Вспомним забытые технологии: стержневое связующее – древесный пек

Статьи от автора: Белобров Е. А.
 К.т.н. Белобров Е. А., инженеры Карпенкова О.Л., Белобров Л.Е., Белобров Е. Л., Белобров К.Е.
КНПП «Формовочные материалы Украины»

Условно смеси для литейного производства разделяются на формовочные и стержневые.

Из формовочной смеси изготавливается собственно форма, выполняющая в основном наружные поверхности отливки. Из стержневой смеси изготавливаются так называемые стержни. Стержень выполняет в основном внутренние поверхности и полости отливки и, как правило, обливается металлом со всех сторон. Стержень – более ответственная часть литейной формы, чем собственно форма, поэтому к стержневым смесям предъявляются более высокие требования.

По этой причине при производстве отливок в сырой форме используются не сырые, а упрочненные стержни.

В бывшем Советском Союзе для изготовления стержней использовалось много разновидностей водорастворимых, гидрофобных (маслянистых) и затвердевающих связующих.

Согласно классификации Берга П.П. [1] одной из разновидностей затвердевающих связующих является древесный пек.

Древесный пек – остаточный продукт фракционной разгонки масел из смол, полученных при газификации древесины. Одним из вариантов использования древесного пека в литейном производстве является применение его в качестве связующего в быстросохнущих противопригарных красках. При поджигании или тепловой сушке древесный пек плавится (80-110°С) и упрочняет краску [2].

При газификации древесины получается не только газ, смолы и другие жидкие продукты, но также и древесный уголь, используемый в литейном производстве как науглераживатель стали и горючий материал. Древесный уголь используется также во многих отраслях экономики, не связанных с металлургией вообще и с литейным производством в частности.

Затвердевающие добавки (связующие) характеризуются следующими свойствами:

- при отсутствии нагрева не происходит упрочнение связующего при любой выдержке;

- процессы чистого расплавления и затвердевания являются обратимыми, поэтому в определенных условиях литейной практики смеси с этими добавками можно многократно использовать.. По этой концепции и логике можно использовать бой стержней из смеси, приготовленной на связующей основе затвердевающих добавок при условии, что нагрев для упрочнения стержней происходит при температурах ниже порога начала выделения летучих;

- при нагреве выше температур структурных превращений наблюдается необратимая потеря прочности;

- стержни на древеснопековой связующей основе негигроскопичны. Наблюдаемая на практике гигроскопичность стержней с затвердевающими добавками связана с присутствием в смесях водорастворимых добавок или глин;

- потеря прочности за счет расплавления добавок происходит со скоростью прогрева смесей до температуры расплавления. Поэтому потеря прочности стержней из смеси с затвердевающими добавками происходит достаточно быстро. По этой причине затвердевающие связующие добавки иногда используются в смесях для тех стержней, которые должны быстро терять прочность при заливке формы жидким металлом. Исключение составляют затвердевающие добавки, коксующиеся при нагреве до высоких температур;

- после полного охлаждения тонкостенной отливки затвердевающие коксующиеся связующие добавки могут образовывать очень трудноудаляющийся стержень.

Анализируя технологические возможности древесного пека применительно к литейному производству, мы имеем в виду прежде всего переработку древесины, которой богат карпатский и прикарпатский регион. Наличие сырья для его переработки (газификации) предполагает возможность создания производства древесного пека в западных областях Украины.

В 60-е годы прошлого века ВНИИЛИТМАШЕМ (центральный технологический институт по литейному производству МИНСТАНКОПРОМА бывшего СССР) было разработано весьма эффективное связующее для литейного производства под названием «крепитель ДП» на основе древесного пека.

В исходном состоянии древесный пек – весьма хрупкая твердая смола черного цвета в виде глыбы определенной кусковатости. Хрупкость древесного пека предполагает легкое дробление и размол этого связующего. В составе древесного пека содержатся химически активные вещества. Так, в свежем древесном пеке было обнаружено 12,6% фенола, но через 75 дней его содержание снизилось до 0,6% [1].

