Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

скоагулированы в агломераты большего или меньшего размера. Следовательно, чем больше таких ионов содержится в мицеллах глины, тем меньше ее коллоидальность. Если многовалентные ионы в мицеллах глины заменить одновалентными ионами натрия, то можно добиться высокой дисперсности глинистых частиц.

Наиболее эффективными диспергаторами для глин различных месторождений являются натриевые соли сложных фосфорных кислот – Na4P2O7 и Na5P3O10. Максимальная коллоидальность достигается при определенном содержании диспергатора. При недостатке диспергатора катионы в обменном комплексе заменяются не полностью и частицы глины продолжают оставаться в виде агрегатов. При избытке диспергатора мицеллы глины перенасыщаются ионами натрия, что приводит к снижению электрокинетического потенциала системы «вода – глина» и частицы глины слипаются между собой. Для бентонитовых глин, содержащих в обменном комплексе преимущественно катионы кальция и магния, наилучшим диспергатором является кальцинированная сода (Na2CO3).

Определение коллоидальности глин производится следующим образом. В мерный цилиндр объемом 100 мл и диаметром 25 мм насыпают 15 г глины, после чего заливают 95 мл дистиллированной воды. Содержимое взбалтывают вручную в течение 360 с, затем добавляют 1 г оксида магния и 5 мл воды. Содержимое снова взбалтывают в течение 60 с и оставляют в покое на 24 ч. По истечении этого срока по делениям мерного цилиндра отмечают объем осадка, который и является меройколлоидальности глины, выраженной в процентах.

Набухание и усадка. Образование сольватных оболочек на поверхности частиц глинистых минералов происходит с такой силой, что молекулы воды, втягиваясь между пакетами, раздвигают их. Поэтому при поглощении воды, как правило, наблюдается некоторое увеличение объема глин – набухание. Значительное набухание свойственно бентонитам, в которых наблюдается внутрикристаллическое набухание минеральных частиц. Некоторые бентониты могут увеличивать свой объем в 10-15 раз.

Явление, обратное набуханию (уменьшение объема при высушивании), называется воздушной усадкой или усушкой. Чем мельче частицы, тем больше усадка. Для монтмориллонита она достигает нескольких сотен процентов. Набухание и усадка связаны со степенью дисперсности, минералогическим составом и составом обменных катио-

71

нов. Толщина слоя воды в системе «глина – вода» определяетсяобщим содержаниемводыи степенью дисперсности глинистых частиц.

Водяные пленки, образующиеся на поверхности глинистой частицы, при некотором ограниченном количестве воды способствуют более полному проявлению поверхностных сил сцепления. Так, наибольшая связанность частиц монтмориллонита наступает при толщине водяной пленки 0,8 нм, что приблизительно равно толщине слоя из трех молекул воды. В этом случае связь между частицами воды и глины обусловлена образованием моста, направленного (ориентированного) диполя воды. Такое состояние частиц глины и воды обеспечивает наибольшую прочность формовочной смеси.

При дальнейшем увлажнении глин с образованием водяных пленок большей толщины вода начинает играть роль «смазки», уменьшающей эффект взаимного притяжения частиц. Такое состояние системы «глина – вода» приводит к снижению прочности формовочной смеси. В связи с малой водопоглощающей способностью каолинитовые глины более склонны к переувлажнению, чем бентониты.

Прочность при сжатии во влажном состоянии является одной из основных характеристик песчано-глинистых смесей, применяемых для изготовления сырых форм. На прочность во влажном состоянии наиболее существенное влияние оказывают минералогический состав глин, дисперсность глинистых частиц, емкость и состав обменного комплекса. Прочность песчано-глинистой смеси во влажном состоянии обусловлена физическими и физико-химиче- скими силами взаимодействия материала зерновой основы, глины и воды. Основой прочности смеси являются водородные связи, однако в формировании прочности принимают участие также силы поверхностного натяжения воды, капиллярные силы и силы межмолекулярного взаимодействия. Водородные связи возникают между атомами водорода и атомами наиболее электроотрицательных элементов, в частности кислорода. При наличии мощных водородных связей физические силы взаимодействия обычно отходят на второй план. Водородные связи возникают непосредственно между гидроксилированными слоями частиц наполнителя, а также между ними

ислоями атомов базальных поверхностей глинистых частиц.

Впроцессе перемешивания и уплотнения смеси происходит разрыв одних водородных связей и образование других. Аналогично может быть представлено взаимодействие между зернами диоксида кремния

72

и монтмориллонитом или другим глинистым минералом. Представленная схема характеризует состояние смеси, когда большая часть молекул воды испарилась. В сырых формах в смеси находятся свободные молекулы воды. Чем больше слоев этих молекул, тем меньше связь между составляющими компонентами и тем меньше прочность смеси во влажном состоянии. В связи с этим при приготовлении смесей для сырых форм важным является оптимальное соотношение между глиной и водой, которое различно для глин различной минералогической природы и гранулометрического состава. Это соотношение для каждойновой партии глинследуетопределять опытным путем.

