Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

Таблица 4.6

Гранулометрический состав и влажность порошкообразных бентонитовых глин

Условное обозначение бентонитовой глины включает марку и обозначение настоящего стандарта, а также буквенный индекс: А – для порошкообразных активированных глин; Н – для натриевых природных глин; К – для кальциевых природных глин, например П2Т3А ГОСТ 28177-89.

Применение той или иной марки бентонита определяется требованиями, предъявляемыми к качеству формовочной смеси для различных методов формовки (табл. 4.7).

Таблица 4.7

Общие требования к формовочным смесям

81

В работе [15] достаточно подробно описаны бентониты различных месторождений и установлено, что на их качество основное влияние оказывает содержание монмориллонита, а также состав и концентрация обменных катионов. Так, с повышением монтмориллонита связующая способность бентонитов увеличивается. Известно, что бентонит Вайоминга (США), содержащий более 90% монтмориллонита, имеет прочность на сжатие более 0,12 МПа. Асканский бентонит (Россия) при содержании монтмориллонита около 85% имеет прочность около 0,10 МПа, а при содержании монтмориллонита 90-95% – более 0,13 МПа. Статистический анализ позволил установить математическую зависимость между пределом проч-

ности ( ) песчано-бентонитовой смеси и содержанием монтмориллонита (мас. %) в бентоните (А):

Прочность при разрыве в зоне конденсации влаги зависит в пер-

вую очередь от количества и типа обменных катионов бентонита. Величина этого показателя в значительной степени является критерием склонности формовочных смесей к образованию таких дефектов отливок, как ужимины, обвалы, выпадения кома смеси с отливкой из опок без крестовин, разрушение кома смеси при безопочной формовке и др.

Прочность формовочной смеси в зоне конденсации влаги возрастает по мере увеличения в глине содержания натриевого монтмориллонита. Искомого результата можно достигнуть, вводя в

кальциевый бентонит определенное количество соды, т.е. путем перевода кальциевого бентонита в натриевый при его активации.

Механизм формирования прочности в зоне конденсации влаги заключается в следующем. В процессе заливки формы расплавом

температура поверхностных слоев достигает 1300 С и более, постепенно уменьшаясь к ее внутренним слоям. При этом в соответствии с теорией сушки А. В. Лыкова влага из слоев, соприкасающихся с металлом, интенсивно мигрирует во внутренние слои формы, поглощаясь бентонитом. В результате такого интенсивного теплового воздействия на форму жидкого расплава происходит быстрое высыхание рабочей поверхности и образование в зоне контакта с расплавом прочной корки на поверхности формы.

82

Плотность потока влаги (i) в массе формовочной смеси, по А.В. Лыкову, может быть представлена в следующем виде:

где k – коэффициент влагопроводимости;0 – плотность жидкости;

– коэффициент термовлагопроводности; grad u – градиент влажности;

grad t – температурный градиент.

Знак минус в выражении (4.3) свидетельствует о направленности потока влаги от источника теплоты в глубь формы. Таким образом, тепловое взаимодействие жидкого расплава и литейной формы может быть представлено как процесс мгновенной сушки поверхности формы с направленной миграцией влаги. В результате перераспределения влаги в приповерхностных слоях формы возникают внутренние напряжения, следствием чего может быть растрескивание и отслоение поверхностной корочки формы и образование вследствие этого литейного брака, называемого ужиминой.

Как указано в [11], главную роль в начальном периоде разрушения формы играют глинистые связующие материалы и в первую очередь бентонит, который адсорбирует и поглощает мигрирующую из зоны контакта «металл – форма» влагу. В результате этого над приповерхностной отвержденной коркой образуется зона конденсации влаги, являющаяся своеобразным «буфером», релоксирующим напряжения в отвержденной поверхностной корке формы. Поэтому, чем выше температура, при которой сохраняется способность бентонита к набуханию, т.е. чем больше предел прочности его в зоне конденсации влаги (стандартное свойство бентонита, табл. 4.3), тем большее количество влаги он может поглотить из мгновенно отверждающейся в процессе заливки корки формы и тем самым способствовать предотвращению возможности образования ужимин.

При выборе той или иной марки бентонита необходимо учитывать его термическую устойчивость, т.е. способность сохранять свои свойства при высоких температурах (500-800 С). Установлено, что на этот параметр основное влияние оказывает содержание в

83

бентоните железа, увеличение доли которого приводит к снижению термостойкости. Весьма важно, что термостойкость бентонита не только проявляется при взаимодействии формовочной смеси с расплавленным металлом, но и влияет на характер и температуру фазовых изменений, связанных с взаимодействием отдельных компонентов смеси при высоких температурах.

При смешивании исходных формовочных материалов: песка, бентонита, воды, угля и других происходят сложные процессы, когда пленка бентонита покрывает зерна кварца, а частички угля располагаются на пленке связующего вещества или слегка погружаются в него. Под действием тепла, выделяемого металлом, глинистые пленки с продуктами разложения угля и зернами кварца постепенно спекаются, образуя так называемые оолитовые зерна [15]. Поверхность агрегата оолитизированных зерен пористая, с большим количеством трещин. При этом резко увеличивается влагоемкость формовочной смеси. Оолитизированные зерна при нагреве меньше расширяются, что обусловливает снижение термических напряжений в поверхностных слоях формы. Благодаря этому смеси, содержащие оолитизированные зерна, менее склонны к образованию поверхностных дефектов, особенно ужимин, по сравнению со смесями из мономинеральных кварцевых песков.

Процесс оолитизации получает развитие после 550-650 С. Твердофазовые превращения начинаются при различных температурах.

Вбентонитах с низкой термостойкостью при температуре 650-680 С,

вбентонитах с высокой термостойкостью при температуре 750-780 С.

Вамериканском или высокотермостойком греческом бентоните но-

вые фазы образуются при температуре 780 С и выше, в низкотермостойких бентонитах – при температуре порядка 680 С.

Водопоглощение, связующая способность, термическая устойчивость бентонитовых глин связаны с процессами гидратации и регидратации и зависят от обменного комплекса, характеризуемого катионно-обменной емкостью и способностью бентонитов к ионному обмену в водной среде. Сущность этого процесса заключается в следующем.

Ионы, расположенные на внешних поверхностях пакетов глины, имеют менее прочные связи с основной решеткой кристалла, чем ионы внутренних слоев. Поэтому часть внешних ионов при соответствующих условиях может быть замещена другими ионами, на-

84

ходящимися в дисперсионной среде, без нарушения целостности кристаллической решетки. Это явление называют ионным обменом.

Ионный обмен схематически можно представить следующим образом:

Смещение реакции вправо или влево зависит от природы и концентрации ионов Х и Y, а также от природы самой глины. Обменными ионами в глинах являются главным образом катионы натрия, калия, водорода, кальция и магния. Максимальное количество ионов, которое может быть замещено в глине, называют суммой обменных катионов, которая колеблется в следующих пределах

(мг экв/100 г сухой глины): для каолинитовых – 10-35, гидрослюдистых – 10-25, монтмориллонитовых – 35-135. Увеличение удельной поверхности приводит к увеличению суммы обменных катионов.

Ионный обмен в значительной степени изменяет химический состав глин. Так, при обмене ионы Si4+ замещаются ионами Al3+ и далее ионы Al3+ замещаются ионами Mg2+ или Са2+. Последние в свою очередь могут быть замещены ионами К+ или Na+. Ионы решетки глинистого минерала переходят в раствор, из которого в несбалансированные по электронам ячейки поступают другие, имеющиеся в нем ионы. Если пакеты заряжаются зарядами одинаковых знаков, то они отталкиваются друг от друга, что ведет к самопроизвольному диспергированию глины. Такое явление наиболее активно наблюдается у бентонитовых глин.

