Створення неорганічних зв’язувальних компонентів і процесів формоутворення ливарних стрижнів на їх основі

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorЛютий, Ростислав Володимирович
dc.contributor.authorТишковець, Марія Вячеславівна
dc.date.accessioned2023-02-27T14:26:42Z
dc.date.available2023-02-27T14:26:42Z
dc.date.issued2022
dc.description.abstractenTyshkovets M. V. The formation of inorganic binders and processes of production of foundry cores on their based. – The qualification scientific work presented as a manuscript. Thesis for the degree of Doctor of Philosophy in the field of knowledge 13 Mechanical Engineering, major in 136 Metallurgy. – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2022. The dissertation is devoted to the formation of new environmentally friendly phosphate binders with stable chemical and mineralogical composition, the development of simplified technology for their production and implementation of processes of forming foundry cores based on them with improved technological properties for iron-carbon alloy castings. In order to create new inorganic binders, the analysis of physicochemical processes occurring in orthophosphoric acid systems with inorganic sodium salts was carried out, new variants of phosphate binder synthesis were theoretically established and confirmed in practice. The kinetics of binder formation in systems of phosphoric acid with carbonate, tripolyphosphate, and sodium chloride (Na2CO3, Na5P3O10, NaCl) has been studied. In particular, the mechanism of formation of sodium phosphates with binding properties as a result of direct chemical interaction of sodium chloride with orthophosphoric acid was established for the first time. In order to determine the phase and mineralogical composition of the binder components formed by the interaction of inorganic sodium salts with orthophosphoric acid, it was found that binders formed at normal temperature or heat not exceeding 150 С have the structure of orthophosphates, at 150…250 С – pyrophosphates, and at 250…300 С – sodium metaphosphates. In order to study the dynamics of structural transformations during heating of binders formed in systems of orthophosphoric acid with sodium tripolyphosphate and aluminum sulfate, descriptions of the mechanisms of thermal transformations have been developed. In particular, the phase composition of phosphosulfate binder formed from orthophosphoric acid and aluminum sulfate at different temperatures in the range from 200 to 1000 С was determined. It has been established that when heated, there is a gradual removal of crystalline water, the transformation of aluminum metaphosphate into orthophosphate, and thermal decomposition of aluminum sulfate. It has been established that in the composition of the sodium phosphate binder formed from orthophosphoric acid and sodium tripolyphosphate, as part of the mixture, when heated, sodium pyrophosphate is converted into metaphosphate in the range of 200…300 C, which, after melting at a temperature of about 550 C and the next hardening, passes into amorphous state. In order to study the dependence of physical and mechanical properties of core mixtures on their composition, for the first time the regularities of the influence of the crystal structure of synthesized sodium phosphates on their binding capacity in the composition of molding and core mixtures were established. It has been shown that disubstituted sodium pyrophosphate Na2H2P2O7, which is formed in the system of sodium tripolyphosphate with phosphoric acid, provides the greatest strength. This is explained by the presence of hydrogen bonds and the ratio of the ionic radii of Na+ and P2O7 4- equal to 0.196. Two variants of phosphosulfate and sodium phosphate binder synthesis have been developed. The first option provides for the formation of dry binders by holding aluminum sulfate or sodium tripolyphosphate with phosphoric acid at a temperature of 200 С with mass ratios of 10:1 and 5:1, respectively. According to the second option, the binders are formed directly during the thermal hardening of the cores (150…300 С) from solutions of aluminum sulfate (10…20%), tripolyphosphate (20…30%), chloride (25…30%), carbonate (25…30%) sodium in orthophosphoric acid. In order to determine the optimal formulations of core mixtures, the planned experiments and mathematical processing of their results were carried out. Phosphosulfate binder at a content of 3.0...3.5% in the mixture provides compressive strength of 2.5...3.0 MPa, a binder based on orthophosphoric acid and NaCl at a content of 4.5… 5.0% – 2.8…3.0 MPa, binder based on orthophosphoric acid and Na2CO3 at a content of 3.0… 3.2% – 2.6…2.8 MPa, binder