Влияние неорганических добавок на выбиваемость НСС

2.3. Влияние неорганических добавок на выбиваемость НСС

Выбиваемость НСС улучшается при снижении содержания жид­кого стекла, повышении его модуля и увеличении содержания ферро­хромового шлака, благодаря повышению температуры плавления жидкостекольно-шлаковой композиции и увеличению ее вязкости.

Добавка шлака улучшает выбиваемость НСС, поскольку при этом повышается температура плавления жидкостекольно-шлаковой ком­позиции (рис. 24). Однако содержание феррохромового шлака более 5% ведет к уменьшению текучести смеси и снижению ее прочнос­ти, особенно поверхностной. Уменьшение количества жидкого стекла ниже 6% также ведет к снижению конечной прочности НСС. Поэтому для получения НСС с удовлетворительной выбиваемостью необходимо строго дозировать состав НСС, особенно количество жидкой компо­зиции.

Рис.24.Влияние содержания шлака на температуру начала(1) и конца(2)плавления жидкостеколь-но-шлаковой композиции.

Удовлетворительная выбиваемость НСС наблюдается при содер­жании в смеси не более 6,0—6,5% жидкого стекла с модулем не

менее 2,7 и плотностью (1,48—1,52) • 10³ кг/м³ или 8—8,5% жидкостекольной компози­ции с плотностью (1,29—1,31) • 10³ кг/м³ при содержании феррохромового шлака не менее 4—5%.

Из рис. 25 видно, что выбиваемость значительно улучшается с по­нижением плотности НСС и уменьшением температуры прогрева. Хорошая выбиваемость НСС наблюдается при плотности (1,0–1,1)´ 10³ кг/м³ и температуре прогрева не более 600° С. Однако для по­лучения достаточной прочности 1,5–3,0 кгс/см², или (14,7–29,4)´ 10⁴ Па, через 1 ч плотность НСС необходимо выдерживать в пре­делах (1,3–1,4)´10³ кг/м³.

Чтобы улучшить выбиваемость НСС, как уже указывалось, необ­ходимо вводить в нее добавки. Многие неорганические добавки улуч­шают выбиваемость НСС при прогреве до 700–1200°C, однако мак­симального эффекта можно добиться при прогреве до 800–900° С. Улучшение выбиваемости при этом обусловлено, в основном, повыше­нием температуры плавления и вязкости жидкостекольно-шлаковой композиции. Исследования, проведенные в КПИ и другими авто­рами, показали, что из неорганических добавок лучшие результаты по улучшению выбиваемости НСС дают оксид и гидроксид алюминия (2,0–2,5%), алюминиевая пудра (0,5–0,6%), а также фосфоритная мука, шамот, вспученный перлит и вермикулит (по 1%). Однако при вводе неорганических добавок выбиваемость НСС улучшается мало, так как в смесь нельзя ввести необходимое количество добавки (3–5%) из-за сильного снижения текучести, а в некоторых случаях и ухудшения прочности смеси. Поэтому перед вводом в НСС неорганические добавки следует подвергать специальной обработке.

Известно, что глина улучшает выбиваемость НСС. Добавки в НСС пятихатской глины, обожженной при 700°C, резко уменьшает работу выбивки стержней из стальных и чугунных отливок (табл. 8).

Из-за резкого снижения текучести содержание глины в НСС не превышает 1,0%. Такое количество глины не оказывает существенного влияния на выбиваемость НСС. Перед вводом в НСС большего (>3–4%) количества глины её необходимо предварительно обработать СДБ, инден-кумароновой смолой, мазутом или прокалить при 700–750°С. Обработанная таким образом глина в количестве 3–4% улучшает выбиваемость НСС в интервале температур 400–1200°С, поэтому ее можно рекомендовать в качестве добавки для улучшения выбиваемости НСС из чугунных и стальных отливок.

Таблица 8

Влияние добавки отожжённой глины на выбиваемость НСС

Сплав	Работа выбивки стержней, Дж, при содержании глины и НСС, %
	―	2	4	6	8
Сталь Чугун	161,40 52,90	102,60 32,64	10,08 4,47	9,00 1,02	3,84 0,97

 

.

