Вспомним забытые технологии: отверждение форм и стержней из жидкостекольных смесей теплом в камерных сушилах

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Влага в литейной форме – один из самых вредных факторов, крайне негативно влияющий на качество отливки. При заливке металла в сырую форму отливка может сильно поражаться пригаром, ужиминами песочными и газовыми раковинами, засорами. А если эту форму при прочих равных условиях высушить теплом, то можно полностью избавиться от вышеупомянутых дефектов.

В песчаной форме затруднительно и неэкономично полностью избавиться от влаги. В связи с этим технологические меры чаще всего направлены на удаление влаги из поверхности слоев формы на глубину от 20 до 150 мм, поскольку состояние именно этих слоев формы играет решающую роль в обеспечении надлежащего качества отливок.

Применительно к предмету настоящей статьи следует заметить, что ЖС, обладая комплексом положительных свойств, вместе с тем характеризуется некоторой нестойкостью, заключающейся в недостаточной пластичности, текучести, способности поддаваться отделке гладилкой. Из-за этого рабочие поверхности облицованных ЖС стержней и форм получаются шершавыми и корявыми, что сказывается соответствующим образом на поверхности отливки.

Для устранения этого недостатка ЖС в нее добавляется 0,025 -0,04% пасты РАС [1] или другого ПАВ, в частности  циклимида.

Другой путь устранения этого недостатка – добавление в ЖС 1% экструзионного крахмалореагента или его аналога крахмалита.

ЖС с этими добавками становится мягкой, пушистой, текучей, легко деформируемой и уплотняемой, не прилипает к инструменту и оснастке, очень хорошо отделывается. При этом устраняется шершавость поверхности стержня, формы, они становятся очень гладкими.

Сушка форм и стержней в камерных сушалах – самая давняя разновидность тепловой сушки в литейном производстве. Из всех технологических приемов литейного производства тепловая сушка – самой радикальное средство обеспечения высокого качества отливок.

Возможности производства отливок приемлемого качества в сырой форме ограничиваются предельной единичной массой отливки в 500 кг. Этот порог условный. В отдельных случаях масса отливки может быть и меньше и больше. Более крупные отливки изготавливаются в формах, отверждаемых теплом, газами, порошковыми или жидкими отвердителями. Из перечисленных технологических средств лишь тепловая сушка обеспечивает отсутствие влаги в поверхностных слоях формы. Самые крупные и уникальные отливки из стали и чугуна массой до 100 тонн и более изготавливаются только в формах, высушенных теплом.

В нашей предыдущей публикации [2] мы осветили наиболее простые и малоэффективные разновидности отверждения форм из ЖС и оговорили пределы их применения.

В настоящей статье мы предлагаем читателю-литейщику наш подход к использованию камерных сушил для сушки стержней и форм из ЖС. Разработке технологии сушки стержней и форм в камерных сушилах предшествовали проведенные нами исследования различных аспектов этого вопроса и их многократные испытания в производственных условиях.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОРАБОТКИ ПРОЦЕССА ТВЕРДЕНИЯ ЖС И ЕЕ ПОВЕДЕНИЯ ПРИ ЗАЛИВКЕ МЕТАЛЛА В ФОРМУ

Главное отличие применения сушил для жидкостекольных технологий от их аналогичного применения для песчано-глинистых технологий заключается в температуре (далее Т) и в продолжительности сушки. Если Т сушки стержней и форм из песчано-глинистых смесей (далее ПГС) достигает 400°С, а в отдельных случаях 500-550°С, то сушка форм из ЖС ограничивается 300°С. Главная причина этого – в снижении прочности ЖС при Т сушки более 300°С. Кроме того, при высокой Т сушки, особенно в сочетании с быстрым нагревом поверхности формы, может происходить растрескивание и коробление подсушенной поверхностной корки.

