35/6 ZNACZENIE SELEKCJI MAS PODCZAS WYBIJANIA ODLEWÓW. cleaktywacja bentonitu, a ściśle biorąc minerałów ilastych grupy montmorylonitu,

Transkrypt

1 35/6 Solidification ofmetals and Alloys, No. 35, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 35, 1998 P AN - Oddział Katowice PL-ISSN JAN LECH LEWANDOWSKI", JÓZEF DAŃK.o ZNACZENIE SELEKCJI MAS PODCZAS WYBIJANIA ODLEWÓW Streszczenie Czynność wybijania odlewów postrzega się przede wszystkim w powiązaniu z czystością powierzchni odlewów. Natomiast nie uwzględnia się zwykle celowości selekcji masy, w której wyniku wyodrębnia się masy: przepaloną i nie przepaloną formierską oraz masę rdzeniową. Takie wyodrębnienie pozwala na racjonalne (teoretycznie bez odświeżania) wykorzystanie nie przepalonej masy formierskiej i poddanie regeneracji tylko tych mas zużytych (przepalonej formierskiej i rdzeniowej), które charakteryzują się dobrą regenerowalnością. l. WPROW ADZENIE Rozpatrując jakość klasycznej (z bentonitem) masy używanej, czyli masy po wybiciu odlewów, zwykle nie zwraca się uwagi na to, że jakość ta, a zatem i dalsze losy masy używanej mogą w dużym stopniu zależeć od przebiegu procesu wybijania. Czynność wybijania postrzega się przede wszystkim w powiązaniu z czystością powierzchni odlewów, pomijając zwykle zjawiska istotne z punktu widzeniajakości masy używanej [5]. Do zjawisk tych należą: cleaktywacja bentonitu, a ściśle biorąc minerałów ilastych grupy montmorylonitu, możliwość mieszania się podczas wybijania odlewów mas o różnym składzie i różnym stopniu przepalenia. Stopień cleaktywacji bentonitu jest tym wiqkszy im: wyższa jest temperatura ciekłego stopu odlewniczego, dłuższe oddziaływanie wysokiej temperatury, mniejsza odporność cieplna bentonitu W warunkach praktycznych, stosując określony bentonit i wykonując odlewy z konkretnego stopu i o określonej masie i grubości ścianek, można wpływać tylko na czas oddziaływania wysokiej temperatury. Im dłuższe studzenie odlewu w formie, tym większy będzie stopień przepalenia masy. Ma to tak korzystne, jak i ujemne cechy oraz następstwa. Dłuższe studzenie odlewu jednoznacznie niekorzystnie wpływa na zawartość aktywnego bentonitu w masie używanej, gdyż w miarę wydłużania czasu oddziaływania wysokiej temperatury zwiększa się grubość warstwy masy prof. dr hab. inż. -Akademia Górniczo-Hutnicza dr hab. inż. prof. nadzw. AGH -Akademia Górniczo-Hutnicza

