Вспомним забытые технологии: предупреждение смерзания формовочных и стержневых смесей в зимние периоды

Пришла зима, и в самый раз надо позаботиться о том, чтобы формовочные и стержневые смеси не смерзались в необогреваемых помещениях.

Практически во всех стержневых и формовочных смесях содержится влага: от 2% в стержневых смесях, содержащих гидрофобные связующие типа олифы, 4ГУ-П, АЗМОЛ-УСК, УСК; и до 5-7 иногда даже до 9% в песчано-глинистых смесях (далее ПГС) для изготовления форм с их последующей тепловой сушкой.

В условиях разрухи и тотального экономического кризиса, захлестнувшего машиностроение Украины, в составе которого находятся литейные переделы, исключается возможность поддержания в литейных цехах в зимние периоды нормальной температуры, даже пониженной (+10...+15ºС), тем более в условиях многократно сократившихся объемов производства, когда нужда в прежних больших производственных площадях отпала.

Связанный с этим производственный дискомфорт в меньшей мере проявляется в южных и юго-восточных и гораздо больше - в северных областях Украины. И хотя минусовая температура в литейных цехах может быть кратковременно, остановка производства по этой причине неприемлема.

Стержневая смесь на водном связующем ЛМ и жидкостекольные смеси начинают смерзаться при — 10ºС. Эти смеси можно использовать и при небольших минусовых температурах в цеховых помещениях. Что же касается ПГС, то для предупреждения смерзания в них надо вводить какие-то реагенты, предупреждающие смерзание.

Наиболее приемлемым во всех отношениях реагентом является поваренная соль, или хлористый натрий NaCl.

Поваренная соль. Хлористый натрий  NaCl (молекулярный вес 58,448) является солью соляной кислоты. Чистый  NaCl – бесцветное кристаллическое вещество, содержащее 39,336% Na и 60,664% Cl. Температура плавления  NaCl 801ºС, температура кипения 1413ºС.

Плотность кристаллического NaCl при +20ºС составляет 2,1631 г/см3 [1].

Сведения о концентрациях водных растворов поваренной соли (далее соли) в зависимости от температуры приведены в табл. 1.

Таблица 1. Растворимость  NaCl в воде

 Главные месторождения соли в Украине — Артемовское, Славянское, Солотвинское.

Для формовочных смесей против смерзания надо использовать соль как можно более тонкого помола. Чем мельче зерна соли, тем быстрее она растворяется в воде и в содержащих воду композициях.

ПГС для изготовления литейных форм, подвергающихся тепловой сушке, характеризуется влажностью 5-7%. Эта влажность в 1,4-2,0 раза выше влажности формовочной смеси, применяемой при изготовлении отливок в сырых формах. Более высокая влажность ПГС для сухих форм необходима для того, чтобы перевести глинистое вещество, находящееся между частицами песка, в пастообразное состояние, которое обеспечивает образование на зернах песка гладких, однородных пленок, выполняющих функцию связки. При снижении влажности глинистой пленки она становится ноздреватой, в ней образуется множество разрывов, что снижает прочность песчано-глинистого конгломерата.

Присутствие влаги в смеси  при минусовой температуре приводит к ее смерзанию. Смесь превращается в сплошной твердый ком и поэтому теряет свою пластичность, подвижность, в связи с чем становится непригодной для формовки.

После уяснения этого факта были предприняты меры по предупреждению смерзания формовочной смеси при минусовых температурах.

При минусовых температурах потребные количества соли для получения ее насыщенного раствора в расчете на 1 т формовочной смеси в зависимости от ее влажности ПГС и температуры в цехе таковы (табл. 2):

Таблица 2. Расход соли для предупреждения смерзания формовочной ПГС

Приводим пример с добавкой поваренной соли для двух конкретных ПГС — формовочной и стержневой.

Эти смеси были испытаны, при этом получены следующие результаты (табл.3).

Таблица 3. Физико-механические свойства формовочной и стержневой смесей

В эти же смеси было добавлено по 1% поваренной соли, после чего смеси были перемешаны для усреднения их состава. Обе смеси были помещены в морозильную камеру, где хранились в течение 8 ч при — 22ºС. Осмотр смесей после их выдержки в морозильной камере показал полное отсутствие каких-либо признаков смерзания.

Физико-механические свойства смесей после из пребывания в морозильной камере приведены в табл. 4.

Таблица 4. Физико-механические свойства смесей после их выдержки в морозильной камере

 Анализ полученных данных позволяет констатировать следующее:

- имеет место некоторое снижение прочности смесей в сыром состоянии, что можно объяснить более полным растворением соли в, содержащейся в смеси воде. Глинистая паста, находящаяся в виде пленок между песчинками смеси, подверглась разжижению под влиянием NaCl, в связи с чем снизились ее вязкость и клейкость, что нашло свое макровыражение в снижении сырой прочности смеси;

- прочность смеси после сушки существенно возросла (примерно на 65% по сравнению с ее первоначальными значениями). Это явление можно объяснить удалением влаги из солевого раствора и переходом поваренной соли в твердое состояние. Соль, перейдя в твердое состояние, упрочнила глинистое вещество. Это явление хорошо известно по превращению в прочный ком ранее сыпучей поваренной соли после ее длительной выдержки, когда соль сначала впитала в себя содержащуюся в воздухе влагу, в результате чего на границах солевых зерен образовался насыщенный раствор, а потом эта влага испарилась, а насыщенный раствор прекратил свое существование и придал соли прочность;

- газопроницаемость, как и ожидалось, изменилась незначительно.