2.4. Влияние органических добавок на выбиваемость НСС

Большинство органических добавок снижает прочность НСС после прогрева до 800°C и заметно улучшает выбиваемость НСС из чугунных отливок[2,7]. Наиболее рациональными и экономичными следует считать следующие добавки: древесные опилки (0,6–1,0%), древесный пек или крепитель ДП (1,0–1,5%), каменный уголь или кокс (1,5–2,0%) и др. При большем содержании этих добавок снижается текучесть НСС. Чтобы уменьшить влияние опилок на текучесть НСС, их необходимо замачивать в воде в соотношении 1 : 1, а еще лучше — в воде с добав­кой 0,025% ПАВ. При этом в НСС вводится соответственно меньшее количество воды и ПАВ. Лучшие результаты получают при добавле­нии опилок с размерами ситовой фракции около 2 мм. Выбиваемость НСС при прогреве до 700–800°C улучшается также, если добавить к ней 0,5–1,0% патоки; 1,0–1,5% торфа; 1,5–2,0% графита; 0,7–1,0% твердой СДБ и др.

Из добавок, которые существенно не влияют на текучесть и проч­ность НСС, но улучшают выбиваемость, следует отметить гидрол производства Верхнеднепровского крахмало-паточного завода и Бесланского (Северная Осетия) маисового комбината. Гидрол Бесланского комбината перед вводом в НСС необходимо нейтрализо­вать.

Влияние добавки гидрола на выбиваемость НСС после нагрева до различных температур показано в табл. 9.

Из таблицы видно, что добавка гидрола улучшает выбиваемость НСС при прогреве их до температуры не выше 800°C, поэтому гидрол заметно улучшает выбиваемость НСС только из чугунных отливок.

Новолачные смолы (№ 15, 18, 76, 104, 180, пульвербакелит, идитол и др.) улучшают выбиваемость НСС лишь при прогреве до 800° С. При прогреве выше этой температуры выбиваемость НСС резко сни­жается. Поэтому добавка новолачных смол улучшает выбиваемость НСС лишь из чугунных отливок. Выбиваемость НСС из стальных от­ливок улучшается только при добавке идитола.

Резольные смолы (№ 214, 236, 228 и др.) при добавке их 0,3–0,5% резко уменьшают работу выбивки при нагреве НСС до 1200°C, т. е. они эффективны для улучшения выбиваемости НСС как из чугунных, так и из стальных отливок. Однако эти смолы снижают текучесть сме­сей.

Таблица 9

Влияние добавки гидрола на выбиваемость НСС

Добавка гидрола, %	Работа выбивки, Дж
	после нагрева до температур, °C							Из отливок
	20	200	400	600	800	1000	1200	Чугуна	стали
— 1 2 3 5	2,2 2,2 2,2 2,2 2,2	1,8 1,6 1,8 2,2 2,8	1,4 1,2 1.5 1,8 2,0	1,6 1.0 0,8 0,6 0,5	2,2 1,0 0,8 0,7 0,7	3,2 1,8 1,5 1,4 1,3	5,0 2,8 2,5 2,2 2,0	10—12 7,0 5,0 3,0 1,0	20—25 18 16 13 12

 

Полихлорвиниловая смола (ПВХ-С60) снижает прочность НСС при прогреве до 1000–1200°C, а поэтому также улучшает выбиваемость из чугунных и стальных отливок.

Из продуктов коксохимического производства особого внимания заслуживают инден-кумароновые, стирольно-инденовые и каменно­угольные смолы. Влияние инден-кумароновых смол на выбиваемость и другие свойства НСС после нагрева до различных температур пока­зано в табл. 10 и 11.

Из табл. 10 видно, что все инден-кумароновые смолы резко снижа­ют прочность НСС при прогреве до 1000°C и только при 1200°C работа выбивки несколько увеличивается. Поэтому инден-кумароновые смолы улучшают выбиваемость стержней из НСС из стальных отливок.

Таблица 10

Влияние добавки инден-кумароновой смолы на выбиваемость НСС

Марка инден-кумаро- новой молы	Добавка смолы, %	Работа выбивки, Дж, после нагрева до температур, °C
		20	200	400	600	800	1000	1200
НСС без смолы	—	2,2	1,6	1,4	1,8	2,2	3,2	5,0
B\I	0,3 0,5	2,2 2,2 2,2	0,7 0,4 0,1	0,4 0,2 0,1	0,2 0 0	0,2 0 0	0,4 0,2 0,1	0,6 0,4 0,3
Д/IV	0,3 0,5 1,0	2,2 2,2 2,2	1,0 0,5 0.3	0,6 0,4 0,1	0,5 0,3 0,1	0,5 0,3 0,1	0,6 0,4 0,2	0,8 0,7 0,6
Д/V	0,3 0,5 1,0	2,2 2,2 2,2	1,0 0,7 0,5	0,8 0,5 0,3	0,6 0,5 0,3	0,6 0,5 0,3	0,8 0,8 0,6	1,0 0,9 0,8

