Вспомним забытые технологии: о несовместимости песчано-глинистых и жидкостекольных технологий формообразования

Песчано-глинистая смесь (далее ПГС) состоит из трех основных компонентов: песка, глины и воды. Кроме этих трех компонентов, в ПГС вводятся так называемые технологические добавки, которые улучшают те или иные физико-механические и технологические характеристики ПГС: прочность, газопроницаемость, текучесть, формуемость, уплотняемость, качество отпечатка рабочих поверхностей модели или стержневого ящика, выбиваемость и др.

Чаще всего в качестве технологической добавки ПГС используется лигносульфонат технический (далее ЛСТ), патока, декстрин, экструзионный крахмалореагент, древесная мука, гидрофобные крепители в небольших количествах (0,5 – 1,5% от песчано-глинистой основы).

Как правило, жидкостекольная смесь (далее ЖС) используется в качестве облицовки, хотя и не только, но об этом ниже.

В качестве наполнительной используется ПГС. И поскольку на выбивной решетке эти смеси смешиваются, ПГС засоряется щелочным компонентом ЖС в виде Na₂O.

При взаимодействии щелочи с глиной образуется так называемый гидраргиллит Al(OH)3 [1]. При нагревании из гидраргиллита выделяется одна молекула воды. Остаток после термической обработки в виде AlOOH называется бëмитом [2], который необратим в сторону гидраргиллита. В этом случае глина как пластичное и клейкое вещество прекращает свое существование. Смесь становится жесткой, шероховатой, непластичной.

Поверхность формы из такой смеси приобретает шероховатость. В случае добавления загрязненной жидкостекольным компонентом отработанной смеси в облицовочную ЖС ее прочность в сухом состоянии резко снижается. Резко ухудшаются характеристики ЖС также при ее углекислотном отверждении.

Свойства ЖС ухудшаются по мере накопления в отработанной смеси Na2O. При приближении содержания Na₂O к 1% такая смесь непригодна ни на что, кроме как быть полностью вывезенной в отвал.

Ниже мы приводим кратное описание технологической ситуации, существовавшей  на Харьковском турбинном заводе в 60-70-е годы прошлого века.

В первые годы применения ЖС на Харьковском турбинном заводе жидкостекольная технология была во вполне приемлемом виде и состоянии. В дальнейшем в связи с отсутствовавшим надлежащим контролем объем отработанной ЖС в составе наполнительной ПГС постепенно нарастал. Это нарастание выражалось в увеличении содержания Na2O в отработанной ПГС. Для компенсации высокого содержания Na₂O (1%) в наполнительную ПГС приходилось вводить до 10% порошковой глины.

Для ликвидации этой кризисной ситуации пришлось ⅔ находившейся в обороте отработанной смеси вывезти в отвал и ввести строгий контроль за содержанием Na2O и глины в наполнительной смеси. Это стоило определенных затрат, однако другого выхода не было.

Одно время формы на Харьковском турбинном заводе изготавливались полностью из ЖС с углекислотным отверждением. Это был тупиковый вариант. С нормализацией состава ЖС от него отказались.

Вышеизложенное – результат экспертных наблюдений первого автора на Харьковском турбинном заводе (его нынешнее название – ОАО «ТУРБОАТОМ»), где он проработал в течение 10 лет.

По данным автора [3], в литейном цехе ПО «Уралхиммаш» до 80% форм и стержней изготавливали из ЖС. При выбивке ЖС и ПГС смешиваются, в результате чего отработанная смесь загрязнялась щелочным компонентом, в связи, с чем наполнительная и песчано-глинистая смеси теряли пластичность и прочность в сухом состоянии.

