Вспомним забытые технологии: Об использовании шамотов в качестве формовочных материалов в литейном производстве

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Шамот – это обожженная до спекания огнеупорная глина или каолин. Измельченный шамот применяют для отощения (уменьшения пластичности и усадки при сушке и обжиге) огнеупорной глины при производстве из нее шамотных огнеупоров, а также растворов для огнеупорной кладки.

Главными потребителями шамота являются заводы-производители формованных шамотных огнеупоров, мертеля и др.

Для производства шамота глина подвергается обжигу при температурах от 1000° до 1500°С.

Обожженный шамот подвергается дроблению в щековых дробилах до кусков размерами не более 40 мм, после чего размалывается в шаровых мельницах.

Зерновой состав молотого шамота (по данным треста «Огнеупорнеруд») таков, %% по массе:

остаток на сите № 1 - 0;

остаток на сите № 2 - не более 5;

проход через сито 0,5 мм - не менее 70.

Однако такой шамот по своему зерновому составу непригоден в качестве огнеупорной основы формовочной смеси и, тем более, противопригарной краски.

Средний размер зерна шамота для формовочной смеси, по нашей оценке, должен быть 0,2-0,4 мм.

Шамот для противопригарных красок надо размалывать до следующего состояния, %% по массе:

проход через сито с размером ячейки 0,1 мм -100;

остаток на сите с размером ячейки 0,05 мм    - не более 5.

По своей огнеупорности шамот вполне сравним с огнеупорностью кварцевого песка (порядка 1620-1750°С). Его можно считать огнеупорным наполнителем очень высокой кондиции для облицовочных смесей при производстве стального и чугунного литья.

В этом нас убеждает использование шамотных формованных изделий для огнеупорной кладки плавильных печей и разливочных ковшей, особенно при выпуске в ковш стали как имеющей более высокую рабочую температуру.

Главным параметром шамота, определяющим его огнеупорность, является содержание в нем Al₂O₃. Наиболее подходящим сырьем для производства из него высокоогнеупорного шамота является каолин, содержание Al₂O₃ в котором составляет до 42% [2].

Кроме того, в шамоте содержится до 1,9% TiO₂ и до 3% Fe₂O₃ [3]. Тепловое расширение шамота в интервале температур 20-1000°С составляет 0,5-0,7%.

Температура начала деформации уплотненной шамотной (обожженной после формовки) массы под нагрузкой составила 2 кгс/см² (при 1400°С). Насыпная масса шамотной крупки с размерами частиц 0,5-3,0 мм – 1,2-1,3 г/см³.

Шамот содержит от 30 до 70% муллита, имеющего химическую формулу   3Al₂O₃·2SiO₂ [2].

ФОРМОВОЧНЫЕ СМЕСИ НА ОСНОВЕ ШАМОТА

В практике сталелитейных цехов Англии для изготовления крупных стальных отливок широко применяются шамотные формовочные смеси «Компо». Облицовочная смесь «Компо» имеет следующий состав, %% по массе:

порошок из битого шамотного кирпича:

крупная фракция из порошка крупностью до 1 мм – 3,45;

фракция мельче 1 мм – 23;

порошок из свежего шамота (крупная фракция) – 18;

огнеупорная глина – 14;

вода – 9-10;

иногда для чугунного литья добавляется сажа.

Смесь «Компо» имеет следующие характеристики:

газопроницакмость – 120-200 ед.;

σ_сж в сыром состоянии 0,85 – 1,0 кгс/см²;

σ_сж после сушки 14,0 – 17,5 кгс/см².

Формы покрываются шамотной же противопригарной краской, огнеупорной основой которой является мелкий порошок  из 87% свежего шамота и 13% шамотного кирпича. В качестве жидкого компонента используется смесь воды и ЛСТЖ (1:12 по массе). Шамотная красочная заготовка разводится до кашеобразного состояния (первый слой). Второй красочный слой состоит из 85% мелкого порошка алунда, 13% глины, 2% декстрина и 60% воды (второй слой). Краски наносятся на сырые формы. После 2-3-часового провяливания формы сушатся переносными газовыми сушилами сначала при 200, затем при 500°С (для удаления конституционной влаги). Формы можно не прошпиливать.

В бывшей ГДР применяли формовочные смеси, состоявшие из дробленого шамота и огнеупорной глины. Ниже приводится типовой состав формовочной смеси, масс.ч.: шамота молотого с величиной зерен 2-5 мм – 3; шамота молотого с величиной зерен 1-2 мм – 3; глины огнеупорной – 1. Содержание воды в смеси составляет 7,5%. Конечная температура сушки форм – 750-900°С.

