Вспомним забытые технологии: об использовании дунита и оливина в качестве формовочных материалов в литейном производстве

Основным огнеупорным наполнителем формовочных смесей для литейного производства в течение ряда столетий был и продолжает оставаться кварцевый песок.

Однако кислый характер кварца применительно к производству отливок из уникальной по своим свойствам высокомарганцовистой стали Г13Л является ахиллесовой пятой этой стали.

Окислы марганца MnO, будучи очень агрессивными, глубоко щелочными, образуют при взаимодействии с кварцевым песком легкоплавное соединение, которое оказывает крайне негативное влияние на качество поверхности отливок и этой марки стали.

Уральский литейщик Перцовский В.Н., проводя уникальные сравнительные исследования качества поверхности отливок из стали Г13Л при использовании различных огнеупорных наполнителей, в числе которых был и родственный оливину дунит, расположил огнеупорные наполнители по качеству отливки в направлении его улучшения в следующей последовательности: кварц (кислый материал) – шамот (полукислый материал) – дунит, оливин (слабоосновной материал) – хромистый железняк (нейтральный с высокой основностью материал) – магнезит (сильно основной материал). Качество поверхности отливок из стали Г13Л в виде шероховатости при этом изменялось следующим образом: очень шероховатая – шероховатая – слабо шероховатая – гладкая – очень гладкая.

Таким образом, дунит и оливин заняли среднее место между кварцем и шамотом, с одной стороны, и хромистым железняком и магнезитом, с другой стороны [1]. Это очень хороший результата.

Отливки из стали Г13Л могут быть тонкостенными, небольшой массой. В этом случае дунит или оливин могут быть вполне приемлемой огнеупорной основой смеси для этой номенклатуры литья. Для производства тяжеловесного и толстостенного литья из высокомарганцовистой стали могут использоваться хромистый железняк и магнезит как апофеоз качества.

Уникальные результаты исследования уральского литейщика очень четко расставили точки над «и» в этой технологии.

Есть еще одно обстоятельство в пользу дунита и оливина в сравнении с кварцем: это силикоз. Силикоз – очень тяжелая болезнь, поражающая прежде всего органы дыхания, в частности легкие. Тончайшая кварцевая пыль легко внедряется в легкие и прочно удерживается, лишает их подвижности и в конечном счете приводит обрубщика к смерти.

Важным является выбор зернового состава оливиновых песков. Для формовочных и стержневых смесей можно применять оливиновые пески, просеянные через сито с ячейками 1,6-2,0 мм. Такой зерновой состав оливина устраняет проникновение металла в поры формы.

На Серовском металлургическом заводе  при формовке стальных прокатных валков в качестве формовочного материала были испытаны Уктусские дуниты. Физико-механические свойства измельченного дунита, увлажненного до 8% (без добавления специальных крепителей), следующие: газопроницаемость 50-60 единиц, прочность на сжатие 0,5-0,6 кг/см². Дунитовые смеси были использованы при изготовлении нижних шеек прокатных валков диаметром 470 и 600 мм. После выбивки валков дунитовая облицовочная смесь свободно отставала от отливки. Качество поверхности шеек прокатных валков получалось приблизительно такое же, что и при применении хромистого железняка. В случае необходимости с целью повышения прочности рекомендуется вводить в смесь 1,5% магносульфоната технического  плотностью 1,30 г/см³, что, не снижая огнеупорности, заметно уменьшает осыпаемость дунитовых формовочных смесей.

Важно отметить, что применение оливина для изготовления стержней дает результаты не хуже, чем применение циркона, по сравнению с которым оливиновые пески значительно дешевле.

Как показал опыт, угловатые зерна оливина обеспечивают хорошую прочность смеси, но требуют точной дозировки связующего для получения смеси с достаточной текучестью. Обычно требующееся количество жидкого крепителя для песков с угловатыми зернами на 10-15% больше, чем для песков с круглыми зернами.

Оливиновые смеси для стержней можно готовить с применением жидкого стекла в качестве крепителя. Опыты указывают на отсутствие проникновения жидкой стали в стержень.

При применении оливиновых формовочных смесей, содержащих 2% огнеупорной глины и 3% магносульфоната технического, наружная поверхность стальных отливок имеет блестящий вид (за исключением мест подвода металла).