Многочисленные эксперименты со смесями, содержащими 0,25 – 0,46% Na2O и 4,2 – 10,2% глины, показывали следующее:

- при низком содержании Na₂O опытные смеси пластичны и имеют приемлемую прочность в сухом состоянии;

- положительные свойства смеси сохраняются в течение суток;

- при содержании Na₂O ближе к верхнему пределу свойства смеси резко ухудшаются;

- при содержании глины в отработанной смеси ≥7% вредное влияние Na₂O снижается;

- для сравнения проверили содержание Na₂O в свежей смеси на жидком стекле, которое составило 0,93% от песчано-глинистой основы, тогда как среднее содержание Na₂O в отработанной смеси составило 0,32%;

- для улучшения качества ПГС необходимо увеличивать глиносодержание в ней;

- более эффективную роль на сей счет играет бентонит. Он снижает вредное влияние Na₂O, качество смеси при этом улучшается, брак отливок по ужиминам и засорам уменьшается.

По нашему мнению, более эффективное влияние бентонита на качество смеси можно объяснить тем, что часть щелочного компонента расходуется на активацию бентонита.

Напоминаем, что наиболее эффективным активатором бентонита является кальцинированная (обожженная) сода, которая по своим каустическим свойствам близка к Na₂O. Na₂O, содержащийся в отработанной смеси, или при взаимодействии с водой образует жидкий едкий натр по формуле:

Na₂O + Н₂О → 2NaOН + Q,

где Q – тепло экзотермической реакции.

Очень хорошим организационным решением этой проблемы могло бы быть разделение потоков жидкостекольной и песчано-глинистой отработанных смесей. Однако реально такой вариант технологии маловероятен.

Первый автор настоящей публикации за 60 лет своей производственной и научно-технической деятельности никогда не встречал такого варианта, когда бы песчано-глинистый и жидкостекольные патоки были раздельными.

Такое может быть только в случае проектирования и создания какого-то нового литейного цеха. В этом случае это не было бы невозможным, хотя и усложняло бы технологию приготовления формовочных смесей. Сюда мог бы также примешиваться так называемый «человеческий фактор».

Реально в производственной практике могут возникать следующие ситуации:

1. ЖИДКОСТЕКОЛЬНАЯ ОБЛИЦОВОЧНАЯ СМЕСЬ В СОЧЕТАНИИ С НАПОЛНИТЕЛЬНОЙ ПГС, В КОТОРОЙ ПРИСУТСТВУЕТ ОПРЕДЕЛЕННОЕ КОЛИЧЕСТВО ОБРАБОТАННОЙ ЖС. Кроме того, в облицовочной ЖС может присутствовать 20-30% отработанной ЖС с внесением в нее определенного количества Na₂O.

Это вполне нормальная ситуация. Ее можно поддерживать в течение длительного времени, контролируя, чтобы содержание Na₂O не превышало 0,3% от песчано-глинистой основы ЖС.

2. ЖС СОГЛАСНО П.1 С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ПГС, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК В СЫРЫХ ФОРМАХ. В ЭТУ ПГС ТАКЖЕ ВВОДИТСЯ 20-30% ОТРАБОТАННОЙ СМЕСИ, В КОТОРОЙ ПРИСУТСТВУЕТ 0,3% Na2O. В пересчете на 20-30% в ПГС для сырых форм будет вводиться 0,06 – 0,09 Na2O, что более чем нормально.

Следует иметь ввиду что ПГС для сырых форм очень уязвима с точки зрения присутствия в ней Na2O. Поэтому надо строго соблюдать технологию, оберегая ее от «человеческого фактора».

3. ЖС СОГЛАСНО П.1 С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ПГС ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ И ФОРМ, УПРОЧНЕННЫХ ТЕПЛОВОЙ СУШКОЙ.

Это наиболее приемлемый и безопасный вариант сочетания ЖС и ПГС по следующим соображениям:

- в ПГС для стержней и форм тепловой сушки присутствует высокое содержание глины (до 10-12%). Эта глина находится в полужидком состоянии (в виде пасты), так как влажность ПГС для тепловой сушки гораздо более высокая (7-9%) по сравнению с влажностью ПГС для форм, заливаемых в сыром состоянии (3,2 – 3,8%). В связи с этим как глина, так и влага частично блокируют вредное влияние Na2O в составе ПГС;

- кроме того, в ПГС для стержней и форм тепловой сушки присутствуют так называемые технологические добавки в виде ЛСТ, патоки, декстрина, древесной муки. Три из четырех добавок характеризуются кислой реакцией, благодаря чему частично нейтрализуется NaO, который присутствует в ПГС в гидратированном виде по формуле:

Na₂O + Н₂О → 2 NaOН + Q,

где Q – тепло экзотермической реакции.