На заводе акционерного общества «Вагнер Биро» (Австрия) формовочные смеси для крупных форм стального литья изготовляют на основе шамотной крошки размером до 5 мм. Формы сушат при 400°С в течение 8-10 часов. Для окраски форм применяют графитобентонитовые краски, а для массивных узлов стальных отливок – цирконобентонитовую краску.

Литейные цехи «Объединенных чугунолитейных и сталелитейных заводов» в  Линце для изготовления форм и стержней используют в основном шамотные смеси, содержащие 50-65% шамота с зернами крупностью до 3-5 мм, 20-30% кварцевого песка и 5-10% глины влажностью около 8%. В составы смесей для форм тонкостенных стальных отливок и для стержней добавляется до 15% графита.

Смеси для серого чугуна состоят из 25% шамота, 5% глины, 5% графита и остальное – естественный формовочный песок с содержанием глины 8-10% и влажностью 9%. Краска для форм содержит 80% шамотной пудры, 10% глины и 10% графита.

Для изготовления чугунных отливок могут быть рекомендованы шамотные смеси с жидким стеклом, продуваемые углекислым газом.

На Ленинградском заводе им. Рошаля [1, 2] для изготовления чугунных отливок сушильных цилиндров, прессовых валов и размольных мельниц широко применялись полупостоянные формы из шамотной смеси состава, %%:

песок кварцевый КО315 - 23;

шамот молотый -25;

шамотная смесь отработанная- 33,5;

глина формовочная- 18,5;

вода - до влажности 6-7%.

Шамот приготовляется из отходов огнеупорного кирпича, размолотого на дробилке или в бегунах. Размолотый шамот просеивался через сито с ячейками 3-4 мм, причем получались преимущественно зерна размером 1,5-2,5 мм. Количество мелочи допускается не более 20%.

Огнеупорная глина просушивается и размалывается на бегунах с последующим просеиванием через сито с ячейками 0,5-1,0 мм. Сухие материалы загружаются в бегуны в следующей последовательности: шамотная смесь (отработанная), шамот молотый, глина формовочная, песок.

Вся эта смесь перемешивается в бегунах в течение 5 минут, затем смачивается водой и в течение 12-15 минут снова перемешивается, а при выпуске из бегунов пропускается через грохот для разрыхления.

Шамотная смесь имеет следующие физико-механические свойства:

газопроницаемость в сыром состоянии - 50 – 100 ед.;

газопроницаемость в сухом состоянии - свыше 150 ед.;

σ_сж в сыром состоянии - 0,8-1,0 кгс/см²;

σ_р в сухом состоянии - 1,2 – 1,5 кгс/см²;

влажность - 6 – 8%.

После удаления модели сырая шамотная форма с помощью кисти обмазывается раствором огнеупорной глины для устранения пор на поверхности формы и окрашивается вручную графитовой краской следующего состава: 53% черного графита, 26,5% формовочной глины, 7,3% ЛСТЖ и 13,2% крепителя ГТФ.

Краска разводится водой до плотности 1,3 г/см³. Для окрашивания формы можно пользоваться также краской ГБ-2.

Окрашенные сырые формы сушились в стационарном сушиле при температуре  280-300°С в течение 14 часов для валов массой от 3 до 10 т 10 часов, и для валов массой от 1 до 3 т.

После просушки формы вновь подкрашивались и в готовом виде шли на сборку.

В бывшей Чехословакии формовочные и стержневые шамотные смеси применялись для изготовления толстостенных стальных отливок массой в несколько тонн. Составы смесей, %:

I – шамотная крошка - 80 – 85;

     огнеупорная глина - 15 – 20;

II – природный жирный песок

    (содержание глины до 30%) - 48 – 49;

    шамотная крошка - 48 – 49;

     огнеупорная глина - 2 – 4.

Для приготовления шамотных смесей использовался крупнозернистый шамот с рассредоточенным зерновым составом. Максимальный размер зерен шамота достигал 3-5 мм.

Все формы и стержни из шамотных смесей окрашивались корундовой или шамотной краской, %:

белый корунд (или тонкомолотый шамот) - 82,5;

огнеупорная глина - 16,0;

бентонит - 1,5.

Толщина слоя высушенной краски (из 2 слоев - 2-3 мм.

Формы и стержни I состава прокаливаются при 600 - 700°С, II состава - при 500 – 600°С.

