Современные технологии смесеприготовления для литья в песчано-бентонитовую форму

ОАО "Завод утяжелителей", г. Константиновка (Украина) располагает необходимыми технологическими возможностями и сырьевой базой для производства высококачественных бентонитовых глинопорошков для формовочных смесей.

Оборудование, имеющееся на заводе, позволяет равномерно активировать бентонитовую глину содой, при необходимости вводить корректирующие добавки и осуществлять их совместный помол с бентонитом в ролико-маятниковых или шаровых мельницах. Переход на местное сырье так-же позволил заводу немного снизить затраты на производство бентопорошка по сравнению с использованием дашуковского сырья.

В 2004 г. на заводе начато производство комплексных бентонитовых связующих для литейного производства, содержащих противопригарные добавки. Практика их внедрения в производство показывает, что во многих случаях для использования новых материалов у потребителей нужно совершенствовать их системы смесеподготовки.

Цель настоящей статьи состоит в том, чтобы:

• акцентировать внимание на необходимости совершенствования систем смесеподготовки, без чего использование современных многокомпонетных формовочных смесей импортного или отечественного производства будет неэффективно;

• пригласить к обсуждению и сотрудничеству заинтересованные стороны.

Литьё металла в одноразовую песчано-глинистую форму, или литье "в землю", является исторически наиболее древней технологией литья. На первый взгляд, в современном высокотехнологическом мире она должна была бы уступить место более современным подходам к формообразованию, но практика литейного дела в ведущих машиностроительных государствах свидетельствует о том, что эта технология широко используется в настоящее время и имеет хорошие перспективы в будущем.

Несмотря на тенденцию к распространению химически твердеющих смесей для изготовления форм, обеспечивающих повышение размерной точности и качества отливок, сырая песчано-бентонитовая форма и сегодня имеет широкую область применения. Технология вакуумно-пленочной формовки, осваиваемая в настоящее время литейщиками, имеет свои преимущества, но отличается очень высокой стоимостью необходимого оборудования и меньшей производительностью. Поэтому в массовом производстве деталей весом от первых килограммов до первых сотен килограммов и при производительности несколько сот форм за смену (автомобильное литье) сырая песчано-бентонитовая форма еще долго будет оставаться конкурентоспособной.

Доля литья, получаемого в сырых формах, от общего объёма производства отливок составляет в Японии - 40%, Германии - 40% , Англии - 39%, Франции - 39% [1]. Более свежие данные маркетинговых исследований фирмы "IKO Minerals GmbH" свидетельствуют, что в общем объеме выпуска литья промышленно развитых стран 65-70% стальных и чугунных отливок мелкого и среднего развеса массовых серий производится в формах из песчано-глинистых смесей и эта тенденция сохранится в будущем.

За последние два десятилетия в Европе огромное внимание было уделено технологии производства отливок в сырых песчано-глинистых формах, что привело к значительному совершенствованию формовочного и смесеприготовительного оборудования, а также методов уплотнения формовочной смеси. В результате стало возможным и в песчано-глинистых формах производить отливки геометрически точные, сложной конфигурации, с тонкими стенками.

Также возросли и требования, предъявляемые к формовочной смеси, являющейся важнейшим компонентом технологического процесса. Еще более актуальной стала необходимость регулировать ее свойства в соответствии с особенностями изготовляемой номенклатуры отливок, а также обеспечить максимальную стабильность качественных показателей для эффективной работы автоматической формовочной линии.

Песчано-глинистая формовочная смесь в условиях современного литейного производства является многокомпонентной системой многоразового использования, состоящей из наполнителя, связующих, воды, и различных технологических добавок.

Отработанная смесь составляет основу производственной формовочной смеси. Ее температура и остаточная влажность всегда непостоянна, поэтому она должна быть предварительно охлаждена, просеяна, очищена от остатков стержней, металла, пыли, и увлажнена не менее чем до 1,8-2,4 %.

Предварительное увлажнение обеспечивает более быстрое усвоение воды бентонитом в процессе смесеприготовления, а также выравнивает влажность отработанной смеси, что положительно влияет на стабильность основных технологических свойств готовой смеси.

Вода - одна из важнейших составляющих песчано-глинистых формовочных смесей, в значительной мере определяющая их основные свойства - прочность, способность к уплотнению, газотворность, выбиваемость, склонность к образованию многих дефектов отливок [2]. Фактически вода в форме является крайне нежелательным компонентом с точки зрения качества получаемых отливок, но без нее невозможно обеспечить требуемую связующую способность бентонита. Поэтому объективно существует стремление к работе на смесях с минимум содержания воды.