2 48 przepalonej, czyli zawierającej bentonit nieaktywny. Zatem z tego punktu widzenia odlewy powinno się przetrzymywać w fonnie możliwie najkrócej, czyli wybijać odlewy gorące. Jednak wybijanie gorących odlewów może powodować niekorzystne zjawisko, a mianowicie utlenianie powierzchni odlewów. Może ono także oddziaływać na strukturę, a zatem i właściwości odlewów, ale badania odlewów z żeliwa szarego i sferoidalnego wykazały [2], że wybijanie tych odlewów w temperaturze około l 000 C, przy następnym kierowanym ich studzeniu, nie tylko nie pogarsza właściwości tworzywa odlewu lecz umożliwia stermvanie strukturą osnowy żeliwa i stwarza nawet korzystne warunki do uniknięcia naprężeń własnych w odlewach. W przypadku rdzeni wybijanie gorących odlewów zmniejsza stopień ich przepalenia, co może mieć korzystne i niekorzystne następstwa. Mniejszy stopień przepalenia mas ze spoiwami żywicznymi powoduje mniejszą ilość gazów wydzielonych z rdzenia, a zatem i mniejszą cleaktywację bentonitu przez niektóre składniki gazów podczas ich filtracji przez masę formierską [5]. Jeśli masa rdzeniowa jest źródłem powstawania wieiopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WW A) to mniejsze przegrzanie rdzenia powoduje mniejszą wydzielalność WW A i mniejsze osadzanie się w masie formierskiej pyłów niosących WWA [3]. Zatem tak z punktu widzenia cleaktywacji bentonitu przez składniki gazów, jak i ilości i jakości wydzielonych i osadzonych w masie formierskiej WW A, korzystny jest mniejszy stopień przepalenia masy rdzeniowej - jednak pod warunkiem, że nie jest wyraźnie utrudnione wybicie rdzenia z odlewu. Jeśli jednak nie przepalona masa rdzeniowa zostanie zmieszana z masą formierską to potencjalna ilość WW A możliwa do wydzielenia się z masy formierskiej jest praktycznie taka sama jak w przypadku całkowitego przepalenia rdzenia, tylko forma występowania WW A jest złożona (WW A wniesione przez pyl z masy rdzeniowej i przez wprowadzoną nie przepaloną masę rdzeniową jako źródło powstawania WW A). Nie przepalona masa rdzeniowa, zmieszana z masą formierską, może zastąpić częściowo pyl węglowy (będący źródłem wydzielania dużej ilości WW A), co będzie korzystne nie tylko ze względu na oszczędność pyłu, lecz także - w przypadku masy rdzeniowej o malej wydzielalnośc i WW A - ze względu na zmniejszenie wydzielania WW A. Masa rdzeniowa o różnym stopniu przepalenia, wykorzystana jako osnowa formierskiej masy z bentonitem poddanej następnie regeneracji, powoduje rozną regenerowalność masy formierskiej, co ilustruje przykładowo rysunek l [2]. Wytrzymałość masy stosowanej w procesie hot-box, sporządzonej na osnowie regeneratu uzyskanego z wyjściowej (bez odlewania) masy formierskiej z bentonitem (masa l na rys. l) nawet po 30 minutach trwania procesu regeneracji osiągnęła tylko około 30% wytrzymałości uzyskiwanej na osnowie swiczego piasku kwarcowego. Korzystniej kształtuje się ten stosunek wytrzymałości w przypadku regeneratu uzyskanego z masy formierskiej sporządzonej na osnowie nie przepalonej masy,

3 49 stosowanej w procesie hot-box (ponad 55% po 30 minutach regeneracji), a najkorzystniejsza jest masa na osnowie regeneratu uzyskanego z masy formierskiej sporządzonej na osnowie przepalonej masy pochodzącej z rdzeni uzyskanych metodą hot-box (około 80% wytrzymałości masy stosowanej w procesie hot-box, a sporządzonej na osnowie świeżego piasku kwarcowego). 2. PROBLEM SELEKCJI MASY Powyższe rozważania umożliwiają wszechstronniejsze rozpatrzenie następnego zagadnienia, a mianowicie problemu selekcji masy podczas wybijania odlewów. Jak wiadomo w wilgotnej masie klasycznej z bentonitem podczas i po napełnieniu wnęki formy ciekłym stopem odlewniczym tworzy się strefa przewilżona, czyli strefa kondensacji pary wodnej, filtrującej z warstw masy, w których temperatura przekroczyła l 00 C do warstw masy o temperaturze poniżej 100 C [J Serie! CScrie2 Serie3 20 B! «:1 E o N B! «:1 E lornin 20 min Czas trwania regeneracji 30 min Rys. l. Wpływ czasu trwania regeneracji na efekt regeneracji (jakość regeneratu) mierzony wytrzymało ścią masy (do procesu hot-box) na osnowie regeneratu odniesioną do wytrzymałości masy na osnowie świeżego piasku kwarcowego; l - wyjściowa masa formierska z bentonitem (na osnowie świeżego piasku kwarcowego), 2- masa formierska z bentonitem na osnowie nie przepalonej masy z procesu hot-box, 3 - masa formierska z bentonitem na osnowie przepalonej masy z procesu hot-box [2) Fig. l. The influence ofreclamation process duration tine on reclamation eitectiveness ( quality o f reclaimed sand), measured by means o f hot-box sand sample tensile strength in which the fresh sand is fully replaced by the reclaimed sand related to the anagogical sand sample tensile strength fully prepared from the fresh sand, l - initial bentonile moulding sand fully based on fresh sand, 2 - bentoni te moulding sand based on not bumed sand originated from hot-box process, 3 - bentonile moulding sand based on bumed through sand originated from hot-box process (2)

