ОБЪЯВЛЕНИЕ О ЗАЩИТЕ КАНДИДАТСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ

Ф.И.О Редькин Иван Александрович

Название диссертации Разработка и исследование процесса сушки

керамических оболочковых форм в условиях

объемно-напряженного состояния

Специальность 05.16.04 - «Литейное производство»

Отрасль наук

и Технические науки

Шифр совета Д 212.110.05

Тел. ученого секретаря (499)141-9495 E-mail [email protected] Предполагаемая дата защиты 23 декабря 2010 Место защиты диссертации Оршанская, 3, ауд. 523А

Автореферат и текст объявления были размещены на сайте «МАТИ»Российского государственного технологического университета им.

К.Э.Циолковского в сети Интернет 23 ноября 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета А.Р. Палтиевич

На правах рукописи

Редькин Иван Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ

КЕРАМИЧЕСКИХ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ В УСЛОВИЯХ

ОБЪЕМНО–НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

Специальность 05.16.04 – литейное производство автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2010 г.

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Рыбинской Государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева на кафедре «Материаловедения, литья и сварки».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Серебряков Сергей Павлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Матвеенко Иван Владимирович кандидат технических наук, доцент Гаранин Владимир Федорович Ведущее предприятие: ОАО НПО «САТУРН»

(г. Рыбинск)

Защита состоится 2010 г. на заседании диссертационного совета Д 212.110.05 в ГОУ ВПО "МАТИ" - Российском государственном технологическом университете имени К. Э. Циолковского по адресу: г. Москва, ул. Оршанская 3, ауд. 523А. Тел. 8-499-141-94-95. Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенном печатью), просим направлять по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанская, 3, "МАТИ" – РГТУ им. К. Э. Циолковского.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "МАТИ" РГТУ им. К.Э.Циолковского.

Автореферат разослан « » _ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Палтиевич А. Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В производстве литых заготовок для деталей машин и приборов значительное место занимает способ литья по выплавляемым моделям (ЛВМ). Высокая конкуренция в условиях современного рынка диктует неуклонно растущие требования к снижению себестоимости и повышению качества точнолитых изделий, получаемых методом ЛВМ. Для получения таких отливок необходима разработка новых технологических процессов, в основе которых должен лежать способ сушки керамических оболочковых форм (КОФ), обладающий лучшими технико– экономическими показателями, позволяющий работать с широким спектром модельных составов и формовочных материалов, применяемых в ЛВМ.

Поэтому создание универсальных, экономичных способов сушки, позволяющих получать КОФ стабильного качества, обеспечивающих снижение брака точных отливок, является весьма актуальной задачей литейного производства. Особенно актуально совершенствование технологии сушки КОФ для производства лопаток газовых турбин из жаропрочных сплавов. В результате анализа состояния вопроса по процессам изготовления неразъемных керамических оболочковых форм предложен новый способ их сушки в направленном потоке сушильного агента в объемно–напряженном состоянии, который не имеет аналогов и имеет ряд преимуществ перед известными, например, предупреждение стекания суспензии при сушке, отслоения оболочек, однако исследований по этой технологии не имеется.

Цель работы. Улучшение технологических свойств форм, отливок и сокращение продолжительности технологического цикла с применением сушки керамических оболочковых форм в условиях объемно-напряженного состояния (ОНС).

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработка способа сушки керамических оболочковых форм в условиях объемно-напряженного состояния (ОНС);

2. Разработка установки сушки керамических оболочковых форм в условиях объемно-напряженного состояния (УСОНС);

3. Экспериментальное и теоретическое изучение особенностей сушки КОФ в условиях ОНС;

4. Экспериментальное и теоретическое изучение процесса формирования технологических свойств КОФ;

5. Разработка методики проектирования и расчета основных параметров сушки КОФ, применяемых в ЛВМ.

Направление исследований. Основными направлениями исследований являются:

1. Изучение влияния сушки в условиях ОНС на технологические параметры 2. Исследование свойств КОФ, полученных при их сушке в УСОНС.

использованы известные методики исследований и разработанные автором методики измерения кинетики сушки и оценки качества полученных в УСОНС КОФ.

Достоверность и обоснованность полученных результатов:

тепломассообмена при рассмотрении процессов сушки КОФ в УСОНС, использованием регламентированных ГОСТами методик исследования, оборудования, проверкой результатов исследований обработанных материалов в независимой лаборатории;

– подтверждается соответствием результатов расчетов по теоретической модели эмпирическим данным лабораторных исследований, а также результатам промышленной апробации.

На защиту выносятся:

1. Основы теории и технологии сушки КОФ в УСОНС;

2. Регрессионные уравнения, устанавливающие закономерности между условиями сушки и технологическими свойствами КОФ;

формирования КОФ.

