ТЕРМИЧЕСКАЯ РЕГЕНЕРАЦИЯ ФОРМОВОЧНОГО ПЕСКА

Изобретение относится к способу регенерации формовочных песков, которые содержат примеси жидкого стекла, а также к формовочному материалу, который может быть получен данным способом.

Литейные формы для изготовления металлических изделий по существу изготавливают в двух конструкциях. Первую группу образуют так называемые стержни или изложницы. Литейная форма собрана из них, по существу образуя матрицу для получения отливки. Вторую группу образуют полые тела, так называемые питатели, которые действуют в качестве компенсирующих резервуаров. Они принимают жидкий металл, обеспечивая посредством подходящих средств, чтобы металл дольше оставался в жидкой фазе, чем металл, находящийся в литейной форме, образующей матрицу. Если металл затвердевает в матрице, жидкий металл может течь из компенсирующего резервуара в целях компенсации сокращения объема, сопровождающего затвердевание металла.

Литейные формы состоят из огнеупорного материала, например, кварцевого песка, зерна которого связывают подходящим связующим агентом после формования литейной формы, в целях обеспечения достаточной механической прочности литейной формы. Формовочную смесь, которая обработана подходящим связующим агентом, таким образом, используют для изготовления литейных форм. Огнеупорный основной формовочный материал предпочтительно присутствует в заливаемой форме, так чтобы его можно было залить в подходящую полую форму и уплотнить в ней. Связующий агент создает твердую когезию между частицами основного формовочного материала, так чтобы литейная форма приобрела необходимую механическую стабильность.

Литейные формы должны удовлетворять различным требованиям. В ходе самого процесса отливки они должны, прежде всего, проявлять достаточную стабильность и термостойкость в целях приема жидкого металла в полую форму, образованную из одной или более литейных (частичных) форм. После начала процесса отвердевания механическая стабильность литейной формы обеспечивается отвердевшим слоем металла, который образуется параллельно стенкам полой формы. Материал литейной формы теперь должен разрушиться под влиянием тепла, высвобождаемого металлом, таким образом, что она утрачивает свою механическую прочность, то есть когезия между индивидуальными частицами огнеупорного материала исчезает. Этого достигают посредством связующего агента, например, разлагающегося под действием тепла. После охлаждения отвердевшую отливку встряхивают, и в этом случае материал литейных форм идеально распадается на мелкий песок, который можно вылить из пустот металлической формы.

Как органические, так и неорганические связующие агенты можно использовать для изготовления литейных форм, которые можно отверждать в каждом случае холодными или горячими способами. В данном контексте холодными способами обозначены те способы, которые осуществляют по существу при комнатной температуре без нагревания литейной формы. Отверждение обычно имеет место в данном случае посредством химической реакции, которая запускается, например, газом, пропускаемым в качестве катализатора через форму, которую нужно отверждать. При горячих способах смесь формовочных материалов нагревают до достаточно высокой температуры после формования с целью, например, удаления растворителя, содержащегося в связующем агенте, или с целью инициации химической реакции, посредством которой связующий агент отвердевает, например, в результате сшивания.

В настоящее время такие органические связующие агенты часто применяют для изготовления литейных форм, в которых реакция отверждения ускоряется газообразным катализатором, или которые отверждают путем взаимодействия с газообразным отверждающим агентом. Эти способы обозначены как способы "холодного ящика" (способ "cold-box").

Примером изготовления литейных форм с использованием органических связующих веществ является так называемый способ полиуретанового холодного ящика. Первый компонент состоит из раствора полиола, главным образом, фенольной смолы. Второй компонент представляет собой раствор полиизоцианата. Таким образом, согласно US 3409579 А, два компонента полиуретанового связующего вещества подвергают взаимодействию путем пропускания газообразного третичного амина через смесь основного формовочного материала и связующего агента после формования. Реакция отверждения полиуретановых связующих агентов включает аддитивную полимеризацию, то есть реакцию без какого-либо удаления побочных продуктов, таких как, например, вода. Дополнительные преимущества этого способа холодного ящика включают хорошую производительность, точность размеров литейных форм, а также хорошие технические свойства, такие как прочность литейных форм, время обработки смеси основного формовочного материала и связующего агента и т.д.

Органические способы горячего отверждения включают способ горячего ящика, основанный на фенольных или фурановых смолах, способ теплого ящика, основанный на фурановых смолах, и способ оболочкового литья по Кронингу, основанный на новолачных фенольных смолах. При способах горячего ящика и теплого ящика жидкие смолы обрабатывают с получением смеси формовочного материала, используя латентный отверждающий агент, который эффективен только при повышенной температуре. При способе по Кронингу основные формовочные материалы, такие как кварц, хромовая руда, циркониевый песок и т.д., заключают в оболочку при температуре примерно от 100 до 160°C новолачной фенольной смолой, которая при данной температуре является жидкой. Гексаметилентетрамин добавляют в качестве партнера реакции для последующего отверждения. При вышеуказанных технологиях горячего отверждения формование и отверждение имеет место в нагреваемых устройствах, которые нагревают до температуры вплоть до 300°C.

Независимо от механизма отверждения все органические системы объединяет то, что во время заливки жидкого металла в литейную форму они претерпевают термическое разложение, и в то же время могут высвобождаться примеси, такие как, например, бензол, толуол, ксилол, фенол, формальдегид и высшие, частично не идентифицированные, продукты крекинга. Действительно было возможно свести к минимуму эти выбросы посредством различных мер, но их невозможно полностью избежать в случае органических связующих веществ. Даже в гибридных системах неорганических и органических веществ, которые содержат фракцию органических соединений, такие как, например, связующие агенты, применяемые в способе резол-CO₂, такие нежелательные выбросы происходят во время отливки металлов.

Чтобы избежать выброса продуктов разложения в ходе процесса отливки, должны быть использованы связующие агенты на основе неорганических веществ, или которые по большей мере содержат очень малую фракцию неорганических соединений. Такие системы связующих агентов некоторое время уже известны. Разработаны системы связующих агентов, которые можно отверждать путем введения газов. Такая система описана, например, в GB 782205, в которой в качестве связующего агента используют щелочное жидкое стекло, которое можно отверждать путем введения CO₂. В DE 19925167 описана экзотермическая смесь для питателя, которая содержит щелочной силикат в качестве связующего агента. Кроме того, разработаны системы связующих агентов, которые являются самоотверждающимися при комнатной температуре. Такая система, основанная на фосфорной кислоте и оксидах металлов, описана, например, в US 5582232. Наконец, известны неорганические связующие системы, которые отверждают при более высоких температурах, например, в нагретых устройствах. Такие связующие системы горячего отверждения известны, например, из US 5474606, в котором описана связующая система, состоящая из щелочного жидкого стекла и силиката алюминия.

В процессе изготовления отливок накапливаются большие количества использованного формовочного песка с примесью остатков связующего агента. Таким образом, использованный песок необходимо либо утилизировать, либо обработать пригодным способом, так чтобы его было возможно повторно использовать для изготовления литейных форм. То же применимо к так называемому избыточному песку, то есть к песку, который смешан со связующим агентом, но не отвержден, а также к стержням или фрагментам стержней, которые не претерпели отливку.

Наиболее широко применяют механическую регенерацию, при которой остаток связующего агента или продукты распада, остающиеся в использованном формовочном песке после отливки, удаляют с помощью фрикционирования. С этой целью песок можно, например, подвергать энергичным движениям таким образом, чтобы остатки связующего агента, прилипшие к зернам этого песка, были удалены в результате трения между соседними зернами песка. Затем остатки связующего агента можно отделить от песка путем просеивания и обеспыливания.

Однако часто остатки связующих агентов невозможно полностью удалить из песка с помощью механической регенерации. Кроме того, в результате сильных усилий, действующих на зерна песка во время механической регенерации, может происходить сильное истирание, либо зерна песка могут дробиться. Песок, обработанный механической регенерацией, таким образом, обычно не обладает таким же качеством, как новый песок. Если механически регенерированный песок, таким образом, используют для изготовления литейных форм, в результате могут быть получены отливки более низкого качества.

В целях удаления остатков органических связующих агентов использованный формовочный песок можно нагревать, подавая при этом воздух, так что остатки связующего агента сгорают. В DE 4111643 описан аппарат для непрерывной регенерации использованных формовочных песков, связанных синтетической смолой. В этом случае после механической предварительной очистки использованный формовочный песок подают на стадию термической регенерации, на которой остатки органического связующего агента, остающиеся на зернах песка, сгорают. Стадия термической регенерации включает промежуточный подогреватель песка, каскадную печь, работающую непрерывно по противоточному принципу с псевдоожиженными слоями, расположенными друг над другом на индивидуальных стадиях, а также охладитель песка. Холодный воздух, с усилием протекающий через охладитель песка в спиралях, подают в печь в виде горячего воздуха для создания турбулентности. Его также используют в качестве воздуха форсунки. Кроме того, горячий воздух из внутренней части охладителя песка подают в промежуточный подогреватель песка для нагревания песка. Таким образом, достигают распределения температуры в печи, которое ни в одной точке не приводит в результате к сгоранию, которое является неполным и, следовательно, образует вредные отработанные газы.

