Отвердитель для литья растворимого стекла - RU2741029C1
Код документа: RU2741029C1
Описание
Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к технической области модификации отвердителя для литья, и, в частности к отвердителю для литья растворимого стекла.
Уровень техники
[0002] Литье является одной из наиболее загрязняющих отраслей промышленности в машиностроении, в которой клей для пресс-форм и изготовления стержней является основным источником загрязнения. В настоящее время органические клеи, такие как фурановая смола и уретановая смола, широко используются в литейном производстве. Когда расплавленный металл заливают в песчаную форму, органические клеи могут сжигаться и разлагаться с выделением токсичных газов и вредных веществ, таких как толуол, ксилол, фенол, монооксид углерода и взвешенные вещества. Для того, чтобы избежать выброса продуктов разложения во время процесса литья, могут быть использованы неорганические клеи.
[0003] Как правило, растворимое стекло представляет собой неорганическое связующее вещество, синтезированное из кварцевого песка и кальцинированной соды. Растворимое стекло является одним из самых распространенных природных ресурсов на Земле и представляет собой литьевую смолу с минимальным воздействием на окружающую среду. Тем не менее, для одного и того же количества механические свойства растворимого стекла как связующего вещества ниже, чем у органической смолы, и растворимое стекло плохо разрушает песок, что препятствует его распространению и применению. Следовательно, удельная прочность растворимого стекла повышается за счет добавления растворимого армирующего стекла (отвердителя для литья растворимого стекла).
[0004] Аморфный диоксид кремния может быть использован в качестве вышеупомянутого отвердителя, повышающего прочность растворимого стекла. Например, китайский патент № CN101027147A раскрывает смесь формовочных материалов для приготовления песчаных форм для обработки металлов, включая огнеупорный базовый материал для изготовления форм и связующего вещества на основе растворимого стекла, в котором определенное количество дисперсного аморфного диоксида кремния добавляется в связующее вещество в качестве усиливающего агента. Хотя смесь формовочных материалов может значительно улучшить прочность песчаной формы после формования, дисперсный аморфный диоксид кремния в качестве усиливающего агента представляет собой твердый порошок, который неудобен для дозирования и добавления – пыль, образующаяся во время добавления материала, ухудшает рабочую среду. Особенно при использовании в отверженном эфиром песке из растворимого стекла добавление множества компонентов увеличивает сложность операции. Следовательно, аморфный диоксид кремния невыгоден для промышленного применения.
[0005] С другой стороны, по сравнению с аморфным диоксидом кремния, полученным из других источников, предпочтительным является аморфный диоксид кремния, полученный термическим разложением ZrSiO4, поскольку при том же количестве добавленного материала можно получить форму с более высоким весом, что указывает на то, что частицы песчаной формы сложены более тесно. Кроме того, при приготовлении смеси аморфный диоксид кремния, полученный термическим разложением ZrSiO4 имеет ряд положительных свойств - смесь имеет более низкую вязкость и лучшую текучесть, ее удобнее добавлять и использовать.
[0006] Однако, если вышеупомянутый аморфный диоксид кремния, полученный термическим разложением ZrSiO4, хранится в жидкости более трех месяцев, то когда он используется в качестве отвердителя растворимого стекла, его адгезивные свойства резко снижаются, вплоть до того, что он даже оказывается неспособным к самозатвердеванию.
[0007] Следовательно, если вышеупомянутый аморфный диоксид кремния, полученный термическим разложением ZrSiO4, используется в качестве отвердителя растворимого стекла, то становится сомнительным, что он будет обладать высокими адгезивными свойствами.
[0008] Сущность изобретения
[0009] С учетом вышеуказанных технических проблем в предшествующем уровне техники задачей настоящего изобретения является создание отвердителя для литья растворимого стекла с высокими адгезивными свойствами, имеющего длительный срок хранения и более удобного в работе, а также способа получения отвердителя для литья растворимого стекла и его применение.