Анализируя ситуацию, связанную с параллельным сочетанием в одном цехе жидкостекольной и песчано-глинистой технологией, следует иметь в виде, что вредоносными элементами для ПГС обладают все разновидности жидкостекольных технологий: обычные ЖС-смеси, которые отверждаются СО2 или теплом; ПСС, отверждаемые жидкими отвердителями; ПСС и ЖС, отверждаемые порошковыми отвердителями (феррохромовый шлак и др.).

Следует отметить некоторую особенность отработанной ЖС, упрочненной жидкими отвердителями.

Как известно, жидкий отвердитель – это эфир, образовавшийся при химическом взаимодействии кислоты и многоатомного спирта. При взаимодействии с жидким стеклом он разлагается с образованием в качестве одного из компонентов кислоты, вызывающей коагуляцию жидкого стекла и затвердевание смеси.

Мы полагаем, что процесс затвердевания ЖС под действием эфира – более медленный, чем СО₂-процесс, и что его воздействие на глину менее вредоносно и разрушительно.

Имеется еще одно соображение в пользу отработанной ПСС, отвержденной эфиром. В этой ПСС содержится меньше жидкого стекла, чем в обычной ЖС, отверждаемой СО₂ (4 – 4,5% против 6% в обычной жидкостекольной смеси).

В СО₂-процессе разлагается не все ЖС, а лишь его часть. В отвержденной СО₂ смеси присутствуют:

- гель кремневой кислоты; NaHCO3 (кислый углекислый натрий), хорошо растворимый в воде;

- не разложившаяся под действием СО₂ часть жидкого стекла, составляющую примерно половину от его общего количества, введенного в песчаную основу ЖС для придания ей прочности в сыром состоянии при изготовлении форм. Эта неразложившаяся часть жидкого стекла несколько затвердела за счет удаления из нее части воды, жадно впитанной соприкасающимся гелем кремневой кислоты, но не настолько, как при тепловой сушке при температурах выше 105°С. Поэтому это не разложившееся под действием СО₂ жидкое стекло, также как и предыдущие компоненты, очень легко растворимо в воде. При смешивании не подвергшейся высокой температуре отработанной смеси с ПГС, содержащейся в той же отработанной смеси, глина интенсивно поражается щелочными компонентами, в том числе и не разложившимся при отверждении СО₂ жидким стеклом.

Специально вводимая в ЖС глина для придания смеси сырой прочности подвергается такому же воздействию щелочного компонента, как и глина в отработанной смеси. Но это воздействие кратковременно – от приготовления смеси до ее отверждения СО₂. Поэтому воздействие жидкого стекла на глину не столь разрушительно.

Из наших ранних публикаций хорошо известно, что контакт выделяющегося при СО₂-процессе NaHCO3 с неразложившимся жидким стеклом также вызывает коагуляцию жидкого стекла. Однако этот процесс протекает вяло, так как ему препятствует высокая вязкость неразложившегося жидкого стекла, обусловленная его частичным обезвоживанием под действием геля кремневой кислоты [4].

Существует некоторая особенность отверждения ЖС порошковыми отвердителями.

Здесь надо иметь в виду, что основным отверждающим компонентом порошкового отвердителя является СаО.

При контакте СаО принимает на себя часть влаги, содержащейся в жидком стекле.

Происходит следующая реакция:

СaO + Н₂О → Сa(OН)₂ + Q,

где Q – тепло реакции. Сa(OН)₂  - это так называемая гашеная известь.

