Синтез и исследование свойств фенолоформальдегидно-фурановых связующих

АННОТАЦИЯ

В работе рассматриваются синтез и свойства модифицированых фенолоформальдегидно-фурановых связующих. Проведены модификации связующих элементоорганическими соединениями и выбраны тип и количество оптимального модификатора. Разработаны новые фенолоформальдегидно-фурановые связующие для стального и титанового литья. Описаны особенности и достоинства проведенных опытно-промышленных и промышленных испытаний.

ABSTRACT

This articte deals the synthesis of phenal-formaldehyde furan binders modificament of the binders by organelement componds were carri out and optimal modifier oroperties was selected. New phenol formaldehyde furan binder for steel and titanium casting have been developed. Features of industriak and industrial tests are described and advantages experiments Phenol formaldehyde, furfuryl alcohe catalyst

Ключевые слова: фенол, формальдегид, фурфуриловый спирт, связующее, модификатор, наполнитель, катализатор отверждения, стержневые и формовочные смеси.

Keywords: modefir, bunder core andmolding mixture filler curing.

В настоящее время в литейном производстве широкое распространение получили методы изготовления стержней и форм в нагреваемой и холодной оснастке, что потребовало разработки и создания производства соответствующих классов синтетических связующих.

Наиболее широкое применение находят фуранокарбамидные связующие, содержание фурфурилового спирта в которых не превышает 40 %. Фуранокарбамидные связующие имеют низкую вязкость, легко распределяются на поверхности кварцевого песка, обеспечивая хорошие технологические свойства смесей, а стрежням придают необходимую механическую прочность, достаточную термостойкость связующего в зависимости от содержания в нем фурфурилового спирта.

Целями настоящей работы явились синтез и исследование свойств фенолофармальдегидно-фурановых связующих, предназначенных для стального и титанового литья, применяемого в литейном производстве машиностроения.

Фурановые связующие для литейного производства наиболее переспективны по сравнению с другими типами связующих этого назначения. Они обладают высокой реакционной способностью и термостойкостью, хорошими технологическими свойствами, стержневые смеси на их основе обладают высокими прочностными характеристиками, точно воспроизводят форму оснастки и легко выбиваются из отливок, а отливки имеют чистую гладкую поверхность.

В нашей стране фурановые связующие с большим содержанием фурфурилового спирта не получили распространения в связи с его острой дефицитностью и дороговизной [1–3].

Перспективно создание малотоксичного связующего, модифицированного с помощью различных добавок. Применение аналогичного синтетического связующего в литейном производстве позволяет улучшить санитарно-гигиенические условия труда и утилизировать отходы производства (кварцевый песок), а также сократить расход связующего в составе песчано-смоляных смесей (ПСС). При этом улучшается качество отливок, исключается образование газовых раковин и тем самым увеличивается производительность литейных цехов.

Следует отметить, что создание новых марок литейных связующих позволяет интенсифировать процесс их получения, создать безотходные технологические процессы и утилизировать отходы других отраслей промышленности, а также повторно использовать кварцевый песок.

В развитых капиталистических странах в литейном производстве в качестве связующего применяют анологичные фенолоформальдегидно-фурановые и фуранокарбамидные связующие, но с большим содержанием фурфурилового спирта (60–90 %) в них.

В отечественном литейном производстве фенолоформальдегидно-фурановые связующие (ФФ-1Ф, ФФ-1СМ) применяются в небольшом количестве.

Важнейшей отраслью промышленности, в которой применяются фенолоформальдегидно-фурановые связующие ФФ-1Ф для химической защиты строительных и металлоконструкций, является производство азотной кислоты и минеральных удобрений. В литейном производстве энергомашиностроения связующее ФФ-1Ф применяется для особо ответственного стального литья.

Связующее ФФ-1СМ предназначается для изготовления литейных стержней 1 и 2 класса сложности, отверждаемых в нагреваемой оснастке, и стежней 2 и 3 класса сложности, отверждаемых в нагреваемой оснастке.

