Опыт применения комплексных противопригарных материалов для производства чугунных отливок

Аннотация

В статье описан опыт использования в отечественном литейном производстве разработанной ЗАО «ВНХК», г. Н. Новгород нового комплексного противопригарного материала «Блескол-П». Материал внедрен более, чем на 20 литейных заводах, в том числе ОАО «АВТОВАЗ», АМО «ЗИЛ» при изготовлении ответственных чугунных отливок на автоматических и механизированных формовочных линиях. Практически во всех случаях отмечено снижение количества дефектов поверхности отливок. Специальные исследования показали, что при использовании противопригарной добавки «БЛЕСКОЛ-П» концентрация вредных веществ – бензола, фенола, оксида углерода в атмосфере цеха значительно ниже ПДК (предельно допустимых концентраций).

И.Н. Маляшов, Д.В. Скарюкин (ЗАО «ВНХК»), А.В. Стрешнев, Н.И. Васильев, Б.В. Муровалов (ОАО «АВТОВАЗ»), Ю.Г. Кураков, А.В. Назаров, Л.П. Туманова (АМО «ЗИЛ»).

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ ПРОТИВОПРИГАРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК.

Углеродсодержащие материалы – неотъемлемые компоненты песчано-глинистых (бентонитовых) формовочных смесей для производства чугунных отливок в массовом и серийном производстве. До недавнего времени основным таким материалом в нашей стране был молотый (гранулированный) каменный уголь. Однако в последние несколько лет начато производство и освоение на ряде предприятий новых, более эффективных материалов - заменителей угля.

Применение углеродсодержащих материалов позволяет:

· предотвратить возникновение трудноудаляемого пригара;

· уменьшить шероховатость поверхности отливок;

· уменьшить склонность формовочной смеси к образованию ужимин;

· улучшить выбиваемость формовочной смеси, т. е. разделение формовочной смеси и отливки на выбивных решетках, сократить потери смеси из системы («уходы»).

Механизм действия углеродсодержащих добавок, используемых для приготовления формовочных смесей, достаточно изучен и опубликован в технической литературе /1/,/2/. Основные требования к ним:

· быстрая газификация под действием тепла заливаемого в форму металла и образование в полости формы восстановительной атмосферы;

· достаточно высокий выход блестящего (пиролитического) углерода из образующейся в процессе заливки газовой фазы;

· способствовать к снижению величины возникающих в поверхностных слоях формы термических напряжений, являющихся основной причиной образования ужимин;

· минимальное содержание примесей, отрицательно влияющих на свойства формовочных смесей – серы, золы, азота и др.:

· минимальное выделение (в идеале исключить) в атмосферу цеха продуктов пиролиза содержащихся в материале компонентов, в том числе бензола, полициклических ароматических углеводородов, оксида углерода и др.

До настоящего времени в отечественном литейном производстве в качестве противопригарной добавки при производстве чугунных отливок применялся в основном каменноугольный порошок (т.н. гранулированный уголь). Основные его недостатки:

· сравнительно невысокий (6-10%) выход блестящего углерода и, соответственно,

связанная с этим необходимость поддержания высокого его содержания в смеси – потери при прокаливании (П.П.П.) до 7-9%, расход до 45-50 кг на тонну годного литья;

· повышенная газотворность формовочных смесей и связанная с этим опасность появления газовых раковин и взрывного пригара;

· накопление в смеси вредных примесей – золы, серы, азота;

· увеличение влагоемкости (влажности при требуемой насыпной плотности) формовочных смесей из-за повышенного содержания пылевидных частиц угля и кокса, более интенсивной оолитизации (шамотизации) их зерновой основы;

· увеличенный расход бентонита вследствие значительного снижения его термостойкости в присутствии угля;

· выделение в атмосферу цеха заметного количества вредных для здоровья людей продуктов пиролиза угля, в том числе бензола, оксида углерода и канцерогенных полициклических ароматических углеводородов (аренов).

За рубежом разработано и поставляется потребителям большое количество различных материалов, в той или иной степени свободных от перечисленных недостатков. К их числу следует отнести в первую очередь комплексные добавки, иногда называемые также синтетическими углями. Основное отличие таких добавок – повышенный в 1,5-2 раза по сравнению с углем выход блестящего углерода и, соответственно, уменьшенный расход; изменяемые по требованию заказчика интервал пластического состояния (противоужиминный эффект) и санитарно-гигиенические характеристики.

В большинстве случаев в состав таких добавок входят каменный уголь, битум, асфальтит, смолы. В целях пожарной безопасности транспортировка и хранение таких добавок осуществляется в смеси с бентонитом.