Одним из наиболее важных показателей формовочной смеси является ее насыпной вес, который должен быть максимально стабильным в процессе работы формовочной линии. Но этот показатель изменяется в соответствии с изменением увлажнения смеси, что предъявляет повышенные требования к смесеприготовительному оборудованию в части его способности автоматически поддерживать требуемую влажность и насыпной вес смеси.

Бентонит является важнейшим компонентом смеси и его свойства во многом предопределяют качество формы. Наиболее важными показателями качества бентонита является прочность смеси при сжатии, прочность при разрыве в зоне конденсации влаги, термостойкость, скорость усвоения воды, а также остаточная прочность в высушенном состоянии, чем предопределяется выбиваемость форм. Косвенными показателями качества бентонита являются такие показатели как коллоидальность и величина водопоглощения.

Прочность при разрыве в зоне конденсации влаги предопределяет склонность смеси к образованию ужимин. У кальциевого бентонита этот показатель очень низкий, поэтому его нужно активи-ровать содой, вводя ее во влажную бентонитовую глину еще до сушки и помола. Из-за того, что зачастую бентонит недостаточно и неравномерно активируется содой, на литейных предприятиях СНГ часто используют ЭКР - экструзионный крахмалореагент, который работает как противоужиминная добавка и стабилизатор влажности. Его введение в смесь приводит к дополнительному повышению газотворности формы, но он достаточно эффективно компенсирует недостатки при активации бентонита, а также позволяет сгладить скачки влажности из-за отсутствия автоматической системы регулирования влажности в процессе приготовления смеси.

Углеродсодержащие добавки - образователи пиролитического (блестящего) углерода заслуживают особого внимания, поскольку являются обязательным компонентом формовочных смесей для литья чугуна различных марок. Наиболее известным и наиболее широко используемым образо-вателем пиролитического углерода является каменноугольная пыль или гранулированный уголь. Опыт его использования, особенно в практике зарубежных литейных цехов, насчитывает уже более 100 лет.

Действие угля многофункционально [3]:

• предотвращение трудноудаляемого пригара;

• уменьшение шероховатости поверхности отливок;

• снижение вероятности появления на отливках ужимин;

• улучшение выбиваемости формовочной смеси (ФС), то есть разделения смеси и отливок на выбивных решетках.

В последние десятилетия предложено много различных синтетических заменителей угля, но каждый из них в отдельности не обладает всем комплексом свойств, присущих каменному углю и поэтому они используются в составе комплексных добавок.

Отдельные литейные цехи в Украине, России и Беларуси до сих пор используют взамен угля жидкие углеродсодержащие материалы - мазут, крепитель КО, гидрофобизотор калийный ГФК, связующее ЭКО, другие отходы жировой и нефтеперерабатывающей промышленности. Каждый из этих материалов отдельно взятый не обладает всем комплексом свойств, присущих каменному углю, а многие из них обусловливают побочные негативные явления. Например, при применении мазута на-блюдаются самовозгорания отложений продуктов его деструкции в вентиляционных системах. Все жидкие добавки снижают газопроницаемость ФС, что крайне нежелательно для высокоуплотненных форм, уменьшают прочность в зоне конденсации влаги, повышая вероятность появления дефектов расширения - ужимин. Применение таких добавок часто бывает вынужденным из-за отсутствия у потребителей своего оборудования для помола угля и экономии средств на приобретение готовых к употреблению угольных порошков [3].

Следует акцентировать внимание на том, что образователи пироуглерода в отечественной литейной практике используются намного меньше, чем в ведущих литейных странах. Это приводит к дополнительным затратам на очистку поверхности и доводку отливок. Одной из причин такого поло-жения дел является практика работы на смесях с высокой влажностью, из-за чего эффективность использования противопригарных добавок снижается. В свою очередь, причиной работы на смесях с высокой влажностью является несовершенство системы смесеподготовки, отсутствие автоматического контроля и регулирования влажности смеси.

Другими компонентами формовочной смеси являются сухие классифицированные пески и различные модификаторы - поверхностно-активные вещества, позволяющие регулировать такие свойства смеси как текучесть, формуемость, пластичность и т.п.

