JAKOŚĆ BENTONITÓW I MIESZANEK BENTONITOWYCH ORAZ ZASADY ICH DOBORU

Transkrypt

1 26/27 Solidiłikattion ot' Metais and Alloys, No 26, 1996 Kr.tepn i ęcie Metali i Stopów, Nr 26, 1996 PAN - Oddział Katowice PL ISSN 0208-?386 JAKOŚĆ BENTONITÓW I MIESZANEK BENTONITOWYCH ORAZ ZASADY ICH DOBORU GAWROŃSKI Józef, CHOLEW A Mirosław, SZAJNAR Jan Politechnika Śląska, ul. Towarowa nr 7, Gliwice Streszczenie Nieodzownym elementem prawidłowego sporządzania mieszanek bentonitowych jest kontrola jakości bentonitów składowych. Na przykładzie mieszanek bentonitu greckiego, ukraińskiego i polskiego pokazano możliwości zastosowania ich w odlewni staliwa jako substytutu kosztownego bentonitu Polibentonu. Przedstawiono również koncepcję projektowania mieszanek bentonitowych dla różnego stopnia zmechanizowania odlewni. l. WPROWADZENIE Wraz z rozwojem przemysłu i automatyzacji rosna wymagania w zakresie jakości odlewów. Jakość odlewów to nie tylko duża gładkość, dokładność wymiarowa, "zdrowy" odlew bez wad wewnętrznych, poźadana struktura i własności mechaniczne, ale także bardzo waskie tolerancje naddatków technologicznych odlewniczych i obróbczych. Tylko produkcja zmechanizowana i zautomatyzowana - przy użyciu coraz większych sil zagęszczania lub nowych sposobów zagęszczania masy formierskiej, moźe zapewnić wymagania jakościowe stawiane odlewom. W produkcji ręcznej, a przede wszyskim w produkcji zmechanizowanej, rosna żadania odnośnie do coraz wyźszej jakości bentonitów odlewniczych. Charakterystycznym zjawiskiem w przemyśle zachodnioeuropejskim jest spadek zuźycia materiałów formierskich, często przy równoczesnym wzro~cie produkcji odlewów. Niewatpliwie najważniejszymi przyczynami tego stanu sa: - poznanie i stosowanie materiałów formierskich najwyższej jakości (bentonity jako lepiszcza, spoiwa chemo- i termoutwardzalne dla rdzeni i części form), - mechanizacja i automatyzacja procesów zagęszczania mas formierskich, zalewania form i minimalizacja czasu kontaktu odlewu z masa formierska, - nowoczesne rozwiazania przygotowania i obiegu mas formierskich gwarantujące radykalne zmniejszenie ilości odpadów czyli niemal 90% recykling mas formierskich. W stosunku do okresu sprzed 10 lat następuje skracanie czasu obiegu masy formierskiej,

2 211 skracanie czasu mieszania, obniżenie wilgotności, zmniejszenie udziału mas rdzeniowych w wytwarzaniu odlewów, wyższe obciażenie cieplne form, przy jednoczesnym skróceniu czasu przebywania odlewów w formach. Tak drastycznie wygórowanym wymaganiom, w połączeniu z surowymi rygorami ochrony środowiska (zapylenie, odpady) mogą podołać tylko syntetyczne masy formierskie z bardzo dobrymi bentonitami wraz z nowoczesnymi rozwiazaniami konstrukcyjnymi ich obiegu w cyklu zamkniętym.aby tym wymaganiom sprostać, stosowane lepiszcza bentonitowe musza mieć duż4 i trwałą siłę wiazania po wielokrotnym przerobie i wykorzystaniu w procesie wytwarzania odlewów, musza być odporne na działanie wysokiej temperatury w kontakcie z ciekłym metalem, czyli powinny mieć odporność na destrukcję termiczna, posiadać zdolność zatrzymywania wody w procesie zamkniętego obiegu - w tym również zdolność i łatwość