способ получения карбамидофуранового связующего для изготовления литейных стержней по нагреваемой оснастке

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБАМИДОФУРАНОВОГО СВЯЗУЮЩЕГО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ СТЕРЖНЕЙ ПО НАГРЕВАЕМОЙ ОСНАСТКЕ, включающий двухстадийную конденсацию карбамида, формальдегида и фурфурилового спирта при их молярном соотношении в расчете на конечный продукт 1 2 (1,0 1,1) с проведением на первой стадии конденсации карбамида и формальдегида сначала в щелочной, затем в кислой среде путем введения расчетных количеств 2%-ного раствора серной кислоты до получения рН конденсата 4,8 5,4, нейтрализации и вакуум-сушки конденсата, а на второй стадии введения фурфурилового спирта, отличающийся тем, что на стадии конденсации в кислой среде дополнительно вводят 3 5 мас. уксусного ангидрида от количества 2%-ного раствора серной кислоты, а на второй стадии дополнительно вводят 5 10 мас. этиленгликоля от количества фурфурилового спирта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к литейному производству, а именно к способам получения карбамидофурановых связующих, используемых в составах песчано-смоляных смесей при изготовлении литейных стержней по нагреваемой оснастке.

Известен способ получения карбамидофурановых смол, заключающийся в конденсации карбамида с формальдегидом и последующим введением в карбамидоформальдегидный конденсат фурфурилового спирта [1]

Смолы, полученные этим способом, при хранении имеют тенденцию к расслаиванию и образованию осадка, что приводит при дозировании их в кварцевый песок к нестабильности свойств песчано-смоляных смесей и к повышенному браку отливок.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения карбамидофуранового связующего для изготовления литейных стержней по нагреваемой оснастке, заключающийся в проведении двухстадийной конденсации карбамида, формальдегида и фурфурилового спирта при их общем мольном соотношении на конечный продукт, соответственно, 1:2:(1,0-1,1) с проведением на первой стадии конденсации карбамида и формальдегида сначала в щелочной, а затем в кислой среде за счет введения расчетных количеств 2%-ного раствора серной кислоты, нейтрализации и вакуум-сушки конденсата, а на второй стадии введением в конденсат фурфурилового спирта [2]

Этим способом производится получение карбамидофурановой смолы КФ-90, широко распространенной в литейном производстве России при получении стержней по нагреваемой оснастке.

Однако живучесть песчано-смоляных смесей с смолой КФ-90, а также прочность на растяжение образцов из песчано-смоляных смесей в горячем состоянии нуждаются в дальнейшем улучшении.

Цель изобретения повышение живучести песчано-смоляных смесей с карбамидофурановым связующим и повышение их прочности в "горячем состоянии".

Цель достигается тем, что на стадии конденсата карбамида с формальдегидом в кислой среде дополнительно вводят уксусный ангидрид в количестве 3-5 мас. 2%-ного раствора серной кислоты, а на второй стадии дополнительно вводят этиленгликоль в количестве 5-10 мас. фурфурилового спирта.

Технический уксусный ангидрид (CH₃CH)₂O бесцветная прозрачная жидкость с едким запахом, содержание основного вещества не менее 98,5% (ГОСТ 21039-75).

Технический этиленгликоль C₂H₄(OH)₂ применяется согласно ГОСТ 19710-83 Е.

