Вспомним забытые технологии: отверждение стержней и форм из жидкостекольных смесей воздушно-углекислотной смесью

К.т.н. Белобров Е. А., инж. Карпенкова О. Л., инж. Белобров Л. Е., инж. Белобров Е. Л., инж. Белобров К. Е.
КНПП «Формовочные материалы Украины»

Жидкое стекло (далее ЖС) является водным раствором силиката натрия в виде силикат-глыбы, получаемой сплавлением кальцинированной соды и кварцевого высокосортного песка в пламенных печах. Полученная силикат-глыба растворяется в автоклавах при давлении насыщенного водяного пара 10-20 ати.

Существуют также безавтоклавные способы растворения тонкоизмельченной силикат-глыбы.

ЖС характеризуется двумя главными показателями: силикатным модулем и плотностью.

Силикатный модуль – это молярное отношение SiО2 к Na2О, определяемое по формуле

где k – коэффициент, представляющий собой отношение молекулярных весов Na2О и SiО2;

SiО2 и Na2О - это выраженные в весовых единицах количества этих материалов в силикат-глыбе или в ее водном растворе (ЖС).

Жидкостекольные смеси получили название быстротвердеющих (далее БС). В дальнейшем мы будем пользоваться этим термином.

БС с ЖС отличаются тем, что при их продувании углекислым газом они затвердевают без удаления влаги, которая не удаляется наружу, а иммобилизуется гелем кремневой кислоты, образующимся при взаимодействии СО2 и ЖС.

Другой положительной особенностью БС является быстрое повышение их прочности даже при частичном удалении влаги. Благодаря этому в бывшем СССР был довольно широко распространен вариант технологии, в соответствии с которой формы из ЖС вместо их сушки теплом «провяливались» в атмосфере цеха в течение суток, после чего собирались и заливались.

Технология формообразования на основе ЖС была одной из главных на протяжении ХХ века и сыграла выдающуюся роль в техническом прогрессе как за рубежом, так и в бывшем СССР. Она совершила революцию в формообразовании.

Использование жидкостекольных смесей объясняется их высокой технико-экономической эффективностью, низкой токсичностью, доступностью сырья, простотой технологии и ее высокой оперативностью.

Из многообразия технологий на основе ЖС литейщиков продолжает привлекать СО2-процесс. Однако из-за невысокой прочности форм и стержней, отверждаемых СО2, нестабильности собственно процесса отверждения, высокой остаточной влажности (2,7 – 3,0%) и большого расхода СО2, его применение тормозится.

Существующие способы отверждения форм и стержней не обеспечивают полного усвоения углекислого газа. Примерно 50% его безвозвратно уходит в атмосферу. Кроме того, при длительной продувке форм и стержней происходит их разупрочнение, повышение осыпаемости вследствие выше упоминавшегося «передува».

Устранение этих нежелательных явлений можно добиться двумя путями:

- ограничением времени продувки форм и стержней;

- заменой части СО2 более дешевым и доступным, инертным по отношению к ЖС газом.

Предварительные исследования показали, что замена СО2 очищенным сжатым воздухом, кроме экономии СО2, дает также ряд других преимуществ:

- «смягчение» процесса отверждения смесей;

- увеличение срока хранения отвержденных форм и стержней;

- получение стабильной прочности по объему форм и стержней;

- снижение осыпаемости отвержденных форм и стержней и др.

Главным недостатком этой технологии была и остается затрудненная выбиваемость подвергшейся тепловой обработке БС из отливок. Это в особенной мере касалось стержней, образующих центральные полости в отливках.

При усадке затвердевающего металла стержни в вышеупомянутых полостях подвергаются всестороннему обжатию. После остывания отливки прочность спеченных стержней становится сравнимой с прочностью силикатного кирпича. Для выбивки такого стержня из отливки требуются большие затраты энергии и физического труда обрубщика.

В бывшем СССР велись очень интенсивные, но безуспешные поиски путей снижения трудоемкости выбивки изготовленных по жидкостекольной технологии отливок. С распадом СССР и появлением фурановых технологий эти поиски за их бесперспективностью были прекращены.

Однако самым простым и экономичным вариантом отверждения жидкостекольных стержней и форм был и продолжает оставаться СО2-процесс.

Ведущий вклад в изучение жидкостекольных технологий был сделан ЦНИИТмашем [1].

Подробное описание СО2-процесса с учетом опыта многочисленных заводов содержится в нашей публикации [2].