При изготовлении небольших по весу стальных отливок хорошие результаты дает применение противопригарной краски на связующей основе декстрина или патоки.

Недостатком оливина является необходимость его измельчения на дробильных установках.

В мире месторождения оливина и дунита, кроме Шоржинского в Армении, имеется в Норвегии, Японии, Швеции, США и в России.

Дунитовые и оливиновые пески применяют в литейном производстве давно. Родственный оливину дунит содержит много серпентина и как формовочный материал уступает оливину, но после обжига вполне может его заменить. Подобно оливину дунит не смачивается окислами железа и марганца, имеет достаточную огнеупорность и обеспечивает хорошую чистоту поверхности отливок из высокомарганцевых сталей. Отрицательным свойством дунита является его высокая газотворная способность, обусловленная испарением кристаллизационной воды. Дунит – химически устойчивое вещество. Его состав соответствует формуле (MgFe)₂ · (SiO₄)₂.

Авторы [2] исследовали обожженные при 1100°С дунитовые песок и порошок Шоржинского месторождения. Гранулометрические составы дунитового песка и порошка приведен в табл. 1.

                                                                                                                   Таблица 1

Как видно, песок соответствует марке 0315 и отличается низким содержанием пылевидной фракции, величина водородного показателя после обжига рН = 9,6, огнеупорность 1670°С.

Обожженный дунит Шоржинского месторождения имел следующий химсостав, %%: SiO₂ – 37,18; CaO – 0,45: MgO – 49,27: Fe₂O₃ – 11,15: Al₂O₃ – 0,93.

Производитель дунитового песка Шоржинского месторождения (Шоржинский опытный завод, г. Шоржа в Армении) утверждает, что дунит Шоржинского месторождения хорошо зарекомендовал себя при производстве отливок из легированных, в частности высокомарганцовистых, сталей.

Известно, что магнезиальные силикаты поглощают из насыщенной влагой атмосферы от 40^-6 до 64^-6 г/см³ воды в отличие от люберецкого песка, поглощающего при этих же условиях лишь 1,7 · 10^-6г/см³, т.е. в 20-40 раз меньше. Это обстоятельство вызывает определенные затруднения при разработке состава смеси. В результате лабораторных исследований и производственных испытаний разработана смесь следующего состава, принятого в вес.ч.; 65% дунитового песка; 30% дунитового порошка; 5% огнеупорной глины; 5% сульфитно-спиртовой барды и 6% воды. Смесь характеризуется сырой прочностью 0,35 – 0,4 кгс/см²; сухой прочностью при разрыве¹ 3,5-4,5 кгс/см²; газопроницаемостью до 100; осыпаемостью 0,3-0,6%; влажностью 7,5-10%. Стержни и формы сушили по режимам, характерным для стержней и форм из песчано-глинистых смесей. В результате хранения смеси в закрытом эксикаторе в течение 24 ч ее физико-механические характеристики не ухудшались, за исключением

¹ 1 ч при 200°

прочности при разрыве после тепловой сушки, которая снизилась до 2,5кгс/см². Результаты производственных испытаний дунитовых смеси и краски (черновая масса отливки 150 кг, толщины стенок от 100 до 140 мм) показали, что смесь и краска мало пригодны для отливок из углеродистых и хромистых сталей, но дают хорошие результаты на отливках из высокомарганцовой стали. Дунитовую краску можно применять в сочетании последней с песчано-глинистой смесью.

Обращаем внимание наших читателей на уникальную публикацию Васина Ю.П., содержащую ряд важных и ценных практических положений, касающихся использования оливина в литейном производстве [3].

Это химсоставы, теплофизические характеристики, изменения после обжига, спекаемость, а также перечень 19 литературных источников, в которых описаны эти материалы.

Приводим важнейшие положения этой публикации.

Минерал оливин представляет собой изоморфную смесь форстерита 2MgO · SiO₂  и файалита 2FeO · SiO₂ , встречается в природе в виде кусков зернистой структуры зеленоватого цвета. Породы, содержащие в своем составе оливин, носят название дунитов. Увеличение содержания файллита снижает t_пл оливина_.

Плотность оливина 3,3-3,5; твердость 6-7; твердость файллита 6, плотность 4,2.

