Вспомним забытые технологии: стержневые связующие и смеси для производства небольших партий мелких отливок
Статьи от автора: Белобров Е.А.В бывшем СССР годовой объем производства отливок достигал 25 млн.тонн, в том числе в бывшей Украинской ССР 6 млн.тонн.
С распадом СССР объемы производства литья уменьшились во много раз.
В отдельные годы эти объемы в Украине составляли 700-900 тыс.тонн. Данные о нынешних объемах производства литья отсутствуют. По предположительной экспертной оценке, в нынешнее кризисное время годовой объем производства литья вряд ли превышает 500 тыс.тонн в год.
В связи с обвальным закрытием заводов бывшие литейные цехи раздробились на множество отдельных участков и небольших цехов с ограниченными объемами производства и с использованием существовавших в бытность СССР технологий формообразования.
Ограниченность финансовых ресурсов многих производителей литья напрочь исключают возможности использования современных дорогостоящих технологий и оборудования для их осуществления, о чем мы упоминали в нашей публикации [1].
Число финансово состоятельных предприятий в Украине типа ЗАО «НКМЗ», ОАО «Энергомашспецсталь», могущих позволить себе многомиллионные затраты на покупку дорогостоящих импортных технологий в Украине, порядка 10. Мелких же производителей литья в Украине — великое множество со многими тысячами занятых в них рабочих.
Им надо как-то выживать, имея ввиду, что производить что-то не совсем передовое лучше, чем ничего не производить и ждать манны небесной.
Единственная возможность выжить — это использование доступных территориально (в пределах Украины) и экономически литейных материалов и технологий формообразования на их основе.
Мы делаем упор на стержни, которые в литейной форме выполняют более важную и ответственную функцию, будучи обливаемыми металлом со всех сторон и образуя внутренние полости отливок. В этих условиях при остывании и возникающей при этом усадке стержень испытывает большие обжимающие напряжения, что существенно способствует образованию пригара.
Условия же работы формы с этой точки зрения более благоприятны.
В Украине реально производятся следующие материалы, которые можно использовать в качестве связующих:
1. Патока. Это одно из самых старых по времени использования связующих. В литейном производстве еще не было жидкого стекла и синтетических смол, а патока была. Ее применение в литейном производстве описано в самых первых публикациях по формовочным материалам Берга П. П. [2, 3]. Патока — побочный продукт производства сахара из сахарной свеклы.
До распада СССР в Украине было 200 сахарных заводов, которые перерабатывали огромные объемы сахарной свеклы.
В настоящее время число сахарных заводов уменьшилось в разы по сравнению с периодами до распада СССР. Соответственно снизились объемы производства патоки. Однако и этих объемов патоки предостаточно, чтобы обеспечить ею литейное производство.
Основной областью применения патоки является животноводство, где патока используется в качестве кормовой добавки.
Связующим компонентов патоки является сахароза, описываемая формулами С6Н10О5 или С6Н12О6, в которых число атомов водорода в два раза превышает число атомов кислорода.
При выщелачивании из маточного раствора сахарозы в его последних порциях содержится недостаточное количество сахарозы для извлечения из маточного раствора сахара. Этот технологический остаток называется патокой (или мелассой).
Для литейного производства применима патока с удельной массой 1,3 г/см3,, в которой содержится 50% сухого вещества. При сжигании сухого остатка его зольность составляет примерно 10%.
Повышение удельной массы влечет за собой повышение вязкости патоки, что обусловливает технологические трудности при ее применении.
Понижение удельной массы патоки уменьшает ее связующую способность и обусловливает необходимость введения в состав смеси больших доз воды.
2. Вторым реальным для украинских литейщиков связующим является крахмал, который представляет собой очень большую молекулу с общей формулой (С6Н10О5) n, где n – очень большое число.
Крахмал нерастворим в холодной воде, но в горячей воде он сильно набухает, образуя клейстер (коллоидный раствор). С уменьшением размера молекулы клейстер приближается к истинному раствору.
Клейстер образуется в контакте с водой при 60-80°С. При длительном кипячении клейстер может перейти в истинный раствор с падением его связующей способности.
Улучшение растворимости клейстера достигается уменьшением размеров его молекулы. Это может быть достигнуто несколькими путями: нагревом, обработкой кислотами, длительным кипячением. Такой растворимый в воде крахмал называется декстрином.
Примером перевода крахмала в водорастворимое состояние является крахмалит (или экструзионный крахмалореагент), получаемый нагреванием крахмала до 140-160°С. Все, что касается практического использования этой разновидности крахмала в составах формовочных смесей, нами описано в наших публикациях в «Литье Украины», поэтому мы подробно не останавливаемся подробно на этом материале.
Важнейшими свойствами декстрина являются:
- хорошая связующая способность;
- максимальная (не менее 95%) растворимость в воде;
- оптимальная зольность (порядка 1%), но для литейного производства вполне приемлема и более высокая зольность.
3. Третьим стержневым связующим является крепитель ПЕК (производитель ООО «РИГАЛ» в г. Кременчуге).
Крепитель ПЕК — аналог применявшегося в автомобилестроении и тракторостроении в 50-90-е годы прошлого века крепителя КО (его аналоги по техническим условиям производителей маркировались П, ПТ, 4ГУ, 4ГУП, УСК, АЗМОЛ-УСК, ТОП. Крепитель 4ГУП производится в настоящее время харьковским заводом «Красный химик».
Крепитель ПЕК используется для изготовления ажурных тонкостенных стержней. Этот крепитель неприменим для крупных стержней в связи с тем, что для достижения требуемой прочности после тепловой сушки стержень надо нагреть до 240-250°С, что труднодостижимо при изготовлении крупных стержней. Максимальная толщина тела стержня из смесей на всех вышеперечисленных крепителях не должна превышать 100 мм.
4. Четвертой разновидностью литейных связующих является группа синтетических смол и отвердителя, производимая предприятием «Формовочные смолы Украины» (г. Александрия Кировоградской обл.). Эти смолы гораздо дешевле зарубежных аналогов. Краткая характеристика этих смол содержится в нашей предыдущей публикации [1].
5. Пятой разновидностью стержневых связующих является лигносульфонат технический (далее ЛСТ). Он в Украине не производится, но ранее сложившиеся благоприятные торгово-экономические отношения с Российской Федерацией позволяют рассчитывать на этот материал как на вполне реальное стержневое связующее. В Украине порошковая разновидность ЛСТ под маркой ЛСТП реализуется рядом дилеров.
6. Перспективным для литейщиков является производимое нами связующее ЛМ для изготовления ажурных тонкостенных стержней тепловой сушки.
Шесть разновидностей вышеперечисленных связующих являются достаточно обширной и прочной основой для построения технологий изготовления стержней, не прибегая к импорту современных дорогих технологий и сопутствующих им материалов.
Заранее оговоримся, что стержневые смеси на основе некоторых из вышеперечисленных связующих могут выделять при термодеструкции больше вредных веществ, чем ХТС на импортных фурановых смолах, однако ограниченные масштабы применения этих связующих с лихвой компенсируют их вышеупомянутый недостаток.
Для заинтересованных предприятий не составит большого труда отыскать через ИНТЕРНЕТ контактные реквизиты поставщиков вышеперечисленных стержневых связующих.
Для полноты представления о технологических возможностях смесей на вышеописанных связующих* ниже приводим некоторые нюансы практического использования стержневых смесей на их основе с указанием назначения (области применения), состава, особенностей сушки и окрашивания.
СТЕРЖНЕВЫЕ СМЕСИ НА ОСНОВЕ ПАТОКИ
Учитывая важную роль стержня в формировании надлежащего качества отливки, стержневые смеси следует приготавливать на свежих песках без добавления отработанных смесей.
Патока и декстрин — однотипные водорастворимые связующие. С точки зрения назначения и технологии изготовления и сушки стержней эти смеси также однотипны.
Патока и декстрин хорошо сочетаются между собой, а также со многими известными связующими. Компоновка конкретных составов смесей при известных характеристиках песков и глин не представляет затруднений.
Область применения патоки - это в основном мелкие стержни неответственного назначения и достаточно крупногабаритные стержни простой конструкции преимущественно для чугунного и цветного литья. Применение этих связующих экономически выгодно, особенно патоки, которая примерно в 4-5 раз дешевле ЛСТП.
Согласно классификации Лясса А.М. патока относится к III группе с самой низкой удельной прочностью Rуд < 3 кг/см2.% [4]. Этим обусловлено использование патоки для стержней неответственного назначения.
СТЕРЖНЕВЫЕ СМЕСИ НА ОСНОВЕ ДЕКСТРИНА
В составах стержневых смесей на связующей основе декстрина используются следующие материалы:
- кварцевый песок с индексом зернистости 016 — 02;
- часовоярский тощий песок марки 3Т2О3Ч016 по ТУ У 322-294-00191773-6998;
- бентонитовый порошок;
- небольшие добавки (до 0,8%) гидрофобного крепителя (ПЕК, КО, УСК, 4ГУ-П или любого другого) для улучшения текучести смеси, имея ввиду, что все стержневые смеси на
____________________________________________________________________________________
* Примечание: в рамках настоящей статьи нами используются несколько терминов: крепитель, связующее, синтетическая смола. Эти термины имеют историческое происхождение. Наиболее приемлемым и обобщающим термином все же является слово «связующее».
связующей основе патоки декстрина, ЛСТ обладают низкой текучестью, в связи с чем уплотненные стержни получаются высокопористыми, ноздреватыми.
Содержание декстрина в таких смесях составляет примерно 2,5% от массы песков и бентонита.
Если же декстрин сочетается с жидким ЛСТ (далее ЛСТЖ), то содержание декстрина может составлять 1,5-2% при таком же содержании ЛСТЖ. Лучшие результаты по прочности получаются на кварцевом песке при комбинировании декстрина с ЛСТЖ.
Следует отметить как недостаток стержневых смесей на основе патоки и декстрина их низкую термостойкость, обусловленную тем, что и патока и декстрин образованы короткими углеродными цепочками, которые при нагревании легко разрушаются, в отличие от других связующих, образованных бензольным или фурановым трудно разрушимыми при нагревании кольцами.
Формы со стержнями при производстве мелких отливок заливаются в короткие промежутки времени, не превышающими 20 — 30 с. Заливка форм при производстве крупных отливок исчисляется минутами. Чем дольше заливается форма, тем в большей мере она подвергается термическому разрушению с вероятным обгаром и образованием ряда дефектов.
Согласно классификации Лясса А. М. декстрин занимает место во второй группе. Его Rуд находится между 3 и 5 кг/см2.%. На основании вышеизложенного относительно области применения декстрина как стержневого связующего можно констатировать следующее: изготовление стержней II и III классов при условии добавления в смеси небольших количеств (0,5 — 0,8%) гидрофобных связующих типа ПЕК, УГУ-П, КО и др. Без этих добавок смеси с декстрином пригодны для изготовления малоответственных стержней только IV и V классов.
Наше предостережение в части низкой термостойкости водорастворимых связующих, в частности патоки, не следует воспринимать как некое табу. В связи с этим напоминаем, что в советское время Миллеровский ГОК производил графито-бентонитовую пасту ГБ на потоке как связующем, с использованием которой в СССР изготавливались толстостенные чугунные отливки одиночной массой 30 тонн и более.
Смеси на основе этих крепителей, кроме собственно крепителя, содержат кварцевый песок, бентонитовый порошок, ЛСТЖ.
Содержание крепителя и ЛСТЖ составляет примерно по 3,0 — 3,5% при добавлении бентонита в количестве 3 — 4% от массы замеса.
Из смесей на основе этих крепителей изготавливаются высокопрочные стержни I и II классов по классификации Лясса А.М.
Стержни на основе этих связуюших высушиваются при температурах от 220 до 270°С.
СТЕРЖНЕВЫЕ СМЕСИ НА ОСНОВЕ ЛСТ
По термостойкости ЛСТ занимает промежуток между патокой и декстрином, с одной стороны, и гидрофобными крепителями типа ПЕКа, КО, УПУ-П, с другой.
Качество стержней получается лучше, если использовать совместно кварцевый и часовоярский тощий пески при добавлении небольших количеств (0,8%) крепителей ПЕК, КО, УГУ-П, которые, кроме повышения термостойкости, улучшают также текучесть стержневой смеси. Без этих добавок стержневая смесь получается вязкой, резиноподобной, плохо уплотняется, придавая стержню пористость и ноздреватость.
СТЕРЖНЕВЫЕ СМЕСИ НА ОСНОВЕ ЛМ
Связующее ЛМ — модифицированный ЛСТЖ. Оно производится предприятием «Формовочные материалы Украины».
Стержневая смесь состоит из 97 — 96% кварцевого песка, 3 — 4% бентонитового порошка и 4 — 5% ЛМ.
ЛМ не загустевает и не замерзает при — 15°С, постоянно находится в технологичном состоянии. Его можно использовать также в сочетании с ПЕК, КО, 4ГУ-П.
СТЕРЖНЕВЫЕ СМЕСИ НА ОСНОВЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ СМОЛ
Стержни на основе синтетических смол, производимых ООО «Формовочные смолы Украины», пригодны для производства всех разновидностей отливок из стали, чугуна и цветных сплавов.
Мы не останавливаемся подробно на этой технологии, имея в виду, что мы в каждом конкретном случае сможем оказать консультативную и иную помощь предприятию, которое не располагает опытом ее использования.
ОКРАШИВАНИЕ И СУШКА СТЕРЖНЕЙ
Все стержни независимо от их назначения подлежат окрашиванию. Использование неокрашенных стержней — очень редкое явление в литейном производстве. Окрашивание стержней можно производить как до, так и после сушки. Информацию о противопригарных красках можно почерпнуть на нашем сайте www.knpp-fmu.com в ИНТЕРНЕТЕ.
Все стержни, за исключением стержней из ХТС, подлежат тепловой сушке:
при 160 — 180°С — для водных связующих (патока, декстрин, ЛСТЖ);
при 220 — 270°С — для гидрофобных связующих (ПЕК, КО, 4ГУ П).
Продолжительность сушки в зависимости от массы и толщин стенок — от 2 до 6 ч.
Для желающих получить более подробную информацию по этим и другим связующим рекомендуем ознакомиться с нашими публикациями [5,6].
Публикуя настоящую статью, мы надеемся оказать практическую помощь прежде всего малым и средним предприятиям, не располагающим достаточным опытом в литейных технологиях и финансовыми возможностями для приобретения дорогостоящих зарубежных технологий и оборудования.
Литература