационной обработки подтвердила возможность получения отливок JIBM при использовании эффекта кавитации.