Бентонит в литейном производстве

Каждое отдельно взятое литейное производство неповторимо в своем содержании и технологической структуре и нуждается в материалах, четко соответствующих особенностям производственного процесса именно на этом конкретном предприятии. Поэтому следует вначале хотя бы вкратце акцентировать внимание на особенностях тех или иных способов производства песчано-глинистых форм для литья.

Для сырых песчано-глинистых форм экономически наиболее эффективным связующим и термопротекторным материалом является бентонит. В СССР общий объем использования бентонита в 1960 г. составлял всего около 1000 т. и он использовался главным образом для противопригарных покрытий, но уже в 1982 г. его потребление в литейном производстве превысило 370 тыс. т.

применение бентонита в литейном производстве

В странах СНГ для нужд литейного производства в настоящее время потребляется около 15% всего используемого в них бентонита, тогда как в Европе этот показатель составляет более 50%. Основная часть бентонита у нас находит применение в нефтегазодобывающей промышленности и черной металлургии (изготовление железорудных окатышей), что отражает сырьевую специализацию производства постсоветских стран и низкий уровень развития машиностроения в них.

Несмотря на тенденцию к распространению химически твердеющих смесей для изготовления форм, обеспечивающих повышение размерной точности и качества отливок, сырая песчано-бентонитовая форма имеет широкую область применения. В массовом производстве деталей весом от первых килограммов до первых сотен килограммов и при производительности несколько сот форм за смену (автомобильное литье) сырая песчано-бентонитовая форма остается вне конкуренции .

Доля литья, получаемого в сырых формах, составляет в Японии - 40%, Германии - 40% , Англии - 39%, Франции - 39%. Более свежие данные маркетинговых исследований фирмы "IKO Minerals GmbH" свидетельствуют, что в общем объеме выпуска литья промышленно развитых стран 65-70% стальных и чугунных отливок мелкого и среднего развеса производится в формах из песчано-глинистых смесей и эта тенденция сохранится в будущем. Расход бентонита на изготовление 1 т. отливок из чугуна в настоящее время составляет 60-90 кг, а из стали - 90-120 кг.

За последние два десятилетия в Европе огромное внимание было уделено технологии производства отливок в сырых песчано-глинистых формах, что привело к значительному совершенствованию формовочного оборудования, а также методов уплотнения формовочной смеси. В результате стало возможным и в песчано-глинистых формах производить отливки геометрически точные, сложной конфигурации. Совершенствование методов изготовление моделей открыло новые возможности их проектирования и производства. Все эти факторы обеспечили возможность производства в песчано-бентонитовых формах отливок многофункционального назначения, в конструкциях которых присутствуют очень тонкие стенки. В результате всех этих изменений возросли и требования, предъявляемые к формовочной смеси.

В литейном производстве используются песчано-глинистые смеси для формовки, как по-сырому, так и по-сухому. В сырых формах изготавливают в основном небольшие и преимущественно тонкостенные отливки в массовом производстве. При использовании высококачественных формовочных материалов в сырых формах можно отливать и достаточно крупные детали: чугунные массой до 1 500 кг и стальные - до 800 кг. Но обычно для этого применяют технологии формовки на органических или жидкостекольных связующих.

При изготовлении отливок значительной высоты или сложной конфигурации, с выступающими частями, сырая форма не в состоянии противостоять давлению большой массы заливаемого металла. В этом случае применяют сухие песчано-глинистые формы. Необходимость сушки для повышения прочности формы приводит к снижению производительности литейного участка и удорожанию литья за счет этого фактора.

Смеси для сухих форм отличаются от смесей для сырых форм следующим:

  • более высоким содержанием глины;

  • вместо бентонита применяют огнеупорную глину;

  • глина вводится в смесь как правило в виде суспензии;

  • используется более крупный песок;

  • противопригарные добавки не вводятся в смесь, а наносится противопригарная краска на подсушенную форму.

Сухая формовка в сравнении с сырой обеспечивает гораздо более высокую прочность формы, но в то же время обладает рядом существенных недостатков, а именно:

  • регенарация отработанной смеси требует больших затрат и дополнительного измельчающего оборудования в сравнении с формовкой по-сырому;

  • длительный цикл производства из-за необходимости сушки,

  • сложность, а порой и невозможность механизации;

  • высокая трудоемкость уплотнения и изготовления формы;

  • ниже размерная точность из-за усадок формы при сушке;

  • необходимость высокой квалификации кадров.

