Gießerei brennen in mehr Tiefe
Die meisten Defekte im Metallguss werden durch die Verwendung einer unsachgemäßen Formmischung verursacht, was zu Problemen wie Verbrennung, Brennpunkten und anderen führt(1).
Das Verbrennen wird durch geschmolzenes Metall verursacht, das flach in die Sandform eindringt, typischerweise, wenn die Form heiß genug wird, um eine teilweise Zersetzung des Bindemittels zu ermöglichen, so dass geschmolzenes Metall in den Sand fließen kann(2). Wenn ein Metall für einen leicht längeren Zeitraum flüssig ist, kann es auch zu Verbrennungen kommen. Das Phänomen spielt sich in der Regel in Ecken, neben dicken Gussabschnitten und auf dünnen Kernen(3) ab. Es ist nicht bekannt, wie viel Zeit benötigt wird, um einen solchen Effekt zu erzeugen.
Ein anderer Begriff für die schwersten Fälle von Verbrennung ist "Penetration". Hier führt eine lokalisierte Überhitzung ("Hot Spots") zu einem tieferen Einfluss in die Form(4). Insgesamt erfordern beide jedoch eine Bearbeitung nach dem Gießen, um diese Oberflächenfehler zu beseitigen.
Eng verwandt mit Brennen auf ist "Burn in", richtiger als Fusion bekannt. Der Nettoeffekt des Einbrennens ist ähnlich wie das Brennen auf, unterscheidet sich aber in der Größe und Verteilung der Defekte. Eine weitere damit verbundene Verbrennung des Phänomens ist das Sintern der Ton- und Silikatkomponenten in einem Sand, sofern vorhanden, was die Bildung von Eisensilikaten bei eisen-Stahlguss ermöglicht. Durch das Sintern und Schmelzen dieser Verbindungen kann geschmolzenes Metall weiter in die Sandform eindringen(5)
Brennen und Einbrennen sind nur einige Beispiele für Oberflächenfehler, die durch das Zusammenspiel von geschmolzenem Metall und Formsand verursacht werden. Weitere Mängel sind die durch den Übergang von Elementen aus dem Formsand zum Metall und umgekehrt (z. B. Silizium und Phosphor aus dem Sand und Mangan und Eisen aus dem Metall), die eine chemische Veränderung an der Oberfläche verursachen(6), und potenziell physikalische Veränderungen der Gussmikrostruktur und damit der Oberflächen- und Schütteigenschaften des Endprodukts.
Benetzen ist ein häufig zitiertes Thema beim Gießen und trägt zum Aufbrennen der Gießerei bei. Die Manifestationen der Benetzung ähneln vielen anderen Verbrennungen auf Phänomenen - flüssiges Metall haftet an Sand und/oder Oxiden vorhanden, was bedeutet, dass das gegossene Produkt nicht glatt ist oder sogar Dicke bei Freisetzung aus der Form - es wird mit Graten und anderen Defekten in unregelmäßigen Abständen gespickt werden. Wie bei anderen Oberflächendefekten müssen die Auswirkungen der Benetzung durch Handbearbeitung oder eine andere Nachgussbearbeitung entfernt werden. Die erhöhten Zeit- und Arbeitskosten können sich nachteilig auf das Endergebnis einer Gießerei auswirken, da sie die Produktionseffizienz spürbar verringert(7).