Известно [3, 9], что при сушке формовочных смесей теплом упрочнение, т.е. превращение подвижной сыпучей песчаной массы в монолитное тело, происходит за счет нарастания вязкости связующего вплоть до его превращения в твердое тело, которое и связывает песчаные зерна. При использовании связующих типа патоки, коахмала, декстрина, лигносульфоната технического жидкого этот процесс является главным и постепенным. ЖС же твердеет по-иному. Отличие твердения ЖС заключается в том, что даже после кратковременного нагрева ЖС при незначительном удалении из нее влаги, т.е. при частичном высушивании, она приобретает достаточно высокую прочность, тогда как приобретение прочности обычными, например песчано-масляными смесями, связано с обязательным предварительным полным или почти полным удалением влаги. Причиной такого благоприятного твердения ЖС является характер вязкости жидкого стекла с увеличением его плотности. При превышении значения плотности жидкого стекла 1,55 г/см³ (m = 2,4) имеет место скачкообразный рост его вязкости, что обусловлено особенностями коллоидного раствора силиката натрия, каковым является натриевое жидкое стекло [4].

Принимая во внимание, что при любом способе сушки форма отверждается не во всем объеме, а лишь на определенную глубину и что оставшаяся в форме влага может мигрировать как в сторону периферии формы, так и к ее рабочим, т.е. соприкасающимся с металлом, поверхностям, считаем целесообразным в первую очередь рассмотреть два вопроса: первый – влияние температуры сушки на свойства ЖС и в первую очередь на ее прочность, и второй – влияние обратной миграции влаги на эти же свойства ранее высушенной ЖС.

Влияние температуры сушки на свойства ЖС. Важнейшим свойством смеси является ее прочность. Согласно [2, 3] основная потеря влаги смесью и ее основное упрочнение происходят при нагреве ЖС до 200-250°С. Наиболее интенсивная потеря влаги и наибольшее упрочнение совпадают в вышеуказанном температурном интервале. В серии экспериментов три партии образцов из ЖС высушивались и прокаливались при температурах от 20 до 800°С. Прочность образцов из первой партии показана на рис. 1 (кривая 1). Вторая партия прокаленных образцов увлажнялась до ее полного насыщения холодной водой и выдерживалась 1 ч в эксикаторе, третья партия была обработана в течение 5 с насыщенным водяным паром по методике рис. 3 [4], имитируя зону конденсации пара в реальной форме. Наиболее характерными и показательными являются кривые 2 и 3 на рис. 1, анализ которых позволяет констатировать следующее:

- высушенные при Т до 200°С образцы при пропаривании первыми теряют свою прочность почти до нулевого значения при их исходной σ_сж 130 кгс/см²;

- начиная с Т 200°С и до  300°С сохраняется вполне приемлемая для реальной технологии σ_сж — примерно 20 кгс/см²  после пропаривания  и 50 кгс/см²  после увлажнения при комнатной температуре;

- до Т сушки 200°С возможная миграция влаги с любой стороны в глубинные слои формы или в ее полость еще представляет опасность с точки зрения разупрочнения поверхностного слоя формы при заливке ее металлом и образования ужимин при наличии в этом слое влаги;

- наиболее благоприятные условия в жидкостекольной форме создаются в результате нагрева ее рабочей поверхности до  250-300°С;

- начиная с 250°С пропаривание смеси не приводило к сколько-нибудь значительному снижению ее прочности по причине полной дегидратации силиката натрия и потере им растворимости в воде.

Обработка паром провяленных на воздухе образцов при их остаточной влажности 1% и σ_сж порядка 90 кгс/см² приводила к их мгновенному разупрочнению. Основная причина этого — в неполной дегидратации образцов.

Таким образом, изменение прочности в золне конденсации существенно зависит от Т сушки форм и стержней. Повышение Т сушки сверх  200-250°С способствует более полной дегидратации силиката натрия, уменьшает скорость и абсолютную величину последующей гидратации в зоне конденсации. Это, в свою очередь, обусловливает сохранение некоторой остаточной прочности в зоне конденсации, предупреждая таким образом разрушение рабочих слоев формы и образования дефектов.

Глина в составе ЖС играет большую роль в формировании сырой, сухой прочности, а также существенно влияет на ее изменение в зоне конденсации водяного пара. Ответ на эти вопросы следует также из рис.1. Исходные свойства безглинистой и глинистой ЖС (рис.1) характеризуется кривыми 1 и 3 соответственно. Более острый пик кривой 1 безглинистой ЖС обусловлен тем, что при Т выше 110°С начинается интенсивное вспучивание жидкого стекла, нарушающее оплошность связующих пленок силиката натрия, в которое превратилось жидкое стекло, и тем самым обуславливающее резкое падение прочности. Связующая пленка становится ноздреватой и потому непрочной. Полагаем, что вспучивание связано с эндотермическим эффектом, имеющим место в интервале Т 110-130°С [3]. Присутствие глины в составе такой же смеси уменьшает вспучивание жидкого стекла, чем и обуславливается сохранение более высокой σ_сж.

