KIERUNKI ROZWOJU PROCESÓW PRZEROBU MAS DO

Ireneusz Dzwonnik
Prof.dr hab.inż.
Politechnika Zielonogórska
KIERUNKI ROZWOJU PROCESÓW PRZEROBU MAS
DO FORMOWANIA NA WILGOTNO
Streszczenie
Omówiono zagadnienia obecnie stosowanych sposobów odświeżania mas formierskich z bentonitem
do formowania na wilgotno. Zwrócono uwagę na ważniejsze procesy odświeżania,np.
homogenizację, wstępne nawilżanie i mieszanie dynamiczne mas,oraz wybijanie umożliwiające
oddzielanie mas zużytych od używanych. Przewidziano niektóre zagadnienia do przyszłościowego
odświeżania mas sposobem ciągłym, odbywającego się na linii transportu mas.
1.Wstęp
Rozwój chemicznych materiałów wiążących i ich szerokie stosowanie w masach formierskich nie
obniżył znaczenia klasycznych mas ze spoiwami glinowymi, a szczególnie bentonitowym. Masy te
są szeroko stosowane na formy nieutwardzone, a szerzej znane pod nazwą mas do formowania na
wilgotno. Ważną zaletą mas z bentoniem jest ich niska cena , wysoka wytrzymałość form
uzyskiwana tylko po procesie zagęszczania ,oraz możliwość wielokrotnego zastosowania.
Wielokrotne użycie mas bentonitowych jest uwarunkowane procesem odświeżania , który polega na
przywróceniu właściwości początkowych masie używanej. Proces odświeżania mas jest procesem
złożonym pod względem technicznym i technologicznym. Złożoność procesu pod względem
technicznym polega głównie na wyborze i doborze odpowiednich urządzeń , do wybijania form ,
rozdrabniania i przesiewania mas, separacji i dozowania oraz mieszania składników mas.
Trudności technologiczne odświeżania polegają głównie na braku możliwości szybkiego i
precyzyjnego określenia właściwości mas przeznaczonych do odświeżania (wilgotności, ilości
aktywnej gliny i ewentualnie pyłu węglowego) Do bardzo trudnych zabiegów technologicznych,
należy zaliczyć oddzielanie zużytej masy formierskiej i rdzeniowej od masy używanej
przeznaczanej do odświeżania [2,10].
Wysoka wydajność procesów formowania wymaga zastosowania dużej ilości masy formierskiej i
wywołuje potrzebę wielokrotnego procesu odświeżania mas podczas jednej zmiany pracy odlewni.
W takiej sytuacji do przedstawionych trudności dochodzi schładzanie mas i związanej z nią pomiary
temperatury. Przy wysokiej krotności formowania i znacznej ilości masy znajdującej się w obiegu ,
proces odświeżania, a szczególnie jego mechanizacja i automatyzacja nabiera dużego znaczenia
technicznego, technologicznego i ekologicznego. Nieumiejętne stosowania procesu odświeżania
może przyczynić się do uznawania nadmiernej ilości mas jako masy zużyte, a w konsekwencji
przeznaczanych na zwał, co w świetle wzrostu kosztów i znacznej toksyczności tych mas jest
zjawiskiem niekorzystnym..
2.Odświeżanie mas.
Na wstępie proponuje uściślenie niektórych określeń i pojęć stosowanych w odlewnictwie a
szczególnie przy procesie odświeżania mas [8].
Proces odświeżania mas można określić jako szereg zabiegów i operacji zmierzających do
przywrócenia właściwości mas używanych, do założonych właściwości mas odświeżanych,
stosowanych do wykonywania form.
Odświeżanie mas można podzielić na następujące fazy: pierwsza to przygotowanie świeżych
składników mas i przygotowanie masy świeżej a następna polega na wymieszaniu tych mas.
Masą używaną UMi nazwano masę uzyskaną bezpośrednio z wybitej formy i po odpowiednich
zabiegach przygotowujących ją do odświeżania. Zabiegi te polegają na rozdrobnieniu, usuwaniu
części metalowych, przesiewaniu i studzeniu mas.