Научная новизна:

Установлены закономерности формирования керамических оболочковых форм в условиях ОНС, на основе которых разработана установка и технология получения КОФ.

Практическая ценность данной работы:

1. Разработан и опробован новый высокоэффективный способ формирования слоев КОФ в объемно–напряженном состоянии преимущественно для протяженных отливок, например, лопаток газовых турбин. Определены основные технологические режимы сушки;

2. Разработана методика расчета технологических параметров сушки керамических оболочковых форм в объемно-напряженном состоянии свойствами;

3. Спроектирована и изготовлена лабораторная установка УСОНС для изготовления КОФ в условиях ОНС, используемая на кафедре МЛС проектирования.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации были опубликованы в 5 работах, из «Заготовительное производство», 1 патент на изобретение, а также материалы научно-технических конференций. По теме диссертации выполнялись совместные исследования с ООО «Литейщик», г. Рыбинск.

Личный вклад автора состоит:

1. В разработке аналитической модели формирования структуры КОФ в процессе сушки в УСОНС и в её практическом исследовании;

2. В проектировании и изготовлении лабораторной установки сушки КОФ в объемно–напряженном состоянии;

3. В разработке технологических режимов сушки КОФ и оценке их эффективности на практике.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 168 страниц машинописного текста, 61 рисунок, 42 таблицы, список использованных источников из позиций.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность исследуемой проблемы, общая характеристика и цель работы, а также основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе работ В. А. Озерова, Я. И. Шкленника, В. А. Ефимова, Г. А. Анисовича, А. С. Лакеева, В. О. Емельянова, К. В.

Мартынова, А. А. Бречко, П. П. Берга и других, а также с использованием материалов периодических изданий и патентной информации проведен анализ существующих технологий и способов сушки керамических оболочковых форм, применяемых в литье по выплавляемым моделям.

В технологии производства отливок методом литья по выплавляемым моделям одним из самых длительных и энергоемких этапов являются операции нанесения и сушки многослойных керамических форм. Суммарная продолжительность операции сушки во многом зависит от типа применяемого огнеупорного связующего, условий сушки, числа слоев формы и в некоторых случаях достигает нескольких суток. Широкий спектр применяемых связующих материалов объединяет влияние параметров сушки на качество получаемых форм. При постоянном обновлении и совершенствовании связующих к установкам сушки форм предъявляется требование эффективной и экономичной работы в широком диапазоне условий.

А. С. Лакеев в своих работах отмечает, что при сушке слоев керамических оболочковых форм, нанесенных на модели, возникают внутренние напряжения, снижающие прочность и адгезию покрытий к модели, часто приводящие к самопроизвольному растрескиванию покрытия или его отслоению от модели и снижению технологических свойств керамических форм. Развитию напряжений способствует явление течения суспензии по поверхности блока в процессе сушки. На технологические параметры получаемых форм большое влияние оказывают параметры операции сушки.

В настоящее время известно несколько основных способов: конвективная сушка при атмосферном давлении, вакуумно-аммиачная, инфракрасная сушка, сушка токами высокой частоты. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Так вакуумно-аммиачный способ сушки, основанный на явлении снижения температуры испарения жидкостей с понижением давления, существенно сокращает продолжительность операции сушки покрытий, но он эффективен только для керамических форм, изготавливаемых на основе этилсиликатных связующих. Недостатком данного способа является высокая энергоемкость технологии, необходимость использования защитных мер для экологической безопасности процесса.

Сушка токами высокой частоты является экологически чистым методом, отличается гибкостью и безинерционностью, позволяет сократить продолжительность операции сушки и уменьшает напряжения в слое покрытия.

Недостатком способа являются повышенные общие затраты на процесс сушки, которые определяются высокой стоимостью электроэнергии и высокочастотного высоковольтного генератора, а также иных элементов соответствующей электрической схемы. Поэтому относительно дорогой способ диэлектрической сушки не нашел широкого применения в технологии ЛВМ.

Метод инфракрасной сушки обладает высокой эффективностью при сушке форм на основе водных растворов кремнезолей. Однако для обеспечения высокой скорости сушки в этом способе необходима непрерывная эвакуация выделяющихся из материала паров растворителя. Поэтому обязательным является применение вакуум–насоса или батареи вентиляторов, требуется применение воздуха с малой относительной влажностью.

Обычная конвективная сушка, являясь самым простым вариантом, тем не менее, обладает существенным недостатком – наибольшей из рассмотренных способов длительностью процесса сушки КОФ.

По результатам анализа принципов действия серийного оборудования, применяемого для сушки форм, можно сделать вывод, что основная задача такого оборудования – получить качественные оболочковые формы, а также сократить продолжительность операции сушки слоев, для этого необходимы:

1. высокая интенсивность испарения растворителя;

2. плотное расположение зерен материала обсыпки в слое суспензии.

