Streszczenie W artykule przeanalizowano wymagania stawiane odlewniczym masom z bentonitem pod

Transkrypt

1 35/10 Solidification ofmetals and Alloys, No. 35, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 35, 1998 P AN - Oddział Katowice PL-ISSN STANISŁAW M. DOBOSZ", MACIEJ ASLANOWicz ODLEWNICZE MASY Z BENTONITAMI- JAKOŚĆ A WYMAGANIA Streszczenie W artykule przeanalizowano wymagania stawiane odlewniczym masom z bentonitem pod względem jakośc i bentonitu, obejmujące : właściwości teclmologiczne mas w temperaturze otoczenia i temperaturze podwyższonej, cieplną i chemiczną cleaktywację lepiszcza decydującą o trwało ś ci mas, a także mo:1:liwość wprowadzania bentonitu do mas w postaci mieszanek z dodatkami wydzielaj ącymi węgiel błyszczący. l. WPROW ADZENIE Aktualny stan odlewnictwa oraz tendencje rozwojowe jednoznacznie wskazują, że tak jak i obecnie tak i w przyszłości podstawowym tworzywem na jednorazowe formy odlewnicze będą syntetyc7ne masy z bentonitami [3,6]. Wymogi stawiane tym masom będą jednak coraz wyższe. Wynika to głównie z dominacji procesów formowania które zapewniają wysoki stopień zagęszczenia, to jest prasowanie pod wysokimi naciskami czy formowanie impulsowe. W ysoki stopień zagęszczenia a przez to i niska przepuszczalność masy wywołują potrzebę zmniejszenia gazotwórczości masy czyli głównie minimalizację wilgotności. Stąd stosowanie tzw. mas półsuchych o wilgotności poniżej 3%.Warunkiem tak niskiej wilgotności jest zastosowanie niskiej zawartości bentonitu. Potrzeba uzyskania wysokiej wytrzymałości masy przy niskiej zawartości bentonitu oraz małej osypliwości przy niskiej wilgotności, wymusza potrzebę stosowania wysokiej jakości bentonitów. Mając na uwadze wysokie, w krajowym odlewnictwie, zużycie piasku kwarcowego na tonę dobrego odlewu wynoszące aktualnie kilogramów, podczas gdy w przodujących krajach jest ono znacznic niższe : Szwajcaria kg, Niemcy kg, Stany Zjednoczone kg, problem jakości bentonitu urasta do głównych zadań polskiego odlewnictwa [7]. W tym układzie uwarunkowania technologiczne uzupełniają się o cele ekonomiczne a uwzględniając aspekty ekologiczne potwierdzają główną zasadę, Dr hab. in ż. Stanisław M. Dobosz - Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków. Mgr in ż. Maciej Asłanowicz - PPU FERRO - TERM, Łódź

2 84 że masajest tym lepsza im mniej zawiera materiałów wiążących [4]. Warto zatem przeanalizować wymagania jakimi powinny odpowiadać współczesne bentonity. 2. WŁAŚCIWOŚCI TECHNOLOGICZNE MAS W TEMPERA TURZE OTOCZENIA Dla praktyki odlewniczej najważniejsze są jednak właściwości technologiczne. Cz<;:ść z nich oznacza się w temperaturze pokojowej. Pewne wątpliwości wzbudza sposób ich oznaczania, zgodnie z PN-85/H Mówi ona, że wykonuje się je na masie wzorcowej zawierającej 7% badanego bentonitu przy wilgotności masy 3,5% (± 0,02%). Jak wiemy bentonity mają znacznie zróżnicowany skład chemiczny, różną zawartość montmorylonitu, różne pochodzenie geologiczne co powoduje, że zróżnicowana jest wilgotność przy której otrzymuje się maksimum wytrzymałości. Wartość wilgotności 3,5% dla jednych mas będzie leżała przed maksimum a dla innych po maksimum. Trudno w takich warunkach porównywać sil<;: wiązania poszczególnych rodzajów bentonitu i dlatego może to prowadzić do formułowania