Masa świeża Mi jest mieszaniną świeżych materiałów odpowiednio przygotowanych i następnie
wymieszanych.
Zadozowanie i wymieszanie masy używanej UMi + Mi masy świeżej daje OMi odświeżoną masę.
Masa zużyta XMi, jest to masa przeznaczona na zwał lub do regeneracji w celu odzyskania z niej
osnowy.
Istnieje jeszcze pojęcie masy zwrotnej, do niej można zaliczyć masy odświeżone lub świeże, które
nie wykorzystane w procesie formowania powróciły do stacji przerobu. Najczęściej są zmieszane z
masa używaną i do niej należy ją zaliczyć.
Masa wyjściowa, jest pojęciem wieloznacznym, może oznaczać każdą masę, która jest przeznaczona
do dalszych operacji.
Podobnie jest z określeniem masa wybita. Ponieważ każda masa używana jest również masą
wybitą, to pod określeniem, masa wybita, należy rozumieć masę używaną tuż po operacji wybicia.
Masa obiegowa, określenie to ma najwięcej znaczeń, mogą być masy: wybita, zużyta i używana, lub
odświeżona. Proponuję pod tym określeniem, wygodnym przy opisach technologii wykonywania
mas i form, rozumieć wszystkie mas znajdujące się w obiegu w odlewni. W zależności od wielkości
udziału poszczególnych mas , właściwości mas obiegowych będą się zmieniały. Należy więc uznać,
że każda z mas znajdująca się odlewni może być masą obiegową.
Proces otrzymywania mas świeżych, używanych i odświeżanych można przedstawić za pomocą
oznaczeń i wyrażeń :
Wyrażenie 1 przedstawia opis wykonania masy świerzej i formy elementarnej z tej masy.
-- przyg
Oi, Si, Di - doz
Oi + Si + D1 + D2 - mi
Mi - doz
Mi - fi
Fi
1.
gdzie: Oi - osnowa piaskowa, Si - materiał wiążący,( bentonit), D1 - dodatek technologiczny
(woda), D2 - pył węgla kamiennego lub inny dodatek materiału węglotwórczego.
Przygotowania materiałów , przyg - obejmuje najczęściej: suszenie i przesiewanie osnowy
piaskowej. Obecnie stosuje się już wcześniej przygotowywane mieszanki bentonitu Si z dodatkiem
węglotwórczym D2 [5,9] poza odlewnią. Z punktu widzenia odświeżania mas formierskich,
stosowanie gotowych mieszanek bentonitowowęglowych jest wygodniejsze i zapewnia większą
precyzję dozowania, co wpływa na stabilizację właściwości mas. Dodatkowo eliminuje urządzenia
do dozowania i przechowywania pyłu węglowego.
Dozowanie, doz - jest ważna częścią procesu przygotowywania mas. Stosuje się dozowniki
objętościowe i wagowe. Dozowniki wagowe dla składników mas należy uznać jako bardziej
precyzyjne i umożliwiające łatwiejsze rejestrowanie pomiarów, Natomiast dla dozowania mas do
skrzynek formierskich pozostanie dozowanie objętościowe. Zadozowaną masę do skrzynki poddaje
się procesowi formowania fi w tym przypadku zagęszczenia, w wyniku czego otrzymuje się formę
zwaną elementarną Fi. Ważnym elementem procesu wykonania mas jest proces mieszania mi.
Dobór odpowiednich urzadzen dla określonegu składu mas zapewnia otrzymanie mas o
odpowiedniej właściwości.
Przygotowanie i odświeżanie używanych mas formierskich jest bardziej złożone i można je
przedstawić wyrażeniem 2 opisującym powsstawanie formy odlewniczej i odlewu .
-doz Mi -fi Fi - mz
wi UZFi + Odli
ZFi + Meti - zi
ZFiMeti - tk,ts
ZFiOdli 2.