Из наших ранних публикаций известно, что Сa(OН)₂ вызывает мгновенную коагуляцию жидкого стекла с образованием геля кремневой кислоты.

Растворимость Сa(OН)₂ в воде ничтожна, поэтому основное влияние на затвердевание ПСС и ЖСС оказывает твердый Сa(OН)₂. В отверждаемой смеси он находится в виде подвижной пульпы. Этим повышается его реакционная способность.

Кроме того, порошковые отвердители частично принимают на себя Na₂O.

Щелочной компонент как в виде Na₂O, так и в гидратированном виде (NaНСO₃), смешиваясь с гидратированным порошковым кальциевым отвердителем и находящейся в ПСС глиной пребывает в очень вязкой физико-химической среде. Высокая вязкость этой среды как носителя щелочного компонента резко снижает его реакционную способность, тем самым снижая его негативное влияние на глину.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из вышеизложенного вытекает следующие соображения по предупреждению вредного влияния Na₂O на глину, если в обороте в данном цехе находятся две технологии изготовления форм – песчано-глинистая и жидкостекольная:

1. Удалить Na₂O из отработанной смеси механическим путем невозможно. Na2O легко растворим в воде, поэтому снизить его содержание в отработанной ЖС можно лишь путем мокрой регенерации.

В прошлом веке в бывшем СССР были выполнены капитальные и дорогостоящие попытки регенерировать и повторно использовать отработанную ЖС, однако эти работы оказались неэффективными технологически и экологически из-за поступления растворенного в сточных водах Na2O в грунтовые воды и в открытые водоемы, поэтому попытки регенерации отработанной ЖС были повсеместно прекращены.

2. Реальный технологически и экономически приемлемый путь решения этого вопроса состоит в контроле содержания Na₂O в отработанной ЖС на уровне, не превышающем 0,3%, что может достигаться следующими путями:
   • 1. Осуществлять постоянный контроль содержания Na₂O в ЖС не реже 1 раза в неделю.
   • 2. Содержание Na₂O в отработанной ЖС регулировать вывозом в отвал определенной части отработанной смеси и в ее ограниченном использовании в составе вновь приготавливаемой ЖС. Следует отдавать предпочтение приготавливать свежую ЖС на свежих песках.

Вывоз в отвал части отработанной ЖС – не самое лучшее решение, но этот вариант все же предпочтителен благодаря медленной фильтрации осадков сквозь находящуюся в отвалах отработанную ЖС, благодаря чему в определенный промежуток времени Na₂O в грунтовые воды будет просачиваться  равномерно и во многократно меньших объемах.

3. Вводить в состав свежеприготавливаемой ЖС для изготовления форм не глину, а бентонит, который, как следует из настоящей публикации, скрадывает негативное влияние NaO на глинистый компонент ЖС.

Мы делаем упор на ЖС для изготовления именно форм, а не стержней, потому что для стержневой ЖС не требуется прочность в сыром состоянии ввиду того, что стержни отверждаются в стержневых ящиках.

Если изготавливать формы из низкопрочной в сыром состоянии смеси, то они даже во время протяжки модели будут разрушаться под действием собственной массы, не говоря уже об их транспортировке, кантовке и других манипуляциях с ними.

Авторы надеются на очень важное и высокорезультативное в положительном аспекте принятие во внимание пользователями ЖС изложенных в настоящей статье соображений.

Литература:

1. Большая Советская Энциклопедия, статья «Гидраргиллит», том 6, с. 469. М., «Советская энциклопедия», 1971.
2. Большая Советская Энциклопедия, статья «Бëмит», том 3, с. 190. М., «Советская энциклопедия», 1971.
3. Янченко Г.В. Влияние отработанных жидкостекольных смесей на качество песчано-глинистых смесей. «Литейное производство», 1981, № 4, с. 31.
4. Белобров Е.А. Исследование некоторых вопросов изменения прочности жидкостекольных формовочных смесей. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Харьковский политехнический институт. Харьков, 1968.