Bài giảng Đúc trong khuôn cát – nước thủy tinh

ĐÚC TRONG KHUÔN CÁT – NƯỚC THỦY TINH Từ khóa: Glass Water 1. MỞ ĐẦU1.1. Nguyên lý Trộn hỗn hợp cát – nước thủy tinh (NTT) theo một tỉ lệ thích hợp Điền đầy HH vào khuôn hoặc hộp ruột Làm đông cứng HH bằng một phương pháp nào đó 1.2. Ưu điểm Độ chính xác của vật đúc cao hơn so với đúc trong khuôn cát – sét Giảm được các thao tác làm xương, găm đinh do độ bền khuôn, ruột cao hơn Tính chảy HH cao  dễ điền đầy hòm khuôn Năng suất lao động cao Ít ô nhiễm môi trường 1.3. Nhược điểm Độ bền tươi của HH thấp Thời gian bảo quản khuôn, ruột bị hạn chế Tuổi xuân HH ngắn Chất lượng cát nguyên liệu phải cao Khó phá khuôn, ruột nếu không có biện pháp thích hợp Tính bám dính của HH vào mẫu cao 1.4. Phạm vi sử dụng Dùng đúc các VĐ bằng gang, thép có kích thước nhỏ, trung bình, lớn với độ chính xác và độ bóng bề mặt khá Phù hợp với tất cả các loại hình SX 2. NƯỚC THỦY TINH (NTT)2.1. Mở đầu Là chất dính vô cơ không thuận nghịch Dung dịch nước của silicat kiềm có công thức R 2 O.mSiO 2 .nH 2 O , trong đó: - m: module của NTT - R: Na, K, Li Công dụng: - Silicat natri: làm khuôn, ruột, vữa xây lò - Silicat kali: thuốc bọc vỏ que hàn - Silicat liti: công nghệ thủy tinh 2.2. Cấu trúc silicat natri Bao gồm các oxit silixit mang điện tích âm và các ion natri mang điện tích dương Khi hàm lượng oxit natri lớn: silicat natri có cấu trúc lớp: tính chất được đặc trưng bởi liên kết ion Khi hàm lượng oxit natri bé: silicat natri có cấu trúc không gian: tính chất được đặc trưng bởi liên kết cộng hóa trị 2.3. Cấu trúc của NTT Silicat natri hòa tan trong nước tạo thành NTT NTT là dung dịch của các ion Na+, OH-, H+ và các anion. Số lượng và dạng tồn tại phụ thuộc vào nồng độ silicat natri và m theo quy luật: 2.4. Cơ chế đông rắn của NTT2.4.1. Hình thành silicat natri Khi sấy, NTT mất nước  hình thành cấu trúc có dạng khung xương tứ diện silixit có đỉnh tự do và ion Na + liên kết ion với khung xương Silicat natri có độ bền cao 2.4.2. Hình thành gel silixit (silicagel) Gắn liền với sự thay đổi pH của NTT bởi các chất xúc tác đông rắn Quá trình tạo Silicagel: - Chất đông rắn kết hợp với ion natri: axit silixit đơn được tạo thành trong NTT - Các axit silixit đơn trùng hợp tạo ra đa axit silixit, kết quả là tạo thành Silicagel ngậm nước 2.4.2. Hình thành gel silixit Xúc tác đông rắn là axit : Na 2 SiO 3 + 2HCl = 2NaCl + H 2 SiO 3 H 2 SiF 6 + 3Na 2 SiO 3 + 7H 2 O  6NaF + 4Si(OH) 4 H 2 SiF 6 + 3Na 2 Si 2 O 5 + 13H 2 O  6NaF + 7Si(OH) 4 Xúc tác đông rắn là natrisiliflorat : Na 2 SiF 6 + 4H 2 O  2NaF + 4HF + Si(OH) 4 Na 2 O.mSiO 2 .nH 2 O + 2HF  2NaF + mSiO 2 .