При длительной паровой гидратации смесей (перед установкой в атоклав образцы увлажнены до полного насыщения) безглинистая смесь разупрочнялась полностью (рис.1, кривая 2). Лишь после нагрева смеси до 800°С наблюдался некоторый рост прочности, который, вероятно, обусловлен плавлением силиката натрия и спеканием его с песчаной основой смеси.. Что же касается глинистой смеси, то, начиная с 250°С (кривая 4) ее прочность возросла до некоторого максимума (при 350°С) и в дальнейшем повторяла ход кривой 3 исходной прочности.

Таким образом, общей закономерностью для ЖС, упрочнение которых обусловлено дегидратацией, является существенное уменьшение их прочности в зоне конденсации влаги. Снижение остаточной влажности смеси, присутствие глины (при тепловой сушке) и особенно тепловая обработка при их Т не ниже  250-300°С и в определенной степени уменьшают результирующее действие водяных паров, но не устраняет его полностью.

Разупрочняющие действие водяных паров может быть заметно ослаблено в условиях формирования прочности жидкостекольных смесей в результате разложения силиката натрия с образованием геля кремневой кислоты (СО₂-процесс) либо в результате протекания более сложных процессов, имеющих место, например, при взаимодействии жидкого стекла с β-ортосиликатом кальция (самотвердеющие ЖС), о чем будет сказано в нашей следующей публикации под рубрикой «Вспомним забытые технологии».

Термостойкость и обгар форм из ЖС. При заливке крупных форм металлоемкостью 1 т и более их верхние части подвергаются интенсивному нагреву за счет лучеиспускания расплавленного металла. Промежуток времени от поступления первой порции металла в форму до его подхода к облучаемым верхним частям формы — самый опасный с точки зрения разрушения нагреваемых поверхностей и образования ужимин, засоров, песочных и газовых раковин. Эта опасность сохраняется и после подхода металла при условии, что он течет и омывает верхние части форм. Ситуация стабилизируется лишь с полным прекращением движения металла. Промежуток времени между началом заливки формы и появлением первых разрушений ее поверхностей, особенно верхних, называется термостойкостью [5]. Термостойкость форм зависит от множествафакторов, важнейшими среди которых при прочих равных условиях являются связующие. Согласно [5] в первый момент после начала заливки в поверхностных слоях формы происходит сначала усадка, которая через несколько мгновений переходит в расширение, обуславливающее деформации и разрушения поверхности. Вредные проявления этих деформаций могут быть предупреждены релаксацией, т.е. снятием напряжений за счет взаимной подвижки деформируемых слоев формы. Жидкое стекло в этом отношении является благоприятным связующим. После дегидратации жидкого стекла его связующие пленки превращаются в силикат натрия Na₂O·nSiO₂, который имеет Т плавления примерно 800°С. Если в связующие пленки внедрены глинистые, кварцевые, шамотные и другие неорганические включения, то Т плавления силиката натрия может повышаться до 1100°С и более. В связи с этим будет отодвигаться температурный порог релаксации деформирующихся слоев формы. Но относительная низкая Т плавления силиката натрия при производстве крупных отливок может играть негативную роль. При длительном облучении до подхода металла верхов форм их поверхностные слои размягчаются и даже разжижаются, отрываясь под действием собственной массы от еще твердых слоев формы, засоряя металл песочными включениями. В местах отрыва верхних слоев образуются дефекты в виде наростов неправильной формы.

Одним из способов снижения интенсивности нагрева поверхностных форм является окрашивание их светлыми противопригарными красками, о чем свидетельствует нижеописанный эксперимент, проведенный авторами на заводе «Сибтяжмаш» [1] (г.Красноярск, Россия). Для эксперимента была выбрана отливка зубчатого  колеса из стали 45 массой 18,5 т, масса жидкого металла 26 т, наружный диаметр 4200 мм, высота 450 мм при толщине обода 200 мм.