Важно также акцентировать внимание на том, что формовка по-сырому требует очень точного соблюдения технологического режима подготовки смеси, тогда как формовка по-сухому не столь требовательна к технологической дисциплине. Не в последнюю очередь из-за этого фактора в странах СНГ часто применяется именно формовка по-сухому с применением глинистой суспензии, чем и предопределено более низкое удельное потребление бентонита на тонну готовых отливок по сравнению с ведущими литейными странами.

бентонит в литейном производстве

Однако здесь нужно также акцентировать внимание на том, что формовка по-сырому не может заменить полностью формовку по-сухому. К примеру, литье сплавов, увеличивающихся в объеме, при кристаллизации требует жесткости формы, которую не может обеспечить сырая форма. Но нужно принимать во внимание сегодняшние тенденции глобализации мировых экономических процессов, под воздействием которых неизбежно будет реализоваться стремление к более широкому применению технологических процессов, обеспечивающих более высокую производительность. И в этом плане формовка по-сырому выглядит более привлекательной, как более производительная технология и поэтому более приемлемая для массового производства. Именно поэтому следует ожидать роста спроса на качественные расходные материалы для формовки по-сырому.

На литейных предприятиях стран СНГ для производства сухих и сырых песчано-глинистых форм часто используется огнеупорная глина каолинит-иллитового состава типа дружковской или часовярской, а также практикуется ввод глинистого вяжущего в смесь в виде суспензии, а не в порошкообразном виде, как это принято на высокотехнологичных современных литейных производствах.

Практика применения бентонита в виде суспензии, а не порошка, обусловлена тем, что в 50-60-х годах прошлого века в СССР не было организовано централизованного производства бентопорошка в достаточных количествах. А огнеупорная иллит-содержащая глина, широко используемая в литейных цехах в СССР в 60-70-х годах, действительно дает лучшие показатели формовочной смеси при условии ее предварительного замачивания и подачи в смеситель в виде суспензии. Поэтому в настоящее время в литейных цехах и при работе на бентоните нередко используются отработанные полвека тому назад технологические схемы.

Предварительное замачивание огнеупорной глины целесообразно, поскольку позволяет достичь более высокой прочности сухой формы. Но применение суспензии бентонита для приготовления сырых форм на автоматических линиях вряд ли можно считать целесообразным, поскольку при этом нет увеличения сырой прочности смеси, но становится более проблематичным достижение стабильности насыпного веса и формуемости смеси, что очень часто является причиной брака.

Главное преимущество формовки по-сырому заключается в том, что при ее применении сокращаются производственный цикл, так как в этом случае не нужна сушка. Сразу же после выбивки формовочная смесь подвергается регенерации и поступает снова в систему смесеприготовления. Таким образом, технология литья в сырые песчано-глинистые формы более предпочтительна для массового производства, тогда как сухая форма более соответствует условиям единичного и мелкосерийного производства.

К преимуществам сырых песчано-бентонитовых смесей относятся:

  • высокая производительность формовочных линий при работе на песчано-бентонитовых смесях;

  • легкая выбиваемость отливок из формы;

  • содержания глинистой составляющей, необходимой для получения заданной прочности смесей, в 2-2,5 раза ниже по сравнению с содержанием огнеупорной глины, что обеспечивает большую газопроницаемость и огнеупорность формы;

  • повышение стойкости формы против образования ужимин;

  • повышение чистоты поверхности и размерной точности отливок;

  • повышение текучести смеси и, как следствие, снижение затрат энергии на уплотнение.

В технологии песчано-глинистой формы особое значение имеют три взаимосвязанных показателя формовочных смесей - прочность во влажном состоянии, газопроницаемость и влажность. Нельзя увеличить прочность формы за счет увеличения глиносодержания, так как при этом резко снизится газопроницаемость и влажность формы, что приведет к образованию газовых раковин. Поэтому следует стремиться к использованию высококачественных бентонитовых глин, обеспечивающих требуемую прочность при минимальном количестве глины.

Формовка по-сырому с успехом может применяться для широкого ассортимента отливок, но для этого смесь должна готовиться из качественных и хорошо подготовленных материалов (тонко размолотые глины, каменный уголь и др.) и должен быть тщательный лабораторный контроль качества смесей. Должна соблюдаться строгая технологическая дисциплина в части соблюдения следующих параметров при подготовке смеси:

  • колебания влажности смеси должны быть минимальны, ± 0,1-0,2%;

  • оборотная смесь должна быть предварительно охлаждена, поскольку только за счет этого можно поднять прочность на 20-25% при прочих равных условиях;

  • смесь должна быть тщательно перемешана.