ponownego nawilżania nadawania masie formierskiej żądanych właściwości wytrzymałościowych. Mniejsza ilość pyłu w masie formierskiej powstaje wówczas, gdy zawartość bentonitujest mała, a pozostała w niej wilgoć po procesie zalewania i po wybiciu odlewów jest duża (powyżej l %). Duża zawartość wody w masie wybitej gwarantuje efektywniejsze chłodzenie masy i mniejsze zużycie bentonitu zawartego w używanej masie i bentonitu odświeżającego (uzupełniającego). Stabilizacja właściwości formierskiej masy z bentonitem, to kolejny problem dla odlewnictwa.przy obniżonej zawartości bentonitu w masach formierskich wysoka stabilność ich właściwości można uzyskać tylko przez kontrolę w każdym newralgicznym punkcie obiegu mas: - zawartości wilgoci, - temperatury masy, - zawartości pyłów i stopnia destrukcji osnowy kwarcowej i bentonitu, a następnie sterowanie procesem sporządzania mas tak, aby uzyskać optymalne właściwości technologiczne. 2. PRZEBIEG BADAŃ Dla zilustrowania wagi problemu, a zwłaszcza potrzeby stosowania dobrych bentonitów, w tabelach l i 2 przedstawiono wyniki badań różnych bentonitów w tym stosowanych w odlewniach niemieckich (bentonit grecki) i porównano je z bentonitami stosowanymi w Polsce (bentonity A i B). Bentonit A jest bentonitem całkowicie produkcji krajowej, mieszanka B jest mieszanka bentonitowa Polibentonu (bentonit grecki produkowany przez firmę IKO - pod nazwa IKO-Bond S) i bentonitu ukraińskiego. Skiady mieszanek bentonitowych stosowanych w badaniach zestawiono w tabeli 3. Badania wykonano zgodnie z instrukcja VDG - P69 pt " Badanie spoiw - badanie gliny wiąż4cej" - stosowaną w odlewniach niemieckich opracowaną przez VDG - Związek Odlewników Niemieckich. Część badań była wykonana w laboratorium firmy IKO w Maar!. Z danych tabeli l wynika, że krajowy bentonit A nie tylko ma niższa silę wiązania lecz także mniejsza niż bentonit greki odporność na działanie podwyższonej temperatury. Dlatego masy z bentonitem krajowym już po jednokrotnym obiegu wymagają znacznego odświeżenia spowodowanego zniszczniem (w temperaturze C) sieci krystalicznej i tworzeniem się pyłu, tak szkodliwego w masie używanej. Znacznie lepsze własności posiada mieszanka bentonitowa B, która w tabeli 2 porównana została z większością bentonitów stosowanych w odlewniach zagranicznych.

3 212 Tabela l Porównawcze wyniki badań właściwości bentonitu greckiego i dwóch bentonitów A i B (wg badań R. Seidemana z firmy IKO i Katedry Odlewnictwa Politechniki Śląskiej, opis w tekście) [2] Wyszczególnienie Jednostki Bentonit Bentonit Mieszanka grecki A B Zawarto~ć wody % Adsorbcja błękitu metylowego mg/g przy temp. otoczenia Adsorbcja błękitu metylowego mg/g przy soo c Adsorbcja błękitu metylowgo mg/g przy 5500C Dodatek wody mi Wilgotność masy formierskiej % Zagęszczalność % Masa próbki g Przepuszczalno~ć pw [m 2 Pa ' s-'] Wytrzymałość na ściskanie Re"' N/cm Wytrzymałość na ścinanie R,w N/cm Wytrzymałość na rozciąganie N/cm w strefie przewilżonej R". Wytrzymałość na ściskanie N/cm po wysuszeniu R.' Tabela 2 Odporność cieplna i właściwa zdolność wi~ia różnych bentonitów (wg badań W.Tilicha i Katedry Odlewnictwa Politechniki Śląskiej) [2], [3] Właściwa zdolność Strata prażenia (") Konieczny dodatek Rodzaj bentonitu wi~ia() lepiszcza (bentonitu) odświeżającego ("") MPa % % bawarski czeski grecki sardyński bułgarski polski ukraiński + grecki ok (mieszanka B) n -na l % lepiszcza () - dla stałego stosunku metal-masa formierska ('") - dla masy obiegowej o wytrzymałości R. w = 20 N/cm 2 ; W tabeli 2 prrostawiono zarówno zdolność wi~ia powszechnie stosowanych bentonitów