Удельная теплоемкость оливина возрастает от 0,20 при комнатной t до 0,33 кал/ч.град. при 1500°С.

Тепловое расширение оливина в интервале t от 20 до 1100°С составляет 1,4%.

Оливин более стоек против ошлакования окислами железа, чем кварц, что способствует получению отливок с особо чистой поверхностью и увеличению долговечности смеси.

Оливин обладает высокой термостойкостью и имеет огнеупорность 1790-1830°С. Это больше, чем эта же характеристика у кварца. Оливиновая смесь более стойка против ошлакования окислами железа, что предупреждает образование корки пригара на поверхности отливки.

Очень важным преимуществом оливина является отсутствие необходимости его предварительного прокаливания.

При производстве отливок оливин не должен соприкасаться с кварцем, известняком и глиной, которые негативно влияют на огнеупорность формовочной смеси на основе оливина.

Применительно к нуждам Украины наиболее подходящим является оливин Хабозерского месторождения на Кольском полуострове, содержащий 95-98% оливина с огнеупорностью 1750-1830°С.

Применяемый в литейном производстве оливин должен удовлетворять следующим требованиям:

содержание MgO – не менее 42%;

магнезиальный модуль (MgO · SiO₂) не ниже 1,1;

сумма содержания Fe₂O₃, Al₂O₃ и TiO₂ не более 17%;

ППП – не более 2%;

Огнеупорность – не менее 1620°С.

Оливин дает хорошие результаты при изготовлении из него облицовочной смеси для стержней и форм крупного стального литья. В США применяют оливиновые смеси согласно табл. 2.

                                                                                                                   Таблица 2

Смесь М-1 применяется для сырых форм и для форм с поверхностной подсушкой. Смесью М-2 облицовывают формы для крупных отливок из марганцовистой стали. Затем формы окрашивают оливиновой краской и подсушивают с поверхности.

Смесь С-1 применяют для отливок с высокой точностью размеров и высоким качеством поверхности.

Смесь С-2 применяют в тех случаях, когда на обычных стержневых смесях образуется сильный пригар. Оливин химически не реагирует с марганцем на границе форма-металл, поэтому крупные отливки из марганцовистой стали получаются без пригара и менее трудоемки в очистке и механической обработке. Покрытие кварцево-песчаной смеси оливиновой краской, как это установлено экспериментально, дает хорошие результаты в тех случаях, когда при затвердевании отливки металл отходит от формы. Если же отливка, затвердевая, обжимает форму, последнюю необходимо облицовывать оливиновой смесью. Экспериментально установлено, что у отливок из углеродистой стали, полученных в формах из оливиновой смеси, поверхность лучше, чем в обычных формах. В настоящее время оливиновые смеси при производстве отливок из углеродистой стали применяют только для облицовки отдельных участков формы, где при обычных смесях происходит проникновение жидкого металла, что вызывает дефекты поверхности. При изготовлении отливок из марганцовистых сталей оливиновые смеси ведут себя не хуже, чем цирконовые.

Оливиновую краску получают, вводя оливиновый песок крупностью 0063 (200 меш.) в заранее приготовленный раствор связующего материала. При нагреве пламенем горелки летучая составляющая краски удаляется.

Многомесячный опыт работы показал, что попадание оливина в оборотную смесь не ухудшает ее свойств.

Благодаря угловатости зерен оливиновые смеси имеют высокую прочность, но менее текучи по сравнению со смесями на кварцевой основе.

Как видно из табл. 3, связующим для оливиновых смесей является бентонит, который предварительно разводится в воде. Применение огнеупорной глины нежелательно.

При проведении экспериментов в одном из литейных цехов Англии установлено, что формовочные смеси на основе оливина могут с успехом применяться при изготовлении стальных отливок массой до 25т. Опытами установлено, что оливин в смеси с кварцевым песком при высоких температурах образует легкоплавкие соединения, резко усиливающие образование пригара. Поэтому при изготовлении стальных отливок оливин должен применяться отдельно от кварцевого песка. Несмотря на высокую стоимость перевозки (в Англию оливин доставляется из Норвегии), некоторые английские фирмы предпочитают оливиновый песок кварцевому. Важнейшими преимуществами оливина являются высокая температура плавления и отсутствие нежелательных изменений при нагреве. В качестве связующего материала при изготовлении формовочных смесей на оливиновой основе в практике применяется, как правило, бентонит. Введение глины в смесь при изготовлении стальных отливок не допускается. В табл. 3 приводятся типичные составы формовочных смесей на оливиновой основе.

