Бентонит в литейном производстве – методы испытаний и перспективы использования

Снисарь В.П.

В литейном производстве бентонит широко используется как минеральное связующее для песчано-бентонитовой формы. Несмотря на то, что литье в песчано-глинистую форму (литье «в землю») является одной из самых древних технологий литья - она не утрачивает своего значения в промышленных технологиях как в настоящее время, так и в обозримом будущем.

В Украине основными потребителями бентонита для формовки до недавнего времени были Кременчугский сталелитейный завод и Мариупольский «Азовэлектросталь», которые отливали детали для железнодорожных вагонов в основном для РЖД. С их остановкой потребление бентонита резко сократилось, но это не означает уход этого материала в прошлое, поскольку перспективы его использования и в Украине остаются высокими. Как только какое-то очередное правительство увидит истинные приоритеты в развития страны – а географией определено, что для Украины это сельскохозяйственное производство и транспорт – то сразу же возникнет потребность в организации производства широкой гаммы дизельных двигателей для сельскохозяйственных и дорожностроительных машин, транспортных средств различной специализации. А литье деталей моторной группы – это традиционная ниша для технологии литья в сырую песчано-бентонитовую форму на автоматических формовочных линиях. Поэтому уже сегодня стоит проанализировать опыт использования этого материала и наметить пути его совершенствования.

Оптимальная область использования

Больше всего бентонит используется при отливках массовых серий деталей (десятки и сотни тысяч) весом от первых килограммов до нескольких сот килограммом, производимых на автоматических формовочных линиях (АФЛ) по технологии литья в сырую песчано-бентонитовую форму. Чаще всего это отливки деталей моторной группы в автотракторном машиностроении, а также детали для железнодорожных вагонов. Литье ремонтного типа или мелкосерийное производство нецелесообразно производить с использование этой технологии, поскольку только в массовом производстве сырая песчано-бентонитовая форма оказывается экономически выгодной по сравнению с другими технологиями литья. Именно поэтому больше всего бентонита для литья используется в странах с развитым автомобилестроением, имеющим характер массового производства: Германия, Франция, США, Япония, а в последнее время и Китай.

Качественные показатели бентонита для литейного производства в Украине в настоящее время регламентируются межгосударственным стандартом ГОСТ 28177-89 «Глины формовочные бентонитовые. Общие технические условия» [1], который был введен в действие с 01.01.1991 года взамен ГОСТ 3226-77 «Глины формовочные. Общие технические условия» [2].

Обзор методик испытаний формовочных глин в СССР.

В стандарте 1977 года в качестве формовочных были выделены три группы глин: Б -бентонитовые; К - каолиновые и каолинит-гидрослюдистые; П – полиминеральные.

Основными маркуобразующими показателями были определены свойства песчано-глинистой смеси, содержащей 10% глинистого связующего:

1) предел прочности при сжатии во влажном состоянии;

2) предел прочности при сжатии с сухом состоянии;

3) количество вредных примесей, к которым были отнесены Fe₂O₃, Na₂O+K₂O, CaO+MgO.

В это время в литейных цехах СССР широко использовались каолинит-гидрослюдистые глины типа Дружковской или Часов-Ярской для литья в сухую песчано-глинистую форму, а в случае литья в сырую форму применялся бентонит, но он вводился в формовочную смесь обычно не в виде порошка, а в виде суспензии, в которую добавляли соду при использовании кальциевого бентонита. Такая технология сохранилась и до сегодняшнего дня на некоторых машиностроительных предприятиях, в частности на МАЗе в Беларуси и некоторых других предприятиях.