Gdzie: mz -proces montażu form elementarnych tworzących złożoną formę odlewniczą ZF,
Meti -rodzaju ciekłego metalu przeznaczonego do zalania formy, metodą zi. Po zalaniu złożona
forma odlewnicza ZFi zamieniła się w formę odlewniczą zalaną ZFiMeti, po czasie krystalizacji i
krzepnięcia tk, forma ta przechodzi w odlewniczą formę do wybicia ZFiOdli. Po jej wybiciu
metodą wi, otrzymujemy używaną formę odlewniczą UZFi i odlew Odli, który zostaje poddany
odpowiednim operacjom wykończenia (wyr.2).
Używana forma odlewnicza poddana procesowi przygotowania zmienia się w używaną masę
formierską, co można przedstawić wyrażeniem 3:
UZFi - rozdr UFi + UMi - oddz UFi + UMi - przes
stud UMi - doz UMi + Mi -mi OMi
UMi 3.
Gdzie: rozdrobnienie rozdr jest operacją która częściowo występuje podczas procesu wybijania,
może być operacją osobną, po tej operacji otrzymujemy większe kawałki formy opisanej jako
używana forma elementarna UFi i w części używana masa formierska UMi .Po operacji
przesiewania przes, pozostaje tylko UMi. Jej temperatura jest jeszcze zbyt wysoka i należy ją
obniżyć przez studzenie stud. Po tym masa używana może być przeznaczona do odświeżania przez
dodanie do niej świeżych składników zapisanych w wyrażeniu 3, jako świeża masa Mi.
Wymieszanie sposbem mi zadozowanych składników powoduje powstanie odświeżonej masy
OMi.
Dobór materiałów na formę jest również ważnym elementem wywierającym duży wpływ na
proces odświeżania mas. Główną rolę w kosztach odświeżania mas odgrywa trwałość termiczna mas
ściśle związana z jakością bentonitu i obciążeniem termicznym materiału formy. Zależy ono od
temperatury zalewanego metalu i od stosunku masy odlewu do masy formierskiej. Im ten stosunek
jest mniejszy tym ilość masy w formie, przegrzanej do temperatury destrukcji bentonitu jest większa
Poleca się [1,2,4,6], jako najbardziej opłacalne stosowanie bentonitów wysokojakościowych, które
najczęściej charakteryzują się wysoką temperaturą destrukcji. Dobór odpowiedniego stosunku mas
odlewów do masy materiału formy jest ogólnie zalecane jako 1/5, ale trudny do utrzymania, gdyż
przy stałych wielkościach formy zmienia się masa odlewów. W miarę możliwości można go
regulować przez grupowanie form o podobnym stosunku mas odlewów i form, kierowanych do
wybicia .W celu zmniejszenia grubości warstwy masy przegrzanej powyżej temperatury destrukcji
bentonitu można przyśpieszyć proces wybijania odlewów, np. przez wyciąganie gorących odlewów z
pakietów form, przy pomocy manipulatorów [2].
Wybijanie form i odlewów, które można określić jako proces rozdzielania ,jest pierwszym
etapem przygotowywania masy używanej do odświeżania. Najlepsze warunki przygotowania mas
występują przy stosowaniu bębnów do wybijania. Dokonuje się w nich proces ujednorodnienia pod
względem wilgotności i temperatury ostudzonej wybitej masy. Podczas wybijania można w bębnie
nawilżać masę, uznane przez [5,9], jako ważny zabieg, poprawiający właściwości odświeżonej
masy. Używana masa uzyskana z bębnów do wybijania wymaga jedynie zabiegowi separacji części
metalowych i nadaje się do odświeżania. Wadą wybijania w bębnach są: dostarczania do bębnów
wypchniętych pakietów form, bez możliwość usunięcia z form rdzeni i przepalonej masy
formierskiej, oraz konieczność instalowania dużego urządzenia jakim niewątpliwie jest bęben.
Stosowanie krat wstrząsowych do wybijania, pozwala na łatwiejsze usuwanie rdzeni i ewentualnie
część przypalonej masy formierskiej, ale trudniej studzić wybitą masę. Wymagane jest stosowanie
osobnych urządzeń do jej homogenizacji i nawilżania wstępnego. Pragnę podkreślić na ważny
zabieg homogenizacji [10], który umożliwia określenie, średnich wilgotności i temperatury masy,
potrzebnych i ważnych parametrów w procesie odświeżania mas.
