Вспомним забытые технологии: песчано-глинистые технологии изготовления отливок в сырых формах

Литейное производство – одно из древнейших деяний человека на земле и, мы в этом уверены, начиналось оно с литья расплавленного металла в сырую форму, а сухая форма появилась позже, когда были выявлены недостатки сырой формы.

Абсолютная доля цветного, чугунного и стального литья как в бывшем СССР, так и за рубежом изготавливается по-сырому.

Известен американский опыт производства крупных и даже уникальных стальных отливок в сырых формах. Достаточно сказать, что масса жидкой стали, заливаемой в сырые формы, составляла 3-38 т, а толщина стенок отливок - от 50 до 635 мм. Это якоря, судовые детали, станины прокатных станов, гидравлические цилиндры, артиллерийские отливки, молотовые бабы, корпуса задвижек, турбинные отливки, локомотивные и вагонные рамы, рабочие колеса и прочие отливки.

В СССР область применения формовки по-сырому с использованием песчано-глинистой смеси (далее ПГС) ограничивается массой отливки 350-500, реже – до 1000 кг.

Развитие существующих и создание новых технологических процессов (прессование, прессование с предварительным встряхиванием, прессование в сочетании с вибрацией, прессование в сочетании с предварительным импульсным уплотнением воздухом или газом низкого или среднего давления, импульсная формовка) требуют нового подхода к составам, физико-механическим и технологическим характеристикам формовочных смесей. Если раньше смеси для формовки по-сырому контролировали в основном по трем характеристикам (прочность, влажность, газопроницаемость), то в последние годы диапазон контролируемых параметров значительно расширился и достигает десяти. Это обстоятельство нашло отражение и в стандартизации методов контроля.

Эти дополнительные требования к формовочным смесям и технологические параметры, характеризующие новые свойства, касаются главным образом технологии производства отливки с использованием сырой песчано-глинистой формы. В целом эта технология производства литья свойственна массовому производству (сельскохозяйственное, тракторное, электротехническое машиностроение и др.).

Авторы [1] считают физико-механические и реологические параметры формовочных смесей для изготовления отливок в сырой форме очень сложными и ответственными, в связи с чем возникает необходимость учитывать их при конструировании формообразующего оборудования с дифференциацией уплотняющих элементов сообразно профилю модели. Эта концепция реализуется в оборудовании, производимой зарубежными фирмами.

Формовочные смеси в массовом производстве характеризуются нижеследующим.

По составам. В составах смесей прежде всего используют высококачественные бентониты, микродобавки холоднонабухающего крахмала, поверхностно-активные вещества (далее ПАВ), понизителей вязкости, регулярно освежают смеси.

Товарными разновидностями холоднонабухающего крахмала являются крахмалит и экструзионный крахмалореагент (далее ЭКР).

Назначение добавок ЭКР в составах ПГС подробно описано ниже.

В бывшем СССР самым распространенным стал холоднонабухающий крахмал под названием «крахмалит»*, получаемый из кукурузной крахмало-белковой суспензии.

Украинским аналогом крахмалита является ЭКР.

ЭКР – это однородный по составу белый порошкообразный продукт с высокой способностью набухать в холодной воде. 1 г ЭКР поглощает 13-16 г воды.

Содержание ЭКР в смеси составляет несколько десятых долей процента по отношению к песчано-глинистой основе, принятой за 100%. При стабилизации количество ЭКР в смеси его последующие добавления осуществляются в небольших дозах (примерно 0,05%), с тем чтобы возмещать ту его часть, которая термически разлагается и вместе с отработанной смесью изымается из оборота и вывозится в отвал. Одним из распространенных способов использования ЭКР является добавление его в водо-глинистую суспензию на заключительной стадии ее приготовления, если глина вводится в смесь в виде водо-глинистой суспензии.

Практика применения ЭКР в составах ПГС будет более подробно описана ниже.

Содержание глины в смеси должно быть умеренным (9-11%), причем не менее половины ее должно находиться в активном состоянии. Предпочтительно вводить глину в виде тонкоизмельченного порошка с добавками, повышающими прежде всего прочность в сыром состоянии, текучесть и формуемость (далее  G_сж, Т и Ф соответственно).

