Оценка качества бентонита для автоматических формовочных линий по данным лабораторных тестов согласно ГОСТ 28177-89

При поставках бентонита для литейных предприятий  согласно их требований,  четко проявилась проблема, суть которой кратко можно сформулировать следующим образом: «Данные входного контроля качества бентонита согласно требований ГОСТа  28177-89 не позволяют однозначно оценить его фактическое качество для использования в той или иной формовочной линии».

Основная причина этого заключается в том, что в литейных цехах используются автоматические формовочные линии европейских производителей – в основном немецкого или датского производства, а требования к расходным материалам, в том числе и к бентониту, предъявляются в соответствии со стандартами СССР. Эти стандарты изначально не соответствовали требованиям для такого оборудования, и впоследствии не верифицировались и не актуализировались. Поэтому в данной статье предпринята попытка посмотреть, каким набором свойств характеризуются бентонитовые порошки для литейного производства европейских производителей (таблицы 1 и 2) и сравнить их с требованиями предприятий Украины и Беларуси. 

Таблица 1. Бентонитовые связующие для сырой песчано-бентонитовой формы производства LAVIOSA CHIMICA MINERARIA S.p.A (Италия)

Для обоснования выше сформулированного вывода и поиска вариантов решения проблемы рассмотрим нюансы, которые возникли при поставках бентонитового порошка, произведенного из сырья  Асканского месторождения в Грузии на три предприятия: ПАО «Кременчугский Сталелитейный Завод» (КСЛЗ) в Украине; филиал ЗАО «АТЛАНТ» Барановичский Станкостроительный Завод (БСЗ) в г. Барановичи и ОАО «Минский Тракторный Завод» (МТЗ) в г. Минск.

При подписании  договоров на поставку бентонита указанные литейные предприятия  требуют соответствия его свойств нормативам ГОСТа  28177-89 к марке П1Т1, а также предъявляют дополнительные требования, не предусмотренные этим стандартом – разные на разных  предприятиях.

Таблица 2. Бентонитовые связующие для сырой песчано-бентонитовой формы

производства  SUD-CHEMIE  (входит в структуру Clariant, Германия).

В г. Кременчуг на КСЛЗ производится стальное железнодорожное литье на  АФЛ «Künkel-Wagner», размер опоки 2700х3200 мм, производительность около 22 форм/час, способ уплотнения – воздушно-импульсный с подпрессовкой многоплунжерной головкой, интервал времени от отпрессовки формы до заливки металла варьирует от 2 до 6 часов. Наиболее часто встречающийся литейный дефект – «засор», «газовые раковины».

Перечень требований КСЛЗ к качеству бентонита согласно Спецификации к Договору поставки состоит из 13 пунктов:

1) марка П1Т1 по ГОСТ 28177-89  - с активацией 0,5% соды;

2) предел прочности при сжатии во влажном состоянии - 1,4-1,5 кгс./см²;

3) предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги - не менее 0,032 кгс./см²;

4) термическая устойчивость - не менее 0,6 ед.

5) влажность - 6-10%;

6) тонина помола:

       - остаток на сите 0,4 - не более 3,0%

       - остаток на сите 0,16 - не более 10,0%

7) коллоидальность - 95-100%;

8) водопоглощение - не менее 5,0 ед.

9) массовая доля монтмориллонита - свыше 70%;

10) массовая доля сульфидной серы - менее 0,2%;

11) массовая доля железа в пересчете на Fe₂O₃ - не более 5,0%;

12) массовая доля карбонатов в пересчете на СаСО₃ - 0,2-5,0%;

13) рН - свыше 10,0 ед.

Двенадцать из перечисленных показателей определяются согласно методик в  указанном ГОСТе, а один показатель - рН - определяется согласно внутренних нормативных документов КСЛЗ. Следует обратить внимание, что требуемое значение показателя «предел прочности при сжатии во влажном состоянии»  1,4-1,5 кг.с./см.²  является чрезвычайно высоким – ГОСТ 28177-89 для высшей марки требует всего лишь не мене 0,9 кг.с./см.².  При выполнении входного контроля качества на КСЛЗ все перечисленные показатели определяются в заводской лаборатории. Кроме того, определяется показатель «эрозионная стойкость формы» путем выполнения тестовых отливок определенной формы. 