Приведем еще один пример. Было приготовлено две смеси следующего состава, мас.ч.

Первая:  - кварцевый песок — 93;

- бентонит — 7;

- вода — до влажности 4,5%.

Вторая смесь отличается от первой тем, что в ее состав была введена поваренная соль тонкого помола в количестве 1% от массы смеси.

Обе смеси характеризовались прочностью на сжатие в сыром состоянии 0,4 кгс/см2 и влажностью 4,5%.

Обе смеси были помещены в морозильную камеру с температурой в ней — 22ºС. По прошествии 8 ч смеси были вынуты из морозильной камеры. Первая смесь полностью смерзлась в один сплошной и прочный конгломерат. Вторая смесь была пластичной, подвижной, сохранив свои первоначальные прочность и влажность.

Таким образом, введение соли в ПГС полностью предупреждает ее смерзание и обеспечивает сохранение физико-механических характеристик, прежде всего прочности и влажности.

В условиях реального производства следует руководствоваться табл. 2.

Соль вводится в смесь одновременно с другими сыпучими компонентами: песком, глиной (бентонитом), крахмалитом (если он применяется) и другими технологическими добавками.

Присутствие в составе ПГС в количестве до 2% безвредно. Ее накопление в составе смеси маловероятно ввиду кратковременности периода, когда в цеховых помещениях бывают минусовые температуры.

Соль как технологическая добавка против смерзания формовочной смеси совместима со всеми компонентами, входящими в песчано-глинистые смеси, в частности, с любыми песками (кварцевыми, тощими, полужирными, жирными), глинами (каолиновыми, бентонитовыми, активированными и неактивированными), водорастворимыми связующими (лигносульфонатом техническим, крахмалитом, декстрином, патокой).

В настоящее время отсутствует опыт добавления поваренной соли в стержневые смеси на основе связующих КО, УСК,АЗМОЛ-УСК, 4ГУ-П.

Однако эти смеси сами по себе менее склонны к смерзанию, чем песчано-глинистые. Но если возникнет нужда, то можно оперативно провести эксперименты, в которых главным контрольным показателем, определяющим совместимость поваренной соли с этими смесями, является прочность смеси после ее тепловой сушки. Если она существенно не снижается, то поваренную соль в эти смеси можно вводить, не опасаясь негативных последствий.

Поставщиком соли в Украине является объединение «Артемсоль».

Его адрес: 84545, г.Соледар Донецкой обл., ул. Чкалова, 1А. Тел/факс: (062) 3323854, 3323855.

Соль первого сорта нулевого помола поставляется по ДСТУ 3583-97 (ГОСТ 13830-97). Тара — полимерные контейнеры серии МКР (биг-бэги) массой нетто 1 т или пластиковые мешки массой нетто 40-50 кг..

Следующим шагом в предупреждении смерзания ПГС было использование ранее наработанного опыта заводов. Для этой цели были проанализированы технологические инструкции ряда заводов, содержащие информацию о предупреждении смерзания песчано-глинистых смесей при минусовых температурах. В частности, в технологической инструкции одного из заводов тяжелого машиностроения содержится таблица, определяющая зависимость дозы поваренной соли в составе ПГС против смерзания от ее влажности и минусовой температуры в цехе.

Таблица 5. Зависимость дозы соли, добавляемой в ПГС против ее смерзания, от влажности и минусовой температуры.

Соль вводится в смесь одновременно с другими сыпучими компонентами — песком, глиной (бентонитом), крахмалитом (если он применяется) и другими добавками.

При изменении массы замеса требуемая доза поваренной соли Д1 определяется по формуле

 где Д — доза поваренной соли в расчете на 1000 кг смеси, кг;

 G – масса замеса, кг.

Пример: требуется определить дозу соли при массе замеса 600 кг, влажности формовочной смеси 5% и температуре — 6ºС. Для этого в табл. 5 находим цифру на пересечении ряда цифр, в одном ряду с влажностью 5% и в колонке против — 6ºС, которая равна 5,4. По формуле находим дозу соли, которую надо ввести в замес.

О предупреждении смерзания водо-глинистой суспензии. Одной из разновидностей использования глины в ПГС является водо-глинистая суспензия (далее ВГС). Существенным недостатком этой технологии является низкое содержание глинистого вещества в ВГС — порядка 20% от массы ВГС, принятой за 100%.