Die Wissenschaft hinter der Benetzung ist komplex und beinhaltet ein detailliertes Verständnis der Oberflächenwissenschaft. Kurz gesagt, benetzt ist jedoch die Fähigkeit einer Flüssigkeit und eines Festkörpers, den Kontakt als Ergebnis von Oberflächenwechselwirkungen aufrechtzuerhalten. Wenn eine Wechselwirkung als "stark benetzend" beschrieben wird, dann hat sie eine gute Fest-Flüssig-Wechselwirkung. Umgekehrt ist der Grad der Solid-Flüssig-Wechselwirkung gering, wenn eine Wechselwirkung als "schlecht benetzt" beschrieben wird. Materialien, die die Wahrscheinlichkeit starker Benetzungswechselwirkungen verringern können, sind ideal geeignet für Situationen, in denen das Brennen zum Problem werden könnte - es liegt nahe, dass es bei einer schlechten Wechselwirkung zwischen Festunden und Flüssigkeiten (Sand und/oder Form und Metall) weniger oder sogar potenziell keine Oberflächendefekte geben wird. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Form, die der Benetzung unterzogen wurde, nicht in ihrem aktuellen Zustand wiederverwendet werden kann - eine weitere Ergänzung der Kosten. Eine ausführliche Diskussion über die Benetzbarkeit geht über den Rahmen dieses Artikels hinaus.
Kohlenstaub
Kohlenstaub ist das Produkt, das entsteht, wenn Kohle fein gemahlen wird. Typischerweise wird es von einer höheren Qualität der Kohle wie Anthrazit und nicht Braunkohle sein. Kohlen mit höherer Qualität haben einen höheren Anteil an reinem Kohlenstoff und verbrennen daher viel sauberer, ohne dass giftige Gase freigesetzt werden, wie sie mit der Verbrennung von bituminöser Kohle verbunden sind. Bereits 1945 zeigten Untersuchungen in Großbritannien, dass die industriellen Bedingungen, in denen Kohle in einer Gießerei eingesetzt worden war, gesundheitsarm waren - nicht zuletzt wegen der Entwicklung toxischer Gase(8). Die Verwendung von höherwertigen Kohlen reduziert die Menge an schädlichen Gasen, die durch niedrigere Schwefel- und Bituminadenmaterialien entstehen.
Kohlenstaub ist ein preiswertes Produkt und wird in der Schmelz- und Gießindustrie, z. B. als Teil von Feuerfeststoffen, weit verbreitet. Es ist ein entscheidendes Additiv, um ein Grünund Gussteile zu schleifen, aufgrund seiner Fähigkeit, Defekte im Zusammenhang mit der Bindung von Metallen an Sand zu reduzieren /verhindern.
Verhindern von Gießereiverbrennung
Kurz, um
Gießereiverbrennung
zu verhindern; durch die Erhöhung der Menge an kohlenstoffhaltigem Material in der Gießform steigt die Menge an Koks und glänzendem Kohlenstoff. Beim Erhitzen bilden diese Pyrolyse (nicht verbrannt*) und stellen eine Barriereschicht aus Gas und eine Schicht aus dünnem Kohlenstoff zwischen geschmolzenem Metall und der Sandgussform dar. Schon eine kleine Schicht reicht aus, um erhebliche Verbrennungsmengen zu verhindern, indem das geschmolzene Metall nicht mit dem Sand in Berührung kommen kann. Früher wurde angenommen, dass die Bildung der gasförmigen Hülle der Hauptfaktor war, der die Verbrennung seranner Oberflächendefekte einschränkte, aber die Realisierung einer Kohlenstoffschichtbildung hat die gasförmige Tasche weitgehend auf eine sekundäre präventive Maßnahme beschränkt.
Bei einem konventionellen Eisenguss, wenn ein Sand oder Grünsandschimmel mit ausreichendem Kohlenstaubgehalt verwendet wird, pyrolysieren die Kohlenwasserstoffe in dieser Kohle aufgrund der erheblichen Wärme, die durch das geschmolzene Metall entsteht. An der Flüssigkeits-Sand-Schnittstelle wird schnell ein dünner Kohlenstofffilm abgelagert, der das Eindringen von Metall in den Sand und umgekehrt verhindert und eine hervorragende Oberflächengüte ohne hervorstehende Metallgrate ermöglicht. Dieses Nicht-Benetzungsverhalten ist unerwartet, da Kohlenstoff in vielen Metallen löslich ist, wird aber durch eine feste Kohlenstoffschicht (auf dem Metall) erklärt, die später einen festen Kohlenstoff (auf dem Sand) kontaktiert.
