О новом подходе к использованию экструзионного крахмалореагента в литейном производстве

В последние годы имеет место интенсивное внедрение фурановых технологий в литейном производстве Украины при изготовлении как стержней, так и форм.

Главной причиной такой интенсивности является комплекс положительных характеристик фурановых технологий.

Уместность, приемлемость и целесообразность применения фурановых технологий для изготовления стержней не вызывает сомнений: стержень преимущественно оформляет самые сложные и ответственные внутренние поверхности отливок. Объективности ради следует отметить, что использование фурановых технологий  для изготовления форм далеко не всегда оправдывает себя ни с технологической, ни с экономической точек зрения. Это относится, прежде всего, к мелкому чугунному и стальному литью единичной массой дог 500 кг [1].

Классические технологии производства такого литья основывались на песчано-глинистых смесях с заливкой металла в сырую  неокрашенную форму.

В последние годы разработано много различных технологических добавок к песчано-глинистым смесям для изготовления отливок в сырых формах. Применение этих добавок дает значительное улучшение физико-механических и технологических характеристик песчано-глинистых смесей, поднимая эту самую дешевою  технологию на более высокий технико-экономический уровень.

После распада СССР гигантские центролиты Украины прекратили свое существование либо многократно сократили свои литейные мощности. Вместо них повсеместно появились и продолжают появляться мелкие литейные цехи и участки, использующие преимущественно сырую песчано-глинистую форму для изготовления отливок, как самую простую и дешевую. Любой вариант более прочной формы по сравнению с ее сырым вариантом требует дополнительных затрат, чему препятствует повсеместный жестокий экономический кризис. Поэтому в литейном производстве как ближнего, так и дальнего  зарубежья наметилась тенденция возврата к сырой песчано-глинистой форме. Пионером в этой тенденции является польская фирма GUSS-EX.

Реализация этого обновленного направления  требует нового подхода к производству технологических добавок, в частности экструзионного крахмалореагента (далее ЭКР) как радикального средства улучшения качества песчано-глинистых смесей.

Напомним нашим читателям важнейшие положения, касающиеся ЭКР.

ЭКР – это крахмал холодного набухания, используемый в литейном производстве в качестве технологической добавки к песчано-глинистым смесям  для производства отливок в сырых формах.

 ЭКР является полноценным аналогом и заменителем российского крахмалита.

Применение ЭКР в составах песчано-глинистых смесей обеспечивает получение следующих технических результатов:

-        происходит стабилизация влажности формовочной смеси во всем ее объеме, уменьшается зависимость физико-механических свойств смеси от колебаний влажности, увеличивается   так называемая «мокрая» прочность формы в зоне конденсации паров воды на глубине 2-4 мм от поверхности металла, резко снижается вероятность образования ужимин, засоров, песочных и газовых раковин. Рабочие поверхности формы в меньшей мере размываются  металлом. В связи с этим снижается брак по засорам, ужиминам, песочным  и газовым раковинам;

-        повышаются текучесть и формуемость  формовочной смеси, в некоторых случаях увеличивается ее прочность на растяжение  и срез, что очень важно при изготовлении форм с высокими «болванами». В частности, прочность смеси на сжатие в сыром состоянии достигает 1 кгс/см² и более;

-        устраняются характерная хрупкость форм при протяжке, подрывы болванов. Указанный недостаток возникает при сочетании низкой влажности формовочной смеси и ее высокой прочности;

-        увеличивается прочность смеси во влажном состоянии за счет более плотной упаковки компонентов формовочной смеси, прежде всего, песка;

-        при применении ЭКР фирмы «МИК-КОРН» в составе жидко-стекольной смеси значительно улучшается отпечаток и уменьшается прилипаемость смеси к модельной оснастке.

Холоднонабухающий крахмал в виде крахмалита начали использовать заводы массового производства отливок еще в 70-е годы прошлого века. Однако в Украине в те годы этот материал не производился. И поскольку производство крахмалита было лишь на одном заводе в РСФР (Подмосковье), в Украине этот материал в литейном производстве не применялся вплоть до конца ХХ века.

8-10 лет тому назад в Украине начато производство холоднонабухающего крахмалита, получившего название экструзионного крахмалореагента.

ЭКР – многоплановая технологическая добавка, но ее главной характеристикой является способность повышать текучесть формовочной смеси.

Текучесть - это способность формовочной смеси уплотняться под действием механической силы. Уплотнению песчано-глинистой смеси оказывает сопротивление внутреннее трение.

Одним из проявлений положительных свойств ЭКР является снижение вышеупомянутого внутреннего трения ПГС. Снижение внутреннего трения позволяет экономить затраты энергии на уплотнение формовочной смеси.

Главным исходным параметром ЭКР является его набухаемость, т. е. способность многократно увеличивать свой объем при затворении холодной водой.

У всех украинских производителей ЭКР набухаемость в зависимости от содержания крахмала в исходном сырье (кукурузе) составляет 6-8 см³/г.

Черкасской фирме «МИК-КОРН» используя новую оригинальную технологию, удалось получить ЭКР, стабильно характеризующийся набухаемостью 10 см³/г.

