Противопригарные угольные добавки в песчано-бентонитовых смесях

В технологии литья в песчано-бентонитовую форму часто встречающимися дефектами литья являются «пригар» и «ужимины». Ввод специальных добавок в формовочную смесь позволяет в большинстве случаев практически полностью устранить эти дефекты или значительно снизить частоту их проявления. Этот прием корректировки состава формовочной смеси значительно снижает затраты на механическую обработку деталей после выбивки из формы.

Наиболее распространенной добавкой, используемой для борьбы с ужиминами и пригаром на чугунных отливках, является каменноугольная пыль. Здесь следует акцентировать внимание на том, что угольная пыль и ее заменители неприменимы для стального литья, поскольку интенсивная газификация угля в форме приводит к науглероживанию стали в зоне контакта с формой

Далеко не каждый уголь пригоден для этих целей -  для ввода в формовочную смесь он должен обладать набором определенных свойств. Прежде всего это следующие показатели:

1. Зольность
2. Содержание серы
3. Выход блестящего углерода
4. Выход летучих веществ
5. Температурный интервал размягчения

Ограничения по зольности обычно составляет до 7-8%, по сере – до 0,8-1,0%.  Выход блестящего углерода обычно составляет 9-11%., содержание летучих веществ – 32-42%, а температурный интервал размягчения от 380 оС до 500 оС и выше.

Первые два показателя практически не нуждаются в комментариях и понятно, что чем они ниже, тем лучше. Показатель «выход блестящего углерода» определяется методом, изложенным в [1]. Что же касается остальных обозначенных показателей – то они нуждаются в более детальном рассмотрении  в контексте анализа процессов, которые происходят  в форме при заливке металла.

При воздействии высокой температуры чугунного расплава на форму, состоящую из песка, бентонита и угольной пыли, в форме одновременно происходит ряд процессов изменения этих компонентов под воздействием высокой температуры:

Первый  процесс состоит в расширении кварцевого песка при нагревании и увеличении его в объеме, а при температуре около 573 оС происходит так называемый  β→α переход кварца в другую структурную модификацию. Динамика расширения песков разного состава приведена на рис. 1. Вследствие температурного расширения кварца  в части формы, непосредственно прилегающей к расплавленному металлу, формируется слой, стремящийся расшириться и нередко он может отслаиваться от формы в виде тонкой пластинки, которая выгибается в сторону еще не закристаллизовавшегося металла, «ужимая» его. На рис. 2, позаимствованном из  [2], схематически показано развитие этого процесса.

Одновременно с первым процессом реализуется и второй, состоящий в  испарении влаги и ее  миграции в сторону от границы раздела металл-форма, с образованием на некотором удалении от горячего металла зоны конденсации влаги. В этом месте резко снижается прочность формы, что усиливает вероятность образования «ужимины» вследствие температурного расширения формы. Натриевый бентонит обладает гораздо более высоким пределом прочности при разрыве в зоне конденсации влаги – поэтому для литейного производства кальциевый бентонит обрабатывается содой – для увеличения этого показателя и соответственно для снижения вероятности образования дефектов типа «ужимины».

При наличии угольной пыли в составе песчано-бентонитовой смеси происходит и третий процесс -  уголь  подвергается интенсивной термической деструкции с образованием вторичных продуктов этого процесса. При заливке металла в форму температура пограничного слоя быстро возрастает, достигая, например, 1000°С. За это короткое время вблизи границы раздела «металл-форма» происходят следующие три процесса:

а) Газификация угольной пыли. Этот процесс развивается сначала медленно, а затем, по достижении температуры размягчения угля, очень быстро. Как следствие газификации угля - в поверхностном слое формы быстро образуется восстановительная атмосфера;

б) В интервале размягчения, который совпадает с максимальной скоростью выделения газов, уголь вспучивается и в результате большого расширения внедряется в поры смеси, что приводит к обволакиванию зерен песка полукоксом и закупориванию промежутков между песчинками, что снижает вероятность проникновения расплавленного металла в материал формы;

в) На поверхности нагретых кварцевых зерен, находящихся вблизи раздела металл-форма, выделяется пиролитический углерод из углеводородов, содержащихся в газовой фазе. В результате на кварцевых зернах образуются тонкие  пленки блестящего углерода, несмачиваемые расплавленным металлом.