Таблица 11

Влияние добавки инден-кумароновой смолы на свойства НСС

Марка инден-кумароно­вой смолы	Добавка смолы, %	Текучесть, мм	Устойчивость пены,мин	Прочность на сжатие, кгс/см2 (9.8-104 Па), через, ч
				1	24
НСС без смолы	—	110	8—10	2,0	6,0
В/I	0,3 0,5 1,0 1,5 2,0	110 108 108 106 105	8 7 8 8 7	2,0 2,0 2,2 2,2 2,5	6,0 6,0 6,2 6,5 6,5
Д/IV	0,3 0,5 1,0 1.5 2,0	112 110 110 108 106	8 7 7 8 7	2,0 2,0 2,0 2,2 2,0	6,0 6,0 6,5 6,2 6,0
Д/V	0,3 0,5 1,0 1,5 2.0	110 110 110 108 106	8 8 8 7 7	2,0 2,0 2,0 2,2 2,2	6,0 6,0 6,2 6,2 6,5

Стерж­ни из НСС при добавке смолы B/I в количестве 1,0% высыпались из отливки. Преимуществом инден-кумароновых смол является также и то, что при добавке до 2% они практически не влияют на текучесть, прочность и другие технологические свойства НСС (см. табл. 11).

Резкое улучшение выбиваемости НСС при добавке инден-кума­роновых смол объясняется выделением при нагреве значительного количества сажистого углерода, который распределяется в жидкостекольной композиции и поэтому снижает прочность смеси. Разло­жение этих смол при нагреве подробно рассматривается в работах Д. М. Колотило.

Инден-кумароновые смолы выпускаются коксохимзаводами по ГОСТ 9263—66.

Хорошие результаты по улучшению выбиваемости НСС получены при добавке в смесь каменноугольной смолы марки B (ГОСТ 4492– 65) (табл. 12).

Для улучшения выбиваемости обычных быстротвердеющих жидкостекольных смесей добавляют мазут. Впервые он был применен на Коломенском заводе тяжелых станков.

Способ улучшения выбива­емости НСС добавкой мазута привлекает своей дешевизной, простотой и удобством дозирования. Однако попытки многих литейщиков применить мазут для улучшения выби­ваемости НСС оказывались безуспешными, поскольку не все его марки пригодны для этой цели: при вводе 0,1–0,3% мазута резко уменьша­лась устойчивость пены, а жидкая подвижность НСС исчезала еще в смесителе.

 

Таблица 12

Влияние добавки каменноугольной смолы на выбиваемость НСС

Добавка каменно-угольной смолы, %	Работа выбивки, Дж
	после нагрева до температуры, °C							Из отливок
	20	200	400	600	800	1000	1200	Чугуна	стали
― 0,5 1,0 2,0	2,2 2,2 2,2 2,2	1,6 2,4 3,0 4,0	1,4 1,5 1,5 2,8	1,8 0,8 0,8 1,0	2,2 1,3 0,6 0,2	3,2 1,8 1,4 0,6	5,0 2,6 2,2 1,7	10–12 1,0 0,5 0,2	20–25 17,0 7,0 1,5

В связи с этим в КПИ было изучено влияние различных марок ма­зута на технологические свойства НСС. Известно, что на нефтепере­рабатывающих заводах разделяют нефть на составляющие в зависимос­ти от температуры кипения (конденсации) последних. Полученный в результате перегонки нефти мазут является полупродуктом и носит название прямогонного или мазута ABT (от названия установки — атмосферно-вакуумно-трубчатая). При крекинге мазута образуется крекинг-остаток, часть которого используется как товарный мазут, а часть — для получения нефтяного кокса.

Согласно ГОСТ 10585 — 65, товарный мазут как топливо выпуска­ется следующих марок: флотский (Ф5 и Ф12); топочный (40, 100 и 200) и для мартеновских печей (МП). Основной частью мазута любой марки является прямогонный мазут, крекинг-остаток либо их смесь. Мазуты различных марок различаются, в основном, вязкостью, температура­ми вспышки и застывания, теплотой сгорания. Содержание в мазуте керосина, газойля, солярной фракции и других примесей ГОСТом не регламентируется. На многих заводах в мазут для снижения темпе­ратуры застывания, уменьшения вязкости и др. вводят керосин, га­зойль и другие составляющие.