Бентониты различных месторождений различаются не только по количеству обменных катионов, но и по их качественному составу. Определяющим фактором высокой связующей способности бентонитовых глин, в частности предела прочности в зоне конденсации влаги, является преобладание щелочных катионов (Na+ и К+) в обменном комплексе [13] (табл. 4.8). Химический состав этих бентонитов приведен в табл. 4.9.

85

Таблица 4.8

Сумма обменных катионов, коэффициент щелочности, дисперсность и связующая способность природных бентонитовых глин

Примечания:

1 – предел прочности при сжатии во влажном состоянии, МПа; 2 – предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги, кПа.

Таблица 4.9

Химический состав бентонитов (масс. %)

Месторождение SiO2 Al2O3+TiO2 Fe2O3 CaO MgO Na2O+K2O SO3

Учитывая то, что в настоящее время на рынке связующих материалов имеется достаточно большое многообразие бентонитов, многих потребителей привлекает относительно низкая стоимость некоторых из них. Однако опыт их применения показывает, что выигрыш на самом деле является кажущимся и возникающие суммарные потери значительно выше, чем при использовании высококачественных бентонитов, несмотря на их более высокую стоимость.

86

В связи с этим Ф.С. Квашой [15] была предложена актуальная методика комплексной оценки качества бентонитов для литейного производства. При такой оценке одним из основных признаков качества бентонита является его термическая устойчивость.

С понижением термостойкости бентонитов возрастает интенсивность дегидратации («выгорания» или «омертвления») бентонита при изготовлении одних и тех же отливок, и для того чтобы исключить накопление в формовочной смеси избытка шамотизированного («неактивного») бентонита, приходится увеличивать ввод в смесь освежающих материалов. Необходимо также при этом учитывать факт заметного увеличения количества подлежащей захоронению отвальной смеси. Поэтому при оценке качества бентонита необходимо учитывать затраты как на формовочные материалы, так и на захоронение образующихся отходов формовочной смеси при производстве 1 т годного для промышленного использования литья.

Расход бентонита складывается в основном из следующих составляющих: а) потерь бентонита при деструкции с учетом вентиляции; б) потерь смеси на грохотах (с выбитыми отливками) и некоторых других.

Потери бентонита в смеси от термодеструкции составляют:

где А – требуемое содержание активного бентонита в формовочной смеси, %;

M/Q – отношение металл/смесь в литейной форме;

С – доля тепла, передаваемого форме при охлаждении отливки;

К – коэффициент термодеструкции («термоизноса») бентонита в формовочной смеси, содержащей уголь.

Потери с вентиляцией составляют: вент. = lв h / 100, %,

lв – содержание активного бентонита в вентилируемом продук-

те, %;

h – количество формовочной смеси, теряющейся в каждом цикле с вентиляцией, %.

При деструкции бентонита в каждом цикле в формовочной смеси остается (100 – а) /100, где а – количество дегидратированного бентонита, закрепляющегося (оолитизирующегося) на поверхности кварцевых зерен, %.

87

Чтобы предотвратить накопление неактивной мелочи, ее необходимо выводить из смеси.

Часть мелочи выводится из смеси за счет вентиляции (lн h / 100)

и ( Р):

P (100 a) /100 lн h /100 Hотл.(Aб H ) /100, %. (4.6)

Для этого необходимо вывести часть смеси В = 100 Р/Н + Р, необходимую для стабилизации содержания неактивной мелочи в смеси.

В (4.6) lн – содержание неактивной мелочи в вентилируемом продукте, %;

Н – требуемое содержание неактивной мелочи в формовочной смеси, %;

Нотл. – количество формовочной смеси, пригорающей к отливкам и удаляемой из системы при выбивке.

Коэффициент термоизноса для любого формовочного материала может быть определен путем последовательной заливки формы, изготовленной из смеси известного состава без освежения и анализа изменения содержания определяемого компонента после каждогоцикла.

