Формовочные пески

Происхождение песков и их добыча. Основным материалом, удовлетворяющим сформулированным выше требованиям, является чистый кварцевый песок, состоящий из зерен кварца определенной формы и дисперсности. Чистые кварцевые пески редко встречаются в природе. Природные кварцевые пески содержат различные примеси.

Формовочные пески представляют собой осадочные горные породы, образовавшиеся в результате выветривания, разрушения горных пород в ледниковый период и образования осадков из различных растворов (например, пески морских отложений).

Лучшие формовочные пески образованы в результате выветривания и длительного разрушения и перемещения горных пород. Они имеют однородную зернистость. Пески морских отложений отличаются высокой однородностью и низким содержанием примесей. Пески ледникового периода имеют очень неравномерную зернистость и повышенное содержание примесей. Поэтому их применяют после обогащения и классификации по величине зерен.

Добыча формовочных песков производится в карьерах. Среди месторождений песков, образовавшихся при выветривании, можно отметить Басьяновское (Свердловская область), Карасорское (Казахстан). Пески морских отложений добывают в Люберецком (Московская область), Кичигинском (Челябинская область), Балашейском (Самарская область), Миллеровском (Ростовская область) карьерах. В СССР функционировало 28 карьеров, годовая добыча формовочных песков в которых составляла свыше 21 млн т, в том числе 3 млн т обогащенных песков.

Минералогический и химический состав формовочных песков. Основу формовочного песка составляет кварц. Он представляет собой минерал на основе химического соединения SiO2. Плотность кварца 2,5-2,8 г/см3, твердость составляет 7 ед. по шкале Мооса. Температура плавления кварца 1713 °С. Чистый кварц - прозрачный материал. В зависимости от содержания примесей он может иметь различную окраску.

При нагреве в кварце происходят фазовые превращения. При низких температурах он имеет модификацию а-кварца. При температуре 573 °C а-кварц переходит в b-кварц с увеличением объема на 2,4 %. При температуре 870 °C b-кварц переходит в тридимит с увеличением объема на 15,1 %. При температуре 1470 °C тридимит переходит в кристобалит с увеличением объема на 4,7 %. Кристобалит плавится при температуре 1713 °C с увеличением объема на 0,1 %.

Превращения кварца из одной модификации в другую при нагреве происходят быстро, а при охлаждении медленно. Поэтому кварц, подвергнутый так называемому тридимитизирующему обжигу, считается термически стабильным материалом. В процессе его нагрева не происходит существенных объемных изменений, приводящих к растрескиванию зерен. В обычных условиях тридимит встречается в смесях лишь после многократных заливок.

Кроме кварца в песках содержатся минеральные примеси: полевые пшаты, слюды, оксиды и гидраты оксидов железа, карбонаты, кальциты, глинистые минералы, рутил, пирит и др.

Полевые шпаты (MeO*Al2O3*6SiO2) бывают калиевые и натриевоизвестковые. Они имеют меньшую твердость, чем кварц (6-6,5 единиц по шкале Мооса) и меньшую температуру плавления (1170-1550 °С).

Слюда ухудшает огнеупорность песка. Она имеет большую плотность (2,7-3,2 г/см3) и низкую температуру плавления (1150-1400 °С). В природе наиболее часто встречается белая калийная слюда - мусковит (K2O*3Al2O3*6SiO2H2O) и черная железомагнезиальная слюда - биотит (K2O*6(Mg, Fe)O*Al2O3O6SiO2*2Н2O).

Оксиды железа встречаются в виде гематита (Fe2O3), магнитного железняка (FeO*Fe2O3) и ильменита (FeO*TiO2). Наибольшей температурой плавления обладает гематит (1560 °С).

Гидраты оксидов железа (nFe2O3*H2O) в зависимости от содержания воды бывают нескольких разновидностей. Они при нагревании теряют воду и способствуют образованию в песке легкоплавких силикатных эвтектик, вызывающих пригар на отливках.

Особенно вредными в песках являются примеси карбонатов, которые разлагаются при нагревании до 500-900 °C и способствуют образованию в отливках различных дефектов. Содержание вредных примесей в песках регламентируется ГОСТ 2138-84.

В формовочных песках встречаются несколько глинистых минералов: каолинит, монтмориллонит, гидрослюда.

Поверхность зерен необогащенного песка в большинстве случаев покрыта пленками гидратированного кварца, гидроксидов железа, алюминия и глины. Эти пленки очень тонкие (0,5-20 мкм) и оказывают существенное влияние на адгезию как глинистых, так и органических связующих. Зерна песка обладают большой поверхностной активностью.

От величины зерен песка зависят прочность, газопроницаемость и другие свойства формовочных смесей.