Для предупреждения смерзания ВГС в ее водной части должно быть растворено определенное количество NaCl. В частности, температуре замерзания —5ºС соответствует содержание  NaCl в его водном растворе 7,8%; температуре замерзания —10ºС соответствует содержание  NaCl в его водном растворе 13,6%; для температуры замерзания —15ºС -  18,8% NaCl;  для температуры замерзания —20ºС -  22,4%.

Если при вышеприведенных концентрациях  NaCl в его водных растворах температуры будут ниже  -5ºС; -10ºС; -15ºС и -20ºС, то растворы будут смерзаться. Из этого вытекает вывод, что для предупреждения смерзания при более низких температурах надо повышать концентрацию  NaCl в растворе.

Выпариванием навески ВГС плотностью 1,15 г/см3 установлено, что в ней содержится 20% сухой глины и 80% воды.

Реальность этой цифры подтверждается анализом инструкций других заводов, на которых используют ВГС плотностью 1,15 г/см3, что соответствует содержанию глины в ней около 20%..

Если в условиях какого-то производства содержание глины в ВГС окажется больше 20%, то, пользуясь вышеприведенными данными, можно скорректировать содержание NaCl в ВГС.

Таким образом, в одном килограмме ВГС содержится

При массе замеса 600 кг и оптимальной влажности ПГС в зимний период 4,5% в этот замес надо ввести 0,045·600 = 27 кг воды, или 27 : 0,8 = 34 кг ВГС, что в пересчете на объем составляет 34 : 1,15 ≈ 30 л. Вместе с суспензией в смесь вводится 34 — 27 = 7 кг глины, или        (7 : 600) · 100 = 1,16%. Этого количества глины недостаточно для достижения требуемой прочности в сыром состоянии, поэтому недостающую часть глины надо вводить в виде порошка или тощего часовоярского песка. Доводить содержание глины в смеси до требуемого за счет увеличения количества ВГС недопустимо ввиду неприемлемого повышения влажности смеси. Это относится не только к зимнему, но и к летнему периодам.

Принимаем возможную предельную температуру в цеховом помещении — 15ºС, при которой в 1 кг водо-солевого раствора должно содержаться 188 г NaCl.

Добавление 18,8%  NaCl к водной части ВГС повышает ее плотность с 1,15 до 1,18 г/см3, при этом вязкость суспензии снижается и она становится более транспортабельной по трубам.

На основании выполненных экспериментов и расчетов содержание воды в 1 м3 ВГС составляет 1 · 1,15 · 0,8 = 0,92 м3 (920 л.). На это количество воды надо ввести

где 81,2 — содержание воды в % в 1 л солевого раствора при концентрации NaCl в                        растворе 18,8%.

Если допустить, что температура в цеховом помещении будет — 10ºС, то содержание  NaCl в 1 м3 ВГС должно быть

При температуре - 5ºС,  содержание  NaCl в 1 м3 ВГС будет

При температуре - 20ºС,  содержание  NaCl в 1 м3 ВГС будет

При других содержаниях глины в ВГС дозу NaCl для данной температуры в расчете на      1 м3 ВГС можно определить по формуле

где Q – содержание воды в  1 м3 ВГС, кг;

b -  концентрация NaCl в его водном растворе для данной температуры, %.

Итоговые цифры по содержанию  NaCl в  1 м3 ВГС приведены в табл.6.

Таблица 6. Масса дозы  NaCl, которая должна содержаться в  м3 ВГС

Пользуясь вышеприведенными данными, можно рассчитывать дозы NaCl для каждого градуса.

В расчетах не учтено содержание чистого NaCl в поваренной соли, но этой поправкой за ее малостью можно пренебречь.

Отсутствие смерзания ВГС проверено экспериментальным путем охлаждения пробы суспензии в морозильной камере. Однако в производственных условиях на большой партии ВГС проверка не проводилась. Реализация этой проработки намного облегчится при повышении плотности ВГС до ее больших значений, чем принято в наших расчетах. В этом случае в основу расчета надо положить содержание воды  в суспензии и на это количество воды в зависимости от ожидаемой минусовой температуры вводить расчетную дозу поваренной соли.

Если приготовленная ВГС и ее содержащая ПГС будут приготовлены и использованы в течение одной смены, то, принимая во внимание, что охлаждение ВГС и ПГС — это длительный процесс, количество  NaCl вводить из условного расчета, что минусовая температура в цехе будет на пять градусов выше.

Выражаем уверенность, что на основании вышеприведенных расчетов в реальных условиях несложно будет произвести необходимые расчеты и корректировки содержания NaCl в ВГС.

В прошлый зимний сезон наши рекомендации по предупреждению смерзания ПГС с успехом применило ООО «МЕТИНВЕСТ-МРМЗ» (г. Мариуполь).

Выражаем готовность оказать всяческую помощь заинтересованным литейщикам в предупреждении смерзания ПГС и ВГС в зимний период, если у кого-то возникнет такая ситуация.

Литература:

1. Поваренная соль и ее растворы. Справочник под редакцией Остроухова И.В. и Яроцкого В.Г. Изд. «ХИМИЯ», Ленинградское отделение, 1970.