Обычно использованный песок отделяют от отливки перед вторичной обработкой. Однако также известен способ, при котором отливки вместе со стержнями и формы, изготовленные с использованием органических связующих агентов, нагревают в печи до температуры примерно от 400 до 550°C в течение достаточно длительного времени сразу после отливки. Параллельно с удалением органического связующего агента термическая обработка также вызывает металлургическую модификацию отливки.

Таким образом, в ЕР 0612276 В2 описан способ термической обработки отливки с песчаным литейным стержнем, приклеенным к ней, который включает связывание песка со сгораемым связующим агентом, посредством чего песок может быть восстановлен из песчаного литейного стержня. В данном случае отливку вносят в печь и нагревают в печи таким образом, что части песчаного литейного стержня отделяются от отливки. Отделенные песчаные частицы, собранные внутри печи, восстанавливают. Стадия восстановления процесса в данном случае включает по меньшей мере одно псевдоожижение отделенных частей песчаного литейного стержня внутри печи. Псевдоожижение отделенных частей песчаного литейного стержня можно осуществить, например, путем введения сжатого воздуха, посредством чего песчаные частицы поддерживают в виде суспензии.

Использованные формовочные пески, загрязненные неорганическими связующими агентами, такими как жидкое стекло, например, можно подвергать вторичной обработке механической регенерацией. В данном контексте термическая предварительная обработка использованного песка может достичь придания хрупкости пленке связующего агента, окружающей песчаное зерно, так что пленку связующего агента можно легче очистить механическим путем.

В DE 4306007A1 описана термическая обработка формовочного песка, загрязненного жидким стеклом. Использованный формовочный песок получают из форм, которые были отверждены кислотными газами, в основном, диоксидом углерода. Использованный формовочный песок первоначально механически дробят, а затем нагревают до температуры, превышающей 200°C. Благодаря термической обработке загрязняющие компоненты разрушаются или претерпевают такое преобразование, что формовочный песок пригоден для следующего процесса формования. Описание не включает примеров, так что точное выполнение этого способа остается неясным. В частности, не описано, очищают ли связующий агент механически зернами песка после термической обработки использованного песка.

В DE 1806842A также описан способ регенерации использованных формовочных песков, при котором использованный песок первоначально подвергают отжигу, а затем специально обрабатывают для удаления остатков связующего агента. В этом случае все использованные формовочные пески можно использовать как таковые независимо от того, были ли они связаны органическими или неорганическими связующими агентами. Обработка путем промывания водой рекомендована исключительно для формовочных песков, связанных цементом. С целью удаления остатков связующего агента из отожженного использованного формовочного песка отожженный песок первоначально охлаждают, и какие-либо остатки связующего агента, которые могут все еще присутствовать, удаляют из него путем мягкого фрикционирования или трения песчаных зерен. Затем песок просеивают и обеспыливают.

Отожженный песок предпочтительно охлаждают ударным способом водой до температуры несколько выше 100°C, в результате чего запускаются напряжения, вызванные усадкой, в остатках связующего агента, и вследствие внезапного образования пара остатки связующего агента усилием отрываются от поверхности песчаного зерна, приводя в результате к тому, что остатки связующего агента можно легче удалить из песчаных зерен.

M. Ruzbehi, Giesserei 74, 1987, стр.318-321, сообщают об исследованиях термомеханической регенерации формовочных материалов, имеющих связующую систему жидкое стекло-эфир. Вследствие термической обработки использованного песка система жидкое стекло-эфир, используемая в качестве связующего агента, становится хрупкой и может быть, следовательно, легче очищена механическим путем от песчаных зерен.

Автор предполагает, что содержание Na₂O является критическим для регенерации песка, связанного жидким стеклом. По мере того как содержание Na₂O увеличивается, огнеупорность песка уменьшается. Эфирные остатки, остающиеся в использованном песке при использовании связующей системы жидкое стекло-эфир, приводят в результате к неконтролируемому поведению при отвердевании при его повторном использовании. Поскольку концентрация эфирных остатков в использованном песке может быть определена только с трудом, автор использует содержание Na₂O регенерированного песка в качестве меры для вторичной обработки, то есть удаления связующего агента из использованного песка. После повторной циркуляции песка равновесие содержания Na₂O в регенерированном использованном песке устанавливается в результате примерно седьмого цикла. Во время термической обработки использованный песок нагревают примерно до 200°C. В результате спекания песчаных зерен не происходит. На микроскопических фотографиях термически обработанных песчаных зерен можно наблюдать некоторую хрупкость и разрыв пленки связующего агента, так что его можно очистить механически от песчаного зерна.

Однако показано, что имеет место только весьма неполная очистка связующего агента, и зерна после обработки имеют грубую поверхность. По сравнению с новым песком регенерированный использованный песок проявляет ряд недостатков. Таким образом, регенерированный использованный песок можно выстреливать менее эффективно на общепринятых пескометных стержневых машинах. Это известно, например, на основании более низкой плотности литейных форм, изготовленных из регенерированного использованного песка. Литейные формы, изготовленные из регенерированного использованного песка, также проявляют более низкую прочность. Наконец, время обработки смесей формовочных материалов, полученных из регенерированного использованного песка, короче, чем для смесей, полученных с использованием нового песка. Смеси формовочных материалов, изготовленные из регенерированного механическим путем использованного песка, значительно быстрее становятся покрытыми коркой.

Время обработки таких смесей формовочных материалов, полученных из механически регенерированного использованного песка, может быть улучшено в результате добавления в смесь формовочных материалов примерно от 0,1 до 0,5 масс.% воды, которая возможно смешана с тенсидом. Эта мера может также улучшить прочность литейной формы, изготовленной из этой смеси формовочных материалов. Однако для регенерированного использованного песка не достигают качества нового песка благодаря этой мере. Кроме того, результаты являются воспроизводимыми только до ограниченной степени, так что в процессе изготовления литейных форм возникают погрешности, которые не могут быть приемлемыми в промышленном производстве как таковом.

Неорганические связующие агенты, в частности, основанные на жидком стекле, в значительной степени растворимы в воде даже после отвердевания литейной формы. Следовательно, обработка формовочного песка также может быть выполнена путем вымывания водой остатка неорганического связующего агента на песке. Вода может быть уже использована для очистки отливки от прилипшего использованного песка. Таким образом, например, технологическая линия, описанная в ЕР 1626830, обеспечивает удаление стержня путем размачивания. Однако регенерация использованного песка не обсуждена.

В DE 102005029742 описан способ обработки литейных формовочных материалов, где некоторую часть использованного формовочного песка промывают водой. Для этой цели использованный песок, связанный с неорганическим связующим агентом, отделяют в сухом виде от отливки после отливки. Большие куски дробят в сухом виде. Дробленый песок просеивают до получения указанного размера зерен и удаляют нежелательные мелкие фракции. Просеянный песок делят на два потока, где один поток подают в буферный склад. Другой поток промывают водой до тех пор, пока поверхность зерен не очищается достаточно от остатка связующего агента и продуктов процесса отливки. После промывания промывную воду отделяют, и песок высушивают. Затем фракцию просеянного использованного песка, извлеченную из буферного склада, можно снова добавлять к промытому песку.

Влажная очистка использованного формовочного песка сама по себе очень эффективна. Прочность стержней, изготовленных из промытого, регенерированного использованного песка примерно соответствует значениям, достигаемым при использовании нового песка. Однако время обработки для этих смесей формовочных материалов, изготовленных из регенерированного использованного песка, несколько короче, чем при использовании нового песка. Однако очистка использованного песка является весьма дорогостоящей, поскольку накапливаются большие количества промывной воды, которая должна быть снова очищена. Другой недостаток состоит в том, что влажный песок должен быть снова высушен перед повторным использованием.

В DE 3815877 C1, наконец, описан способ отделения систем неорганических связующих агентов во время регенерации использованных формовочных песков, при котором суспензию использованного песка, например, в воде обрабатывают ультразвуком. Бентонит, жидкое стекло и цемент указаны как примерные системы связующих агентов. Согласно предпочтительному воплощению использованный песок можно подвергнуть термической обработке перед обработкой ультразвуком.

Предпочтительные температурные интервалы для термической предварительной обработки указаны как 400-1200°С, особенно предпочтительно 600-950°C. Обработка использованного песка, к которому бентонит/углерод прилипают в качестве остатков связующего агента, описана в примерах. Термическую обработку используют для удаления углерода, который становится обогащенным в форме полиароматических углеродов при концентрации в бентоните, которая не дает возможности непосредственного вторичного использования.

