10.2. Стержневые смеси, отверждаемые конвективной сушкой

Основной целью процесса сушки является удаление влаги из стержней для придания им повышенной прочности и газопрони­цаемости, а также для уменьшения газотворной способности. Про­цесс сушки зачастую удлиняет производственный цикл изготовле­ния стержней, повышает его энергоемкость. В связи с этим сушку следует применять только в тех случаях, когда без этого не обеспе­чивается высокое качество отливок. При этом для осуществления сушки стержень извлекается из стержневого ящика и укладывается на металлическую сушильную плиту (драйер), на которой он пода­ется в сушильную печь.

В литейном производстве под сушкой понимают тепловую обра­ботку стержней, при которой наряду с удалением влаги происходят и физико-химические процессы, которые условно можно разделить на два периода.

В начальный период преобладают процессы испарения влаги с поверхности высушиваемого материала; диффузия влаги к поверх­ности материала в этот период несущественная. Во второй период скорость удаления влаги из материала определяется в основном скоростью диффузии влаги из глубинных слоев высушиваемого ма­териала к поверхности. Относительная продолжительность каждого из периодов зависит от начальной влажности материала. Для мате­риалов влажностью 4-8% продолжительность первого периода практически равна нулю.

Испарение влаги с поверхности стержней зависит от следующих факторов: 1) влажности газовой среды, окружающей стержень; 2) температуры этой среды; 3) скорости движения газов над по­верхностью стержня; 4) барометрического давления. Чем ниже влажность, выше температура, больше скорость движения газов и меньше давление, тем интенсивнее идет процесс испарения.

Диффузия влаги из глубинных слоев стержня зависит от зерно­вого состава смеси и содержания влаги в исходном материале. Про­цесс сушки нельзя ускорить только улучшением условий для испа­рения влаги с поверхности материала, так как влага из глубинных слоев из-за незначительной скорости диффузии не успевает посту­пать к поверхности испарения. На поверхности стержня может об­разоваться корочка сухого материала, в котором под действием усадки возникают трещины.

Стержни в сушилах нагревают передачей тепла от теплоносите­лей - газов или излучающих элементов-нагревателей путем конвек­ции или радиации. Чаще всего применяют сушила, в которых тепло передается конвекцией. Процесс сушки стержней делится на три периода:

I - это период прогрева; стержни прогреваются до заданной тем­пературы по всему объему; скорость прогрева зависит от теплофи-зических свойств высушиваемого материала, а также от интенсив­ности передачи тепла теплоносителем;

II - это период постоянной скорости сушки, протекающий при некоторой оптимальной температуре; влага из материала удаляется преимущественно за счет образования паров воды в глубине тела и диффузии к поверхности высушиваемого материала;

III - это период охлаждения стержней после сушки, протекаю­щий при низкой скорости охлаждения для устранения образования поверхностных трещин; чтобы влага из атмосферы не поглощалась стержнями, их необходимо извлекать при низкой температуре.

Удаление влаги, содержащейся в стержневой смеси, происходит за счет нагрева ее газами, получаемыми при сгорании топлива, до температуры парообразования. Пар проходит сквозь поры стержней и удаляется вместе с топочными газами и воздухом. В начале про­цесса сушки влажность в наружных и внутренних слоях смеси практически одинакова и испарение влаги происходит из поверхно­стных слоев. Затем влага из внутренних слоев стержней перемещается к наружным слоям и вновь испаряется с их поверхности. Так протекает процесс испарения влаги до окончания сушки стержней.

Процесс удаления влаги ускоряется с повышением температуры сушки. Однако слишком большое и быстрое увеличение температу­ры сушки, особенно в ее начальный период, приводит к образова­нию на поверхности стержней плотной сухой корки, препятствую­щей испарению влаги. Кроме того, под действием давления пара, образующегося внутри стержня, корка растрескивается и, следова­тельно, ухудшает качество высушиваемой поверхности.

Появление трещин может быть вызвано также неравномерным прогревом массивных стержней. Следует учитывать, что с возрас­танием газопроницаемости стержневой смеси увеличивается ско­рость испарения влаги. Для качественной сушки стержней необхо­димо, чтобы процессы испарения, удаления влаги и поглощения водяных паров топочными газами протекали непрерывно.