Глинистая составляющая формовочных песков. Глинистой составляющей называют совокупность частиц размером менее 22 мкм независимо от их химического состава.

В зависимости от массовой доли глинистой составляющей формовочные пески подразделяют согласно действующему стандарту (ГОСТ 29234.3-91) на кварцевые (К), тощие (T) и жирные (Ж). Кварцевые пески содержат не более 2 % глинистой составляющей, в то время как тощие пески - 2-12 %, а жирные пески - от 12 до 50 %.

Кварцевые и тощие пески подразделяют на группы в зависимости от содержания глинистой составляющей и диоксида кремния SiO2, коэффициента однородности и среднего размера зерна. Деление на группы для жирных песков определяется средним размером зерна и пределом прочности при сжатии во влажном состоянии. Группы песков приведены в табл. 5.1-5.7.

Определение содержания глинистой составляющей осуществляют по ГОСТ 29234.1-91. Применяемая методика основана на зависимости скорости осаждения V взвешенной в жидкости частицы от ее диаметра d. По формуле Стокса скорость осаждения сферической частицы в воде равна

где р и р0 - плотность частицы и плотность воды;

u - динамический коэффициент вязкости воды.

Если в формулу (5.1) подставить значение вязкости воды при T = 20 °C u = 0,01 пуаз, р0 = 1 г/см3, р = 2,5 г/см3, то после вычисления получим, что частица диаметром d = 22 мкм = 22*10в-3 см будет опускаться вводе со скоростью 0,042 см/с. Частицы меньшего диаметра будут опускаться медленнее, а большего - быстрее. Например, на глубину 125 мм частица диаметром 22 мкм опустится за 5 мин.

Рассмотрим методику определения содержания глинистой составляющей в песке. Навеску песка 50 г высушивают при 105-110 °C до постоянной массы, высыпают в литровую банку и заливают 475 см дистиллированной воды и 25 см3 раствора пирофосфата натрия концентрацией 10 г на 1 дм3. Банку устанавливают на специальный прибор для взбалтывания, на котором она вращается в течение часа со скоростью 60 об/мин. Затем в банку доливают воду до уровня 150 мм от ее дна и дают взвеси отстояться в течение 10 мин. За это время на дно банки осядут частицы диаметром больше 22 мкм. На глубину 125 мм от уровня жидкости в банке опускают сифонную трубку (рис. 5.2) и сливают жидкость. Затем доливают воду до уровня 150 мм и снова в течение часа взбалтывают банку. После этого дают взвеси отстояться 10 мин и сливают жидкость. Далее эти операции повторяют до тех пор, пока вода в банке после взбалтывания не станет прозрачной.

Во всех циклах операций, кроме первых двух, взвесь отстаивают в течение 5 мин. Отстаивание в первых циклах в течение 10 мин производится исходя из следующих соображений. Формула (5.1) получена для опускания одной частицы. Во взвеси песка в воде таких частиц много, поэтому скорость их опускания меньше 0,042 см/с. Для того чтобы обеспечить осаждение всех частиц диаметром больше 22 мкм, принято время отстаивания больше расчетного - 10 мин.

После двух циклов отстаивания содержание глинистой составляющей во взвеси уменьшится, что обеспечит достаточную точность применения формулы (5.1) и возможность пятиминутного отстаивания.

В конце испытания после слива воды на дне банки останется лишь зерновая часть песка. Ее переносят на фильтровальную бумагу и на часовое стекло. После высушивания остатка до постоянной массы его взвешивают. Потеря в массе против предварительно высушенной первоначальной (50 г) после прокалки дает количество глинистой составляющей. Для выражения его в процентах число граммов умножают на два.

Зерновой состав песка. Совокупность частиц песка, размеры которых превышают 22 мкм, называется зерновой основой песка. Технологические свойства формовочных смесей существенно зависят от размеров зерен песка, формы зерен и распределения навески песка по размерам зерен.

Для исследования зернового состава песка применяют ситовой анализ, т. е. рассеивание части навески песка через набор сит после отмучивания глинистой составляющей. Стандартный набор включает в себя 11 сит. Размеры сторон ячеек и соответствующие номера сит приведены ниже:

Перед испытанием сита устанавливаются друг на друга в указанном порядке. При этом номер сита снизу вверх увеличивается. Снизу набора сит предусмотрен тазик. Набор сит устанавливается на специальный прибор, который с помощью эксцентрикового механизма встряхивает в горизонтальной плоскости стопку сит с частотой 300 колебаний в минуту. После просеивания песка в течение 15 мин сита снимают с прибора и взвешивают остатки песка на каждом сите и в тазике. Совокупность зерен, оставшихся на каждом сите, составляет отдельную фракцию с размерами частиц в пределах отверстий вышестоящего и данного сита. Зерновой состав песка характеризуется средним размером зерна, коэффициентом однородности и удельной поверхностью зерен.