Как объяснено выше, важность связующих агентов на основе жидкого стекла возрастает для изготовления литейных форм, поскольку вредные выбросы во время процесса отливки могут быть, таким образом, значительно снижены. Недавно разработаны очень эффективные связующие агенты на основе жидкого стекла для литейной промышленности, которые содержат фракции тонкодисперсного оксида металла, в частности, тонкодисперсного диоксида кремния. Эти связующие агенты отвердевают в горячем виде, то есть посредством выпаривания воды, содержащейся в жидком стекле. В результате добавления тонкодисперсного оксида металла, среди прочего, прочность непосредственно после извлечения из нагретого аппарата повышена до такой степени, что можно также изготовить очень сложные стержни, используя этот неорганический связующий агент. Такой связующий агент на основе жидкого стекла описан, например, в WO 2006/024540 А.

В процессе регенерации использованных песков, которые были прежде отверждены в горячем виде с использованием такого связующего агента на основе жидкого стекла, однако, наблюдали, что регенерированный использованный песок обладает сниженным временем обработки при повторном использовании с этим связующим агентом на основе жидкого стекла. В целях преодоления этой проблемы и достижения пригодного времени обработки для промышленных применений большее количество нового песка, например, можно добавить к регенерированному использованному песку в целях снижения относительной доли связующего агента, захваченной регенерированным использованным песком. Также возможно смешать регенерированный использованный песок с другими регенерированными использованными песками, обладающими другими свойствами. Использованные пески выбраны таким образом, чтобы достичь удовлетворительного времени обработки после возобновленного добавления связующего агента, содержащего жидкое стекло.

В результате использования вновь разработанных связующих агентов на основе жидкого стекла, как уже описано, возможно также изготавливать стержни и формы, обладающие очень сложной геометрией. Поскольку в результате возрастающих более строгих нормативов выбросов и охраны труда следует ожидать, что значимость неорганических связующих агентов для литейной промышленности возрастет, в будущем накопятся большие количества использованных песков с примесью жидкого стекла, которые должны быть вторично обработаны. Следовательно, существует высокая потребность в способах регенерации использованного формовочного песка, которые должны быть просты для осуществления и должны обеспечить воспроизводимое качество регенерированного использованного песка, то есть регенерированный использованный песок должен обладать по существу такой же способностью к обработке, как и новый песок.

Таким образом, целью изобретения являлась разработка способа вторичной обработки формовочных песков с примесью жидкого стекла, который можно осуществлять просто и выгодно, таким образом, чтобы песок обладал высоким качеством для изготовления литейных форм даже после вторичной обработки. В частности, данный способ должен позволить регенерировать те использованные пески, которые были прежде отверждены с использованием связующего агента на основе жидкого стекла, к которому, среди прочего, добавлен дисперсный оксид металла, в частности, диоксид кремния, для повышения прочности.

Эта цель достигнута способом, имеющим признаки пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные воплощения способа согласно изобретению составляют сущность зависимых пунктов формулы изобретения.

Неожиданно обнаружено, что когезия между зернами формовочного песка значительно снижается, если использованную литейную форму, которая присутствует после отливки металла, нагревают в течение достаточно длительного времени до температуры по меньшей мере 200°С. Формовочный песок, подвергнутый вторичной термической обработке, не проявляет преждевременного отверждения после повторного использования со связующим агентом на основе жидкого стекла. Время обработки регенерированного использованного песка сравнимо со временем обработки нового песка. В данном случае отсутствует необходимость в механической очистке связующего агента от песчаных зерен после термической обработки. Скорее регенерированный использованный песок можно повторно использовать непосредственно после термической обработки. Можно осуществить классификацию для удаления зерен завышенного размера, например, путем просеивания или пневмосепарации.

Авторы изобретения считают, что в процессе регенерации использованного песка путем механической очистки связующего агента от песчаных зерен, или в процессе по меньшей мере частичной влажной обработки небольшие количества дисперсного/в форме частиц оксида металла, в частности, диоксида кремния, захватываются регенерированным использованным песком во вновь изготовленную смесь формовочных материалов. Этот дисперсный оксид металла может предположительно запускать преждевременное отверждение жидкого стекла, которое значительно снижает время обработки смеси формовочных материалов.

Однако если использованный песок подвергают термической обработке, как при способе согласно изобретению, дисперсный оксид металла, присутствующий в связующем агенте, прилипшем к песчаным зернам, предположительно осуществляет стеклообразование прилипшего жидкого стекла. На песчаном зерне образуется стеклоподобный слой из жидкого стекла, который обладает только низкой реакционностью. Это проявляется, например, в том, что количество экстрагируемых ионов натрия уменьшается в процессе регенерации песка и является очень низким в регенерированном песке.

Прочность использованной литейной формы значительно уменьшается вследствие термической обработки, так что она распадается даже в случае слабого механического воздействия. Механизм распада в данном случае неясен. Однако авторы изобретения считают, что жидкое стекло, прилипающее к формовочному песку, по меньшей мере частично взаимодействует с песчаным зерном, и тонкая стеклянная оболочка может образоваться на поверхности указанного песка под влиянием дисперсного оксида металла, в частности, диоксида кремния. Поверхность песчаного зерна в результате этого является более гладкой, так что после возобновления включения в смесь формовочных материалов ее можно обрабатывать без каких-либо проблем в пескометных стержневых машинах для получения форм.

Жидкое стекло, остающееся на песчаном зерне, просто приводит к незначительному увеличению размера зерна, так что формовочный песок можно пропускать через несколько циклов, после чего вторично обработанные песчаные зерна отделяют, например, в процессе классификации с последующей термической регенерацией, таком как стадия просеивания, вследствие избыточного увеличения в размере.

За ходом регенерации использованного формовочного песка можно следить, например, путем определения поглощения кислоты, которое является мерой экстрагируемых ионов натрия, все еще присутствующих в использованном песке. Если формовочный песок все еще содержит агрегаты значительного размера, их первоначально дробят, например, используя молоток. Затем формовочный песок можно дополнительно просеивать с помощью сита, которое, например, имеет размер ячейки 1 мм. Затем определенное количество формовочного песка суспендируют в воде и подвергают взаимодействию с определенным количеством соляной кислоты. Количество кислоты, которое не прореагировало с формовочным песком или с жидким стеклом, прилипшим к формовочному песку, можно затем определить с помощью обратного титрования NaOH. Затем можно определить поглощение кислоты формовочным песком на основании разности между количеством использованной кислоты и обратным титрованием.

В дополнение к поглощению кислоты, однако, можно также использовать другие параметры для прослеживания хода термической обработки. Например, можно использовать pH или проводимость суспензии формовочного песка. Эту суспензию можно получить путем суспендирования, например, 50 г формовочного песка в одном литре дистиллированной воды. Во время термической обработки песчаные зерна приобретают гладкую поверхность. Таким образом, например, текучесть песка можно также использовать в качестве параметра.

Свойства смеси формовочных материалов, которая получена из регенерированного формовочного песка, например, время ее обработки, или свойства формы, изготовленной из данной смеси формовочных материалов, например, ее плотность или сопротивление изгибу, можно дополнительно использовать для оценки термической обработки использованного формовочного песка.

При применении способа согласно изобретению для промышленного применения возможно проводить процесс, например, таким образом, чтобы определять параметры путем систематической серии испытаний.

Таким образом, образцы использованного формовочного песка можно термически обработать, систематически варьируя температуру обработки и время обработки. Затем можно определять поглощение кислоты в каждом случае для образцов, вторично обработанных термически.

В каждом случае смесь формовочных материалов готовят из индивидуальных образцов и определяют время ее обработки. Кроме того, изготавливают пробные изделия из смеси формовочных материалов и определяют их плотность или сопротивление изгибу. Затем из пробных изделий выбирают те, свойства которых соответствуют требованиям, а затем, например, поглощение кислоты релевантного образца вторично обработанного формовочного песка используют в качестве критерия термической обработки большего масштаба.

Способ согласно изобретению для вторичной обработки использованных формовочных песков легко выполним, и сам по себе он не требует сложных аппаратов. Регенерированный формовочный песок, полученный способом согласно изобретению, обладает примерно такими же свойствами, как новый песок, то есть формы, изготовленные из вторично обработанного формовочного песка, обладают сравнимой прочностью и сравнимой плотностью. Кроме того, смесь формовочных материалов, изготовленная из регенерированного формовочного песка путем добавления жидкого стекла, обладает примерно таким же временем обработки, как смесь формовочных материалов на основе нового песка. Таким образом, способ согласно изобретению обеспечивает простой и экономичный способ, посредством которого использованный формовочный песок с примесью связующего агента, содержащего жидкое стекло, может быть вторично обработан, где смесь формовочных материалов или использованный формовочный песок содержит дисперсный оксид металла.