Вначале сотрудничества на КСЛЗ были предложены образцы бентонита разного качества для выбора оптимального варианта. По итогам лабораторных испытаний этих образцов было принято решение о закупке опытной партии с обязательной активацией содой в количестве 1%.  Первая партия на входном контроле продемонстрировала самые высокие показатели:  прочность - 1,7 кг.с./см.², прочность в зоне конденсации влаги - 0,050 кг.с./см.², термостойкость - 0,98 ед,, коллоидальность – 100% - выше по сравнению с любым другим бентонитом, которые поставлялись ранее на КСЛЗ.  Но по результатам выработки опытной партии были отмечены негативные свойства формовочной смеси  такие как пониженная эрозионная стойкость, повышенное количество дефектов связанных с газовыми раковинами, засор, повышенный пригар - даже в сравнении с низкопрочным дашуковским бентонитом, на котором ранее работал КСЛЗ.

После анализа полученных результатов представителем компании-производителя бентонита было внесено предложение вообще отказаться от обработки бентонита содой, а также ввести в него  влагустабилизирующую добавку типа крахмалита или водорастворимой целлюлозы. Это позволило бы уменьшить рабочую влажность смеси и снизить показатель «осыпаемость через 1 час» - что способствовало бы снижению вероятности образования газовых раковин, а также  способствовало бы снижению брака по причине «засора». От такого варианта на КСЛЗ отказались, но согласились уменьшить активацию содой до 0,5% и показатель прочности при сжатии снизить до значения 1,4-1,5 кг.с./см². В таблице 3 приведены основные свойства формовочной смеси на бентоните со скорректированными требованиями.  

Таблица  3. Свойства формовочной смеси №14 на основе бентонита марки «ASKANGEL Foundry» на АФЛ «Künkel-Wagner», г. Кременчуг

Очевидно, что совершенно некорректно выглядят показатели «активна глина»  9,4-9,6 % при общей глинистой составляющей смеси 7,88 - 8,22 %. Такой результат анализов получен из-за того, что показатель «Адсорбция метиленового голубого» не является обязательным в перечне требований КСЛЗ и не контролируется при входном контроле качества. Если бы этот показатель подлежал контролю, то сразу было бы видно, что бентонит Асканского месторождения отличается высоким значением этого показателя – около 400 мг./г., в отличие от многих других бентонитов, для которых характерны существенно более низкие значения.  И поэтому нужно вводить соответствующие корректировки при вычислении содержания активной глины. Высокое значение показателя адсорбции метиленового голубого не является отрицательным фактором, поскольку именно благодаря этому  и получаются высокие значения прочности формовочной смеси, что позволило в условиях КСЛЗ получить формовочную смесь с показателем «общая глинистая составляющая» около 8%, тогда как при работе на дашуковском бентоните общая глинистая достигала 12-14 %.  

Также следует отметить высокое значение показателя «уплотняемость» - 58,3 - 60,8%. Для указанной АФЛ производителем рекомендована уплотняемость около 48%.  Но очевидно, что при снижении величины уплотняемости резко возрастет показатель «осыпаемость через 1 час» и это будет приводить к увеличиню брака типа «засор».

Условия работы бентонита в формовочной  линии на КСЛЗ существенно отличается от таковых на других литейных предприятиях тремя факторами:

1) Из-за большого размера опоки и сложности формы отливок смесь должна обладать высоким значением показателя «текучесть по Орлову» - чтобы обеспечить равномерную заполняемость «карманов» модели и прочность поверхности формы;

2) Длительный интервал времени между отпрессовкой формы и заливкой металла (от 2 до 6 часов) приводит к обсыханию поверхности формы, потере ею эрозионной стойкости и как следствие – увеличения дефектов типа «засор». Поэтому для КСЛЗ целесообразно тестировать разные бентониты на предмет их скорости высыхания и выбирать те, которые лучше удерживают влагу или же вводить в бентонит корректирующие добавки.

3) В смеси для стального литья не используются противопригарные угольные добавки благодаря чему бентонит лучше сохраняет свою связующую способность после нагрева, чем это происходит в чугунолитейных цехах, где широко используются такие добавки. Именно поэтому многие чугунолитейные предприятия давно отказались от использования дашуковского бентонита, быстро теряющего связующую способность в присутствии угольных добавок в смеси. А на КСЛЗ дашуковский бентонит, несмотря на низкие прочностные свойства, использовался более 20 лет вплоть до момента прекращения его производства.