Исследованиям и испытаниям подверглись 6 проб ЭКР производства фирмы «МИК-КОРН», результаты которых приведены ниже.

Пробы 1 и 2

Результаты нормативных испытаний первых двух проб приведены в табл. 1.

Нормативное значение влажности (ТУ отдельных производителей ЭКР) согласно сложившейся практике использования ЭКР - не более 6%. Нормативное значение набухания (ТУ отдельных производителей ЭКР) - от 6 до 8 см³/г.

Нормативное значение крупности помола (ТУ отдельных производителей ЭКР) - не менее 98%.

Анализ нормативных показателей ЭКР позволяет констатировать следующее:

-        предельная влажность ЭКР может быть повышена до 7-8%, если это не будет противоречить технологической и экономической целесообразности;

-        анализ технических условий трех украинских производителей ЭКР показал, что предельной нормативной набухаемостью является ее значение 8 см³/г;

-        допускаем возможность исключить из числа норматив характеристик ЭКР содержание крахмала, так как набухание — своего рода калька с содержания крахмала. Оно пропорционально содержанию крахмала в исходном сырье и соответственно в ЭКР;

-        при прочих равных условиях набухаемость зависит от крупности помола ЭКР: чем грубее помол, тем ниже набухаемость.  Крупность обеих проб недостаточна. Этот показатель надо довести до 90%, хотя в технических условиях отдельных производителей нормативная крупность достигает 98%. Чем тоньше помол, тем лучше для качества песчано-глинистой формовочной смеси и отливок.

В последующих пробах ЭКР  фирма "МИК-КОРН" довела их крупность помола до 98% от требований ГОСТ 6613.

Важнейшим проявлением положительного влияния ЭКР на качество песчано-глинистой смеси является существенное улучшение ее физико-механических характеристик, что подтверждается результатами лабораторных испытаний смесей. Важнейшие физико-механические характеристики песчано-глинистых смесей — прочность и текучесть.

Обе пробы ЭКР (№ 1 и № 2) показали идентичные, мало отличающиеся результаты при параллельных испытаниях смесей (составы по табл. 2, 4; физико-механические характеристики — по табл. 3, 5).

Смеси вышеприведенных составов были испытаны также в производственных условиях при приготовлении замесов в катковом смесителе модели 111 при замесе 0,3 т.

Испытания четырех замесов смесей (№№ 1, 2, 3, 4) показали те же результаты  по физико-механическим характеристикам и качеству отливок, которые приведены в табл. 2, 4 для вышеупомянутых смесей №№ 1, 2, 3, 4, составы которых приведены в табл. 1,3.

Проба № 1. Набухаемость 6 см³/г

Пробы  I и II

Пробы  I и II подвергнуты ограниченным испытаниям: на набухание в холодной воде и в составах формовочных смесей. Трехкратные испытания набухаемости проб I и II показали следующие результаты, см³/г:

проба I – 8; проба II — 10. Все четыре пробы (1, 2, I, II) были проверены на содержание сухого вещества в светлых частях растворов путем их выпаривания при + 100...+105ºС до постоянства массы сухого остатка.

Результаты приведены в табл. 6.

Как видно из табл. 6, прослеживается некоторая зависимость содержания сухого вещества в светлой части раствора от показателя набухаемости: чем меньше набухаемость, тем выше содержание сухого вещества в растворе и наоборот: чем выше набухаемость, тем ниже содержание сухого вещества. Это значит, что некоторая тонкодисперсная часть ЭКР превращается в коллоид, который не осаждается на дно сосуда.

Впрочем, эти данные не позволяют делать далекоидущие однозначные выводы.

Сухое вещество — не что иное, как тонкодисперсные частицы ЭКР, обычные размеры которых не превышают 20 микрон. Эти частицы не оседают на дно емкости. Они, будучи в растворе тонкодисперсными коллоидами, находятся во взвешенном состоянии. Чем меньше размеры частиц ЭКР, тем он эффективнее в составах формовочных смесей. При прочих равных условиях благодаря большей дисперсности ЭКР его содержание в формовочной смеси может быть снижено.

Влияние проб I и II ЭКР на физико-механические характеристики ПГС идентично влиянию проб 1 и 2 ЭКР на те же характеристики ПГС, поэтому мы их не приводим.

Пробы  А и Б

Пробы  А и Б подвергнуты ограниченным испытаниям: на набухание в холодной воде и в составах формовочных смесей. Трехкратные испытания набухаемости проб А и Б показали следующие стабильные результаты, см³/г:

проба А – 9; проба Б — 10. Обе пробы были проверены на содержание сухого вещества в светлых частях растворов путем их выпаривания по вышеупомянутой методике (таблица 7).

Конкретные составы формовочных смесей с ЭКР отрабатываются в конкретных условиях каждого литейного цеха, особенно если в них содержится отработанная смесь с широкими колебаниями содержания в ней пылевидной фракции, активной и обожженной (шамотизированной) глины.

По растворимости пробы А и Б имеют отличия. Лучший результат показала проба Б, в которой присутствует высокоэффективная добавка, улучшающая растворимость вещества в воде без комкообразования. 