В настоящее время пристальное внимание уделяется экологической безопасности используемым в литейном производстве материалам, в том числе материалам, используемым для изготовления противопригарных добавок /3/. На практике снижение количества образующихся вредных веществ до уровня ниже ПДК достигается двумя способами:

1. Использование в составе комплексных противопригарных добавок углей с пониженным выходом летучих составляющих и углеводородных соединений с высоким выходом блестящего углерода. Как правило, подобные добавки обладают хорошими противопригарными и невысокими противоужиминными свойствами, и их целесообразно использовать при наличии бентонита с высокой прочностью в зоне конденсации влаги.

2. Существенное снижение количества противопригарного материала в составе формовочной смеси (уменьшением П.П.П.) при использовании добавок с повышенным выходом блестящего углерода. Подобные комплексные добавки могут быть изготовлены на основе углей с высоким выходом летучих составляющих, например газовых углей, и углеводородных смол. Эти добавки наряду с предотвращением пригара обычно обладают заметными противоужиминными свойствами.

В России работы по созданию, организации производства и поставке комплексных противопригарных добавок под научным руководством к.т.н. Ф.С.Кваши проводили институты НИИАТМ и ИОТТ совместно с АМО «ЗИЛ», позднее ЗАО «Литаформ» и продолжаются в ЗАО «ВНХК» – (Волжская независимая химическая компания, г. Н. Новгород). При проведении работы использовали зарубежный опыт и отечественные исходные материалы.

Первой такой добавкой, прошедшей производственные испытания в литейном производстве «КамАЗ» в 1992г. был материал «Блескол» на основе каменного угля и синтетического асфальтита. «Блескол» вводился в формовочную смесь линии СПО-1 корпуса серого и ковкого чугуна для производства отливок блоков-цилиндров, картеров делителя и сцепления. За время испытаний расход добавки «Блескол» был на 25% меньше, чем гранулированного угля; потери при прокаливании формовочной смеси снизились на 1,5%, было отмечено общее уменьшение на отливках пригара. Изменений выбиваемости смеси, и в атмосфере цеха не было отмечено. В дальнейшем производство материала Блескол не возобновлялось из-за отсутствия необходимых компонентов.

В настоящее время в отечественном литейном производстве наиболее широко используется разработанная и поставляемая ЗАО «ВНХК» комплексная противопригарная добавка «Блескол-П», включающая каменный уголь, древесный пек и другие компоненты для улучшения технологических свойств формовочных смесей и качества поверхности отливок.

Существенным преимуществом перечисленных комплексных добавок по сравнению с гранулированным углем наряду с улучшением качества поверхности отливок является их положительное влияние на физико-механические и технологические свойства формовочных смесей. В качестве примера в таблице 1 представлены результаты относительного изменения свойств смесей, состоящих из 5% бентонита, 2% комплексной добавки, остальное - кварцевый песок в сравнении с аналогичной смесью с 3% гранулированного угля.

Таблица 1.

Относительное изменение физико-механических и технологических свойств формовочных смесей с отечественными противопригарными добавками.

Показатели	Противопригарный материал
	Гранулированный уголь (3%)	Блескол (2%)	Блескол-П (2%)
Выход блестящего углерода из добавки	1,0	1,5	1,40
Предел прочности при сжатии	1,0	1,10	1,15
Предел прочности при разрыве	1,0	1,15	1,1
Прочность в зоне конденсации	1,0	1,15	1,1
Газопроницаемость	1,0	0,95	0,95
Осыпаемость	1,0	0,85	0,90
Газотворность	1,0	0,90	0,80
Термические напря- жения	1,0	0,80	0,75
Устойчивость к образованию ужимин по пробе Левелинка *	1,0	2,5	2,0

*Примечание. Для обеспечения зависимости степени поражения отливок ужиминами только от свойств добавок использовался не активированный бентонит.

Специальные компоненты в составе материала Блескол-П обеспечивают повышение эффективности перемешивания смеси и, как следствие, увеличение прочностных свойств. Если в повышении прочности смеси нет необходимости, возможно, сократить расход бентонита на 10-15%. Из приведенных в таблице 1 данных видно, что при эквивалентном по выходу блестящего углерода (соответственно, по противопригарным свойствам) содержании гранулированного угля (3%) и, например, добавки Блескол-П (2%) смесь с комплексной добавкой характеризуется существенно меньшей газотворностью и склонностью к образованию ужимин.

За период 2003-2006 г.г. ЗАО «ВНХК» изготовлено и поставлено более чем 20 различным предприятиям более 5000т противопригарной добавки Блескол-П (ТУ 032224-004-55083680-03). Добавка вводится в формовочную смесь, как в сухом виде, так и в составе глинистой (бентонитовой) суспензии. На большинстве из предприятий, испытывавших или внедривших эту добавку, получен положительный результат. В таблице 2 приведены аннотации из некоторых актов о результатах испытаний и внедрения комплексной добавки Блескол-П.

Таблица 2.

Некоторые результаты испытаний и внедрения в производство

добавки Блескол-П.