В г. Барановичи на БСЗ производятся чугунные отливки в песчано-глинистую смесь с противопригарными добавками на АФЛ «Disamatic 2110» с размером кома 500х400 (100-300) мм и «Disamatic 230Х» с размером кома 535х750 (120-395) мм, вертикальным разъемом форм.  Способ уплотнения смеси – воздушно-испульсный с подпрессовкой, безопочная форма. Производительность АФЛ –  300 - 500 форм/час, интервал времени от момента  отпрессовки формы до заливки металла составляет первые минуты. Для приготовления смеси используются смесители турбинного типа с коротким циклом перемешивания до 90 секунд.

Требования БСЗ к качеству бентонита также состоит из требования соответствия марке П1Т1 согласно ГОСТ 28177-89, а также дополнительных трех показателей, не предусмотренных этим стандартом, а именно:

1) активность бентонита - 40-60 мл.;

2) набухаемость – 15-25 мл./2г.

3) остаток свободной соды – не более 1%.

При входном контроле испытания на соответствие марке П1Т1 согласно ГОСТ 28177-89 не выполняются из-за отсутствия лабораторного смесителя и поломки одного из испытательных приборов, но требуется полное соответствие бентонита указанным дополнительным условиям. Все три дополнительных показателя определяются по методикам, принятым только на этом предприятии. Описание процедур  их определения  предоставляются поставщику бентонита, но при детальном ознакомлении с методиками определения этих показателей возникают вопросы в части корректности некоторых особенностей этих методик.  

Специалисты литейного производства БСЗ сообщили, что на их формовочной линии безопочной формовки  использование бентонита с показателем «остаток свободной соды» свыше 1% приводит к росту брака по газовым раковинам и увеличению пригара на отливках.  Поэтому предприятием «Аскангел Альянс, Грузия» специально для БСЗ был произведен бентонитовый порошок из природной разновидности Са-Na бентонита Асканского месторождения - без обработки содой.  При входом контроле качества на БСЗ в нем определили показатель «содержание свободной соды» 0,76 - 0,86% - это не соответствовало действительности, поскольку в этот бентонит сода не вводилась вообще. Перефразируя известную восточную мудрость можно сказать, что на БСЗ «находят черную кошку в темной комнате даже если ее там нет». Но при этом более чем 20-летний опыт работы этого предприятия показал, что бентонит с повышенным значением этого показателя приводит к росту брака по газовым раковинам и увеличению пригара на отливках. Очевидно, что сам по себе показатель информативный, но принятая методика определения не совсем корректна и нужно детальней проанализировать, что же на самом деле отражает этот показатель, высокие значения которого без сомнения влияет на появление литейных дефектов. 

Фактически, согласно принятой на БСЗ методике определяется не наличие в бентоните соды в форме минерала  Na₂CO₃, а щелочность бентонитовой суспензии. Методика позаимствована из ТУ 39-0147001-105-93 - "Глинопорошки для буровых растворов", с того периода времени, когда в СССР и позже в некоторых странах СНГ активацию низкокачественного  кальциевого  бентонита осуществляли сухим способом, путем подачи соды в мельницу для совместного помола с бентонитом. Следовательно, на дефектность  отливок влияет не «свободная сода», а щелочность бентонита. А чем выше щелочность бентонита, тем выше его влагоемкость, выше рабочая влажность смеси и связанные с этим фактором дефекты литья типа газовых раковин и увеличение пригара. Ведь 1 грамм воды при испарении из формы образует около 1,3 л. газообразного H₂O.  Кроме того,  в силикатных расплавах H₂O играет роль эффективного плавня, снижающего температуру плавления аналогично тому, как понижают температуру плавления  силикатных расплавов примеси Na₂O,  K₂O, FeO.  То есть, показатель «остаток свободной соды» фактически отражает информацию о величине влагоемкости бентонита, а именно это свойство влияет на проявление литейных дефектов.