Согласно стандарта 1977 года природный натриевый бентонит был плохим формовочным материалом из-за повышенного содержания натрия, а кальциевый бентонит не нужно было обрабатывать содой, поскольку это переводило бы его в более низкую марку - по содержанию вредных примесей. Этот стандарт действовал до конца 1990 года и под его требования была построена и запущена в работу в 1980г. первая очередь Дашуковского комбината бентонитовых глинопорошков с проектной производительностью 600 тыс. т./год. В основном продукция этого предприятия планировалась для обеспечения нужд литейного производства КамАЗа, а запасы сырья Дашуковского участка Черкасского месторождения бентонитовых глин были подсчитаны и оценены в 1984г. на соответствие требованиям ГОСТа 3226-77

С первых же лет использования глинопорошка Дашуковского производства стало понятно, что при использовании на автоматических формовочных линиях бентопорошка для производства сырых форм нужны несколько другие его свойства, чем требует ГОСТ 3226-77. Так для уменьшения брака из-за ужимин формы кальциевый бентонит нужно активировать содой – для этого потребовалось ввести в маркуобразующие такой показатель как «предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги». Также актуальным становится показатель «термостойкость» как способность бентонита сохранять свои связующие и влагоудерживающие свойства после воздействия высокой температуры. При литье в сухую песчано-глинистую форму этот показатель не важен, но при многократном использовании бентонита в производстве сырой формы на автоматической линии он становится чрезвычайно важным. Чем выше показатель термостойкости – тем ниже удельные расходы бентонита и кварцевого песка на тонну годного листья и соответственно выше экономические показатели литейного производства. Еще одним отличием от требований ГОСТа 1977 года была необходимость испытания формовочной смеси, содержащей не 10%, а только 5% глинистого материала – поскольку для обеспечения лучшей газопроницаемости сырой формы нужно стремиться к минимизации количества глинистой составляющей в формовочном материале.

С учетом этих требований был разработан ГОСТ 28177-89 именно для бентонитовых глин - а не для всех видов глин – как ГОСТ 1977года. В этом нормативном документе основными маркуобразующими показателями являются три свойства песчано-бентонитовой смеси, состоящей из 95% кварцевого песка определенного гранулометрического состава и 5% порошкообразного бентопорошка, а именно:

1) предел прочности при сжатии в сыром состоянии;

2) предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги;

3) термическая устойчивость.

За время действия этого стандарта с 1991 года до настоящего времени накоплен практический опыт его использования, который показывает его несомненную прогрессивность в сравнении со стандартом 1977 года, но в то же время есть и слабые моменты, требующие корректировки.

Сравнение методик испытаний

В условиях открытости рынков товаров и услуг полезно будет сопоставить показатели качества формовочных бентонитовых порошков согласно действующего ГОСТ 28177-89 с таковыми согласно нормативных документов, которыми пользуются производители на европейском рынке.

Анализ листов технических характеристик бентопорошка для литейного производства показывает, что на европейском рынке большинство производителей бентонита для литейного производства декларирует качественные показатели песчано-бентонитовой смеси с содержание бентонита 5% в соответствии с Методикой испытаний немецкого общества литейщиков, известной как Методика VDG P-69 [3], а в США – согласно Методике американского общества литейщиков - AFS Methods. В обеих методиках регламентированы процедуры определения показателя «Предел прочности при сжатии в сыром состоянии» (англ.-GreenCompressionStrength, нем.-Druckfestigkeitgrün) и показателя «Предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги» (англ.-WetTensileStrenght, нем.- Nasszugfestigkeit).

Первое отличие состоит в том, что в немецкой методике прочностные показатели смеси определяются при уплотняемости смеси 45±1%, в американской методике – при уплотняемости 43±3%, а в ГОСТ 28177-89 вообще не регламентирована величина уплотняемости, хотя от ее значения зависят прочностные показатели. Фактически прочностные показатели смеси согласно ГОСТа фиксируются обычно при ее уплотняемости в пределах 30-40%. А в реальных условиях литейного цеха уплотняемость обычно составляет 43-45%, поскольку при этом наблюдаются оптимальные соотношения прочностных свойств, газопроницаемости, текучести, поверхностной прочности и др. свойств формовочной смеси.