Назначение составов: 1 – чугунное литье в сырые формы; 2 – для среднего и крупного чугунного литья; - 3 – чугунное литье с большими плоскими поверхностями; 4 – среднее и крупное чугунное литье по-сухому, сушка после краски при температуре 160-180°С; 5 – мелкое, среднее и крупное чугунное и латунное литье, формы подвергаются воздушной сушке в течение 48-72 часов; 6 – стальное литье по-сухому, для стержней добавка масла в смесь до ввода воды, смесь применяется для отливок из специальных сталей; 7 – стальные отливки мелкого и среднего развеса (заливка в сырые формы).                                                                                                            

Таблица 3

Вследствие высокой газотворности стержни требуют более тщательной вентиляции.

В формах на оливине наблюдается повышенное по сравнению с кварцевыми песками подсыхание красок и поверхностей, поэтому влажность смесей следует увеличивать с 4 до 6%.

Сухие формы покрываются, как правило, одним слоем краски; мелкие отливки из углеродистой стали иногда заливаются в неокрашенные формы.

Оливиновые пески по сравнению с кварцевыми гораздо сильнее изнашивают инструмент, пескометные лопатки и конвейерные ленты.

Деформации стержней, влияющей на точность размеров отливок, во время сушки не наблюдаются.

Оливиновые формы обладают низкой стойкостью против эрозионного воздействия струи металла, поэтому в литниковых системах, особенно для отливок весом более 1 т, приходится применять огнеупорные чаши и втулки.

Для тонкостенного литья из высоколегированных хромистых и марганцовистых сталей температура заливки несколько повышается, а продолжительность заливки сокращается.

Как отмечалось, огнеупорность оливина увеличивается при введении окиси магния и при снижении содержания железа. Повышение огнеупорности оливина достигается путем его стабилизации, т.е. прокаливанием смеси оливинового песка с 5% MgO при 2000°С. Все материалы, содержащие СО₂ и Н₂О, разлагаются, а большая часть закиси железа, содержащаяся в файялите, восстанавливается до железа и может быть удалена магнитной сепарацией.

Химический состав обычного и стабилизированного оливина (в %)следующий.

                                                                                                                   Таблица 4

Опыты показали, что, несмотря на высокую огнеупорность, оливиновые смеси начинают спекаться при более низких температурах, чем кварцевые (спекаемость оценивалась по прочности смесей при различных температурах).

Причинами снижения пригара по сравнению с кварцевыми смесями являются более высокая теплоаккумулирующая способность и малое термическое расширение. Последнее особенно важно для стержней, где расширение смеси в сочетании со сжимающими усадочными напряжениями создает повышенное давление, способствующее спеканию.

Более высокая прочность оливиновых смесей после заливки несколько затрудняет ручную выбивку, но почти не оказывает влияния при механической выбивке.

Для отливок из углеродистых, низколегированных, нержавеющих и высоколегированных марганцовистых сталей суммарные затраты времени на очистку отливок и исправление дефектов сократились при переходе на оливиновые смеси на 25-50%.

В 1960 году одна треть общего выпуска стального литья в Швеции была произведена в оливиновых формах. Замена кварцевого песка оливиновым оказалась более эффективной для отливок из аустенитной и марганцовистой сталей.

Желательно применять оливиновый песок с зернами размером 0,27-0,30 мм. Зерна применяемых песков угловатые, часто сросшиеся. Газопроницаемость оливиновых песков несколько ниже, чем кварцевых. После просушки при 110°С в оливиновых песках сохраняется еще 0,5% воды. Для точного определения влаги оливиновый песок необходимо прокаливать при 300°С в течение 1 часа.

Газотворную способность следует определять только методом поглощения выделяющихся из песка газов, так как определение потери в весе при нагреве до 1000°С дает заниженные значения. Это объясняется тем, что содержащееся в оливине двухвалентное железо при высоких температурах переходит в трехвалентное, поглощая кислород из окружающей атмосферы.

В оливиновых смесях можно применять обычные связующие добавки; по сравнению с кварцевыми песками количество бентонита дается пониженное, а жидких добавок – повышенное.

