CC BY
45
А КГГ^ г: Г^ГШ?ГТКf] /Д1
-3, 2019 / ■
https://doi.org/10.21122/1683-6065-2019-3-41-45 Поступила 08.08.2019
УДК 621.742.486; 621.743.42 Received 08.08.2019
ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЕ МОДИФИЦИРОВАННОЕ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ ЖИДКОСТЕКОЛЬНОЕ СВЯЗУЮЩЕЕ
Ю. Ю. ГУМИНСКИЙ, С. Л. РОВИН, Белорусский национальный технический университет, г. Минск, Беларусь, пр. Независимости, 65. E-mail: [email protected]
Описаны вопросы экологической безопасности литейного производства, связанные с применением органических связующих. Рассмотрены преимущества и недостатки жидкостекольного связующего материала. Представлен механизм влияния ультрадисперсного модификатора на структуру и свойства жидкостекольного связующего. Обоснована перспективность применения экологически чистого модифицированного ультрадисперсными материалами жидкостекольного связующего.
Ключевые слова. Жидкостекольное связующее, силикат натрия, модифицирование, ультрадисперсный материал, выбива-емость.
Для цитирования. Гуминский, Ю. Ю. Экологически чистое модифицированное ультрадисперсными материалами жидко-стекольное связующее /Ю. Ю. Гуминский, С. Л. Ровин //Литье и металлургия. 2019. № 3. С. 41-45. https:// doi.org/10.21122/1683-6065-2019-3-41-45.
ECO-FRIENDLY LIQUID-GLASS BINDER MODIFIED BY ULTRADISPERSED MATERIALS
YU. YU. HUMINSKI, S. L. ROVIN, Belarusian National Technical University, Minsk, Belarus, 65, Nezavisimosti ave. E-mail: [email protected]
Advantages and disadvantages of liquid glass binder are considered. Mechanism of the influence of an ultradispersed modifier on the structure and properties of a liquid-glass binder are submitted. The prospects of using environmentally friendly liquid-glass binder modified with ultrafine materials are justified.
The questions of ecological safety offoundry production connected with application of organic binders are described. The advantages and disadvantages of the liquid-glass binder are considered. The mechanism of influence of ultradispersed modifier on the structure and properties of the liquid-glass binder is presented. The prospects of using environmentally friendly liquid-glass binder modified with ultrafine materials are justified.
Keywords. Liquid-glass binder, sodium silicate, modification, ultradispersed material, knockout.
For citation. Hyminski Yu. Yu., Rovin S. L. Eco-friendly liquid-glass binder modified by ultradispersed materials. Foundry production and metallurgy, 2019, no. 3, pp. 41-45. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2019-3-41-45.
Для развития литейного производства требуется его постоянное обновление и модернизация на основе прогрессивных действующих и новых перспективных технологических процессов. Необходимость интеграции отечественного литейного производства в мировой рынок ставит перед литейщиками серьезные задачи по снижению себестоимости, повышению качества и товарного вида отливок, а также по повышению экологической чистоты производства.
Предпочтительное отношение к современным органическим связующим при изготовлении стержней связано с рядом их важных технологических преимуществ, прежде всего, это высокая прочность после отверждения и низкая остаточная прочность после заливки металла, благодаря которым достигается высокое качество отливок и снижаются трудозатраты на их изготовление. Однако, несмотря на значительный прогресс, применение таких связующих приводит к образованию токсичных газов, особенно при заливке расплава, и опасных твердых отходов в виде отработанных смесей. В результате в атмосферу цеха и окружающую среду попадают такие вредные вещества, как аммиак, ацетон, акролеин, фенол, формальдегид, фурфурол и др.