(n+1)H 2 O 2.4.2. Hình thành gel silixit Xúc tác đông rắn là các hydroxit KL kiềm thổ : Na 2 O. m SiO 2 + Ca(OH) 2 + 6H 2 O = NaOH + (m-1)SiO 2 + CaSiO 3 .6H 2 O Xúc tác đông rắn là ferosilic : Na 2 O.mSiO 2 + 2mH 2 O +FeSi = Na 2 O.nSiO 2 + mSi(OH) 4 + nFe + 2nH 2 Xúc tác đông rắn là khí CO 2 : Na 2 O.mSiO 2 + CO 2 = NaCO 2 /NaHCO 2 + Si(OH) 2 nSi(OH) 2 = Si n O 2n-m + 2(n-m)H 2 O 2.4.3. Hình thành pha mới Khi tác dụng các chất chứa Ca (xi măng, thạch cao, disilicat canxi ), NTT sẽ đông rắn Các phản ứng đông rắn (khi m= 2 và 3): 2CaSiO 4 +Na 2 O.2SiO 2 +5H 2 O = 4CaH 2 SiO 4 +2NaOH Ca 2 SiO 4 +Na 2 O.2SiO 2 +3H 2 O= 2CaH 2 SiO 4 +Na 2 H 2 SiO 4 3Ca 2 SiO4+Na 2 O.3SiO 2 +7H 2 O= 6CaH 2 SiO 4 + 2NaOH 2Ca 2 SiO 4 +Na 2 O.3SiO 2 +5H 2 O=4CaH 2 SiO 4 +Na 2 H 2 SiO 4 2.5. Các tính chất của NTT2.5.1. Module của NTT M= số mol SiO 2 / số mol Na 2 O = (%khối lượng SiO 2 / %khối lượng Na 2 O)x1,032 Module M ảnh hưởng mạnh đến các tính chất của NTT Điều chỉnh module của NTT Để tăng M, cho clorua amôn vào NTT: Na 2 O.mSiO 2 +2NH 4 Cl  mSiO 2 +2NaCl+2NH 3 +H 2 O Để giảm M, cho xút khô vào NTT: Na 2 O.mSiO 2 + nNaOH  (1 + n/2)Na 2 O.mSiO 2 + (n/2)H 2 O 2.5.2. Độ nhớt của NTT Là tính chất quan trọng của NTT: khi độ nhớt cao, NTT khó phân bố đều trên bề mặt các hạt cát Khi tăng M và tỉ trọng: độ nhớt của NTT tăng và ngược lại Khi tăng nhiệt độ: độ nhớt của NTT giảm 3. CHẾ TẠO KHUÔN, RUỘT BẰNG HỖN HỢP CÁT – NTT3.1. Hóa bền bằng cách thổi khí CO 2 3.1.1. Mở đầu Đây là pp phổ biến và đơn giản Khi tác dụng với CO 2 , NTT chuyển thành gel axit silixic một cách nhanh chóng, liên kết các hạt cát lại với nhau 3.1.1. Mở đầu Khi thổi CO 2 vào thì không phải toàn bộ NTT kịp biến thành gel axit silixit. Khi để ngoài không khí, cả gel và silicat chưa phân hủy đều mất nước và xảy ra 2 quá trình ngược nhau: - Gel mất nước: làm giảm bền HH - Silicat mất nước: làm tăng bền HH  Khuôn chế tạo xong không rót ngay: ngừng thổi CO 2 trước khi khuôn đạt độ bền tối đa để sau đó độ bền sẽ tăng dần khi để khuôn ngoài không khí 3.1.2. Một số vấn đề công nghệa. Chế tạo mẫu Mẫu gỗ phải được mài bóng và sơn với những chất không phản ứng với NTT Mẫu KL cần gia công thật bóng và không cần sơn Hệ đường ống để dẫn khí CO 2 vào HH có thể bố trí ngay trên mẫu b. Hóa bền khuôn, ruột trước khi lấy mẫu, HR ra Lưu ý giữ cho khuôn không bị biến dạng ở trạng thái tươi Khi khuôn đã đông rắn rất khó rút mẫu  mẫu phải được thiết kế, gia công tốt và nên lay kỷ mẫu trước khi thổi khí CO 2 Làm khuôn trên máy Thổi CO 2 cho khuôn dưới Thổi CO 2 cho khuôn trên Làm khuôn bằng tay – khuôn nhỏ 1.Khuôn dưới; 2.Mẫu; 3.Khuôn trên; 4.Phần rỗng của mẫu; 5.Mẫu; 6.Vòng kẹp; 7.