Теплообмен между газами и высушиваемыми стержнями зависит от поверхности, омываемой газами, от температуры, скорости дви­жения газов и времени сушки. Для увеличения поверхности сушки стержней, как уже отмечалось, сушильные плиты изготовляют с отверстиями.

В зависимости от способа нагрева и передачи тепла стержням раз­личают контактный, радиационный и конвекционный способы сушки.

При контактной сушке нагретая поверхность непосредственно соприкасается с высушиваемой поверхностью и тепло передается за счет теплопроводности. При сушке таким способом тепло стержням передается от нагретой металлической плиты через сушильную плиту, что обусловливает неравномерность прогрева стержней и ухудшение качества сушки. Такой способ сушки стержней приме­няют очень редко.

При радиационной сушке тепло стержням, находящимся на неко­тором расстоянии от источника, передается теплоизлучением. В качестве источников тепла используют электроспирали, электро­лампы, газовые горелки, керамические панели и др. При этом спо­собе сушки хорошо прогреваются лишь открытые поверхности стержней. Радиационную сушку в основном применяют для по­верхностной подсушки стержней после их отделки и окраски.

Конвекционный способ нагрева является наиболее предпочти­тельным способом сушки стержней. Топочный газ или горячий воздух, обтекая поверхность стержней, быстро нагревает их, в резуль­тате чего происходит интенсивное испарение влаги и равномерное высушивание. При этом способе допускается достаточно высокая температура топочных газов. Для улучшения теплопередачи в су­шиле повышают скорость движения газов.

В процессе сушки, под воздействием температуры преобразуется и связующий материал стержневой смеси. Для каждого связующего в зависимости от его природы имеется вполне определенная темпе­ратура нагрева, при которой достигаются наилучшие физико-механические свойства стержней. В связи с этим для каждого типа стержневой смеси, а также в зависимости от габаритов, массы и сложности стержней устанавливают вполне определенный режим сушки. На режим сушки влияют также способ сушки и характери­стики сушильного агрегата.

Температуру сушки выбирают в зависимости от типа применяе­мых связующих. Так, стержни, содержащие каолиновую глину, су­шат при температуре 300-400 °С, а при использовании бентонито­вых глин - 200-250 °С. Смеси на СП, СБ, КО, СДБ сушат при 250-300 °С, а с различными маслами - при 180-230 °С (табл. 10.2).

Таблица 10.2

Режим сушки стержней

связующие	Температура сушки, °С	Продолжительность сушки в ч при массе стержня, кг
		До 1,5	1,5-20	20-35	35-75	75-150	150
Органические	160-240	0,4-0,8	10,-2,0	2,0-3,0	3,5-5,0	5,0-6,0	6,0-7,0
Глинистые	300-350	2,0-3,0	4,0-5,0	6,0-7,0	8,0-9,0	10,0-11,0	12,0-24,0
Жидкое стекло	200-250	0,3-0,5	0,75-1,0	0,75-1,0	1,0-2,0	2,0-3,0	2,0-5,0
Термоактивные смолы	250-300	0,3-0,5	0,6-1,0	0,75-1,3	0,7-1,5	0,9-1,8	-

Как следует из данных, представленных в табл. 10.2, общим не­достатком смесей на основе различных связующих является высо­кая длительность процесса сушки стержней в сушилах (до 24 ч), что Увеличивает производственный цикл, зачастую вызывает коробление стержней и снижает геометрическую точность отливок. Кроме того, сушильные печи занимают большие производственные пло­щади и потребляют огромное количество энергии. Поэтому данный способ изготовления стержней с каждым годом все меньше исполь­зуется в литейных цехах. Однако несмотря на указанные недостат­ки, все же около 5-8 % стержней в отечественных литейных цехах, особенно в индивидуальном и мелкосерийном производстве, изго­тавливаются с использованием этой технологии. При этом смеси (табл. 10.3) на основе растительных масел применяют для изготов­ления достаточно ответственных стержней I и II классов сложности, а смеси, содержащие в качестве связующего материала ГТФ, ЧГУ, СДБ, ЖС - для изготовления стержней III-V классов сложности. Помимо указанных связующих материалов, придающих стержням сухую прочность, в составах песчано-масляных и песчано-жидко-стекольных смесей применяют формовочную глину с целью повы­шения прочности стержней во влажном состоянии и предупрежде­ния их деформации и разрушения после изготовления, извлечения из стержневого ящика и транспортировки в сушильную печь (смеси 4-7). В тех случаях когда смесь предназначена для пескодувного или пескострельного процессов изготовления стержней (смеси 1-3) и к ней предъявляются повышенные требования по текучести, а сырая прочность при этом должна быть минимальной, то в ее состав не следует вводить глиняный связующий материал или СДБ. В состав смеси № 7 кроме указанных компонентов, как правило, вводятся специальные добавки, улучшающие податливость и выбиваемость стержней из отливок. Использование в составах смесей фосфатного связующего (смесь № 8) позволяет получать стержни, успешно применяемые для изготовления отливок из черных сплавов. Наряду с повышенной газопроницаемостью, эти стержни имеют достаточно низкую газотворность (менее 8 см³/г) и удовлетворительную выби­ваемость из отливок. Однако как жидкостекольные, так и фосфат­ные, а также смеси, содержащие СДБ, имеют существенно более низкую прочность после отверждения, чем песчано-масляные стержни, что не позволяет применять их для изготовления сложных стержней |-|| групп

