8/20 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 20 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 20 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 BADANIA MAS FORMIERSKICH I RDZENIOWYCH PRZEZNACZONYCH DO PRODUKCJI ODLEWÓW STALIWNYCH Z ZASTOSOWANIEM NOWEGO SPOIWA GEOPOLIMEROWEGO F. PEZARSKI 1, Z. MANIOWSKI 2, I. IZDEBSKA-SZANDA 3 E. SMOLUCHOWSKA 4 Instytut Odlewnictwa, 30-418 Kraków, ul. Zakopiańska 73 STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych właściwości technologicznych mas formierskich samoutwardzalnych z udziałem nowej ekologicznej kompozycji wiążącej - spoiwa geopolimerowego. Przedstawiono porównanie właściwości technologicznych tych mas z właściwościami mas samoutwardzalnych ze szkłem wodnym typu floster. Przedstawiono próby wykonywania mas formierskich, form i odlewów staliwnych z zastosowaniem nowej kompozycji wiążącej w warunkach przemysłowych. Key words: sodium silicate, geopolymer binder, silica sand, chromite sand. 1. WSTĘP Firma SAND TEAM Sp. z o.o. w Brnie opracowała nowe spoiwo geopolimerowe do wykonywania mas samoutwardzalnych. Nowe spoiwo zawiera nieorganiczny polimer zbudowany na osnowie krzemu i glinu. Masa z jego udziałem po utwardzeniu charakteryzuje się dużą wytrzymałością i przepuszczalnością, dobrą płynnością, małą lepkością (łatwe czyszczenie oprzyrządowania), niższą wilgotnością w porównaniu z masami zawierającymi szkło wodne. Przez zastosowanie odpowiedniego utwardzacza istnieje możliwość regulacji szybkości wiązania w szero- 1 mgr inż.; fpez@iod.krakow.pl 2 mgr inż.; zman@iod.krakow.pl 3 mgr inż.; irsza@iod.krakow.pl 4 mgr inż.; esmol@iod.krakow.pl
66 kim zakresie. Oprócz wymienionych zalet udział spoiwa w masie jest znacznie mniejszy niż w przypadku mas ze szkłem wodnym, co wpływa na obniżenie kosztów produkcji. Masa jest bardzo dobrze wybijalna i regenerowalna. Zastosowanie nowego spoiwa w technologii mas samoutwardzalnych poprawia warunki pracy i ochronę środowiska w porównaniu do stosowanych technologii opartych na szkle wodnym oraz mas ze spoiwami organicznymi. 2. BADANIA LABORATORYJNE WŁASNOŚCI TECHNOLOGICZNYCH MAS SAMOUTWARDZALNYCH Z NOWYM SPOIWEM W laboratorium Instytutu Odlewnictwa wykonano masy formierskie z udziałem nowego spoiwa SIAL 10 i dla porównania ze szkłem wodnym R 145M, stosowanym w ZM POMET S.A., o składzie stosowanym w tej odlewni i w zbliżonych warunkach otoczenia (temperatura 17 0 C, wilgotność powietrza 71%). Masy sporządzano w oparciu o piasek kwarcowy Biała Góra 1K o frakcji głównej 0,40/0,32/0,20 w mieszarce laboratoryjnej wstęgowej LM-R1, stosując czasy mieszania: piasek+ utwardzacz 1,5 minuty i piasek + utwardzacz + spoiwo 1,5 minuty. Masy ze szkłem wodnym wykonywano z udziałem utwardzacza flodur 5, a masy z nowym spoiwem z udziałem utwardzacza, zapewniającego masie długi okres przydatności do formowania i utwardzacza, zapewniającego masie krótki czas przydatności do formowania. Składy mas i ich właściwości technologiczne przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Właściwości technologicznych mas z udziałem szkła wodnego i nowego spoiwa SIAL 10 Table 1. Technological properties of sands with sodium silicate and with the new SIAL 10 binder L.p Skład masy (cz.wag) 1 Piasek B.Góra Szkło R145M 4,45 Flodur 5 0,85 2 Piasek B.Góra SIAL 10 3 Piasek B.Góra SIAL 10 Żywotność, min 39 22 47 Przepuszczalność P, j.p ściskanie Rc MPa 1 h 3 h 24 h 0,42 1,35 >5,0 0,42 1,28 >5,0 0,43 1,32 >5,0 0,45 0,47 0,46 - - - 1,18 1,26 1,25 1,08 1,11 1,05 3,34 3,29 3,27 3,46 3,40 3,39 W tabeli 2 przedstawiono wyniki badań technologicznych mas wykonanych z udziałem nowego spoiwa SIAL 10, świeżego piasku Biała Góra i regeneratu uzyskanego laboratoryjnie z masy z udziałem nowego spoiwa.