niewłaściwych wniosków. Wydaję się, że bardziej prawidłowe byłoby wyznaczanie pełnej charakterystyki zmian wytrzymałości w funkcji wilgotności masy i porównywanie wartości maksymalnych. Warto jednak przyjrzeć się uzyskiwanym właściwościom wytrzymałościowym. Szerokie badania porównawcze - zgodnie z wymogami polskich norm - dostępnych na rynku krajowym bentonitów (oczywiście nie wszystkich) przeprowadził M.Pawlak [4]. Najwyższymi z przebadanych właściwościami wytrzymałościowymi charakteryzował się bentonit Geko S (Sud Chemie A.G.- Niemcy) a najniższymi bentonit Zębiec-aktywowany (ZGM Zębiec- Polska). Wartości Rew wynosiły odpowiednio: 0,089 MPa i 0,046 MPa. Analogiczne wyniki otrzymano dla pomiarów Rmw które wynosiły: 0,014 MPa i 0,006 MPa. Masa z bentonitem Geko S charakteryzowała się także najniższą osypliwością oraz najwyższą przepuszczalnością i najlepszą wybijalnością. Jednocześnie bentonit Geko S mial najwyższą zawartość montmorylonitu(- 90%) a bentonit Zębiec - aktywowany, najniższą zawartość montmorylonitu (64%) ze wszystkich analizowanych rodzajów bentonitu. Sugeruje to, że właściwości wytrzymałościowe masy w temperaturze otoczenia są tym wyższe im większa jest zawartość montmorylonitu a nie fakt, że jest to bentonit sodowy, naturalny lub aktywowany. Fotwierdzeniem powyższych wniosków mogą być badania A. Balińskiego i M. Szolca [l]. Autorzy porównywali masy z bentonitami: Coclay, Bułgarski, Czeski, Zębiec, Dolbcnt i Surowiec do produkcji Dolbentu. Była to grupa bardzo zróżnicowanych rodzajów bentonitu. Coclay jest klasycznym bentonitem sodowym, Dolbcnt zwietrzeliną bazaltową, Zębiec bentonitem karbońskim a Surowiec minerałem wyjściowym nie poddanym jeszcze procesowi wymiany jonowej. Pomimo tego najniższe wytrzymałości wykazała masa z bentonitem Zębiec o najniższej ze wszystkich badanych zawartości montmorylonitu (-51%).

3 85 Klasyczny, sodowy bentonit Coclay (70% montmorylonitu) miał wytrzymałości niższe od bentonitu bułgarskiego (78%), Dolbentu (75%) a nawet Surowca (71 %). W świetle powyższych obserwacji warto zastanowić się nad skutkami jakie wywołuje aktywacja bentonitu na właściwości technologiczne mas w temperaturach pokojowych. Powszechnie twierdzi się, że bentonit aktywowany a przede wszystkim naturalny bentonit sodowy ma większą zdolność pęcznienia i większą zdolność wiązania w zakresie wilgotności roboczej. Częściowe wyjaśnienie tego problemu dają zależności przedstawione na rysunku l. Przedstawia on schematycznie zmianę wytrzymałości masy w funkcji wilgotności, wyrażanej jako krotność wilgotności optymalnej, dla mas z bentonitem sodowym i bentonitem wapniowym [4,8]. ~ l... ~ c! J maaa z bentonl, tam wapniowym.. Rys. l. Schemat wpływu aktywacji bentonitu na wytrzymałość masy w temperaturze otoczenia [4,8] Fig. l. The influence ofbentonite's sort on the value o f irreversibłe dehydration's start and finish temperature [4,8] Jak widać bentonit aktywowany nie daje wzrostu maksymalnej wytrzymałości w zakresie wilgotności roboczej. Przy tej wilgotności o wytrzymałości decydują wiązania powierzchniowe. Według przedstawionej hipotezy masy z bentonitem sodowym (naturalnym lub aktywowanym) osiągają w wyniku dodatkowych wiązań mostkowych przyrost wytrzymałości, ale przy znacznie wyższej wilgotności niż wilgotność robocza. Zwiększenie wilgotności powyżej wartości optymalnej dla mas z bentonitem nie aktywowanym powoduje szybki spadek W)trzymalości, gdyż same siły powierzchniowe mają mały zasięg oddziaływania i obok wody sztywno związanej pojawia się woda swobodna. Dla mas z bentonitem