[0010] Авторы настоящего изобретения провели глубокий анализ вышеуказанных технических проблем, в результате которого было выявлено, что свободный от воды отвердитель для литья растворимого стекла, полученный путем диспергирования аморфного диоксида кремния, полученного путем термического разложения ZrSiO4 в сложном эфире, может решить вышеупомянутую техническую проблему. Таким образом, настоящее изобретение включает в себя:
[0011] 1. Отвердитель для литья растворимого стекла, включающий сложный эфир и аморфный диоксид кремния, полученный термическим разложением ZrSiO4; при этом отвердитель для литья растворимого стекла не содержит воды.
[0012] 2. Отвердитель для литья растворимого стекла по п. 1, дополнительно включающий спирт.
[0013] 3. Отвердитель для литья растворимого стекла по п. 1 или 2, в котором 100 весовых частей общего веса отвердителя для литья растворимого стекла включают:
[0014] 35-65 весовых частей сложного эфира,
[0015] 13-20 весовых частей спирта,
[0016] 20-45 весовых частей аморфного диоксида кремния, полученного термическим разложением ZrSiO4.
[0017] 4 Отвердитель для литья растворимого стекла по п. 1-3, в котором весовое отношение сложного эфира к аморфному диоксиду кремния, полученному термическим разложением ZrSiO4, составляет (0,78 - 3,2) : 1, предпочтительно (1,0 - 2,5 ) : 1.
[0018] 5. Отвердитель для литья растворимого стекла в соответствии с любым одним из пунктов 1 - 4, в котором сложный эфир представляет собой один или более эфир, выбранный из группы, состоящей из моноацетина, диацетина, триацетина, этиленгликольдиацетата, пропиленкарбоната, гамма-бутиролактона и сложного эфира двухосновной кислоты.
[0019] 6. Отвердитель для литья растворимого стекла по любому из пп. 2-5, в котором спирт является одним или несколькими веществами, выбранными из группы, состоящей из этанола, метанола, пропанола, изопропанола, бутанола, изобутанола, бензилового спирта, этиленгликоля и полиэтиленгликоля.
[0020] 7. Отвердитель для литья растворимого стекла согласно любому из пунктов 1-6, который состоит из сложного эфира, спирта, и аморфного диоксида кремния, полученного термическим разложением ZrSiO4.
[0021] 8. Способ приготовления отвердителя для литья растворимого стекла по любому из пунктов 1-7, который включает следующие этапы:
[0022] (1) сначала добавление сложного эфира, взвешенного в соответствии с указанным весовым отношением, в емкость для перемешивания высокоскоростного смесителя и его перемешивание;
[0023] (2) при необходимости добавление спирта, взвешенного в соответствии с указанным весовым отношением;
[0024] (3) поддержание скорости перемешивания на уровне 800 оборотов в минуту или более, добавление аморфного диоксида кремния, полученного термическим разложением ZrSiO4 и взвешенного в соответствии с указанным весовым отношением, и непрерывное перемешивание в течение 10-20 минут для получения суспензии в качестве отвердителя для литья растворимого стекла.
[0025] 9. Применение отвердителя для литья растворимого стекла по любому из пунктов 1-7 для получения песчаной формы или литейного стержня, при этом песчаная форма или литейный стержень используется для литья металла, при этом литье металла представляет собой предпочтительно литье стали.
[0026] 10. Самоотвердевающий песок из растворимого стекла, в котором 100 весовых частей общего веса самоотвердевающего песка из растворимого стекла включают:
[0027] 95 - 98 весовых частей кварцевого песка,
[0028] 1,8 – 3,6 весовых частей растворимого стекла и
[0029] 0,2 – 1,4 весовых частей отвердителя для литья растворимого стекла;
[0030] при этом отвердитель для литья растворимого стекла является отвердителем для литья растворимого стекла по любому из пунктов 1 - 7.
[0031] Преимущества настоящего изобретения
[0032] Таким образом, настоящее изобретение предлагает отвердитель для литья растворимого стекла с высокими адгезивными свойствами, имеющий длительный срок хранения и более удобный в работе, а также способ получения отвердителя для литья растворимого стекла и его применение.
[0033] Подробное описание изобретения
[0034] Настоящее изобретение будет подробно описано ниже со ссылкой на конкретные примеры осуществления. При отсутствии каких-либо разногласий научные термины, используемые в настоящем описании, выражают значения, которые обычно являются понятными для специалистов в данной области техники, однако, в случае возникновения разногласий, термины, представленные в данном описании, будут иметь преимущество.
[0035] Во-первых, один объект настоящего изобретения представляет собой отвердитель для литья растворимого стекла (отвердитель по настоящему изобретению), который включает в себя
[0036] сложный эфир и
[0037] аморфный диоксид кремния, полученный термическим разложением ZrSiO4; при этом
[0038] отвердитель для литья растворимого стекла не содержит воды.
[0039] В настоящем описании термин «сложный эфир» относится к продукту, полученному в результате реакции этерификации между спиртом и карбоновой кислотой или неорганической оксикислотой, (продукт, полученный в результате реакции этерификации между спиртом и органической карбоновой кислотой, является предпочтительным). В качестве спирта, образующего сложный эфир, предпочтительным является этиленгликоль или глицерин (глицерин). В качестве карбоновой кислоты, образующей сложный эфир, предпочтительной является уксусная кислота или неорганическая оксикислота (такая как угольная кислота). Сложный эфир, содержащийся в отвердителе по настоящему изобретению, должен находиться в жидком состоянии при нормальных условиях. Конкретный пример сложного эфира включает, например, один или несколько эфиров, выбранных из группы, состоящей из моноацетина, диацетина, триацетина, этиленгликольдиацетата, пропиленкарбоната, гамма-бутиролактона и сложного эфира двухосновной кислоты.
[0040] Предпочтительно, что отвердитель по настоящему изобретению дополнительно содержит спирт. Отвердитель без спирта легко агломерируется во время транспортировки, что требует большой скорости диспергирования, вследствие чего могут возникнуть трудности при переносе и использовании отвердителя. В результате большого количества проведенных экспериментов было установлено, что содержание определенного количества спирта не только может придать отвердителю настоящего изобретения подходящую вязкость, но также может достичь исходного эффекта после легкого перемешивания сгущений, образовавшихся после транспортировки или длительного хранения, что является удобным в использовании.
[0041] В настоящем описании термин «спирт» обозначает соединение, образуемое путем замещения атома водорода на боковой цепи алифатического углеводорода, алициклического углеводорода или ароматического углеводорода гидроксильной группой. Спирт, содержащийся в отвердителе по настоящему изобретению, должен находиться в жидком состоянии при нормальных условиях. Конкретный пример спирта включает, например, один или несколько вариантов, выбранных из группы, состоящей из этанола, метанола, пропанола, изопропанола, бутанола, изобутанола, бензилового спирта, этиленгликоля и полиэтиленгликоля. Спирт менее токсичен, и полярность спирта может быть между водой и эфиром. Особенно предпочтительным вариантом является этанол, поскольку суспензия отвердителя по настоящему изобретению может быть более однородной и стабильной при использовании этанола. Этанол также является оптимальным выбором с точки зрения экономии и экологичности.
[0042] Аморфный диоксид кремния, полученный термическим разложением ZrSiO4,находится в форме частиц, при этом частицы предпочтительно имеют размер менее 50 мкм, или еще более предпочтительно менее 10 мкм, особенно предпочтительным является размер менее 5 мкм. Размер частиц может быть определен путем анализа с помощью сита, остаток на сите с размером ячеек 10 мкм предпочтительно должен составлять менее 7 весовых %, еще более предпочтительной является величина менее 4 весовых %.