Ống dẫn CO 2 ; 8.Xiên hơi; 9.Ống thổi Làm khuôn bằng tay – khuôn lớn Làm khuôn xong, dùng que xiên hơi tạo đường hơi từ phía MPK Cho các đầu ống vào đường hơi, thổi CO 2 vào 1.Khuôn; 2.Mẫu; 3.Cát áo; 4.Đường hơi; 5.Đầu ống côn; 6.Ống cao su mềm; 7.Ống góp; 8.Van a) Khuôn; b)Ống góp Làm ruột – dùng nhiều ống để thổi Dùng cho ruột lớn hoặc ruột có hình dạng phức tạp 1- Hộp ruột 2- Hỗn hợp 3- Đường hơi 4- Mẫu KL 5- Ống mềm 6- Ống góp Làm ruột – dùng chụp để thổi Thường dùng đối với ruột vừa và nhỏ, hình dạng đơn giản Đầu chụp có đệm cao su để bảo đảm độ kín giữa chụp và hộp ruột Trên hộp ruột bố trí các lỗ thoát khí 1-Hộp ruột; 2-Hỗn hợp; 3-Chụp; 4-Vòng đệm; 5-Lỗ thoát c. Hóa bền khuôn, ruột sau khi lấy mẫu, HR ra Đặc điểm: - Độ chính xác kém hơn phương pháp trên; nhưng tốc độ hóa bền cao hơn - HH phải có độ bền tươi cao hơn để giữ cho khuôn, ruột khỏi bị biến dạng (thường cho thêm sét vào HH) - Độ nhẵn của khuôn và ruột không cao Hóa bền bằng cách thổi lên bề mặt khuôn Sử dụng cho khuôn vừa và nhỏ Phần làm việc của ống thổi được khoan các lỗ 1-1,5mm Ống thổi di chuyển qua lại với vận tốc 3-5m/phút Ống thổi nối với bình CO 2 bằng ống dẫn mềm Chiều dày lớp hóa bền  100mm 3.1.3. Thành phần HHLK cho khuôn đúc thép VẬT ĐÚC THÀNH PHẦN HỖN HỢP, % Hỗn hợp cũ Cát mới Sét mới Tổng lượng sét NTT cacbonat M=2,6-2,8 NaOH Dầu mazut Nhỏ 50 C016A 50 - 4-8 5-7 0,5-1,5 - Trung bình 25 C016A 75 - < 5 7,0 1,0 0,5 Lớn - C02A 100 2-3 < 5 6,5-7,5 1,0 0,2-0,3 >5000kg, thành dày - 100 - - 7,5 - - Thông dụng 30 70 1 - 5,2 1,1 0,6 3.1.4. Lưu ý khi dùng khí CO 2 Sản xuất nhỏ: thường dùng bình 40 lít, áp suất 60at, khối lượng 60kg; có giảm áp nối với ống cao su mềm Khi dùng liên tục, tuyết sẽ bám bộ giảm áp, dễ làm tắt khí  nên dùng nhiều bình nối qua bộ góp chung Bình đặt đứng, xa các nguồn nhiệt, thiết bị hàn 1- Bình chứa CO 2 2, 5- Van 3- Ống dẫn 4- Bộ giảm áp + đồng hồ đo áp 3.2. Hóa bền bằng cách sấy hoặc hong3.2.1. Hong khô tự nhiên Thực chất là quá trình làm mất nước Khuôn nhỏ: sau 2 – 5 h, có thể lắp khuôn và rót Khuôn lớn: sau 12 – 24 h, có thể lắp khuôn và rót Nên hong khuôn ở nơi có gió hoặc dùng quạt gió thổi cưỡng bức 3.2.2. Hóa bền bằng phương pháp sấy Dùng chụp