Используя ЭКР фирмы «МИК-КОРН», следует обращать особое внимание потребителей на следующее: главнейший и важнейший эффект применения ЭКР фирмы «МИК-КОРН» в составах формовочных смесей — улучшение их текучести, благодаря чему улучшается уплотняемость формовочной смеси за счет снижения внутреннего трения и  в некоторых случаях повышается прочность. Поэтому косвенным (ненормативным, но рекомендуемым факультативно) показателем эффективности применения ЭКР фирмы «МИК-КОРН» является повышение текучести смеси, его содержащей. Если показатель текучести смеси с ЭКР превышает показатель текучести такой же смеси, но без ЭКР не меньше чем на 30%, то данная партия ЭКР может считаться пригодной для ее эффективного использования в литейном производстве.

Для испытаний двух проб ЭКР А и Б использовались следующие исходные материалы ООО ТД «УКРНАСОССЕВИС»:

Исходная отработанная смесь, использованная для приготовления песчано-глинистых смесей с ЭКР, характеризовалась следующими показателями:

В исходном состоянии состав смеси был следующим, мас.ч:

Смесь характеризовалась следующими физико-механическими показателями:

В исходную смесь последовательно добавлялось 0,2%; 0,3%; 0,4%; 0,5% и ЭКР.

После приготовления смеси выдерживались 30 мин.

Результаты для пробы ЭКР А приведены в табл.8.

Аналогичные данные для пробы ЭКР Б приведены в табл. 9.

При сравнительных испытаниях наибольшую текучесть показали смеси, в которых содержалось  0,4-0,5 %  ЭКР проб А и Б.

Анализ данных таблиц 8 и 9 позволяет констатировать следующее:

-        с увеличением содержания ЭКР в составах песчано-глинистых смесей имеет место незначительное снижение их газопроницаемости;

-        прочность на сжатие  в сыром состоянии повышается, хотя и несущественно;

-        главный показатель песчано-глинистых смесей ЭКР – текучесть прогрессивно растет;

-        вводить в песчано-глинистые смеси ЭКР в количествах более 0,5 % нецелесообразно ввиду возможного нежелательного  эффекта комкования смеси, ухудшающего ее формуемость и текучесть.

Смеси с ЭКР проб А и Б характеризовались меньшей клейкостью (прилипаемостью), чем предыдущие пробы 1, 2, I и II.

Для производственных испытаний и практического внедрения в качестве технологической добавки в составах песчано-глинистых смесей при производстве чугунных и стальных отливок в сырых формах рекомендован ЭКР пробы Б.

Производственные испытания

Производственные испытания партии ЭКР типа Б были проведены в литейном производстве ООО ТД «УКРНАСОССЕРВИС» (г. Александрия) на чугунном литье  единичной массой отливок до 350 кг.

Смесь приготавливали в бегунах с вертикальными катками моделей 1А11 и 114 с массой рабочего замеса 0,25 и 0,50 т соответственно.

Состав единичной формовочной смеси без ЭКР, мас. ч.:

Состав единой формовочной смеси с ЭКР, мас. ч.:

Цех производит чугунное литье (чугун СЧ20) для изготовления центробежных насосов.

Особое требование к отливкам – герметичность.

Единичная масса отливок составляла от 0,1 до 300 кг. Толщины стенок 8¸30 мм.

Применялась ручная и машинная формовка.

После применения добавки ЭКР в единую формовочную смесь поверхность формы получалась более гладкой, снизилось количество обвалов и обрывов состава.

Твердость формы составляет 70-80 ед.

Особенно заметно влияние добавки ЭКР на стержневую смесь следующего состава, мас. ч.:

В процессе ручной формовки стержней (массой от 0,1 до 120,0 кг) снизилась трудоемкость на 10-15 %, повысилась пластичность смеси, снизилась осыпаемость.

На основании проведенных испытаний предприятием принято решение о постоянном применении добавки ЭКР в стержневые и формовочные смеси в соответствии с рекомендациями КНПП «Формовочные материалы Украины» (г. Краматорск).

Применение новой высокоэффективной разновидности ЭКР в литейном производстве Украины – очень важный шаг в использовании песчано-глинистых смесей высокой кондиции для производства чугунного и стального литья в сырых песчано-глинистых формах.

Обращаем особое внимание наших читателей на возможность использования ЭКР в обычных жидкостекольных смесях, отверждаемых СО₂ или теплом. Содержание ЭКР в этих смесях  - 0,4÷0,6% от массы сухих материалов. ЭКР вводится вместе с песком и глиной. После двухминутного перемешивания вводится жидкое стекло, и смесь перемешивается до требуемой прочности в сыром состоянии.

Эффект от применения ЭКР – очень хорошая текучесть, пластичность смеси.

Смесь уплотняется без образования рыхлот.

Литература:

1.    Белобров Е. А., Карпенкова О. Л., Волокита В. Я., Восковец В. Г. О проблемных вопросах применения фурановых технологий при производстве стального литья в формах из ХТС. «Литье Украины», 2013, № 2.