[0043] В настоящем описании термин «без воды / не содержит воды» означает, что вода, по меньшей мере, не добавляется намеренно в отвердитель по настоящему изобретению. Различные компоненты (такие как сложный эфир, спирт, аморфный диоксид кремния, полученные термическим разложением ZrSiO4), входящие в состав отвердителя по настоящему изобретению, могут содержать остаточное количество воды, которое обычно допускается. Однако предпочтительным является удаление, по меньшей мере, части воды или всей воды до получения отвердителя по настоящему изобретению. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что присутствие воды значительно ухудшает адгезионный эффект отвердителя по настоящему изобретению, что приводит к значительному снижению его адгезионного эффекта после длительного хранения. Соответственно, содержание воды в отвердителе по настоящему изобретению предпочтительно должно составлять менее 3 весовых %, еще более предпочтительной является величина менее 2 весовых %, еще более предпочтительной является величина менее 1 весовых %, еще более предпочтительной является величина менее 0,5 весовых %, еще более предпочтительной является величина менее 0,2 весовых %, еще более предпочтительной является величина менее 0,1 весовых %, еще более предпочтительной является величина менее 0,05 весовых %, еще более предпочтительной является величина менее 0,02 весовых % и еще более предпочтительной является величина менее 0,01 весовых %.
[0044] В настоящем описании термины «содержит» и «включает» означают, что нечто может включать в себя другие компоненты в дополнение к указанным компонентам. Примеры других компонентов включают в себя добавки, обычно используемые специалистами в данной области техники, такие как связующий агент (например, силановый связующий агент или карбонатный связующий агент). Кроме того, в настоящем описании в качестве варианта осуществления термины «содержать» (и) или «включать» могут быть заменены словами «иметься» или «состоять из».
[0045] Авторы настоящего изобретения обнаружили, что когда соотношение компонентов в отвердителе по настоящему изобретению находится в определенном диапазоне, технический результат по настоящему изобретению может быть лучше. Поэтому предпочтительно, чтобы отвердитель по настоящему изобретению включал 35-65 весовых частей сложного эфира, 13-20 весовых частей спирта и 20-45 весовых частей аморфного диоксида кремния, полученного термическим разложением ZrSiO4, поотношению к 100 весовых частям общего количества отвердителя по настоящему изобретению. Кроме того, весовое отношение сложного эфира к аморфному диоксиду кремния, полученному термическим разложением ZrSiO4, предпочтительно составляет (0,78 - 3,2) : 1, еще более предпочтительно (1,0 - 2,5) : 1. Это позволяет отвердителю по настоящему изобретению хорошо работать с точки зрения усиливающего адгезию эффекта, а также срока годности и эксплуатации.
[0046] Другой объект настоящего изобретения относится к способу приготовления (метод по настоящему изобретению) отвердителя по настоящему изобретению и включает в себя следующие этапы:
[0047] (1) сначала добавление сложного эфира, взвешенного в соответствии с весовым отношением, в емкость для перемешивания высокоскоростного смесителя и его перемешивание;
[0048] (2) добавление спирта, взвешенного в соответствии с необходимым весовым отношением;
[0049] (3) поддержание скорости перемешивания на уровне 800 оборотов в минуту или более, добавление аморфного диоксида кремния, полученного термическим разложением ZrSiO4 и взвешенного в соответствии с весовым отношением и непрерывное перемешивание в течение 10-20 минут для получения суспензии в качестве отвердителя для литья растворимого стекла.
[0050] В настоящем описании термин «в соответствии с весовым отношением» означает в соответствии с вышеупомянутым весовым отношением в отвердителе по настоящему изобретению.
[0051] В способе приготовления отвердителя по настоящему изобретению предпочтительными являются описанные выше примеры сложного эфира и спирта.
[0052] Скорость вращения на этапе (3), упомянутом выше, назначается равной 800 оборотов в минуту или более, например, в диапазоне от 800 до 1000 оборотов в минуту, предпочтительной является скорость от 900 до 1000 оборотов в минуту.