Наибольший интерес в этом направлении представляет способ сушки керамических оболочковых форм в объемно-напряженном состоянии, разработанный на кафедре МЛС в РГАТА. Сущность этого способа заключается в том, что сушка слоев КОФ происходит в объемно – напряженном состоянии, в потоке сушильного агента, при погруженном в материал обсыпки (зернистый огнеупор) модельном блоке с оболочкой.

Применительно к процессам сушки керамических оболочковых форм, применяемым в литье по выплавляемым моделям, данный метод исследован не был, хотя есть все предпосылки для его эффективного применения в этом направлении. Итогом первой главы является постановка основных задач исследований.

Во второй главе рассмотрены особенности структурообразования керамических форм, изменения параметров объемно-напряженного состояния в слое зернистого огнеупора и формируемом покрытии, а также параметров сушильного агента, происходящих в процессе сушки керамических оболочковых форм в рабочей камере УСОНС (рис. 1).

а – нанесение зернистого огнеупора (1), находящегося в режиме «кипящего слоя», на покрытую слоём суспензии модель (3), путём погружения; б – выключение режима «кипящий слой» зернистого огнеупора, герметизация рабочей камеры; в – сушка нанесенного слоя оболочки при градиенте давлений сушильного агента: 2 – фильтр; 4 – блок с нанесённым слоем оболочковой формы; Р 1, Р 2 – давление сушильного агента; Р АТМ. – Показано, что создаются условия для:

1. Получения уплотненных слоев суспензии с однородной структурой и распределенными напряжениями по толщине слоя, тем самым обеспечить повышение технологических свойств керамических форм;

1. Увеличения скорости движения сушильного агента вдоль поверхности продолжительность операции сушки.

Было определено, что плотная упаковка частиц обсыпки и параметры СА играют основную роль в структурообразовании при сушке слоев формы в УСОНС. Поэтому большое значение имеет уровень напряжений в слое зернистого огнеупора и относительная влажность воздуха. Эти значения напрямую зависят от технологических параметров сушки форм в УСОНС.

На основе анализа структурообразования разработана физическая модель ОНС в слое зернистого огнеупора при сушке форм в УСОНС.

При этом приняты следующие допущения:

1. Форма взаимодействующих частиц – сферическая, диаметры частиц одинаковые.

2. Капилляры форм представляют собой параллельные каналы одного постоянного диаметра.

На основе физической модели, с использованием основных положений механики неоднородных сред, была разработана аналитическая модель ОНС слоев покрытия при их сушке в УСОНС. В результате получена аналитическая зависимость необходимой глубины погружения блока в слой зернистого обеспечивающий оптимальные условия формирования плотной структуры слоя формы от свойств исходных материалов и параметров сушильного агента:

С – поверхностное натяжение суспензии, Н/м;

где – гидравлический диаметр капилляров слоя формы, м;

– коэффициент бокового давления;

g – ускорение свободного падения, м/с ;

1, 2 – пористость зернистого огнеупора и СА соответственно;

1, 2 – плотность зернистого огнеупора и СА соответственно, кг/м ;

– градиент давлений сушильного агента, Па/м;

B – комплексная величина, учитывающая влияние свойств частицы зернистого огнеупора, а также размера рабочей камеры УСОНС:

где П – периметр рабочей камеры, м;

F – площадь поперечного сечения рабочей камеры, м ;

В – угол внешнего трения зернистого огнеупора, рад.

Третья глава состоит из трех частей.

В первой описаны исследуемые материалы. Исследование проводили на КОФ применяя в качестве связующего материала - кремнезоль «АРМОСИЛ».

Во второй рассмотрены вопросы разработки конструкции лабораторной УСОНС, методики расчета её основных частей и выбора компрессора.

Приводится описание работы УСОНС, конструктивные особенности. При проектировании использовались известные методики (представлены в работах П. Г. Романкова, Н. Б. Пашковской и др.), так и методики регламентированные ГОСТ. Приведены технические характеристики созданной УСОНС.

Третья часть посвящена методикам исследования процесса сушки покрытий в УСОНС и оценки параметров полученных форм. Для выполнения задач диссертационной работы были использованы известные и специально разработанные методики исследований, оборудование, оснастка, позволившие получить сведения о процессах, протекающих при сушке форм в условиях ОНС.

исследований. Исследуются кинетика и эффективность процесса сушки керамических форм в УСОНС. Показано что способ сушки в ОНС в сравнении с конвективной сушкой сокращает общую продолжительность операции сушки для форм на основе плавленого кварца в 4 раза, искусственного - 3,3 раза (рис. 2) и в десятки раз сокращает удельный расход воздуха на сушку слоя.