Нефтепродукты по-разному влияют на свойства НСС. Например, керосин, газойль, соляровая фракция резко уменьшают текучесть НСС даже при добавке их в очень малом количестве (0,1%). В то же время прямогонный мазут и крекинг-остаток можно вводить в НСС в коли­честве до 3% без значительного изменения текучести смеси. Это обусловлено большой молекулярной массой прямогонного мазута и кре­кинг-остатка по сравнению с легкокипящими нефтепродуктами я вследствие этого малой способностью его к гашению пены.

Исследования изменения поверхностного натяжения жидкостекольной композиции с ДС-РАС при добавке к ней различных нефте­продуктов показали, что при добавке керосина ее поверхностное на­тяжение растет с 32 . 10-³ Н/м до 41 . 10-³ Н/м, тогда как при до­бавке мазута оно сохраняется практически постоянным. Поэтому в НСС можно вводить прямогонный мазут, крекинг-остаток или их смесь которые не загрязнены легкокипящими нефтепродуктами в НСС нельзя добавлять мазут Ф5, который согласно ГОСТу содер­жит не менее 20% керосино-газойлевой фракции.

В КПИ исследовано влияние на свойства НСС мазутов разных марок, выпускаемых Одесским, Херсонским, Кременчугским На-дворнянским, Дрогобычским, Новокуйбышевским и Ухтинским (Коми) нефтеперерабатывающими заводами. Исследования по­казали, что мазуты марки 40, выпускаемые Одесским, Херсонским Дрогобычским и Надворнянским заводами, из-за содержания в них керосина, соляровой фракции и др., не пригодны для улучшения выбиваемости НСС, так как быстро гасят пену и резко снижают текучесть смеси. Прямогонный мазут и крекинг-остаток указанных заводов впол­не пригодны для ввода в НСС с целью улучшения выбиваемости по­скольку не содержат легкокипящих фракций. В табл. 13 показано влияние различных марок мазута Одесского нефтеперерабатывающего за­вода на свойства НСС.

При добавке 2–3% прямогонного мазута или крекинг-остатка НСС сохраняет хорошую текучесть, высокую прочность.

Таблица 13

 

Влияние добавки мазута на свойства НСС

Марка мазу­та или вид	Добавка мазута в НСС, %	Теку­честь , мм		Устой- чи­вость пе­ны, мин	Прочность, кгс/см2 ( 8*104 Па)		Газопроница- емость, ед.
					1 ч	24 ч	1 ч	24 ч
40 40	0,5 1,0	90                                  6–7 Смесь не течёт			3,5 ―	9,5 —	102 —	275 —
Прямо- гонный	0,5 1,0 2,0 3,0	100 100 100 90	13 11 8 5		1.8 1.7 1.8 2,5	7,0 8,7 10,0 12 ,0	42 46 80 90	326 398 400 500
Крекинг Остаток	0,5 1,0 2,0 3,0	105 100 100 90	10 8 9 4		1,8 2,5 1,9 3,0	5,0 6,1 6,7 12,0	10 55 67 50	610 610 540 610

Хорошие результаты дает мазут марки 100, выпускаемый Кре­менчугским, Ухтинским и Новокуйбышевским заводами. Мазут марки 100 Кременчугского завода представляет собой обычный прямогонный мазут и его можно вводить в НСС до 3%. При этом текучесть НСС вполне удовлетворительная, прочность высокая (2,0—3,5 кгс/см², или (19,6—34,6) • 10⁴ Па через 1 ч) и газопроницаемость хорошая (60—80 ед. через 1 ч и 500—700 ед. через 24 ч после заливки).

Мазут марки 100, а также прямогонный мазут и крекинг-остаток Ухтинского завода можно вводить до 4% без заметного ухудшения текучести и других свойств НСС, поскольку они не содержат легкокипящих примесей.

В табл. 14 показано влияние количества мазута на выбиваемость НСС.

Из таблицы видно, что мазут резко улучшает выбиваемость НСС, даже при прогреве смеси до 1200° С.