Определение среднего размера зерна и коэффициента однородности. Средний размер зерна и коэффициент однородности рассчитываются по результатам рассева пробы песка и количественного распределения частиц по ситам. Массовую долю остатка на сите Xi вычисляют по следующей формуле, %:

где i - порядковый номер сита;

mi - масса остатка на сите, г;

m - масса исходной навески, г.

Далее строят интегральную кривую распределения частиц по размерам. Для этого по оси абсцисс откладывают в логарифмическом масштабе размер сторон ячеек сетки в свету аi, а по оси ординат в линейном масштабе - процентную долю массы частиц, имеющих размер меньше ai. Средний размер зерна Дср соответствует границе, которая делит распределение частиц на две равные части, т. е. характеризует размер воображаемого сита, через которое прошло бы ровно 50 % песчаной основы.

Для определения коэффициента однородности по интегральной кривой находят процентное содержание частиц размером меньше 4/ЗДср и 2/3Дср. Коэффициент однородности равен разности этих значений.

Пример обработки данных рассева для определения среднего размера зерна и коэффициента однородности приведен в табл. 5.8 и на рис. 5.3.

На нижнюю горизонтальную ось графика (см. рис. 5.3) в логарифмическом масштабе нанесена шкала размера зерен от 0,01 до 2 мм. На верхней горизонтальной оси нанесены метки, соответствующие индексу сита, через которое не могут пройти зерна большего размера, чем абсцисса метки. Например, метке сита 005 соответствует абсцисса 0,063 мм. Это означает, что частицы, оставшиеся на сите 005, имеют размер, который не превышает 0,063 мм, поскольку они прошли через сито 0063, находящееся над ситом 005. Аналогично метке сита 0063 соответствует абсцисса 0,1 мм. Это означает, что частицы, оставшиеся на сите 0063, имеют размер, который не превышает 0,1 мм, поскольку они прошли через сито 01, находящееся над ситом 0063.

В третьей графе табл. 5.8 приведены значения характерного размера каждой фракции, вычисленные по формуле

где d - размер ячейки сита, мм;

dв - размер ячейки смежного сита, расположенного выше, мм.

Интегральная кривая (процентная доля массы частиц с размером меньше сторон ячейки вышележащего сита) построена по данным последней графы табл. 5.8. Способ ее построения не оговорен стандартом, хотя это вносит некоторую неопределенность и может привести к существенным погрешностям. На рис. 5.3 видна ломаная линия, соединяющая точки, соответствующие данным табл. 5.8. Кроме того, построена плавная кривая, проходящая через те же точки. Поскольку расчеты и построение графика очень трудоемки, их рационально выполнять с помощью ЭВМ. Видно, что в рассматриваемом случае средний размер зерна составляет 0,2 мм (по результатам компьютерного расчета Дср = 0,205 мм), а коэффициент однородности О = 75-16 = 59 %. Эта величина равна разности ординат точек на кривой, имеющих абсциссы 4/3Дср и 2/3Дср. Таким образом, в обозначение марки рассмотренного песка должно входить в качестве обозначения однородности и среднего размера зерна сочетание О402 (согласно табл. 5.5 и 5.6).

Определение расчетной и фактической удельной поверхности. Расчет коэффициента угловатости. За удельную поверхность принимают площадь поверхности зерен, отнесенную к 1 г песка.

Расчет удельной поверхности Sр производят по формуле

где i - порядковый номер сита;

mi - масса отдельных фракций песка, г;

m - масса навески песка, г;

bi - характерный размер зерен на сите, мм (см. табл. 5.8).

Формула (5.2) справедлива только для сферических частиц, поэтому фактическая удельная поверхность песка всегда превышает расчетную.

Выполним расчет удельной поверхности песка, результаты ситового анализа которого приведены в табл. 5.8:

По теоретической (расчетной) удельной поверхности и коэффициенту угловатости стандарт подразделяет пески на группы, приведенные в табл. 5.9 и 5.10. Видно, что при расчетной удельной поверхности 121,5 см /г песок следует отнести к группе «средняя».

Фактическую удельную поверхность определяют путем лабораторного контроля. Для проведения испытания применяют прибор, схема которого приведена на рис. 5.4.