В связи с этим нелишне будет вспомнить о практике американских литейщиков, которые имеют в своем распоряжении знаменитый вайомингский  Na-бентонит, который считается эталоном качества этого материла и в котором точно нет соды. Но за счет наличия натрия в структуре монтмориллонита он обладает высокой влагоемкостью, а суспензия этого бентонита имеет ярко выраженную щелочную реакцию, из-за чего его бы забраковали на входном контроле на БСЗ по высокому значению «свободной соды». В чистом виде он не используется в формовочных смесях, а разбавляется кальциевым бентонитом. Именно потому, что щелочной бентонит обладает высокой влагоемкостью и это приводит к росту литейных дефектов из-за повышенного содержания воды в форме.

Поэтому целесообразно было бы определять лабораторными методами не мифическую «свободную соду», а именно влагоемкость бентонита. И для этого есть достаточно информативный показатель «водопоглощение» в ГОСТе 28177-89.  Его определение не требует специальных приборов или навыков лаборанта, а время его выполнения существенно короче, чем определение таких показателей  как «остаток свободной соды» или «индекс набухания», которые по сути являются разными способами оценки влагоемкости бентонита.  Более того, небольшая модификация методики определения показателя «водопоглощение» позволит оперативно оценивать не только влагоемкость бентонита, но и скорость его гидратации – что является важным фактором в условиях высокопроизводительных АФЛ того типа, что эксплуатируется на БСЗ.

Также возникли большие различия и по двум другим показателям. Так для партии бентонита в 204 т., поставленной на БСЗ в мае 2020 г. при определении показателя «активности» бентонита в производителя были получены значения 39 мл. раствора метиленового голубого, а при входном контроле на БСЗ получены значения 69 – 70 мл. – данные в таблице 4. Эти различия обусловлены тем, что согласно методики БСЗ  использовался раствор метиленового голубого с концентрацией не 5 г., а 3,876 г./1000 см.³ воды. Также согласно методики БСЗ не выполняется  нейтрализация серной кислотой повышенной щелочности суспензии, которая возникла после ввода в нее диспергатора пирофосфата натрия. Без обработки суспензии раствором серной кислоты титрирование приводит к завышению показателя адсорбции приблизительно в полтора раза, занимает больше времени и дает результат с большим разбросом значений. Поэтому во избежание разногласий целесообразно было бы использовать общепринятую методику определения величины «Адсорбции метиленового голубого», изложенную в Методике немецкого общества литейщиков, известную под названием MERKBLATT VDG P-69.  И давать значение этого показателя не в мл. использованного раствора, а в мг. реагента «метиленовый голубой» на 1 г. бентонита. При концентрации раствора 5 г./1000 см.³ это легко пересчитать, например: если при титрировании использовано 40 мл. раствора указанной концентрации, то имеем величину адсорбции 400 мг./г.   Концентрация 3,876 г./1000 см.³ воды, используемая в методике БСЗ наводит на мысль о том, что она списана с какого-то американского или английского нормативного документа того времени, когда еще использовалась не метрическая система измерений. 

Значение показателя «набухаемости» в производителя составляло 19 мл./2 гр., а при входном контроле на БСЗ  этот показатель определен с большим разбросом значений в диапазоне 10 -14,2 ед.  Причина таких больших расхождений состоит в том, что  принятая на БСЗ методика  определения набухаемости бентонита применялась на бентонитах невысокой активности и довольно грубого помола, соответствующего требованиям ГОСТ 28177-89, которым предусмотрено требование - остаток на сите 160 микрон не более 10%.  При испытании тонкомолотого бентонита с остатком на сите 63 микрона менее 5% наблюдалось явление сильного комкования порошка бентонита на поверхности водного столба и как следствие – низкое его значение при большом разбросе показателей.  Когда испытания были выполнены в соответствие с общепринятым методом определения этого показателя (с предварительной просушкой порошка до нулевой влажности и медленном засыпании навески в течение 3 часов)  – то в результате было получено значение даже выше, чем задекларировано производителем.

Поэтому для объективного определения величины показателя «индекс набухания» целесообразно выполнять предварительную просушку бентопорошка до нулевой влажности (так он меньше комкуется при высыпании на воду) и вводить 2 г. бентопорошка мелкими порциями по 0,1 г. с интервалами около 10 минут. Это общепринятая в мире методика выполнения теста на индекс набухания бентонита и нюансы ее выполнения описаны в стандарте ASTM D5890 «Swell Index …», которым пользуются во всем мире. 