FOUNDRY PRODUCTION nND M€TnLLURGY
ЧЛ I 3, 2019-
* - рефпеисы углерода [26-1077]
Рис. 1. Рентгенограмма ультрадисперсного модификатора
Использование формовочных и стержневых смесей на жидком стекле позволяет существенно снизить токсичную и экологическую опасность производства отливок. Кроме того, жидкостекольные смеси имеют значительно меньшую стоимость относительно смесей на органических связующих и могут использоваться при изготовлении форм и стержней как для стального, так и для чугунного литья [1]. Немаловажно и то, что захоронение отходов IV класса опасности, к которым относятся отработанные жидкостекольные смеси, стоит в несколько раз дешевле, чем захоронение отходов П-Ш класса опасности, к которым относятся отработанные ХТС на органических связующих. К тому же отработанные жидко-стекольные смеси можно использовать в строительстве автомобильных дорог. Большой опыт в этом имеют США.
Сдерживающими факторами широкого применения жидкостекольных формовочных и стержневых смесей и основной причиной сокращения их использования являются плохая выбиваемость, высокая склонность к пригару, относительно низкая живучесть, повышенная гигроскопичность, плохая регене-рируемость [2].
Однако ужесточение экологических требований заставляет исследователей и производственников снова возвратиться к решению задач повышения технологичности жидкостекольных смесей.
Традиционный способ улучшения технологических свойств жидкостекольных смесей - введение в их состав различных модифицирующих добавок органического и неорганического происхождения, а также комплексных модификаторов на их основе. Основная задача модифицирования - обеспечить упрочнение смеси в холодном состоянии и ее разупрочнение после высокотемпературного воздействия [3].
Одним из наиболее эффективных способов является автоклавное модифицирование жидкого стекла ультрадисперсными материалами.
Исследования показали, что применение ультрадисперсного углеродсодержащего модификатора позволяет добиться снижения работы выбивки почти в 2 раза, при этом сохраняя экологические преимущества жидкостекольного связующего.
Результаты рентгенофазового исследования экспериментального модификатора приведены на рис. 1.
Количественный анализ проидентифицированных фаз в ультрадисперсном модификаторе, проведенный рентгенографическим методом, показал, что основными кристаллическими фазами в нем являются графит, содержание которого в смеси составляет не менее 50%, и кварц - до 35%. На дифрактограмме хорошо прослеживается широкий размытый малоинтенсивный рефлекс в области 2© 10-150°, являющийся суперпозицией аморфной фазы и фонового излучения. В состав модификатора входят также мусковит, гидробиотит, корренсит и альбит.
г^тсшлтггс^ /лч
-3, 2019 / чи
МОО 9000 2900 2000 1900 1000 900 9900 Ш)0 2900 2000 1900 1000 900
Волновое число, си-1 ООевЧИВт волиам« ЧИСЛО, Ш*1 СИммЦШ
ЖФияяятпрятп* омаром» Т|
Я б
Рис. 2. ИК спектрограммы: а - немодифицированного жидкого стекла; б - модифицированного жидкого стекла
а б
Рис. 3. ИК спектрограммы: а - модификатора; б - модифицированного жидкого стекла
Следует отметить, что из-за обильного количества SiO2 жидкостекольные связующие являются рент-геноаморфными. Поэтому более целесообразно исследование структуры силикатного связующего при помощи ИК спектрографии.
На рис. 2 представлены ИК спектры обычного жидкостекольного связующего и исследуемого модифицированного жидкого стекла, а на рис. 3 - ИК спектрограммы модификатора и модифицированного им связующего. Из ИК спектрограмм видно, что модифицированное жидкое стекло не имеет характерных для модификатора пиков в области повышенной интенсивности 800-1200 см-1, но в то же время, в отличие от обычного жидкого стекла появляются пики в зонах 450-650 и ~1840 см-1.
Это можно объяснить тем, что частицы модификатора встраиваются в структуру силикагеля и образуют химическое соединение, а не находятся как механическая смесь в коллоидном растворе связующего.
Главное отличие ультрадисперсного модификатора в том, что благодаря его размеру он встраивается внутрь структуры глобулы силикагеля, и при температуре 800 °С, когда происходит его термическая деструкция, разрушается и сама глобула силикагеля, обеспечивая желаемое уменьшение остаточной прочности жидкостекольной смеси и снижение трудоемкости операций выбивки форм и регенерации смеси.