Завод	Потери при прокаливании формовочной смеси, П.П.П. %	Отливки	Результат (заключение завода)
ОАО «АВТОВАЗ» (внедрение)	4,5-5,0	Блоки- цилиндров	Резко снизились потери оборотной формовочной смеси («уход») на линии СПО-1 за счет уменьшения «шубы» вокруг куста отливок. Снизился окончательный и исправимый брак по пригару, улучшилась чистота поверхности отливок. Удельный расход (кг/т годного) добавки Блескол-П на 24-30% ниже, чем гранулированного угля.
АМО «ЗИЛ» (внедрение)	Для СЧ: 2,6-2,8 Для ВЧ: 2,8-3,0	Все автомо- бильные отливки	Улучшилась чистота поверхности отливок, что позволило в отдельных случаях отказаться от окраски форм.
ТД «ELDIN» (внедрение)	Освежение единой смеси 0,1-0,3%	Корпусные детали элек- тродвигате- лей.	Достаточно высокая эффективность добавки по снижению пригара и склонности к образованию ужимин. Необходимость отработки оптималь- ного ее содержания в смеси.
ОАО «Ливгидромаш» (внедрение)	Освежение единой смеси- 0,1%.	Конвейер: отливки массой от 0,3 до 60кг. Плац-80- 700кг.	Улучшение чистоты поверхности отливок и снижение дефектов типа ужимин. Улучшение качества отпечатка формы с применением моделей, изготовлен-ных из алюминиевого сплава и дерева.
ОАО «Н.Тагильский котельно-радиаторный завод»	Углерод-0,9%. (П.П.П- 2,6 - 2,7%)	Секции котла «Энергия», тормозные локомотивные колодки	Заметно улучшилось качество поверх- ности отливок. Пригара на них практи чески не было. Действие Блескола-П положительно сказалось на снижении дефектов типа ужимины.

Анализ концентрации химически вредных веществ в воздушной среде литейного цеха серого чугуна 11-1, использующего для приготовления формовочных смесей добавку Блескол-П, выполнен лабораторией промсанитарии ОАО «АВТОВАЗ». Пробы воздуха на содержание бензола, фенола (гидроксибензола), оксида углерода (СО) отбирались на участках смесеприготовления и изготовления верхней и нижней полуформ. Предельно-допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны (гигиенические нормативы) приведены в ГН 2.2.5.1313-03. Результаты анализов приведены в таблице 3. Каждый результат – среднее из пяти параллельных анализов.

Таблица 3.

Концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны фомовочно-заливочной линии при использовании в составе формовочной смеси добавки Блескол-П.

.

Место отбора проб	Количество химически вредных веществ, мг/м куб.
	Бензол		Фенол (гидроксибензол)		Оксид углерода (СО)
	Обнаружено	ПДК	Обнаружено*	ПДК	Обнаружено	ПДК
Смешивающие бегуны	0,0133	5,0	Следы	0,3	7,2	20,0
Формовочный автомат «НИЗ»	0,067	5,0	0,092	0,3	7,6	20,0
Формовочный автомат «ВЕРХ»	0,23	5,0	0,092	0,3	8,0	20,0

*Для изготовления части стержней в нагреваемой оснастке в цехе применяется

фенолкарбамидная смола ФПР-24.

Исследования, проведенные в литейном производстве ОАО «АВТОВАЗ», подтвердили, что при использовании формовочных смесей, содержащих в качестве противопригарной добавки Блескол-П, концентрация вредных веществ – бензола, гидроксибензола (фенола), оксида углерода значительно ниже ПДК.

Т. о. опыт использования в литейном производстве ряда отечественных заводов комплексного противопригарного материала Блескол-П подтвердил его достаточно высокую эффективность, том числе:

· хороший противопригарный эффект. При использовании добавки Блескол-П имеется возможность существенно улучшить качество поверхности чугунных отливок и сократить потери от брака при уменьшении расхода на 30-35% (опыт ОАО «АВТОВАЗ»), или идти по пути резкого, до 2-х раз, сокращения по сравнению с гранулированным углем его содержания в смеси при неизменной и несколько лучшей поверхности отливок. Естественно, во втором случае необходимо жестко стабилизировать состав, свойства и контроль формовочных смесей, и режим их уплотнения.

· возможность уменьшения расхода бентонита на 10-15% при неизменной прочности формовочной смеси, или соответствующее повышение ее прочности за счет повышения эффективности распределения бентонита в смеси в процессе приготовления с добавкой Блескол-П;

· возможность отказа во многих случаях от применения окраски рабочей поверхности форм противопригарными покрытиями;

· обеспечение низкой (значительно ниже ПДК) концентрации вредных веществ – бензола, фенола, оксида углерода в воздухе рабочей зоны.

Список литературы.

1. I. Bindernagel, A. Kolorz, K. Orths, Giesserei, 1974, 61, № 8,

2. Ф. С. Кваша, Л. П. Туманова, Литейное производство, 2003, № 10,11.

3. J. Baier, Giesserei, 1991, 78, №11.