Подробно, способ согласно изобретению вторичной обработки использованных формовочных песков с примесью жидкого стекла включает следующее:

- берут использованный формовочный песок, который содержит примесь связующего агента на основе жидкого стекла, в который добавлен дисперсный оксид металла; и

- подвергают использованный формовочный песок термической обработке, где использованный формовочный песок нагревают до температуры по меньшей мере 200°c, в результате чего получают регенерированный формовочный песок.

Понятие «использованный формовочный песок» означает любой формовочный песок с примесью жидкого стекла, который нужно поставлять для вторичной обработки, где дисперсный оксид металла добавлен к жидкому стеклу при предшествующем цикле изготовления для улучшения исходной прочности литейной формы. Оболочка связующего агента, прилипшего к использованному формовочному песку, таким образом, все еще содержит дисперсный оксид металла. Использованный формовочный песок может также иметь происхождение из использованной литейной формы. Использованная литейная форма может присутствовать в виде целой формы или может быть разбита на несколько частей или фрагментов. Использованную литейную форму можно также раздробить до такой степени, чтобы она снова находилась в форме формовочного песка с примесью жидкого стекла. Использованная литейная форма может представлять собой литейную форму, которая уже использована для отливки металла.

Однако использованная литейная форма может также представлять собой литейную форму, которая не использована для отливки металла, возможно, в связи с тем, что она является излишней или дефектной. Частичные формы литейных форм включены подобным образом. Например, для отливки металла можно использовать перманентные формы, так называемые изложницы, которые используют в комбинации с литейной формой, состоящей из формовочного песка, отвержденного жидким стеклом. Последняя может быть вторично обработана способом согласно изобретению. Использованный формовочный песок также понимают как избыточный песок, который, например, остался в расходном бункере или в питающих трубопроводах пескометной стержневой машины и еще не отвержден.

Жидкое стекло, содержащееся в качестве связующего агента в использованном формовочном песке, содержит согласно изобретению дисперсный оксид металла. В вышеприведенном применении формовочного песка, в процессе изготовления смеси формовочных материалов этот оксид металла добавлен к связующему агенту на основе жидкого стекла в целях улучшения исходной прочности формы, изготовленной из смеси формовочных материалов. Использованный формовочный песок может состоять полностью из формовочного песка с примесью такого связующего агента. Однако также возможно регенерировать другие использованные формовочные пески вместе с использованным формовочным песком, описанным выше. Такие другие использованные формовочные пески могут, например, представлять собой формовочные пески с примесью органических связующих агентов или формовочные пески с примесью связующего агента на основе жидкого стекла, к которому не добавлен дисперсный оксид металла. Чтобы обладать способностью использовать преимущества способа согласно изобретению, в частности, отсутствие необходимости в механическом отделении остаточного связующего агента от песчаного зерна после термической регенерации, фракция использованного формовочного песка с примесью связующего агента на основе жидкого стекла, к которому добавлен дисперсный оксид металла, предпочтительно составляет выше, чем 20 масс.%, предпочтительно выше, чем 40 масс.%, в частности, предпочтительно выше, чем 60 масс.%, особенно предпочтительно выше, чем 80 масс.%, относительно количества формовочного песка, подлежащего регенерации.

Под дисперсным оксидом металла понимают в данном случае очень мелкий оксид металла, первичные частицы которого предпочтительно имеют средний диаметр менее чем 1,5 мкм, в частности, предпочтительно между 0,10 мкм и 1 мкм. Однако частицы большего размера могут также образоваться в результате агломерации первичных частиц.

В процессе практического применения способа согласно изобретению преобладающая часть использованного формовочного песка накапливается в процессе вторичной обработки использованных литейных форм. Согласно предпочтительному воплощению использованный формовочный песок, таким образом, присутствует в виде использованной литейной формы, которая уже использована для отливки металла.

Если использованный формовочный песок получают в виде литейной формы, которая уже использована для отливки металла, согласно первому воплощению способа по изобретению использованный формовочный песок может все еще содержать отливку. Для термической обработки использованную литейную форму можно, таким образом, использовать непосредственно в форме, которая получена после отливки металла. Литейную форму с отливкой, содержащейся в ней, подвергают термической обработке целиком. Для этой цели литейную форму с отливкой можно перенести в печь подходящих размеров. Вследствие термической обработки когезия между зернами использованного формовочного песка ослабевает. Литейная форма разрушается, и формовочный песок можно собрать с помощью подходящих устройств, например, в печи. Разрушению литейной формы в печи может способствовать механическая обработка литейной формы. С этой целью литейную форму можно, например, встряхивать.

Таким образом, нет необходимости в отделении литейной формы от отливки для осуществления способа согласно изобретению. Возможно, металлургическое усовершенствование отливки может быть достигнуто одновременно вследствие термической обработки использованной литейной формы. Согласно следующему воплощению способа по изобретению, однако, использованную литейную форму первоначально отделяют от отливки, а затем использованную литейную форму подвергают вторичной обработке отдельно от отливки.

Использованный формовочный песок с примесью жидкого стекла накапливается во время обычного хода изготовления отливок в литейном производстве. Литейную форму для отливки металла, отвержденную связующим агентом на основе жидкого стекла, можно изготовить способом, который сам по себе известен. Связующий агент на основе жидкого стекла, к которому добавляют дисперсный оксид металла, можно отверждать обычными способами. Например, отверждение может иметь место в результате обработки литейной формы, изготовленной из соответствующей смеси формовочных материалов, газообразным диоксидом углерода. Литейная форма, кроме того, может быть изготовлена способом жидкого стекла/эфира. В этом случае сложный эфир, такой как, например, этиленгликоля диацетат, диацетин, триацетин, пропиленкарбонат, γ-бутиролактон и т.д., смешивают с формовочным песком, а затем добавляют жидкое стекло. Отверждение имеет место в результате омыления эфира и связанного с ним сдвига значения pH. Однако также возможно отверждать литейную форму путем удаления воды из связующего агента на основе жидкого стекла. Последнее упомянутое термическое отверждение является предпочтительным. Литейную форму можно конструировать в результате единственного формования. Однако также возможно конструировать литейную форму из множества формований, которые возможно получают в отдельных операциях, а затем собирают в литейную форму.

Литейная форма может также содержать секции, которые отверждены не жидким стеклом в качестве связующего агента, а, например, органическим связующим агентом, таким как связующий агент холодного ящика. Также возможно формовать литейную форму частично из перманентных форм. Эти части литейной формы, которые состоят из формовочного песка, отвержденного жидким стеклом, можно затем подвергнуть вторичной обработке способом согласно изобретению. Также возможно, чтобы литейная форма, например, содержала только стержень, который состоит из формовочного песка, отвержденного жидким стеклом в качестве связующего агента, тогда как форма изготовлена из так называемого сырого песка. В использованной литейной форме части, содержащие формовочный песок с примесью жидкого стекла, затем отделяют и подвергают вторичной обработке способом согласно изобретению.

Литейную форму для отливки металла используют обычным способом, посредством которого после охлаждения металла получают использованную литейную форму, которую можно регенерировать способом согласно изобретению.

Для вторичной обработки литейную форму нагревают до температуры по меньшей мере 200°C. В этом случае весь объем литейной формы должен достичь этой температуры, так чтобы достичь однородного разрушения литейной формы. Продолжительность времени, в течение которого литейную форму подвергают термической обработки, зависит, например, от размера литейной формы или от количества связующего агента, содержащего жидкое стекло, и может быть определена путем взятия образцов. Взятый образец должен разрушаться до рассыпания песка при легком механическом воздействии, таком как происходит, например, во время встряхивания литейной формы. Когезия между зернами формовочного песка должна быть ослаблена до такой степени, чтобы термически обработанный формовочный песок можно было легко просеять с целью отделения агрегатов большего размера или загрязняющих веществ.

Продолжительность термической обработки может быть выбрана как относительно короткая для малых литейных форм, в частности, если выбрана более высокая температура. Для литейных форм большего размера, в частности, если они все еще содержат отливку, может быть выбрано значительно более длительное время обработки вплоть до нескольких часов. Временной интервал, в пределах которого осуществляют термическую обработку, предпочтительно выбран между 5 минутами и 8 часами. За ходом термической регенерации можно следить, например, путем определения поглощения кислоты на образцах термически обработанного формовочного песка. Формовочные пески, такие как хромитовый песок, сами по себе могут обладать базовыми свойствами, такими, что формовочный песок влияет на поглощение кислоты. Однако относительное поглощение кислоты можно использовать в качестве параметра для хода регенерации. Для этой цели первоначально определяют поглощение кислоты использованным формовочным песком, предоставленным для регенерации.