Были также проведены исследования структуры модифицированного связующего при температурах, превышающих 800 °С (рис. 4). В сравнении со спектром немодифицированного прокаленного жидкого стекла в спектре прокаленного модифицированного жидкого стекла происходит большее расширение и увеличение интенсивности полосы валентных колебаний кремнекислородных групп в области 8001300 см-1, а также смещение положения максимумов, характеризующих деформационные и валентные колебания силикатного тетраэдра в высокочастотную область.
Помимо ИК спектрографии структура силикатных связующих изучалась с помощью оптического микроскопа (рис. 5). Исследования образцов, подвергнутых нагреву до 800 °С, позволили выявить, что модификатор встраивается в структуру жидкого стекла, располагаясь по границам глобул (темная область на рис. 5, б).
MFOUNDRY PRODUCTION nND M€TnLLURGY
I 3, 2019-
Рис. 5. Структура жидкостекольного связующего, прогретого до 800 °С. х500: а - обычного; б - модифицированного ультрадисперсными материалами
С учетом результатов исследований был разработан технологический процесс модифицирования жидкого стекла неорганическим ультрадисперсным углеродсодержащим материалом. Полученное модифицированное жидкостекольное связующее обеспечивает более чем двухкратное снижение остаточной прочности формовочной смеси после заливки металла.
Выводы
1. Проведенные исследования позволили определить механизм влияния ультрадисперсного модификатора на структуру и свойства жидкостекольного связующего, а также установить взаимосвязь между структурой модифицированного силикатного связующего, его свойствами и качеством жидкостеколь-ных смесей.
2. Выявлено, что ультрадисперсный модификатор улучшает выбиваемость жидкостекольных смесей, отверждаемых по СО2-процессу за счет его термической деструкции внутри глобулы силикагеля, вследствие чего происходит разупрочнение смеси при температуре заливки.
3. Переход на экологически чистое жидкостекольное связующее, модифицированное ультрадисперсными материалами, позволит значительно улучшить микроклимат на рабочих местах формовщиков и заливщиков в литейных цехах, сократить выбросы опасных веществ в атмосферу и исключить необходимость захоронения отходов стержневых смесей И-Ш класса опасности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кукуй Д. М. Технология процессов смесеприготовления и изготовления песчаных литейных форм / Д. М. Кукуй, А. П. Мельников, С. Л. Ровин и др. Минск: БНТУ, 2009. 437 с.
2. Крутилин А. Н. Повышение эффективности использования жидкостекольных смесей. Обзорная информация. Ч. 1. Модифицирование / А. Н. Крутилин, Ю. Ю. Гуминский, О. А. Русевич, Л. В. Кульбицкая // Литье и металлургия. 2018. № 1. С. 47-54.
_ë èгггг È ГСШТКЁРrirг /дк
-3, 2019 / 4U
3. Кукуй Д. М. Автоклавное модифицирование жидкого стекла высокомолекулярными соединениями / Д. М. Кукуй, В. В. Шевчук, В. А. Есепкин и др. // Литейное производство. 1989. № 2. С. 10-11.
REFERENCES
1. Kukuy D. M., Melnikov A. P., Rovin S. L., etc. Texnologiyaprocessov smeseprigotovleniya i izgotovleniyapeschanyh litejnyh form [Technology of processes for mixing and manufacturing sand casting molds]. Minsk BNTU Publ., 2009, 437 p.
2. Krutilin A. N., Huminski Yu. Yu., Rusevitch O. A., Kulbitskaya L. V. Povyshenie effektivnosti ispolzovaniya zhidkostekolnyh smesej. Obzornaya informaciya. Ch.1. Modificirovanie [Improvement of efficiency of use of liquid-glass mixtures. Overview information. Part 1. Modification]. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2018, no. 1, pp. 47-54.
3. Kukuy D. M., Shevchuk V. V., Esepkin V. A. Avtoklavnoe modificirovanie zhidkogo stekla vysokomolekulyarnymi soedineni-yami [Autoclave modification of liquid glass with high molecular weight compounds]. Litejnoe proizvodstvo = Foundry production, 1989, no. 2, pp. 10-11.