Следует также отметить, что фенолоформальдегидно-фурановые связующие ФФ-1Ф в отдельности и в сочетании с фенолоформальдегидным связующим СФЖ-309 применяются для изготовления углеродных форм по выплавляемым моделям для титанового литья. Названные связующие отверждаются в присутствии органических сульфакислот и 10 %-ного раствора солянной кислоты в составе ХТС и горячих ящиках.

Связующие ФФ-1СМ также успешно применяются при получении стержней горячего оверждения для стального и чугунного литья.

Фенолоформальдегидно-фурановые связующие – это смеси фенолоформальдегидных смол с фурфуриловым спиртом либо продукт кислотной конденсации фенолоформальдегидного олигомера с фурфуриловым спиртом (ФФ-1Ф, ФФ-1СМ).

Процесс получения фенолоформальдегидно-фурановых связующих состоит из двух стадий:

– получение фенолоформальдегидного олигомера щелочной конденсацией фенола с формальдегидом;

– совместная поликонденсация ФФО с фурфуриловым спиртом.

В настоящее время в отечественном и зарубежном литейном производстве широко применяют синтетические связующие на основе фурфурилового спирта и его сополимеров.

Это объясняется тем, что в некоторых случаях гомополимеры фенолоформальдегидных, карбамидноформальдегидных связующих не полностью определенной степени удовлетворяют техническим требованиям современного автоматизированного литейного производства. При получении стальных и чугунных отливок в качестве синтетических связующих при изготовлении стержней и форм часто используют безазотистые фенолоформальдегидные и фурановые связущие. В связи с дефицитностью и высокой стоимостью фурфурилового спирта связующие на его основе в отечественном литейном производстве не нашли широкого применения.

Оптимальное сочетание свойств фенолоформальдегидных (доступность и дешевизна, достаточная термостойкость) и фурановых (высокая реакционная способность и термостойкость, лучшие санитарно-гигиенические условия труда с ними) смол в одном связующем является актуальным и переспективным.

Анализ состояния производства литейных связующих по стране показал, что они применяются для ХТС и горячего отверждения в составе стержневых и формовочных смесей.

Синтетические связующие, предназначенные для литейного производства, характеризуются содержанием общего азота, токсичных свободных мономеров и прочностными покозателями стержневых смесей на их основе, а также технико-экономическими, экологическими и другими показателями.

Нами совместно с ВНИИТМАШем (г. Волгоград) разработано новое синтетическое фенолоформальдегидно-фурановое связующее Фуритол-30 (ТУ 6-05–211-1365-84 с изм. № 1). Оно предназначено для изготовления стержней и форм из холоднотвердеющих смесей и для горячих ящиков. Необходимость его разработки вызвана развитием на машиностроительных заводах производства высококачественного стального и чугунного литья на высокомеханизированных автоматических линиях.

Фуритол-30 обладает высокой связущей способностью и отличается пониженным содержанием вредных летучих компонентов.

Его высокая связущая способность позволяет уменьшить содержание синтетического связующего в составе формовочных и стержневых смесей до 1,3 % (по массе) и снизить газовыделение на всех стадиях изготовления форм, стержней и отливок.

Зарубежным аналогом связующего Фуритол-30 является связующее Кулкат-741.

В аналогичных условиях на основании наших экспериментальных данных установлено, что с вязующее Кулкат-741 через 0,5 ч времени отверждения не дает необходимой прочности.

Сравнительные характеристики аналогичных фенолоформальдегидно-фурановых связующих, предназначенных для этих целей, проведены в таблице 1.

 Таблица 1.

Характеристика фенолоформальдегидно-фурановых связующих

Как видно из превиденных данных в таблице, связующее Фуритол-30 по прочностным, технологическим, технико-экономическим и экологическим характеристикам превосходит отечественные (ФФ-65) и зарубежные (Кулкат-741) аналоги и удовлетворяет техническим требованиям заказчика.