Отливки получаются без пригара, ужимин и засоров, имеют меньшую шероховатость. Это объясняется тем, что шамот и корунд практически инертны к химическому воздействию окислов металла. Шамот состоит в основном из муллита – тугоплавкого материала, не разлагающегося и не претерпевающего никаких модификационных превращений во всем интервале температур вплоть до плавления.

Последнее свойство шамота определяет отсутствие ужимин на отливках и объясняет широкое распространение шамотных смесей в бывшей Чехословакии.

Недостатком технологии с использованием шамота является необходимость прокаливания форм и стержней при высоких температурах.

ШАМОТНЫЕПРОТИВОПРИГАРНЫЕ ПАСТЫ И КРАСКИ БЫВШЕЙ ЧЕХОСЛОВАКИИ

При изготовлении стальных отливок среднего и мелкого развеса во многих случаях достаточно применить противопригарную краску на основе шамота, чтобы устранить противопригарную краску на основе шамота, чтобы устранить пригар. Так, в работе [ ] при изготовлении отливок из сталей 25Л, 35Л и 20ГСЛ весом от 100 до 1500 кг хорошие результаты дало применение краски, состоящей из 83% шамота (крупность зерен: остаток на ситах 0063 и 005 – не менее 45-55%), 2% декстрина, 3% крепителя 4ГУ и 7% сульфитно-спиртовой барды. Перед употреблением шамот просушивается при температуре 250°. Недостатком шамотной краски является наличие мелкой сетки трещин на просушенной поверхности стержня. Толщина слоев краски: I слой – 0,15 мм, II – 0,30 мм, III – 0,4 мм и IV слой – 0,3 мм. Стержни окрашиваются кистью.

В бывшей Чехословакии для предупреждении пригара на стальных отливках в последние годы успешно применялись самовысыхающие пасты «Пирогели», которые состоли из 53-65% циклогексана (отходов при производстве синтетического бензина) и 30-40% шамотной муки.

В циклогексан вводились 2-3% стеарата алюминия (продукта для получения водоотталкивающих тканей), тщательно перемешивались и подогревались до 80°С. При нагреве образовался быстровысыхающий гель, в который добавлялась шамотная мука в консистенции пасты.

При изготовлении чугунных отливок формы и стержни рекомендовалось покрывать пастой «Пирогель» следующих четырех составов (в % по массе):

Формы и стержни натирались пастой, а затем выдерживались на воздухе. Форма была готова к заливке через 10-15 минут. Паста «Пирогель» хорошо ложилась и прочно удерживалась на форме № 3любой смеси, не трескалась даже при значительной толщине нанесенного слоя. Окрашенные ею формы и стержни были совершенно негигроскопичными.

ШАМОТНЫЕ ПРОТИВОПРИГАРНЫЕ КРАСКИ БЫВШЕГО СССР И УКРАИНЫ

Предложенная автором [4] шамотная противопригарная краска используется для стержней, применяемых при изготовлении отливок сложной и простой конфигурации среднего развеса из стали 25Л, 35Л и 20ГСЛ.

Огнеупорный порошок приготовляется путем размола отходов шамотного и хромомагнезитового кирпича, применяемого для сталеплавильных печей. Используемый кирпич очищается от шлака и просушивается при температуре 250°С. Зерновой состав порошков: остаток на ситах 0063, 005 не менее 45-56%. Краска приготовляется в механической краскомешалке. Во избежание оседания порошок вводят в краскомешалку порциями и тщательно перемешивают. Краску рекомендуется перемешивать и перед нанесением на стержень или форму. Состав краски таков, масс.ч.: молотый шамот – 88, декстрин – 2, крепитель 4ГУ – 3, ЛСТЖ – 7.

Плотность краски 1,9 – 2,1 г/см³.

Шамотная краска применяется для стержней стальных отливок, массой от 100 до 1500 кг. Кроющая способность краски хорошая; на поверхности стержней после подсушки дефектов нет; качество поверхности отливок с небольшими тепловыми узлами при нормальной просушке стержней получалось удовлетворительным.

При толщине стенок отливок от 20 до 50 мм применяется двойная окраска стержней в сухом состоянии с перерывом в 10-15 мин после первой окраски.

Недостатками шамотной краски является: отсутствие спекаемости слоев и мелкая сетка трещин на просушенном слое краски после третьего и четвертого покрытий. Ориентировочная толщина слоев наносимой краски такова: I слой – 0,15 мм; II – 0,3 мм; III – 0,4 мм и IV – 0,3 мм. Стержни окрашиваются кистью.