Температура сушки форм и стержней колеблется в зависимости от влажности в пределах от 125° при влажности – 2-2,5% до 280-300° при влажности более 6%. Более высокая температура ухудшает качество поверхности отливок.

Благодаря высокой теплопроводности в интервале до 500° стержни из оливиновых смесей сушатся быстрее, чем при использовании кварцевых песков.

Наилучшей связующей добавкой для оливиновых смесей является быстро схватывающийся цемент, состоящий из смеси MgO, MgCl₂ и H₂O(сорель-цемент). Стержни на цементе обладают хорошей податливостью, высоким сопротивлением спеканию и пригару. Цемент неприменим к кварцевым пескам, так как MgO взаимодействует с кварцем, образуя в окислительной среде легкоплавкие силикаты:

MgO + SiO₂ = MgO + SiO₃

FeO + SiO₂ = FeO + SiO₃

Для окраски форм применяются смеси из мелких цирконовых или оливиновых зерен. Удовлетворительные результаты получаются при использовании краски, содержащей по весу 4% бентонита и 2% декстрина.

Благодаря высокой термической стойкости оливинового песка и малым объемным изменениям безвозвратные потери его при повторном использовании могут быть снижены до 2-3%. Переход на оливиновый песок не требует переделки модельной оснастки. Прилипаемость к моделям несколько выше, чем у кварцевых песков, но она устраняется применением разделительных составов.

Для предотвращения образования ужимин рекомендуется применять песок с зерновой основой, распределенной по четырем ситам со средним размером зерна 0,16 мм (сита №№ 0315, 025, 016, 01).

Оливиновые смеси наиболее эффективны при изготовлении отливок из марганцовистой стали.

В США и Японии проводятся опыты по применению оливина для литья в оболочковые формы.

Оливиновый песок в связи с малым изменением линейных размеров при нагревании и охлаждении может представлять интерес как наполнитель при изготовлении форм по выплавляемым моделям.

По применению оливинового песка в производстве чугунных отливок имеется опыт ряда заводов. Так, одним из авторов был опробован оливин Севанского месторождения. Предварительными опытами по подбору состава смесей на оливиновой основе было установлено, что угловатые зерна оливинового песка имеют большую удельную поверхность, чем кварцевые, а поэтому требуют на 15-20% большего расхода жидких крепителей для достижения одних и тех же значений механической прочности.

В качестве крепителей при изготовлении форм и стержней из смесей на оливиновой основе могут быть применены жидкое стекло, а также смесь огнеупорной глины с декстрином в отношении 4:1.

Опыты показали, что при использовании оливиновых смесей чугунные отливки получаются с более чистой поверхностью. Полностью устраняется возможность образования ужимин.

При переходе литейных цехов на применение оливинового песка возникает вопрос использования отработанных смесей, накопившихся при применении кварцевых песков. Быстрая замена кварцевого песка оливиновым невозможна. Постепенная же замена, как показали опыты, вполне приемлема. При введении в смесь на кварцевой основе оливинового песка в количестве от 10 до 50% пригар на поверхности чугунных отливок не увеличивается, прочность и газопроницаемость смесей не снижаются. Таким образом, перевод литейных цехов на применение оливиновых смесей в чугунолитейном производстве является безболезненным.

Особо следует отметить, что наряду с техническими преимуществами оливина его использование в производственных условиях обеспечивает здоровые условия труда. Полностью отсутствует опасность заболевания силикозом.

Предупреждаем наших читателей, что для практического использования приведенных в настоящей публикации материалов требуется тщательная лабораторно-техническая проработка составов и свойств смесей и противопригарных красок на основе дунита и оливина.

ЛИТЕРАТУРА

1. Перцовский В.Н. К вопросу повышения качества поверхности отливок из стали марки Г13Л. Обмен техническим опытом. Технология машиностроения. Литейное производство. Машгиз, 1954, Москва – Свердловск.
2. Бульштейн Р.И., Белобров Е.А., Погосян Г.А. Дунитовые смеси и краски. «Литейное производство», 1974, № 6.
3. Васин Ю.П. Противопригарные материалы в литейном производстве. Южно-Уральское книжное издательство, 1966, глава V, сс. 83-87.

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

"Литье Украины" 2020, №3, с