О проблемных вопросах применения фурановых технологий в ХТС.

Фурановые ХТС используются в мировом литейном производстве более 60 лет. Формообразование на основе фурановых ХТС заменяет собой старые традиционные технологии, прежде всего песчано-глинистые и жидкостекольные.

Комплекс преимуществ фурановых технологий подробно описагн и обоснован во множестве публикаций зарубежных и отечественных авторов. Напомним кратко важнейшие из них:

  • отсутствуют специальные отделения  для приготовления смеси;
  • исходные материалы подаются на участок формообразования непосредственно в емкости смесителей периодического или непрерывного действия необходимой производительности;
  • формы из ХТС уплотняются на вибростолах при очень экономных энергозатратах;
  • в составах ХТС расход свежего песка составляет 10-20%, остальное (90-80%) – регенерат;
  • формы не подвергаются тепловой сушке, благодаря чему экономятся энергоносители;
  • отливки, изготовленные в формах из ХТС, характеризуются высокой размерной и весовой точностью и чистыми, гладкими поверхностями, благодаря чему снижается трудоемкость очистки и обрубки литья;
  • при исполнении фурановых технологий можно  использовать упрощенную технологическую оснастку, в частности универсально-сборные опоки, которые позволяют выполнять минимально необходимую толщину формы между телом отливки и стенками опок. Это сокращает расход смеси и положительно сказывается на экономаке;
  • сочетание форм из фурановых ХТС с их окрашиванием  быстросохнущими красками делает эту технологию высокооперативной и динамичной;
  • благодаря компактному расположению всего комплекса оборудования значительно сокращаются производственные площади.

 

В 70-80-х годах прошлого века эта технология была внедрена во многих производствах. В те годы фурановые технологии использовались главным образом при изготовлении стержней. Формы же изготавливались по традиционным технологиям формообразования: из песчано-глинистых смесей в сочетании с их тепловой сушкой, из обычных  жидкостекольных смесей, жидких (ЖСС) и пластичных (ПСС) самотвердеющих смесей.

Высокая культура производства  литья в формах из фурановых ХТС, высокое качество отливок, которое  несут в себе эти технологии, в  то время еще не  овладели умами литейщиков страны.

Реальное применение этих технологий в сочетании с импортным высокотехнологичным оборудованием началось 5-7 лет тому назад.

Применение этих технологий наряду с положительным началом выявило также ряд проблемных вопросов, над которыми надо работать и которые надо решать.

1. О РЕГЕНЕРАЦИИ ОПТРАБОТАННОЙ ХТС

Представители фирм, рекомендующие технологию ХТС и оборудование для нее, утверждают, что эта технология позволяет использовать в составе смеси 95 % регенерата и лишь 5 % свежего кварцевого песка. Это далеко не так. Опыт производств, свидетельствует, что эти цифры значительно отличаются и с натяжкой соответствуют 75-80% и 20-25% соответственно.

Заложенная в эти технологии механическая регенерация  не обеспечивает  удаления из отработанной смеси образовавшихся вредных примесей, в частности коксика, содержание которого достигает 1,3% и более, а так называемый регенерат имеет черный цвет. С этим можно как-то мириться при производстве чугунного литья. Присутствие такого количества углерода в регенерате неприемлемо для стального литья прежде всего из-за газового режима: каждый грамм углерода дает 1,866 л СО2 или СО при его окислении.

Механическое отделение «шелухи» в виде коксика, в разной степени подвергшегося термическому воздействию, не дает регенерата требуемого качества. Для стального литья требуется термомеханическая регенерация, в результате которой песчинки достаточно полно освобождаются от остатков смолы  и катализатора, входящих в состав ХТС.

Внешне отработанная ХТС представляет собой нагромождение комьев черного цвета, которые измельчаются специальными механизмами. Шелуха черного цвета, представляющая собой ококсованные связующие  пленки ХТС, отсасывается вентиляторами, когда измельченная отработанная ХТС в процессе перевалки находится во взвешенном состоянии. Однако полное удаление коксика не происходит. Часть ококсованных пленок прочно удерживается на песчинках, в связи с чем так называемый регенерат имеет черный цвет, а содержание углерода в нем достигает 2,35 %.

Такая регенерация для стального литья недопустима. Отработанную ХТС при производстве стального литья надо подвергать термической регенерации, в результате которой связующие пленки полностью отстают от песчинок и частично сгорают, а несгоревшие пленки отсасываются из регенерата вентиляторами. Регенерат приобретает светло-серый цвет со следами углерода.