để sấy Nếu nhiệt độ gió nóng 200-300 0 C: thời gian sấy: 5 – 20 phút; chiều dày lớp hóa bền 15-30mm Thổi gió nóng qua HTR 3.3. Hóa bền bằng phụ gia3.3.1. Các chất hóa bền Các chất phụ gia rắn ở dạng bột: fero-silic, silico canxi, fero-canxi, disilicat canxi, xỉ luyện gang, xi măng, nephelin, muối Na 2 SiF 6 ... Các chất phụ gia dạng lỏng: các este hữu cơ: momoaxetin (CH 3 COOCH 2 (HOCH 2 ) 2 ), diaxetin ((CH 3 COOCH 2 ) HOCH)... 3.3.2. Công nghệ Trộn trước cát và NTT trong máy trộn cánh Trước khi làm khuôn, ruột, cho chất phụ gia đông rắn vào trộn tiếp, rồi đem sử dụng ngay Thời gian HH đông rắn từ 10 phút đến 6 giờ, phụ thuộc: - Loại chất xúc tác và lượng sử dụng - Độ mịn của chất xúc tác - Nhiệt độ, độ ẩm của môi trường - Chiều dày thành khuôn, ruột 3.3.3. Ưu điểm- Nhược điểm Giá rẻ Độ chính xác khuôn cao hơn so với CN CO 2 Chủ động điều chỉnh được thời gian đông rắn và độ bền của khuôn HH có tính chảy cao hơn, đặc biệt khi dùng chất phụ gia dạng lỏng Độ sinh khí ít Tuổi xuân của HH thấp 3.3.4. Một số thành phần hỗn hợp (%) 92,5  94,5 cát thạch anh + 4  6 nước thủy tinh ( M = 2,1;  = 1,32  1,40 kg / dm 3 ) + 1,5 FeSi 75 4  7 nước thủy tinh ( M = 2,0;  = 1,30 kg / dm 3 ) + 1  4 FeSi 75 + cát thạch anh (còn lại) Cát thạch anh + 6  10% nước thủy tinh ( M = 2,1  2,2;  = 1,42  1,50 kg / dm 3 ) + 2  8% các chất chứa oxit canxi 2,0  4,5 nước thủy tinh ( M = 2,5  2,8;  = 1,48  1,50 kg / dm 3 ) + 0,2  0,5 este + cát thạch anh (còn lại) 4. HH CÁT-NTT DẺO TỰ ĐÔNG RẮN4.1. Mở đầu Được phát minh năm 1960 tại Thụy Sĩ HH gồm cát, NTT, chất phụ gia đông rắn và được cho thêm bùn nephelin để tạo độ dẻo cho hỗn hợp (còn đóng vai trò chất phụ gia đông rắn) Nephelin là chất thải của quá trình sản xuất boxit từ quặng nephelin. Thành phần hóa học: 54  56% CaO; 29  30% SiO 2 ; 3  3,5 Al 2 O 3 ; 2,9  3% Fe 2 O 3 ; 2,3  3% (Na 2 O + K 2 O)... Thời gian đông rắn: 5 phút – 6 giờ 4.2. Đặc điểm của hỗn hợp Độ bền tươi khá cao In hình tốt Ít sinh khí, độ thông khí cao Dễ phá dỡ khuôn Ít ô nhiễm môi trường, không độc hại Rẻ tiền 4.3. Một số thành phần hỗn hợp (%) (97,4 cát + 2,6 bùn nephelin) + 7,3 nước thủy tinh ( M = 3,0  3,2;  = 1,48 kg / dm 3 ) + 0,7 xút (  = 1,15  1,25 kg / dm 3 ). Làm khuôn, ruột cho đúc thép (97,5 cát silicat Zr + 2,5 bùn nephelin) + 6,0  7,0 nước thủy tinh ( M = 3,0  3,2;  = 1,45 kg / dm 3 ) + 0,7  0,8 xút (  = 1,15  1,25 kg / dm 3 ). Làm khuôn và ruột cho vật đúc lớn bằng thép cacbon và thép hợp kim 90,3 cát + 7 nước thủy tinh + 2 bùn nephelin + 0,7 xút (  = 1,25 kg / dm 3 ) 5. HH CÁT-NTT CHẢY LỎNG TỰ ĐÔNG RẮN5.1. Mở đầu Công bố năm 1961 tại Liên Xô Đây là HH cát – NTT – chất phụ gia đông rắn + chất hoạt tính bề mặt 5.2. Đặc điểm Không cần đầm khuôn mà chỉ cần rung lèn chặt với chế độ rung thích hợp Dễ phá khuôn hơn các PP làm khuôn bằng HH cát – NTT khác Độ thông khí tốt; độ sinh khí thấp Dễ tái sinh HH Không độc hại, thân thiện với môi trường Rẻ 5.2. Đặc điểm Độ bền khuôn sau đông rắn không cao lắm (chỉ cao hơn HH cát – sét chút ít) HH có độ rã cao: khó dùng sơn nước Tuổi xuân HH ngắn HH dễ dính vào mẫu, HR. Nên sơn mẫu, HR bằng parafin, silicon 5.3.Chất hoạt tính bề mặt (chất tạo bọt)5.3.1. Mở đầu Để HH rời rạc chuyển sang trạng thái chuyển động lỏng cần phải cho vào HH chất hoạt tính bề mặt (HTBM) Chất HTBM là chất có khả năng hấp phụ lên bề mặt phân chia pha và làm giảm năng lượng tự do bề mặt của chúng Phân tử chất HTBM gồm 2 phần: một đầu là gốc ưa nước để chất HTBM dễ hòa tan trong nước; một đầu là gốc kị nước để tạo bọt khí làm HH chuyển sang trạng thái chuyển động lỏng 5.3.2. Một số chất tạo bọt Alkilsulphonat: tên thương mại: sulphonat, chứa 12  18 nguyên tử cacbon, công thức hóa học C n H 2n+1 – SO 3 Na; Alkilsulphat: tên thương mại: Progres, công thức cấu tạo: Alkilarilsulphonat: là muối alkillarilsulphatnatri, công thức cấu tạo : R: gốc kị nước chứa 8 – 12 nguyên tử cacbon 5.3.3. Nguyên lý làm khuôn Cho chất tạo bọt vào HH cát – NTT – chất phụ gia đông rắn: HH sẽ có tính “chảy lỏng” Trình tự trộn: trộn cát, chất tạo bọt; cho NTT vào trộn tiếp; cho chất xúc tác đông rắn vào trộn tiếp Trộn xong, đem “rót” ngay HH vào khuôn hoặc hộp ruột (đặt trên sàn rung); rung với chế độ rung thích hợp Sau 15 – 60 phút: tháo mẫu (hộp ruột) Sau 4 – 12 h: HH đạt độ bền cao nhất: lắp khuôn và rót 5.4. Một số thành phần hỗn hợp (%) Chất phụ gia đông rắn thường dùng: xi măng portland, disilicat calci, xỉ luyện gang (93 cát thạch anh + 7 xỉ ferro crôm) + 8 NTT ( M = 2,7  2,8;  = 1,30  1,32 kg / dm 3 ) + 0,05 chất tạo bọt (96 cát thạch anh + 4 xỉ ferro crôm) + 7 NTT ( M = 2,7  2,8;  = 1,30  1,32 kg / dm 3 ) + 0,3 xút (  = 1,3 kg / dm 3 ) + 0,12 chất tạo bọt . Dùng làm khuôn đúc thép (94,6 cát thạch anh + 4 xỉ ferro crôm + 1,4 bột than) + 7 NTT ( M = 2,7  2,8;  = 1,30  1,32 kg / dm 3 ) + 0,3 xút(  = 1,3 kg / dm 3 ) + 0,15 chất tạo bọt. Làm khuôn đúc gang (95 cát thạch anh + 5 xỉ ferro crôm ) + 8 NTT ( M = 2,7  3,0;  = 1,32 kg / dm 3 ) + 0,10  0,15 chất tạo bọt. Làm khuôn đúc gang, thép