Исследование влияния модифицирующей добавки на свойства противопригарных покрытий для чугунного и стального литья

состоящий из двух кремнеалюмокислородных тетраэдрических слоёв и внутреннего октаэдрического слоя с двух- или трёхвалентными катионами Mg, K, Ca, Fe, Al, поэтому он является породообразующим минералом, часто сопутствующим, с монтмориллонитовыми глинами на нижних пластах. В силу способности легко расщепляться на мелкие «листочки» и благодаря малому удельному весу он скапливается обычно в илистых осадках и слоистых глинах, образующихся в водных бассейнах при замедленном движении вод. В условиях интенсивного химического выветривания мусковит способен переходить в более богатые водой гидрослюды гидромусковиты, а при переходе в раствор щелочей – в каолинит [5].

Определение электростатических характеристик исходных глин проводилось на 5%-х водных суспензиях. Прибор DT-310 позволяет выявить дзета-потенциал, поверхностный заряд, диаметр двойного электрического слоя, микровязкость объема суспензии, частоту Максвелла– Вагнера.

Поверхностный заряд и диаметр двойного электрического слоя – характеристики отдельной частицы, входящей в состав коллоидной системы. Этими двумя характеристиками определяется числовое значение дзета-потенциала, а также возможности протекания процессов агломерации и седиментации в системе относительно их численного значения.

Частота Максвелла–Вагнера характеризует электрическую поляризацию как накопление свободных зарядов на границах раздела фаз. Теория поляризации Максвелла–Вагнера в формальном отношении оказывается асимптотическим случаем общей электродиффузионной теории коллоидной системы. Данный параметр характеризует общую поляризованность системы, т.е. структурированность диполей воды (растворителя) относительно заряженных частиц материала (растворенного вещества).

В табл. 1 представлены ЭСХ суспензий глин Таганского месторождения в исходном и ме-ханоактивированном состояниях. Измерения ЭСХ проводили сразу после затворения 5%-й суспензии и после после 24-часового отстоя. На рис. 1 и 2 даны значения дзета-потенциала для исследуемых материалов сразу после затворения водно-глинистой суспензии и после 24-часового отстоя.

Из данных табл. 1 видно, что дзета-потенциал с увеличением количества введенного мусковита в материал увеличивается с 20,11 до 24,01 мВ для суспензий без отстоя и с 28,32 до 30,36 мВ для суспензий с 24-часовым отстоем. Максимальное значение дзета-потенциала соответствует глинистому материалу, механоактивированному в течение 120 с, c 5 % механоак-тивированного мусковита. Последующая механоактивация приводит к уменьшению данной характеристики до 15,87 мВ вследствие превалирования более тяжелых частиц мусковита, которые в течение времени свободно седиментируют.

Частицы, которые не сумели образовать электростатические связи в системе из-за их переизбытка, аккумулируют, образовав дополнительный заряд на поверхности (до 0,644 мВ для суспензии после 24-часового отстоя, с 4 % мусковита в системе). Переизбыток частиц несет в себе дополнительное количество свободных положительных ионов Na, Ca, Mg, которые остаются в диффузионном слое, способствуя процессу переориентации диполей воды, тем самым уменьшая общую поляризованность и структурированность диполей воды относительно отрицательно заряженной частицы глинопорошка. Начало этого процесса наблюдается при уменьшении максвелл-вагнеровской частоты для эксперимента с 4 % мусковита в системе (36,16 МГц) – 935 –

Таблица 1. ЭСХ бентонитовых глин Таганского месторождения, механоактивированных в течение 120 с с различным количеством модифицирующей добавки