[0053] В случае, когда отвердитель по настоящему изобретению дополнительно содержит другие компоненты, то способ приготовления отвердителя по настоящему изобретению может дополнительно включать этап добавления других компонентов, которые могут быть добавлены отдельно или вместе с вышеуказанными сложным эфиром или спиртом. Предпочтительно сначала добавляют сложный эфир, а затем добавляют другие компоненты.
[0054] Авторы настоящего изобретения обнаружили, что, смешивая вышеуказанные компоненты для приготовления отвердителя по настоящему изобретению, можно осуществить однократное добавление отвердителя для литья растворимого стекла, когда его применяют для приготовления растворимого стекла с самоотвердевающим песком, без загрязнения порошком. Это позволяет обеспечить простоту операции, удобство дозирования и добавления, что является выгодным для промышленного производства. Более того, даже если отвердитель по настоящему изобретению хранится в течение более чем 90 дней перед использованием, эффект усиления адгезии не ослабевает, прочность растворимого стекла все равно может быть значительно повышена, и после формования изготовленная песчаная форма или литейный стержень могут сохранять относительно высокую прочность даже после длительного хранения, что значительно улучшает механические свойства песчаной формы или литейного стержня.
[0055] Хотя механизм действия настоящего изобретения неясен, одно из объяснений состоит в том, что из-за присутствия воды в системе аморфный диоксид кремния, полученный термическим разложением ZrSiO4, взаимодействует с водой, ускоряя разложение сложного эфира, а при исключении воды из системы разложение сложного эфира подавляется.
[0056] Соответственно, в другом объекте настоящее изобретение обеспечивает применение отвердителя по настоящему изобретению для изготовления песчаной формы или литейного стержня. Песочная форма или литейный стержень предпочтительно используются для литья металла, которое предпочтительно представляет собой литье стали.
[0057] Кроме того, в еще одном объекте настоящее изобретение также предлагает растворимый песок из самоотвердевающего стекла. Кроме того, 100 весовых частей общего количества самоотвердевающего песка из растворимого стекла включают: 95-98 весовых частей кварцевого песка, 1,8-3,6 весовых частей растворимого стекла и 0,2-1,4 весовых частей отвердителя для литья растворимого стекла. Отвердитель для литья растворимого стекла является отвердителем по настоящему изобретению.
Примеры осуществления изобретения
[0058] Настоящее изобретение будет более подробно описано ниже в сочетании с примерами осуществления. Следующие примеры осуществления даны для облегчения понимания настоящего изобретения, а не для его ограничения.
[0059] Пример 1
[0060] Соотношение компонентов (вес / г)
[0061] Аморфный диоксид кремния, полученный термическим разложением ZrSiO4, был приобретен у Bengbu Zhongheng New Materials Scientific and Technological Co., Ltd. с размером частиц 0,5 мкм (D50), аналогично далее.
[0062] Пример 2
[0063] Соотношение компонентов (вес / г)
[0065] Пример 3
[0061] Соотношение компонентов (вес/ г)
[0067] Пример 4
[0068] Соотношение компонентов (вес / г)
[0069] Пример 5
[0070] Соотношение компонентов (вес / г)
[0072] Пример 6
[0073] Соотношение компонентов (вес / г)
[0074] Пример 7
[0075] Соотношение компонентов (вес / г)
[0076] Пример 8
[0077] Соотношение компонентов (вес / г)
[0078] В каждом из вышеописанных примеров осуществления сложный эфир сначала добавляют в реакционный резервуар и начинают перемешивать, затем добавляют спирт и другие компоненты. Скорость перемешивания регулируется на уровне 900-1100 об/мин. Аморфный диоксид кремния добавляют и продолжают перемешивать в течение 20 мин, чтобы получить отвердитель для литья растворимого стекла в каждом примере осуществления настоящего изобретения.
