Вспомним забытые технологии: о выбиваемости жидкостекольных смесей из отливок

Жидкостекольные смеси получили свое название от слов «жидкое стекло» (далее ЖС). ЖС – это водный раствор силиката натрия.Силикат натрия, получивший название силикат-глыбы, получается сплавлением в пламенных отражательных печах кальцинированной соды Na₂CO₃  и кварцевого песка высокого сорта. Главный элемент высокой сортности кварцевого песка – высокое содержание в нем кварца SiO₂ вплоть до 99%. Присутствие различных примесей органического или минерального характера снижает качество силикат-глыбы и получаемого из нее ЖС.

ЖС получается растворением силикат-глыбы в автоклавах при давлении водяного пара 10-20 ати.

Существует также безавтоклавное растворение молотой силикат-глыбы в обогреваемых лопастных мешалках.

ЖС характеризуется двумя главными показателями – силикатным модулем и плотностью.

Силикатный модуль (далее просто модуль) – это мольное отношение Na₂O к SiO₂. В литейном производстве реально используется ЖС с модулем 2,3 – 3,0. Силикат-глыба производится и поставляется с модулем 2,6 – 3,0. Для снижения модуля ЖС используется водный раствор едкого натра NaOН той же плотности, что и ЖС.

В бывшем СССР ЖС стали применять с середины прошлого века.

До ЖС главные технологии литейного формообразования зиждились на песчано-глинистых смесях при производстве отливок как в сырых, так и в сухих (с тепловой сушкой) формах.

Применением ЖС в литейном производстве как СССР, так и зарубежных стран была совершена техническая революция благодаря обширному комплексу преимуществ ЖС над песчано-глинистыми, которые в рамках настоящей публикации мы не рассматриваем. Под рубрикой «Вспомним забытые технологии» мы ранее уже опубликовывали обстоятельную статью по песчано-глинистым смесям.

В 70 – 80-х годах прошлого века в литейном производстве бывшего СССР появились фурановые технологии, которые в определенной мере потеснили жидкостекольные. Однако жидкостекольные технологии по-прежнему применяются на крупнейших заводах Украины, таких как ЗАО «НКМЗ» (г. Краматорск), ГП «Электротяжмаш» (г. Харьков), ПО им. М.В. Фрунзе (г. Сумы), а также на большинстве металлургических заводов. Жидкие самотвердеющие смеси на основе жидкого стекла как связующего по-прежнему используются при производстве металлургической оснастки, в частности изложниц.

О ВЫБИВАЕМОСТИ СТЕРЖНЕЙ ИЗ ОТЛИВОК

Главная причина сокращения объемов применения ЖС при производстве фасонного литья – развал машиностроительных заводов, одним из технологических китов которых было литейное производство.

Главным недостатком жидкостекольных технологий является затрудненная выбиваемость главным образом стержней и частично форм их ЖС. Причина этого – в природе силиката натрия, который при высоких температурах сильно спекается с кварцевым песком. При этом прочность спекшейся ЖС сравнима с прочностью силикатного кирпича.

В бывшем СССР велись многочисленные исследования и изыскания путей улучшения выбиваемости ЖС. Ни по одному литейному вопросу не было защищено столько диссертаций как по выбиваемости.. В конце концов самая серьезная наука о литейном производстве вывесила белый флаг перед скалой под названием «выбиваемость жидкостекольных смесей». Изыскания и исследования по выбиваемости прекратились с распадом СССР.

Выбиваемость представляла из себя проблему, если номенклатура литья изобиловала множеством полостей, образованных стержнями, которые со всех сторон обливались металлом. Но если стержни были обставными, т.е. только одной своей частью формировали тело отливки, то проблемы с затрудненной выбиваемостью не возникали в полной мере.

В последние десятилетия ЖС подверглись существенным изменениям и в лучшую сторону за счет модифицирования жидкого стекла различными полимерными компонентами. Эти изменения позволили улучшить текучесть, формуемость, уплотняемость, пластичность смесей и благоприятно сказывались также на выбиваемости.

С приватизацией появились возможности изготавливать простую номенклатуру отливок, в частности бытового назначения. При этом потребовалась быстроотверждаемая теплом или СО2 смесь. В этой ситуации ЖС оказалась как нельзя кстати.

Это позволяет применять частные, упрощенные решения по улучшению выбиваемости.

Все предыдущие исследования и изыскания по улучшению выбиваемости состояли в сочетании жидкого стекла с определенными технологическими добавками (далее ТД) преимущественно органического характера. Частицы этих ТД располагаются между песчинками и связующими жидкостекольными пленками. Формы и стержни отверждаются СО2 или теплом. Лучшие результаты получающиеся при отверждении (сушке) теплом. В этом случае овышение прочности обеспечивают также ТД,

Органические добавки в виде  муки из злаков и сахаристых веществ более интенсивно применяли зарубежные фирмы.

При заливке форм металлом органические добавки выгорают, ослабляя связи между песчинками и тем самым снижая прочность прогретой до высоких температур ЖС. Макрорезультатом этих процессов является улучшение выбиваемости.

СОВМЕЩЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ДОБАВОК С ЖИДКИМ  СТЕКЛОМ

В реальных условиях Украины литейщики располагают одной весьма эффективной ТД – патокой, являющейся попутным продуктом производства сахара из сахарной свеклы.

Для эффективного использования патоки ее надо совместить с жидким стеклом.

Жидкое стекло – глубоко щелочной материал. Его рН (водородный показатель, характеризующий щелочность, нейтральность или кислотность жидкости) составляет около     11 ед.

Патока – кислый материал. Ее рН составляет 4,5 – 5,5 ед.

При попытке совместить жидкое стекло с патокой и получить однородное связующее происходит коагуляция (сворачивание) жидкого стекла с выпадением в осадок геля кремневой кислоты, который как раз  должен обеспечить прочность смеси.

Для совмещения жидкого стекла с патокой ее надо подвергнуть ощелачиванию, заключающемуся в обработке водным раствором едкого натра (NaOH). В результате ощелаченная патока совмещается с жидким стеклом без его коагуляции. Соотношение между ощелаченной патокой и жидким стеклом составляет примерно 1:5, т.е. 16,7% патоки и 83,3% жидкого стекла.

Другим материалом, добавление которого в жидкое стекло улучшает выбиваемость его содержащих смесей, является лигносульфонат технический (далее ЛСТ). В 20-м веке в целлюлозно-бумажной промышленности внедрена новая технология, которая позволяет получать ЛСТ не в жидком и не в твердом виде, а в виде тонкодисперсного порошка.

ЛСТ в виде порошка с точки зрения санитарии и гигиены труда неприемлем.

В свое время нами была освоена эффективная технология перевода порошкового ЛСТ в жидкий (ЛСТЖ), которая используется по настоящее время.

рН ЛСТ находится примерно на одном уровне  рН патоки. Поэтому ниже мы даем описание ощелачивания ЛСТ. По этой же схеме можно ощелачивать и патоку.

В экспериментах использовали ЛСТ плотностью 1208 кг/м3 и водный раствор едкого натра той же плотности, а также жидкое стекло плотностью 1500 кг/м3 с модулем 2; 2,4; 2,8. Значение рН определяли при помощи лабораторного рН-метра.

Было приготовлено 6 композиций ЛСТ, в разной степени обработанных раствором едкого натра.

После обработки едким натром ЛСТ полностью сохранил свою однородность. При этом коагуляция ЛСТ и повышения его температуры не наблюдали. Композицию приготовляли в размельчителе тканей при скорости вращения вала 3000 об/мин. Первым в размельчитель тканей загружали ЛСТ, потом – раствор едкого натра. Перемешивание продолжалось 30 с.

Приготовленные вышеописанным способом композиции использовали для обработки ими жидкого стекла с различными модулями. При этом доза жидкого стекла составляла 240 г, доза композиции – 60 г.

Композиции из жидкого стекла и ЛСТ приготовляли также в размельчителе тканей. При этом композицию вводили в жидкое стекло тонкой струей в течение 15-20 с, после чего продолжали перемешивание еще 30 с.

Изменение условной вязкости жидкого стекла по В3-1 во времени  в зависимости от степени его обработки раствором едкого натра приведено в таблице.

Вязкость исходного жидкого стекла модулей 2; 2,4; 2,8 составляла 6,4; 7,5; 25с соответственно.

С повышением модуля жидкого стекла его устойчивость против коагуляции снижается.

При хранении обработанного ЛСТ жидкого стекла его вязкость заметно снижается, что вероятно, связано с пептизацией (рассасыванием) ранее образовавшихся сгустков жидкого стекла.

С повышением рН ЛСТ (после его обработки едким натром) размеры включений коагулята становятся во много раз меньше.

С увеличением содержания ЛСТ в жидком стекле физико-механические характеристики смесей несколько ухудшаются, хотя и остаются приемлемыми для практического использования смесей.

Проверка выбиваемости смесей на специальных пробах показала, что добавка ЛСТ количествах 1,0 – 1,2 мас.ч. улучшает выбиваемость ЖС примерно на 30-40%.

Таким образом, регулируя рН ЛСТ, можно получить устойчивые против коагуляции растворы жидкого стекла и ЛСТ и использовать их для улучшения выбиваемости ЖС.

Наиболее приемлемым способом отверждения ЖС является их тепловая сушка.

Если использовать обработанные лигносульфонатом техническим ЖС тепловой сушки для производства мелкого литья, например чугунной посуды, то это будет технология, напоминающая технологию коркового литья. И никакие фурановые технологии в этом случае не нужны.

В предыдущих наших публикациях мы многократно подчеркивали высокую оперативность жидкостекольных технологий в сочетании с их кратковременной тепловой подсушкой для получения тонкостенных форм. Эта особенность заключается в очень быстром нарастании вязкости жидкого стекла с понижением содержания воды в нем и ростом его плотности.

Эта технология изготовления форм весьма приемлема для мелкого и среднего бизнеса, способного быстро приспосабливать свои технологии к потребителям рынка.

Рекомендуем литейщикам Украины обратить пристальное внимание на эту технологию и эффективно использовать комплекс ее преимуществ.

ИТБ "Литье Украины", №6 (214) 2018 г.