4 50 Najwyższą temperaturę (patrz rys. 2) ma masa bezpośrednio stykająca się z gorącym tworzywem odlewu (np. około 1150 C dla żeliwa o temperaturze odlewania 1350 C), która to temperatura stopniowo obniża się aż do strefy przewilżonej, w której panuje temperatura 100 C. Ta część masy z tego przedziału, która została nagrzana powyżej temperatury cleaktywacji bentonitu, będzie masą przepaloną, czyli zawierającą bentonit nieaktywny, a zatem taki, który stracił przyrodzoną zdolność wiązania. Rys.2. Schemat układu istniejącego w wilgotnej masie klasycznej (z bentonitem) po wlaniu do wn~ki formy cieklego metalu Fig 2. Schematic diagram of classical green sand mould system (with bentoni te) appeared afier pouring liquid metal into mould cavity Temperatura cleaktywacji jest ważnym wskaźnikiem jakości bentonitu i im jest ona wyższa tym lepszy jest bentonit. Przykładowo ilustruje to rysunek 3 [l], na którym jako miarę odporności bentonitu na działanic podv.yższoncj temperatury przyjęto wartość adsorpcji błękitu metylenowego. Jeżeli przyjąć graniczną wartość adsorpcji bł<;;kitu metylenowego wynoszącą 80 mg/g to jako przybliżoną temperaturę cleaktywacji bentonitu południowoniemieckiego można uznać 550 C, bentonitu z Sardynii 560 C, a bentonitu greckiego 585 C. Zatem masy formierskie przegrzane do powyżej podanych temperatur można w przybliżeniu uznać za masy przepalone, czyli zawierające w zasadzie tylko bentonit nieaktywny. Grubość warstwy masy przepalonej do temperatury cleaktywacji zwiększa si<;; w miarę upływu czasu oddziaływania temperatury stopu odlewniczego, a zatem ilość masy przepalonej b<;;dzie tym wi<;;ksza im później

5 51 nastąpi wybicie odlewu z formy. Dlatego proponuje się [6, 8] wybijanie gorących odlewów (dla żeliwa około 1000 C}, zapewniające powstanic możliwie najmniejszej ilości masy przepalonej ~ E o "' l 1-- Bentonit ---~.. ł 100 R ~ ł ł ~ poludniowoniemi..:kl ~entonit z Sarrłvnil f Bentonit gr~cki ~... ' Rys. J. Przykłady wpływu temperatury wygrzewania różnych bentonitów na adsorpcję błękitu metylenowego [l) Fig. 3. Exampłes oftemperature soaking influence on adsorption of cthylcne orangefor different bentonites [l) J. ANALIZAWARIANTÓW SELEKCJI MASY W przypadku odlewania stopów żelaza do form wilgotnych są zwykle używane dwie masy (rdzeniowa i formierska). Ich wzajemny stosunek ilościowy i stopień ich przepalenia zależy od kształtu i wielkości odlewu oraz stosunku grubości warstwy masy do grubości ścianki odlewu. Te właśnie parametry decydują o składzie i jakości masy używanej po wybiciu odlewu, przy czym skład ten będzie zależał także od sposobu i temperatury wybijania odlewów. Zatem można rozważyć następujące warianty selekcji masy podczas wybijania odlewów: l. Wszystką masę, niezależnie od pochodzenia (rdzeń, fom1a) oraz stopnia przepalenia miesza się razem. Stanowi ona masę używaną, którą po odświeżeniu stosuje się ponownie jako masę formierską. Nadmiar masy używanej poddaje się regeneracji lub wywozi na składowisko, 2. Wydziela się masę rdzeniową, a masę formierską przepaloną i nie przepaloną miesza się razem i stanowi ona masę używaną, która po odświeżeniu stanowi masę formierską,