[0079] Сравнительный пример 1
[0080] Соотношение компонентов (вес / г)
[0081] Сравнительный пример 2
[0082] Соотношение компонентов (вес / г)
[0084] Сравнительный пример 3
[0085] Соотношение компонентов (вес / г)
[0086] Способ приготовления отвердителя для литья растворимого стекла в каждом сравнительном примере был таким же, как у отвердителя для литья растворимого стекла в каждом примере осуществления.
[0087] Отвердители для литья растворимого стекла, приготовленные в вышеописанных примерах осуществления и сравнительных примерах, были использованы для приготовления самоотвердевающего песка из растворимого стекла. Конкретная операция заключалась в следующем: каждый отвердитель для литья растворимого стекла хранился в сушильной печи при 55°C для проведения теста на ускоренное хранение, и по истечении 18 дней хранения (что эквивалентно 6 месяцам хранения при комнатной температуре) прочность каждого отвердителя для литья растворимого стекла сравнивали с таковой для вновь приготовленного образца. 1000 г стандартного песка Далина взвешивали и добавляли в лабораторный лопастной смеситель, соответственно добавляли 5,31 г каждого вышеуказанного отвердителя для литья растворимого стекла, после чего перемешивали в течение 1 мин. Затем добавляли 20 г растворимого стекла (модуль 2,3, содержание твердого вещества 40%), перемешивали в течение 1 минуты с последующим получением песка, затем песок забивали в испытательный блок в форме «8». Через 1, 4 и 24 ч была испытана прочность на растяжение, при этом применялся стандарт GB-2684. Результаты приведены в таблице 1 и таблице 2. Испытательный блок в форме «8» хранили в камере с постоянной температурой 20° С и влажностью 40% (относительная влажность).
[0088] Таблица 1
[0089] [0090]
[0091]Таблица 2
[0092]
[0093]
[0094] Как показано в примерах осуществления в Таблице 1, в образцах, которые сушились в сушильном шкафу при температуре 55°С в течение 18 дней, наблюдались незначительные изменения прочности по сравнению со свежеприготовленными образцами, и это не оказало влияния на фактическое использование. Однако, как видно из Таблицы 2, отвердители для литья растворимого стекла из сравнительных примеров, которые сушились в сушильном шкафу при 55°С в течение 18 дней, явно снижали эффект усиления адгезии и не могли быть использованы. Таким образом, очевидно, что отвердитель для литья растворимого стекла по настоящему изобретению не снижает эффект усиления адгезии после длительного хранения.
Реферат
Изобретение относится к области изготовления форм и стержней для литья металлов. Отвердитель для литья растворимого стекла, далее – отвердитель, включает сложный эфир, спирт и аморфный диоксид кремния, полученный термическим разложением ZrSiO4; при этом 100 вес. ч. общего веса отвердителя включают 35-65 вес. ч. сложного эфира, 13-20 вес. ч. спирта, 20-45 вес. ч. аморфного диоксида кремния. Способ приготовления отвердителя включает этапы: (1) сначала добавление сложного эфира, взвешенного в соответствии с указанным весовым отношением, в емкость для перемешивания высокоскоростного смесителя и его перемешивание; (2) добавление спирта, взвешенного в соответствии с указанным весовым отношением; (3) поддержание скорости перемешивания на уровне 800 об/мин или более, добавление аморфного диоксида кремния, взвешенного в соответствии с указанным весовым отношением, и непрерывное перемешивание в течение 10-20 мин с получением суспензии в качестве отвердителя. Отвердитель применяют для получения песочной формы или литьевого стержня, при этом песочную форму или литьевой стержень используют для литья металла, предпочтительно для литья стали. Самоотвердевающий песок из растворимого стекла, в котором 100 вес. ч. общего веса указанного песка включают 95-98 вес. ч. кварцевого песка, 1,8-3,6 вес. ч. растворимого стекла и 0,2-1,4 вес. ч. отвердителя. Отвердитель обладает усиливающим адгезию эффектом, длительным сроком хранения и отличается простотой использования. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 11 пр.