Концентраты сульфитно-дрожжевой бражки (СДБ), называемые также лигносульфонатами техническими (ЛСТ), являются продук­том целлюлозно-бумажного производства при получении целлюлозы по сульфитному способу и представляют собой кальциевые, магниевые, натриевые, аммонийные соли (или смеси этих солей) лигносульфоновых кислот. СДБ состоит из лигносульфонатов с од­но-, двух- и трехвалентными катионами. Лигносульфонаты с одно­валентными катионами имеют структуру тонких удлиненных цепей

а поливалентные катионы связывают анионы лигносульфоновой кислоты в более громоздкие, менее подвижные структурные фраг­менты. Наличие сульфогрупп, способных к реакциям ионообмена, обусловливает возможность активации лигносульфонатов посред­ством замещения в них поливалентных катионов на одновалентные:

Активация по реакции (10.1) направлена в первую очередь на повышение реакционной способности, адгезионной и когезионной прочности связующего материала и может осуществляться практи­чески с помощью любых минеральных солей с одновалентными катионами, например сульфата аммония, вводимого непосредствен­но в смесь в количестве 0,3-0,5%. При этом сухая прочность смесей 4, 5, 6 (табл. 10.3) может быть увеличена на 25-30%, а длительность сушки - уменьшена на 30-40%.

Таблица 10.3

Типовые составы тепловой сушки для стержневых смесей

Но­мер смеси	Класс стерж­ней	Составляющие смеси	Массовая доля, %	Свойства смеси				Температура сушки стерж­ней, °С
				Газопро­ницае­мость, ед.	Влаж­ность, %	Прочность, МПа
						при сжа­тии, σСЖ	при растя­жении, σсж
1	I	Кварцевый песок 1К1О2016, 2К2О202 Растительное масло	100 1,0-1,5	130	2,0-3,0	0,003-0,006	0,6-0,9	200-220
2	1	Кварцевый песок 1К1О202, 2К2О2016 Олифа	100 2,0-3,0	140	2,0-3,0	0,005-0,007	1,2-2,4	200-220
3	I-II	Песок 1К1О202 УСК1 ГТФ	100 3 3	100	1,2-1,5	0,005-0,0055	1,0-1,2	200-220
4	I-II	Песок 1К2О202 ГлинаГ12 4ГУ или ГТФ СДБ или ЛСТ	97 3 2,0-4,0 2,0-4,0	100	3,0-4,0	0,006-0,01	0,5-0,7	(4ГУ) 200-220 (ГТФ) 180-200
5	III	Песок 1К2О302 Глина П2 СДБ или ЛСТ	96-97 4-3 2,5-3,5	100	3,0-4,5	0,01-0,16	0,30-0,35	220-240
6	IY-Y	Оборотная смесь Песок 2К2О302 Глина П1, П2 СДБ или ЛСТ	0-40 56-95 4-5 2-3	70	4,0-5,5	0,015-0,025	0,2-0,3	160-180
7	III-Y	Песок 2К2О302 ЖС ГлинаП1,П2	90-92 5-6 3-4	120	4,5-5,5	0,01-0,02	0,30-0,35	220-260
8	III-Y	Песок 2К2О302 Алюмохромфосфатная связка (АХФС) Глина П1.П2	93-95 4-5 1-2	150	1,5-2,0	0,01-0,015	0,02-0,03	150-170