Для наблюдения за регенерацией определяют поглощение кислоты регенерированным формовочным песком и относят к поглощению кислоты использованным формовочным песком. Вследствие термической обработки, проведенной при способе согласно изобретению, поглощение кислоты для регенерированного формовочного песка предпочтительно снижается по меньшей мере на 10%. Термическую обработку предпочтительно продолжают до тех пор, пока поглощение кислоты по сравнению с поглощением кислоты использованным формовочным песком не снизится по меньшей мере на 20%, в частности, по меньшей мере на 40%, в частности, предпочтительно по меньшей мере на 60% и особенно предпочтительно по меньшей мере на 80%. Поглощение кислоты приводят в мл потребленной кислоты на 50 г формовочного песка, где определение проводят с 0,1 н. соляной кислотой, как указано в VDG Merkblatt P 28 (May 1979). Способ определения поглощения кислоты подробно объяснен в примерах.

Нагревание литейной формы может само по себе происходить любым способом. Например, возможно подвергать литейную форму воздействию микроволнового излучения. Однако другие способы можно также использовать для нагревания литейной формы. Допустимо также добавление к формовочному песку экзотермического вещества, которое обеспечивает температуру, необходимую для обработки, одно или в комбинации с другими источниками тепла. На продолжительность термической обработки может влиять температура, до которой нагревают литейную форму. Разрушение можно уже наблюдать при температурах около 200°C. Температура предпочтительно выбрана как выше 250°C, в частности, выше 300°C. Верхний предел для температуры, используемой для термической обработки, сам по себе соответствует температуре спекания песка. Большей частью, однако, температура ограничена схемой аппарата, в котором проводят термическую обработку. Температура термической обработки предпочтительно выбрана как менее чем 1300°C, в частности, предпочтительно менее чем 1100°C и особенно предпочтительно менее чем 1000°C. Если литейная форма содержит органические примеси в дополнение к связующему агенту, содержащему жидкое стекло, температура предпочтительно выбрана как достаточно высокая, чтобы органические примеси сгорали.

Температуру можно поддерживать постоянной на протяжении термической обработки. Однако также возможно прохождение на протяжении термической обработки температурной программы, при котором температура варьирует предопределенным способом. Например, термическую обработку можно первоначально проводить при относительно высокой температуре, например, при температуре выше, чем 500°C, с целью сжигания органических примесей и для ускорения разрушения использованной литейной формы. Затем температуру можно постепенно снизить с целью, например, доведения поглощения кислоты до желаемого значения.

Как уже объяснено выше, согласно первому воплощению литейную форму можно подвергать термической обработке в состоянии, в котором она еще не отделена от отливки. В данном случае и литейная форма, и отливка претерпевают термическую обработку.

Согласно второму воплощению литейную форму отделяют от отливки перед термической обработкой. Для этой цели можно использовать обычные способы. Например, литейную форму можно разбить механическим воздействием, либо литейную форму можно встряхивать, так чтобы она распалась на множество фрагментов.

С целью обеспечения однородного нагревания литейной формы или больших агрегатов, образованных из нее во время термической обработки, литейную форму предпочтительно разбивают по меньшей мере на грубые фрагменты, которые, например, имеют диаметр около 20 см или менее. Эти фрагменты предпочтительно имеют максимальное расширение менее чем 10 см, в частности, предпочтительно менее чем 5 см, особенно предпочтительно менее чем 3 см. Для разбивания литейной формы можно использовать обычный аппарат, например, дробилки для болванок. Фрагменты соответствующего размера могут быть получены, например, если литейная форма отделена от отливки с помощью либо пневматическим отбойным молотком, либо зубилом, либо путем встряхивания.

Согласно следующему воплощению механическую обработку формовочного песка проводят для отделения зерен до или после термической обработки. Для этой цели литейную форму можно измельчить, например, раздробить посредством трения или удара, и полученный таким образом песок можно просеять. Для этой цели можно использовать обычный аппарат, такой как уже используют, например, для механической обработки формовочных песков. Например, формовочный песок можно пропускать через псевдоожиженный слой, в котором песчаные зерна удерживают в суспендированном состоянии с помощью потока сжатого воздуха. Наружная оболочка, образованная из связующего агента на основе жидкого стекла, очищается в результате столкновения зерен песка. Однако песчаные зерна можно также отклонять с помощью потока воздуха в направлении дефлектора, посредством чего при столкновении с дефлектором или другими песчаными зернами наружная оболочка песчаного зерна, образованная из связующего агента на основе жидкого стекла, удаляется.

Предпочтительно, однако, механическая обработка термически регенерированного использованного песка обходится без зерен завышенного размера, и их удаляют исключительно путем соответствующей классификации. Это позволяет избежать механического повреждения песка, например, в результате расщепления, и получают гладкие, легко текущие песчаные зерна. При использовании формовочного песка, регенерированного этим способом, по существу не наблюдают укорочения времени обработки по сравнению с новым песком, когда его снова обрабатывают жидким стеклом в качестве связующего агента с образованием смеси формовочных материалов.

Температуру, необходимую для термической обработки, можно исходно регулировать любым способом. В дополнение к способам, таким как обработка микроволнами, термическую обработку предпочтительно проводят таким способом, при котором литейную форму, возможно в раздробленной форме, переносят в печь для термической обработки.

Печь как таковая может иметь произвольную конфигурацию до такой степени, чтобы обеспечить однородное нагревание материала литейной формы. Печь может иметь такую конфигурацию, чтобы проводить термическую обработку дискретно, то есть печь, например, загружают периодическим способом возможно раздробленной литейной формой, и термически обработанный материал снова извлекают из печи, после чего печь заполняют следующей партией. Однако также возможно создать печь, которая дает возможность непрерывного контроля процесса. Для этой цели печь может иметь конфигурацию, например, в форме направляющей или туннеля, через который транспортируют использованную литейную форму, например, с помощью конвейерной ленты. Печи, такие как известны для термической регенерации использованных формовочных песков с примесью органических связующих агентов, можно использовать для обработки использованного формовочного песка с примесью жидкого стекла.

Предпочтительно обеспечивают движение использованного формовочного песка во время термической обработки. Это движение можно осуществить, например, путем движения литейной формы или фрагментов, полученных из нее, вокруг трех пространственных осей, так что литейная форма или фрагменты выполняют вращательные движения, посредством которых может быть достигнуто дальнейшее дробление литейной формы или более мелких агрегатов литейного песка, образованных из нее. Такое движение может быть достигнуто, например, путем движения более мелких агрегатов формовочного песка, образованных из литейной формы, посредством устройства для перемешивания или во вращающемся барабане. Как только использованный формовочный песок раздроблен до такой степени, что он находится в форме песка, движение может также иметь место путем удерживания песка в суспензии в псевдоожиженном слое с помощью нагретого потока сжатого воздуха.

Согласно предпочтительному воплощению для термической обработки использованного формовочного песка используют вращающуюся печь. Показано, что, если литейная форма предварительно грубо раздроблена, интенсивное разрушение использованной литейной формы может быть достигнуто во время прохождения через вращающуюся печь. Если агрегаты большего размера все еще остаются в регенерированном формовочном песке после выхода из вращающейся печи, их можно отделить, например, путем просеивания.

Термическую обработку можно также проводить саму по себе в атмосфере инертного газа. Преимущественно, однако, термическую обработку проводят при подаче воздуха. Это снижает затраты на термическую обработку, с одной стороны, поскольку не нужно принимать специальных мер по исключению какой-либо подачи кислорода. Другое преимущество в случае термической обработки при подаче воздуха состоит в том, что органические примеси, загрязняющие использованный формовочный песок, сгорают, поэтому достигается дополнительная очистка.

Способ согласно изобретению регенерации формовочного песка сам по себе можно комбинировать с другими способами обработки. Так, например, термической обработке может предшествовать механическая обработка, при которой некоторая часть жидкого стекла очищается от песчаных зерен и удаляется в результате просеивания и/или обеспыливания. Также возможно осуществлять способ влажной обработки до или после термической обработки согласно изобретению. Так, например, перед термической обработкой использованный формовочный песок можно промыть водой для удаления фракции жидкого стекла. В связи с существенными затратами, требующимися для такой влажной обработки, поскольку песок должен быть высушен после промывания, и загрязненная промывная вода должна быть обработана, способ согласно изобретению, однако, предпочтительно осуществляют в сухом виде, то есть без влажной стадии. Другое преимущество сухой регенерации состоит в том, что возможно мешающие вещества, все еще остающиеся в формовочном песке после термической обработки, могут быть прочно связаны с песчаным зерном в слое, образованном из жидкого стекла. Если формовочный песок, таким образом, экстрагируют после нескольких циклов, например, в связи с тем, что размер зерна увеличен слишком существенно, этот песок, следовательно, можно удалить сравнительно легко.

