Лютий Р. В. Теоретичні та технологічні основи створення екологічних фосфатних зв’язувальних матеріалів для ливарного виробництва

English version

Дисертація на здобуття ступеня доктора наук

Державний реєстраційний номер

0523U100213

Здобувач

Спеціальність

  • 05.16.04 - Ливарне виробництво

16-11-2023

Спеціалізована вчена рада

Д 26.232.01

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України

Анотація

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.

Публікації

Liutyi R., Tyshkovets M., Liuta D. Physico-chemical fundamentals of synthesis of binding materials from orthophosphoric acid and inorganic salts of metals / Prospektive globale wissenschaftliche Trends: Innovative Technik, Transport, Sicherheit. Monografische Reihe «Europäische Wissenschaft». Buch 7. Teil 8. – Karlsruhe: Scientific World-Net Akhat AV, 2021. – Chapter 1. – P.8–45.

Liutyi R. Analytical method of calculation of thermal fields in the process of pouring the foundry mold and crystallization of metal / Науково-технічні дослідження у галузі механічної інженерії та транспорту: Академія технічних наук України. – Ів.-Франківськ: Видавець Кушнір Г.М. – 2023. – С.7–40.

Liutyi R., Tyshkovets M., Liuta D. Foundry core mixtures with orthophosphoric acid and different aluminum-containing compounds // Physics and chemistry of solid state. – 2020. – Vol. 21, No. 1. – Р. 176–184.

Liutyi R., Tyshkovets M., Liuta D., Sheiko O. Physical and chemical fundamentals of sodium phosphate use in foundry production // Physics and chemistry of solid state. – 2020. – Vol. 21, No. 4. – Р. 756–763.

Liutyi R., Liuta D., Petryk I. Structural construction of binders based on orthophosphoric acid and refractory materials // Advances in Materials Science and Engineering. – Vol. 2021, Article ID 6667769, 7 p.

Liutyi R., Petryk I., Tyshkovets M., Myslyvchenko O., Liuta D., Fyodorov M. Investigating sodium phosphate binders for foundry production // Advances in Industrial and Manufacturing Engineering. – 2022. – Vol. 4, Article ID 100082.

Liutyi R.V., Solonenko L.I., Osypenko I.O., Fedorov M.M., Moroz B.I. Physicochemical structure features of refractory compositions with inorganic binders // Physics and chemistry of solid state. – 2022. – Vol. 23, No. 3. – Р. 612–619.

Liutyi R.V., Tyshkovets M.V., Yamshinskij M.M., Selivorstov V. Yu., Ivanov V.G., Synthesis of phosphosulphate substance and properties of its structured mixture with quartz sand // Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 2022, No. 4. – Р. 59–65.

Liutyi R., Petryk I., Mogylatenko V., Popovych V., Shatska H. Research thermal fields in the crystallization process of steel cast parts // Advances in Materials Science and Engineering. – Volume 2022, Article ID 7331866, 9 p.

Petryk I., Liutyi R., Kocheshkov А., Myslyvchenko О., Liuta D. Creation of self-hardening aluminum phosphate binders for manufacturing foundry cores // Advances in Industrial and Manufacturing Engineering. – 2023. – Vol. 6, Article ID 100114.

Лютий Р.В., Кочешков А.С., Кеуш Д.В. Формовочные и стержневые смеси с фосфатными связующими и комбинированным наполнителем, отверждаемые при нагреве // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. – 2011. – №1(22). – С. 203–206.

Лютий Р.В., Кочешков А.С., Кеуш Д.В. Исследование влияния зернового состава кварцевых наполнителей на свойства смесей с фосфатами кремния // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. – 2011. – №4(25). – С. 98–103.

Лютий Р.В., Гурія І.М., Кеуш Д.В., Надточій О.С. Розроблення технології виготовлення форм і стрижнів із сумішей з ортофосфорною кислотою і солями натрію // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. – 2012. – №4(29). – С. 140–147.

Лютий Р.В., Бубликов В.Б., Ясинский А.А., Кеуш Д.В. Разработка и применение методов регрессионного анализа для исследования процессов литейного производства // Процессы литья. – 2013. – № 3(99). – С. 57–63.

Лютий Р.В., Кеуш Д.В., Анісімова О.А., Смольська В.С., Шалай І.О. Нові суміші з фосфорними солями калію для виготовлення ливарних стрижнів у гарячому оснащенні // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. – 2014. – №1 (32). – С. 99–104.