6 52 3. Wyodrębnia się masę formierską przepaloną, a miesza się masę rdzeniową z nie przepaloną masą formierską i ta mieszanina stanowi masę używaną, która po odświeżeniu stanowi masę formierską, 4. Wydziela się nic przepaloną masę formierską, teoretycznie nie wymagającą odświeżania, a miesza masę rdzeniową z przepaloną masą formierską, 5. Wyodrębnia się trzy masy: rdzeniową, formierską przepaloną i formierską nie przepaloną, przy czym ta ostatnia stanowi masę używaną teoretycznie nie wymagającą odświeżania (poza dowilżaniem). Pod względem technologicznym jest niekorzystny nieaktywny bentonit występujący głównie w postaci otoczki przywartej do powierzchni ziarn osnowy (oolityzacja) oraz - w mniejszym stopniu - w postaci pylu. Pod względem ekonomicznym obecność masy przepałonej zwiększa niezbędny do odświeżenia dodatek bentonitu, natomiast obecność masy przepałonej nic jest nickorzystna z punktu widzenia regeneracji osnowy. Iłustrują to przykładowo rezultaty badań [2], z których wynika, że masa stosowana w procesie cołd-box (zawierająca 1,6 cz. wag. spoiwa), sporządzona na osnowie regeneratu otrzymanego (po około 30 minutach regeneracji) z przepałonej masy z bentonitem, uzyskuje około 80% wytrzymałości masy wykonanej na osnowie świeżego piasku kwarcowego (krzywa B na rys. 4). Najkorzystniej kształtuje się wytrzymałość masy na osnowie regeneratu uzyskanego z samej zuż:ytej masy rdzeniowej stosowanej w procesie cołd-box, gdyż już po około l O minutach trwania procesu regeneracji, wytrzymałość masy na osnowie regeneratu, odpowiada wytrzymałości masy na osnowie świeżego piasku kwarcowego, a po dłuższym czasie regeneracji, wyraźnie przekracza tę wartość (krzywa A na rys. 4). Najgorszy układ jest w przypadku regeneratu uzyskanego z mieszanki mas (rdzeniowej oraz przepalonej i nie przepalonej masy z bentonitem). Nawet po 30 minutach trwania regeneracji masa na osnowie tego regeneratu uzyskuje tylko około 80% wartości wytrzymałości otrzymywanej na osnowie świeżego piasku kwarcowego (krzywa C na rys. 4). Układ taki potwierdziły badania wykonane na 4 masach przemysłowych zawierających po około 20% lepiszcza (pole zaciemnione pod krzywą C na rys. 4). Składnikiem utrudniającym proces regeneracji jest zawarty w masie aktywny bentonit. Zatem tak ze względu na odświeżanie masy używanej, jak i na proces regeneracji osnowy z masy zużytej z bentonitem, cełowe jest wydzielenie - podczas wybijania odlewów - masy zawierającej aktywny bentonit. Wydzielona masa, zawierająca aktywny bentonit - co już podano - teoretycznie nie wymaga odświeżania (poza dowilżaniem), a masa przepałona nie zawierająca aktywnego bentonitu łub minimalną jego ilość ma znacznie lepszą regenerowałność niż masa zawierająca bentonit aktywny. Przytoczone rozważania, w t)1ti dane na rysunku 4, wskazują, że spośród podanych pięciu wariantów wybijania należy najpierw rozpatrzyć warianty 3, 4 i 5. Wariant trzeci umożliwia uzyskanie mieszanki nic przepalonej masy