Данные по опытной партии бентонита в количестве 204т. сведены в таблице 4 из которой следует, что два из трех показателей не соответствуют требованиям, а показатель «остаток свободной соды» соответствует, но лишь формально - поскольку полученное значение не соответствует действительности: ведь фактически сода в бентонит при переработке не добавлялась, а в природном состоянии в глине она также не встречается.  

После вызова представителя поставщика и совместного выполнения анализов в лаборатории БСЗ было принято решение о запуске в производство этой партии бентонита при условии повышенного внимания к контролю свойств смеси. По итогам выработки этого бентонита был составлен Акт от 24.08.20г. с отражением результатов использования промышленной партии бентонитового порошка для литейного производства марки «ASKANGEL Foundry» в количестве 204т.

В этом Акте отмечено, что в процессе испытаний производился выпуск продукции в соответствии с производственными планами июля-августа 2020г., изготавливались 211 наименований отливок из серого и высокопрочного чугунов массой от 0,05 до 24,0 кг. Ситуаций, требующих остановки производства, вызванного снижением качества формовочной смеси -  не зафиксировано. 

Таблица 4. Сравнение свойства бентонита марки "ASKANGEL Foundry" по данным производителя и входного контроля качества на предприятии «БСЗ», г. Барановичи.

Основные выводы за период испытаний этой партии бентонита, которая по принятым критериям качества фактически им не соответствовала (смотрите таблицу 4), сводятся к  следующим отличиям от ранее используемого бентонита:

- улучшение качества поверхности отливок;

- снижение поверхностных дефектов, в том числе на отливках со сложной геометрией;

- снижение величины дефектов, связанных с пригаром в тепловых узлах;

- фактический расход бентонита за период испытаний показал экономию 11% по сравнению с ранее используемыми бентонитами других производителей.

Очевидно, что используемые критерии оценки качества бентонита или методики их выполнения не совсем корректны. Но эти критерии на БСЗ были приняты фактически взамен ГОСТа  28177-89 потому,  что часто при полном соответствии требованиям этого ГОСТа к высшей марке П1Т1 реально в формовочной линии были большие проблемы. Особенно в случае попыток использования дашуковского бентонита, при том что он соответствовал требованиям к высшей марке П1Т1.

Следует отметить, что практически все литейные предприятия в Украине и Беларуси, которые производили  чугунное литье с противопригарными добавками, отказались от использования дашуковского бентонита по причине высокого процента брака из-за пригара и газовых раковин.  Одним из последних от него отказался МТЗ. Но при этом на производстве стального литья, например на Кременчугском сталелитейном заводе в Украине, где не используются противопригарные угольные добавки, дашуковский бентонит успешно использовался вплоть до окончания его производства.

В г. Минск на МТЗ бентонит используется в нескольких цехах для производства отливок в основном из чугуна, меньше из стали и цветных металлов. Наибольшее количество бентонита потребляет цех №2. Эксплуатируется АФЛ  с размером опок  1150х950х400 мм., способ уплотнения форм - воздушным потоком по методу Сейятсу с подпрессовкой, Используются также АФЛ других европейских производителей.

Требования к свойствам формовочной смеси в ЛЦ-2:

1) Предел прочности при сжатии - 1,15 -1,3 кг.с./см.²

2) Уплотняемость -  38-46 %

3) Газопроницаемость  - не менее 110 ед.

4) Влажность -  2,8-3,4 %

5) Содержание глинистой составляющей - 10,0-11,5 %

6) Текучесть                                     - не менее 40 %.

7) Содержание углерода - 2,2-3,0 %

На МТЗ, по сравнению с другими литейными предприятиями,  наиболее скрупулезно придерживаются требований ГОСТа к бентониту, а именно: он должен соответствовать марке П1Т1 согласно ГОСТ 28177-89 по двум маркуобразующим показателям с одним дополнительным требованием: указанный ГОСТ предусматривает требование по термостойкости не менее 0,6 ед., тогда как в договорах на поставку бентонита для МТЗ выдвигаются требования по термостойкости не менее 0.8 ед.