П р и м е р. В реактор загружают 37%-ный формалин (5120 кг), к нему добавляют 5-30 л 4%-ного раствора едкого натра для доведения pH формалина до 7,5-8,5. После этого загружают карбамид (1900 кг), при этом расчетное мольное соотношение карбамида и формальдегида составляет 1:2. Получаемый конденсационный раствор имеет следующие показатели: pH 8,0-9,3, коэффициент рефракции 1,409-1,412, температура 20-30^оС. При непрерывном перемешивании и "обратно" включенном холодильнике температуру в реакторе повышают до 94-100^оС со скоростью подъема температуры 1^оС/мин. Процесс конденсации ведут 20 мин, при этом коэффициент рефракции повышается до 1,418-1,422, а pH конденсационного раствора снижается до 6,0-8,0. Затем осуществляют конденсацию в кислой среде. С этой целью загружают 22,5 л 2%-ной серной кислоты (22,77 кг) и 0,62-1,05 л уксусного ангидрида =1,082 кг/дм³ (0,68-1,14 кг), при этом содержание уксусного ангидрида 2%-ной серной кислоты составляет 3-5 мас. а pH реакционной массы доводится до 4,8-5,4. Конденсацию в кислой среде проводят при 94-100^оС при непрерывном перемешивании и "обратно" включенном холодильнике в течение 20-60 мин до достижения вязкости конденсационного раствора 14,0-15,5 с (по вискозиметру ВЗ-246 с соплом 4 мм) и прозрачности его пробы. Далее следует нейтрализация и вакуум-сушка конденсационного раствора. С этой целью загружают 4%-ный раствор едкого натра в количестве, необходимом для доведения pH смолы до 8,5-9,0. Одновременно температуру реакционной массы снижают до 60-70^оС, а холодильник переключают на "прямой" отгон надсмольной воды. В реакторе создают разрежение 0,7-0,85 атм и поддерживают температуру 60-70^оС. В конце процесса сушки допускается повышение температуры до 75^оС. Процесс сушки ведут до достижения вязкости 15-23 с (по вискозиметру ВЗ-246 с соплом 4 мм, при 20^оС) и коэффициента рефракции 1,437-1,439. В процессе сушки смолы отгоняются вода, метанол и частично не вступивший во взаимодействие формальдегид. Надсмольная вода скапливается в вакуум-приемнике, откуда направляется в печь сжигания. При достижении требуемых показателей по вязкости и коэффициенту рефракции процесс сушки прекращается и содержимое реактора охлаждают до температуры не более 45^оС. После этого вакуум с реактора снимают и подают в реактор фурфуриловый спирт (3280 кг) и этиленгликоль (164-328 кг), причем расход этиленгликоля составляет 5-10 мас. фурфурилового спирта. Содержимое реактора перемешивают в течение 15-20 мин и берут пробу смолы для определения pH, который должен быть в пределах 8,5-9,0. Если pH пробы смолы ниже указанных пределов, дополнительно подают в реактор 1-12 л 4%-ного раствора едкого натра и перемешивают содержимое реактора в течение 15-20 мин, после чего снова отбирают пробу смолы на соответствие ее pH 8,5-9,0, вязкости 12-16 с (по вискозиметру ВЗ-246, сопло 2 мм, 20^оС), массовой доли свободного формальдегида не более 2,2% и массовой доли азота не более 9% При содержании азота в смоле более 9% увеличивают загрузку фурфурилового спирта до 3400 кг на операцию. Готовую смолу подают в емкость хранения готовой продукции.

В табл. 1 приведены изменяющиеся параметры синтеза смолы по изобретению (примеры 1-3), а также при их выходе за установленные пределы (примеры 4 и 5) и при воспроизведении способа синтеза по прототипу (пример 6).

Карбамидофурановое связующее по изобретению это подвижная жидкость светло-коричневого цвета, условная вязкость, при 20 1^оС по вискозиметру ВЗ-246 (сопло 4 мм) не более 13-17 с, доля азота не более 9 мас. доля свободного формальдегида не более 2,3 мас. плотность при 20^оС 1,08-1,12 г/см³.

Для испытаний связующих (см. табл. 1) использовались песчано-смоляные смеси идентичных составов, мас. ч. кварцевый песок 100; смоляное связующее 2,5; катализатор горячего отверждения КЧ-41 на основе азотнокислой меди 0,9.

3 кг кварцевого песка и 27 г катализатора КЧ-41 перемешивали в лабораторных катковых бегунах модели 018 М в течение 2 мин, затем добавляли 75 г смоляного связующего и перемешивали еще 2 мин.

Изготовление стандартных образцов из песчано-смоляной смеси производили методом ее надува в стержневой ящик, нагретый до 220 5^оС. Время надува 1 с. Время выдержки смеси в оснастке до извлечения образца 10 0,5 с и 30 0,5 с. Прочностные испытания образцов (на растяжение) осуществляли в горячем состоянии (сразу по извлечению образца) и в холодном состоянии (после остывания образца на воздухе до 20^оС).

Определение живучести песчано-смоляной смеси проводили путем сравнения прочностных показателей, полученных на образцах из свежеприготовленной смеси и смеси, выдержанной (в полиэтиленовом пакете при 20^оС) в течение 4, 8, 12, 16 и т. д. часов после ее приготовления. За критерий живучести принималось время выдержки готовой смеси до изготовления образца, при котором прочность образца снижалась на 10% по сравнению с результатами испытаний из свежеприготовленной смеси.

Результаты испытаний смесей с связующими приведены в табл. 2.

Из табл. 2 следует, что связующее, полученное способом по изобретению (примеры 1-3), обеспечивает повышение живучести песчано-смоляных смесей в 1,75-2,25 раз и повышение прочности в горячем состоянии в 1,28-1,44 раза. Прочность в холодном состоянии остается на том же уровне, что и в прототипе.

При выходе за обусловленные граничные пределы по содержанию уксусного ангидрида и этиленгликоля при получении связующего наблюдается ухудшение свойств песчано-смоляных смесей. При содержании указанных ингредиентов ниже нижних пределов (пример 4 в табл. 2) не наблюдается существенного повышения прочности в горячем состоянии, при содержании их выше верхнего предела (пример 5 в табл. 2) имеет место резкое снижение живучести смеси.

Таким образом, реализация изобретения позволяет повысить живучесть песчано-смоляных смесей в 1,75-2,25 раз, увеличить прочность смесей в горячем состоянии в 1,28-1,44 раза и за счет этого улучшить качество песчаных стержней для производства отливок, повысить производительность стержневых автоматов и сократить потери смеси из-за потери ею живучести.