7 53 formierskiej z masą rdzeniową, przy czym mieszanka ta wymaga mmejszego dodatku świeżych materiałów, niż masa używana zawierająca dodatkowo przepaloną masę formierską (wariant n. w wariancie czwartym uzyskuje się nie przepaloną masę formierską teoretycznie nie wymagającą odświeżania (poza dowilżaniem) oraz mieszankę masy rdzeniowej i przepalonej masy formierskiej, która to mieszanka ma zwykle dobrą regenerowalność. Zakres zastosowania regeneratu pochodzącego z tej mieszanki będzie zależał tylko od rodzaju spoiwa w masie rdzeniowej. Jeszcze korzystniejszy jest wariant piąty, w którym wydziela się masę rdzeniową oraz przepaloną i nic przepaloną masę formierską. Wprawdzie jest on trudniejszy niż wariant trzeci, ale umożliwia wybór różnych układów, w zależności od jakości spoiwa w masie rdzeniowej. Jeśli masa rdzeniowa będzie korzystnym dodatkiem do nie przepalonej masy formierskiej (np. zmniejszy dodatek pyłu węglowego) to może być zmieszana z tą masą. Jeśli regenerat z mieszanki masy rdzeniowej i przepalonej masy formierskiej będzie mógł być wykorzystany w odlewni (np. do sporządzania takiej samej masy rdzeniowej, jaką stosowano do produkcji wybijanych odlewów) to można zmieszać obydwie te masy i łącznie poddać je procesowi regeneracji. Natomiast jeżeli regenerat z tej mieszanki nie może być wykorzystany w danej odlewni, to należy rozpatrzyć możliwość zastosowania wariantu trzeciego, a przepaloną masę formierską - w zależności od jej ilości - poddać procesowi regeneracji lub wywieść na składowisko. Można także - w przypadku wariantu piątego - brać pod uwagę rzadko stosowany i zwykle nieopłacalny układ regeneracji masy rdzeniowej i odrębnej regeneracji przepalonej masy formierskiej oraz bezpośrednie wykorzystanie nie przepalonej masy formierskiej. Obcenic najczęściej jest stosowany w praktyce wariant pierwszy, który wymaga największego dodatku świeżego bentonitu podczas procesu odświeżania masy, a często także dodatku świeżej osnowy (piasku kwarcowego) i wywiezienia nadmiaru masy używanej na składowisko. Przy większym nadmiarze masy powinno się stosować proces regeneracji osnowy. Jest on w warunkach krajowych nadał rzadko stosowany, a mieszanina masy rdzeniowej oraz przepalonej i nie przepalonej masy formierskiej (z aktywnym bentonitem) charakteryzuje się złą regenerowalnością, pogarszającą się w miarę zwiększania się zawartości aktywnego bentonitu w tej mieszaninie. Jeszcze gorszą rcgcncrowalnością będzie się charakteryzować mieszanka tylko przepałonej i nie przepalonej masy formierskiej (wariant 2) ze względu na jeszcze większy niż w wariancie l, udział aktywnego bentonitu w masie, który to bentonit wyraźnie pogarsza efekty regeneracji (patrz rys. 1). Wydzielona w wariancie drugim masa rdzeniowa może być albo dodana do mieszanki przepalonej i nie przepalonej masy formierskiej i wtedy układ sprowadza się do wariantu pierwszego, albo odrębnie regenerowana, lub - w najgorszym przypadku - wywieziona na składowisko. Wariant 2 może