Смесь надо регулярно обновлять свежим песком не менее чем на 5% за один кругооборот.

По прочности в сыром состоянии и текучести. Характерна тенденция роста прочности  ПГС в сыром состоянии. Истоки этого — в широком распространении прежде всего различных вариантов прессовой формовки, безопочной формовки и др. Высокопрочные смеси применяли «АвтоЗил» (G_сж = 1,3 — 1,7 кгс/см²), Тугаевский моторный завод (G_сж = 1,6 — 1,8 кгс/см²), «АвтоВАЗ» (G_сж = 1,6 — 1,9 кгс/см²) и многие другие заводы.

_____________________________________

Примечание: Далее обе разновидности  этих материалов мы будем сокращенно называть «ЭКР».

Традиционные ПГС характеризуются низкой Т (порядка 40-60%). Удовлетворительной принято считать Т ПГС не ниже 70%. Подробнее на текучести ПГС мы остановимся ниже.

По влажности. Характерно стремление снизить влажность смеси до минимального возможного уровня: «АвтоГАЗ» - 3-3,4%; «АвтоВАЗ» - 2,9-3,8%, краснодарский «Октябрь» -         3-3,7%. При снижении влажности смесь становится более сыпучей,хрупкой в уплотненном состоянии, легче дезинтегрируется, что очень важно, в частности, для импульсной формовки и других способов формообразования.

Передовые предприятия автомобилестроения, например «АвтоВАЗ», контролируют формовочные смеси по многим показателям, в частности по влажности, газопроницаемости, прочности в сыром и высушенном состояниях, Т, потерям при прокаливании (далее ППП), содержанию фракций размером менее 20 мкм, содержанию фракций размером более 100 мкм, индексу мелкости, массе образца и др.

Для чугунного литья очень важно содержание углерода как противопригарной добавки Краснодарский «Октябрь» поддерживал его содержание в пределах 1,8 — 2,1 в облицовочной,    1,6 — 1,9 % в наполнительной смесях; на «АвтоЗИЛе» - 3,5% (3,5% - предельное содержание С в ПГС для чугунного литья).

Количество углерода регулируется добавлением в смеси мазута, крепителя КО, молотого угля, гранулированного угля и других углесодержащих добавок.

По испытаниям. Периодичность испытаний такова: влажность, газопроницаемость (далее Г), G_сж — 6-8 раз в смену; Т, Ф — один раз в смену; общая и активная глина, содержание С, ППП — два раза в неделю;, содержание мелких фракций (менее 63 мкм) — один раз в месяц. Их общее количество не должно превышать 10%, в противном случае резко снижается Г.

Исключительно важным параметром ПГС является ее Т при статическом уплотнении, определение которой регламентирует ГОСТ 93409.17-71.

Т ПГС, как ни одно другое ее свойство, универсальна и уникальна по заложенной в ней концепции и является комплексной и всеобъемлющей характеристикой ПГС. Из физико-механических процессов, на которых зиждется Т, проистекают все прочие характеристики ПГС.

Рядовые формовочные смеси характеризуются невысокой Т (40-50%), на которую негативно влияют сахаристо-крахмалистые добавки и лигносульфонат технический (далее ЛСТ ).

_____________________________

Примечание: Чтобы никто из наших читателей не упрекнул нас в ретроспекции за ссылку на опыт несуществующих  заводов, например «АвтоЗИЛа», делаем следующую оговорку: источника и носителя опыта уже нет, но его опыт бессмертен, потому что он может быть воспроизведен и реализован по прошествии сколько угодно длительного промежутка времени.

Хорошей принято считать Т не ниже 70%, но об этом подробнее будет ниже.

На Т смеси оказывает влияние ряд факторов, среди которых — гранулометрический состав песка и форма зерен:

- с увеличением размеров песчинок Т снижается;

- наиболее высокой Т характеризуются смеси на основе вольноторского речного песка с округленной формой его зерен.

Для повышения Т смеси многие заводы используют добавку топочного мазута марки 40 в количестве 0,5% от массы смеси.

Увеличение влажности ПГС более 4% ведет к некоторому повышению Т вследствие улучшения пластических свойств смеси.

Положительные результаты по Т получаются при добавлении в смесь до 0,5% ППЗ крепителей типа КО, УСК, 4ГУ-П. Тот же эффект получается при использовании в составе ПГС 0,5 -1,0% ЛСТ, поскольку это связующее обладает свойствами ПАВ. Высокая Т ПГС особенно важна при заполнении смесью труднодоступных мест модели (поднутрения, «карманы», теневые места).

С физической точки зрения Т увеличивается при ухудшении связей между зернами.

Т функционально зависит от внутреннего трения и снижается с повышением глиносодержания и прочности ПГС. Повышать текучесть ПГС путем увеличения ее влажности и снижения глиносодержания нежелательно, так как это отрицательно влияет на ее другие технологические свойства.

Резко снижают Т ПГС ЛСТ, крепитель КВС-2, патока, декстрин.

Т следует оценивать как комплексный показатель технологических свойств ПГС.

При правильно скомпонованном составе ПГС за счет бентонита и добавки гидрофобного крепителя можно добиться высоких  G_сж, Т, плотности и других технологических характеристик ПГС.

Благотворно влияет на Т ПГС мазут. При его содержании в смеси 0,5% ее Т составила 86%. Дальнейшее увеличение содержания мазута до 1,5% повышает Т до 93%, однако это не следует делать по трем причинам:

первая: Т 86% при содержании мазута 0,5% очень высока и вполне достаточна для получения отливок высокого качества;

вторая: мазут — источник газов и углеродистого вещества, присутствие которого в ПГС для производства стального литья нежелательно;

третья: с повышением содержания мазута снижается G_сж.

Удовлетворительные во всех отношениях результаты получаются при использовании смеси, в которой, в частности, в качестве вспомогательных технологических добавок содержатся 0,5% мазута и 3% маршаллита.

Мазут, кроме повышения текучести, снижает прилипание смеси к модели.

Приводим некоторые дополнительные данные, касающиеся влияния технологических добавок на Т ПГС.

Так, с увеличением в составе смеси ЛСТ от 0,5 до 2,0% ее Т снизилась с 87 до 70%. При этом снизилась также G_сж.

Наибольшую Т приобретает ПГС с добавкой крепителя КО. При 0,5% КО Т ПГС составила 96%, а с увеличением КО до 2% Т снизилась до 90%.

Твердо установлено, что более сыпучие смеси обеспечивают очень четкий отпечаток кромок формы и их достаточную G_сж.

Современные европейские высокоскоростные технологии смесеприготовления с использованием смесителей вихревого типа обеспечивают более высокое качество подготовки исходных компонентов (охлаждение, сепарация, увлажнение, просеивание), точное дозирование основных составляющих и технологических добавок и собственно приготовленной ПГС. Приготовленная ПГС обладает высокой однородностью распределения всех компонентов, хорошим диспергированием бентонита, равномерным покрытием песчаных зерен связующими пленками. При этом улучшается уплотняемость смеси, повышаются ее прочность и газопроницаемость [2].

Однако эти технологии недостижимы и неподъемны финансово для мелких производителей литья в Украине, для которых написана настоящая статья. Они еще много лет будут пользоваться традиционными технологиями, при максимально возможном исполнении которых в массовом производстве в бывшем СССР производились многомиллионные годовые объемы отливок высокого качества. С учетом этих обстоятельств цель нашей настоящей публикации состоит в том, чтобы помочь среднему литейному бизнесу Украины с максимальной эффективностью использовать традиционные технологии формообразования на основе ПГС.

Подробный анализ возможностей ПГС для изготовления отливок в сырой форме в сравнении с фурановыми технологиями выполнен нами в нашей уникальной публикации [3].

Целесообразность переосмысления технологических возможностей ПГС для производства отливок в сырой форме находит понимание также за рубежом.

В этом проявляется определенный симптом отхода от необоснованного засилия фурановых и других песчано-смоляных технологий.

Технологически весьма привлекательной представляется концепция использования для ПГС водо-глинистой или водо-бентонитовой суспензии с добавлением в них всех технологических добавок (гранулированный уголь, ЭКР, понизители вязкости и др.). Такая технология сулит следующие преимущества:

- заблаговременное набухание бентонита и его лучшее диспергирование, чего нет при приготовлении ПГС как в традиционных, так и в вихревых смесителях, в которых продолжительность перемешивания исчисляется несколькими минутами;

- заблаговременное усреднение состава пленок, располагающихся в межзерновом пространстве ПГС;

- минимизация числа дозируемых компонентов, чем до нуля сводится негативное влияние на технологию человеческого фактора;

- улучшение условий транспортирования бентонита и всех  технологических добавок смеси от места их подготовки к смесителям и дозирования.

Лучшие результаты получены при использовании гранулированного угля, из которого в процессе нагревания выделяется до 45% летучих и образуется так называемый «блестящий углерод» (серебристый графит), который очень эффективно выполняет противопригарную функцию.

Украинско-российское предприятие «СОЮЗ» (г.Запорожье) предлагает на украинском рынке противопригарную добавку МК10Л, которая, по его утверждению, более эффективна, чем гранулированный уголь. К сожалению, испытания этой добавки предприятием «ПАТАР» (г. Ровно) не подтвердили ее заявленной эффективности.

Главный недостаток водо-бентонитовой технологии — ее сложность и необходимость располагать настоящей поточной линией подготовки некоторых исходных материалов и   приготовления комплексной водо-бентонитовой суспензии.

Другой существенный недостаток — ограниченное содержание бентонита в суспензии (примерно 25% в пересчете на сухое вещество). С учетом гранулированного угля эта технология лучше может сочетаться с набором вихревых смесителей, однако в отягощенных условиях среднего предпринимательства в Украине она неприменима.

Апогей технологических возможностей сырой песчано-глинистой формы достигается использованием ЭКР в составе ПГС для изготовления отливок в сырой форме.

ЭКР — материал крахмалистого типа, полученный путем термообработки крахмала, приводящей к распаду огромных молекул последнего. Распад молекул крахмала на более мелкие устраняет его негативное влияние на Т ПГС. Наоборот, ПГС приобретает более высокую Т именно благодаря присутствию ЭКР.

Квинтэссенция применения ЭКР в составе ПГС состоит в следующем:

- существенное повышение Т, Ф, G_сж, пластичности, благодаря чему устраняется комкуемость смеси. ЭКР делает ее пушистой, рассыпчатой, взрыхленной, хорошо уплотняемой. Отпечаток модели получается гладким, а смесь на всей глубине — равномерно и хорошо уплотненной;

- снижение зависимости G_сж. от влажности благодаря тому, что влага связующих пленок заключена в суспензии, состоящей из бентонита, набухшего в холодной воде ЭКР и воды;

- благодаря иммобилизованному состоянию влаги существенно замедляется ее испарение под действием тепла заливаемого в форму металла. В связи с этим замедляется образование зоны конденсации влаги в поверхностном слое формы, способствующей образованию ужимин, засоров, песочных и газовых раковин;

- снижается общая влажность смеси с 4,5 — 5,0% в обычной ПГС до 3,2 — 3,6% в описываемой;

- с учетом действия всех вышеперечисленных факторов G_сж повышается с 0,4-0,6 до        1,8 — 2,2 кгс/см².

Благодаря этому повышается размерная и весовая точность отливок, экономится металл и денежные затраты на удаление излишних припусков при механической обработке отливок.

Существенное улучшение этой технологии достигается за счет применения понизителей вязкости, в частности, трехкольчатого метансульфонированного новолака (ПФЛХ) и углещелочного реагента (далее УЩР), представляющего собой щелочной экстрат из бурых углей.

Однако для большинства предприятий Украины эти технологические добавки пока что недоступны.

Эти разработки российских ученых защищены авторскими свидетельствами СССР [4-10].

С использованием прежде всего ЭКР и с учетом большого разнообразия песков, бентонитов и других материалов может быть скомпоновано великое множество ПГС, обладающих близкими по своим конкретным значениям физико-механическими показателями.

При запуске ЭКР в производство его следует вводить в ПГС в количестве 0,4-0,5% от массы смеси.

С учетом насыщения смеси этим материалом до равновесного содержания его дозирование определяется в количествах 0,05 — 0,08% для чугунного и 0,1 — 0,2% для стального литья.

Обращаем внимание наших читателей на то, что в составах ПГС для стального литья содержание ЭКР должно быть в 2,0 — 2,5 раза выше, чем в аналогичных смесях для чугунного литья, что связано с более высокой (примерно на 200oС) температурой жидкой стали, чем чугуна. При более высокой температуре выгорание ЭКР происходит более интенсивно.

Отмечаем отсутствие методики определения содержания ЭКР в смеси. Поэтому содержание этой добавки оценивается экспертно по G_сж., Г и Т ПГС при ее оптимальной влажности.

Существуют по меньшей мере два соображения, по которым излишнее содержание ЭКР в формовочной смеси нежелательно:

- первое: по причине чисто экономического характера. Использование ЭКР  удорожает смесь;

- второе: ЭКР, будучи органическим веществом низкой термостойкости, при нагревании формы интенсивно разлагается с лавинным выделением газов, которыми насыщается отливка и которые вредно влияют на качество литого металла.

Холоднонабухающий ЭКР под названием «крахмалит» начали использовать заводы массового производства отливок еще в 70-е годы прошлого века. Однако в Украине в те годы этот материал на прижился. И поскольку производство ЭКР было лишь на одном заводе в РСФСР (Подмосковье), в Украине этот материал в литейном производстве не применялся вплоть до конца ХХ века.

10-12 лет тому назад в Украине было начато производство холоднонабухающего крахмала под названием «экструзионный крахмалореагент».

В настоящее время в Украине имеются три производителя ЭКР: фирма «Органика» (г. Чертков Тернопольской обл.), ООО «МИК-КОРН» (г. Черкассы), ЧП «Ваксан» (г. Умань Черкасской обл.).

Ниже приведены рекомендации по практическому применению ЭКР в составах ПГС для изготовления отливок в сырых формах.

За один цикл  масса ЭКР  выгорает примерно на 20%. Поэтому когда содержание ЭКР в составе формовочной смеси стабилизировалось, добавление ЭКР в каждый замес ПГС в среднем должно составлять:

для чугунного литья 0,06%, для стального литья 0,08% от массы смеси.

ЭКР — тонкодисперсный порошок. Он вводится в состав смеси вместе с другими сыпучими материалами (песок, бентонит, углеродосодержащие добавки).

При установившейся технологии, когда уже произошло насыщение формовочной смеси ЭКР до указанных выше пределов, его расход при среднем расходе 5 т ПГС на 1 т литья составляет: для чугунного литья 3 кг, для стального литья 4 кг на одну тонну литья, что в денежном выражении составляет 22,50 грн. для чугунного литья и 30, 00 грн. для стального литья. Известно, что потери от брака при использовании ПГС без ЭКР во много раз больше вышеприведенных затрат на ЭКР.

Прежде чем дать нижеизложенные рекомендации авторы провели обстоятельные лабораторные проработки, в результате которых получено следующее:

исходная отработанная ПГС при ее влажности 3,0% характеризовалось G_сж в сыром состоянии 0,68 кгс/см, Т 47% и Г 102 ед.;

при давлении к исходной ПГС 1% бентонита и 0,3% ЭКР при ее влажности 3,5% получены следующие результаты: G_сж. 1,1 кгс/см²; Т 86%; Г 119 ед.

Благодаря ЭКР устраняется такой недостаток ПГС, как комкуемость. Смесь становится рыхлой, слегка сыпучей, что не мешает ей хорошо уплотняться и приобретать более высокую G_сж.

Важнейшей технологической характеристикой формовочной смеси, через которую проявляется положительный эффект ЭКР, является твердость уплотненной формы.

Т, в частности по Орлову, представляет собой выраженное в процентах отношение в твердости точки Т₁ уплотненной смеси в нижней части цилиндрического образца (в месте контакта смеси с поддоном) на расстоянии 50 мм от уплотняющего бойка лабораторного копра к твердости в точке Т₂ образца формовочной смеси на расстоянии 25 мм от поддона и на таком же расстоянии от уплотняющего бойка копра.

В связи с большим удалением точки Т₁ от уплотняющего бойка копра, чем точки Т₂, уплотнение в точке Т₁ является более затрудненным, чем в точке Т₂ по причине внутреннего трения в смеси, возникающего при приложении уплотняющего усилия. При снижении внутреннего трения разница в твердости формы в точках Т₁ и Т₂ будет снижаться. В идеальном случае твердость в точке Т₁ должна сравняться с твердостью в точке Т₂, но это никогда не происходит.

Один из положительных эффектов ЭКР заключается именно в снижении внутреннего трения благодаря поглощению влаги экструзионным крахмалореагентом. В результате между песчинками образуется желеобразная высокотекучая масса, состоящая из воды, набухшего при поглощении воды ЭКР и гидратированного бентонита. Эта масса облегчает перемешивание песчинок друг относительно друга. Макрорезультатом этого является повышение Т и G_сж формовочной смеси за счет ее уплотнения.

Эффективность применения ЭКР в ПГС зависит от многих факторов, к которым, в частности, относится содержание пылевидной фракции, состоящей из следующих компонентов:

обожженная (шамотизированная) глина — балластный и самый вредный для качества литья компонент. Она не участвует в формировании сырой прочности, забивает поры в ПГС, снижает ее Г, ухудшает противопригарные свойства и повышает ее склонность к образованию засоров ужимин и песочных раковин;

активная (т.е. необожженная) глина, которая участвует в формировании сырой прочности ПГС, придает ей пластичность, G_сж, Т и Ф;

тонкая фракция песка, образовавшаяся в результате растрескивания более крупных песчинок под действием расплавленного металла и трения;

графитистые материалы (от разделительного покрытия, присыпок, припылов и др.);

коксик, образовавшийся в результате термодеструкции органических связующих, масел, керосина из разделительного покрытия и др;

остатки связующих, в разной степени подвергшихся нагреву и термодеструкции.

Вышеперечисленные компоненты присутствуют в ПГС совокупно и во взаимно-перемешанном состоянии.

Содержание пылевидной фракции в ПГС должно быть не более 10%, Г — не ниже 100 ед., влажность — 4,0-4,5% без ЭКР и 3,2-3,6% при добавлении ЭКР.

Если ПГС соответствует вышеупомянутым требованиям по содержанию пылевидной фракции, то можно приступать к вводу ЭКР в нее.

Если же содержание пылевидной фракции значительно превышает 11%, то ПГС надо подвергнуть своего рода «лечению» (санации).

Техника и технология санации являются предметом «ноу-хау» и поэтому в настойщей статье не рассматривается.

После санации ПГС необходимо регулярно освежать, добавляя в нее не менее 5% кварцевого песка, 1-2,0% бентонита и до 1% ЛСТ. В результате состав ПГС будет следующим, %:

отработанная смесь - 94-93;

кварцевый песок – не менее 5;

активированный бентонит - 1-2;

ЭКР (сверх 100% основных материалов): для чугунного литья - 0,06, для стального      литья — 0,08;

ЛСТ - 1.

ЛСТ можно не применять если, формы собираются сразу после их изготовления. ЛСТ применяется если формы до их сборки выдерживаются 1 час и более, в результате чего их кромки подсыхают и осыпаются.

При этом физико-механические свойства ПГС будут такими:

G_сж. - 1,2 кгс/см²;

Г - не менее 100 ед.;

влажность - 3,2-3,6%;

Т - 75-85%.

Очень важно не допускать более высокой влажности ПГС, так как это может привести к снижению G_сж. и образованию ужимин, засоров песочных и газовых раковин в отливках.

В заключении констатируем, что важнейшее средство борьбы с ужиминами и засорами заключается в умеренной влажности, хорошей газопроницаемости ПГС (не менее 100 ед.) и ее равномерном уплотнении.

Авторы выражают  уверенность в том, что наша настоящая публикация поможет среднему и малому бизнесу выжить в условиях нынешнего тяжелого кризиса, в который погрузилась Украина.

Литература: