CC BY
388
УДК 621.74
ВЛИЯНИЕ ОБОРОТНОЙ ФОРМОВОЧНОЙ СМЕСИ НА КАЧЕСТВО ОТЛИВОК
В.К. Дубровин, Б.А. Кулаков, А.В. Карпинский, А.В. Дубровина
Рассмотрены причины высокой дефектности отливок вследствие снижения качества оборотной формовочной смеси из-за неудовлетворительной подготовки ее для повторного использования. Предложены способы повышения качества песчано-глинистых форм и отливок.
Ключевые слова: литейная форма, отливки, дефекты, оборотная формовочная смесь.
В литейном производстве в условиях механизированного и автоматизированного производства наиболее широко используется единая песчаноглинистая формовочная смесь, которая готовится из отработанной подготовленной формовочной смеси с добавками свежих материалов.
На свойства такой смеси и, соответственно, качество получаемых отливок большое влияние оказывает качество подготовки оборотной смеси для повторного использования.
В последнее десятилетие отмечается устойчивая тенденция увеличения доли литья с применением для изготовления стержней и форм холоднотвердеющих смесей (ХТС). Это позволяет повысить точность отливок, улучшить качество поверхности.
Однако применение песчано-глинистых форм и стержней из холоднотвердеющих смесей при их совместном удалении на выбивной решётке при отсутствии качественной многостадийной подготовки оборотной смеси для повторного использования и требуемого освежения приводит постепенно к загрязнению оборотной смеси продуктами пиролиза органических остатков связующих материалов, накоплению шамотизированной (неактивной) глины и пылевидной фракции. Усугубляет ситуацию отсутствие аэрации (не происходит обеспыливание) и низкое качество магнитной сепарации. Это резко снижает технологические свойства смеси и приводит к повышенной дефектности отливок.
Характерным видом дефектов отливок из чугуна и стали, полученных в таких формах, является засор на поверхности и в теле отливок. Размеры дефектов от 2 до 50 мм. Поверхность дефектов неровная, с рваными краями, на дне в ряде случаев остатки формовочной смеси. Дефекты располагаются преимущественно в верхних частях отливки. Внешний вид дефектов «засор» на чугунных и стальных отливках в целом аналогичен (рис. 1). В значительном количестве образуются газовые раковины и поры, которые имеют округлую форму, размером от 2 до 10 мм, на чугунных и стальных отливках также аналогичны. Дефекты «нарост» имеют размер 50... 300 мм, высоту до 6 мм, располагаются как в верхней, так и в нижней час-
тях отливки. Встречаются на чугунных и стальных отливках.
Внутренние полости отливок, выполняемые стержнями из песчано-смоляных холоднотвердеющих смесей, практически не имеют дефектов, которые наблюдаются на наружных поверхностях, оформляемых песчано-глинистой формовочной смесью.
Исследование зернового состава готовых формовочных смесей с участков стального и чугунного литья методом дифракционного рассеяния на лазерном анализаторе размеров частиц Fritsch Analysette 22 NanoTec plus показало наличие в смесях большого количества мелкодисперсной фракции.
Считается, что отрицательно на свойства формовочной смеси влияет наличие в ней фракции менее 50 мкм. Однако содержание таких частиц ни в исходных материалах, ни в готовых формовочных смесях не регламентируется нормативными документами РФ.
Государственными стандартами РФ как в формовочных песках, так и в глинах, регламентируется содержание частиц, имеющих размер менее 22 мкм, независимо от их химической природы. Такие частицы называют «глинистой составляющей».
Кварцевые формовочные пески (ГОСТ 2138-91) в зависимости от содержания глинистой составляющей делятся на группы 1-5. Максимальное содержание глинистой составляющей в песках 5-й группы - 2 %. Пески этих групп поставляются как Кичигинским, так и Балашеевским месторождением. Пески с большим содержанием глинистой составляющей относятся к тощим (2...12 % глинистой составляющей) и жирным пескам (12.50 % глинистой составляющей) и в настоящее время в литейном производстве используются редко. Пески с низким содержанием глинистой составляющей (до 1,0 %) рекомендуется использовать для изготовления форм и стержней по холодной и горячей оснасткам, из самотвердеющих смесей и прессованием под высоким давлением.
В глинах (ГОСТ 3226-93), наоборот, регламентируется минимальное содержание глинистой составляющей (не менее 65 мас. %), это связано с
в) г)
Рис. 1. Дефекты стальных (а, б) и чугунных отливок (в, г)
тем, что укрупнение размеров глиняных частиц отрицательно сказывается на вяжущей способности глин. Массовая доля глинистой составляющей для комовых каолинитовых и каолинитогидрослюдистых глин должна быть не менее 65 %, для бентонитовых глин - не менее 75 %. Оставшаяся часть глины относится к песчаной фракции, чаще всего состоящей из зерен кварцевого песка. Для большинства глин содержание глинистой составляющей находится в пределах 75.99 %.