8 54 okazać się konieczny do zastosowania wtedy, gdy masa rdzeniowa jest wyraźnie szkodliwa dla masy formierskiej z bentonitem (np. masa rdzeniowa ze szkłem wodnym). o Czas trwania regeneracji, minuty Rys. 4. Wpływ czasu trwania regeneracji na stosunek wytrzymałości masy (stosowanej w procesie cold-box) spo17.ądzonej na regeneratach pochodzących z różnych mas zużytych, w stosunku do wytrzymałości uzyskanej na osnowie świeżego piasku kwarcowego [2] Fig. 4. Influence ofreclamation process duration time on cold-box sandsampic tensile strength, prepared with use the reclaimed sands originatcd from di!tcrent uscd sands, related to the anagogical sand sample tensile strength fully prepared from the fresh silica sand [2) Analizując doświadczenia czołowych firm zagranicznych specjalizujących się w budowie automatycznych linii formierskich można zauważyć, że coraz czc,:ściej wybijanie jest poprzedzone rozdzieleniem polowek form i usunięciem z masy odlewów za pomocą manipulatorów specjalnie przeznaczonych do wyjmowania odlewów. Usuwanie odlewów z form bezskrzynkowych o pionowej powierzchni podziału, poprzedzające ich właściwe wybijanie, jest dotychczas stosowane w linii Disamatic 2070 [4], co pozwala na skrócenie czasu termicznego oddziaływania odlewu na masę i zmniejsza jej cieplne zużycie. Intensywny rozwój

9 55 robotyki w ostatnich latach stwarza możliwość realizacji tej wersji wybijania również w liniach skrzynkowych, gdyż układy sterowania pracą wspólczesnych linii odlewniczych są już w stanie uwzględnić konieczność regulacji czasu kontaktu masy z odlewami [7, 8]. 4. WNIOSKI l. Projektując lub modernizując proces wybijania odlewów wykonywanych w wilgotnych masach klasycznych (z bentonitem) celowe jest uwzględnienie możliwości takiej selekcji masy, aby uzyskać możliwie najkorzystniejszy układ pod wzgl((dem odświeżania masy używanej i regeneracji osnowy z masy zużytej. Można w tym celu wykorzystać już istniejące rozwiązania techniczne w połączeniu z odpowiednią gospodarką używaną masa formierską. 2. Spośród przeanalizowanych wariantów selekcji masy najkorzystniejszy, ale i najtrudniejszy jest wariant piąty, w którym wyodrębnia się trzy masy: rdzeniową, przepaloną formierską i nie przepaloną formierską. Wariant ten umożliwia łatwe stworzenie układów najkorzystniejszych tak z punktu odświeżania masy formierskiej, jak i efektywności regeneracji oraz przydatności regeneratu. 3. Istotne jest zmniejszenie ilości przepalonej masy formierskiej, co można uzyskać przez zastosowanie wybijania gorących odlewów (dla żeliwa o temperaturze około l 000 C). LITERATURA [l) Baier J. : Przegląd Odlewnictwa 1992, nr 5, s [2] Boenisch D.: Giesserei (83) 1996, nr II, s [3) Charakterystyka mas formierskich w aspekcie emisji wieiopierścieniowych w.. glowodorów aromatycznych. Projekt badawczy KBN nr 7.S Praca zbiorowa. Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków [4) Dańleo J., Fcdoryszyn A.: Analysis of Automalic Casting Lines for Flasless Moulding. Mctallurgy and Foundry Engineering (23) 1997, nr l, s [5] Lewandowski J. L.: Tworzywa na formy odlewnicze. Wydawnictwo,,Akapit", Kraków 1997, stron 598. [6] Mai R. i inni: Giesserei (83) 1996, nr 12, s [7] Materiały prospektowe firm DISA, BMD, DISA FORMA, DISA TECHNOLOGIES, DISA GEORG FISHER, GEORG FISHER, IillNTER, UNIVERSAL, HEINRICH WAGNER, HAFLIN G ER. [8] Pistol G., HubJer J.: Giesscrci (82) 1995, nr 21, s Recenzent: prof. dr hab. inż. Stanisław Jura

10 56 Jan Lech Lewandowski JózefDańko The importance of diffcrent sands selection d u ring the operation of castings knock out Summary The operation of castings knock out is rcgarded mainly in respect with the cleanness of castings surface. In comrnon practice, however, there is not emphasised the necessity of different sand's selection resulting in separation of complctely bumed-through, the partly or quite not bumed sands, and also a core sands. S uch separation of different sands cnabies the reasonable (theoretically without of sand rcfreshing operation) use of quite not bumcd moulding sand and proccssing, by means of reclaiming process, the such uscd sands only, which properties are characterised as possessing a good reclamability.