Реєстраційний номер
0523U100213, Докторська дисертація
На здобуття
Доктор технічних наук
Дата захисту
16-11-2023
Статус
Підтверджена МОН
Назва роботи
Теоретичні та технологічні основи створення екологічних фосфатних зв’язувальних матеріалів для ливарного виробництва
Здобувач
Лютий Ростислав Володимирович, к.т.н.
Опонент Шинський Олег Йосипович
Опонент Пономаренко Ольга Іванівна
Опонент Реп'ях Сергій Іванович
Рецензент Карпець Мирослав Васильович
Рецензент Богомол Юрій Іванович
Рецензент Мініцький Анатолій Вячеславович
Установа, організація, у вченій раді якої відбудеться/відбувся захист
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України
Опис
У дисертаційній роботі вирішено актуальні науково-прикладні проблеми: створення наукових основ отримання екологічних фосфатних зв’язувальних матеріалів і технологій їх використання, а також удосконалення теоретичних методів визначення теплових полів у ливарних формах і стрижнях.
Проаналізовано процеси взаємодії ортофосфорної кислоти з вогнетривкими матеріалами (пилоподібні кварц, циркон, дистен-силіманіт), неорганічними солями металів і сполуками алюмінію різної хімічної природи, створено наукові основи синтезу фосфатних зв’язувальних компонентів у вказаних системах. Наукове пояснення цих процесів дає змогу скоротити час та витрати на створення нових стрижневих сумішей.
Установлено, що в системах ортофосфорної кислоти з натрієвими та калієвими солями галогенових кислот (хлоридом натрію, хлоридом калію та бромідом калію) відбуваються процеси прямої хімічної взаємодії в інтервалі температур 250…300 оС, в результаті чого утворюються фосфати натрію або калію, які набувають зв’язувальних властивостей у поєднанні з кварцовим наповнювачем.
Описано механізм утворення фосфатів алюмінію із зв’язувальними властивостями під час взаємодії кристалогідратного сульфату алюмінію Al2(SO4)3•18H2O з ортофосфорною кислотою в інтервалі температур 100…200 оС. Виявлено факт утворення при нагріванні проміжної фази – гідроксиду алюмінію Al(ОН)3, яка безпосередньо взаємодіє з кислотою та утворює фосфати алюмінію.
Розроблено схему синтезу зв’язувального компонента із підвищеною міцністю в результаті взаємодії ортофосфорної кислоти з триполіфосфатом натрію. Пірофосфат натрію Na2H2P2O7, забезпечує зростання міцності стрижневої суміші в 2…3 рази порівняно з триполіфосфатом натрію. Отриманий результат створює додаткову перспективу вилучення екологічно небезпечного триполіфосфату натрію із засобів побутової та промислової хімії.
Досліджено механізм термічних перетворень фосфатних зв’язувальних компонентів, утворених із неорганічних солей натрію та калію, в інтервалі температур від 20 оС до 1000 оС. Після нагрівання та охолодження фосфати залишаються водорозчинними. Отримані результати дають змогу створити на їх основі стрижневі суміші та замінити трудомісткий процес механічного вибивання стрижнів із виливків на їх розчинення у воді.
На основі проведених математичних і теплофізичних досліджень розроблено методику розрахунку теплових полів ливарних стрижнів під час кристалізації та охолодження виливків, яка заснована на встановленні динаміки охолодження поверхні виливка в ливарній формі, просування фронту кристалізації від поверхні до центру виливка, розподілу температур у твердій та рідкій частинах виливка, визначенні динаміки зміни температури поверхні ливарного стрижня в процесі контакту з розплавом. Показано різницю між розрахунковими даними, отриманими за раніше відомими та розробленим у дисертації методами, та експериментально підтверджено його достовірність. Наведений розрахунок і відповідний аналіз теплових полів є науковою основою для вибору галузі застосування вже існуючих і розроблених у дисертації сумішей залежно від товщини стінок виливка й типу ливарного сплаву.
Проведено дослідження впливу компонентного складу стрижневих сумішей на фізико-механічні властивості. Установлено температури зміцнення стрижнів із фосфатами натрію – від 150 оС до 300 оС, калію – 250…300 оС, марганцю – 150 оС, алюмінію – 200…300 оС. Додатково встановлено мінімальний вплив типу та гранулометричних характеристик кварцових наповнювачів на властивості сумішей, що дає змогу використовувати менш кондиційні річкові або регенеровані піски.
Технології синтезу фосфатних зв’язувальних компонентів передбачають використання загальновідомих, доступних та екологічних матеріалів і можуть бути реалізовані як на хімічних підприємствах, так і безпосередньо в ливарних цехах.
Визначено, що стрижневі суміші, які не вміщують у своєму складі залишкових сульфатів, хлоридів або інших неорганічних солей, забезпечують виготовлення виливків із залізовуглецевих сплавів без пригару з товщиною стінок до 40 мм, решта стрижневих сумішей потребують використання протипригарних покриттів. Також установлено зв’язок між динамікою фізико-хімічних перетворень у складі сумішей та вибиваємістю ливарних стрижнів. Найменшу роботу вибивання забезпечують зв’язувальні компоненти, утворені із ортофосфорної кислоти з сульфатами алюмінію та марганцю.
Очікуваний економічний ефект від використання створених матеріалів (порівняно з піщано-смоляними сумішами гарячого та холодного твердіння) становить від 200 до 800 грн на 1 тонну литва.
Аналіз загальних обсягів газовиділення на 1 тонну литва показав, що розроблені суміші утворюють їх у кількості 600…1000 г, тоді як традиційні ХТС і суміші теплового твердіння – 3000…12000 г. Зменшення загальної кількості газових виділень і безпечний їх склад характеризують створені зв’язувальні компоненти та суміші на їх основі як екологічні формувальні матеріали.
Дата реєстрації
2023-10-30
Додано/оновлено в НРАТ
2023-10-30 / 2026-07-01