4 213 greckich, sardyńskich, bawarskich - porównując je z bentonitami - czeskimi, bułgarskimi i polskimi - jak i konieczny dodatek odświeżający lepiszcza bentonitowego. Jak widać bentonity greckie (POLIBENTON) są, bardzo dobre zarówno pod względem siły wiązania jak i trwało~ci termicznej wyrażonej koniecznym dodatkiem od~wieżają,cym. Również bentonit ukraiński w mieszance z Polibentonem jest lepszy niż bentonity krajowe. Zagadnieniem najwyższej wagi jest, obok wysokiej jakości bentonitu, zawarto ć dodatków nabłyszcząjacych, będących nośnikami we~la blyszczace~o, mają,cego decydujący wpływ na jakość powierzchni odlewów. Dobre nośniki wegla błyszczą,cego stanowią zaledwie 0,3 + O, 7 % całości masy formierskiej. Ilość pyłu w masie formierskiej zależeć będzie nie tylko od ilości i jakości bentonitu lecz także od rodzaju i postaci nośnika wegla błyszczacego. Nośnik węgla błyszczacego w postaci samego pyłu węglowego musi być dodawany do masy w dużych ilościach (3 + 8%). Niskiej jakości pyły weglowe nie tylko wydzielają popiół w procesie eksploatacji mas (pyły i niska przepuszczalno ć), ale również wydzielają szkodliwe substancje (CO, NH 3, HCN, fenol, benzen, toluen, S0 2 i inne). Widać więc kompleksowa współzałeżno~ć jaka rysuje sie pomiędzy jako~ch1 i ilością bentonitu w masach formierskich, a ilościa pyłów pochodzacych ze złego bentonitu, naturalnej destrukcji kwarcu, złego pyłu węglowego i z przyczyn innych zjawisk fizyko-chemicznych, zachodzących podczas procesu sporzadzania, eksploatacji i obiegu mas formierskich. Można zatem przynajmniej cześć potrzeb polskiego przemysłu odlewniczego zaspokoić dobrymi bentonitami, szczególnie odpornymi na działanie wysokiej temperatury, lub mieszankami bentonitów. Surowcem podstawowym może być bentonit grecki (patrz tab. l, 2 i 3). Niektóre składy mieszanek bentonitowych stosowane w badaniach Rodzaj bentonitu Dodatek bentonitu Dodatek bentonitu podstawowego ukraińskiego greckiego grecki (bez węgla blyszczacego) polski (ZGH Zębiec) l) 20 % - mieszanka A 30 % - mieszanka B 50 % - mieszanka C reszta 50 % - mieszanka D 50% - mieszanka G Tabela 3 t> w toku badań w Katedrze Odlewnictwa Folitechniki Śląskiej i innych laboratoriach przemysłowych 3. WLASNOŚCI BENTONITÓW UKRAIŃSKICH I MIESZANEK Z TYM BENTONITEM W tabelach 2 i 4 oraz na rys. l zestawiono niektóre wyniki badań kompleksowych własności bentonitów ukraińskich. Do badań użyto próbek z różnych złóż, z różnych glebokości w złożu - co rzutuje na znaczny rozrzut ich własności. Pod tym względem niejednorodność złóż jest dużą wadą tego bentonitu i wymagałaby specjalnego sortowania lub ujednoradniania. Bentonit ukraiński w stanie dostarczenia i według atestu był aktywowany sodą.

