Развитие научных основ создания связующих литейных материалов на основе технического лигнина и разработка ресурсоэффективных технологий их применения при производстве отливок

Язык труда и переводы:
УДК:
621.742.22
Дата публикации:
30 мая 2022, 12:32
Категория:
Литейное и сварочное производство
Авторы
Свинороев Юрий Алексеевич
Луганский государственный университет имени Владимира Даля
Аннотация:
Предложен и реализован подход к техническому легнину, как к потенциальному сырью, для разработки и последующего применения в технологических процессах литья, принципиально новых литейных связующих. Объектом исследований являлись технические лигносульфонаты, как наиболее представленная на рынке разновидность технического лигнина. Сделан вывод, что наиболее эффективным способом повышения связующей способности и стабилизации свойств технических лигносульфонатов является процесс модифицирования; наиболее эффективным модификатором неионогенные поверхностно-активные вещества, обеспечивающие механизмы агрегатирования олигомолекулярного состава лигнинной среды. Выяснено, что можно тем или иным способом стабилизировать и улучшить, повысить связующую способность, свойства технических лигносульфонатов. Показано, что комбинирование технических лигносульфонатов с другими типами связующих рационально применять для регулирования технологических свойств, при этом, увеличение доли этих связующих в композиции ведет к ухудшению санитарно-гигиенических норм
Ключевые слова:
литейные связующие, технический лигнин, технические лигносульфонаты, модифицирование, поверхностно-активные вещества, связующая способность, высокоэнергетическая дезинтеграторная механическая обработка, прочность, ресурсоэффективность
Основной текст труда

Введение

Опираясь на накопленный опыт  использования технического лигнина, или их классического представителя на рынке материалов, лигносульфонатов технических (ЛСТ), в качестве связующего материала в литейном производстве, и учитывая имеющиеся научные наработки, априорно определили четыре основных направления поиска:

  • воздействие на ЛСТ химическими модификаторами (модифицирование);
  • исследование температурных режимов отверждения в сочетании с химическим воздействием на связующие композиции с ЛСТ (термоактивация и термохимическая активация ЛСТ);
  • комбинирование ЛСТ с другими связующими материалами (масляными связующими типа УСК, КО, СКТ, синтетическими смолами типа КФ-0, КФ-МТ);
  • высокоэнергетическую обработку ЛСТ на активаторах-дезинтеграторах или механоактивацию ЛСТ.

Цель работы — поиск и разработка эффективных способов повышения  связующей способности технических лигносульфонатов для разработки на их основе новых экологически безопасных и качественных литейных связующих материалов.

В рамках реализации цели исследования, решить следующие задачи:

  • проведение комплексного анализа состояния рассматриваемого вопроса для выявления возможностей его результативного решения;
  • исследование известных научных подходов и предпосылок для теоретического понимания причин обуславливающих низкие прочностные показатели ЛСТ и реализации механизмов обеспечивающих повышение их связующей способности;
  • проведение комплекса поисковых экспериментальных исследований для разработки эффективных способов повышения связующей способности технических лигносульфонатов, реализующих теоретические преставления о механизмах обеспечивающих такое повышение;
  • разработка на основе полученных результатов новых связующих материалов, с проведением оценки их конкурентных возможностей и экологических параметров применения;
  • выработка практических рекомендаций по применению разработанных связующих материалов на основе ЛСТ в различных технологических процессах литья.

Основные результаты исследований

В качестве критериев эффективности того или иного воздействия на материал, или химического модификатора выбрали [1]:

  • соотношение каких-либо технологических характеристик смеси (например, вязкости и т. д.) модифицированного и не модифицированного ЛСТ;
  • молекулярной массы связующего до и после модифицирования, влияющей на его связующую способность и в дальнейшем на свойства смеси и качество литья.

Характеризовали результативность действия связующего по следующим параметрам:

  • определением адгезионных сил, исследуемого связующего (ЛСТ) до и после модифицирования и выявление взаимосвязи с прочностными характеристиками смеси;
  • определением состояния формирующихся пленок связующего в смеси и связь этой величины с технологическими характеристиками смеси (например, прочностью, текучестью, прилипаемостью и т. д.

Такие способы оценки в литературе не отмечаются, проводятся на качественном уровне и позволяют судить о тенденциях в изменении того или иного свойства связующего [1, 2].

Главным критерием оценки эффективности того или иного способа воздействия на ЛСТ, приняли связующую способность композиции, которую определяли по величине прочности при растяжении стандартного образца-«восьмерки» после его отверждения. Стабильность свойств, связующей композиции, оценивали по повторяемости получаемых результатов на протяжении фиксированного отрезка времени.

Предложен и реализован подход к ЛСТ, как к потенциальному сырью, для разработки принципиально новых литейных связующих, отличающихся высокими прочностными характеристиками (на порядок выше, чем у исходного ЛСТ), экологичностью [3], при сохранении приемлемого уровня цен на готовый продукт.

Впервые теоретически сформулированы и экспериментально доказаны условия, при которых возможно обеспечение высокой связующей способности ЛСТ [4]:

  1. гомогенность олиго-молекулярного состава исходной связующей композиции;
  2. наличие в связующем активных центров для обеспечения процессов структурообразования, а именно: агрегатирование в объеме жидкости, при объемном состоянии; обеспечение улучшенной смачиваемости поверхности наполнителя, и формирование термодинамически уравновешенных структур пленок связующего, находящегося в коллоидном состоянии в формовочной или стержневой смеси; обеспечение поперечных связей между олигомерными цепями лигносульфоновых кислот и формирование на этой основе трехмерных полимерных структур интегрально обеспечивающих высокие прочностные показатели конечного связующего комплекса.

На этой основе, впервые, предложен предположительный механизм формирования связующей способности материалов с повышенными прочностными характеристиками, разработанных на основе технических лигносульфонатов. Его понимание открыло возможность для разработки технологических способов обработки ЛСТ с целью получения принципиально новых связующих материалов с заданными прочностными характеристиками и требующимися технологическими свойствами.

Установлено что качественно новые прочностные характеристики композиций на основе ЛСТ достигаются за счет образования комплекса кооперативных донорно-акцепторных связей.

Для реализации указанных механизмов воздействия впервые предложены для использования в качестве модификаторов вещества из класса неионогенных поверхностно активных веществ (НПАВ). Их применение позволяет увеличить связующие свойства с 0,40 МПа, у исходного ЛСТ, до 3,00 МПа и выше, у конечного продукта. Такой уровень достигаемых результатов позволяет говорить о создании принципиально новых связующих на основе ЛСТ.

Впервые предложено для гомогенизации полимолекулярного состава ЛСТ применять методы высокоэнергетической дезинтеграторной механической обработки.

Практическое значение полученных результатов:

Разработан новый связующий материал на основе ЛСТ, обладающий стабильными свойствами и высокой связующей способностью, сравнимый по удельным показателям прочности с наиболее эффективными и широко применяемыми связующими материалами (связующие УСК, КО, различные синтетические смолы, типа КФ-О, КФ-МТ  и др.).

Проведена адаптация разработанного связующего материала к условиям конкретных технологических процессов литья, на основе полученных результатов, разработаны составы стержневых смесей:

  • для производства стержней раструбов в технологии производства чугунных напорных и канализационных труб;
  • для изготовления стержней  при производстве чугунных отопительных радиаторов;
  • для изготовления стержней в технологии производства чугунного фасонного литья.

Разработаны рекомендации по использованию итогов работы в указанных технологических процессах литья,  установили: оптимальное содержание модификатора НПАВ в ЛСТ в количестве 7–10 %, температурные режимы отверждения композиции соответствуют температуре нагрева 180–250 ºС при продолжительности 40–60 мин (зависит от массы и конфигурации литейной формы или стержня); выполнение указанных условий позволяет стабилизировать и увеличивать на порядок связующую способность ЛСТ.

Выводы

В результате проведения комплекса экспериментов, установили, что:

  1. Наиболее эффективным способом повышения связующей способности и стабилизации свойств ЛСТ является процесс модифицирования.
  2. Наиболее высокоэффективным модификатором являются неионогенные ПАВ.
  3. В любом случае можно тем или иным способом стабилизировать и улучшить (повысить связующую способность) свойства ЛСТ.
  4. Комбинирование ЛСТ с другими типами связующих рационально применять для регулирования технологических свойств, при этом, увеличение доли этих связующих в композиции ведет к ухудшению санитарно-гигиенических норм.

 

Литература
  1. Батышев А.И., Белов В.Д., Батышев К.А., Сироткин С.А, Семинец П.Д., Свинороев Ю.А., Рябичев В.Д., Гутько Ю.И. Технология литейного производства. Москва, Луганск, Изд-во «Перо», Изд-во ЛГУ им. В. Даля, 2022, 266 с.
  2. Каблов Е.Н. Авиакосмическое материаловедение. Все материалы. Энциклопедический справочник, 2008, № 3, с. 2–14.
  3. Болдин А.Н., Яковлев А.И., Тепляков С.Д. Инженерная экология литейного производства. Москва, Машиностроение, 2010, 352 с.
  4. Свинороев Ю.А., Бэр Р., Гутько Ю.И. О потенциале применения лигносульфонатов в качестве связующих для технологических процессов литья. Литейное производство, 2016, № 12, с. 30–33.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.