После термической обработки или перед повторным применением в качестве формовочного песка для изготовления новой литейной формы регенерированный формовочный песок предпочтительно просеивают для отделения больших агрегатов и обеспыливают. Для этой цели можно использовать известный аппарат, такой как известен, например, из механической регенерации использованного формовочного песка или термической регенерации формовочного песка, связанного органическими веществами.

На результат регенерации может уже положительно влиять способ, используемый для получения литейной формы для отливки металла.

При простейшем применении этого способа жидкое стекло по существу используют в качестве связующего агента, к которому добавляют фракцию дисперсного оксида металла. В данном воплощении, таким образом, получают использованную литейную форму с отливкой, где

- получают смесь формовочных материалов, которая содержит по меньшей мере один формовочный песок и по меньшей мере один связующий агент, содержащий жидкое стекло, а также дисперсный оксид металла,

- обрабатывают смесь формовочных материалов с получением новой литейной формы и отверждают, и

- осуществляют отливку металла с новой литейной формой, так что получают использованную литейную форму с отливкой.

Изготовление новой литейной формы и последующую отливку металла как таковые проводят известными способами. Смесь формовочных материалов получают путем перемешивания формовочного песка, а затем добавления дисперсного оксида металла или жидкого стекла, как таковых, в произвольной последовательности. Смесь дополнительно перемешивают до тех пор, пока зерна формовочного песка не покрываются однородно жидким стеклом.

Обычные материалы можно использовать в качестве формовочного песка для изготовления литейных форм. Пригоден, например, кварцевый или циркониевый песок. Кроме того, пригодны волокнистые огнеупорные основные формовочные материалы, такие как неупорядоченная разновидность каолинита. Другими пригодными формовочными песками являются, например, оливин, хромово-рудный песок, вермикулит.

Синтетические основные формовочные материалы можно также использовать в качестве формовочного песка, такие как, например, алюмосиликатные полые сферы (так называемые микросферы) или сферические керамические основные формовочные материалы, известные под названием "Cerabeads®" или "Carboaccucast®". По экономическим причинам эти синтетические основные формовочные материалы предпочтительно только добавляют в формовочный песок в виде фракции. Относительно суммарной массы формовочного песка синтетические основные формовочные материалы предпочтительно используют в доле менее чем 80 масс.%, предпочтительно менее чем 60 масс.%. Эти сферические керамические основные формовочные материалы содержат, например, муллит, корунд, β-кристобалит в виде минералов в различных долях. Они содержат оксид алюминия и диоксид кремния в качестве незаменимых фракций. Типичные композиции содержат, например, Al₂O₃ и SiO₂ примерно в одинаковых долях. Кроме того, дополнительные компоненты могут содержаться в долях <10%, такие как TiO₂, Fe₂O₃. Диаметр сферических основных формовочных материалов предпочтительно составляет менее 1000 мкм, в частности, менее 600 мкм. Полученные синтетически огнеупорные основные формовочные материалы, такие как муллит, также пригодны (x Al₂O₃ у SiO₂, где x=2-3, y=1-2; идеальная формула Al₂SiO₅). Эти синтетические основные формовочные материалы не имеют натурального происхождения, и их также можно подвергать специальным способам формования, как, например, во время изготовления алюмосиликатных полых микросфер или сферических керамических основных формовочных материалов.

Согласно следующему воплощению способа согласно изобретению стеклянные материалы используют в качестве огнеупорных синтетических основных формовочных материалов. Их используют, в частности, либо в виде стеклянных сфер, либо стеклянных гранул. В качестве стекла можно использовать обычные стекла, где предпочтительны стекла, имеющие высокую точку плавления. Пригодны, например, стеклянные зерна и/или стеклянные гранулы, полученные из битого стекла. Состав таких стекол приведен в качестве примера в приведенной ниже таблице.

В дополнение к стеклам, приведенным в Таблице, можно также использовать другие стекла, содержание в которых вышеуказанного соединения находится вне указанных диапазонов. Можно также использовать специальные стекла, которые содержат другие элементы или их оксиды в дополнение к указанным оксидам.

Диаметр стеклянных сфер предпочтительно составляет от 1 до 1000 мкм, предпочтительно от 5 до 500 мкм и особенно предпочтительно от 10 до 400 мкм.

В экспериментах по отливке с использованием алюминия было обнаружено, что при использовании синтетических основных формовочных материалов, прежде всего стеклянных зерен, стеклянных гранул или микросфер, менее использованный формовочный песок остается прилипшим к поверхности металла после отливки, чем при использовании чистого кварцевого песка. Использование синтетических основных формовочных материалов, следовательно, дает возможность получить гладкие литейные поверхности, в результате чего последующая дорогостоящая обработка гидромониторами не является необходимым или по меньшей мере до значительно меньшей степени.

Нет необходимости полностью образовывать формовочный песок из синтетических основных формовочных материалов. Предпочтительная доля синтетического основного формовочного материала составляет по меньшей мере примерно 3 масс.%, в частности, предпочтительно по меньшей мере 5 масс.%, особенно предпочтительно по меньшей мере 10 масс.%, предпочтительно по меньшей мере примерно 15 масс.%, в частности, предпочтительно по меньшей мере примерно 20 масс.%, относительно суммарного количества формовочного песка.

Формовочный песок предпочтительно находится в текучем состоянии, таком, чтобы смесь формовочных материалов можно было обрабатывать в обычных пескометных стержневых машинах. Формовочный песок может быть образован новым песком, который еще не был использован для отливки металла. Предпочтительно, однако, формовочный песок, используемый для изготовления смеси формовочных материалов, содержит по меньшей мере фракцию вторично обработанного формовочного песка, в частности, вторично обработанного формовочного песка, такого как получают способом согласно изобретению. Доля вторично обработанного формовочного песка может быть сама по себе произвольно выбрана между 0 и 100%. Способ особенно предпочтительно выполняют таким образом, что только фракцию формовочного песка, который утерян во время вторичной обработки согласно изобретению, например, во время просеивания, дополняют новым песком или другим пригодным песком. Например, пригоден термически регенерированный песок, исходно связанный органическим связующим агентом. Механически регенерированные формовочные пески можно также использовать при условии, что органический связующий агент, все еще прилипший к ним, не ускоряет отверждение связующего агента на основе жидкого стекла. Например, механически регенерированные формовочные пески, все еще содержащие примеси органических связующих агентов, которые были подвергнуты кислотному отверждению, непригодны. Способ согласно изобретению, таким образом, не обязательно требует, чтобы был установлен отдельный цикл для формовочного песка, связанного жидким стеклом.

Смесь формовочных материалов содержит связующий агент на основе жидкого стекла в качестве дополнительного компонента. Обычные жидкие стекла, такие как общепринято использованы в качестве связующих агентов в смесях формовочных материалов, можно использовать в качестве жидкого стекла. Эти жидкие стекла содержат растворенные силикаты натрия или калия и могут быть получены путем растворения стеклоподобных силикатов калия и натрия в воде. Жидкое стекло предпочтительно имеет числовую характеристику SiO₂/M₂O в интервале от 1,6 до 4,0, в частности, от 2,0 до 3,5, где М обозначает натрий и/или калий. Жидкие стекла предпочтительно имеют твердую фракцию в интервале от 30 до 60 масс.%. Твердая фракция относится к количеству SiO₂ и М₂О, содержащемуся в жидком стекле.

Во время изготовления смеси формовочных материалов методика обычно адаптирована таким образом, что сначала получают формовочный песок, а затем добавляют связующий агент и дисперсный оксид металла при перемешивании. Связующий агент может состоять только из жидкого стекла. Однако возможно также добавление добавок в жидкое стекло или формовочный песок, которые положительно влияют на свойства литейной формы или регенерированного формовочного песка. Добавки можно добавлять в твердой или в жидкой форме, например, в виде раствора, в частности, в виде водного раствора. Пригодные добавки дополнительно описаны ниже.

Во время изготовления смеси формовочных материалов формовочный песок помещают в смеситель, а твердые компоненты связующего агента, если они предусмотрены, предпочтительно добавляют сначала и смешивают с формовочным песком. Время смешивания выбрано таким образом, чтобы имело место тщательное перемешивание формовочного песка и твердых компонентов связующего агента. Время смешивания зависит от количества смеси формовочных материалов, которое должно быть получено, и от используемого смесительного устройства. Время смешивания предпочтительно выбрано между 5 секундами и 5 минутами. Затем добавляют жидкий компонент связующего агента, при этом предпочтительно продолжая перемещать смесь, а затем смесь перемешивают дополнительно до образования однородного слоя связующего агента на зернах формовочного песка. Здесь также время смешивания зависит от количества смеси формовочных материалов, которое должно быть получено, и от используемого смесительного устройства. Продолжительность смесительного процесса предпочтительно выбрана между 5 секундами и 5 минутами. Жидкий компонент понимают как представляющий собой и смесь различных жидких компонентов, и также все индивидуальные жидкие компоненты в целом, где последние также могут быть добавлены индивидуально. Подобным образом, твердый компонент понимают как представляющий собой и смесь индивидуальных или всех твердых компонентов, и также все индивидуальные твердые компоненты в целом, где последние можно добавлять все вместе или последовательно в смесь формовочных материалов.