Избыток глинистой составляющей в ПГС, а также других мелких фракций размером до 50 мкм может привести к падению прочности при типичных и даже завышенных концентрациях связующего, снижению газопроницаемости и другим эффектам, связанным с тенденцией к развитию удельной поверхности песка, повышенной пористости и извилистости капилляров в теле стержня. Допустимая концентрация в оборотных смесях частиц размером менее 50 мкм составляет до 25 %. Превышение этих значений приводит к ухудшению качества литья.
При этом важное значение имеет содержание в оборотных смесях «активного» бентонита, т. е. глинистой составляющей, сохранившей связующие свойства после многократных заливок. Часть глины в смеси, претерпевшей необратимые изменения под воздействием залитого металла, должна
быть заменена добавкой свежего связующего. Добавка свежего связующего также необходима по причине накопления мелкой фракции в результате разрушения (измельчения) частиц в процессе эксплуатации смеси, так как с увеличением содержания мелкой фракции возрастает свободная поверхность частиц смеси, что требует повышенного расхода связующего. Но введение в смесь мелкодисперсного материала - глины, в свою очередь, еще дополнительно увеличивает содержание мелкой фракции в формовочной смеси, что приводит к эффекту «снежного кома».
Таким образом, в оборотных смесях содержание мелкой фракции с течением времени существенно увеличивается. С целью уменьшения содержания мелкой фракции в смеси, в частности, «неактивной» глинистой составляющей, проводят обеспыливание смесей и, что очень важно, их освежение чистым песком.
Масса дополнительно вводимых материалов (кварцевого песка и бентонита) зависит от многих факторов, к которым относятся: масса песка, поступившего в оборотную смесь при выбивке стержней, состав формовочной смеси и отношение массы смеси к массе металла.
На рис. 2 и в табл. 1 представлены результаты измерений зернового состава формовочной смеси с участка стального литья, которые показывают,
90
80
70
60
50
40
30
20
10
.... .............. ЛІ 1 1 1 і 11111 |ІІІІІІІ..ггт .... І I ■ 11 1 ■ |1 >П|ГП ■ ■■!■■■■■ ■!' 1 гт 1
0,01
0,1
10
100
1000
X [рт]
- 6
- 4
5 =
ГО
- з
- 2
- 1
Рис. 2. Интегральное и дифференциальное распределения зернового состава формовочной смеси с участка стального литья по результатам 3 измерений
Таблица 1
Зерновой состав формовочной смеси с участка стального литья
Размер фракций, мкм Количество фракции, об. %
менее 20 37,7
2 о 5 о 9,05
5 о 8 о 9,05
180.250 10,00
250.355 20,00
355.500 12,90
500.710 1,30
710.1000 0,00
что содержание частиц размером менее 50 мкм составляет 46,75 об. %, а содержание частиц менее 20 мкм - 37,7 об. %. Исследование смеси с участка чугунного литья показало содержание частиц размером менее 50 мкм - 44,41 об. %, а содержание частиц менее 20 мкм - 37,3 об. %.
Эти значения значительно превышают содержание пылевидной фракции в свежей формовочной смеси, что подтверждают как литературные данные [1, 2], так и проведенные измерения зернового состава исходных формовочных материалов и свежей смеси, приготовленной из них. Результаты измерений зернового состава исходных материалов показали, что в Кичигинском песке содержание частиц размером менее 50 мкм составляет 2,73 об. %, менее 20 мкм - 2,5 об. %; в Зырянов-ском бентоните частиц размером менее 50 мкм -99,42 об. %, менее 20 мкм - 84,8 об. %. В приготовленной из свежих материалов формовочной смеси (Кичигинский песок - 91 мас. %, бентонит -9 мас. %) частиц размером менее 50 мкм -22,18 об. %, менее 20 мкм - 19,6 об. % (рис. 3, табл. 2).
Таким образом, в оборотных смесях при отсутствии надлежащей подготовки их для повторного использования, содержание пылевидной фракции превышает ее содержание в свежей смеси в 2 раза.
Зерновой состав свежей смеси, по опыту российских и зарубежных предприятий, обеспечивает правильный газовый режим в форме и, при соблюдении техпроцесса приготовления смеси, необходимую прочность форм, что в свою очередь позволит получать годные отливки.