Таким образом, современная формовочная песчано-глинистая смесь является многокомпонентной системой, требующей:

• предварительной подготовки отработанной смеси (охлаждение, увлажнение, просеивание);

• строгой дозировки всех компонентов;

• очень эффективного перемешивания нескольких составляющих с разными физико-механическими свойствами за короткий промежуток времени;

• автоматического контроля и регулирования влажности смеси в процессе смесеприготовления.

Принципиальная схема подготовки смеси с предварительным кондиционированием горелой земли показана на рис. 1.

Рис. 1: Схема приготовления песчано-бентонитовой смеси с предварительным кондиционированием горелой земли

В смесеприготовительных отделениях отечественных литейных предприятий в настоящее время практически везде используются катковые смесители (бегуны), не обеспечивающие требуемой эффективности перемешивания. Предварительное охлаждение и увлажнение отработанной смеси не применяется, а автоматический контроль влажности и соответственно обеспечение стабильности насыпного веса формовочной смеси отсутствуют.

Рис. 2: Влияние влажности на насыпную плотность формовочной смеси

Насколько важно поддерживать стабильную влажность смеси - можно понять из анализа рис. 2, где схематически показана зависимость насыпного веса смеси от её влажности. В области влажности более 4,0 %, характерной для работы многих отечественных литейных предприятий, насыпной вес изменяется не очень сильно при довольно значительных колебаниях влажности. Но в области влажности 3,0 - 3,3 % - оптимальной с позиций минимизации воды в смеси, - даже небольшие отклонения влажности от заданной приводят к очень значительным изменениям насыпного веса формовочной смеси. Эта особенность требует наличия совершенных систем автоматического поддержания заданного насыпного веса путем автоматического регулирования влажности смеси в очень узких пределах.

То есть, отсутствие систем автоматического регулирования влажности смеси в процессе ее приготовления вынуждает работать на более высокой влажности во избежание значительных отклонений насыпного веса смеси и связанного с этим фактором брака форм. Избыточная влажность при-водит к более высокой газотворной способности формы, снижению ее газопроницаемости. В случае работы с образователями пироуглерода их расход резко увеличивается, поскольку значительная часть углерода окисляется от взаимодействия с перегретыми парами воды и не образует защитных пленок блестящего углерода. Повышение содержание углеродистых добавок в свою очередь приводит к накоплению в смеси избыточного коксового остатка, который ухудшает физико-механические свойства смеси и требует дальнейшего увеличения ее влажности.

Для проявления связующей способности бентонита требуется некоторое время для усвоения им воды. Причем это время тем больше, чем ниже исходная влажность бентонита. Именно поэтому в современных системах смесеподготовки предусматривается технологическая операция - предварительное увлажнение смеси. (Оборудование для этого процесса представлено было в одном из предыдущих номеров этого журнала - № 8 за 2004 г.) Избыточная влажность смеси в какой-то степени компенсирует отсутствие предварительного увлажнения, но далеко не полностью. Поэтому бентонит не доводится до своего максимального рабочего состояния, а избыточная влажность смеси приводит к другим нежелательным побочным эффектам.

Недостаточно эффективное перемешивание смеси приводит к перерасходу или нерациональному расходованию формовочных материалов и ухудшению качества формовочной смеси - увеличенная влажность, осыпаемость, склонность к эрозии, взрывному пригару, ужиминам и т.д.[4]. В этих условиях использование даже самых высококачественных формовочных материалов не оправдывает себя, так как оборудование не позволяет готовить из них формовочную смесь требуемого качества и стабильности.

Оборудование для смесеприготовления является чрезвычайно важным моментом при комплектации литейных цехов. В настоящее время автоматы, реализующие методы регулирования степени увлажнения смесей, выпускают фирмы "Хартли", "Г.Фишер", "Айрих" и др. Выше сформулированным требованиям в полной мере соответствует также смесеприготовительное оборудование фирмы "KUNKEL WAGNER", в частности серия роторных смесителей типа WM производительностью от 15 до 200 т./час.

Смеситель формовочного материала является центральным узлом каждой установки для подготовки смеси. В первую очередь смеситель выполняет следующие операции в процессе подготовки смеси:

• оптимальная добавка воды и освежающих добавок;

• смешивание и однородность всех компонентов смеси;

• диспергирование бентонита и равномерное покрытие песчаных зерен бентонитом.