Oddzielanie części metalowych ferromagnetycznych jest łatwiejsze i realizowane przy pomocy
oddzielaczy magnetycznych bębnowych i taśmowych. Ich skuteczność nie jest w pełni zadawalająca
ale brakuje innych rozwiązań.
Oddzielanie części z metali nieferromagnetycznych dokonuje się w złożu fluidyzowanym lub
metodą przesiewania masy.
Przesiewaniem mas nie tylko oddziela części metalowe ale również większe części masy
zbrylonej, mogą to być kawałki przepalonej formy lub rdzeni , które są zbędnymi i szkodliwymi
materiałami do odświeżania. Do przesiewania mas stosuje się sita obrotowe wielokątne lub okrągłe,
oraz sita płaskie wibracyjne. Pomimo zalet, proces przesiewania mas często jest nie doceniany
przez odlewnie. Niska trwałość i awaryjność sit jest również przeszkodą w szerszym stosowaniu
Doboru sit dokonuje się w zależności od indywidualnych potrzeb.
Od dawna w technologii przerobu mas formierskich istniało i nadal istnieją przekonanie [ 6,7,8],
że wymieszanie mas ze spoiwem glinowym wymaga spełnienia trzech zabiegów, przerzucania,
rozcierania i ugniatania.
Tego rodzaju mieszanie dokonuje się w mieszankach krążnikowych. Zachowanie podobnych
warunków mieszania usiłowano realizować w mieszarkach pobocznicowych. W tych mieszarkach
przeważa jednak proces przerzucania. Pojawienie się mieszarek dynamicznych typu Eirich
realizujących tylko przerzucanie masy podczas mieszania świadczy o zmianie poglądów . Głębsza
analiza [8] wykazuje, że procesy ugniatania i rozcierania, które zapewnią otrzymywanie masy o
wyższej wytrzymałości niż przy innym sposobie mieszania [6] nie są konieczne w procesie
mieszania. Ugniatanie i rozcieranie masy występuje w procesie zagęszczania formy. Różnica
wytrzymałości mas po pierwszym cyklu mieszania może zanikać po kilku cyklach obiegu mas.
Rozwój mieszarek dynamicznych wskazuje na potwierdzenie tej tezy. Niemniej należy zauważyć,
że preferowane są mieszarki o działaniu cyklicznym polegającym na załadowaniu porcji masy do
mieszarki i następnie jej wymieszaniu. Mieszanie porcji masy załadowanej do mieszarki jest
wygodne, szczególnie z uwagi na dobór czasu mieszania, natomiast wymaga to znacznych energii.
Masy otrzymywane z mieszarek krążnikowych wymagają dodatkowej operacji spulchniania,
natomiast z mieszarek dynamicznych nie wymagają tego zabiegu.
Ważnym i nie jednoznacznie rozwiązanym problemem jest chłodzenie mas. W zależności od
temperatury zalewanego stopu, stosunku masy metalu do masy materiału formy i czasu przebywania
odlewu w formie , temperatura wybitej masy będzie się zmieniała. Przy wysokiej temperaturze
metalu, niskim stosunku masy metalu do masy materiału formy i długim czasie przebywania odlewu
w formie, średnia temperatura masy wybitej będzie wysoka i może osiągać 150 0C i wyżej. Znaczna
część ciepła z nagrzanej masy wybitej rozchodzi się w otoczenie podczas wybijania i transportu
masy przenośnikami taśmowymi może masa osiągnąć temperaturę rzędu 60 -70 0C. Dalsze
obniżenie temperatury można uzyskać, sposobem naturalnego chłodzenia, przechowując masę w
odpowiednich zbiornikach. Wymaga to wybudowania zbiorników o znacznej objętości, oraz
znacznego czasu oczekiwania. Masy również można studzić w suszarko - fluidyzacyjnych. Są to
urządzenia dość sprawne, ale studzenie masy do temperatury poniżej 400C jest praktycyzmie nie
możliwe. Autorzy [11] zaproponowali schładzanie mas lodem wprowadzanym do mas podczas
procesu mieszania w ilości wody zarobowej. Metoda ta pozwalała na osiąganie temperatury masy do
30 0C.Obniżenie temperatury mas używanych można osiągać przez wprowadzanie w obieg świeżej
lub odświeżonej masy o odpowiednio niskiej temperaturze, jest to metoda kosztowna.