Зерновой же состав оборотных смесей участков стального и чугунного литья на ряде предприятий приводит к падению газопроницаемости и прочности ниже допустимых пределов, что отрицательно сказывается на уровне брака в цехе.
С целью снижения содержания глинистой составляющей в смесях до допустимого уровня возможно провести следующие мероприятия:
- частичное постоянное и постепенное освежение смесей чистым кварцевым формовочным песком до содержания глинистой составляющей в смеси 10.14 % (из них «активного» бентонита - 8.10 %);
- полное обеспыливание формовочной смеси с последующим введением в состав смеси свежего «активного» бентонита до необходимого уровня прочности смеси;
- полная замена формовочной смеси на смесь из свежих формовочных материалов с последующим тщательным контролем процесса переработки отработанной смеси после выбивки ее из форм.
0,01 0,1 1 10 100 1000
X [мт]
Рис. 3. Интегральное и дифференциальное распределения зернового состава формовочной смеси из свежих материалов по результатам 3 измерений
Таблица 2
Зерновой состав формовочной смеси из свежих материалов
Размер фракций, мкм Количество фракции, об. %
менее 20 19,6
20.50 2,58
45.180 1,82
180.250 3,2
250.355 20,6
355.500 35,7
500.710 15,9
710.1000 0,6
Постепенное освежение смеси в процессе ее эксплуатации займет определенное время и приведет в итоге к расходу чистого песка в количестве более 100 т, что экономически не рационально. При этом необходимо обеспечить содержание «активного» бентонита в смеси не менее 8.10 %, что может потребовать дополнительного освежения песком с целью снижения содержания «неактивного» и введения свежего бентонита;
Полное обеспыливание смеси - это трудоемкий и сложно осуществимый процесс, который приведет к удалению мелкодисперсной фракции и уменьшению количества смеси почти в 2 раза. Затем, для доведения объема смеси до необходимого количества ~33 т потребуется введение в состав задействованной смеси свежего песка в количестве ~15 т, а также бентонита до необходимого уровня прочности смеси.
В этой связи единовременная полная замена смеси в ряде случаев на свежую видится более целесообразной, так как ее проведение возможно без значительных временных и трудовых затрат и необходима только покупка свежего песка и бентонита для указанного примера в количестве порядка 33 и 3,5 т соответственно. По расценкам Ки-чигинского ГОК, затраты на песок при этом соста-
вят 57 000 руб. (при условии приобретения сухого кварцевого песка с содержанием глинистой составляющей не более 2 %), затраты на глину составят около 18 000 руб.
Были проведены исследования оборотной формовочной смеси для стального литья на дери-ватографе Раиіік (рис. 4). Ход кривой Тв показывает, что основная убыль массы (~ 4 %) происходит при нагреве до 300 °С, это связано с испарением влаги. Дальнейшая убыль массы (~ 1 %) происходит практически до 1500 °С и связана с удалением органических остатков от стержневых ХТС смесей.
Исследование на печи Марса газотворности смеси после сушки (удаления влаги) составляет 5,2 см3/г за 11 с.
Аналогичные результаты для песчано-глинистой смеси чугунного литья следующие: убыль массы после сушки 4 %, после прокалки 1,34 %, газотворность на печи Марса 7,1 см3/г за 13 с.
Результаты исследований потерь при прокаливании и газотворности после сушки показывают, что в формовочных смесях присутствует более 1 % органической составляющей, которая накапливается при совместной выбивке форм и стержней.
Убыль массы стандартных стержневых смесей при прокаливании (900 °С, 3 ч) следующая: а-зеї (отвержденная) 1,16 %, 8-зе1 (до отверждения) 2,54 %, жидкостекольная после отверждения СО2 6,6 %, жидкостекольная после тепловой сушки 2,83 %. Наименьшими потерями при прокаливании обладают холоднотвердеющие смеси со связующим на основе щелочной фенольной смолы (а-зеї и 8-8е1 процессы).
Также была исследована смесь на электронном микроанализаторе Іеоі І8М 6460 ЬУ. В смеси для стального литья наблюдался значительный разбег по зерновому составу как на микро-, так и на макроуровне.
Как показал анализ, в смесях наблюдается высокое содержание химического элемента железа, а в смеси для стального литья также натрия из-за применения стержней на жидком стекле.
Как показали исследования, на всех участках дефектных зон наблюдается высокое содержание кислорода, что говорит об окисленности металла.
Наличие в дефектах высокого содержания химического элемента кремния, а в формовочной смеси - железа, свидетельствует об участии в формировании дефектов накапливающегося в смеси фаялита 2Ге0-8і02.
