Выбор и адаптация Альфасет связующих для увеличения объема использования регенерированного песка на примере предприятия Староуткинский литейный завод

На протяжении последних двух десятилетий в литейной отрасли нашей страны произошла настоящая революция в процессах формообразования. На большинстве предприятий, выпускающих мелко-, среднесерийное и единичное литье на  смену ПГС и ЖСС смесям пришла технология ХТС, обеспечивающая массу технологических преимуществ над прежними технологиями, включая: гибкость и универсальность применения, возможность сокращения первичных инвестиций в оборудование, снижение трудоемкости операций, снижение количества изломов и подрывов форм/стержней, брака по засорам, улучшении качества поверхности, выбиваемости (в случае перехода с ЖСС) и прочее.

Изначально, выбор варианта ХТС технологии осуществлялся исключительно на основании рекомендаций западноевропейских поставщиков оборудования, первых пришедших на Российский рынок (IMF, FAT, OMEGA…).  В общих чертах, рекомендации сводились к следующему: для корпусного чугунного литья, а также литья сплавов алюминия и магния – пеп-сет или фурановые системы связующих, для всех остальных случаев крупного, мелкого, стального, чугунного литья — фенольно-щелочные связующие (Альфасет). В редких случаях, по особым экологическим запросам заказчика, в цеха, расположенные в жилой городской застройке, рекомендовался жидкостекольный ХТС процесс с отверждением жидкими эфирными отвердителями. Поэтому, учитывая специфику нашей страны по наиболее востребованным направлениям промышленности, включая нефтегазовую, горнодобывающую, металлургическую отрасли и машиностроение, основным ХТС процессом для формовки стал Альфасет процесс. Сегодня Альфасет по объемам реализации занимает более 70% общего рынка ХТС в России. Большему распространению Альфасет относительно фурановых связующих также способствует тот фактор, что основное сырье для данного процесса – фенол — массово выпускается отечественными нефтеперерабатывающими предприятиями. Цена Альфасет связующих в разы ниже, чем у фурановых систем. Альфасет безусловно стал массовым продуктом, и конкуренция между локальными производителями растет с каждым годом. Лидером в России по продаже Альфасет связующих на протяжении всей истории этого процесса является ООО «Уралхимпласт-Хюттенес Альбертус».

В настоящий момент существует несколько рецептур связующих Альфасет – варианты составов на калиевой или натриевой щелочи и их промежуточные гибриды отличаются друг от друга прочностными характеристиками, реактивностью, термостойкостью, экологичностью и конечно ценой. Как правило, при первичном запуске участка ХТС с Альфасет процессом, заказчик останавливается на среднем по характеристикам и цене варианте, но в последствии определяется с особыми требованиями, в части которых все чаще звучит требование по максимальному использованию механического регенерата без потери прочностных характеристик форм.

Аналогичную задачу в начале 2023 г. поставило предприятие ООО «Староуткинский литейный завод» (СТЛЗ) перед ООО «Уралхимпласт-Хюттенес Альбертус» (УХП-ХА). Изначально, среднее расчетное соотношение свежий песок/регенерат составляло 40%/60%. Но с учетом наблюдающегося существенного удорожания песка СТЛЗ поставило цель довести соотношение до 25% свежего к 75% регенерата, что возможно достичь только при работе с наполнительной смесью на 100% регенерате. Учитывая, что предприятие использует безопочную ХТС формовку  исходная система Альфасет при формовке на 100% регенерате не обеспечивала необходимые манипуляционные прочности без увеличения расхода связующих.

СТЛЗ занимается производством изделий из жаропрочных, нержавеющих и углеродистых сталей. В частности, это различные поддоны, решетки, борта, подставки и другая оснастка для термических печей, а также углеродистое литье с механической обработкой для машиностроения и нефтехимической отрасли (Рисунок 1). Формовка осуществляется на линии OMEGA, Великобритания, с частичной автоматизацией. Имеется возможность работы на свежем кварцевом песке, регенерате, и их смеси в любой пропорции. Линия оснащена выбивной решеткой, системами механической регенерации, пылеудаления и пневмотранспортом. Объем производства, в среднем 70-80 тонн годного литья в месяц. Развес литья от 10 кг до 2,5 тонн. Средняя металлоемкость формы ~500 кг.

Рисунок 1. Продукция, изготавливаемая ООО «Староуткинский литейный завод»

Периодически, техническая служба предприятия отбирает пробу регенерированного песка для проверки общего состояния песка в формовочной системе и отдает для исследования в лабораторию «УХП-ХА». С момента запуска линии формовка велась с использованием универсальной (гибридной) смолы Альфабонд и отвердителя экологичной серии Т-033.