Одна из существенных вредностей от присутствия углерода в виде коксика в отработанной ХТС – его высокая активность, из-за чего он горит не только на поверхности формы, но и в ее глубине, где для этого есть необходимые благоприятные условия: практическое  отсутствие влаги, присутствие кислорода в  воздухе, содержащемся в порах, высокая температура и вышеупомянутая высокая активность углерода.

Предприятия, использующие при производстве стального литья в качестве облицовки хромитовую смесь на основе южноафриканского хромитового песка, обычно располагают оборудованием для регенерации хромита. Как показал опыт ООО «Северозападметалл», регенерируется 80-75 % хромита, а 20-25 % теряется.

В случае отсутствия регенерации хромита он накапливается в составе обработанной смеси.

В южноафриканском хромитовом песке содержится до 27 % Fe2O3, при взаимодействии которого с кварцевым песком образуется легкоплавкое соединения (файялит) с температурой плавления 1206 0С, что является существенным недостатком  с точки зрения образования пригара.

Очень важным параметром исходного формовочного песка, используемого для приготовления ХТС и регенерата, являются их потери при прокаливании (далее ППП).

Констатируется, что приведенные в ней ППП и остаточное содержание пыли касаются самой смеси на фурановой смоле, хотя из дальнейшего текста можно понять, что эти требования в большей мере касаются регенерата. Но если регенерат имеет ППП<=4 % (а ППП – это прежде всего газы), то такой  регенерат неприемлием не только для стального, но также и для чугунного литья из-за опасности образования дефектов газового происхождения. Реальные ППП регенерата на четырёх заводах приведены выше. К этому параметру надо относиться очень осторожно и ответственно, чтобы не напороться на газовые раковины.

Из очень надежного и достоверного опыта советского времени известно, что ППП огнеупорных наполнителей, в частности хромита, ограничивались 2 %, а в редких случаях- 3 %. Об этом надо хорошо помнить.

Считаем непомерно и необоснованно завышенным требование к песку по остаточному содержанию пыли в нем, хотя авторы [5] не дают определения термина «содержание пыли» с точки зрения ее гранулометрической характеристики. По нашему разумению, к пыли можно отнести, как минимум, проход через сито 0063 (размеры частиц 63 микрона и менее) и даже часть частиц размерами между 63 и 100 микронами. Следуя этой концепции, нам вскоре могут предложить импортировать из дальнего зарубежья, кроме смол и отвердителей для них, также и пески для ХТС.

Выполненная нами экспериментальная проверка влияния пыли формовочного песка на прочность ХТС показала следующие оезультаты (таблица).  Смесь состояла из 100 мас. ч. мытого кварцевого песка Староверовского месторождения, 0,4 мас. ч. отвердителя быстрого Harteszapid 03, 1 мас. ч. фурановой смолы Ascuran 381 и переменного (от 0 до 0,5 %) содержания пылевидного кварца.

Влияние добавки пылевидного кварца на прочность ХТС

Прочность на сжатие, кгс/см2 Содержание пылевидного кварца, %
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Через 1 час отвердения 14,2 12,4 11,2 9,5 8,5 7,4
Через 3 часа отвердения 29,0 26,2 23,3 20,2 17,6 17,8
Через 24 часа отвердения 29,0 29,0 28,0 27,0 26,0 26,0

В исходном состоянии мытый староверовский песок характеризовался нулевым содержанием пыли.

Приведенные в таблице результаты позволяют констатировать следующее:

  • с добавлением пылевидного кварца существенное снижение прочности (на 48 %) при 0,5 % пылевидного кварца имеет место лишь через 1 час твердения;
  • через 3 и 24 часа твердения снижение прочности составляет 38,6 и 10,3% соответственно;
  • в реальной производственной практике, если фурановая ХТС используется не на конвейере, формы собираются и заливаются через три часа и более.  Поэтому достигнутой прочности смеси более чем достаточно для получения добротной отливки. Что же касается газопроницаемости, то она еще меньше реагирует на пылевидный кварц. Так, газопроницаемость ХТС на исходном песке составила 147 ед., а при добавлении 0,4 %  пылевидного кварца она снизилась лишь до 138 ед. (на 6,2%);
  • и как обобщающий результат: увеличение  содержания пылевидной фракции до 0,5 % в составе ХТС.
  • Вызывает некоторое снижение прочности и газопроницаемости ХТС, которое не может негативно влиять на качество формы и отливки.
  • Принимая во внимание вышеизложенное, можно рекомендовать следующее:
  •  предусматривать регенерацию хромита. При прочих равных условиях  это обязательно скажется на экономичности использования ХТС;
  • при невозможности приобрести оборудование для регенерации хромита  ограничить использование отработанной смеси в составе ХТС либо вовсе ее не использовать, что чревато коллапсом экономики, так как технология ХТС без регенерации отработанной смеси экономически ущербна, а без регенерации хромита тем более. Отработанная смесь, содержащая остаточный коксик, не должна входить в состав облицовочной ХТС, контактирующей с отливкой. В лучшем случае ее можно использовать для наполнительной ХТС, содержащей  уменьшенные количества смолы и катализатора и обладающей на порядок более низкой прочностью по сравнению с облицовочной ХТС на чистом кварцевом песке. Так практикует ООО «Северозападметалл»;
  • при выборе оборудования для регенерации хромита следует очень тщательно оценивать весь объем отработанной смеси, чтобы избежать ситуации, которая имеет место : выбранное оборудование не может пропускать всего объема отработанной ХТС, в которой содержится хромитовый, кварцевый пески и продукты  термодеструкции смолы и отвердителя.

2. О КРИТЕРИИ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ НЕОБХОДИМОСТИ ОБЛИЦОВКИ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ ВЫСОКООГНЕУПОРНОЙ СМЕСЬЮ

Одним из вредных заблуждений при производстве крупных  толстостенных отливок является слишком  доверчивое отношение к менеджерам иностранных фирм, продвигающим их оборудование на рынках России. Как правило, эти менеджеры искушены в коммерции, но недостаточно опытны в технологии.

Для тех предприятий, которые еще не определились с выбором рассматриваемой технологии, констатируем, что наиболее известным и авторитетным  и в мире и в России производителями оборудования для фурановых технологий или их аналогов являются итальянская фирма IMF, немецкая FATи английская OMEGA.

3. ОБ АЛЬТЕРНАТИВНОМ ОГНЕУПОРНОМ ЗАМЕНИТЕЛЕ ЮЖНОАФРИКАНСКОГО ХРОМИТОВОГО ПЕСКА

Одной из прогрессивных технологий  производства стального литья  в ООО «Северозападметалл» является фурановая ХТС, используемая для изготовления как стержней, так и форм.

Важным компонентом ХТС является органическая смола, которая под воздействием высоких температур расплавленного металла  подвергается термодеструкции. Особенно продолжительному высокотемпературному воздействию подвержены внутренние горизонтальные поверхности верхних частей форм. Поэтому получение качественных отливок зависит от скорости заливки форм металлом.

С целью предохранения поверхности форм и стержней от осыпаемости и размывания металлома используются противопригарные краски, состоящие из наполнителя, связующего  и растворителя.

 Как в ХТС, так и в противопригарных красках содержатся органические вещества, разложение и выгорание которых может приводить к образованию газовых раковин. Поражению этим дефектом подвержены отливки сложной конфигурации, имеющие поднутрения, труднодоступные для окрашивания места, куда стекает избыток краски и образуются наплывы.

Избыток краски и содержащихся в ней органических веществ  приводит в обильному выделению газов, которые не успевают всплывать при заливке форм металлом, особенно в случаях тонкостенных стальных отливок сложной конфигурации. Кроме того, при нанесении на форму или стержень красочного слоя  газопроницаемость окрашенных поверхностных слоев снижается до нуля, ввиду чего создается препятствие для выхода газов из полости формы через пористую песчаную форму.

В связи с этим была разработана усовершенствованная технология изготовления стального литья с облицовкой форм и стержней фурановой  ХТС на основе ставролитового концентрата.

Ставролит – минерал из класса силикатов. Основными окислами слагающими ставролит, являются SiO2 и Al2O3.

Химическая формула ставролита — Fe2+Al4 [SiO4]2O2 (OН)2.

Ставролит кристаллизуется в моноклинной системе, образуя кристаллы темно-бурого цвета. Твердость по шкале Мооса – 7,0,7,5, плотность -3650-3770кг/м3, огнеупорность -17520С. Насыпная масса ставролита -2,05 кг/дм3 (как хромита).

Ставролит залегает вместе с дистеном, гранатом, андалузитом и другими алюмосиликатами.