С помощью результатов наших иследований также можно регулировать начальную и конечную прочность стержневых и формовочных смесей. Для этого необходимо варьировать количество катализатора от 30 до 60 % от массы связующего Фуритол-30.

Для регулирования рабочей вязкости связующего также выбраны растворители-стабилизаторы, которые позволяют уменьшить расход смолы Фуритол-30 на 10–20 % в составе песчано-смоляных смесей (ПСС).

Для выявления переспективы дальнейшего увеличения начальной прочности песчано-смоляных смесей, с целью уменьшения расхода связующего Фуритол-30 мы провели модификацию тетрафурфурилтитанатом (ТФТ).

Модификатор вводили на стадии синтеза и в готовое связующее перед употреблением стержневых смесей. Экспериментально установлено, что введение модификатора ТФТ приводит к дальнейшему увеличению начальной прочности (прочность через 0,5 ч отверждения) песчано-смоляных смесей и не ухудшает стабильность свойств связующего Фуритол-30 при шестимесячном хранении.

Таблица 2.

Прочностные характеристики ПСС на основе связующего Фуритол-30 и его модификации

Таким образом, показана возможность сокращения расхода связующего Фуритол-30 до 1–1,3 % с последующим увеличением начальной и конечной прочности стержней и форм на его основе путем модификации его тетрафурфурилтитанатом в количестве от 0,3 до 3 % от массы связующего.

Довольно интересные результаты были получены при исследовании влияния различных катализаторов на скорость набора прочности ПСС на основе связующего Фуритол-30.

В связи с переводом технологии изготовления форм и стержней на прогрессивные ХТС расход свежих кварцевых песков возрастает до 5–6 т на 1 т годных отливок. Этого можно избежать, решив проблему регенерации. Показано, что ХТС на основе 100 %-ного терморегенерата по физико-механическим показателям превосходит свежие пески, а по технологическим – аналогичны им. Проведены широкие промышленные испытания связующего Фуритол-30 в составе ПСС для ответственного стального и чугунного литья на автоматических линиях ПО «Ташкентский тракторный завод» (ПО ТТЗ). Как показал опыт, связующее Фуритол-30 удовлетворяет требованиям технологического процесса изготовления стержней и форм для получения высококачественного ответственного стального и чугунного литья и по своим свойствам превосходит смеси на основе смолы ФФ-65 и импортной смолы Кулкат-741.

Выводы

1. Разработаны новые фенолоформальдегидно-фурановые связующие для стального и титанового литья.

2. Составлены технологический регламент, технические условия и санитарно-химические и токсикологические паспорта на названные связующие.

3. Исследован процесс модификации названных связующих элементоорганическими соединениями и выбраны тип и количество оптимального модификатора.

4. Исследованы тип и количество наполнителя для получения ПСС и углеродной суспензии на основе иследованных связующих.

5. Проведены опытно-промышленные и промышленные испытания в условиях заказчика: на Волгоградском тракторном заводе (г. Волгоград, Россия), Запорожском моторостроительном заводе (г. Запорожье, Украина), Ташкентском авиацонно-промышленном обьединения им И.П. Чкалова ТАПОИЧ (г. Ташкент, Узбекистан) и Ташкентском тракторном заводе (г. Ташкент, Узбекистан), Чебокарском заводе промышленных тракторов (г. Чебоксары, Россия) (ЧЗПТ).

Список литературы:

1. Матякубов Р. Синтез и исследование свойств фенолофармальдегидно-фурановых связующих. – М. : ЦИНТИ н химнефтемаш, 1992. – С. 30.
2. Матякубов Р., Мадалиев Э.У. Фурановые соединения: получение, свойства, применение. – Фергана : ФерПИ, Техника, 2003. – С. 68.
3. Матякубов Р., Урманов С., Х. Касимова и др.  Universium: Технические науки : электрон .научн. журн. 2019 № 11(68)