• 1. На основании вышеизложенного констатируем следующие недостатки технологии отверждения ЖС чистым СО2:

1.1. Для ЖС используется низкомодульное ЖС с модулем 2,6 – 3,0. Однако в реальной практике силикатный модуль снижается до 2,3 – 2,4. Это производится добавлением водного раствора едкого натра в ЖС перед его вводом в смесь или при растворении силикат-глыбы в воде в автоклаве при добавлении пара 10-20 ати, если такая технология применяется.

При отверждении ЖС на низкомодульном ЖС требуется повышенный расход СО2. Исходя из сложившейся практики, расход СО2 на 1 т отливок, изготовленных в формах по СО2-процессу, составляет 20 кг.

Содержание крайне негативного компонента отработанной ЖС (далее ОЖС) Na2О увеличивается с понижением силикатного модуля ЖС.

Если в составе ЖС использовать ОЖС, содержание Na2О в ней будет расти высокими темпами. По достижении содержания Na2О 1% от массы ОЖС наступает резкое ухудшение качества ЖС, если отсутствует мокрая регенерация, при которой Na2О вымывается из ОЖС.

1.2. При отсутствии мокрой регенерации содержащийся в ОЖС Na2О из отвалов вымывается осадками и фильтруется в почвенные воды.

При повышении модуля ЖС СО2-процесс теряет устойчивость через «передув» стержней и форм.

При снижении концентрации СО2 в воздушно-углекислотной смеси (далее ВУС) отверждение стержней и форм стабилизируется.

1.3. Остаточная влажность форм, изготовленных из свежего песка в соответствии с прежней технологией СО2-процесса, составляла через 24 ч (при нормальной температуре в цеховом помещении) около 2,1% по массе. При трехкратном использовании (первый раз свежей смеси и впоследствии 2 раза отработанной) содержание Na2О в смеси должно составлять примерно 0,6%. При добавлении в смесь регенерата ее остаточная влажность возрастает пропорционально его содержанию.

1.4. С увеличением содержания Na2О уменьшается огнеупорность смеси. Смесь спекается. Присутствие Na2О в смеси предрасполагает увеличение ее осыпаемости, особенно кромок.

Все вышеперечисленные недостатки смеси можно устранить за счет радикального уменьшения Na2О в ней.

• 2. Новая технология СО2-процесса характеризуется следующим [3]:

В ней используется не чистый, а разбавленный воздухом углекислый газ.

В этой технологии используется ЖС с более высоким модулем и меньшей плотностью, чем раньше. При этом содержание Na2О уменьшается почти на 40%.

Использование ВУС способствует более полному усвоению СО2.

Остаточная влажность смеси при этом снижается до 1,3%, а через 5-6 ч она снижается еще на 0,5 – 0,6%.

Таким образом, окончательная остаточная влажность форм, изготовленных по новой технологии, на 0,6 – 0,7% меньше влажности форм, изготовленных прежним способом. В этом случае отработанная смесь может быть использована повторно, и низкое содержание в ней Na2О уменьшает осыпаемость форм. При этом уменьшается часть отработанной смеси, идущей в отвал, а эффективность ее использования увеличивается.

В новой технологии используется ЖС с модулем 2,7 – 3,1 и при его  плотности 40° Боме (1,39 г/см3 в метрической системе).

В бывшем СССР много десятилетий тому назад были выполнены первые исследования по использованию разбавленного воздухом СО2 (воздушно-углекислотная смесь – ВУС), на экономическую целесообразность использования ВУС для отверждения жидкостекольных форм и стержней указывает Берг П.П. [4]. Он отмечал, что при разбавлении СО2 другими газами скорость упрочнения снижается, но при этом улучшается усвоение газа формой, т.е. СО2 расходуется более экономно. Опыты показали, что при практически применяемых скоростях продувки примерно 50% расходуемого углекислого газа не вступает в реакцию с ЖС и бесцельно выбрасывается в атмосферу.

Наиболее простым способом экономии СО2 является снижение скорости его прохождения через отверждаемую ЖС, однако при этом нарушается надлежащая фильтрация углекислого газа через слои продуваемой смеси, что влечет за собой неравномерное упрочнение стержней.

Более сложно его разбавление другим дешевым инертным газом, очищенным от масла и влаги, который был бы носителем активного по отношению к ЖС реагента – углекислого газа. В процессе продувки СО2 поглощается, а в атмосферу выбрасывается смесь газов с низкой концентрацией СО2. В простейшем случае в качестве инертного газа можно использовать воздух.