Лютий Р. В., Тишковець М.В., Люта Д.В., Дорошенко В.С. Дослідження процесів тверднення стрижневих сумішей з фосфатними зв’язувальними компонентами, в тому числі для адитивного формування // Метал і лиття України. – 2021. – №1 (324). – С. 61–69.

Лютий Р.В. Аналітичний метод розрахунку теплових полів литих деталей під час кристалізації // Теорія і практика металургії. – 2021. – №1. – С. 5–13.

Лютий Р.В., Ямшинський М.М., Селівьорстов В.Ю., Іванов В.Г. Удосконалення системи класифікації зв’язувальних матеріалів, формувальних і стрижневих сумішей у ливарному виробництві // Теорія і практика металургії. – 2021. – №2. – С. 5–13.

Лютий Р.В., Тишковець М.В., Люта Д.В. Створення сухих фосфатних зв’язувальних матеріалів для ливарних стрижнів // Металургійна та гірничорудна промисловість. – 2021. – №3. – С. 18–28.

Лютий Р.В. Аналітичний метод розрахунку теплових полів ливарних стрижнів // Теорія і практика металургії. – 2021. – №3. – С. 56–68.

Лютий Р.В., Селівьорстов В.Ю., Іванов В.Г., Ямшинський М.М. Зв’язувальні матеріали для ливарних форм і стрижнів: проблеми і перспективи // Метал і лиття України. – 2022. – №2 (329). – С. 72–82.

Лютий Р.В., Тишковець М.В., Осипенко І.О., Мисливченко О.М. Технологічний рециклінг стрижневої суміші на основі фосфатів натрію // Теорія і практика металургії. – 2022. – № 5 (136). – С. 22–28.

Лютий Р.В., Федоров М.М., Фесенко М.А., Люта Д.В. Регулювання властивостей піщано-глинястих формувальних сумішей добавками фосфатів натрію // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2023. – №2. – С. 38–45.

Лютий Р.В., Кеуш Д.В. Суміші для ливарних форм і стрижнів з новими зв’язувальними компонентами, які зміцнюються при нагріванні / Нові матеріали і технології в машинобудуванні. – Київ, 2012. – С. 43–44.

Лютий Р.В., Кеуш Д.В. Формовочные и стержневые смеси с фосфатами алюминия / Лиття-2012. – Запоріжжя, 2012. – С. 155–156.

Лютий Р.В., Гурія І.М., Кеуш Д.В. Формувальні суміші, які зміцнюються в оснащенні при взаємодії фосфорної кислоти з вогнетривкими наповнювачами / Литейное производство: технологии, материалы, оборудование, экономика и экология. – Київ, 2012. – С. 185–187.

Лютий Р.В., Кеуш Д.В., Гурія І.М. Основи синтезу фосфатних зв’язувальних компонентів / Нові матеріали і технології в машинобудуванні. – Київ, 2014. – С. 50–51.

Лютий Р.В., Кеуш Д.В. Термодинаміка процесів утворення зв’язувальних компонентів у сумішах для ливарних стрижнів / Спеціальна металургія: вчора, сьогодні, завтра. – Київ, 2015. – С. 543–548.

Лютий Р.В., Набока В.О. Аналітичний розрахунок параметрів теплової взаємодії ливарних форм і стрижнів з виливками / Нові матеріали і технології в машинобудуванні. – Київ, 2015. – С. 88–89.

Лютий Р.В., Набока В.О. Теоретичні основи вибору зв’язувальних компонентів для ливарних стрижнів / Лиття 2015. – Запоріжжя, 2015. – С. 167–169.

Лютий Р.В., Кеуш Д.В., Гурія І.М. Теоретичні основи отримання нових зв’язувальних компонентів для ливарних стрижнів / Перспективные технологии, материалы и оборудование в литейном производстве. – Краматорськ, 2015.– С. 94–96.

Лютий Р.В., Кеуш Д.В. Техніко-економічні критерії вибору технологій виготовлення стрижнів / Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах. – Запоріжжя, 2015. – С. 59–61.

Лютий Р.В., Кеуш Д.В., Пивощук А.Р., Скирденко М.В. Вогнетривка суміш із фосфатом натрію для виготовлення ливарних стрижнів / Матеріали для роботи в екстремальних умовах-6. – Київ, 2016. – С. 71–73.

