Вспомним забытые технологии: о влиянии физических факторов на свойства литейных связующих

1.ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Формовочная смесь состоит из следующих основных компонентов: огнеупорного наполнителя (далее ОН), связующего (далее С) и технологических добавок (далее ТД).

ОН обеспечивает твердую основу формы, противостоящую высокой температуре, гравитации и динамическому воздействию расплавленного металла.

В качестве ОН используются различные кварцевые, хромитовые, хромомагнезитовые, цирконовые, дистен-силлиманитовые, шамотные, корундовые  и другие пески.

Функция С состоит в склеивании отдельных зерен ОН в твердый и прочный конгломерат. В литейном производстве используются отдельные специальные технологии, например вакуумно-пленочная формовка, не требующие связующего.

С могут отверждаться теплом или вводимыми в состав формовочной смеси специальными веществами, называемыми отвердителями (далее О).

Весьма важную роль в составе формовочной смеси играют ТД, придающие ей какие-то специальные свойства: текучесть, формуемость, пластичность, уплотняемость и др.

В рамках настоящей публикации мы подробно остановимся на связующих и их роли в формировании надлежащего качества формы и соответственно отливки.

Связующие можно подвергать отработке следующими физическими методами: ультразвуком, вибрацией, электромагнитными полями и др.

2.ОБРАБОТКА СВЯЗУЮЩИХ УЛЬТРАЗВУКОМ

Для повышения седиментационной устойчивости в водные противопригарные краски (далее ПК) вводят бентонит или бентонитовую суспензию. Чрезмерное количество бентонита усложняет технологию и ухудшает противопригарные свойства ПК. Для приготовления бентонитовых суспензий авторы [1] использовали ультразвук с удельной мощностью обработки 16-20 Вт/см2 в специальном генераторе. Установлено, что ультразвук увеличивает вязкость суспензии охлажденного бентонита с 13,5 до 50 с, статического напряжения сдвига с 10,7 до 44,80 мг/см2 и плотность с 1,33 до 1,81 г/см3.

При вводе в тальковую краску такой суспензии повышается стойкость слоя краски к истиранию, уменьшается пористость и газопроницаемость, растет сопротивление проникновению металла в форму. С уменьшением количества бентонита в составе ПК эффект обработки его суспензии становится менее заметным и при 1% бентонита не наблюдается вообще.

Аналогичные результаты получены с водными графитовыми ПК.

Расслоение ПК уменьшается при увеличении связующих добавок, а также при увеличении дисперсности графита, талька и бентонита. Однако при этом наблюдается растрескивание ПК после  ее сушки и появляется необходимость ввода в нее большего количества связующего, что нежелательно с точки зрения увеличения газотворности ПК.

При увеличении продолжительности обработки прочность слоя тальковой ПК на истирание повышается в 3-4 раза, газопроницаемость уменьшается. При интенсивности обработки 30 Вт/см2 одновременной с высокой прочностью на истирание достигается наиболее высокая стабильность ПК. При дальнейшем увеличении продолжительности обработки стабильность ПК снижается, а прочность к истиранию увеличивается незначительно.

Аналогичные результаты получаются также при ультразвуковой обработке (далее УЗ-обработка) водных графитовых ПК.

Цеховые испытания показали, что несмотря на увеличение условной вязкости, кроющая способность и эластичность улучшаются, что снижает трудоемкость окрашивания стержней и форм.

Благоприятным является отсутствие растрескивания красочного слоя в отличие от механического диспергирования минеральных компонентов ПК, при котором имеет место растрескивание.

Улучшение технологических свойств ПК при соответствующем выборе параметров УЗ-обработки позволяет сократить расход материалов на 20-25%.

В условиях московского завода «Станколит» при УЗ-обработке готовой графитовой ПК исходной плотностью 1,42 г/см3 ее плотность увеличилась до 1,53 г/см3. ПК была испытана на стержнях из ЖСС при изготовлении отливки массой 3280 кг. Окрашенные стержни подсушивали в проходном сушиле 25 мин при 200-220°С. После второго окрашивания стержни подсушивали газовой горелкой. Поверхность отливки со стороны окрашенных стержней была гладкой, без следов подтеков и кисти. Брак по пригару уменьшился, товарный вид отливок улучшился.