Возможно также сначала добавлять жидкий компонент связующего агента к формовочному песку, и только затем подавать твердый компонент в смесь, если он предусмотрен. Согласно одному воплощению сначала от 0,05 до 0,3% воды относительно массы формовочного песка добавляют к формовочному песку, и только затем добавляют твердые и жидкие компоненты связующего агента. В данном воплощении может быть достигнуто удивительное положительное влияние на время обработки смеси формовочных материалов. Авторы изобретения предполагают, что дегидратирующий эффект твердых компонентов связующего агента таким путем снижается, и посредством этого процесс отверждения замедляется.

Затем смесь формовочных материалов приводят в желаемую форму. В данном случае для формования используют обычные способы. Например, смесь формовочных материалов можно метать в устройство для формования с помощью пескометной стержневой машины с помощью сжатого воздуха. Затем формованную смесь формовочных материалов отверждают. Для этой цели можно использовать все обычные способы сами по себе. Таким образом, форму можно газифицировать диоксидом углерода в целях отверждения смеси формовочных материалов. Эту газификацию предпочтительно проводят при комнатной температуре, то есть в холодном устройстве. Время газификации зависит, среди прочего, от размера изготавливаемой формы и обычно выбрано как находящееся в интервале от 10 секунд до 2 минут. Для форм большего размера также возможно более длительное время газификации, например, вплоть до 5 минут. Однако также возможны более короткие и более длительные периоды газификации.

Однако отверждение формы можно также осуществить способом жидкого стекла/эфира, при котором отверждение достигается в результате омыления эфира и связанного с ним сдвига pH.

Отверждение формы может предпочтительно иметь место исключительно в результате подачи тепла, посредством чего водное содержимое в связующем агенте испаряется. Нагревание может иметь место, например, в устройстве для формования. С этой целью устройство для формования нагревают, предпочтительно до температуры вплоть до 300°C, особенно предпочтительно до температуры в интервале от 100 до 250°C. Возможно полностью отвердить литейную форму в устройстве для формования. Однако также возможно отверждение литейной формы исключительно в ее краевой зоне, так чтобы она обладала достаточной прочностью, чтобы ее можно было извлечь из устройства для формования. Затем литейная форма возможно может быть отверждена полностью путем удаления дополнительной воды из указанной формы. Это может иметь место, например, как описано, в печи. Удаление воды можно осуществить, например, путем выпаривания воды при пониженном давлении.

Отверждение литейных форм можно ускорить путем продувания нагретого воздуха в устройство для формования. В данном воплощении способа достигается быстрое удаление воды, содержащейся в связующем агенте, посредством чего литейная форма отвердевает в течение интервалов времени, пригодных для промышленного применения. Температура продуваемого воздуха предпочтительно составляет от 100°C до 180°C, особенно предпочтительно от 120°C до 150°C. Скорость потока нагретого воздуха предпочтительно регулируют таким образом, чтобы отверждение литейной формы имело место в течение интервалов времени, пригодных для промышленного применения. Эти интервалы времени зависят от размера изготовленных литейных форм. Стремятся к отверждению в течение интервала времени менее 5 минут, предпочтительно менее 2 минут. В случае очень больших литейных форм, однако, могут быть необходимы более длительные интервалы времени.

Удаление воды из смеси формовочных материалов можно также осуществить путем нагревания смеси формовочных материалов с помощью микроволнового излучения. Однако микроволновое излучение предпочтительно осуществляют после того, как литейная форма извлечена из устройства для формования. С этой целью литейная форма, однако, должна уже обладать достаточной прочностью. Как уже объяснено, это можно осуществить, например, путем отверждения по меньшей мере наружного слоя литейной формы в устройстве для формования.

Если литейная форма состоит из множества частичных форм, их подходящим образом собирают с образованием литейной формы, где питающие линии и компенсирующие резервуары могут быть также присоединены к литейной форме.

Затем литейную форму используют обычным способом для отливки металла. Саму по себе отливку металла можно осуществлять с любым металлом. Отливка железа или отливка алюминия, например, пригодна. После отвердевания или охлаждения металла литейную форму затем подвергают вторичной обработке способом, уже описанным для термической обработки.

Свойства литейной формы, а также свойства регенерированного песка можно улучшить путем добавления добавок к смеси формовочного материала.

Как уже объяснено, дисперсный оксид металла добавляют к жидкому стеклу, используемому в качестве связующего агента. Частицы дисперсного оксида металла не соответствуют формовочному песку. Он имеет меньший средний размер частиц, чем формовочный песок.

Согласно одному воплощению смесь формовочных материалов содержит фракцию дисперсного оксида металла, который выбран из группы диоксида кремния, оксида алюминия, оксида титана и оксида цинка. На прочность литейной формы может влиять добавление этого дисперсного оксида металла.

Средний исходный размер частиц дисперсного оксида металла может составлять между 0,10 мкм и 1 мкм. В связи с агломерацией исходных частиц, однако, размер частиц оксидов металла предпочтительно составляет менее чем 300 мкм, предпочтительно менее чем 200 мкм, особенно предпочтительно менее чем 100 мкм. Предпочтительно он находится в интервале от 5 до 90 мкм, особенно предпочтительно от 10 до 80 мкм и совершенно конкретно предпочтительно в интервале от 15 до 50 мкм. Размер частиц можно определить, например, с помощью ситового анализа. Ситовый остаток на сите, имеющем размер ячейки 63 мкм, в частности, предпочтительно составляет менее чем 10 масс.%, предпочтительно менее чем 8 масс.%.

Диоксид кремния особенно предпочтительно используют в качестве дисперсного оксида металла, где здесь особенно предпочтителен аморфный диоксид кремния, полученный синтетическим путем.

Осажденную кремниевую кислоту и/или пирогенную кремниевую кислоту предпочтительно используют в качестве дисперсного диоксида кремния. Осажденную кремниевую кислоту получают путем взаимодействия водного раствора щелочного силиката с минеральными кислотами. Затем накопленный осадок собирают, высушивают и измельчают. Пирогенные кремниевые кислоты понимают как кремниевые кислоты, которые получают путем коагуляции из газовой фазы при высоких температурах. Пирогенную кремниевую кислоту можно получить, например, путем гидролиза в пламени тетрахлорида кремния или в дуговой электропечи путем восстановления кварцевого песка коксом или антрацитом до газообразного монооксида кремния с последующим окислением до диоксида кремния.

Пирогенные кремниевые кислоты, полученные способом дуговой электропечи, могут еще содержать углерод. Осажденная кремниевая кислота и пирогенная кремниевая кислота в равной степени пригодны для смеси формовочных материалов согласно изобретению. Эти кремниевые кислоты по существу обозначены как "синтетический аморфный диоксид кремния".

Авторы изобретения предполагают, что сильнощелочное жидкое стекло может взаимодействовать с силанольными группами, локализованными на поверхности аморфного диоксида кремния, полученного синтетическим путем, и во время выпаривания воды образуется интенсивная связь между диоксидом кремния, а затем твердым жидким стеклом.

Согласно следующему воплощению по меньшей мере одну органическую добавку добавляют в смесь формовочных материалов.

Предпочтительно используют органическую добавку, которая имеет точку плавления в интервале от 40 до 180°, предпочтительно от 50 до 175°C, то есть является твердой при комнатной температуре. Органические добавки понимают в данном случае как соединения, молекулярная сеть которых преимущественно сконструирована из атомов углерода, то есть, например, органические полимеры. Качество поверхности отливки может быть дополнительно улучшено в результате добавления органических добавок. Механизм действия органической добавки не выяснен. Не желая связываться с этой теорией, авторы изобретения предполагают, однако, что по меньшей мере некоторые из органических добавок сгорают в процессе отливки, и посредством этого образуется тонкая газовая подушка между жидким металлом и формовочным песком, образующим стенку литейной формы и, таким образом, предотвращает взаимодействие между жидким металлом и формовочным песком. Авторы изобретения, кроме того, предполагают, что в восстанавливающей атмосфере, преобладающей в процессе отливки, некоторые из органических добавок образуют тонкий слой так называемого стекловидного углерода, который, вероятно, предотвращает взаимодействие между металлом и формовочным песком. Увеличение прочности литейной формы после отверждения может быть также достигнуто в качестве дополнительного преимущественного эффекта вследствие добавления органических добавок.