Концентрация мусковита, %	Время отстоя образца, ч	Дзета-потенциал, mV	Поверхностный заряд, 10-6mV	Диаметр д.э.с., nm	Микровязкость, micron/ sec/V/Cm	Частота Максвелла– Вагнера, МГц
0	0	20,11	0,297	4,03	1,78	18,92
	24	28,32	0,638	3,22	3,02	23,91
1	0	20,13	0,295	4,02	1,78	18,99
	24	28,42	0,640	3,23	3,05	23,91
2	0	20,31	0,299	4,04	1,78	19,23
	24	28,98	0,640	3,23	3,07	26,93
3	0	21,87	0,301	4,03	1,80	21,15
	24	29,56	0,642	3,22	3,11	29,07
4	0	23,93	0,303	4,00	1,87	23,92
	24	30,05	0,644	3,22	3,20	36,16
5	0	23,97	0,305	4,00	1,92	23,14
	24	30,36	0,644	3,21	3,20	35,98
6	0	24,01	0,305	4,02	1,94	22,19
	24	15,87	0,644	3,21	1,21	34,99

Примечание: * 24,01 – максимальное значение для суспензий без отстоя (измерения проводили сразу после затворения суспензии); 30,36 – максимальное значение для суспензий после 24-часового отстоя.

Рис. 1. Дзета-потенциал механоактивированных (120 с) глин Таганского месторождения при различном количестве модифицирующей добавки в виде мусковита (1-6 %)

и до 34,99 МГц с 6 % мусковита соответственно. Данный процесс происходит при стабильно неизменном диаметре двойного электрического слоя, который в данном случае составил 3,213,22 нм, что в сумме приводит к нарушению баланса сил притяжения и отталкивания и, как следствие, к агломерации и уменьшению дзета-потенциала.

Микровязкость для глин Таганского месторождения достигла максимальных значений при активации материала в течение 120 с c 4 % механоактивированного мусковита, она равнялась – 936 –

Рис. 2. Дзета-потенциал механоактивированных (90 с) глин Черногорского месторождения при различном количестве модифицирующей добавки в виде мусковита (1-6 %)

Таблица 2. ЭСХ бентонитовых глин Черногорского месторождения? механоактивированных в течение 90 с с различным количеством модифицирующей добавки

Концентрация муско-вита, %	Время отстоя образца, ч	Дзета-потенциал, mV	Поверхностный заряд, 10-6mV	Диаметр д.э.с., nm	Микровязкость, micron/ sec/V/Cm	Частота Максвелла– Вагнера, МГц
0	0	20,02	0,408	4,61	1,74	29,12
	24	26,07	0,819	3,92	2,96	33,45
1 —	0	21,36	0,408	4,61	1,76	32,56
	24	27,53 —	0,819	3,91	2,97 —	35,96
2	0	22,51	0,409	4,60	1,79	34,47
	24	29,12	0,820	3,91	2,98	39,34
3	0	25,87	0,411	4,60	1,79	39,83
	24	33,41	0,823	3,91	2,99	42,53
4	0	25,03	0,415	4,60	1,78	38,74
	24	32,23	0,823	3,92	3,02	42,50
5	0	24,78	0,417	4,59	1,78	38,15
	24	32,01	0,824	3,92	3,01	42,49
6	0	23,83	0,419	4,59	1,77	37,27
	24	18,41	0,825	3,92	1,11	26,14

Примечание: * 25,87 – максимальное значение для суспензий без отстоя (измерения проводили сразу после затворения суспензии); 33,41 – максимальное значение для суспензий после 24-часового отстоя.

1,87 и 3,20 micron/sec/V/Cm для суспензии без отстоя и с отстоем соответственно. В табл. 1 для суспензии без отстоя присутствуют данные микровязкости, составляющие 1,94 micron/sec/V/ Cm, но данным результатом можно пренебречь, потому как после отстоя это значение будет равным уже лишь 1,21.

Из данных табл. 2 видно, что значения всех характеристик суспензии после 24-часового отстоя увеличиваются. Дзета-потенциал с увеличением времени активации материала увели-– 937 – чивается с 20,02 до 25,87 мВ для суспензий без отстоя и с 26,07 до 33,41 мВ для суспензий с 24-часовым отстоем.