Прочность при сжатии в сухом состоянии является основной ха-

рактеристикой песчано-глинистых смесей, применяемых для изготовления сухих форм. Она формируется в процессе сушки вследствие возникновения новых водородных связей при испарении воды. Для получения максимальной прочности смесей в сухом состоянии требуется большее содержание воды, чем во влажном. Это обусловлено необходимостью обеспечения более равномерного рас-пределения глинистой оболочки по поверхности зерен наполнителя. В процессе сушки удаляется сначала капиллярная вода, затем рыхлосвязанная и, наконец, прочносвязанная. При этом одновременно происходит усадка смеси, которая может привести к образованию как макро-, так и микротрещин и к снижению прочности смеси в высушенном состоянии. Следовательно, для получения максимальной прочности сухих форм необходимо правильно установить режим сушки для каждой смеси с учетом габаритов опок или стержней. Следует особо помнить о том, что температура сушки никогда не должна быть выше температуры выделения химическисвязаннойводыосновного минерала глины.

Долговечность является важным параметром формовочных глин, характеризующим их способность сохранять связующие свойства в процессе многократного использования. Метод испытания глин на долговечность основан на определении потери прочности при сжатии во влажном состоянии после трехкратного нагрева образца смеси. Показатель долговечности глин характеризует их термическую устойчивость при многократных заливках смесей жидким металлом. Следовательно, долговечность глин зависит от их огнеупорности.

Каолиновые глины имеют огнеупорность 1400-1750 С, гидрослюдистые – 1200-1350 С, а монтмориллонитовые – 1150-1250 С. К огнеупорным относятся глины, имеющие огнеупорность не ниже 1580 С.

73

Классификация глин. В соответствии с ГОСТ 3226-93 «Глины формовочные огнеупорные» глины классифицируют в зависимости от химических и физических показателей (табл. 4.1).

Технические требования к глинам. Формовочные огнеупорные глины должны соответствовать требованиям ГОСТ 3226-93 и техническим условиям на глины конкретных месторождений.

По физико-механическим показателям глины должны соответствовать указанным требованиям (табл. 4.2).

Примечание. П – прочная; С – среднепрочная; М – малопрочная; 1 – высокосвязующая; 2 – среднесвязующая; 3 – малосвязующая. Марка глины, например П3, означает, что эта глина прочная при сжатии во влажном состоянии и малосвязующая при прочности в сухом состоянии.

74

Массовая доля глинистой составляющей для комовых глин должна быть не менее 65%.

По гранулометрическому составу и массовой доле влаги порошкообразные глины должны соответствовать следующим требованиям:

–на ситах с размером ячеек 0,4 и 0,16 мм остаток должен составлять не более 3,0 и 10 % соответственно;

–массовая доля влаги 6,0-10,0%.

Характеристика глин. Огнеупорные глины добывают в основном предприятия огнеупорной и керамической промышленности. Многие огнеупорные глины удовлетворяют требованиям ГОСТ 3226-93 на формовочные глины и используются в литейном производстве, как правило, для сухих форм.

Глины поставляются в комовом или порошкообразном виде. Комовые глины транспортируются навалом всеми видами транспорта.

Молотые (порошкообразные) глины упаковывают в многослойные бумажные мешки вместимостью 50 кг или в мягкие специальные контейнеры вместимостью до 2000 кг. Молотую глину можно также перевозить насыпью в цементовозах или крытых автотранспортных средствах. Порошкообразную глину необходимо хранить раздельно по маркам в крытых складских помещениях и бункерах, защищенных от влаги.

В формовочную смесь огнеупорную глину целесообразно вводить в виде суспензии. При приготовлении суспензии комовую глину предварительно замачивают, а затем разводят водой до требуемой консистенции в глиномешалке. Однако применение суспензии возможно только в том случае, если общее содержание воды, имеющейся в оборотной смеси и вводимой с суспензией, не превышает допустимого содержания воды для данного состава смеси.

Для смесей, предназначенных для сухих форм, проблем с приготовлением суспензий обычно не возникает. В этих смесях содержание воды, как правило, превышает содержание глины, а набухаемость каолинито-гидрослюдистых глин невысокая. Сложности возникают при приготовлении высокопрочных смесей для автоматических линий, особенно при использовании натриевых бентонитов. В этих случаях необходимо использовать понизители вязкости глинистых суспензий.