Это требование возникло в связи с тем, что на предприятии считают, что именно показатель термостойкости в первую очередь влияет на частоту появления интенсивного пригара на отливках.  При использовании бентонита марки П1Т1 производства ПАО «Дашуковские бентониты» на МТЗ имели много проблем с  образованием обильного пригара на чугунных отливках.  С переходом на бентонит производства ПАО «Константиновский завод утяжелителей» той же марки П1Т1, но с преобладающим значением показателя термостойкости около 0,8 ед.  – проблемы с высоким пригаром практически ушли в прошлое.  Был сделан  на первый взгляд логичный вывод о решающем влиянии показателя «термостойкость» на величину пригара, хотя в действительности это не совсем так.

При входном контроле качества на МТЗ определяются три маркуобразующих показателя, с обязательным фиксированием в журнале опробования данных о прочности смеси в зависимости от уплотняемости (таблица 5), чего не делается на большинстве других предприятий, а также показатели «воподопоглощение», «коллоидальность», «рН бентонитовой суспензии».

В одной из поставок в 2019г. показатель «термостойкость» при входном контроле качества на МТЗ был определен на уровне 0,72 ед., но при испытании в лаборатории кафедры литейного производства БНТУ, укомплектованной приборами другого производителя,  была получена существенно другая цифра – 0,98 ед. – и это при испытании одного и того же материала согласно того же ГОСТа 28177-89.

На бентонит, формально не соответствующий условиям договора, было оформлено разрешение на отступление от утвержденных требований и он был запущен в работу на формовочном участке МТЗ, а с Поставщиком был подписан Протокол со следующим обязательством: «При увеличении расхода материала (бентонита) Поставщик обязуется компенсировать необходимое количество глины формовочной бентонитовой по соглашению поставки на безвозмездной основе». 

После выработки поставленной партии этого бентонита выяснилось, что из-за пониженного значения термостойкости, определенного заводской лабораторией, удельный расход не увеличился. Более того -  при последующих поставках этого же бентонита МТЗ стал заказывать меньшее его количество без уменьшения объемов производства отливок  – из-за фактического снижения его удельного расхода на тонну годного литья.  С этого факта можно сделать вывод, что показатель «термостойкость» согласно ГОСТа не совсем корректно отражает реальные свойства бентонита и не его значение является определяющим фактором для возникновения высокого пригара на отливках. Ведь показатель термостойкость отражает снижение связующей способности бентонита после его нагрева до 550 ^оС, а пригар формируется при температурах  выше 1300 ^оС.

Таблица 5. Первичные данные при испытании бентонитов различных производителей на МТЗ для определения показателя «термостойкость» согласно ГОСТа 28177-89.

В таблице 5 приведены первичные данные при определении показателя «термостойкость» с фиксированием значения уплотняемости, при которой получены те или иные значения прочности. Следует заметить, что столь детальное фиксирование результатов встречено только на МТЗ – на других предприятиях в журналах обычно отражают лишь итоговую цифру термостойкости. Эти данные ценны тем, что демонстрируют несколько важных особенностей в связи с определением качества бентонита согласно ГОСТ 28177-89, а именно:

1) Значения прочности и термостойкости определяются согласно методики ГОСТ 28177-89 при разных значениях уплотняемости и большом их разбросе - от 23% до 55%. Согласно немецкой методики VDG P-69 прочность определяется для смеси с уплотняемостью 45±1%.

2) Время перемешивания смеси для испытаний на прочность и термостойкость согласно ГОСТа составляет 20 минут с закрытой крышкой смесителя, а затем еще около 10 - 20 минут с открытой крышкой - до получения максимального значения прочности по ходу подсыхания смеси. То есть, время перемешивания точно не определено, но оно всегда превышает 30 минут.  Согласно немецкой методики VDG P-69 время перемешивания смеси для испытаний четко лимитировано и составляет 6 минут, что сопоставимо с перемешиванием смеси в турбинном смесителе в течение 90 секунд.