Вторым отличием является время перемешивания смеси: согласно ГОСТа перемешивание осуществляется в катковом смесителе в течение 20 минут при закрытой крышке и избытке влаги, а потом еще неограниченное количество времени до достижения максимальной прочности смеси при ее подсыхании. Фактически суммарное время перемешивания достигает 35-40 минут., что является недостижимым условием в литейном цехе. В немецкой же методике время перемешивания в катковом смесителе ограничено всего 6-ю минутами, а также предусмотрена последующая выдержка в эксикаторе в течение 1 часа, что соответствует выдержке смеси в бункере перед подачей на формовочную линию. То есть, в немецкой методике подготовка смеси перед испытанием максимально приближена к условиям ее подготовки в литейном цехе, а согласно ГОСТу смесь можно перемешивать неограниченно долго – но такой возможности фактически нет в условиях реального производства.

Также важным отличием является требования по гранулометрическому составу порошка: согласно ГОСТа 28177-89 остаток на сите 160 микрон не должен превышать 10%, тогда как формовочные порошки европейского производства показывают остаток на сите 56 микрон в количестве 5 -10%. Грубый помол несомненно негативно отражается на удельном расходе бентонита и приводит к медленному выходу формовочной смеси на свои оптимальные параметры.

Еще одним отличием является определение согласно Методики VDG P-69 «предела прочности при сжатии смеси в сухом состоянии». Этот показатель должен быть как можно ниже для технологии литья в сырую форму на автоматических формовочных линиях – так как он характеризует остаточную прочность формы после заливки и остывания металла и при высоких значениях затрудняет выбивку и увеличивает уход формовочной смеси из системы смесеприготовления. В ГОСТе определение этого показателя не предусмотрено.

На практике смеси, испытанные согласно ГОСТа 28177-89, при их испытаниях согласно VDG P-69 показывают прочностные показатели на 15-20% ниже. Бентонитовый порошок, произведенный по требованию ГОСТа, медленнее адсорбирует воду и за короткое время перемешивания не успевает обеспечить необходимую прочность. Этот недостаток компенсируется увеличением количества вводимого в смесь бентонита. Соответственно увеличивается удельный расход бентонита на тонну литья.

Еще один важный момент демонстрирует рисунок 1, на котором приведена диаграмма, позаимствованная из [4]. Видим, что термическая устойчивость бентонита сильно зависит от содержания в нем железа, а также присутствия в смеси углеродистых противопригарных добавок, которые широко используются при литье чугунных изделий. Испытания такого типа не предусмотрено стандартом, хотя их необходимость очевидна.

Таким образом, приходится констатировать, что есть существенные различия в методике испытаний песчано-бентонитовых смесей по действующему в Украине ГОСТу в сравнении с методиками испытаний этих смесей в Европе и США.

Выводы и предложения.

1. Зарубежные производители бентонитовых глинопорошков для литья выполняют испытания их качественных характеристик на соответствие не международных или национальных стандартов, а методик национальных литейных ассоциаций, а эти методики по сути являются документом уровня «Стандарт научно-технического общества».

2. Методика немецкого общества литейщиков предусматривает испытания формовочной смеси при условиях, близких к реально существующим в литейном цехе, тогда как требования ГОСТ 28177-89 можно воспроизвести только в лабораторных условиях. Поэтому результаты испытаний по нему далеко не полно отражают свойства бентонитового связующего в условиях реального производства.

3. ГОСТ 28177-89 разработан в СССР, в настоящее время имеет статус «межгосударственный» и порядок внесения в него нужных изменений не определен. Поэтому целесообразно корректировки методик испытаний бентонитов выполнять не через государственную стандартизацию, а путем принятия соответствующих документов на уровне профессиональных ассоциаций.

Литература

1. ГОСТ 28177-89 Глины формовочные бентонитовые. Общие технические условия.
2. ГОСТ 3226-77 Глины формовочные. Общие технические условия.
3. VDG-MERKBLATT P-69
4. Cornelis Grefhors. PrüfungvonBentoniten. Giesserei 93 05/2006, p.26-31