Исходный состав новой формовочной смеси следующий: песок марки 3К3О203 (Кичигинский) -89.91 %, глина бентонитовая П1Т1А марки -9. 11 %, влажность - 5.7 %. Прочность на сжатие асж - 55.65 кПа, газопроницаемость > 80 ед.
При запуске свежей единой формовочной смеси используется только порошкообразный бентонит и только при достижении содержания в оборотной смеси глинистой составляющей порядка 8.12 % можно переходить на бентонитовую суспензию.
При использовании порошка бентонита приготовление (перемешивание) смеси в бегунах
должно быть в пределах 10.20 мин для достижения однородности смеси и требуемых физикомеханических свойств. Должны быть проведены опытные замесы новой смеси с целью определения параметров смесеприготовления.
При применении бентонитовой суспензии ее нужно готовить в двух миксерах. В первом бентонит выдерживают в воде примерно сутки, где происходит его набухание и он приобретает хорошие вяжущие свойства, а второй миксер - раздаточный.
Следует использовать натриевые (щелочные) бентониты, например, хакасские. При использовании Са-М^ бентонитов (Зыряновское месторождение) их обязательно следует активировать, например, кальционированной содой. Это делается в первом миксере. Контроль качества бентонитовых глин следует проводить по ГОСТ 28177-89. Рационально получать готовые активированные бентониты. Вводить соду в смеситель недопустимо.
При запуске свежей формовочной смеси необходимо оптимизировать работу магнитной сепарации, полигонального сита с целью предотвращения попадания в смеситель металлических включений и крупных спекшихся комков смеси. Температура оборотной смеси при вводе в бегуны не должна превышать 30 °С.
Балашейский сухой обогащенный песок марки 1К2О2025 целесообразно использовать только для приготовления стержней по а-8е1 и 8-зе1 процессам. Ввод его в единую формовочную смесь не рационален, так как это приводит к удорожанию смеси, снижает ее газопроницаемость, требует большего количества связующего (бентонита).
При совместном использовании ПГФ и форм и стержней на ХТС формовочная смесь будут постоянно загрязняться пылевидными и органическими отходами, что повышает газотворность смеси и снижает ее газопроницаемость. Поэтому необходима система обеспыливания оборотной сме-
си, например, за счет усиления отсоса воздухом на выбивной решетке и из полигонального сита, а также постоянное освежение оборотной смеси свежим песком в количестве 5.10 %.
В перспективе для обеспечения более высокого качества единой формовочной смеси целесообразно перейти на вихревые смесители вместо устаревших катковых.
Литература
1. Литейные формовочные материалы. Формовочные и стержневые смеси и покрытия: справ. / А.Н. Болдин и др. - М.: Машиностроение, 2006. -507 с.
2. Формовочные материалы и технология литейной формы: справ. / С.С. Жуковский и др. - М.: Машиностроение, 1993. - 432 с.
Дубровин Виталий Константинович, д-р техн. наук, профессор кафедры металлургии и литейного производства, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск); vkdubr@mail.ru.
Кулаков Борис Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой металлургии и литейного производства, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск); kul@lit.susu.ac.ru.
Карпинский Андрей Владимирович, канд. техн. наук, доцент кафедры металлургии и литейного производства, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск); karpinskiy1@mail.ru.
Дубровина Анастасия Витальевна, студент, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск); vkdubr@mail.ru.
Поступила в редакцию 28 февраля 2014 г.
Bulletin of the South Ural State University
Series "Metallurgy” ______________2014, vol. 14, no. 2, pp. 35-40
EFFECT OF RECYCLED MOULDING MIXTURE ON THE QUALITY OF CASTINGS
V.K. Dubrovin, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, vkdubr@mail.ru,
B.A. Kulakov, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, kul@lit. susu. ac.ru,
A.V. Karpinskiy, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, karpinskiy1 @ma il.ru,
A.V. Dubrovina, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, vkdubr@mail.ru
The article examines the causes of high defectiveness of castings due to lower quality of recycled molding mixture because of its poor preparation for re-use. The ways to improve the quality of sand-clay moulds and castings are proposed.
Keywords: casting mould, castings, defects, recycled moulding mixtures.
References
1. Boldin A.N. et al. Liteynye formovochnye materialy. Formovochnye i sterzhnevye smesi i pokrytiya. Spra-vochnik [Foundry Moulding Materials. Moulding and Core Mixes and Coatings. Handbook]. Moscow, Mashino-stroenie Publ., 2006. 507 p.
2. Zhukovskiy S.S. et al. Formovochnye materialy i tekhnologiya liteynoy formy. Spravochnik [Moulding Materials and the Technology of Casting Mould. Handbook]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1993. 432 p.
Received 28 February 2014