По данным автора [2], шамотный кирпич обладает следующими свойствами:

огнеупорность – 1610 – 1750, плотность 2,665 г/см³; объемная масса 2,163 г/см³; пористость – 20%; σ_сж при температурах 20, 500 и 800°С – 569; 327 и 345 кг/см² соответственно, средняя удельная теплоемкость при 400, 800 и 1000°С составляет 0,222; 0,267 и 0,264 ккал/г.град. Теплопроводность при 400 и 800°С составляет 3,34 и 3,5 кал/см.сек.град.

Украина располагает уникальным набором огнеупорных глин, из которых, кроме того, можно изготавливать и гамму шамотов, полностью удовлетворяющих все нужды черной и цветной металлургии и литейного производства Украины.

Как месторождения глин, так и производство из них огнеупоров, вся металлургия и большая часть литейного производства сосредоточены в Донецкой, Луганской, Запорожской и Днепропетровской областях Украины.

25 лет тому назад КНПП «Формовочные материалы украины» создало уникальное производство противопригарных красок для литейного производства в составе 40 наименований водных и быстросохнущих (спиртовых) их разновидностей, которые полностью удовлетворяют всю гамму потребностей Украины.

На основе шамота нами производятся две противопригарные краски: водная и спиртовая.

Водная шамотная краска с условным обозначением по ТУ У 24.6-23112279 – ППШ-! Предназначена для окрашивания подвергаемых тепловой сушке форм и стержней для стального, чугунного и цветного литья.

Быстросохнущая (спиртовая краска с условным обозначением по ТУ У 24.6-23112279-006-2006 БПШ) предназначена для окрашивания форм и стержней из фурановых ХТС, а также из теплостекольных смесей, отверждаемых СО₂, жидкими (эфирными) отвердителями и порошками типа феррохромового шлака. Порошками могут отверждаться как пластичные жидкостекольные смеси (ПСС), так и жидкие также жидкостекольные смеси (ЖСС).

Краской БПШ можно окрашивать также формы и стержни из любых смесей, подвергаемых тепловой сушке, с той особенностью, что их сначала надо после тепловой сушки охладить до цеховой температуры (20-40°С), потом окрашивать. Окрашивание быстросохнущей краской теплых или горячих стержней и форм неприемлемо по двум причинам:

первая – техническая. Наносимая на формы и стержни краска может комковаться (сворачиваться), исключая возможность получить их гладкую поверхность;

вторая – санитарно-гигиеническая. С красочного слоя на окрашиваемой поверхности будет интенсивно испаряться спирт, чем будут затруднены и усуглены условия работы красильщика.

Такой опыт использования быстросохнущих красок для окрашивания форм и стержней тепловой сушки в Украине имеется (на одном из больших заводов в Донецкой области).

Физико-механические свойства шамотных красок приведены ниже.

Водная шамотная краска марки ППШ-1 по ТУ У 24.6-23112279-007:2006:

плотность красочной суспензии при испытаниях – 1,55-1,65 г/см³; внешний вид красочной массы – суспензия серого цвета (в состоянии поставки ППШ-1 – порошой серого цвета влажностью 6%. Из него приготавливается краска употребления путем смешивания порошка с водой до требуемой плотности); содиментационная устойчивость – не менее 92%; прочность к истиранию нанесенного на стекло красочного слоя – не менее 1,5 кг/мм;

Быстросохнущая (спиртовая) шамотная противопригарная краска марки БПШ по ТУ У 24.6-23112279-006:

внешний вид – суспензия светлосерого цвета; ориентировочная плотность краски при ее испытаниях и использовании 1,65-1,80 г/см³; прочность к истиранию нанесенного на стеклянную пластинку красочного слоя – не менее 2 кг/мм.

Область применения шамотных красок – производства стальных и чугунных отливок с преобладающими толщинами стенок до 100 мм при двойном окрашивании форм и стержней. Эти краски можно использовать также при производстве отливок из цветных сплавов.

Авторы выражают готовность оказывать консультативную и иную помощь заинтересованным предприятиям Украины в использовании шамотных смесей и противопригарных красок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. «МАШИНОСТРОЕНИЕ», М., 1990, слово «шамот», с.345.
2. Васин Ю.П. Противопригарные материалы в литейном производстве. Южноуральское издательство, 1966.
3. Лифшиц М.А. Огнеупоры в черной металлургии. М., «Металлургиздат», 1960.
4. Гайсин Б.М. Противопригарные шамотные и хромомагнезитовые краски для стержней стальных отливок. «Литейное производство», 1964, № 5.

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

«Литьё Украины», 2020, № 5, с.17-21