Иванов Н.Х. [2] использовал УЗ для отверждения стержней, изготовленных из сухих (не содержащих влаги) смесей или смесей с низкой влажностью (0,15-0,35%). Существенным недостатком этого варианта использования УЗ является сложность технологической оснастки и нестабильность технологии. По этой технологии воздействие на смесь УЗ сопровождается выделением большого количества тепла, в связи с чем при передержке под УЗ возможен пережог стержней. Прочность в местах отсутствия пережога была приемлемой, а внутри из-за пережога снижалась, что оказывалось неприемлемым.

В связи с тем, что в начальный период приготовления смеси, в которую вводилось 5% ЛСТЖ, ее влажность была 2,0-2,5%, поэтому смесь было необходимо перемешивать до технологически приемлемой влажности. В этом – один из существенных недостатков УЗ-технологии.

Описание аналогичной технологии того же автора содержится в источнике [3].

В целом этот вариант использования УЗ является недостаточным для ее практического применения. Поэтому мы этим комментарием пока и ограничимся.

Берг П.П. [4], изучая влияние УЗ на σ ПГС, озвучивал сначала водо-глинистую суспензию (далее ВГС), которую потом использовал в составе ПГС.

В таблице 1 приведены результаты измерения прочности на сжатие через 20 мин и через 2 ч после приготовления смесей из 90% люберецкого кварцевого песка марки К0315 и 10% огнеупорной глины с переменной влажностью.

                                                                                                                                          Таблица 1

Известно, что при одном и том же содержании глины в формовочной смеси наибольшей прочности можно ожидать при вводе в смесь глинистых составляющих с наибольшей степенью дисперсности при соответствующем увеличении содержания воды. Поэтому заметное повышение прочности после ультразвуковой обработки наблюдалось при повышении влажности свыше 3%.

Увеличение степени дисперсности при обработке суспензии ультразвуком подтверждается и результатами седиментационного анализа (табл. 2)

                                                                                                                      Таблица 2

Установлено, что после УЗ-обработки седиментация частиц в воде значительно замедляется, а объем осадка возрастает. Рост дисперсности глины под действием ультразвука подтверждается также уменьшением после озвучивания водоотделения в суспензии (табл. 3.

                                                                                                                                            Таблица 3

В необработанной суспензии после отстаивания в течение 2 ч вода отслоилась и объем ее со временем не увеличивался. На поверхности озвученной суспензии за то же время водоотделение было незначительным или, в зависимости от параметров УЗ-обработки, не наблюдалось вовсе.

Физическая основа процесса связана с тем, что при наличии глинистых частиц в водной среде возникают интенсивные кавитационные* явления. При этом сами частицы, покрытые пленкой воды, служат зародышевыми центрами кавитации, вызванной знакопеременным давлением ультразвуковых волн. При отрицательном давлении около частиц глины как зародышей кавитации возникают заполненные воздухом и парами воды пузырьки, давление в 

*кавитация – образование локальных пустот внутри жидкости

которых значительно меньше давления в окружающей среде. Вследствие этого происходит

резкое ударное захлопывание пузырьков и возникают локальные давления от 1000 до 10000 ат. Кавитационный удар, возникающий при захлопывании пузырька, направлен на частицы глины и дробит ее. Прочность смесей с озвученной ВГС при увеличении влажности повышается, что позволят снизить расход глины в смеси при неизменной влажности.

Автор [5] в результате УЗ-обработки глинистых материалов обнаружила увеличение емкости ионного обмена, емкости адсорбции и активной удельной поверхности глин и бентонитов. У огнеупорных глин изменение суммарной емкости ионного обмена происходит более значительно (на 35-40%), чем у бентонита (на 5-20%).

Стабильность против расслоения и статического сдвига (далее СНС) глинистых суспензий можно регулировать действием УЗ-колебаний. Увеличение СНС и стабильности суспензий после УЗ-обработки объясняется диспергированием глинистых частиц повышением поверхностной активности твердой фазы и образованием более развитой и прочной коагуляционной структуры.

Для получения дисперсной суспензии, обладающей наиболее высокими связующими свойствами и стабильностью, необходимо соблюдать оптимальные соотношения между условиями УЗ-обработки и концентрацией озвучиваемой суспензии.

Установлено, что УЗ-обработка глин повышает сырую σсж. В зависимости от природы глин прочность ПГС увеличивается на 30-70%. σсж сухих ПГС с суспензиями, предварительно обработанными УЗ, увеличивается на 25-30%. Обнаружено и поверхностное упрочнение формы, что сказывается на снижении осыпаемости.

