« Назад
От спирта – к гидрозолю: новые возможности 23.11.2017 13:19
От спирта – к гидрозолю: новые возможности
Букреев Сергей, REMET® UK Ltd - 15.03.2014
Чтобы идти в ногу с расширением сферы действия законодательства в области охраны окружающей среды и ужесточением позиции по летучим органическим соединениям, современной компании, занимающейся точным литьем по выплавляемым моделям, следует проанализировать целесообразность внесения коренных изменений в работу цеха пустотелых форм. REMET® – мировой лидер по управлению переходом от этилсиликата к связующему на основе коллоидного диоксида кремния – выявил целый ряд экономических преимуществ и практических выгод для литейных компаний. В данной статье мы расскажем об этих преимуществах, а также о ключевых, недорогих и простых производственных практиках, которые обеспечат их успешную реализацию.
За последние два десятка лет Восток и Запад разошлись во взглядах на методы и материалы для использования в области точного литья по выплавляемым моделям. Одно из наиболее очевидных различий заключается во внедрении гидрозольных связующих (на основе коллоидного диоксида кремния) в Европе и Америке: более 80% литейных компаний в настоящее время используют керамические оболочки на водной основе. На территории Российской Федерации и (в меньшей степени) стран Восточной Европы связующие на спиртовой основе встречаются гораздо чаще, и примерно две трети литейных компаний отдают предпочтение именно этому типу связующего.
Ужесточение требований законодательства в области охраны окружающей среды и, в частности, к летучим органическим соединениям (ЛОС) вызывает беспокойство у литейных компаний, использующих традиционные связующие на спиртовой основе. По имеющимся сведениям, 50% компаний, специализирующихся на точном литье по выплавляемым моделям, в настоящее время рассматривают возможность перехода к связующим на основе коллоидного диоксида кремния.
Многие профессионалы отрасли выражают обеспокоенность по поводу перехода к связующим на основе коллоидного диоксида кремния. Такое отношение объясняется, в значительной степени, глубокими изменениями, которые потребуется внести в работу цеха пустотелых форм. Причиной указанных изменений является отличие эксплуатационных качеств гидрозоля от традиционных связующих. Имеются в виду:
• прочность;
• толщина оболочек;
• стабильность;
• время сушки.
Риски подобного перехода принято связывать с нежелательным ростом затрат. Тем не менее, благодаря Программе передовых технологий природопользования удалось выявить серьезные финансовые стимулы для литейных компаний, желающих работать с новым типом связующих. Обычная литейная компания средней величины, выделив на техническое переоснащение скромную сумму в 2 000 000 рублей, может получить чистую годовую экономию свыше 8 000 000 рублей.
Под эффективным управлением специалиста (не только в области материаловедения, но и в сфере использования материалов для точного литья по выплавляемым моделям) замена материалов даст толчок развитию бизнеса и вскоре начнет повышать эффективность и результативность процесса.
Данная статья призвана продемонстрировать значительные преимущества в результате использования связующего на основе коллоидного диоксида кремния. После этого мы обсудим специальные характеристики связующих на водной основе и вопросы, связанные с контролем их поведения, с точки зрения эффективного управления процессом и оптимизации преимуществ, получаемых благодаря переходу на REMASOL®.
От спирта – к коллоидному диоксиду кремния
Оболочки на спиртовой основе обычно поставляются в виде 40% раствора диоксида кремния, затем отстаиваются в реакционной емкости (как правило, с водяным охлаждением), после чего подвергаются гидролизу за счет добавления кислоты и воды (или коллоидного диоксида кремния) для получения нужной концентрации активного диоксида кремния. Этот процесс является уязвимым (ошибки оператора, перегрев, что часто приводит к изменению характеристик от партии к партии). Связующее на спиртовой основе чувствительно к внешним условиям, в особенности, к температуре и влажности. Неправильно заданные параметры для суспензии и даже простое изменение погодных условий в нерегулируемой внешней среде могут привести к преждевременному загустеванию суспензии, что даст повышенный процент растрескивания, брака и переделки оболочек. Даже в случае установки дорогостоящего контрольного оборудования эти суспензии быстро разрушаются и отличаются коротким сроком службы, что может привести к увеличению уровня отходов.
С точки зрения литейной компании, одно из ключевых отличий в использовании этих связующих заключается в эпизодическом использовании процесса аммонизации. Это процесс позволяет ускорить загустевание каждого слоя за счет быстрого повышения pH. При этом сокращение периода сушки приводит к выделению и испарению ЛОС, что, как было сказано выше, ведет к глобальным экологическим проблемам и является предметом всеболее жесткого нормативно-правового регулирования. Даже при использовании мощных систем вентиляции ЛОС значительно ухудшают качество производственной среды.
С другой стороны, связующие на основе коллоидного диоксида кремния – это готовые к употреблению решения, гораздо менее чувствительные к колебаниям температуры и влажности. Для поддержания оптимальных характеристик суспензии и получения великолепных результатов достаточно систематически контролировать отдельные ключевые параметры. Стабильность суспензии подтверждается измерениями срока ее службы, который исчисляется годами, а не неделями. Это позволяет сокращать объем отходов и экономить материалы.