75

4.2.3. Бентонитовые глины

Применение интенсивных методов уплотнения литейных форм на современных автоматических линиях требует использования формовочных смесей, обладающих повышенной прочностью. Достигается это в результате применения в качестве связующего материала в смесях бентонитовых глин, которые кроме основного породообразующего минерала – монтмориллонита могут содержать от 5 до 30% гидрослюдистых минералов, каолинита и других глинистых минералов.

Свойства бентонитовых глин можно разделить на первичные, определяемые при исследовании самих бентонитов (минералогический и химический составы, состав обменных катионов, пластические свойства), и вторичные, проявляющиеся при увлажнении и нагреве глин (связующая способность, термическая устойчивость или долговечность, склонность к образованию ужимин, характеризуемая прочностью в зоне конденсации влаги и др.).

Все используемые бентониты можно разделить на четыре основные группы в зависимости от содержания в них монтмориллонита:

1.Высокое (более 70%) содержание монтмориллонита и щелочных катионов (натрия и калия). Такие бентониты можно использовать в естественном состоянии без дополнительной активации.

2.Высокое (более 70%) содержание монтмориллонита и щелочных катионов (магния и кальция). Такие бентониты обладают низкой набухаемостью, что требует их активации содой.

3.Среднее (50-70%) содержание монтмориллонита и катионов кальция и магния. Так же как и бентониты второй группы, перед использованием в составах формовочных смесей требуют активации содой.

4.Низкое (менее 50%) содержание монтмориллонита и обменных катионов. Требуют активации содой и химическими реагентами.

Оценка качества бентонитов, используемых в литейном производстве, осуществляется в соответствии с ГОСТ 28177-89 «Глины формовочные, бентонитовые» (табл. 4.3).

76

77

Марка бентонитовых глин включает в себя: буквенное обозначение прочности при сжатии во влажном состоянии (П – прочная; С – среднепрочная; М – малопрочная); цифровое – предела прочности при разрыве в зоне конденсации влаги (1 – высокосвязующая; 2 – связующая; 3 – среднесвязующая; 4 – малосвязующая); буквенное с индексом – термической устойчивости (Т1 – высокоустойчивая; Т2 – среднеустойчивая; Т3 – низкоустойчивая).

Для определения прочности при сжатии во влажном состоянии готовят 3 кг смеси, состоящей из 95 частей кварцевого песка и 5 частей глины. Смесь перемешивают в течение 2 мин в лабораторном смесителе и добавляют (6,5-7,0) 10-5 м3 воды. Увлажненную смесь перемешивают в течение 20 мин и в соответствии с ГОСТ 23409.13-89 определяют уплотняемость, которая должна быть не менее 60%. Затем продолжают перемешивать смесь в смесителе с открытой крышкой, через каждые 1-2 мин определяют показатель уплотняемости и прочности при сжатии по мере естественного подсыхания смеси. Испытание прекращают с момента снижения прочности смеси. За предел прочности во влажном состоянии принимают среднее арифметическое результатов трех определений, при которых прочность при сжатии будет наибольшей.

Метод определения предела прочности при разрыве в зоне конденсации влаги основан на измерении сопротивления образца разрыву при одностороннем поверхностном нагревании. Для проведения испытания прочности при разрыве в зоне конденсации влаги применяют смесь, приготовленную аналогично предыдущему испытанию с показателем уплотняемости 45-50%. За прочность при разрыве в зоне конденсации влаги принимают среднее арифметическое трех результатов.

Метод определения термической устойчивости основан на потере прочности при сжатии во влажном состоянии исходной глины и

прокаленной при температуре 550 С в течение 1 часа. Термическую устойчивость (Т) вычисляют по формуле

где 1 – предел прочности при сжатии во влажном состоянии по результатам испытания прокаленной глины, Па;

78

2 – предел прочности при сжатии во влажном состоянии по результатам испытания исходной глины, Па.

По химико-минералогическим показателям бентонитовые глины должны соответствовать требованиям, указанным в табл. 4.4.

Таблица 4.4 Химико-минералогические показатели бентонитовых глин

Классификация глин в зависимости от их химико-минералоги- ческих показателей представлена в табл. 4.5.

Таблица 4.5

Классификация формовочных бентонитовых глин в зависимости от химико-минералогических показателей

79

При суммарном преобладании в обменном комплексе ионов натрия Na+ и калия К+ природные бентонитовые глины классифицируются как натриевые (Н), а при суммарном преобладании ионов кальция Са2+ и магния Mg2+ – как кальциевые (К).

По гранулометрическому составу и массовой доле влаги порошкообразные бентонитовые глины должны соответствовать требованиям табл. 4.6. Метод определения гранулометрического состава порошкообразных глин основан на количественном распределении частиц по крупности путем сухого рассева на ситах с последующим весовым определением полученных классов от общей массы, взятой для ситового анализа.

80