5 214 W rzeczywisto~ci w niemal wszystkich dostawach stwierdzono stopień aktywacji zaledwie 35% + 40%. Po stwierdzeniu i obliczeniu niezbędnej ilości aktywatora (soda), aktywację realizowano wg receptury: - l 00 g piasku kwarcowego wzorcowego - 6 g bentonitu ukraińskiego mieszano na sucho w ciągu l minuty, dodając następnie 5 g wody i mieszając dalsze lo minut. Po dodaniu 0.95 g sody mieszano masę jeszcze przez 5 minut. 150 ~.. ~ > V.. / :-- t ~ /... ~ l.. ~. ~,'t-o i""'. 1- ml eazanka B mi eozonko A ~l otonit raińtki 0 1h 301 1oio t oio 30N H!h 4h łh 14h 4h Rys. l. Chłonność wody bentonitu ukraińskiego wg Enslina-Neffa Z bentonitu ukraińskiego w mieszaninie z bentonitem greckim wykonano kilka mieszanek opierając się na wynikach, mi«<dzy innymi chłonności wody (rys.1) metoda Enslina - Neffa, która wskazuje, że bentonit ukraiński jest lepiszczem, które szybko wiaże, dzięki szybkiemu wchłanianiu wody. Jest to również i wada, gdyż po wybiciu masy z formy w czasie transportu otwartego masy, bentonit ten szybciej oddaje wilgoć z gorącej masy do otoczenia, przez co traci bardzo szybko zawartość wody poniżej dopuszczalnej granicy 1.0 %. Dlatego wstępne nawilżanie masy przed jej mieszaniem w mieszarce jest wręcz konieczne. Na rys.1 zamieszczono również krzywa wchłaniania wody przez bentonit grecki IKO-Bond D i mieszanki A i B. Jak widać różnica w chłonności wody pomiedzy tymi bentonitami jest zasadnicza, co wiąże się nie tylko z zawartością w nich montmorylonitu, ale również gęstością upakowania. Bentonit ukraiński ma znacznie większe ziarna, co ujawnia się przy sporządzaniu masy z nowych składników skróconym czasem mieszania. Badania przemysłowe mieszanek A i B wskazują, że zarówno trwałość termiczna jak i zdolność do utrzymywania własności mechanicznych w długotrwałym cyklu eksploatacyjnym jest zadowalająca, a stopień odświeżania masy obiegowej jest w granicach 0,91-1,11%. Dzięki zastosowaniom mieszanek A i B spadło również zużycie świeżego piasku kwarcowego średnio do 2,0-2,5%. Mieszanki D - wobec braku wystarczającej ilości danych eksploatacyjnych w cyklu zamkniętym znajdują się w dalszych badaniach. Mieszanki typu G pod względem własności technologicznych dorównują mieszankom typu A. Masy z lepiszczami bentonitowymi szybko wchłaniającymi wodę rnoga być wytwarzane w

6 215 mieszarkach pobocznicowych. Wówczas proces mieszania moze być krótszy, a cykl obiegu masy szybszy. 4. PROJEKTOWANIE MIESZANEK BENTONITOWYCH Projektowanie mieszanek bentonitowych nie zawsze jest celowe tak ze względów ekonomicznych jak i ze względów technicznych. W warunkach odlewni zmechanizowanych, z poprawnie funkcjonującym systemem transportu masy zwrotnej (wstępne nawilżanie, schładzanie masy) a także w przypadku niewielkiego obciazenia cieplnego form, bardziej opłacalnym jest stosowanie lepiszcza bentonitowego wysokiej jakości, a wi~ równiez drozszego, gdyz trwałość termiczna lepiszcza i jego mniejsze (nawet 30%) zużycie, sprawiają, i.e konieczny dodatek od wieżający lepiszcza bentonitowego jest minimalny. Wtedy wzrastają również wskaźniki ekonomiczne procesu stosowania drogich lepiszczy. W przypadku odlewni o niskim stopnia zmechanizowania, niedostosowanym do wymagań jakie stawiaj a wysokojakościowe bentonity, przy porównywalnym niewielkim obciażeniu cieplnym