Для сравнения приводим аналогичные сведения о кварце: твердость по шкале Мооса – 7, плотность -2600-2700 кг/м3, огнеупорность -17100С. Насыпная масса —  1,5 кг/дм3

Данная технология позволяет экономить дорогостоящие противопригарные покрытия, снижать трудоемкость и время изготовления литья за счет сокращения производственных операций, устранить одну из причин,  влияющих на образование газовых раковин,  улучшить условия труда рабочих  за счет устранения операции распыления красок при окрашивании форм и стержней. При  применении этой технологии удалось ликвидировать такие распространенные дефекты, как песочные раковины и ужимины, и тем самым повысить качество поверхности стальных отливок из высоколегированных марок сталей 110Г13Л, 25ХГНМЛ и др.

Ставролит обладает таким же  захолаживающим эффектом, как и зернистые хромиты и циркон.

 4. О ПРЕДЕЛАХ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОТИВОПРИГАРНЫХ КРАСОК  ПРИ  ПРОИЗВОДСТВЕ СТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ В ФОРМАХ ИЗ ФУРАНОВЫХ  ХТС

Одним из наиболее характерных дефектов отливок, изготавливаемых с применением фурановых технологий, являются так называемые «просечки» в виде тонких и острых гребешков, образующихся в результате заполнения жидким металлом поверхностных трещин на формах и стержнях. Трещины образуются из-за высокой уплотняемости ХТС, обусловленной ее низким внутренним трением.

Этот дефект образуется как на стальных, так и на чугунных отливках.

Другим и наиболее экономически ощутимым дефектом отливок является металлизированный пригар, особенно на толстостенных стальных отливках.

На более толстостенных отливках получается сильный металлизированный пригар толщиной до 50 мм и более. Радикальным средством предупреждения пригара является использование южноафрикансого  хромитового песка, но он очень дорог. Некоторое удешевление технологии может принести регенерация хромита, но это связано с необходимостью дополнительного оборудования и производственных площадей.

Поэтому наши главные усилия были направлены на расширение пределов применения противопригарных красок и поиск альтернативных заменителей кварцевого, как малоприемлемого, и хромитового, как очень дорогого, песков.

В достижении противопригарной эффективности краски очень важное значение имеет ее огнеупорная основа. В нашей статье [3] мы уже приводили аргументацию недопустимости  сочетания цирконовой краски с другими огнеупорными материалами  в виде стержневых или формовочных смесей и красок, в которых содержатся окислы железа, негативно влияющие на противопригарную эффективность циркона. Положительную роль в этой ситуации играет многоразовое окрашивание стержней и форм разнородными по своей огнеупорной основе красками.

Предел по толщине стенки отливки удалось расширить практически до 200 мм.

Исключительно важное значение имеет глубина проникновения краски в подкрасочный слой стержня или формы.

Цирконовая тиксотропная краска в нашем эксперименте наносилась на поверхность стержня и сцеплялась  с нею по схеме б, корундовая (нетиксотропная) –по схеме а [4]. Именно этим мы объясняем лучшие результаты при применении корундовой краски.

В заключение констатируем, что выбор фурановой технологии для изготовления стержней и форм из ХТС  — очень дорогое и ответственное дело. Решение на этот счет должно быть тщательно выверенным и взвешенным. Его следует принимать в условиях широкой гласности с привлечением причастных к литейному производству специалистов. Очень важным моментом в принятии такого решения является посещение действующих в Украине и  других странах производств, на которых аналогичная технология применяется. И только после этого следует принимать окончательное решение о выборе того или иного варианта технологии.

Литература

  1. Е. А. Белобров, Р. И. Бульштейн, А. Ф. Подуздиков, О. С. Ковригин. Изготовление отливок в формах из ХТС в массовом и серийном производстве. «Литейное производство», 2001, № 8.
  2. Н. Н. Кузьмин, И. В. Валисовский, И. Е. Чеботарев. Проникающая способность формовочных красок. «Литейное производство», 1980, № 7.
  3. Е. А. Белобров, К. Е. Белобров, Л. Е. Белобров, О. Л. Карпенкова. Окрашивание стержней  и форм хромомагнезитовыми покрытиями. «Литье Украины», 2010, № 4.
  4. Е. А. Белобров, О. Л. Карпенкова, Л. Е. Белобров, Е. Л. Белобров. О способах окрашивание стержней  и форм противопригарными красками. «Литье Украины», 2012, № 9.