В древесном пеке содержатся также водорастворимые добавки, содействующие повышению прочности его содержащих смесей. Влияние этих добавок на свойства смесей тем полнее и эффективнее, чем тоньше помол древесного пека, чем улучшается его соприкосновение с песчаными зернами. Однако очень тонкое измельчение древесного пека нежелательно ввиду того, что при этом усиливается его слеживаемость. Слежавшийся порошок древесного пека превращается в монолит, не пригодный для практического применения. Практически технологически достаточен размол древесного пека до размера его зерен 0,4 мм. Слеживаемость усиливается с повышением температуры и длительности хранения размолотого древесного пека.

Древесный пек хорошо растворяется в щелочи.

ВНИИЛИТМАШ, используя эту особенность древесного пека, в свое время создал литейное связующее под названием «омыленный пек», которое в течение ряда лет использовалось в литейном производстве станкостроительной отрасли бывшего СССР.

Для предупреждения слеживаемости порошок древесного пека смешивался с порошком огнеупорной глины в соотношении по массе древесный пек:глина 7:3, т.е. 70% порошка древесного пека и 30% порошка огнеупорной глины. При этом смешивание производилось путем совместного помола древесного пека и высушенной комовой глины определенной кусковатости в литейных бегунах. Это было тем более уместно, что в стержневых и в формовочных смесях традиционно содержится огнеупорная глина.

Крепитель ДП затаривался в бумажные мешки и в таком виде поставлялся потребителям.

Одним из заводов Украины, успешно освоившим технологию применения крепителя ДП как стержневого связующего, был Харьковский турбогенераторный завод (это тогдашнее название, нынешнее название – ОАО «ТУРБОАТОМ»), где в то время работал первый автор настоящей публикации.

Смесь на древесном пеке в качестве связующего использовалась при изготовлении стержней для отливок паротурбинной паропроводной арматуры из низколегированной хромомолибденованадиевой стали марки 15Х1М1ФЛ. Это были прежде всего сопловые коробки с толщинами стенок 50-100мм и массой в несколько сот килограммов, назначение которых состояло в пуске перегретого водяного пара в первую ступень паровой турбины К 300-240 мощностью 300 мегаватт. Отливки работали как при высоком давлении (240 ати), так и при высокой температуре (565°С).

Другой ответственной отливкой, для изготовления которой использовалась стержневая смесь на связующей основе древесного пека, был корпус клапана для ввода перегретого пара в рабочую полость вала с насаженными на него дисками, на которых располагались рабочие лопатки. На диафгамах, отделяющих одну ступень от другой, располагались неподвижные направляющие лопатки, работавшие при тех же параметрах водяного пара.

Масса литого корпуса клапана составляла 1350 кг при толщинах стенок до 300 мм.

По этой же технологии изготавливались и другие отливки из углеродистых сталей многочисленной номенклатуры массой 500-1000 кг.

Стержневая смесь состояла из кварцевого песка, порошковой глины, молотого древесного пека и воды.

Как констатировано выше, размол древесного пека производился совместно с размолом высушенной комовой глиной.

Смесь характеризовалась прочностью на сжатие в сыром состоянии 0,3 – 0,4 кгс/см2, прочностью на разрыв в высушенном состоянии не менее 5 кгс/см2, газопроницаемостью 120-140 ед., влажностью  4,0-4,5%.

Присутствие глины в составе любой формовочной или стержневой смеси нежелательно по следующим причинам:

- глина снижает газопроницаемость смесей, забивая поры в песчаной огнеупорной основе;

- глина играет негативную роль балласта в смеси, препятствуя полному проявлению связующих свойств крепителя;

- глина является одной из причин образования дефектов отливок в виде засоров и ужимин;

- глина наконец – один из главных факторов пригара.

Однако, несмотря на гроздь негативов, без глины в литейном производстве невозможно обойтись. Главная функция глины в этой ипостаси – придание смеси прочности в сыром состоянии. Без прочности смеси в сыром состоянии ни форму, ни стержень невозможно изготовить. Они просто развалятся уже при протяжке или попытке вынуть стержень из стержневого ящика. И в случае контакта глины с древесным пеком прочность при сушке будет значительно ниже (не менее чем на 50% в сравнении со случаем отсутствия глины).