К сожалению, на большинстве литейных предприятий в смесеприготовительных цехах отсутствует аппаратура автоматического контроля влажности и насыпного веса смеси, горелая земля подается с высокой и не всегда одной и той же температурой, а качество перемешивания оставляет желать лучшего. Без решения этих вопросов использование высококачественных бентонитовых связующих не даст должного результата. Еще в 1957 г. отмечено: "Проведенные выше испытания доказывают, что глинистые смеси при низкой температуре развивают более высокую прочность, чем при более высокой. Из этого следует, что в цеховых условиях при изготовлении смеси нужно применять, возможно, более остывшую отработанную землю".

Проблемы использования высококачественного бентонита в формовочных смесях чем-то сходны с проблемами автомобилистов: используя высококачественный бензин, но, не отрегулировав карбюратор и зажигание - нечего ожидать высокой экономичности двигателя.

Большинство месторождений бентонитов СНГ являются кальциевыми и нуждаются в улучшении свойств путем активации содой. Благодаря этому увеличиваются прочностные свойства смеси, термостойкость бентонита и способность смеси противостоять образованию ужимин. Нередко соду вводят непосредственно в бегуны при приготовлении формовочной смеси на литейном производстве. Однако накапливаемое в смеси избыточное количество соды резко снижает термохимическую стойкость смеси и вызывает пригар на отливках. Во избежание этого, добавки соды с целью активации кальциевого бентонита должны вводиться еще до производства глинопорошка, в сырую бентонитовую глину при интенсивном перемешивании, что обеспечивает лучшее взаимодействие соды с бентонитом и минимальное ее содержание в свободном виде в бентопорошке. Именно такая схема активации содой реализована на ОАО "Завод утяжелителей".

Повышение качества отливок в сырых формах может быть достигнуто путем введения в формовочную смесь специальных добавок, регулирующих те или иные свойства смеси. Добавки, вводимые в сырые песчано-бентонитовые смеси, могут быть классифицированы следующим образом:

  • противопригарные;

  • противоужиминные;

  • улучшающие технологические свойства смеси, такие как формуемость, уплотняемость, текучесть;

  • стабилизирующие влажность формовочной смеси.

Традиционной и наиболее распространенной антипригарной добавкой для чугунного литья является молотый каменный уголь. Добавки каменноугольного порошка в формовочную смесь позволяют получить отливки с чистой, без химического пригара, качественной поверхностью. Их действие основано на разложении каменного угля, образовании восстановительных углеводородных газов, при разложении которых образуется пиролитический (блестящий) углерод, который не смачивается расплавленным металлом. Он покрывает тонким слоем поверхность зерен песка, изолируя форму от отливки. Молотый уголь вводится в формовочную смесь в количестве, зависящем от его способности выделять блестящий углерод, а также от толщины стенок отливок и их массы. В настоящее время используется много заменителей каменного угля, но полной его замены пока не отмечается.

Для борьбы с ужиминами в смесь обычно вводятся добавки древесной муки и крахмалита. В США наиболее распространенным способом борьбы с образованием ужимин является повышение содержания натриевого бентонита в смеси. Свести к минимуму риск образования ужимин также можно путем подбора оптимального режима активации кальциевого бентонита содой, а также подбором каменного угля с определенной температурой размягчения.

Для улучшения технологических свойств формовочной смеси в ее состав вводят ПАВы. Это позволяет сократить расход бентонита, время перемешивания смеси, брак форм и отливок, улучшает качество поверхности отливки.

Для стабилизации влажности на автоматических формовочных линиях в смеси обычно вводят набухающие крахмалы в количестве до 0,5% - крахмалит. Это позволяет также улучшить отпечаток модели, повысить прочность смеси при сжатии, прочность в зоне конденсации влаги, предохранить кромки от обсыхания, а также улучшает выбиваемость отливок из форм.

Чрезвычайно важным показателем смеси является её насыпной вес, который связан с уплотняемостью и влажностью. Высокая уплотняемость смеси ведет к повреждению формы при вытяжке модельной плиты даже при небольшом износе деталей формовочной машины. Попытки устранить этот вид брака путем изменения влажности смеси приводят к возникновению сильного пригара из-за недостаточного уплотнения смеси в глубоких "карманах" модели.

Таким образом, для получения качественной формы нужно сбалансировать состав формовочной смеси путем ввода корректирующих добавок с учетом особенностей применяемого бентонита и песка. Это зачастую невозможно в условиях смесеприготовления в литейных цехах. Поэтому в Европе для сырых песчано-глинистых форм уже давно используют комплексные связующие на основе бентонита, в состав которых необходимые добавки вводятся не непосредственно в процессе приготовления смеси в формовочном цехе, а централизовано в процессе производства бентопорошка на специализированном предприятии. Их применение снижает удельный расход формовочных материалов, обеспечивает стабильные свойства смеси, необходимые для работы автоматических линий.