Рис. 2. Зависимость времени сушки (а – каждого слоя, б – всей формы) в УСОНС и сушиле от вида зернистого огнеупора и числа слоев Определено влияние способа сушки на технологические параметры форм.

Показано что разработанный способ, в сравнении с конвективной сушкой, для восьмислойных форм на основе плавленого кварца увеличивает прочность на 15…22 %, газопроницаемость на 7…10 %, для форм основе природного кварца прочность на 15…19 %, газопроницаемость на 8,6…10,1 %. (рис. 3, 4) Получены регрессионные уравнения с переменными в кодированном виде, позволяющие оценить влияние на исследуемые параметры КОФ таких факторов как способ сушки (Х 1 ), число слоев (Х 2 ) и температура прокалки (Х 3 ),:

Предел прочности КОФ на основе плавленого кварца:

Газопроницаемость КОФ на основе плавленого кварца:

Рис. 3. Предел прочности КОФ: а – шестислойных, б – восьмислойных КОФ.

Рис. 4. Газопроницаемость КОФ, см4/(Н·сек ·10-2): а – шестислойные, б – Предел прочности КОФ на основе искусственного кварца:

Газопроницаемость КОФ на основе искусственного кварца:

Метод сушки в УСОНС сокращает число и максимальный линейный размер микропор рабочей поверхности оболочки в 5 и 2 раз соответственно.

а – полученной в УСОНС, б – полученной в камерном сушиле В пятой главе представлены результаты использования УСОНС для получения отливок типа пластина. Работы проводились в рамках совместных исследований с ООО «Литейщик». В случае КОФ изготовленных в УСОНС, отмечается снижение шероховатости поверхности в 2 раза, до Ra = 2,36 мкм.

Разработана технология центробежного литья по выплавляемым моделям колец из высоколегированного чугуна для торцевых уплотнений тяжелой техники. Технология была опробована в производстве при сушке форм в УСОНС.

Полученные кольца отвечали требованиям технических условий по точности, чистоте поверхности, структуре и механическим свойствам.

В заключительной части главы рассматривается применение результатов работы в учебном процессе на кафедре МЛС РГАТА.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработаны основы теории, установка и технология формирования слоев КОФ в условиях ОНС включающие в себя:

модель формирования слоя КОФ при его нанесении и сушке в условиях ОНС;

закономерности влияния технологических параметров потока сушильного агента на структуру и технологические свойства КОФ, изготавливаемых в условиях ОНС;

математическую модель оценки технологических параметров процесса сушки в условиях ОНС;

2. Показано, что разработанный метод формирования оболочки при сушке в ОНС позволяет получать КОФ преимущественно для протяженных отливок, с сокращением продолжительности операции сушки в 3 - 4 раза, повышением технологических характеристик форм по прочности на 15…22 %, газопроницаемости на 7…10 %, теплоаккумулирующей способности на 5%, равномерности толщины стенки в 3 раза, уменьшение линейных размеров пор на рабочей поверхности в 5 раз, площади пор в 2 раза, снижается шероховатость поверхности отливок в 2 раза. Создается возможность изготовления форм с уменьшенным на 1 - 2 числом слоев.

3. Установлена возможность управления технологическими свойствами КОФ при сушке в условиях объемно-напряженного состояния.

4. Разработана физическая модель процесса сушки КОФ в УСОНС, учитывающая влияние параметров сушильного агента и условий объемнонапряженного состояния, позволяющая назначать технологические режимы сушки.

5. Получены уравнения регрессии, устанавливающие связь между технологическими свойствами КОФ, способом сушки, числом слоев и температурой прокалки КОФ.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах 1. Пат. 2359777 РФ, МПК В22С9/04. Способ изготовления керамических оболочковых форм / Серебряков С. П., Редькин И. А. от 27 июня 2009 г.

керамических оболочковых форм при литье по выплавляемым моделям [Текст] / Серебряков С. П., Облакова О. А. // Материалы Российской научно-технической конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве», 2007. - Рыбинск, РГАТА - Т.1 Рыбинск 2007. с. 165- 3. Редькин, И. А. Центробежное литье контактных уплотнительных колец [Текст] / Серебряков С. П., Попков К. Н., Трусков А. М. // Литейное производство №8, 2008 г. С. 21-23.

4. Редькин, И. А. Способ сушки керамических оболочковых форм в объемно-напряженном состоянии [Текст] / Серебряков С. П. // XXXVI конференции. Москва, МАТИ, 2010 - С.112-113.

5. Редькин, И. А. Формирование оболочковых форм в сжатом состоянии (PV-процесс) [Текст] / Серебряков С. П. // Заготовительное производство в машиностроении №10, 2009 г. С. 6-8.