Наружная поверхность обода оформлялась стержнями, изготавливаемыми по СО₂-процессу. В один из стержней вставили термопару заподлицо с рабочей поверхностью. Вторую термопару установили на расстоянии 6 мм от рабочей поверхности формы, так как ужимины образуются в результате разупрочнения и расслаивания формы примерно на этой на глубине. Термопары были расположены на одной линии на 60 мм ниже верхнего торца обода отливки. Одну половину стержня окрасили белой корундовой краской на основе жидкого стекла слоем 0,3 мм, другую оставили неокрашенной. Влажность 20-мм корки окрашенной части стержня ко времени сборки составила 1,3%.

Об отражательной способности окрашенной и неокрашенной поверхностей формы судили по их освещенности, замеренной на расстоянии 40 мм люксметром при освещении объекта направленным светом одного и того же кинопроектора. В данном случае освещенность окрашенной и неокрашенной частей стержня составила 450 и 400 Лк соответственно. Температура металла, замеренная термопарой погружения, составила 1540°С. Заливка формы до подхода металла к области расположения термопар продолжалась 240 с после поступления первой порции металла в полость формы. Форма была залита полностью за 10 мин через два стопора одновременно (время заливки учтено с учетом доливки металла через открытые прибыли).

Результаты эксперимента показали, что светлая краска снижает температуру поверхностного слоя формы на 50°С. Интенсивный нагрев слоев формы, расположенных в 6 мм от отливки, начинается лишь с момента подхода металла в изучаемую область. Замечено, что при использовании жидкого стекла с М=2,15 количество засоров в отливке увеличивается по сравнению с высокомодульным жидким стеклом (М=2,7 — 2,9) из-за интенсивного разупрочнения смесей и расслоения верхних и боковых поверхностей форм по причине более низкой температуры плавления низкомодульного силиката натрия.

Присутствие в хромите и хромомагнезите окислов СаО и других окислов сдвигает температуры плавления многокомпонентных систем на основе силиката натрия в качестве связующего в более высокие температурные области, поэтому жидкостекольные смеси на основе этих огнеупорных наполнителей применяют для изготовления крупных стальных отливок единичной массой до 30 т и более.

Некоторые машиностроительные заводы, например ЗАО «НКМЗ», облицовывают нижние полуформы смесями на жидком стекле, а верхние — песчано-глинистыми, как более прочными при высоких температурах.

3. СУШКА ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ В КАМЕРНЫХ СУШИЛАХ

В энергозатратном отношении сушка форм в камерных сушилах — самая энергоемкая и дорогая по следующим причинам:

- плотное заполнение сушильной камеры стержнями и формами, затрудняющими, несмотря на наличие нормативных просветов и зазоров между ними, свободную и эффективную циркуляцию горячих топочных газов, от которых тепло передается к стержням и формам;

- в связи с глубоким расположением рабочих поверхностей крупных форм их омывание и сушка топочными газами затруднены;

- нагреванию подвергаются не только рабочие поверхности, но и опоки и прилегающие к ним периферийные слои, а также контролады (со стороны шпоночных решеток) форм, что технологически не требуется. При этом нагрев этих частей форм ввиду их наружного расположения осуществляется в первую очередь. Нагрев ЖС рабочих поверхностей происходит с запозданием. Наиболее предпочтительным и эффективным является такой способ сушки, когда первоочередному нагреву подвергаются рабочие поверхности формы, что в камерных сушилах невозможно;

-нагретые снаружи формы остывают до технологически требуемых температур во много раз дольше, чем в случае их сушки со стороны рабочих поверхностей, что в целом увеличивает цикл производства и тем самым замедляет его темпы;

- в связи с тем, что горячие топочные газы, как правило, поступают в сушильную камеру из расположенных внизу по бокам боровов, температура сушки в различных частях камеры значительно колеблется. Разница температур, например внизу и вверху, в задней и передней частях камеры, может достигать 100-150°С. Это негативно сказывается на качестве подвергаемых сушке форм;

- режимы сушки в камерных сушилах в 4-6 раз более длительные, чем, например, при поверхностной сушке форм переносными газовыми или электрическими сушилами, когда сушке подвергаются только рабочая поверхность формы, как это требуется по технологии.