3) Перемешивание с открытой крышкой смесителя, как это предусмотрено ГОСТом,  приводит к разным результатам испытаний в зависимости от погодных условий. При низкой температуре воздуха и высокой относительной влажности смесь при перемешивании с открытой крышкой смесителя подсыхает медленно, а летом, при высокой температуре и низкой относительной влажности воздуха смесь подсыхает быстро - и это влияет на конечный результат измерений и прочности, и термостойкости. Данные таблицы 5 это иллюстрируют: в разделе 4 данные испытаний от 29 ноября, а в разделе 5 данные испытаний от 3 июня, когда была высокая температура воздуха и низкая влажность.  Видно, что во втором случае смесь подсыхала за существенно более короткое время и результаты определения показателя термостойкость были низкие 0,88/1,22 = =0,72– что не соответствовало условиям Договора на поставку  – не менее 0,8 ед. При испытании пробы бентонита с этой партии в другой лаборатории и в другое время было получено значение термостойкости 0,98 ед. Согласно немецкой методики VDG P-69 смесь перемешивается только с закрытой крышкой смесителя и поэтому погодные условия не оказывают влияния на результат тестирования.

Отмеченные особенности ГОСТа являются предпосылкой для разногласий при определении качества бентонита, что иногда  может приводить к специфическим событиям. Например, которые имели место на предприятии МТЗ при поставке бентонита предприятием «Завод утяжелителей», в результате которых против ряда должностных лиц были возбуждены уголовные дела [2].

Испытания согласно Методики VDG P-69 демонстрируют лучшую воспроизводимость результатов испытаний и дают более объективную оценку свойств бентонита при его использовании в автоматических формовочных линиях, чем испытания согласно ГОСТа.  При этом время на выполнение тестов короче, а износ лабораторного оборудования ниже.                                                                                                                Подводя итог, можно сформулировать несколько рекомендаций.

РЕКОМЕНДАЦИЯ 1: Автоматические формовочные линии безопочной формовки по сравнению с формовкой в опоках нуждаются в бентоните, обеспечивающем наиболее высокие значения прочности смеси при коротком времени перемешивания. Основные показатели качества бентонита для их работы – это «адсорбция метиленового голубого» и  «предел прочности при сжатии», которые коррелируют между собой. Показатель прочность при сжатии должен определяться при  фиксированном значении уплотняемости и коротком времени перемешивания смеси перед испытаниями, а не так, как  выписана методика его определения в ГОСТ 28177-89. Если этот показатель определять согласно методики VDG P-69, то на АФЛ безопочной формовки на БСЗ в г. Барановичи лучшие технико-экономические показатели будут отмечаться при использовании бентонита с наиболее высокими значениями показателей «прочности при сжатии» и «адсорбции метиленового голубого» – это бентониты с о. Милос в Греции и Асканского месторождения в Грузии. Потому что при использовании высокопрочного бентонита необходимая прочность смеси будет достигаться при низких содержаниях общей глинистой в смеси и соответственно низком содержании  воды в форме. А это и обеспечивает низкую вероятность образования пригара и газовых раковин, а также уменьшение расхода противопригарных угольных добавок. И наоборот - чем ниже в бентонита значение показателя «прочность при сжатии» (при коротком времени перемешивания, а не согласно ГОСТа !!!)  - тем больше его нужно вводить в смесь для получения нужной прочности и тем выше будет ее влажность. И в этом случае уже приходится ограничивать влагоемкость бентонита, чтобы таким образом сдержать рост содержания воды в форме и избежать роста брака отливок. По-видимому, именно для этой цели на БСЗ в 90-х годах применили показатель «остаток свободной соды», который по сути является ограничителем щелочности и влагоемкости бентонита. Но если бентонит обеспечивает достаточно высокую прочность при сжатии при коротком времени перемешивания смеси – то потребность в таком показателе отпадает. Аргументом в пользу такого заключения является факт того, что европейские потребители и производители бентонита вовсе не пользуются таким показателем. 

РЕКОМЕНДАЦИЯ 2: При производстве чугунного литья с противопригарными добавками в смеси показатель качества бентонита  «термостойкость» в версии ГОСТа 29177-89 мало информативный из-за того что в реальной формовочной смеси совершенно другая уплотняемость смеси, чем при тестах по ГОСТу, намного короче время перемешивания смеси,  а также угольные добавки могут сильно снижать связующую способность бентонита, особенно высокожелезистого. На чугунолитейном производстве МТЗ использовались бентониты разных поставщиков. Минимальные удельные расходы бентонита зафиксированы не на бентоните с самым высоким показателем «термостойкость» по ГОСТУ, а на том, у которого выше сумма прочности при сжатии по исходному бентониту + прочность при сжатии после прокаливания бентонита с добавкой 4% угольной пыли.  Иначе говоря, целесообразно при испытаниях порядок подготовки смеси приближать к реальным условиям в формовочной линии – сократить время перемешивания, скорректировать уплотняемость, добавить угольную пыль. В этом случае результаты входного контроля качества бентонита будут лучше коррелировать с результатами работы промышленной формовочной линии. 