Между коэффициентом термоизноса бентонита К и его термической устойчивостью Т, определяемой по ГОСТ 28177-89, имеется эмпирическая зависимость:

Эта зависимость получена по результатам многократных заливок технологических проб в формы, изготовленные из смесей с 20 различными бентонитами. При этом было установлено, что коэффициент термоизноса любого бентонита существенно увеличивается при наличии в формовочной смеси органических добавок, например угля. Зависимость получена для бентонитов 10 различных месторождений с добавкой 5% углеродосодержащих соединений (ППП = = 4,2…4,5%). Коэффициент термоизноса в этом случае может быть определен по формуле

88

Величина требуемого освежения по бентониту (С ) может быть определена по формуле

Сб lб h /100 Bф(Aб lб h /100) /100, %, (4.9)

где Вф – фактический вывод смеси из смесеприготовленной системы за каждый цикл, %.

Аналогично можно определить требуемое освежение по любому другому компоненту смеси.

Требуемое освежение по песку Сп можно рассчитать по формуле

где Qст/Q – количество стержней в форме, отнесенной к массе формовочной смеси;

J – доля стержневых остатков, попадающих в смесь в виде пес-

ка, %.

Ниже приведен пример оценки качества бентонита для литейного производства по ожидаемому расходу материалов при использовании пяти разновидностей бентонитов с различными прочностными показателями и термической устойчивостью. Расчет выполнен для производства одних и тех же чугунных отливок с соотношением металл/смесь (М/Q) в системе, равным 1/8 при выходе годных изделий, составляющем 65%.

Требуемая прочность формовочной смеси при уплотняемости 45% – 1,6-1,8 кг см2; коэффициент теплораспределения С = 0,8; потери смеси с вентиляцией h = 0,5%; содержание бентонита в вентилируемом продукте lб = 20%; угля ly = 10%; мелочи – 20%; потери смеси, пригоревшей к отливке, Нотл. = 0,3%. Остальные параметры формовочных смесей для сравниваемых бентонитов приведены в табл. 4.10. При расчетах принято, что требуемое содержание активного бентонита в смесях пропорционально их прочности, содержание неактивной мелочи (Н) постоянно и равно 3%; Qст/Qф = 2,0%; j = 70%. Потери при прокаливании для данных смесей – 5,0%.

При расчете требуемого вывода смеси из системы и соответственно количества отходов, подлежащих захоронению, принято, что если расчетное значение требуемого для стабилизации содержания

89

неактивной мелочи Вф < 3,0%, то Вф будет равно 3,0. В противном случае Вф будет равно В.

Исходя из качества, связующей способности и термостойкости бентонитов различных месторождений, их расход на 1 т годного литья может быть ориентировочно оценен, как в табл. 4.10.

Таблица 4.10

Расчетный расход формовочных материалов на 1 т годного литья при использовании бентонитов различного качества

Следует отметить, что на расход бентонита, так же как и на количество смеси, подлежащей утилизации, существенное влияние оказывают марка сплава, температура заливки, геометрические размеры и масса отливки. Поэтому данные, приведенные в табл. 4.10, являются расчетными и их следует учитывать только как ориентацию порядка цифр при использовании того или иного бентонита.

В ряде случаев, когда качество бентонита не удовлетворяет предъявляемым техническим требованиям, осуществляется процесс его активации, заключающийся в искусственном изменении обменного комплекса путем замещения катионов магния и кальция на катионы натрия. Это приводит к существенному увеличению набухаемости бентонита и, какследствие, кповышению вяжущейспособности.

Существуют два основных способа активации бентонитов: мокрый и сухой. При мокрой активации готовят пасту или суспензию из бентонита, воды и соды, высушивают смесь, а затем ее измельчают. При этом получают собственно активированный бентонит, в котором, в основном, произошла реакция ионного обмена – ионы Na+ адсорбировались на поверхности частичек бентонита, а нерастворимые или слаборастворимые соли типа СaСО3 и MgСО3 выпали в осадок.

90