Восстановительная атмосфера создает условия для выделения из угольных газов пиролитического углерода (называемого обычно «блестящий» или «глянцевый») и защищает его от дальнейшего окисления. Блестящий углерод, благодаря высокой прочности сцепления с кварцевыми зернами и незначительной смачиваемости расплавом,  препятствует протеканию реакций между расплавом и кварцем, что уменьшает проникновение жидкого металла в поры формовочного материала, предотвращая образование пригара.

Следовательно, для достижения максимального противопригарного и противоужиминного эффекта, угольная пыль должна хорошо размягчаться с выделением газов и образованием коксового остатка в определенном температурном интервале. Выделяющиеся газы должны состоять в основном из углеводородов ароматического ряда, поскольку из них образуется большее количество блестящего углерода, чем из углеводородов других типов. Слишком большое газообразование угля также нежелательно, поскольку может привести к образования газовых раковин в теле отливок.

В качестве примера можно рассмотреть примеры угольных продуктов для формовки. Польская фирма "Carbo-Odlew", находящаяся возле г.Катовице [3], предлагает угольный порошок для формовочных смесей со следующими параметрами:

• сера        ≤  0,5%
• зола ≤  5,0%
• влажность ≤  4,0%;
• летучие –  30-38%
• блестящий углерод -  10-11%
• фракция – по спецификации заказчика

Более широкий ассортимент углеродистых добавок для сырой песчано-бентонитовой формы предлагает итальянская LAVIOSA CHIMICA MINERARIA S.p.A [4] – Табл.1

Первые две марки – это чистая угольная пыль, а в двух других кроме угольной пыли добавлены другие компоненты, которые имеют намного более высокий показатель выхода блестящего углерода, чем угольная пыль. В качестве более эффективных образователей пиролитического углерода может использоваться древесная смола, некоторые фракции каменноугольной смолы, получаемые из углей определенных марок, синтетические материалы типа полистирола, который при пиролизе обеспечивает самый  высокий показатель выхода блестящего углерода, гильсонит (природный асфальт) и др.

Угольная пыль может вводиться в песчано-бентонитовую смесь в процессе ее смешивания перед подачей на формовку, а также вводиться вместе с бентонитом. Во втором варианте при производстве бентопорошка в него подается углеродистая добавка и осуществляется их совместный помол. 

Рис. 1. Термическое расширение формовочных песков разного состава

Ведущие производители бентонита обычно предлагают в своем ассортименте несколько марок бентонито-угольной  смеси, в которых содержание противопригарной добавки составляет обычно от 15 до 30%. Такие смеси угольной пыли с бентонитом взрывобезопасны, а компоненты в них распределены очень равномерно благодаря совместному помолу. Их используют обычно в том случае, если литейных цех работает на производство массовой серии  одной и той же отливки. Поскольку при изменения массы отливок и соотношения металл-форма нужно изменять соотношение уголь-бентонит в смеси, то для литейных цехов с частой сменой ассортимента отливок выгоднее  работать с чистым бентонитом, а угольную пыль добавлять в смесь непосредственно перед формовкой.  

Рисунок 2. Схема развития «ужимины» – заимствовано из [2]

В Украине не производятся угольные добавки для литейного производства, хотя потенциальная сырьевая база для этого есть.

В 1990 г. на Дашуковском комбинате бентонитовых глин был построен опытно-промышленный участок угольных добавок для литейного производства. Но производства этих продуктов так и не было налажено.

Тогда же были проанализированы угли разных угольных бассейнов СССР разных марок с целью подбора оптимального их состава.  В рамках этой работы были выделены несколько марок газовых углей Кемеровского бассейна на шахтах «Комсомолец» и «Полысаевская» как наиболее отвечающие сформулированным требованиям для литейного производства. Для этих углей было характерно низкое содержание серы 0,4-0.9% , выход блестящего углерода 7,3-8,6%, выход летучих соединений 40-42% и зольность  от 10% до 20%. 

Также были проанализированы и некоторые угли Донецкого бассейна, в частности продукты обогащения ЦОФ «Павлоградская» в Днепропетровской области. Среди разных классов получаемого после обогащения концентрата были установлены следующие свойства газовых углей: выход блестящего углерода 8-10%, зола – 5-6%, сера 1,2-1,4%, Если принять во внимание, что на практике нередко используются угли с содержанием  серы до 2% - то можно сделать предварительное заключение о возможности использования углей Павлоградской ЦОФ для производства угольной пыли для литейного производства.

В 2004 году в Украине на Константиновком «Заводе утяжелителей» была произведена опытная партия бентонита с противопригарными добавками угля, каменноугольной смолы и графита. При ее использовании на автоматической  формовочной линии завода «Киевтрактородеталь»  были получены очень хорошие результаты - в начале работы сравнимые с показателями формовочной линии на немецком бентонито-угольном связующем «ANTRAPUR».  Но уже через пару суток смесь начала терять пластичность и текучесть, что значительно усложнило процесс формообразования. Позже детальный анализ состава смеси показал, что свойства таких смесей зависят не только от свойств угля, но и от особенностей того или иного бентонита. На рис. 3 приведены данные термического анализа бентонита Григорьевского месторождения (Донецкая область), Дашуковского (Черкасская область) и Огланлинского (Туркмения). Видим, что второй эндотермический эффект, отражающий  процесс дегидроксилации монтмориллонита, в Григорьевского бентонита составляет  527 оС, Дашуковского – 490 оС,   Огланлинского - 690 оС. В результате дегидроксилации происходит потеря бентонитом его связующей способности. Если температурный интервал дегироксилации монтмориллонита совмещается с интервалом интенсивной газификации угля – то это сильно ускоряет термическую деструкцию бентонита, в смеси резко растет количество неактивного бентонита, процесс оолитизации смеси усиливается, смесь теряет пластичность, снижается газопроницаемость и т.д.

Рисунок 3. Температуры дегидроксилации разных бентонитов и их совмещение с интервалом газификации угольной пыли 

Следовательно, для бентонито-угольных смесей нужно подбирать бентонит с температурой дегидроксилации выше 600 оС, что характерно для низкожелезистых бентонитов - с содержанием Fe2O3 не выше 4%.  В таблице 2. приведен типичный химический состав некоторых бентонитов. Если выстроить в ряд бентониты по их приоритету для использования совместно с угольными добавками, то он будет примерно следующий: Огланлинский (Туркмения), Асканский (Грузия), о. Милос (Греция), Даш-Салахлинский (Азербайджан), 10-й Хутор (Россия).

Таблица 2. Типичный химический состав бентонитов  разных месторождений.

При отсутствии данных термического анализа бентонита и данных о количестве железа в монтмориллоните можно оценить его пригодность для использования в бентонито-угольных смесях простым тестом: определить показатель «термостойкость» согласно ГОСТ 28177-89, а затем повторить тест на термостойкость с добавкой 4% угольной пыли в бентонит перед его прокаливанием при 550 оС. Наиболее пригоден будет тот бентонит, который меньше всего теряет связующую способность  после его прокаливания совместно с добавкой угольной пыли. В работе [5] наглядно продемонстрировано  влияние количества железа в бентоните на его термическую устойчивость в присутствии 4% угольной пыли.

Литература:

1. VDG -MERKBLATT P-85 BESTIMMUNG VON GLANZKOHLENSTOFF
2. Manual of Casting Defects. IKO-Erbsloh, 1-st Edition,1994
3. http://www.pokzachod.pl
4. http://www.laviosa.it
5. Cornelis Prüfung von Bentoniten. Giesserei 93 05/2006, p.26-31