4 86 aktywowanym dodatkowe wiązania mostkowe zmmejszają intensywność obniżania się wytrzymałości i czynią masę mniej czulą na przewiłżenie. Spadek wytrzymałości ze wzrostem wilgotności jest tym mniejszy im większa jest pojemność wymiany jonowej bentonitu. Maksymalne oddziaływanie wiązań mostkowych występuje dopiero przy wilgotności trzykrotnie przekraczającej wilgotność optymalną a zatem ma nicwielkie praktyczne znaczenie dla właściwości wytrzymałościowych mas w temperaturze otoczenia. Oddziaływanie to objawia się natomiast w temperaturach podwyższonych. I tak może ono mieć duże znaczenie dla podwyższenia wytrzymałości w strefie przewilżonej, której wartość decyduje między innymi o dokładności wymiarowej i skłonności do powstawania wad odlewniczych takich jak: żyłki. strupy i blizny. Zdolność do wymiany jonowej, wynosząca mval/1 OOg, dająca możliwość zamiany na pozycjach wymiennych kationów Ca+ 2 lub Mg+ 2 na kationy Na+, jest cenną właściwością bentonitu, ale decydującą o innych parametrach masy niż te oznaczane w temperaturze otoczenia. A zatem dla osiągnięcia wysokiej wytrzymałości masy w temperaturach otoczenia należy dobierać bentonity o wysokiej zawartości montmorylonitu. W przypadku braku takich złóż stosuje się operację uszlachetniania czyli wzbogacania minerału kopalnego w czysty montmorylonit. Miarą zawartości montmorylonitu jest tzw. wskaźnik metylowy. Bardzo ważny dla końcowej jakości bentonitu jest także sam proces przeróbki minerału obejmujący suszenie i mielenie a mający na celu zwi ększenie sorpcyjnych zdolności bentonitu. 3. WŁAŚCIWOŚCI TECHNOLOGICZNE MAS W TEMPERA TURZE PODWYŻSZONEJ Duże znaczenie dla jakości masy ma wytrzymałość w podwyższonych temperaturach. Powinna ona być odpowiednio wysoka aby nagrzana masy wytrzymała nacisk cieklego metalu a jej maksimum musi występować w takich temperaturach aby nie powodowało pęknięć na gorąco. Dla dobrej klasy bentonitów wartości Rc 1 wynoszą około 4,0-4,5 MPa, a maksimum to występuje w temperaturze około 850 C. Bardzo ważne dla trwałości mas jest określenie temperatury początku i końca nicodwracalnej clehydratacji bentonitu. Decyduje ono o szybkości przechodzenia bentonitu w postać lepiszcza nieaktywnego co z kolei wymusza potrzebę zwiększania stopnia odświeżania masy. Związane jest to z przebiegiem nisko i wysokotemperaturowych endotermicznych reakcji clehydratacji wody adsorpcyjnej i clehydratacji montmorylonitu a także innych minerałów zawartych w bentonitach. Reakcje te są bardzo złożone a ich przebieg uzależniony od składu i pochodzenia geologicznego bentonitu. Dla jakości mas najważniejsze są:

5 87 szybkość procesów dehydratacyjnych i zakres temperatur odpowiadających początkowi i końcowi clehydratacji nieodwracalnej. Sądzi się, że szybkość clehydratacji w temperaturach do l 00 C wpływa na wielkość osypliwości masy. Potwierdzają to badania opisane w publikacji [l], gdzie masy z bentonitami charakteryzującymi się niską wartością ciepła reakcji endotermicznej a zarazem małą szybkością clehydratacji miały niższą osypliwość. Autorzy przypisują to silniejszemu połączeniu dipoli wody z cząsteczkami bentonitu. Poddanie bentonitu oddziaływaniu wysokiej temperatury cieklego stopu odlewniczego prowadzi do cieplnej destrukcji montmorylonitu i przejściu w fazę lepiszcza nicaktywnego. Występuje ono w postaci pyłu oraz warstewki zoolityzowanej na ziarnach osnowy piaskowej. Powoduje to obniżenie temperatury spiekania, zmniejszenie przepuszczalności oraz zwiększenie skłonności do powstawania wad. Wielkość tej destrukcji zależy od temperatury zalewania metalu oraz stosunku masy formierskiej do metalu w formie odlewniczej. W każdej postaci wywiera jednak niekorzystny wpływ na właściwości technologiczne masy i zmusza do bardziej intensywnego odświeżania. Różne rodzaje bentonitów mają odmienną odporność na działanie wysokich temperatur. Wyrazem tego jest zakres temperatur początku i końca clehydratacji nieodwracalnej. Oczywiście najważniejsza jest temperatura początku dcaktywacji, im jest ona wyższa tym większa odporność bentonitu i tym lepsza jakość lepiszcza. Temperatura końca procesu rozkładu powinna być jak naj wyższa. Analiza wartości tych temperatur wskazuje jednak na istnienie pewnej prawidłowości. Bentonity które mają niską temperaturę początku rozkładu lepiszcza mają jednocześnie wyższą temperaturę końca tego procesu. Przebieg takich zależności pokazuje rysunek 2. Od lokalnych uwarunkowań takich jak asortyment produkcji (temperatura zalewania i obciążenie cieplne formy) oraz organizacyjna strona procesu produkcyjnego uzależniona musi być decyzja technologa w sprawie wyboru odpowiedniego rodzaju bentonitu. Znaczny wpływ na omawiane procesy ma jednak zawartość montmorylonitu oraz odmienna budowa krystalograficzna a także występujące w mineralach zanieczyszczenia. Duże znaczenie ma też sposób realizacji technologii. W nowoczesnych rozwiązaniach dominują tendencje do zwiększania obciążenia cieplnego formy oraz skracania czasu obiegu masy w cyklu produkcyjnym a także skracanie czasu przebywania odlewu w formie [2]. O ile dwie pierwsze tendencje są wynikiem dążenia do poprawy ekonomicznej strony technologii i trudno ich nie akceptować to skracanie czasu przebywania odlewu w formie a przez to ograniczenie nagrzewania masy uznać trzeba za niezbędne działania dla zwiększania trwałości masy.

6 88 1- COCLAY 2- ZĘBIEC 3- CZESKI 4- DOLRENT 5- BULGARSKI 6- SUROWIEC Rodzaj bentonitu Rys. 2. Wpływ rodzaju bentonitu na wartość temperatur początku i km1ca clehydratacji nieod wracalncj [l l Fig.2.The schem ofinfluence ofbentonite's activation on the sand's resistance in surrounding's temperaturc. [l l W czaste zalewania form oprócz destrukcji cieplnej dochodzi dodatkowo do destrukcji chemicznej. Jest ona spowodowana oddziaływaniem produktów destrukcji cieplnej składników mas rdzeniowych oraz dodatków wprowadzanych do mas formierskich. Bardzo często są to produkty rozkładu pyłu węglowego lub innych dodatków węglotwórczych. Znaczną rolę w tych procesach odgrywają produkty rozkładu mas rdzeniowych. Substancje te mogą cleaktywować zawarty w masie bentonit. Innym sposobem ich oddziaływania jest tzw. zjawisko "cover". Polega ono na wytwarzaniu wokół aktywnych cząstek bentonitu niezwilżalnych warstewek które izolują lepiszcze od wody, uniemożliwiając jego