Результаты исследований свежего песка и регенерата представлены в таблице 1.

Методы испытаний:

• Гранулометрический анализ проводится на вибросите в комплексе с программным обеспечением и в соответствии с ГОСТ 29234.3. Сита перед каждым анализом очищаются в ультразвуковой ванне в течение 15 мин, а затем высушиваются в сушильном шкафу при температуре (105-110) °С в течение часа.
• Потери при прокаливании определяются с использованием муфельной печи в соответствии с ГОСТ 26234.13-91.
• Массовая доля остаточной щелочи в песке в пересчете на ион калия выполняется при помощи иономера, в соответствии с методикой УХП-ХА.
• рН водной вытяжки выполняется при помощи иономера, в соответствии с ГОСТ 29234.6-91
• Массовая доля глинистой составляющей свежего песка определяется по ГОСТ 29234.1-91
• Предел прочности стандартных образцов на разрыв определяется на разрывной машине, оснащенной программным обеспечением.
• Уплотнение образцов при помощи лабораторного вибростола, гарантирует воспроизводимость подготовительных условий.
• Изготовление и испытание образцов производится при условиях: , , относительная влажность воздуха 30-50%.

Таблица 1. Результаты анализа образцов песка (март 2023 г).

*На основании накопленного опыта УХП-ХА.

Согласно полученным результатам, показатели массовой доли остаточной щелочи в пересчете на ион калия (остаточная щелочность) и потери при прокаливании (ППП) находятся в крайней зоне допустимых значений, что значительно снижает реакционную способность связующих и прочностные характеристики смесей (Таблица 2).

Таблица 2. Физико-механические свойства смесей с применением песков СТЛЗ (март 2023г) и смолы Альфабонд.

Прочность на разрыв через 1 час – 0,07 МПа недостаточна для обеспечения манипуляций с безопочной формой. На практике приходиться делать излишний «буферный» слой смесью на 100% свежем песке вокруг модели для предотвращения изломов при протяжке и кантовке, а так же увеличивать процентное содержание смолы и отвердителя на сложных и хрупких формах.

СТЛЗ использует систему механической регенерации, подразумевающую оттирку полимеров связующего с зерен песка. Смесь на основе Альфасет связующего трудно регенерируема: отвержденный феноло-формальдегидный полимер обладает пластичностью, поэтому практически не оттирается и не скалывается с поверхности зерен песка.

Высокая остаточная щелочность требует повышенного расхода отвердителя, иначе процесс отверждения замедляется, а прочность смеси снижается. Более того щелочная составляющая смолы способна спекаться с поверхностью песка во время заливки. В результате спекания на поверхности песка образуются силикаты калия и/или натрия.

Силикаты прочно связаны с поверхностью зерен и полностью не удаляются во время регенерации. Таким образом, с каждым оборотом смеси содержание остаточной щелочи и отвержденного полимера в регенерате растет. Образованные силикаты снижают термостойкость песка и в случае формообразования без использования облицовочного слоя являются главной причиной пригара на литье.

Если полностью обновить регенерированный песок, через время вновь произойдет накопление вышеуказанных вредных примесей.

Одним из решений для облегчения процесса регенерации и снижения накопления остаточной щелочи является использование смол на основе натриевой щелочи. Силикат натрия является более термостойким, т.к. имеет большую температуру плавления, а значит поверхность песка меньше загрязняется плавленым силикатом, а также песок в процессе заливки меньше спекается. Более того, смола на натриевой щелочи обеспечивает стабильный уровень прочностей, в независимости от количества циклов регенерации: специалисты Huettenes-Albertus, Германия проводили исследования влияния разных марок смол на количество циклов регенерации. Установлено, что смолы на основе калиевой щелочи дают первоначально более высокие прочности, но с увеличением количества циклов оборота регенерированного песка прочность на изгиб снижается. Смола на натриевой щелочи дает постоянно одинаковую прочность (Рисунок 2).

Рис. 2 Влияние типа смолы на регенерируемость песка и изменение физико-механических свойств смесей

Используемая СТЛЗ смола Альфабонд относится к гибридной – то есть содержит натриевую и калиевую щелочи. В условиях определенных технологических параметров приводит к накоплению щелочных примесей в регенерированном песке.
Под требования технического задания и текущих показателей регенерированного песка подобрана смола на основе натриевой щелочи Альфабонд 8531 (Таблица 3).

Таблица 3. Физико-механические свойства смеси при использовании регенерированного песка (образец от марта 2023 г) и смолы Альфабонд 8531

Прочностные показатели на том же образце регенерированного песка выросли на 0,02-0,03 МПа. Основываясь на положительной динамике лабораторных исследований, СТЛЗ перешел на работу с использованием смолы Альфабонд 8531 для изготовления смесей на свежем и регенерированном песках. Имеющаяся в обороте регенерированная смесь обновлялась согласно действующей технологии — за счет стержней и облицовочного слоя форм. По прошествии 6 месяцев работы на смоле Альфабонд 8531 произведен повторный отбор регенерированного песка для проведения исследований. В среднем отобранный песок прошел 3 цикла регенерации. (Таблица 4).

Таблица 4. Анализ регенерированного песка (формовка с использованием смолы Альфабонд 8531 на протяжении 6 месяцев, сентябрь 2023)

Формовка с использованием Альфабонд 8531 положительно повлияла на качество регенерированного песка. Массовая доля остаточной щелочи снизилась на 57%, потери при прокаливании на 17%, что в свою очередь сказалось на улучшении физико-механических свойств смесей (Таблица 5).

Таблица 5. Физико-механические свойства смеси с применением регенерированного песка (сентябрь 2023 г) и смолы марки Альфабонд 8531

В сравнение с результатами физико-механических испытаний песчано-смоляной смеси (таблица 2), при использовании Альфабонд 8531 прочность образцов на разрыв выросла:

• через 1 час – на 100%;
• через 2 часа – на 30%;
• через 4 часа – на 23%;
• через 24 часа – на 70%.

С учетом полученных результатов «СТЛЗ» начало поэтапное увеличение числа циклов использования регенерированного песка и уменьшение доли использования свежего песка. При этом предприятие сохранило основные технологические параметры смеси без изменения расхода связующего. Анализ показателей качества литья за весь период работ показывает, что переход на новую систему связующих не повлек за собой увеличение времени операций на зачистку и обрубку литья. Неисправимый брак остается практически на нулевом уровне, как это было и при исходной технологии.

Соответственно, оценку приблизительного экономического эффекта от перехода на новую систему связующих можно свести к экономии на закупке свежего песка, утилизации отработанного и разницы между стоимостью связующих (Таблица 6).

Таблица 6. Расчет ожидаемого экономического эффекта

* — оценочная стоимость с учетом доставки классифицированного сухого формовочного песка в Уральский регион от поставщика из Средне-Волжского региона.
** — оценочная стоимость утилизации отработанного песка, с учетом транспортных и погрузочно-разгрузочных работ.
*** — экономия на цене покупки, без учета снижения дозировок

Выводы:

Для предприятий, использующих Альфасет ХТС технологию, сокращение затрат на закупку свежего и утилизацию отработанного песка с каждом годом становится все более актуальным. Как представлено выше, данная задача в ряде случаев может быть решена переходом на систему натриевых связующих. Оценочный экономический эффект представленного здесь проекта составляет приблизительно 465 тыс. руб/месяц, что является существенной экономией для относительно небольшого литейного предприятия. Для крупных предприятий, при более низких закупочных ценах на кварцевый песок, важным становится факт снижения внутренней логистической нагрузки, связанной с постоянным подвозом, подготовкой, промежуточным хранением песка и вывозом отработанного песка.

Использование натриевой Альфасет системы в сравнении с гибридной натрий-калиевой, уже через несколько недель применения существенно улучшает качественные показатели регенерированного песка и позволяет получить более высокие прочности форм без увеличения расхода связующих.

Благодаря накопленному опыту, при поддержке собственной отлично оснащенной лаборатории, а также наличию полной линейки Альфасет связующих, УХП-ХА готово предложить индивидуальное решение для каждого клиента. Вы можете выбрать системы для получения максимальной начальной и конечной прочности, системы для автоматических линий безопочной ХТС формовки с максимально быстрым набором манипуляционной прочности или, как описано в представленном здесь проекте, бюджетные натриевые системы для максимального использования механического регенерата.
Будем рады помочь реализовать новые возможности для вашего предприятия.

Сведения об авторах:

Александр Сергеевич Прадед – менеджер, технический специалист ООО «Уралхимпласт — Хюттенес Альбертус»

Роман Олегович Маланин – главный технолог ООО «Староуткинский литейный завод»

Михаил Валерьевич Скакун – ведущий инженер лаборатории ООО «Уралхимпласт — Хюттенес Альбертус»

Алексей Викторович Чикунов – коммерческий директор ООО «Уралхимпласт — Хюттенес Альбертус»