form można stosować mieszanki bentonitowe, których własności sa tylko nieco niższe niż bardzo dobrych lepiszczy bentonitowych, natomiast ich cena jest znacznie nilsza. Mieszanki bentonitowe i masy z nich sporządzane są mniej czułe na zmienne warunki panujące w odlewniach, a przede wszystkim na czas i sposób mieszania, sposób transportu masy zwrotnej do mieszarki, brak wstępnego nawilż:ania, zmienne obciazenie form. W masach formierskich poddawanych znacznym obciazeniom cieplnym, przy niekorzystnym sposobie przygotowania masy spowodowanym zbyt późnym nawilżeniem masy używanej, nie uzyskuje się spodziewanych korzyści ze stosowania bentonitów z wysoką zawartością montmorylonitu. Dla takich warunków wykonywania mas z lepiszczami bentonitowymi należy decydować się na mieszanki bentonitowe. Na podstawie przeprowadzonych badań mieszanek bentonitowych (tabela 3) w laboratoriach Katedry Odlewnictwa i IKO - w Marl - Sinsen oraz przebadania jednej z odlewni - mieszanki B w produkcji odlewów staliwnych można stwierdzić, że aby uzyskać dobre mieszanki pod względem technologicznym (a jednocześnie o niezbyt wysokiej cenie) nalezy: - sporządzać mieszanki ze skladników surowych, zaś ich aktywację sodą przeprowadzać po ich wzajemnym wymieszaniu - pożądanym jest aby skladniki mieszanek bentonitowych (dwuskladnikowych) charakteryzowały się różną chłonnością wody w czasie - do mieszanek należy wprowadzać skladniki z których gorszy bentonit nie powinien posiadać mniej niż 60% montmorylonitu jednoimiennego jonowo z bentonitem lepszym - pożądane jest sporządzenie mieszanek ze skladników o niskiej i zbliżonej zawartości węglanów, zwłaszcza jonów K+. Korzystne efekty dało zastąpienie dozownika pod kratą wstrząsową homogenizatorem bębnowym. Masa zwrotna powinna uzyskać minimalną wilgotność l,5%, ale nie wyższą niż 2,0% (przed przesiewaniem).

7 216 Własności bentonitu ukraińskiego w stanie dostarczenia (aktywacja przeprowadzona w kopalni) Wyszczególnienie Jedno- Aktywacja własności stki w kopalni Tabela 4 w laboratorium Stopień aktywacji % p H Adsorpcja błekitu metylowego mg/g przy temp. otoczenia Adsorpcja błekitu metylowego przy 500 C mg/g Adsorpcja błekitu metylowgo przy 5500C mg/g Zawartość montmorylonitu % Wytrzymałość na ściskanie Re w MPa - dla 1.40% wody dla 1.55% wody dla 2.55% wody dla 3.28% wody Wytrzymałość na rozciąganie MPa V: strefie przewilżonej R,.P Scieralność S"' % Zageszczalność Z % Stopień pecznienia cm Należy dążyć do ustabilizowania temperatury masy obiegowej stosując metody chłodzenia polegające na odparowaniu wody z gorącej masy zwrotnej oraz wyeliminować przedmuchiwanie powietrzem masy suchej lub o niejednorodnej wilgotności. LITERATURA [l] Lewandowski J. L. : Przygotowanie form odlewniczych. WNT, Warszawa, [2] Gawroński J., Szajnar J.: Bentonity ukraińskie jako uzupełnienie bentonitów greckich i ich wpływ na obniżke kosztów produkcji w polskich odlewniach; Ogólnopolska Konferencja STOP, Warszawa, paidziernik [3) Bai er J., Seideman R.: Bentonit grecki - porównanie wlasnośc:i z bentonitami innego pochodzenia, I Sympozjum "Nowoczesne spoiwa bentonitowe dla odlewnictwa"; Szczyrk, wrzesień [4] Gawroński J., Szajnar J., Mazur A.: Miedzynarodowa Konferencja "Nowoczesne technologie odlewnicze- Ochrona środowiska", Kraków, październik 1995.