pęcznienie. Reasumując przedstawione rozważania można stwierdzić, że warunkiem otrzymania wysokiej jakości masy formierskiej jest zastosowanie dobrego bentonitu tzn. zawierającego jak najwyższą zawartość sodowego (naturalnego lub aktywowanego) montmorylonitu. Przykładem takich bentonitów mogą być produkty firmy Sud-Chemie: bentonity GEKO P, GEKO S oraz GEKO Optimum. Dwa pierwsze to pochodzące z Grecji i Sardynii bentonity aktywowane o zawartości montmorylonitu ok. 90% i wskaźniku metylowym 390 mg/g. Dają one wytrzymałości na ściskanie na wilgotno (dla masy o zawartości 5 cz.wag. bentonitu) odpowiednio: 0,084 i 0,09 MPa a wytrzymałość na rozciąganie 0,020 i 0,019 MPa. Bentonit GEKO Optimum jest hybrydowym bentonitem o zawartości montmorylonitu 95% i wskaźniku metylowym 430 mg/g. Daje on wytrzymałości : Rew= 0.15 MPa a Rmw = 0,023 MPa. Stosując tego rodzaju bentonity można znacznie zmniejszyć zawartość lepiszcza w masie i ograniczyć stopień

7 89 odświeżania, zapewniając jednocześnie odpowiednie właściwości technologiczne mas. Ważnym zagadnieniem jest także odporność fonny na erozyjne działanie cieklego metalu oraz wybijalność, także ściśle uzależnione od rodzaju i zawartości bentonitu. 4. MIESZANKI BENTONITÓW ZE ŚRODKAMI WĘGLOTWÓRCZYMI Jak już wspomniano do mas z bentonitami powszechnie (dla mas do odlewów żeliwnych) stosuje się dodatki przeciwdziałające przypalaniu się masy do powierzchni odlewu. Są to dodatki węglowe (pyl węglo~), coraz częściej uzupełniane o dodatki nie węglowe ale posiadające dużą zdolność do tworzenia węgla błyszczącego. Nowoczesną tendencją jest wprowadzanie tych dodatków w postaci mieszanki z bentonitem. Zaletą takiego rozwiązania jest: łatwiejsze składowanie i transport, dokładniejszy sposób dozowania, tylko jedno urządzenie dozujące, uniknięcie niebezpieczeństwa wybuchu, ograniczenie samoutlenienia. oszczędność bentonitu i środków tworzących węgiel błyszczący. Firma Sud-Chemie oferuje wyselekcjonowany pyl węglowy pod nazwą ECOSIL oraz mieszanki: - bentonitu z pyłem węgłowym, np. ECOSIL S 82- oznacza mieszankę zawierającą 82% bentonitu i 18% pyłu węglowego, - bentonitu z pyłem węglowym i środkiem o dużej zdolności tworzenia węgla błyszczącego, np. ECOSIL 12 R 30 - oznacza mieszankę zawierającą 30% bentonitu, 58% pyłu węglowego i 12% gilsonitu, - bentonitu z pyłem węglowym, środkiem o dużej zdolności tworzenia węgla błyszczącego i grafitu, np. ECOSIL D 0603 S 70- oznacza mieszankę zawierającą 70% bentonitu, 21% pyłu węglowego, 6% gilsonitui 3% grafitu. Mieszanki produkowane są o różnym składzie a także dostarczane na indywidualne zamówienia odlewni. Produkty te stosowane są w kilku odlewniach krajowych i uzyskały dobre opinie technologów. Wszystkie te działania idą w kierunku uproszczenia procesu przygotowywania mas i maksymalnego zmniejszenia stopnia odświeżania. Najlepsze wyniki osiąga się przy stosowaniu bentonitu GEKO Optimum. Badania przeprowadzone w Laboratoriach Geko Serwis i Instytucie Ecosil wykazały, że w całym, bardzo szerokim zakresie stopnia odświeżania masy obiegowej świeżym piaskiem kwarcowym, dodatek bentonitu GEKO OPTIMUM zape wniał najwyższe W)trzymałości masy, najniższą wilgotność, największą odporność na erozję a przy założonych wartościach wytrzymałości mial najniższą wartość [9].