based on orthophosphoric acid and Na5P3O10 at a content of 4.5…5.0% – 3.2…3.6 MPa. Laboratory tests of the developed core mixtures were carried out and their working properties were determined. Cores with phosphosulfate binder after pouring iron-carbon melts have a minimum residual strength due to thermal destruction of this binder when heated. In the composition of the cores with all the sodium phosphate binder, when heated, a melt of sodium metaphosphate is formed, which contributes to a significant increase in their residual strength, however, due to the water solubility of sodium metaphosphate, the minimum work of knocking out the cores is provided. The practical significance of the results of the dissertation is due to the fact that, on the basis of theoretical research, new technologies for the synthesis of phosphate binders have been created and core mixtures with improved technological properties have been developed on their basis for the manufacture of castings from iron-carbon alloys. The processes of synthesis of binders are simple, low-operational, require a minimum of materials and can be implemented as part of the core mixture during thermal hardening of the core, and before preparing the mixture at a chemical plant or directly in the foundry. Ready-made binders have a virtually unlimited shelf life; they are as environmentally friendly as possible. The results of the dissertation work have been introduced into the educational process at the Department of Foundry Production, Е. О. Paton Educational and Research Institute of Materials Science and Welding, National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”. The results of theoretical research and their practical implementation on the creation of new inorganic binders based on aluminum and sodium phosphates, as well as technologies for making foundry cores using the developed materials are included in the content of disciplines: “Molding materials” (Bachelor’s degree, 5th semester, section “Binders”) and “Foundry technology” (Bachelor’s degree, 6th semester, section “Foundry cores”).uk
dc.description.abstractukТишковець М. В. Створення неорганічних зв’язувальних компонентів і процесів формоутворення ливарних стрижнів на їх основі. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 13 Механічна інженерія за спеціальністю 136 Металургія. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2022. Дисертацію присвячено створенню нових екологічно безпечних фосфатних зв’язувальних компонентів (ЗК) зі стабільним хімічним та мінералогічним складом, розробленню спрощених технологій їх отримання та реалізацію процесів формоутворення ливарних стрижнів на їх основі з підвищеними технологічними властивостями для виготовлення виливків із залізовуглецевих сплавів. З метою створення нових неорганічних ЗК проведено аналіз фізикохімічних процесів, які відбуваються у системах ортофосфорної кислоти з неорганічними солями натрію, теоретично встановлено нові варіанти синтезу фосфатних ЗК та підтверджено їх на практиці. Досліджено кінетику утворення ЗК у системах ортофосфорної кислоти з карбонатом, триполіфосфатом та хлоридом натрію (Na2CO3, Na5P3O10, NaCl). Зокрема, вперше установлено механізм утворення фосфатів натрію із зв’язувальними властивостями в результаті прямої хімічної взаємодії хлориду натрію з ортофосфорною кислотою. З метою визначення фазового та мінералогічного складу ЗК, утворених внаслідок взаємодії неорганічних солей натрію з ортофосфорною кислотою, установлено, що ЗК, які утворюються при нормальній температурі або при нагріванні не вище 150 С, мають будову ортофосфатів, при 150…250 С – пірофосфатів, а при 250...300 С – метафосфатів натрію. З метою дослідження динаміки структурних перетворень під час нагрівання ЗК, утворених у системах ортофосфорної кислоти з триполіфосфатом натрію та сульфатом алюмінію, розроблено опис їх механізмів термічних перетворень. Зокрема, визначено фазовий склад фосфосульфатного ЗК, утвореного із ортофосфорної кислоти і сульфату алюмінію, при різних температурах в інтервалі від 200 до 1000 С. Установлено, що під час нагрівання відбувається поступове видалення кристалогідратної води, перетворення метафосфату алюмінію на ортофосфат, термічний розпад сульфату алюмінію. Установлено, що у складі натрійфосфатного ЗК, утвореного із ортофосфорної кислоти та триполіфосфату натрію, у складі суміші під час нагрівання відбуваються перетворення пірофосфату натрію на метафосфат в інтервалі 200…300 С, який після розплавлення при температурі близько 550 С і подальшого затвердіння при охолодженні переходить в аморфний стан. З метою дослідження залежності фізико-механічних властивостей стрижневих сумішей від їх складу вперше встановлено закономірності