Es wurden Spezifikationen für idealisierte Kohlenstofftypen vorgeschlagen. Quellen von Kohlenstaub, die überwiegend anthrazit sind, eine gute Kokskapazität haben, nicht mehr als 30 Gewichtsprozent flüchtig sind, mit einem Schwefelgehalt von weniger als 0,8 Gewichtsprozent und niedrigem Aschegehalt bevorzugt werden(9). Bereits in den späten 1960er Jahren legt die Patentliteratur nahe, dass von da an höhere Kohlequalitäten als Ersatz für Kohlestaub mit breitem Spektrum verwendet wurden. Die Patentautoren schlugen vor, dass Anthrazit bei einer Mahlgröße von 0,3 mm in Mengen von bis zu 3 Gewichtsprozent ausreichen würde, um Kohlenstaub zu ersetzen(10). Dieselben Autoren behaupteten weiterhin, dass Anthrazit, wenn es verwendet wird, einen größeren Anteil an glänzendem Kohlenstoff produzierte. Dieser glänzende Kohlenstoff ist derselbe wie der "dünne Film", der sich, wie bereits erwähnt, an der Metall-Sand-/Formoberfläche ablagert.
Die Pyrolyse ist nicht auf kohlenstoffhaltige Materialien in der Form beschränkt. Bindemittel können auch bei dieser Methode zerbrechen, und je nach Denkmittelbestandteil können sie die Oberflächengüte verbessern oder verschlechtern. Urethan und andere organische Bindemittel brechen ähnlich wie Kohlenstaub zusammen und sorgen für keine Oberflächendefekte und in bestimmten Fällen für überlegene Oberflächengüten. Andererseits können Bindemittel, die einige Furane, Sulfon- oder Phosphorsäuren enthalten, zu oberflächendefekten Materialien pyrolysieren. Phosphorsäuredampf kann mit Eisenoxid oder Chromit (bei Greensand) reagieren und Eisenphosphat bilden, das mit Komponenten in einem zu gegossenen Eisenmetall interagieren kann. Sulfonsäuren können mit vielen Komponenten im Sand unter hohen Temperaturen reagieren, schließlich Sulfonate bilden und schließlich sulffiden. Diese Sulfide können Zufallstoffe schädigen. Im Hinblick auf diese chemischen Verbrennungen auf Typ effekte, kann ausreichend Kohlenstaub im Sand diese durch die oben genannten Methoden verhindern.
Kohlenstaub in einem Sandgussgemisch ist mit Druckerhöhungen verbunden(11). Solche Erhöhungen sind scheinbar dramatisch (nur 5% des Kohlenstaubs in einem Grün und Mischung wird zu einem Druckanstieg führen doppelt so viel wie Grüns und allein), aber sind gut innerhalb der Toleranzen und es gibt wenig Risiko für die Form oder Sandkasten. Natürlich ist aufgrund der Entwicklung der Gase aus der Verbrennung des Kohlenstaubs zusätzlich zur Verdunstung von Wasser aus dem Sand mit einem Druckanstieg zu rechnen. Aufgrund seines geringen atomaren Radius ist das einzige potenzielle Problem mit erhöhtem Druck, wenn Wasserstoff vorhanden ist. Wasserstoff könnte in das Metall eindringen(12).
Wie bereits erwähnt, ist eine andere Art der Verbrennung auf die Bildung von Eisensilikaten, wenn Kieselsäure mit Eisenoxid reagiert, wodurch Sandkörner verschmelzen und ineinander verschmelzen, ablagerungen auf der gegossenen Oberfläche, die schwer zu entfernen sind(13). Die Verhinderung der Eisenoxidbildung ist der Schlüssel zur Linderung dieses Phänomens und wird auch durch die Pyrolyse von Kohlestaub erreicht, der eine reduzierende Atmosphäre erzeugt, in der keine Oxidation von Eisen auftreten kann(14). Ähnliche Effekte treten bei minderwertigem Chromit auf, das oft geringe Mengen an Kieselsäure enthält. Die Verringerung der Atmosphären wird durch die Erzeugung von Wasserstoffgas aus der Pyrolyse von Kohlenstaub und anderen Materialien unterstützt, was dazu beitragen kann, die Bildung von Oxiden und Silikaten zu verhindern(15).