При введении в смесь обработанных УЗ суспензий формуемость ПГС меньше зависит от влажности, чем у обычных ПГС.

С увеличением продолжительности обработки воды УЗ-полем σсж ПГС в сыром и сухом состояниях возрастает до оптимальной, а потом снижается [6]. Эксперименты в цехе мелкого чугунного литья липецкого «Центролита» показали, что глинистая суспензия, вода которой предварительно обрабатывалась УЗ, дает повышенную сырую σсж единой ПГС. В результате УЗ-обработки воды изменяется ее краевой угол смачивания, поверхностное натяжение и рН.

С увеличением продолжительности УЗ обработки воды среднее значение краевого угла смачивания уменьшается, а поверхностное натяжение и рН увеличиваются. Можно предположить, что УЗ увеличивает степень диссоциаций воды, ориентируя ее несимметричные молекулы в продольном направлении в зонах разрежения и в поперечном - в зонах сжатия. Это неизбежно приводит к изменению технологических свойств смесей, в частности к повышению σсж.

Таким образом, за счет предварительной обработки воды УЗ-полем можно значительно улучшить свойства смесей.

                                                                                                                   Таблица 4*

* В скобках приведено процентное содержание данного материала в составе смеси в пересчете на все ее составляющие.

В качестве связующего использовали бентонит Азербайджанского рудоуправления и огнеупорную глину, а в качестве ПАВ – ЛСТЖ.

Суспензии приготавливали в лопастной мешалке и после двухчасовой выдержки подвергали испытаниям. Коэффициент вязкости определяли по скорости погружения шарика в цилиндре с суспензией без вибрации и с вибрацией при различной частоте.

Связующая суспензия 1 (в смеси, содержащей 5% бентонита и 3% воды) обладает очень высокой вязкостью и не склонна к тиксотропному разжижении.. При добавлении в данную смесь 3,5% ЛСТЖ (суспензия 2) вязкость суспензии с увеличением частоты колебаний уменьшается и при частоте вибрации 3500 мин-1 становится равной 302,0 г/см·с. С увеличением влажности до 6% (суспензия 4) вязкость уменьшается до 49 г/см·с. Замена бентонита глиной ФВ-1 и уменьшение воды до 3% не сказывается на ее вязкости (суспензия 6). Следовательно, тиксотропность смеси зависит не от абсолютного содержания влаги, а от относительной влажности компонентов смеси. При постоянной влажности формовочной смеси и уменьшении процентного содержания бентонита в ней (суспензии 7, 8) вязкость суспензии снижается.

Для хорошей формуемости смеси следует поддерживать оптимальную влажность связующего, т.е. необходимое процентное отношение воды и бентонита (или глины), а их количество должно определяться оптимальной или технологически необходимой сырой σсж и газопроницаемостью смеси. Процентное отношение воды к бентониту (или глине) в каждом отдельном случае будет зависеть от коллоидальности глинистого связующего.

Авторы [8] обрабатывали ультразвуком крепители УСК-1 и ЛСТЖ. Если в начале обработки 300 см3 ЛСТЖ имели 18°С, то через 20 мин температура пробы поднялась до 60, а плотность снизилась с 1,26 до 1,18 г/см3.

σсж смеси из 1940 г кварцевого песка, 60 г формовочной глины, 101 г ЛСТЖ и 20 г воды через 7 мин УЗ-обработки ЛСТЖ достигла максимума, а потом начала снижаться. Прирост σр после тепловой сушки образцов достигал 28-30%. Нарастание σр смеси с ЛСТЖ происходит быстрее, чем с крепителем УСК-1. Вероятно, в водорастворимых гидрофильных крепителях химические процессы под воздействием УЗ протекает быстрее, чем в гидрофобных вследствие значительной ионизации воды.

Отмечается та особенность, что эффект УЗ-обработка и в случае применения ЛСТЖ совместно с другими «неозвученными» крепителями, например УСК-1 и КО, также вызывает повышение σр после тепловой сушки.

Реальность и эффективность УЗ обработки крепителей проверена в производственных условиях с использованием промышленной УЗ-установки. Уз-обработка связующих позволяет без ущерба для качества стержней сократить расход ЛСТЖ на 20-30% и крепителя УСК-1 на 15-18%.

Помимо сокращения расхода крепителей, можно сократить также время сушки стержней.