67 Tabela 2. Właściwości mas ze spoiwem SIAL 10 wykonanych z piasku świeżego i regeneratu Table 2. Properties of sand mixtures with the SIAL 10 binder containing new sand and reclaim Lp Skład masy Żywotność. Przepu szczaln ściskanie Rc, MPa zginanie Rg, MPa w cz. wag. min ość P, j.p. 1 h 3 h 24 h 1 h 3 h 24 h 1 Piasek B. Góra 525 0,42 1,18 3,27 0,25 0,595 1,38 SIAL 10 A 27 0,44 1,14 3,23 0,29 0,66 1,38 525 0,41 1,18 3,3 0,27 0,63 1,39 2. Piasek B.Góra 40,0 Regenerat IO 60,0 SIAL 10 3 Piasek B.Góra 40,0 Regenerat IO 60,0 SIAL 10 27 29 500 500 500 525 525 0,51 0,54 0,54 0,58 0,59 0,58 1,47 1,56 1,44 4 5 1,79 2,90 2,83 3,00 3,48 3,36 3,42 0,31 0,3 0,32 0,35 0,32 0,34 0,66 0,68 0,64 0,76 0,69 0,80 1,38 1,37 139 1,24 1,24 1,25 W kolejnych badaniach laboratoryjnych w Instytucie Odlewnictwa do mas stosowano piasek kwarcowy Szczakowa 1K o frakcji głównej 0,20/0,40/0,32 oraz spoiwo geopolimerowe z nowej dostawy o nazwie handlowej. Masy wykonywano z utwardzaczem i utwardzaczem. Skład mas i ich właściwości technologiczne przedstawiono w tabeli 3. Tabela 3. Table 3. Lp Skład masy /cz.wag/ Wyniki badań właściwości mas wykonanych z udziałem spoiwa The results of investigation of the properties of sands made with a binder Zywot Przep., -ność, P, j.p. ściskanie, Rc, MPa zginanie, Rg, MPa min. 1h 3h 24h 1h 3h 24h po 2 h po 2 h po 2 h 1,28 1,39 2,47 0,28 0,78 1,17 49 300 1,33 1,34 2,59 0,26 0,75 1,11 1,35 1,42 2,44 0,29 0,78 1,14 1. Piasek 2. Piasek 18 300 1,11 1,12 1,18 1,72 1,67 1,70 2,21 2,29 2,23 0,51 0,47 0,49 0,68 0,66 0,68 0,84 0,89 0,85 Celem oceny przydatności nowego spoiwa w warunkach odlewni przeprowadzono badania laboratoryjne mas z tym spoiwem w laboratorium ZM POMET S.A. w Poznaniu. Uzyskane wyniki badań przedstawiono w tabeli 4. Wytrzymałości (Rc i Rg) mas sporządzanych z udziałem świeżego piasku kwarcowego są zbliżone do wytrzymałości mas otrzymywanych w dotychczasowej produkcji odlewni. Dodatek nowego spoiwa w ilości cz. wag. zapewnia masie formierskiej wymaganą technologią wytrzymałość.
68 Badania mas z udziałem regeneratu z bieżącej produkcji, a więc uzyskanego z mas wykonywanych z udziałem szkła wodnego gat.145m, pokazują, że nie jest wskazane stosowanie regeneratu z mas ze szkłem 145M do mas z nowym spoiwem. Różnice we właściwościach wytrzymałościowych pomiędzy poszczególnymi masami wynikały z różnic temperaturowych w laboratorium i na odlewni, a przede wszystkim z niestabilności ziarnistości piasku, o czym świadczą wahania przepuszczalności (od 350 1250 j.p.). Wytrzymałości mas z piaskiem chromitowym są zadowalające. Wystarczający jest dodatek spoiwa w ilości 1,08 cz. wag. 3. PRÓBY WYKONYWANIA MAS, FORM I ODLEWÓW W celu przeprowadzenia prób przemysłowych, do ZM POMET SA dostarczono 1,5 t spoiwa wyprodukowanego w ZCH w Rudnikach oraz 2 beczki utwardzaczy i. Do prób wytypowano odlewy poprzecznicy. Skład masy wykonywanej z udziałem piasku kwarcowego Biała Góra o frakcji głównej 0,40/0,32/0,20 dla wytypowanego asortymentu odlewów był następujący: piasek - cz. wag., spoiwo - cz. wag., utwardzacz - 0,35 cz. wag. Masy formierskie wykonywano w agregacie PZC-12. z którego zasypywano połówki form. Ze względu na mały udział utwardzacza w masie nie było możliwości, przy istniejącej wydajności agregatu 8 t/h, ustawienia wymaganej ( cz. wag.) ilości utwardzacza. Najmniejsza, możliwa do ustawienia wydajność pompy wynosiła 0,35 cz. wag. i przy takiej wydajności wykonywano masy. Masy z udziałem piasku chromitowego o frakcji głównej 0,20/0,32/0,40 wykonywano w mieszarce krążnikowej znajdującej się w pobliżu wykonywanych form, a ich skład, opracowany doświadczalnie, przedstawiał się następująco: piasek chromitowy - cz.wag., spoiwo - 1,08 cz.wag., utwardzacz - 0,13 cz.wag. Żywotność masy przy istniejącej na hali temperaturze 10 0 C wynosiła 16 minut. Wykonane formy obracano i usuwano z nich modele po 2 godzinach od momentu ich wykonania. Stosowano powłokę ochronną Tenocoating ZBBP-16 firmy Foseco. Przygotowane jak wyżej formy zalewano następnego dnia staliwem. W wyniku pomyślnych prób laboratoryjnych i przemysłowych początkiem bieżącego roku w Z M POMET S.A. w Poznaniu zastosowano nowe spoiwo do ciągłej produkcji form i rdzeni dla odlewów staliwnych z zastosowaniem regeneratu odzyskiwanego z zużytych mas formierskich i rdzeniowych. Według opinii Technologa Zakładowego nowe spoiwo spełnia założenia technologii dla tego typu odlewów. Masa wybija się łatwiej od masy wykonywanej z udziałem szkła wodnego R 145M i nie przywiera do odlewu. Jakość odlewów po oczyszczeniu nie budzi zastrzeżeń.