Максимальное значение дзета-потенциала соответствует времени механоактивации глинистого материала в течение 90 с, последующая механоактивация приводит к уменьшению данной характеристики до 18,41 мВ. Общая поляризованность системы оценивалась максвелл-вагнеровской частотой, максимальные значения которой приняла глина, механоактивирован-ная 90 с, c 3 % механоактивированного мусковита и составила 39,83 (без отстоя) и 42,53 МГц (с 24-часовым отстоем). Микровязкость достигла максимальных значений при активации материала в течение 90 с, c 4 % механоактивированного мусковита она составила 1,78 и 3,02 micron/ sec/V/Cm для суспензии без отстоя и с отстоем соответственно.

Исследование стабильности противопригарных покрытий для литья в ПГС с модифицированным мусковитом механоактивированных бентонитовых глин

В современном мире уже давно обозначилась тенденция к улучшению качества получаемой продукции во всех сферах промышленности, поэтому при высоком выпуске чугунной и стальной продукции необходимо соблюдать качество получаемых изделий, минимизируя такие основные дефекты, как пригар, наросты, раковины, ужимины, недоливы и другие, а также оптимизировать не только труд работников, но и расход и использование основных материалов в производстве, поскольку это не только несет выгоду в экономическом смысле, но и повышает качество готовой продукции.

Противопригарные покрытия являются наиболее эффективным средством для получения отливок без пригара и дефектов. При их нанесении на поверхность форм и стержней создается буферный защитный слой с заданными физико-механическими свойствами. При правильном выборе и применении покрытий достигается значительное улучшение качества поверхности получаемых отливок, товарный вид и в итоге их конкурентоспособность.

Предлагается применять противопригарное покрытие марки ГБ-3, которое включает в себя основное сырье и материалы, используемые в литейном производстве, – это графит Ку-рейского месторождения марки ГЛС-2 как основной материал покрытия и глина Таганского месторождения марки БП1Т1; глина Таганского месторождения, механоактивированная 120 с; глина Таганского месторождения, механоактивированная 120 с, модифицированная мусковитом в количестве 5 %; глина Черногорского месторождения марки БП1Т1; глина Черногорского месторождения, механоактивированная 90 с; глина Черногорского месторождения, меха-ноактивированная 90 с, модифицированная мусковитом в количестве 3 %. Выбор глин был произведен в соответствии с результатами, полученными на водно-глинистых суспензиях с максимальными электростатическими характеристиками для них. Состав противопригарного покрытия представлен в табл. 3.

Ожидаемым результатом исследования является повышение технологических свойств, а именно седиментационной и агрегативной устойчивости противопригарных покрытий путем применения в их составе механоактивированных и модифицированных мусковитом бентонитовых глинистых минералов, которые при взаимодействии с растворителем имеют повышенные электростатические характеристики суспензий на их основе.

В процессе приготовления и испытаний установлено, что использование механоактиви-рованного бентонита и механоактивированного модифицированного мусковитом бентонита способствует увеличению расхода воды и повышению вязкости покрытия (табл. 4). Эта закономерность верна как для глин Таганского, так и для глин Черногорского месторождения. Это можно объяснить тем, что бентонитовые частицы становятся более активными, способны притягивать к себе больше молекул воды, в результате увеличивается структурная вязкость.

В табл. 4 представлен расход воды на противопригарные покрытия с различными модифицирующими слоистыми добавками и их вязкость. Рабочая плотность всех покрытий 1,4 г/см3. Из данных таблицы видно, что механоактивация способствует увеличению расхода воды при приготовлении противопригарного покрытия. Исключением является таганская глина (МА 120) + 4 % мусковита, расход воды которой увеличивается на 12,5 % по сравнению с исходной глиной и уменьшается на 25 % по сравнению с глиной, активированной при 120 с без модифицирующей добавки.

Структурную вязкость суспензий оценивают через поверхностное натяжение и коллоидальность. Эти характеристики обусловливают устойчивость суспензий к расслоению во времени и при одинаковой природе материалов и зависят от дисперсности и энергетических параметров частиц. Измерение вязкости покрытий определяли на вискозиметре ВЗ-4 (ГОСТ 8420-74). Повышение структурной вязкости влечет за собой улучшение качества покрытия по одному из важнейших технологических свойств – седиментационной устойчивости (ГОСТ 10772-78). В табл. 5 отражены результаты седиментационной устойчивости: 1, 3, 7, 24 ч.

Из данных табл. 5 видно, что седиментационная устойчивость у противопригарных покрытий с добавлением таганской глины выше, чем у красок с черногорской глиной в исходных

Таблица 3. Компонентный состав краски ГБ-3 для чугунного литья

Марка	Состав пасты, % по массе								Плотность краски, разведенной водой, г/см3
	графит	кварц	тальк	бентонит	патока, плотность 1,3 г/см3	формалин	вода	ЛСТ
ГБ-3	58,5	-	-	3,5	-	-	28	10	1,40

Таблица 4. Вязкость противопригарных покрытий ГБ-3

Глина	Вода, мл	Вязкость, с
1. Таганская исх.	80	40
2. Таганская (МА120)	120	50
3. Таганская (МА120 + 5 % МА мусковита)	90	75
4. Черногорская исх.	110	32
5. Черногорская (МА 90)	130	48
6. Черногорская (МА 90 + 3 % МА мусковита)	145	70

Таблица 5. Седиментационная устойчивость покрытий ГБ-3

Материал Время седиментации, ч 1 3 7 24 Таганская исх. 91 88 82 72 Таганская (МА120) 97 95 91 88 Таганская (МА120 + 5 % МА мусковита) 100 99 99 97 Черногорская исх. 79 73 62 50 Черногорская (МА 90) 89 84 74 69 Черногорская (МА 90 + 3 % МА мусковита) 100 98 97 96 состояниях, так как это связано с качеством исследуемого материала, а именно с количеством минерала монтмориллонита в химическом составе глин.

Механоактивация глин позволяет увеличить седиментационную устойчивость обеих исследуемых глин. Прирост седиментационной устойчивости у глин Таганского месторождения, механоактивированных 120 с, составляет 6 ед., у глин Черногорского месторождения, механо-активированных 90 с, прирост равен 10 ед., но высокая доля монтмориллонита в составе высокосортной глины Таганского месторождения не позволяет показать механоактивированной глине Черногорского месторождения результаты, сопоставимые даже с исходной таганской глиной без механоактивации.

После добавления модифицирующей добавки в виде мусковита в механоактивированные глины Таганского и Черногорского месторождений результаты седиментационной устойчивости противопригарных покрытий ГБ-3 (о чем свидетельствовал и дзета-потенциал водноглинистых суспензий) вырастают до стабильно высоких значений, которые даже после 24-часового отстоя не снизились менее 96 ед. Седиментационная устойчивость противопригарного покрытия ГБ-3 с механоактивированными и модифицированными мусковитом бентонитовыми глинами в течение времени представлена на рис. 3.

Механоактивация глин с измельчением фракционного состава приводит к повышению энергетики частиц материала под воздействием модифицирующих добавок с увеличением общей активности глинопорошков. Этот процесс позволяет получать сбалансированную коллоидную систему, состоящую из необходимо заряженных потенциалообразующих частиц. Так как в литейном производстве глина в основном применяется в состоянии суспензии или близком к нему, то назревает необходимость исследования исходных глин и глинопорошков с изучением процессов влияния и воздействия на основные параметры.

Выводы

• 1.    Определено влияние различного количества мусковита в составе бентонитовых глин, применяемых в литейном производстве, на электростатические характеристики водных суспензий на их основе. Введение 3 % механоактивированного мусковита в механоактивиро-ванную 90 с бентонитовую глину Черногорского месторождения позволило увеличить дзета-потенциал на 30 %, до значения 25,87 мВ, для суспензий сразу после затворения и на 28 % (33,41 мВ) для суспензий после 24-часового отстоя. Общий эффект от комплекса мер (механоактива- – 940 –

• 2.    Выявлено, что введение 5 % механоактивированного мусковита в механоактивиро-ванную 120 с бентонитовую глину Таганского месторождения позволило увеличить дзета-потенциал на 14,9 %, до значения 23,97 мВ, для суспензий сразу после затворения и на 7 % (30,36 мВ) для суспензий после 24-часового отстоя. Общий эффект от комплекса мер (механоактивация и модифицирование) составил: увеличение с 11,53 до 23,97 мВ для суспензий без отстоя и с 16,11 до 30,36 мВ для суспензий после 24-часового отстоя.

• 3.    Определено, что механоактивация является наиболее эффективным и универсальным способом повышения стабильности бентонитовых суспензий, применяемых в составах ПГС и противопригарных покрытий, но имеет свои пределы, после которых дальнейшая механоактивация приносит отрицательный эффект – агломерацию частиц глинистого минерала, что сводит на нет все предшествующие усилия по повышению стабильности системы «вода – глина». Механоактивацией не всегда можно добиться ожидаемых результатов из-за ее пределов, поэтому модифицирование бентонитовых глин другими минералами служит оправданной и эффективной мерой для получения высоких показателей стабильности суспензий. В частности, повышение на 30 % для черногорской и на 14,9 % для таганской глин сверх значений после механоактивации весомо, так как дзета-потенциал «переваливает» за 30 мВ, что служит характеристикой устойчивой коллоидной системы, до 30 мВ возможна агломерация, коагуляция или флокуляция частиц исследуемого материала [8].

• 4.    Установлено, что механоактивированная глина, модифицированная мусковитом, способствует увеличению вязкости противопригарных покрытий на основе графита. По сравнению с исходными глинами Таганского и Черногорского месторождений вязкость увеличивается почти в два раза.

• 5.    Выявлено, что глина, механоактивированная и модифицированная мусковитом, способствует увеличению седиментационной и агрегативной устойчивости противопригарных покрытий, а именно после 24-часового отстоя седиментационная устойчивость не опустилась ниже 96 ед. Для глин Таганского месторождения увеличение седиментационной устойчивости составило: после 1 ч – 9,8 %; 3 ч –12,5 %; 7 ч – 20,7 %; 24 ч – 34,7 % по сравнению с исходными образцами глины, широко применяемыми в литейном производстве вследствие доступности, дешевизны и относительно стабильных показателей свойств.

• 6.    Определено, что седиментационная устойчивость противопригарных покрытий, в составе которых находилась глина, механоактивированная и модифицированная мусковитом, увеличилась на 26,5 % после 1 ч отстоя, на 34,2 % после 3 ч, на 56,45 % после 7 ч, на 92 % после 24 ч. Мусковит в количестве 3 % в механоактивированной глине Черногорского месторождения позволил увеличить седиментационную устойчивость противопригарных покрытий до значений, сопоставимых с высокосортными глинами Таганского месторождения (рис. 3), что является положительным моментом для экономики Красноярского края и близлежащих федеральных округов РФ, поскольку Черногорское месторождение местное и расположено близко к предприятиям черной и цветной металлургии.

Таганская (МА120 + 4% МА мусковита)

-■-Черногорская (МА 90 + 3% МА мусковита)

Рис. 3. Седиментационная устойчивость противопригарного покрытия ГБ-3 с механоактивированными и модифицированными мусковитом бентонитовыми глинами различных месторождений ция и модифицирование) составил: увеличение с 9,37 до 25,87 мВ для суспензий без отстоя и с 14,01 до 33,41 мВ для суспензий после 24-часового отстоя.