Уз-обработку крепителей целесообразно производить непосредственно на заводах-производителях крепителей, так как физико-химические изменения, происходящие в них под действием ультразвука, являются необратимыми процессами и не исчезают при их хранении. Увеличению сроков хранения будет также способствовать диспергирование ЛСТЖ под воздействием УЗ и бактерицидные свойства фенолов, образовавшихся в результате озвучивания.

Авторами [9] описана акустическая установка и технология получения на ней комплексного связующего, состоящего из бентонита, крепителя УСК-1 и воды.

Получаемое комплексное связующее обладает высокой седиментационной устойчивостью, стабильностью и однородностью состава. Связующее не расслаивается в течение 4-6 месяцев, не осаждается в трубах, поэтому его можно изготавливать централизованно с последующей раздачей по смесеприготовительным отделениям и отдельным смесителям.

Комплексное связующее обеспечивает требуемые физико-механические и технологические свойства формовочных смесей с меньшим содержанием крепителя УСК-1.

Внедрение установки позволило получать однородный, практически нерасслаивающийся комплексный связующий материал. Значительно сократился расход бентонита и крепителя УСК-1, снизилась газотворность формовочной смеси. В результате уменьшился брак отливок, значительно улучшились условия труда, повысилась культура производства.

Определенный научный интерес представляет возможность использования УЗ при гидрорегенерации жидкостекольных смесей. Однако, принимая во внимание, что концепция регенерации жидкостекольных смесей в бывшем СССР потерпела фиаско, мы ограничиваемся лишь беглым упоминанием этой так и оставшейся неразрешенной проблемы [10].

3.ОБРАБОТКА ФОРМОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ

Авторы [11], исследуя возможности магнитной обработки формовочных материалов, пропускали воду, жидкое стекло, песок и глину через магнитное поле чередующейся полярности. Жидкие компоненты смесей содержали ионы Mg2+,Ca2+, Na+, K+, H+, SiO3--, Si2O5--, OH- и сложные комплексы, состоящие из кислорода, кремнезема и воды. Магнитное поле определенной напряженности может привести в резонансное состояние отдельные ионы и комплексы, а изменение его направления приводит к изменению количества ионов и ионных комплексов, достигших резонансного состояния. Указанные изменения свойств жидкой фазы при магнитной обработке должны изменять свойства формовочных смесей.

На свойства смесей должны значительно влиять магнитные свойства песков, глин, содержащихся в них ферромагнитных минералов типа магнетита, гематита, лимонита и др.

Магнитная обработка воды и жидкого стекла повышает сырую σсж и газопроницаемость, снижая уплотняемость.

Характер изменения сухой σр носит противоположный характер. Магнитная обработка глины увеличивает и прочность смеси. При одновременной обработке песка и глины увеличиваются σсж и газопроницаемость смеси.

Дополнительная обработка воды еще больше увеличивает прочность смеси, но несколько снижает ее газопроницаемость.

Обработка сухих материалов снижает σсж на 16%. В этом случае создаются благоприятные условия для агрегации ферромагнитных частиц и снижения по этой причине количества пылевидной фракции.

Растворимые вещества, находящиеся в воде, влияют на реакцию обменного комплекса глин, в состав которого входят ионы Na+, K+, Ca2+, Mg2+ и  Al3+ при низких значениях рН.

Эффективность магнитной обработки формовочных материалов была подтверждена при ее внедрении на Челябинском тракторном заводе, что позволило сократить расход связующих материалов.

В отдельных случаях омагничивание жидкого стекла повышает σ смеси после отверждения СО2 и тепловой сушки вдвое [12]. Заметное повышение σ наблюдается при значениях модуля меньше 2,0. Смеси на жидком стекле, обработанным магнитным полем, приобретают повышенную σ, что позволяет снизить его расход и улучшить технологические свойства смеси.

Обработка связующих электрическим полем перед их введением в смеситель значительно улучшает технологические свойства стержневых смесей, содержащих 3% фенолоспирта плотностью 1,226 г/см3, обработанного электрическим полем в течение 2 мин. Это позволяет сократить их расход и повысить качество стержней [13].

Наиболее высокой прочностью обладают образцы из смеси жидкого стекла и FeCr-шлака, изготовленных на предварительно омагниченном жидком стекле. Воздействие магнитного поля на готовую смесь, начиная с момента ее схватывания, дает меньшую σсж. Несколько лучше получается смесь, обрабатываемая во время затвердевания, но приготовленная на предварительно омагниченном жидком стекле.