впливу кристалічної будови синтезованих фосфатів натрію на їх зв’язувальну здатність у складі формувальних та стрижневих сумішей. Показано, що найбільшу міцність забезпечує двозаміщений пірофосфат натрію – Na2H2P2O7, який утворюється у системі триполіфосфату натрію з ортофосфорною кислотою. Це пояснюється наявністю водневих зв’язків та співвідношенням іонних радіусів Na+ та P2O7 4- , яке дорівнює 0,196. Розроблено два варіанти синтезу фосфосульфатного та натрійфосфатних ЗК. Перший варіант передбачає утворення сухих ЗК під час витримки сульфату алюмінію або триполіфосфату натрію з ортофосфорною кислотою при температурі 200 С, з масовими співвідношеннями 10:1 та 5:1 відповідно. За другим варіантом ЗК утворюються безпосередньо під час теплового зміцнення стрижнів (150…300 С) із розчинів сульфату алюмінію (10…20%), триполіфосфату (20…30%), хлориду (25…30%), карбонату (25…30%) натрію в ортофосфорній кислоті. З метою визначення оптимальних рецептур стрижневих сумішей проведено плановані експерименти та математичне оброблення їх результатів. Фосфосульфатний ЗК при вмісті в суміші 3,0…3,5% забезпечує міцність при стисканні 2,5…3,0 МПа, ЗК на основі ортофосфорної кислоти та NaCl при вмісті 4,5…5,0% – 2,8…3,0 МПа, ЗК на основі ортофосфорної кислоти та Na2CO3 при вмісті 3,0…3,2% – 2,6…2,8 МПа, ЗК на основі ортофосфорної кислоти та Na5P3O10 при вмісті 4,5…5,0% – 3,2…3,6 МПа. Проведені лабораторні випробування розроблених стрижневих сумішей та визначено їх робочі властивості. Після заливання залізовуглецевими розплавами стрижні з фосфосульфатним ЗК мають мінімальну залишкову міцність, що зумовлено термічною деструкцією цього ЗК при нагріванні. У складі стрижнів з усіма натрійфосфатними ЗК під час нагрівання утворюється розплав метафосфату натрію, що сприяє значному збільшенню їх залишкової міцності, однак через водорозчинність метафосфату натрію забезпечується мінімальна робота вибивання стрижнів. Практичне значення результатів дисертації обумовлене тим, що на основі теоретичних досліджень створено нові технології синтезу фосфатних ЗК та розроблено на їх основі стрижневі суміші з підвищеними технологічними властивостями для виготовлення виливків із залізовуглецевих сплавів. Процеси синтезу ЗК прості, малоопераційні, потребують мінімуму матеріалів та можуть бути реалізовані як у складі стрижневої суміші під час теплового зміцнення стрижня, так і перед приготуванням суміші на хімічному підприємстві або безпосередньо у ливарному цеху. Готові ЗК мають практично необмежений термін придатності, максимально екологічні. Результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес на кафедрі ливарного виробництва ІМЗ імені Є. О. Патона Національного технічного університету України «КПІ імені Ігоря Сікорського». Результати теоретичних досліджень та їх практичної реалізації щодо створення нових неорганічних зв’язувальних матеріалів на основі фосфатів алюмінію та натрію, а також технологій виготовлення ливарних стрижнів з використанням розроблених матеріалів увійшли до змісту навчальних дисциплін: «Формувальні матеріали» (бакалаврський рівень, 5 семестр, розділ «Зв’язувальні компоненти») та «Технологія ливарної форми» (бакалаврський рівень, 6 семестр, розділ «Ливарні стрижні»).uk
dc.format.page163 с.uk
dc.identifier.citationТишковець, М. В. Створення неорганічних зв’язувальних компонентів і процесів формоутворення ливарних стрижнів на їх основі : дис. … д-ра філософії : 136 Металургія / Тишковець Марія Вячеславівна. – Київ, 2022. – 163 с.uk
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/53136
dc.language.isoukuk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорськогоuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.subjectзалізовуглецевий сплавuk
dc.subjectвиливокuk
dc.subjectстрижнева сумішuk
dc.subjectсульфат алюмініюuk
dc.subjectтриполіфосфат натріюuk
dc.subjectхлорид натріюuk
dc.subjectкарбонат натріюuk
dc.subjectметафосфат натріюuk
dc.subjectтермогравіметричний аналізuk
dc.subjectтехнологія синтезуuk
dc.subjectзв’язувальний компонентuk
dc.subjectiron-carbon alloyuk
dc.subjectcastinguk
dc.subjectcore mixtureuk
dc.subjectaluminum sulfateuk
dc.subjectsodium tripolyphosphateuk
dc.subjectsodium chlorideuk
dc.subjectsodium carbonateuk
dc.subjectsodium metaphosphateuk
dc.subjectthermogravimetric analysisuk
dc.subjectsynthesis technologyuk
dc.subjectbinderuk
dc.subject.udc621.742uk
dc.titleСтворення неорганічних зв’язувальних компонентів і процесів формоутворення ливарних стрижнів на їх основіuk
dc.typeThesis Doctoraluk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Tyshkovets_dys.pdf
Розмір:
4.18 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
9.1 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ЛВ)
Дисертації (вільний доступ)