РЕКОМЕНДАЦИЯ 3: При производстве стального железнодорожного литья на КСЛЗ показатели качества бентонита  «адсорбция метиленового голубого» и  «предел прочности при сжатии» также являются основными. Определять их также целесообразно при коротком времени перемешивания (здесь тоже нет технической возможности перемешивать смесь более получаса) и фиксированном значении показателя «уплотняемость». Дополнительно очень важны показатели текучести формовочной смеси (из-за больших размеров опок и сложного профиля отливок) и ее способности удерживать влагу  – из-за очень длительного промежутка времени от отпрессовки формы до заливки металла – от 2 до 6 часов.  Косвенным показателем влагуудерживающей способности бентонита может быть показатель «осыпаемость через 1 час» - но для обоснованного решения необходимо провести опытно-методические работы.

На КСЛЗ при работе на низкопрочном дашуковском бентоните и c низкой термической устойчивостью в предыдущие годы получали хорошие результаты благодаря тому, что в этом бентоните в природном состоянии присутствуют органические примеси. Они усложняли сушки бентонита при производстве бентопорошка, негативно влияли на его термическую устойчивость,  но именно эти примеси обеспечивали лучшую пластичность и текучесть смеси, а также позволяли дольше удерживают влагу в форме. Это отражалось в низком значении показателя «осыпаемость через 1 час».  

Бентониты вулканического типа (греческий с о. Милос, а также с месторождений Кавказа) имеют значительно более высокие прочностные показатели, но по сравнению с дашуковским бентонитом не имеют в своем составе органических примесей, обеспечивающих пластифицирующий и водуудерживаюший эффекты. Поэтому в условиях литейного производства КСЛЗ на этих бентонитах будет ниже текучесть формовочной смеси и более быстрое обсыхание поверхности формы, что существенно снижает ее эрозионную стойкость. Компенсировать эту особенность указанных бентонитов можно путем ввода в смесь органических влагустабилизирующих добавок на основе крахмалита или водорастворимой целлюлозы.   Примерами таких добавок от итальянской фирмы «Laviosa» являются продукты под торговыми марками «Pretar»,  «Quell mell», «Gelamid», получаемые путем совместного помола с бентонитов в разных пропорциях.

ВЫВОДЫ:

1. Решение об использовании того или иного бентонита невозможно принять на основании результатов лабораторных тестов согласно ГОСТа и/или дополнительных условий. Чтобы оценить пригодность и эффективность того или иного бентонита приходится сильно рисковать и запускать в формовочную смесь бентонит, формально не соответствующий утвержденным на предприятии критериям.
2. Искать варианты внесения изменений и дополнений в ГОСТ 28177-89, принятый еще в СССР, не имеет смысла. Этот документ был разработан не под потребности литейщиков, а под особенности дашуковского бентонита, введен в действие с 1991 года и из-за распада СССР фактически не был доведен до нужного уровня конкретики и универсальности.
3. Целесообразно подготовить и ввести в действие силами национальных ассоциаций литейщиков «Методику испытаний бентонита для литейного производства» как рекомендованную альтернативу ГОСТу 28177-89. Именно таким образом решен этот вопрос в Германии немецкой ассоциацией литейщиков, разработавших методику MERKBLATT VDG P – 69. Производители и потребители бентонита для литейного производства в большинстве стран ЕС на практике используют методы испытаний, изложенные в этом нормативном документе. Им же руководствуются и производители бентонита при составлении нормативной документации на свои бентонитовые продукты для литейного производства.

   ИСТОЧНИКИ  

   1. Снисарь В.П. Определение качества бентонита  - Методика испытаний немецкого общества литейщиков VDG - MERKBLATT P – 69. Литье Украины, 2018, №1, с.2-6.
   2. https://www.steelland.ru/news/business/9295.html - Белорусские СМИ сообщили о задержании главного металлурга Минского тракторного завода. 27 НОЯБРЯ 2017

Литье Украины, 2020, №12, с.