Процесс сушки стержней предположительно протекает следующим образом. Из смеси сначала удаляется влага. При повышении температуры выше 100°С (до 100°С в смеси еще может присутствовать влага, при которой связующие свойства древесного пека не могут проявиться), когда из смеси удаляется вся влага, древесный пек сначала размягчается, а потом и раплавляется, превращаясь в жидкость, чем облегчается слияние отдельных микрокапелек древесного пека в один большой пористый макроконгломерат, обеспечивая прочность и твердость стержня. Прочность и твердость стержня происходит при остывании стержня и переходе расплавленного древесного пека в твердое состояние со связыванием отдельных песчаных зерен. На этой стадии теоретически отпадает необходимость в подводе дополнительного тепла путем продолжения сушки.

В соответствии с действовавшими в прошлые годы техническими условиями древесный пек оценивался по следующим показателям:

температура размягчения – 80-110°С;

влажность – не более 3%;

прочность на разрыв технологической пробы – 3 кгс/см2;

относительная прочность – не менее 1 кг/см2/1%*.

Состав технологической пробы, %:

кварцевый песок – 100;

молотый пек – 3;

вода – 3.

Смесь имеет повышенную прилипаемость к стержневым ящикам, поэтому последние надо смазывать керосином или смесью керосина и графита.

Древесный пек используется в качестве связующего при изготовлении стержней III, IV классов для средних и крупных отливок типа корпусов и крышек редукторов с простыми

___________________
Относительная прочность — это обычная прочность стержневой смеси, поделенная на содержание связующего в стержневой смеси, т.е. прочность, обеспечиваемая одним процентом связующего очертаниями внутренних полостей.

Стержни на связующей основе древесного пека характеризуются умеренной прочностью.

Как отмечено выше, древесный пек – очень хрупкий материал. Он легко дробится и размалывается в порошок. Поэтому заинтересованные производители литья могут покупать его в виде глыбы и размалывать в чистом виде (без глины) в обычных литейных катковых смесителях (бегунах)

Учитывая, что самостоятельно размолотый древесный пек может храниться лишь в течение считанных дней, смешивать его с порошковой глиной для предупреждения слеживаемости не будет необходимости.

При тонкостенных отливках наблюдается затрудненная выбиваемость, при массивных – удовлетворительная. Этому факту можно дать следующее объяснение: для того, чтобы стержневая смесь потеряла свою исходную прочность и при выбивке высыпалась из отливки, ее надо нагреть до определенной температуры, которая может составлять 350-500°С. В случае тонкостенного литья выполнение этого условия невозможно по причине недостаточного количества тепла в тонкостенных отливках. Оно возможно при бóльших толщинах стенок, способных передать стержню достаточно тепла необходимого для достаточно полного выгорания и термодеструкции древесного пека.

Стоимость исходных формовочных материалов самым непосредственным образом влияет на экономическую эффективность производимого литья.

Необходимость производства древесного пека тем более актуальна, что примерно равный ему по технологическим возможностям лигносульфонат технический в Украине не производится. Его приходится импортировать, и он стоит очень дорого.

В западноукраинском регионе есть по меньше мере четыре лесохимических комбината, занимавшихся в советское время газификацией древесины. Это Свалявский, Великобычковский, Перечинский и Выгодский лесохимические комбинаты. И если хотя бы одно из этих предприятий начало производить древесный пек, это стало бы большой подмогой литейному производству Украины.

На основе продуктов термической переработки древесины можно получать ряд связующих материалов для формовочных смесей литейного производства. Эти противопригарные добавки, добавки для улучшения выбиваемости, водорастворимые поверхностно-активные добавки для формовочных смесей и суспензий на основе различного типа глинистых материалов.

Среди этих потенциальных материалов есть уникальный водорастворимый крепитель типа российского КВС-2 Ветлужского лесохимического комбината, обладающий уникальной особенностью быстро  отверждаться при минимальных затратах тепла. Этот крепитель в свое время также использовался харьковским «ТУРБОАТОМОМ», зарекомендовав себя как очень эффективное связующее для производства стальных  отливок массой 500-1000 кг.

Ведающим экономикой службам Украины следует подумать о привлечении инвестиций, чтобы возобновить ранее существовавшее в Украине производство по переработке карпатской древесины, одним из сопутствующих продуктов которого мог бы быть древесный пек.

Литература:

  1. Берг П.П. Формовочные материалы. Машгиз, М., 1963.
  2. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. М., «Машиностроение», 1990, с.87
Опубликовано: ИТБ "Литье Украины", №5 (201) 2017 г.
Стр. 17-19