Из зарубежной и отечественной литературы известны многочисленные попытки  отверждения жидкостекольных форм и стержней смесью углекислого газа и воздуха, однако этот вариант СО2-процесса не получил там распространения по следующим причинам:

- использование неосушенного воздуха для приготовления ВУС. Этот вопрос решается применением существующих в технике способов осушения газов;

- трудности приготовления однородной ВУС и поддержания постоянного соотношения между СО2 и воздухом и др.

Применение ВУС для отверждения жидкостекольных форм и стержней позволяет:

- «смягчить» СО2-процесс и исключить так называемый «передув» и обусловленное им разупрочнение форм и стержней;

- улучшить организацию труда при изготовлении и стержней и форм по СО2-процессу;

- снизить примерно наполовину расход углекислого газа и получить экономический эффект.

Вопрос экономии углекислого газа, используемого для отверждения жидкостекольных форм и стержней, может решаться несколькими путями:

- снижением скорости прохождения СО2 через толщу отверждаемых форм и стержней;

- снижением общего содержания влаги в жидкостекольных смесях посредством снижения вязкости и повышения клеящей способности жидкого стекла введением в него малых добавок;

- повышением модуля жидкого стекла и его разбавлением до определенной плотности;

- сочетанием отверждения жидкостекольных форм и стержней продувкой СО2 с тепловой подсушкой, вакуумированием, а также использованием добавок жидких и твердых отвердителей ЖС.

Использование в чистом виде или в сочетании друг с другом одного из этих способов в практике литейного производства не дало значительного преимущества перед чистым СО2-процессом ни в качественном, ни в количественном отношениях. Например, повышение модуля ЖС дает некоторую экономию СО2, но при этом резко ухудшается сохраняемость формовочной смеси, снижаются свойства заформованной и отвержденной смеси, что приводит к образованию песочных раковин, засоров, изменению геометрических размеров отливки, образованию пригара на отливках.

Не получили широкого распространения в практике литейного производства и другие варианты отверждения жидкостекольных форм и стержней.

Существенное улучшение воздушно-углекислотной технологии отверждения может быть достигнуто за счет стабилизации состава ВУС.

При использовании ВУС существенно снижается вероятность образования «белого налета» из-за «передува», который был нами досконально изучен. Мы установили причины образования «белого налета», его химический состав и меры по предупреждению возникновения этого дефекта [5].

«Передув» в большей мере касается стержней и в меньшей мере форм, так как давление СО2 при отверждении стержней на несколько порядков выше, чем при отверждении форм под зонтами.

Проявлению негатива могла бы препятствовать глина, если бы она присутствовала в ЖС. Но ее там нет по существенным соображениям.

Негатив от «передува» стержней еще сильнее проявляется, если они (стержни) длительное время хранятся в цеховом помещении в ожидании сборки. В этом случае процесс происходит в зоне Б [2], рис. 2. Это худший вариант СО2-процесса. Его лучший вариант находится в зоне А [2] рис. 2.

Для практической отработки и эффективного использования новой технологии отверждения стержней и форм воздушно-углекислотной смесью нами была выполнена специальная научно-исследовательская и конструкторско-технологическая работа. Более детально цель этой работы состояла в следующем:

- снижение расхода СО2 за счет его разбавления воздухом;

- создание опытной установки для получения ВУС стабильного состава;

- отработка технологии отверждения стержней и форм воздушно-углекислотной смесью.

Ожидалось, что достижение указанных целей обеспечит снижение себестоимости отливок за счет более рационального использования СО2, снижения брака литейных форм и отливок, улучшения технологичности формовочных смесей.

В числе неизученных или малоизученных вопросов было следующее:

- влияние способа отверждения на срок хранения стержней и форм до заливки;

- влияние концентрации ВУС и продолжительности продувки на качество форм и стержней;

- стабильность смешивания и поддержания постоянного состава ВУС.

Результаты исследований будут представлены в нашей следующей публикации (продолжение следует).

Литература:

1. Лясс А.М. Быстротвердеющие формовочные смеси. «Машиностроение», М., 1965.
2. Белобров Е.А., Карпенкова О.Л., Белобров Л.Е, Белобров Е.Л. Вспомним забытые технологии: жидкостекольный СО2-процесс. «Литье Украины», 2016, № 1.
3. Ямагути Г. Новая технология СО2-процесса в литейном производстве. Перевод с японского языка статьи из журнала «Киндзоку», 1976, том 46 № 2, СС. 37-39.
4. Берг П.П. Формовочные материалы. МАШГИЗ, М., 1963.
5. Брехов В.В., белобров Е.А. Белый налет на формах из жидкостекольных смесей. «Литейное производство», 1969, № 2.