Пробу сухого песка массой 50 г помещают в бюретку 2 диаметром 1,2 см, имеющую вместимость 50 см3, в нижнюю часть которой впаяно сито 3. Песок в бюретке уплотняют легким постукиванием по ней карандашом, пока песок не займет постоянный объем. После этого с помощью резиновой груши, соединенной с выходной трубкой 5, отсасывают воздух из U-образной трубки 1 до тех пор, пока уровень жидкости в ней не поднимется до метки М1. Чтобы исключить попадание воздуха в U-образную трубку, закрывают кран 4. Уровни жидкости в двух коленах трубки постепенно выравниваются за счет притока воздуха через песок в бюретку 2. С помощью секундомера фиксируют время Г, за которое столб жидкости опустится от метки M2 до метки M3.

Для вычисления удельной поверхности требуется экспериментально определить несколько величин или задаться их значениями: m - навеска песка, г; V - объем песка в бюретке, см3; у - плотность минеральной основы песка (например, кварца), г/см ; S - площадь поперечного сечения бюретки, см2.

После этого рассчитывают насыпную плотность песка D = m/V, оценивают относительный объем пор е = y-D/y и вычисляют высоту слоя песка в бюретке H = V/S. Далее определяют фактическую удельную поверхность по формуле

где у - постоянная прибора, величина которой приводится в сопроводительной документации либо вычисляется по методике, оговоренной стандартом.

Коэффициент угловатости К рассчитывается по формуле К = Sф/S.

Например, при контроле фактической удельной поверхности рассмотренного выше песка она оказалась равной 149 см /г. Таким образом, коэффициент угловатости составляет К = 149/121,5 = 1,226, поэтому в соответствии с табл. 5.10 песок следует отнести к группе формы зерен «полуокруглая».

Обозначение марок песка по ГОСТ29234.3-91. Обозначение марок кварцевых и тощих песков состоит из обозначений групп по массовой доле глинистой составляющей, массовой доле диоксида кремния, коэффициенту однородности и размеру зерна. Например, марка 2К1О302 относится к песку, содержащему от 0,2 до 0,5 массовых процентов глинистой составляющей, не менее 99 массовых процентов диоксида кремния, имеющему коэффициент однородности от 60 до 70 % и средний размер зерна от 0,19 до 0,23 мм.

Обозначение марок жирных песков состоит из обозначений групп по пределу прочности на сжатие во влажном состоянии и среднему размеру зерна. Например, марка Ж2016 относится к жирному песку с пределом прочности при сжатии во влажном состоянии от 0,05 до 0,08 МПа и средним размером зерна от 0,14 до 0,18 мм.

Согласно стандарту существуют и другие признаки, по которым пески подразделяются на группы:

• массовая доля влаги;

• концентрация водородных ионов (pH) в водной вытяжке;

• массовая доля вредных примесей;

• коэффициент угловатости;

• теоретическая удельная поверхность;

• газопроницаемость;

• потеря массы при прокаливании.

Обогащенные пески в зависимости от содержания глинистой составляющей, диоксида кремния и вредных примесей делятся на группы Об1, Об2 и Об3.

Считаем целесообразным для справки привести способ маркировки песков по ГОСТ 2138-84.

В зависимости от содержания глинистой составляющей (TC) пески делятся на кварцевые (содержание глинистой составляющей не более 2 %); тощие (T), 2 < TC < 10%; полужирные (ПЖ), 10 < TC < 20%; жирные (Ж), 20 < TC < 30 %; очень жирные (ОЖ), 30 < TC < 50 %. Кварцевые пески в зависимости от содержания SiO2 обозначаются следующим образом: IK (SiO2 не менее 97 %), 2К (SiO2 не менее 96 %), 2К (SiO2 не менее 94 %) и 4К (SiO2 не менее 90 %).

Зерновой состав формовочного песка оценивается по результатам ситового анализа. Наибольшую сумму остатков песка (массовых процентов) на трех каких-либо смежных ситах, взятых подряд, называют основной фракцией. Формовочные пески по сумме остатков песка, отвечающих основной фракции, подразделяют на пески с концентрированной (сосредоточенной) зерновой структурой, у которых основная фракция составляет не менее 70 %, и пески с рассредоточенной зерновой структурой с основной фракцией не менее 60 %. Формовочные пески с рассредоточенной зерновой структурой делят на крупные (КРК), средние (КРС), мелкие (KPM) и с общей (на любых ситах) рассредоточенностью (КРО).

Пески, у которых на верхнем из трех смежных сит основной фракции располагается большая массовая доля песка, чем на нижнем, относят к категории А. Если же массовая доля, оставшаяся на нижнем сите, больше, чем на верхнем, то такой песок относится к категории Б.

В маркировку песка включаются обозначения класса (1К, 2К, 3К, 4К, Т, ПЖ, Ж, ОЖ), размера среднего сита основной фракции, категории (например, ЗК016А).