69 Tabela 4. Wyniki badań właściwości mas wykonanych w laboratorium ZM POMET Table 4. The results of the examinations made by the ZM POMET laboratory on sand properties Lp Skład masy, /cz.wag/ Żywo tność, Przep. P, j.p. ściskanie, Rc, MPa zginanie, Rg, MPa min. 1 h 3 h 24 h 1 h 3 h 24 h 1 Piasek kwarcowy 26 680 0,71 2,92 0,25 0,65 1,35 2 Piasek kwarcowy Regenerat 3 Piasek kwarcowy 4 Piasek kwarcowy Regenerat 5 Piasek kwarcowy 6 Piasek kwarcowy Regenerat 7 Piasek kwarcowy 8 Piasek kwarcowy 9 Piasek chromitowy 10 Piasek chromitowy 11 Piasek chromitowy 12 Piasek chromitowy 1,08 0,13 1,2 0,15 1,08 0,13 1,2 0,15 10-0,14 0,17 0,60 0,30 0,43 0,65 25 - - 0,51 3,50-0,75 2,20 7 1100 0,52 1,76 0,43 0,58 0,95 7 640 0,44 1,07 2 0,55 1,23 1,30 3-0,15 0,43 0,68 0,20 0,60 0,50 7 370 0,30 0,95 1,46-0,75 2,20 3 1250 0,20 0,45 0,83-1,00 1,15 7 199 0,18 1,28 2,89 0,30 1,00 1,57 12 297-1,56 3,35 0,40 1,93 3,00 12 214 1,13 1,33 > 0,65 1,38 1,57 7 244 1,76 > 0,43 1,53 5 W tabeli 5 przedstawiono wyniki badań technologicznych mas wykonywanych w warunkach przemysłowych w ZM POMET S.A.
70 Tabela 5. Table 5. Lp 1. Wyniki badań właściwości technologicznych mas przemysłowych The results of testing the technological properties of industrial sands Skład masy Przepusz /cz.wag/ czalność ściskanie, Rc, MPa zginanie, Rg, MPa P, j.p. 1 h 3 h 24 h 1 h 3 h 24 h Piasek kwarcowy 600 0,5 1,14 1,68 600 0,84 1,22 0 0,35 600 0,74 1,26 4 2. Piasek chromitowy 0,35 LITERATURA 600 0,66 1,38 1,42 1,22 0 1,76 1,60 > > > 0,52 0,51 0,53 0,55 0,64 0,60 0,78 0,70 0,92 1,10 1,30 1,25 - - - 1. J. Nowotny: Masy samoutwardzalne z geopolimerowym układem wiążącym Biuletyn Konferencyjny VIII Konferencja Odlewnicza Technical 2005, s. 111-123. 2. F. Pezarski i inni: Przeprowadzenie prób i badań nad zastosowaniem spoiwa RUDAL w polskich odlewniach. Praca I.O. zl 4326/00 dla Firmy SAND TEAM Sp. z o.o. w Brnie. 3. F. Pezarski i inni: Przeprowadzenie prób nad zastosowaniem nowej kompozycji wiążącej szkła wodnego w warunkach POMET S.A. w Poznaniu. Praca I.O. zlec. 4331/00 dla ZM POMET S.A. w Poznaniu. SUMMARY INVESTIGATIONS OF MOULDING AND CORE SANDS MADE WITH A NEW GEOPOLYMER BINDER ASSIGNED FOR PRODUCTION OF STEEL CASTINGS The article presents the results of laboratory tests of the technological properties of the self-setting moulding sands prepared with the addition of a new, ecological geopolymer binder composition. The technological properties of these sands were compared with the properties of the self-setting sands made with floster sodium silicate binder. The pilot production under industrial conditions of moulding sands, and of moulds and steel castings with the new binding composition was described. Recenzent: prof. dr hab. inż. Jan Lech Lewandowski.