Вышеперечисленных недостатков лишена технология сушки форм при помощи переносных сушил. Однако на многих заводах камерные сушила, предусмотренные проектами в 50-60-е годы прошлого века, существуют, и заводы вынуждены их эксплуатировать, идя на энергетические и финансовые издержки.

Технологическая характеристика режимов сушки. Важнейшие элементы технологии сушки стержней и форм из ЖС в камерных сушилах таковы:

- изготовленные формы и стержни перед их загрузкой в камерные сушила должны быть выдержаны в цеховом помещении не менее 1,5 ч. Кратковременное провяливание стержней и форм смягчает интенсивность их нагревания и предупреждает образование зоны конденсации с нулевой прочностью ЖС, распаривание и коробление подсушенных слоев стержней и форм;

- загрузку стержней и форм в сушило лучше производить, когда оно охлаждено до цеховой Т или нагрето до Т не более 100°С;

- лучшим вариантом комплектации форм и стержней одной садки были бы приближенные по габаритным размерам и толщинам стержни и формы. Однако в реальных условиях выдержать это требование затруднительно или вообще невозможно. Поэтому режимы сушки надо назначать применительно к более крупным формам и стержням.

Режимы сушки стержней. Мелкие стержни с толщинами тел до 300 мм подвергаются нагреванию от 100 до 300°С в течение 2 ч, выдерживаются при  300°С 2 ч и остывают до 100°С вместе с сушилкой 1,5-2 ч. Если имеется возможность, следует сделать максимальную выдержку для охлаждения стержней вместе с закрытым сушилом. При необходимости ускорить охлаждение стержней можно, открыв дверь сушила и выкатив тележку со стержнями наружу.

Такой режим обеспечивает толщину высушенного слоя до 50 мм. С выдержкой стержней в закрытой камере толщина высушенного слоя увеличивается до 100 мм. Однако стержень будет обладать технологически приемлемой прочностью на гораздо большей глубине, так как ЖС приобретают прочность начиная с их влажности (в сторону ее уменьшения) 2%.

Средние стержни с толщинами тел от 300 до 600 мм подвергаются нагреванию по режиму мелких стержней с выдержкой при  300°С 4 ч и остыванием вместе с камерой 2-3 ч. Такой режим обеспечивает толщину высушенного слоя до 60 мм с ее увеличением до 120 мм при охлаждении садки в закрытой камере.

Крупные стержни с толщинами тел более 600 мм нагреваются по режиму сушки мелких стержней до 300°С 2 ч, выдерживаются при  300°С в течение 6 ч и охлаждаются вместе с камерой 2-3 ч. При этом обеспечивается толщина высушенного слоя до 80 мм с ее увеличением до 150 мм при охлаждении в закрытой камере.

Режимы сушки форм. Мелкие формы в опоках с размерами в свету 1200х1600 мм нагреваются до 300°С в течение 2 ч, выдерживаются при 300°С 2 ч и охлаждаются в закрытой камере 2-3 ч. Этот режим сушки обеспечивает толщину высушенного слоя 18-20 мм с ее увеличением при охлаждении форм в закрытой камере.

Средние формы в опоках с размерами в свету от 1200х1600 до 2000х3000  ммнагреваются до 300°С 2 ч, выдерживаются при 300°С 4 ч и охлаждаются в закрытой камере 2-3 ч. При этом толщина высушенного слоя достигает 28-32 мм с ее увеличением при охлаждении формы в закрытой камере.

Крупные формы в опоках с размерами в свету более 2000х3000  ммнагреваются до 300°С 2 ч, выдерживаются при 300°С 6 ч и охлаждаются в закрытой камере 2-3 ч. При этом толщина высушенного слоя достигает 45-50 мм с ее увеличением при охлаждении формы в закрытой камере.

Низа крупных кессонных форм высушиваются при помощи переносных аппаратов [6].  Общее время сушки составляет 5 часов. В первые 30 мин поддерживается Т сушки 140-150°С, в последующие 30 мин - 180-220°С и в последующие 4 часа  300°С. Толщина высушенного слоя составляет 40-50 мм.