Лютий Р.В., Кеуш Д.В., Пивощук А.Р., Скирденко М.В. База формувальних матеріалів України / Спеціальна металургія: вчора, сьогодні, завтра. – Київ, 2017. – С. 675–680.

Лютий Р.В., Скирденко М.В., Кеуш Д.В. Зв’язувальний компонент із ортофосфорної кислоти і сульфату алюмінію для стрижневих сумішей / Нові матеріали і технології в машинобудуванні. – Київ, 2017. – С. 165–166.

Лютий Р.В., Прилуцький М.І. Актуальні питання теплових розрахунків у ливарному виробництві / Матеріали для роботи в екстремальних умовах-7. – Київ, 2017. – С. 256–258.

Лютий Р.В., Люта Д. В. Перспективи розроблення і застосування зв’язувальних матеріалів для ливарних форм / Прикладні науково-технічні дослідження. – Івано-Франківськ, 2018. – С. 138.

Лютий Р.В., Люта Д,В., Скирденко М.В., Кущерева А.С. Технологія синтезу і фазовий склад фосфатних зв’язувальних компонентів для ливарних стрижнів / Перспективні технології на основі новітніх фізико-матеріалознавчих досліджень та комп’ютерного конструювання матеріалів. – Київ, 2018. – С. 160–161.

Лютий Р.В., Люта Д.В., Скирденко М.В. Тhe development of foundry core technologies / Матеріали для роботи в екстремальних умовах-8. – Київ, 2018. – С. 79–80.

Лютий Р.В., Скирденко М.В., Прилуцький М.І. Невідомі факти про теплофізичні властивості ливарних формувальних сумішей / Перспективні технології на основі новітніх фізико-матеріалознавчих досліджень та комп’ютерного конструювання матеріалів. – Київ, 2019. – С. 138–140.

Лютий Р.В., Люта Д.В., Скирденко М.В. Наукові основи класифікації зв’язувальних компонентів у ливарному виробництві / Литво, Металургія 2019. – Запоріжжя, 2019. – С. 137–140.

Liutiy R., Liuta D., Skyrdenko М. Рerspective materials for foundry molds and cores / Perspectives of world science and education. – Osaka, Japan, 2019. – P. 612–617.

Лютий Р.В., Тишковець М.В., Люта Д.В. Екологічні передумови використання фосфатів натрію у ливарному виробництві / Прикладні науково-технічні дослідження. – Івано-Франківськ, 2020. – С. 155–157.

Лютий Р.В., Тишковець М.В., Люта Д.В. Еволюція фосфатних зв’язувальних компонентів у ливарному виробництві / Литво, Металургія 2020. – Запоріжжя, 2020. – С. 89–90.

Лютий Р.В., Тишковець М.В., Люта Д.В., Шейко О.І. Екологічний зв’язувальний матеріал для ливарного виробництва / Матеріали для роботи в екстремальних умовах-10. – Київ, 2020. – С. 230–232.

Лютий Р.В. Створення математичного методу розрахунку теплових полів ливарних стрижнів у контакті з металевим розплавом / Прикладні науково-технічні дослідження. – Івано-Франківськ, 2021. – С. 295–298.

Лютий Р.В., Прилуцький М.І., Кривик О.В. Період теплової інерційності – основа для розрахунку теплових полів ливарних форм і стрижнів / Нові матеріали і технології в машинобудуванні. – Київ, 2021. – С. 115–119.

Лютий Р.В., Тишковець М.В., Люта Д.В., Шейко О.І. Теоретичні основи створення зв’язувальних матеріалів на основі фосфатів натрію для ливарного виробництва / Управління якістю в освіті та промисловості: досвід, проблеми та перспективи. – Львів, 2021. – С. 154–155.

Лютий Р.В., Гурія І.М. Формувальні матеріали: Підручник. – К.: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2020. – 257 с.

Лютий Р.В., Федоров М.М., Люта Д.В., Бондар А.К., Павлюх С.В. Зміна комплексу властивостей піщано-бентонітової суміші при додаванні звороту стрижнів з фосфатним зв’язувальним компонентом // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. – 2017. – № 2 (41). – С. 54–59.

Лютий Р.В., Кочешков А.С., Мисливченко О.М., Люта Д.В. Холоднотвердна алюмофосфатна композиція для виготовлення керамічних оболонкових форм за витоплюваними моделями // Металургійна та гірничорудна промисловість. – 2021. – №3. – С. 36–48.

Файли

Схожі дисертації