Максимально прочными являются смеси, при приготовлении которых предварительному омагничиванию полем промышленной частоты подвергается только жидкое стекло [14].

По данным автора [15], омагничивание жидкого стекла способствует увеличению σ на 40-60% и уменьшению содержания жидкого стекла и FeCr-шлака на 30-40% без ухудшения исходных физико-механических свойств смесей и в 3-5 раз уменьшить работу выбивки.

Продолжительность омагничивания жидкого стекла е превышала 1 мин.

В случае намерения кого-нибудь из наших читателей применить результаты исследования [14, 15] на практике рекомендуем подробно проработать эти источники, так как некоторые детали этих исследований мы опустили.

В источнике [16] приведены очень интересные результаты магнитной и электрической обработки ПГС. Электромагнитная обработка ПГС сочеталась с использованием в качестве жидкой композиции для приготовления водо-глинистых суспензий щелочных материалов в виде NaOH, KOH, Na2CO3 и соли NaCl. Результаты исследований показали, что с увеличением напряженности электрического поля прочность ПГС возрастала, а при дальнейшем увеличении напряженности снижалась. Максимальный прирост σ получала при обработке растворов в течение 2-4 мин.

Как показали результаты экспериментов, магнитная обработка растворов соли NaCl и щелочей NaOH, KOH концентрации 0,1% не приводит к упрочнению ПГС. При концентрации же 0,5% магнитная обработка приводит к упрочнению ПГС примерно на 22%. Увеличение концентрации соли и щелочей от 0,5 до 2% ведет к незначительному (до 25%) росту σсж.

Использование вышеописанных результатов на практике предполагает предварительную лабораторную проработку вышеописанных рекомендаций.

ЛИТЕРАТУРА

1. Медведев Я.И., Андрияшина Н.Н., Овечко Л.Т. Обработка противопригарных красок ультразвуком. «Литейное производство», 1978, № 2.
2. Иванов Н.Х. Упрочнение сухих смесей ультразвуком при изготовлении стержней. «Литейное производство», 1975, № 9.
3. Иванов Н.Х. Смеси для ультразвуковой формовки стержней. «Литейное производство», 1976, № 10.
4. Берг П.П. и др. Влияние ультразвука на прочность формовочных смесей. «Литейное производство», 1972, № 3.
5. Андрияшина Н.Н. Влияние ультразвука на связующие свойства глинистых минералов. «Литейное производство», 1979, № 3.
6. Анисович Г.А., Гамов Е.С. Влияние предварительной обработки воды ультразвуком на свойства формовочных смесей. «Литейное производство», 1975, № 10.
7. Грищук Н.С., Бровкина Е.П. Влияние вибрации на вязкость связующих. «Литейное производство», 1974, № 12.
8. Егоров В.И. и др. Обработка крепителей ультразвуком. «Литейное производство», 1972, № 1.
9. Гринер В.В. и др. Акустическая установка приготовления связующих материалов. «Литейное производство», 1979, № 3.
10. Кукуй Д.М. и др. Оптимизация режимов ультразвуковой регенерации жидкостекольных смесей. «Литейное производство», 1989, № 4.
11. Васин Ю.П. и др. Магнитная обработка формовочных материалов. «Литейное производство», 1970, № 10.
12. Берг П.П. и др. Омагничивание жидкостекольных смесей. «Литейное производство», 1971, № 1.
13. Дмитрович А.М., Ледян Ю.П., Кукуй Д.М. Обработка связующих электрическими полями. «Литейное производство», 1974, № 11.
14. Писаренко И.Н., Юрченко Н.П. Магнитная обработка композиции феррохромовый шлак-жидкое стекло-вода. «Литейное производство», 1975, № 10.
15. Вишняков Х.И. Жидкостекольные самотвердеющие смеси с омагниченным связующим. «Литейное производство», 1976, № 2.
16. Карташов В.Т. и др. Магнитная и электрическая обработка песчано-глинистых формовочных смесей. «Литейное производство», 1975, № 4.

Авторы: Канд.техн.наук, почетный литейщик Украины Белобров Е. А., инженеры Карпенкова О.Л., Белобров Л.Е.,   Белобров К.Е., Белобров Е. Л.

КНПП «Формовочные материалы Украины», г. Краматорск

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", №5 (225) 2019 г