При введении органических добавок выбиваемость НСС в большой мере зависит от количества сажистого углерода, образующегося из

Таблица 14

Влияние добавки мазута на выбиваемость НСС

Добавка мазута, %	Работа выбивки, Дж, при нагреве НСС до температуры, °C
	20	200	400	600	800	1000	1200
― 0,5 1,0 2,0	2.2 2,2 2,2 2,2	1,8 3.0 4.0 6,0	1,4 2,4 2,0 1,8	1,6 2,0 1,5 1,3	2,2 1,5 1,0 0,8	3,2 2,0 1.5 0,7	5,2 2,5 1,7 0,7

этой добавки при нагреве смеси. Добавки, выделяющие большое коли­чество сажистого углерода (инден-кумароновые смолы, мазут и др.), улучшают выбиваемость намного больше, чем углерод - содержащие до­бавки, образующие меньше сажистого углерода.

Такое влияние сажистого углерода подтверждают также опыты, при которых в НСС вместе со смолами вводили окислитель – нитрат аммония. Окислитель уменьшал количество сажистого углерода, вследствие чего выбиваемость ухудшалась. Размер частиц и рас­пределение образовавшегося сажистого углерода оказывают большое влияние на выбиваемость НСС. Например, при вводе 0,25% сажи вы­биваемость НСС составляла около 17 Дж, тогда как при вводе 0,5% инден-кумароновой смолы, из которой образуется тоже примерно 0,25% сажистого углерода, выбиваемость составляет лишь 1 Дж.

Количество выделяющегося при нагреве сажистого углерода за­висит от строения вводимых в НСС органических веществ и возрастает с увеличением молекулярной массы и при переходе от линейного к цик­лическому строению молекулы вещества. Так, инден-кумароновые смолы, молекулы которых имеют два бензольных кольца, образуют 40–45% сажистого углерода, а синтетические смолы, молекулы ко­торых имеют одно бензольное кольцо – 25­­–30 процентов.

При нагреве фенолоформальдегидных смол количество выделяюще­гося сажистого углерода и влияние смол на выбиваемость НСС зависят от количества находящегося в них фенола. Чем больше в них фенола, тем больше образуется сажистого углерода и тем лучше выбиваемость НСС. Рассмотренные выше резольные смолы (№ 228, 214 и др.) содер­жат больше связанного фенола, поэтому выделяют при нагреве больше сажистого углерода и больше улучшают выбиваемость НСС по срав­нению с новолачными смолами (№ 15, 104 и др.).

По механизму действия на улучшение выбиваемости НСС органи­ческие вещества можно разделить на три группы.

 К первой группе можно отнести вещества, воздействие которых на выбиваемость смеси связано с выделением при нагреве большого коли­чества газов, например, древесные опилки с окислителем. Такие до­бавки эффективны при нагреве НСС не выше 700–720° С. При более высокой температуре поры в расплавленной композиции завариваются и выбиваемость НСС не улучшается. Вещества первой группы улуч­шают выбиваемость НСС только из чугунных отливок.

Во вторую группу входят вещества, которые при нагреве не претер­певают агрегатных изменений и в которых после нагрева до 1200°C коксовый остаток составляет 90–95%. К веществам данной группы от­носятся черный и серебристый графит, нефтяной и каменноугольный кокс и др. Вещества этой группы улучшают выбиваемость НСС в ос­новном из чугунных отливок и лишь незначительно из стальных.

 К третьей группе относятся вещества, образующие при нагреве значительное количество сажистого углерода, который, распределя­ясь в НСС, препятствует спеканию пленки композиции. В зависимости от количества выделяющегося при 1200°C сажистого углерода веще­ства третьей группы, в свою очередь, можно разделить на три под­группы.

В первую подгруппу входят вещества, выделяющие до 20% сажистого углерода (торф, патока, гидрол и др.). Они эффек­тивно улучшают выбиваемость НСС из чугунных отливок при прогре­ве смеси до 700–720° С.

Ко второй подгруппе относятся вещества, которые вы­деляют 20—30% сажистого углерода (смолы № 74 и 104, древесные опилки и др.). Они значительно улучшают выбиваемость НСС из чу­гунных отливок и в некоторой степени и из стальных (при нагреве НСС не более 1000–1200° С).

Вещества третьей подгруппы выделяют более 30% са­жистого углерода и эффективно улучшают выбиваемость НСС как из чугунных, так и из стальных отливок. К этой группе относятся смолы инден-кумароновая, стирольно-инденовая, каменноугольная, № 236, мазут и др.