Гидрозольные связующие, благодаря высокой стабильности, идеально подходят для изготовления первых слоев. Коллоидный диоксид кремния – это гарантия отличной стабильности и безупречного качества поверхности изделий.
Второе ключевое отличие заключается в способности связующих REMASOL значительно увеличивать прочность керамических оболочек. Повышенная прочность позволяет специалистами в области литья по выплавляемым моделям:
• увеличить максимальный вес отливки с литниковой системой на 50%;
• снизить вес опорного слоя в среднем на 18%. Это дает экономию материалов и компенсирует более длительные сроки сушки;
• свести к минимуму или в большинстве случаев полностью исключить необходимость удаления газов при нахождении воска в бойлерклаве;
• получить более плотную оболочку, что уменьшает количество включений в пресс-формах. Кроме того, с такими оболочками проще обращаться, и их сложнее повредить при перемещении вручную.
Особое беспокойство вызывает то, что переход от спиртовой основы к водной основе может привести к смещению размерных характеристик. Масштабные исследования показали, что переход от связующих на спиртовой основе к связующим на водной основе не обязательно приводит к смещению размерных характеристик. Но даже в случае их смещения величина его гораздо меньше, чем разница в размерах между различными моделями. Кроме того, было установлено, что в условиях свободной усадки размеры могут уменьшиться приблизительно на 0,1%, но при этом за счет повышения размерной стабильности распределение существенно сокращается. В целом диапазон изменений размеров при отливке оказывается на 40% - 60% меньше, чем при использовании связующих на спиртовой основе. Соответственно, количество подлежащих изменению пресс-форм для модельных масс окажется минимальным.
Таким образом, при работе со связующими на основе коллоидного диоксида кремния в цехе пустотелых форм достигается существенная экономия материалов, значительно снижается объем переделки и брака, а также энергопотребление, и рациональнее используется рабочая сила. Кроме того, подобная организация работы гораздо эффективнее с точки зрения циклов незавершенного производства.
От коллоидного диоксида кремния – к улучшенному коллоидному диоксиду кремния
Чтобы коренным образом улучшить внешние рабочие условия, специалисты начали повсеместно вводить в стандартное связующее на основе коллоидного диоксида кремния полимерную добавку. Наличие добавки, улучшающей свойства коллоидного диоксида кремния, обеспечивает целый ряд серьезных преимуществ:
• использование усовершенствованных связующих составов позволяет литейным компаниям еще больше расширить диапазон рабочих условий (влажность, температура, движение воздушных потоков и т.д.) в сравнении с обычным коллоидным диоксидом кремния;
• усовершенствованные связующие первого слоя снижают количество поверхностных дефектов, таких как коробление, растрескивание и вспучивание;
• усовершенствованные связующие опорного слоя обеспечивают дополнительную прочность до
прокаливания, повышают проницаемость и сокращают продолжительность обработки между окунаниями;
• первоначальные издержки для усовершенствованного связующего состава выше, чем для стандартного коллоидного связующего. Тем не менее, эта разница с лихвой компенсируется снижением себестоимости за счет скорости обработки и сокращения дефектов литья, случаев растрескивания оболочек и прорыва форм. К тому же, в этом случае можно снять один или несколько слоев. Но действовать следует крайне осторожно.
Для получения стабильно высоких результатов при работе со связующими REMASOL, REMET® рекомендует разработать эффективную программу мониторинга, которая обеспечит высокий уровень управления процессом. В связи с тем, что суспензии на основе коллоидного диоксида кремния отличаются высокой стабильностью и простотой использования, отдельные литейные компании взяли на вооружение принцип «расплавил и забыл». Тем не менее, элементарные методы испытаний позволяют существенно повысить качество принимаемых решений.
pH
Параметр pH имеет критически важное значение для использования всех связующих составов. Подобно тому, как состав на спиртовой основе теряет стабильность в результате аммонизации, стимулирующей загустевание, связующее на водной основе утрачивает стабильность по мере повышения кислотности. Вот почему основное требование заключается в периодическом измерении pH и в предотвращении ослабления основы системы. Обычно компания REMET рекомендует поддерживать pH в диапазоне от 9,6 до 10,1.
Для получения желаемого значения можно использовать слабый раствор гидроксида аммония (концентрация 10-15%) или гидроксида калия (концентрация 2-2,5%). Гидроксид аммония необходимо добавлять чаще, поскольку он достаточно быстро разлагается. Добавлять его в суспензию проще, чем гидроксид калия. Но при этом нужно внимательно следить, чтобы концентрация ионов калия не вышла за установленные пределы. Поэтому компания REMET рекомендует отдавать предпочтение гидроксиду аммония для резервуаров, в которых суспензия будет находиться длительное время (например, первые слои), и добавлять гидроксид калия в резервуары, где суспензия будет находиться недолго.
Очень важный момент: эти растворы следует добавлять в суспензию очень медленно и с интенсивным перемешиванием.