Wysokość temperatury masy odświeżonej będzie zależała również od ilości cykli obrotu masy
podczas jednej zmiany jak również od temperatury otoczenia. Wiedząc, że temperatura masy
odświeżonej skierowanej do formowania nie może przekraczać 300C, gdyż jakość otrzymywanych
form będzie niedostateczna, zagadnienie chłodzenia mas staje się bardzo ważne.
3. Podsumowanie.
Proces odświeżania mas formierskich jest złożony polega ona na skąpych i niejednoznacznych
informacjach o właściwościach mas używanych kierowanych do odświeżania. Już dość dobrze
opanowane metody automatycznego pomiaru temperatury a przede wszystkim wilgotności mas są,
bardzo ważne , ale nie wystarczające do osiągnięcia planowanych właściwości mas odświeżonych.
Proces odświeżania mas rozpoczyna się w momencie planowania i doboru składników mas
formierskich i rdzeniowych. Właściwy dobór jakościowy bentonitu oraz spoiw do mas
rdzeniowych nie wywierających degradacji bentonitu, upraszcza odświeżanie i obniża koszty
procesu.
Zagadnieniem trudnym do rozwiązania jest prawidłowe oddzielanie mas z bentoniem
zdegradowanym termicznie i mas rdzeniowych z spoiwami wpływającymi negatywnie na jakość mas
bentonitowych. Proces oddzielania mas zużytych od używanych wywiera znaczący wpływ na jakość
mas odświeżanych. Najbardziej obiecującą metodą rozdzielania odlewu i formy jest wyciąganie
gorącego odlewu z formy przy pomocy manipulatorów, pozwalająca na odpowiednio szybkie
usuwanie odlewów wraz z rdzeniami, przez to nie dopuszczenie do zanieczyszczenia masy używanej
oraz zmniejszenie ilości masy zużytej.
Wybijanie form skrzynkowych małych będzie zapewne odbywało się w następujących fazach,
wypychanie pakietów metodą mechaniczną lub pneumatyczną i kierowanie pakietów do bębna.
Podobnie będzie przebiegał proces wybijania form bez skrzynkowych, z pominięciem konieczności
wypychania pakietów. Wybijanie w bębnach dobrze homogenizuje i uśrednia temperaturę masy ale
uniemożliwia oddzielania masy zużytej formierskiej i rdzeniowej.
Zastosowanie usuwania odlewów z formy przy pomocy manipulatora znacznie ograniczy ilość
powstawania i zwiększy możliwości usuwania masy zużytej w masie obiegowej. W takiej sytuacji
bęben stał by się homogenizatorem. Zainstalowanie klasycznego homogenizatora, jest tańsze i
wymaga mniej miejsca, niż bęben.
Dla form skrzynkowych dużych wybijanie będzie się odbywało za pomocą krat wstrząsowych a
usuwanie rdzeni i masy przepalonej -zużytej będzie dokonywało się ręcznie. Masy wybite na kratach
wymagają rozdrabniania i homogenizacji. Homogenizację uważam z ważny etap przygotowania
masy używanej do odświeżania, gdyż ona umożliwia dokonywania pomiarów średnich wartości
wilgotności i temperatury, jako ważnych parametrów wyjściowych odświeżania mas.
Mieszanie składników i mas będzie się rozwijało w kierunku udoskonalania mieszarek
dynamicznych o działaniu okresowym, należy się spodziewać rozwoju mieszarek dynamicznych
pracujących w sposób ciągły, gdyż jest sposób mniej energochłonny.
Istnieje jeszcze szereg zagadnień do rozwiązania w celu poprawienia i potanienia procesu
odświeżania mas, do najważniejszych można zaliczyć: opanowanie metody oddzielania zużytych
mas formierskich i rdzeniowych z formy lub z masy
podczas wybijania odlewów,
homogenizowanie masy przy innych procesach przygotowujących masę do odświeżania np. podczas
wybijania szczególnie dotyczy to wybijaniu na kratach wstrząsowych, lub transportu masy,
zautomatyzowanie pomiarów parametrów mas używanych i odświeżonych.
Należy się spodziewać, że w najbliższych latach rozpocznie się uruchomienie odświeżania mas w
ciągu transportującym masy. Przemawiają za tym względy ekonomiczne, gdyż przerób mas w
urządzeniach przerobu ciągłego wymaga znacznie mniej energii. Będzie to wymagało opracowania
nowych konstrukcji mieszarek realizujących mieszanie wielostopniowe i działających w sposób
ciągły. Należy przewidzieć możliwość ciągłego dozowania i zwilżania składników mas w procesie
odświeżania. Jednym z najważniejszy zagadnień do rozwiązania będzie zapewnienie powiązania
ilościowego masy znajdującej się na przenośniku z ilością dozowania świeżych składników mas.
Równie ważnym, jak do tej pory, jest pomiar wilgotności i temperatury mas używanych jak i po
odświeżaniu. Do rozwiązania pozostają problemy i urządzenia do oddzielania odlewów i innych
części metalowych od formy, oddzielaniu zużytych form i mas od form i mas używanych
kierowanych do procesu odświeżania.
Odnośnie zmniejszenia toksyczności mas z pyłem węglowy [3] można osiągnąć przez
ograniczenie ilości pyłu w masie, stosując np. technologię napylania form materiałami
węglotwórczymi w ilościach śladowych w porównaniu do ilości obecnie stosowanych. [7].
Literatura.
1.Fleming E, Lewandowski J.L.: Nowoczesne materiały formierskie z punktu widzenia racjonalnej
gospodarki materiałowej. Przeg.Odlew. 1995 nr. s 131-135
2.Lewandowski J.l., Dańko J.: Znaczenie selekcji mas podczas wybijania odlewów. Krzepnięcie
metali i stopów. Wyd. Komisji Odlewniczej PAN w Katowicach 1998 nr35 s 47-56
3.Lewandowski J.L. Solarski W. Zawada J.: Toksyczność masy formierskiej z bentonitem
zawierającej pył węglowy. Krzepnięcie metali i stopów. Wyd. Komisji Odlewniczej PAN w
Katowicach 1998 nr 35 s 67-76.
4. Dobosz S. Asłanowicz m.: Odlewnicze masy z bentonitami. Krzepnięcie metali i stopów. Wyd.
Komisji Odlewniczej PAN w Katowicach 1998 nr 35 s 83-92.
5. Kleiman W.: Einsatz von Bentoniten und C-Tragern in modernen Formsanden Krzepnięcie
metali i stopów. Wyd. Komisji Odlewniczej PAN w Katowicach 1998 nr 35 s 130-256
6. Lewandowski J.L.: Tworzywa na formy odlewnicce. Wyd.Akapit Kraków 1997 s 598.
7. Dzwonnik I.: Biadania fizykochemicznych zjawisk w wilgotnych formach napylanych pyłem
węglowym. Wyd. WSI Zielona Góra 1991 s 180
8. Dzwonnik I.: Klasyfikacja materiałów formierskich i form odlewniczych. Wyd. WSI Zielona
Góra 1996 s 89.
9. Babiński J. Badura F. Gawroński J. Szajnar J. Wstępne nawilżanie mas z bentonitem w
urządzeniu firmy "Real". Krzepnięcie metali i stopów. Wyd. Komisji Odlewniczej PAN w
Katowicach 1998 nr 35 s 93-103.
10. Sztefko F. Analiza procesów przygotowania formierskiej masy używanej w aspekcie ich
mechanizacji. Wyd. ZN nr 139 AGH Kraków 1991 s 86
11 Dzwonnik I. Szmigielski T.: Efekty chłodzenia mas lodem. Mat. II Konf. "Tendencje rozwojowe
w technologii" Zielona Góra 1975, z 3 s.