Верха кессонных форм высушиваются по режиму сушки крупных форм.

Высушенные формы охлаждаются на воздухе, собираются и заливаются. Время от сборки до заливки не должно превышать 12 ч. Если это время просрочено, форму надо разобрать, заново подсушить пламенем газовой горелки 15-30 мин, охладить, собрать и залить.

Глубина высушенного слоя приборами или иными техническими средствами не контролируется. Она обеспечивается надлежащим соблюдением режимов сушки.

4. ОКРАШИВАНИЕ СТЕРЖНЕЙ И ФОРМ ПРИ ИХ ТЕПЛОВОЙ СУШКЕ

По нашей версии, формы в сыром состоянии (до сушки) не окрашиваются в связи с возможным растрескиванием и короблением окрашенных поверхностей. Однако на сей счет имеется положительный опыт окрашивания сырых жидкостекольных стержней на ГП «Завод «Электротяжмаш» в г. Харькове..

При необходимости окрашивания форм водными противопригарными красками эту операцию следует производить после сушки и остывания формы до Т 70-80°С. Если имеется необходимость двукратного окрашивания, то второе окрашивание производится после высыхания первого красочного слоя. В обоих случаях красочный слой высыхает за счет остаточного тепла полуформы.

Стержни и формы рекомендуем окрашивать следующими водными противопригарными красками нашего производства:

- для чугунного литья – марки ППП-1, ППГ-1, ДП-2, ДС-2, ТГ-1, ТП-2, ППШ-1;

-для стального литья –марки ЦП-2, ДП-2, ДС-2, ППКор-1, ППК-1, ХМ-1, КС-1, ППШ-1;

-для бронзового литья – марки ППГ-1, ДП-2, ДС-2, ТГ-1;

-для литья из алюминиевых сплавов – марки ДП-2, ДС-2,ТП-2.

Высушенные стержни и формы после их охлаждение до 400°С можно окрашивать также быстросохнущими (спиртовыми) красками, используя нижеследующие быстросохнущие краски того же производства:

- для чугунного литья – марки БПГ, БПДС, БПЦ, БПТГ, БПТ, БПШ;

-для углеродистого стального литья – марки БПК, БПДС, БПКор, БПЦ, БПХ, БПХМ, БПМУ;

-для литья нержавеющих сталей – марки БПЦ, БПКор, БПХМ;

-для литья из марганцовых сталей – марки БПХ, БПХМ, БПЦ;

-для бронзового литья – марки БПГ, БПТГ, БПДС;

-для литья из алюминиевых сплавов – марки  БПДС.

Технология использования водных и быстросохнущих противопригарных красок изложена в наших технологических инструкциях, которые мы предоставляем по требованию наших клиентов.

Как водные, так и быстросохнущие противопригарные краски можно наносить на формы кистью или пульверизатором. На основе выполненных исследований разработана технология сушки стержней и форм в камерных сушилах, которая изложена в отдельной технологической инструкции.

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ СООБРАЖЕНИЯ

Выше уже констатировалась невыгодность сушки стержней и форм в камерных сушилах.

Для облегчения принятия решения в пользу тепловой сушки форм и стержней в камерных сушилах и форм при помощи переносных сушил приводим нижеследующую дополнительную информацию.

Продолжительность тепловой сушки полностью высушиваемых и поверхностно подсушиваемых форм [6]:

Мощность, необходимая для сушки одной формы размерами 2000 х 3000 мм переносным электровентиляторным сушилом, составляет 43 кВт [6].

При сушке крупных форм газовой горелкой расход природного газа при его теплотворной способности 8500 ккал/м³составляет 10-12 м³/ч [7].

Расход природного газа для сушки стержней при 220-240°С в сушиле с суммарным объемом шести камер 48,9 м³ составляет 80-100 м³/ч [8].

Предлагаемый читателю материал базируется на наших исследованиях и опыте заводов тяжелого машиностроения.

Рис. 1. Изменение прочности образцов из ЖС в зависимости от температуры их прокалки и интенсивности последующей гидратации

Рис. 2 Изменение прочности образцов из глинистой и безглинистой ЖС в исходном состоянии и после автоклавной обработки в зависимости от температуры их прокалки 

Литература: