Зона конденсации влаги в сырой песчано-бентонитовой форме

Качество бентонита для формовки по-сырому определяется по стандартной лабораторной смеси (5% бентонита, 95% песка, вода) и характеризуется двумя основными показателями:

1 - предел прочности при сжатии в сыром состоянии (Green Сompression  Strenght).

2 - предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги (Wet Tensile Strenght).

Первый из них характеризует смесь в процессе ее формовки, а второй – отражает реакцию сырой песчано-глинистой формы на заливку жидкого металла и связанные с этим побочные явления, такие как тепловое расширение песка, испарение и конденсация влаги, выгорание противопригарных добавок и т.д. Есть много дополнительных уточняющих показателей, но эти два являются базовыми.

При уточнении требований к свойствам бентонита для литейного производства не раз приходилось отмечать, что потребитель не придает значения показателю «предел прочности в зоне конденсации влаги», не контролирует его величину и часто не осознает, на какие свойства смеси он влияет и какие дефекты литья связаны с величиной этого показателя.  Такая ситуация сложилась из-за того, что в ГОСТе 28177-89 в разделе 3.4. описана процедура определения этого показателя в такой форме, что возникает подозрение, а понимали ли сами составители этого нормативного документа, что они нормируют. Поэтому определять величину указанного показателя лучше согласно методики немецкого общества литейщиков  MERKBLATT VDG P-69, а здесь попытаемся рассмотреть влияние этого показателя качества бентонита на свойства формовочной смеси и связь с ним тех или иных типов литейных дефектов. 

Заливка расплавленного металла в сырую песчано-глинистую форму сопровождается испарением влаги в тонком слое формы, который непосредственно прилегает к границе раздела «металл-форма», и ее конденсацией в более холодной части формы, которую так и называют – «зона конденсации влаги» - рис. 1. Это временно переувлажненная часть формы, в пределах которой происходит уменьшение ее прочности. При этом в слое формы, непосредственно прилегающем к металлу, кроме испарения влаги еще происходит интенсивное тепловое расширение зерен кварцевого песка, создающее механические напряжения в форме. Наибольшее расширение кварца происходит в интервале от 300 до 600 ^оС со скачкообразным изменением объема при 575 ^оС. В результате происходит образование литейных дефектов типа ужимин, нередко с образованием просечек - в  период времени от начала заливки до начала кристаллизации металла. После раскристаллизации металла и его остывания вся форма высыхает, включая эту переувлажненную часть формы. То есть, к моменту выбивки и возможности визуального осмотра остатков формы найти в них какие-то увлажненные участки уже невозможно, поскольку это явление происходит кратковременно, лишь в первые секунды после заливки – но оно часто приводит к образования трудно устранимых дефектов отливок.

Стоит отметить, что на процент брака из-за этого явления оказывает влияние несколько факторов, а именно: скорость заливки металла в форму, его температура, конфигурация литниковой системы, геометрические особенности отливки, а также свойства формовочных материалов такие как коэффициент термического расширения песка, его фракционный состав и такой показатель качества бентонитового связующего как «предел прочности в зоне конденсации влаги».  Если факторы влияния температуры металла, скорости его заливки и особенности литниковой системы практически всегда учитываются, то  влияние других факторов часто недооценивается на практике. 

Отливки в большими плоскими поверхностями более склонны к образования ужимин, чем отливки с криволинейными поверхностями или комбинациями элементов шарообразной или эллиптической формы. Это обстоятельство следует учитывать при выборе формовочного песка и свойств бентонита.  Хромитовый песок имеет низкий коэффициент теплового расширения по сравнению с кварцевым песком и поэтому он гораздо более предпочтительный в случае производства отливок, склонных к образования ужимин.

Рис. 1. Схема формирования зоны конденсации влаги в сырой песчано-глинистой форме в процессе заливки металла.

Использование бентонита натриевого типа позволяет значительно снизить риск образования ужимин по сравнению с бентонитом кальциевого типа. Для чисто кальциевого бентонита характерны значения показателя «прочность в зоне конденсации влаги» около 0,007-0,012 кг.с./см.², а для натриевого, как природного так и  полученного путем обработки кальциевого бентонита солями натрия, значения этого показателя достигают 0,040-0,050 кг.с./см.² Поэтому в методических рекомендациях СССР можно встретить такую фразу: «Было установлено, что активация бентонита содой значительно уменьшает риск возникновения ужимин». На этом основании в ГОСТ 28177-89 для бентонита высшей марки П1Т1 сформулировано требование к показателю «предел прочности в зоне конденсации влаги» - не менее 0,028 кг.с/см.² – без ограничения верхнего предела. Практика же показала, что высокие значения этого показателя действительно обеспечивают низкую вероятность появления ужимин, но при этом резко возрастает вероятность появления газовых раковин и увеличения пригара на отливках - из-за высокой влагоемкости бентонита. Поэтому в действительности нужно было бы сформулировать понятие об оптимальной величине этого показателя для того или иного вида отливок и его взаимосвязи с другими показателями качества бентонита, такими как «предел прочности при сжатии», «водопоглощение» и другими. В ГОСТе 28177-89 этого не было сделано, хотя о целесообразности такого подхода свидетельствует практика работы американских литейщиков, которые имеют возможность использовать природный натриевый бентонит, но смешивают его с кальциевым в пропорции приблизительно 2:1 – для уменьшения влагоемкости смеси.

Для кого-то может оказаться полезной информация о поставках дашуковского бентонита марки П1Т1 на Кременчугский сталелитейный завод (КСЛЗ) в период 2013-2016 годов.  КСЛЗ неоднократно направлял письма поставщику, в которых отмечал, что «…последняя партия бентонита полностью соответствует заявленной марке и условиям договора, но при этом наблюдается существенное возрастание брака по сравнению с бентонитом предыдущей поставки…». И прилагались данные входного контроля обеих партий из которых было видно, что обе они полностью соответствуют требованиям к марке П1Т1, но в предыдущей партии показатель «прочность в зоне конденсации влаги» составлял 0,030-0,037 кг.с./см.², а в последней – 0,038-0,040 кг.с./см.², а также немного выше показатель «водопоглощение».  Чуть выше влагоемкость бентонита в последней партии сразу же отражалась на количестве брака.

Позже, после прекращения производства дашуковского бентонита, на КСЛЗ была поставлена опытная партия грузинского бентонита с Асканского месторождения в соответствии с просьбой КСЛЗ поставить бентонит с максимально возможными показателями качества согласно ГОСТа. На входном контроле были получены значения «прочность при сжатии» 1,55 -1,65 кг.с./см.², «прочность в зоне конденсации влаги» 0,050 кг.с./см.², водопоглощение 7,4 - 9,2 ед.  и  термостойкость 1,0 ед. То есть, все показатели выше самых высоких требований ГОСТа 28177-89.  Но в результате на отливках был получен повышенный пригар, увеличение брака по типу «газовые раковины» и «засор». Все эти дефекты явились прямым следствием высокой влагоемкости этой партии бентонита – что было вполне прогнозируемо исходя из полученных высоких значений «водопоглощения» и «прочности в зоне конденсации влаги». Позже было достигнуто соглашение о снижении некоторых показателей в последующих поставках, что позитивно сказалось на величине брака.  Следовательно, максимально возможные значения - это далеко не всегда лучший вариант, поскольку для каждого типа отливок будут свои оптимальные значения каждого показателя.  И это обстоятельство является прямым следствием некорректности некоторых положений ГОСТа 28177-89, в том числе в части нормирования величины показателя «прочность в зоне конденсации влаги».

Также интересным для кого-то может быть опыт работы литейного производства Барановичского станкостроительного завода, где используется АФЛ безопочной формовки с производительностью до 500 форм/час. На этом предприятии много лет тому назад фактически отказались от использования ГОСТа 28177-89. Качество бентонита определяют по показателям «адсорбция метиленового голубого», «индекс набухания» и так называемый «остаток свободной соды», который фактически определяет величину щелочности бентонитовой суспензии и косвенно характеризует его влагоемкость.  Как только щелочность растет выше принятого уровня  (то есть увеличивается влагоемкость бентонита) – увеличивается брак по газовым раковинам и пригар на отливках.  К настоящему времени на это предприятие поставлены три опытные партии бентонита Асканского месторождения, итоги еще не подведены, но уже очевидно, что лучшие технико-экономические показатели работы безопочной АФЛ могут быть получены с использованием бентонита, отвечающего следующим критериям:

а) высокая прочность при сжатии, которая предопределяется высоким значением адсорбции метиленового голубого;

б) высокая прочность при разрыве в зоне конденсации влаги;

в) низкое и среднее значение водопоглощения. 

Этим критериям лучше всего отвечают бентониты № 5,6 и 7 из таблицы 1. Это природные разновидности Са-Na – бентонита, с высоким значением  показателя адсорбции метиленового голубого. По-видимому, допустимо будет использование активации содой в количестве до 0,5% - но этот вариант нужно еще уточнять с учетом результатов после выработки всех опытных партий.

Следует отметить, что при поставках бентонита с одними и теми же свойствами на разных предприятиях Украины и Беларуси часто получались существенно разные значения одних и тех же показателей. Происходит это из-за того, что в указанном ГОСТе не определено, при какой величине уплотняемости определяются свойства смеси, не ограничено время перемешивания, неоднозначно сформулированы требования к используемому оборудования. Характерный пример – определение показателя прочности при сжатии для одного и того де бентонита на Минском тракторном заводе, где используется лабораторный копер Усманьского завода, показывает значения приблизительно на 20 – 23 % ниже, чем на Кременчугском сталелитейном заводе, где используется копер Харьковского производства. 

Рассмотрим свойства конкретных партий бентонитов, испытания которых выполнялись в соответствии с требованиями ГОСТа 28177-89 – таблица 1.

Таблица 1 .  Свойства бентонитов по данным входного контроля потребителей. 1,2,3,4 – на Минском тракторном заводе, 5,6,7,8 – на Кременчугском сталелитейном заводе.

Бентониты: 1 – Индийский марки STARBOND,  2 – Украинский, производство «КЗУ», 3 – Иджеванский, Армения; 4- Грузинский Са-Na типа с обработкой содой 1%; 5,6,7  – Грузинский бентонит Асканского месторождения, Са-Na типа без обработки содой, 8 – Грузинский бентонит с обработкой содой 0,5%.

Индийский бентонит 1 марки STARBOND имеет низкие прочностные показатели, но при этом его влагоемкость очень высокая, о чем свидетельствует показатель водопоглощения 13,0 ед.  При использовании такого материала смесь будет иметь высокое содержание общей глинистой, высокую рабочую влажность, пониженную газопроницаемость и повышенную газотворную способность.  Низковатое значение показателя прочности в зоне конденсации влаги создает риск формирования ужимин на отливках и при этом сохраняется высокая вероятность появления газовых раковин и повышенного пригара.  Бентонит с таким набором свойств гораздо более пригоден для окомкования железорудного сырья, чем для литейного производства. И он действительно широко используется для производства железорудных окатышей, так как способен связывать воду в большем количестве, чем другие бентониты.  Но в литейном производство это его свойство лишь создает дополнительные проблемы.  

Бентониты 2 и 3 гораздо лучше сбалансированы по основным свойствам, они имеют высокие показатели прочности в зоне конденсации влаги при приемлемых значениях величины водопоглощения. Хотя прочность при сжатии образца 2 низковатая для получения смеси с оптимальным значением общей глинистой. Для линий безопочной формовки эти бентониты использовать нежелательно из-за низкого значения показателя прочности при сжатии. 

Бентонит 4 имеет высокую прочность при сжатии, что позволяет работать на смесях с низким содержанием общей глинистой и соответственно хорошей газопроницаемостью. Но водопоглощение 9,4 ед. свидетельствует о высоковатой влагоемкости этого варианта бентонита, обусловленной избыточной обработкой содой.

Бентониты 5, 6 и 7 представлены природными разновидностями Са-Na и Na-Са бентонита Асканского меторождения в Грузии, без обработки содой. Они имеют высокие значения прочности в зоне конденсации влаги и при этом низкую влагоемкость (водопоглощение 2,6, 2,8, 6,0), что позволит работать на смеси с минимальной влажностью, без риска образования не только ужимин, но и газовых раковин и повышенного пригара.  Бентонит 8 является слабо активированной разновидностью с хорошо сбалансированными свойствами, изготовленный из того же сырья, что и образцы 6 и 7.

Обобщая выше приведенные данные, кратко можно сформулировать следующие рекомендации для выбора бентонита с оптимальными свойствами для формовки по-сырому:

1. Показатель прочность при сжатии желательно иметь в пределах 1,0 -1.5 кг.с./см² при испытании согласно ГОСТа или же около 8,5-10,5 N/cm² при испытании согласно методики VDG P-69.
2. Показатель прочность в зоне конденсации влаги желательно иметь в пределах 0,025 – 0,037 кг.с./см.2 или 0,25-0,37 N/cm² и при этом значения показателя «водопоглощение» должно быть в пределах 3 - 7 ед., поскольку высокие значения могут провоцировать образование газовых раковин и усиление пригара на отливках.
3. Обязательно следует определять показатель «адсорбция метиленового голубого» и его желательные значения составляет не менее 320 мг./г. – определение согласно методики VDG P-69.

Для линий безопочной формовки, где прочность формы обеспечивается исключительно адсорбционными силами бентонита, стоит выбирать марки с максимально возможной прочностью, значением «водопоглощение» не более 7 ед. и величиной «адсорбция метиленового голубого» около 370 - 420 мг./г.

Литье Украины, 2021, №2, с.23-27