Neben der Verhinderung der Gießereiverbrennung soll die Zugabe von Kohlenstaub zu einem Sandgemisch die Druckfestigkeit des Sandes mäßig erhöhen, was wahrscheinlich auf gute Assoziationen mit Ton zurückzuführen ist(16).
Insgesamt kann mit Zuversicht gesagt werden, dass die Verwendung von Kohlenstaub die Gesamtqualität des Gusses erhöht, indem es Das Verbrennen, Einbrennen und andere Wechselwirkungsprozesse verhindert. Darüber hinaus sollte nicht vergessen werden, dass Anthrazit als feuerfestes Material für sich selbst verhalten kann (ein Material, das bei hohen Temperaturen sehr tolerant gegenüber physikalischen oder chemischen Veränderungen ist) und ein Teil der Anziehungskraft von Anthrazit in der Gießereigusseinstellung mit dieser Eigenschaft zusammenhängt. Anthrazit als feuerfestes Material wird an anderer Stelle auf dieser Website ausführlich diskutiert.
Betriebsüberlegungen
Wie bei allen Kohlenwasserstoffen, die verbrennbar sind, wird eine Menge Schadstoffe produziert. Handelt es sich bei dem verwendeten Kohlenstaub um einen pulverförmigen höheren Kohlegehalt, z. B. Anthrazit, so wird er deutlich weniger gefährliche Schadstoffe ausstoßen (17) als eine niedrigere bituminöse Kohle(18). Die kohlen niedriger (noch niedriger als bituminös) enthalten weniger reinen Kohlenstoff und mehr Schwefel und harzige Materialien. Braunkohle beispielsweise hat einen Kohlenstoffgehalt zwischen 20 und 35 % - was ihre Verwendung nur für die Stromerzeugung ausführt, da sie für praktisch alles andere eine zu schlechte Qualität bietet. Es gibt so etwas wie zu viel Kohlenstaub - Gaslöcher, Fehlwürfe und die Bildung einer blauen Haut auf dem Guss sind alle möglichen Ergebnisse. Darüber hinaus können hohe Mengen an Kohlenstaub im grünen Sand zu einer Abnahme der Durchlässigkeit und einem verbesserten Feuchtigkeitsbedarf führen. Typische Mengen an Kohlenstaub, die in Sandgussformen verwendet werden, übersteigen selten 5 %, da mehr als dies die Durchlässigkeit des Sandgemisches verringert und mehr Bindemittelgehalt erfordert(19).
Zusätzlich zu den oben genannten Vorteilen von Kohlestaub, um Oberflächendefekte zu verhindern, erhöht Kohlenstaub die
Zerbrechlichkeit
der grünen Sandform, und als solche kann die Form höheren Temperaturen standhalten, wobei Kohlenstaub eine Fusionstemperatur von mehr als 1.600 °C hat.
Calciniertes Anthrazit hat sich auch bei der Verbrennungsbekämpfung als Kohlenstoffquelle als nützlich erwiesen, wo es sich ähnlich verhält wie herkömmliches Anthrazit, aber besser für Gießereien geeignet ist, die mit deutlich höheren Gießtemperaturen arbeiten(20). Vielleicht kontraintuitiv jedoch hatten kalzinierte Anthrazit, die Füllstoffe und Formsandzusätze enthielt, keine besseren Stabilitätseigenschaften als ihre nicht kalzinierten Gegenstücke oder die von herkömmlichen niederwertigen Kohlen.
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