8 90 5. PODSUMOW ANIE Przedstawione w niniejszym opracowaniu rozważania dotyczą wymagań jakie stawia się nowoczesnym bentonitom odlewniczym. Wykazały one, że właściwości technologiczne mas w temperaturach otoczenia - a głównie wytrzymałość - są uzależnione od zawartości montmorylonitu a w małym stopniu od rodzaju bentonitu (sodowy-wapniowy). Im wyższa zawartość montmorylonitu tym wyższa wytrzymałość. Rodzaj bentonitu ma natomiast decydujący wpływ na właściwości mas w podwyższonych temperaturach. Decyduje o wytrzymałości w strefie przewilżonej, odporności na działanie ciekłego stopu odlewniczego, odporności na erozję i wybijałoość masy. Właściwości te zależą jednak od składu chemicznego, budowy krystalograficznej i zawartości innych minerałów. Stosowanie bentonitów sodowych lub aktywowanych o wysokiej zawartości montmorylonitu zapewnia uzyskanie odpowiednich właściwości wytrzymałościowych przy niższej zawartości lepiszcza a przez to przyczynia się do zmniejszenia stopnia odświeżania masy i poprawy innych parametrów masy jak: wybijalność, przepuszczalność. temperatura spiekania itd. Przyczynia się do optymalizowania składu masy. Celowym staje się także wprowadzanie dodatków węglotwórczych w postaci jednorodnej mieszanki z bentonitem. Oprócz znacznego usprawnienia tej operacji umożliwia efektywniejsze wykorzystanie dodatku a przez to jego minimalizację. LITERATURA [l) Baliński A., Szale M.: Wpływ procesów hydratacyjno-dehydratacyjnych na właściwości technologiczne mas formierskich z udziałem rómych bentonitów. Materiał y Sympozjum Międzynarodowego "Sud-Chemii pomoze Ci", Wisła, 1997 [2] Gawroń ski J., Cholewa M., Szajnar J. : Bentonity ukraiń s kie jako uzupełnienie bentonitów greckich - mieszanki bentonitowe. Materiały n Sympozjum,,Materiały pomocnicze w odlewnictwie i metalurgii" Politecłmika Śląska, Katowice 1995, s [3) Hubbard M.: What makes a good foundry sand. Faun.. Tr. Jam., 1994, t.l68, z. 3492s. l [4 J Lewandowski J.L. : Tworzywa na formy odlewnicze. Wydawnictwo Akapit, Kraków 1997 [5] Pawlak M.: Badania porównawcze wzorcowych mas fonnierskich z rómymi rodzajami bentonitów. Materiały n Sympozjum,,Materiały pomocnicze w odlewnictwie i metalurgii" Politechnika Śląska, Katowice 1995, s (6] Piaskowski J. i inni: Odlewnie XXI wieku. Mat. Konf. Nauk.-Techn. I. O. Kraków 1996, s. 1-9 [7] Robak H. i inni: Technologia regeneracji bentonitowych mas formierskich w Exbud -.Odlewnia Żeliwa S.A. Łódź, Materiały Międzynarodowej Konferencji,,Regeneracja osnowy z rómych mas formierskich i rdzeniowych". Wisła 1996 [8) Smirnov i itmi: Trans. Amer. Foundryrnen's Soc. Proc. 841h Annu. Mcct. St. Louis, Miss ,s (9) Raporty Laboratorium Geko-Serwis i Instytutu Ecosil, Moosburg Niemcy Recenzent: dr hab. inż. Tadeusz Mikulczyński

9 91 Stanisław M. Dobosz Maciej Aslanowicz Foundry sands with bentonite- quality and rcquircmcnts Sununary The article analyscs the requircments, set to foundry sands with bcntonite with regard to quality of bentonite, that includes: technological properties of sands in the surrounding's temperature and in the increascd temperature, thennal and chemical clay's dcactivation, deciding about mould's durability; and also a possibility of putting a bentoni te in to sands in the form o f mixturc with additions, that sccrete a lustrous carbon.