Вихревые смесители KUNKEL-WAGNER - это прочные, надежные и долговечные агрегаты для подготовки смеси, с автоматическим управлением влажностью, отвечающие самым высоким требованиям к технологии подготовки формовочной смеси. Конструкция смесителя и его принцип работы понятен из рис.3.

Рис. 3. Схема вихревого смесителя WM	Рис. 4. Вихревая головка

В случае использования для смесеприготовления традиционных смесителей типа бегунов, в смеси происходит относительно медленное распределение и усвоение воды бентонитом из-за низкой эффективности смешивания. Влажность смеси увеличивается постепенно до конца процесса смешивания. Из-за этого не достигается необходимая степень диспергирования бентонита, а вода им не полностью усваивается, поскольку время перемешивания в промышленных бегунах обычно со-ставляет от 2 до 5 минут. В этом легко убедиться, выполняя тестовые испытания смеси в соответствии с требованием ГОСТа 28177-89, где время перемешивания смеси задано 20 минут (в течение всего этого времени происходит медленное увеличение прочности смеси).

Рис. 5. Автоматический контроль влажности формовочной смеси

В вихревом смесителе KUNKEL-WAGNER непосредственно после загрузки горелой земли начинается высокоэффективная фаза смешивания. Уже в начале цикла смешивания вода быстро усваивается бентонитом благодаря интенсивному перемешиванию вихревой головкой, конструкция которой видна на рис.4. Это происходит в течение первых 45 - 50 секунд, благодаря чему обеспечивается высокое диспергирование бентонита и равномерное покрытие им песчаных зерен. В процессе смешивания осуществляется непрерывный контроль влажности и на 50-й секунде автоматически вводится корректирующая добавка воды, количество которой рассчитывается процессором на основе данных текущего контроля влажности в каждом цикле. Показатели влажности, уплотняемости и прочности смеси отслеживаются и регулируются автоматической системой управления в режиме реального времени - рис.5. Это позволяет обеспечить стабильную влажность и насыпной вес формовочной смеси.

Полный цикл смесеподготовки составляет 130 секунд, а полезное время смешивания - не более 100 секунд - рис.6. Столь короткое время смесеподготовки обеспечивается конструкцией смесителя.

Рис. 6. Цикл подготовки смеси

Три плуга, вращающиеся в направлении потока песка (вращение против часовой стрелки), сконструированы таким образом, что смесь постоянно переворачивается и перемешивается - рис.7. Одновременно осуществляется подача смеси к верхней секции вихревой головки для разрыхления.

Рис. 7. Плуги смесителя

Прохождение под более низкой секцией завихрителя обеспечивает полное смешивание в области особенно интенсивного перемешивания и образование тонкой бентонитовой пленки вокруг зерен наполнителя.

Одновременно верхние слои смеси направляются к верхней секции вихревой головки. Вызванные вращением головки высокие фрикционные силы способствуют быстрому смешиванию и диспергированию добавок.

Непрерывные повороты главного потока песка посредством вращающихся против часовой стрелки плужков, в комбинации с поток песка, поступающим в противополжном направлении за счет вращения вихревой головки, обеспечивают эффективное смешивание компонентов и разрыхление смеси. В результате чего получается оптимальное качество формовочной смеси.

Подготовленная формовочная смесь покидает смеситель в конце цикла смешения и обладает высокой гомогенностью состава, рыхлой структурой и высокой сыпучестью, в ней полностью отсутствуют комья.

Такая технология подготовки формовочной смеси позволяет максимально полно использовать возможности современных многокомпонентных формовочных бентонитовых связующих, предназначенных для получения качественных отливок с высокой чистотой поверхности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Илларионов И.В., Васин Ю.П. "Формовочные материалы и смеси." Ч.1. Чебоксары, 1992 г., 223 с.

2. Туманова Л.П., Кваша Ф.С. "О контроле влажности песчано-глинистых смесей". //Литейное производство, 2003. №1, с. 33-35.

3. Кваша Ф.С., Туманова Л.П. "Современные углеродсодержащие противопригарные материалы для песчано-глинистых формовочных смесей. Состояние и перспективы". //Литейное производство, 2003. №10, с. 20-24.

4. Туманова Л.П., Кваша Ф.С. "Оценка требуемого содержания бентонита в формовочных смесях и эффективности их перемешивания" //Литейное производство, 2003. №2, с. 33-35.

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины" №10 2004 г.