Если показатель pH снизится примерно до 9,0, то его будет очень сложно повысить и удерживать на приемлемом уровне. Поэтому управление pH необходимо начинать задолго до достижения им порогового значения. Все измерения pH следует производить с помощью pH-метра с температурной компенсацией, прошедшего калибровку и оснащенного электродами с высокой текучестью.
Вязкость
При изготовлении новой порции суспензии коллоидный диоксид кремния и требуемый наполнитель смешивают в нужных пропорциях до достижения составом равновесия. Сначала вязкость суспензии будет падать по мере «увлажнения» зерен наполнителя. Вязкость достигнет постоянного значения по истечении 8 – 24 часов. На этой стадии вязкость стабилизируется. С течением времени и по мере использования суспензии первоначальные свойства меняются. Связующее теряет воду (за счет испарения), повышается вязкость суспензии и содержание диоксида кремния фазы связующего. При добавлении связующего в суспензию для снижения вязкости, содержание диоксида кремния фазы связующего вырастет еще больше. На этой стадии необходимо добавить в состав дистиллированную или деионизированную воду для восстановления его первоначального состояния.
Компания REMET рекомендует регулярно проверять вязкость суспензии на основе коллоидного диоксида кремния, так как подобные проверки позволяют с высокой точностью определить толщину покрытия. Проще всего измерить вязкость суспензии с помощью вискозиметра Цана. В случае необходимости компания REMET может привести соответствующие показания и таблицы пересчета для вискозиметров VZ-4.
Несмотря на возможность использования любой вязкости, желательно, чтобы первоначальная вязкость суспензии на две – четыре секунды превышала вязкость изготавливаемой этилсиликатной суспензии согласно показаниям вискозиметра Цана №4 (6-12 секунд на VZ-4). В каждом конкретном случае наиболее оптимальный уровень вязкости подбирается индивидуально с учетом специальных требований литейной компании.
Хотя компания REMET рекомендует контролировать вязкость в первую очередь, не следует пренебрегать другими контролируемыми параметрами.
Активные ингредиенты
В отличие от этилсиликатов, существуют недорогие и несложные методы испытаний связующих REMASOL® в рабочих условиях. В частности, ключевые данные о безопасности производства можно получить с помощью следующих простых испытаний.
Если взять образец цельной суспензии и высушить его при температуре, не разрушающей диоксид кремния и полимер (например, 140 °C), то мы сможем удалить из суспензии только воду. Вода – это инертный компонент, который доставляет в суспензию активные ингредиенты. Вот почему получившийся остаточный вес в процентах (общее количество твердых веществ) позволяет достаточно точно определить объем активных ингредиентов в суспензии. Кроме того, поскольку основным компонентом является наполнитель, остаточный вес является полноценным аналогом удельного веса или удельной плотности суспензии, и, соответственно, вполне достоверным показателем вязкости и толщины покрытия.
Общее количество твердых веществ, как минимум, дает представление о соотношении жидкостей/твердых веществ, и может использоваться для определения прочности, проницаемости и толщины оболочек.
Если нам понадобится в дальнейшем взять образец связующего из разделяющей огнеупоры суспензии методом осаждения, центрифугирования или фильтрации, и точно так же высушить его при температуре 140 °C, мы сможем произвести расчет «твердых веществ в связующем». Иными словами, мы получим активные ингредиенты связующего: диоксид кремния и полимер.
Если нам впоследствии потребуется взять тот же образец разделенного связующего и нагреть его до 900 °C, то из него испарится не только вода, но и полимеры. В результате останется только один активный ингредиент, выдерживающий воздействие высоких температур. Речь идет о диоксиде кремния.
Два последних анализа позволяют нам определить два фактора, имеющих критическое значение для формирования качественной керамической оболочки:
Содержание диоксида кремния – вяжущего вещества, предотвращающего распад оболочки при высокой температуре. Неудивительно, что при снижении содержания диоксида кремния пропорционально снижается прочность.
Содержание полимера (твердые веществ в связующем - содержание диоксида кремния). Диоксид кремния выступает в качестве вяжущего вещества при высоких температурах, тогда как полимер является вяжущим веществом при низких температурах. Полимер обеспечивает повышенную прочность до прокаливания, ускоренное формирование оболочки, лучшую адгезию обсыпки. Кроме того, в процессе испарения при нагреве возникает свободный объем и повышается проницаемость, что является серьезным конкурентным преимуществом.
Благодаря использованию простых и недорогих методов испытаний, связующее REMASOL может заменить собой этилсиликат в области точного литья по выплавляемым моделям, что позволит улучшить качество литья, сократить объем отходов и снизить годовые эксплуатационные затраты.
Компания REMET – мировой лидер по управлению переходом от оболочек на спиртовой основе к оболочкам на водной основе – предлагает российским литейным компаниям линейку продуктов REMASOL. Все продукты серий REMASOL Premium и REMASOL Premium Plus были разработаны инженерами-технологами компании REMET с учетом потребностей специалистов в области литья по выплавляемым моделям. Обе эти серии усовершенствованных полимерных связующих обеспечат российским литейным компаниям существенные преимущества, описанные в данной статье.
|