Органические добавки предпочтительно добавляют в количестве от 0,01 до 1,5 масс.%, особенно предпочтительно от 0,05 до 1,3 масс.%, особенно предпочтительно от 0,1 до 1,0 масс.%, в каждом случае относительно формовочного песка.

Улучшение поверхности отливки может быть достигнуто весьма разнообразными органическими добавками. Пригодными органическими добавками являются, например, фенолформальдегидные смолы, такие как, например, новолак, эпоксидные смолы, такие как, например, бисфенол-А-эпоксидные смолы, бисфенол-F-эпоксидные смолы или эпоксидированные новолаки, полиолы, такие как, например, полиэтиленгликоли или пропиленгликоли, полиолефины, такие как, например, полиэтилен или полипропилен, сополимеры олефинов, таких как этилен или пропилен, и других сомономеров, таких как винилацетат, полиамиды, такие как, например, полиамид-6, полиамид-12 или полиамид-6,6, натуральные смолы, такие как, например, бальзамическая смола, жирные кислоты, такие как, например, стеариновая кислота, эфиры жирных кислот, такие как, например, цетилпальмитат, амиды жирных кислот, такие как, например, этилендиамин-бис-стеарамид, а также в виде металлического мыла, такие как, например, стеараты или олеаты от одно- до трехвалентных металлов. Органические добавки могут содержаться в виде чистого вещества или в виде смеси различных органических соединений.

Согласно следующему воплощению по меньшей мере один углевод используют в качестве органической добавки. В результате добавления углеводов литейная форма приобретает высокую прочность как непосредственно после изготовления, а также в процессе длительного хранения. Кроме того, после отливки металла достигают отливки, имеющей очень высокое качество поверхности, так что после удаления литейной формы требуется только небольшая повторная обработка поверхности отливки. Это является существенным преимуществом, поскольку затраты на изготовление отливки могут быть таким путем значительно снижены. Если углеводы используют в качестве органической добавки, значительно меньшее выделение дыма наблюдают во время отливки по сравнению с другими органическими добавками, такими как акриловые смолы, полистирол, поливиниловые эфиры или полиалкильные соединения, так что нагрузка на рабочую поверхность во время ее обработки может быть существенно снижена.

В этом случае можно использовать как моно-, так и дисахариды, а также более высокомолекулярные олиго- или полисахариды. Углеводы можно использовать как в виде одного соединения, так и в виде смеси различных углеводов. Никаких как таковых избыточных требований не налагают на качество используемых углеводов. Достаточно, если углеводы, относительно их сухой массы, присутствуют при чистоте более чем 80 масс.%, особенно предпочтительно более чем 90 масс.%, особенно предпочтительно более чем 95 масс.%, в каждом случае относительно сухой массы. Моносахаридные звенья углеводов как таковые могут быть связаны произвольно. Углеводы предпочтительно имеют линейную структуру, например, и содержат α- или β-гликозидные 1,4-связи. Однако углеводы также могут быть полностью или частично связаны 1-6 связями, как, например, амилопектин, который имеет вплоть до 6% α-1,6 связей.

Количество углевода может быть выбрано относительно небольшим, чтобы все же наблюдалось значительное влияние на прочность литейных форм перед отливкой или значительное улучшение качества поверхности. Доля углевода относительно формовочного песка предпочтительно выбрана в интервале от 0,1 до 10 масс.%, в частности, предпочтительно от 0,02 до 5 масс.%, особенно предпочтительно от 0,05 до 2,5 масс.% и весьма конкретно предпочтительно в интервале от 0,1 до 0,5 масс.%. Даже малые доли углеводов в интервале от примерно 0,1 масс.% приводят к значительным эффектам.

Согласно следующему воплощению изобретения углевод используют в непроизводной форме. Такие углеводы можно предпочтительно получать из природных источников, таких как растения, например, зерновые или картофель. Молекулярная масса этих углеводов, полученных из природных источников, может быть снижена, например, путем химического или ферментативного гидролиза с целью улучшения, например, растворимости в воде. В дополнение к непроизводным углеводам, которые, таким образом, состоят только из углерода, кислорода и водорода, однако, можно также использовать производные углеводов, в которых, например, некоторые или все гидроксигруппы эфиризированы, например, алкильными группами. Пригодными производными углеводов являются, например, этилцеллюлоза или карбоксиметилцеллюлоза.

Низкомолекулярные углеводы, такие как моно- или дисахариды, можно также использовать как таковые. Примерами являются глюкоза или сахароза. Однако преимущественные эффекты, в частности, наблюдают при использовании олиго- или полисахаридов. Олиго- или полисахарид, таким образом, особенно предпочтительно используют в виде углевода.

В данном случае предпочтительно, чтобы олиго- или полисахарид имел молярную массу в интервале от 1000 до 100000 г/моль, предпочтительно 2000 или 30000 г/моль. В частности, если углевод имеет молярную массу в интервале от 5000 до 20000 г/моль, наблюдают значительное повышение прочности литейной формы, так что литейную форму можно легко удалить из формы в процессе изготовления и транспортировать. Во время длительного хранения литейная форма также проявляет очень хорошую прочность, так что хранение литейных форм, которое требуется для серийного изготовления отливок, даже в течение нескольких суток при подаче влажного воздуха, легко возможно. Сопротивляемость действию воды, которое неизбежно, например, при нанесении облицовки на литейную форму, также является очень хорошей.

Полисахарид предпочтительно сконструирован из глюкозных звеньев, которые особенно предпочтительно содержат 1,4- α- или β-гликозидные связи. Однако также возможно использовать углеводные соединения, содержащие другие моносахариды кроме глюкозы, такие как галактоза или фруктоза, в качестве органической добавки. Примерами пригодных углеводов являются лактоза (дисахарид галактозы и глюкозы с 1,4-α- или β-связями) и сахароза (дисахарид α-глюкозы и β-фруктозы).

Углевод особенно предпочтительно выбран из группы целлюлозы, крахмала и декстринов, а также производных этих углеводов. Пригодными производными являются, например, производные, полностью или частично этерифицированные алкильными группами. Однако также можно осуществлять другие преобразования, например, этерификации неорганическими или органическими кислотами.

Дополнительная оптимизация стабильности литейной формы, а также поверхности отливки может быть достигнута, если особые углеводы, а в данном случае особенно предпочтительно крахмалы, декстрины (продукт гидролиза крахмалов) и их производные используют в качестве добавок для смеси формовочных материалов. В частности, встречающиеся в природе крахмалы, такие как картофельный, кукурузный, рисовый, гороховый, банановый, крахмал конского каштана или пшеничный крахмал можно использовать в качестве крахмалов. Однако также возможно использовать модифицированные крахмалы, такие как, например, набухающий крахмал, крахмал жидкой варки, окисленный крахмал, цитратный крахмал, ацетатный крахмал, простой эфир крахмала, сложный эфир крахмала или фосфат крахмала. При выборе крахмала как таковом ограничения отсутствуют. Крахмал может, например, иметь низкую вязкость, среднюю вязкость или высокую вязкость, быть катионным или анионным, растворимым в холодной воде или растворимым в горячей воде. Декстрин особенно предпочтительно выбран из группы картофельного декстрина, кукурузного декстрина, желтого декстрина, белого декстрина, бораксового декстрина, циклодекстрина и мальтодекстрина.

В частности, при изготовлении литейных форм, имеющих очень тонкостенные секции, смесь формовочных материалов предпочтительно дополнительно содержит фосфорсодержащее соединение. В этом случае как органические, так и неорганические соединения фосфора можно использовать как таковые. Чтобы не инициировать какие-либо нежелательные побочные реакции во время отливки металла, дополнительно предпочтительно, чтобы фосфор в фосфорсодержащих соединениях преимущественно присутствовал при степени окисления V. Стабильность литейной формы можно дополнительно повысить за счет добавления фосфорсодержащих соединений. Это, в частности, очень важно, в том случае, если жидкий металл направляется на наклонную поверхность при отливке металла и вызывает там высокий эрозионный эффект вследствие высокого металлостатического давления, либо может привести к деформациям, особенно тонкослойных секций литейной формы.

Фосфорсодержащее соединение предпочтительно присутствует в форме фосфата или оксида фосфора. В этом случае фосфат может присутствовать в виде фосфата щелочного или щелочноземельного металла, где особенно предпочтительны натриевые соли. Фосфаты аммония или фосфаты других ионов металлов можно также использовать как таковые. Однако фосфаты щелочных или щелочноземельных металлов, указанные как предпочтительные, как таковые легко доступны и имеют доступную стоимость в любых количествах.

Если фосфорсодержащее соединение добавляют в смесь формовочных материалов в форме оксида фосфора, этот оксид фосфора предпочтительно присутствует в форме пентоксида фосфора. Однако триоксид фосфора и тетроксид фосфора можно также использовать.

Согласно следующему воплощению фосфорсодержащее соединение можно добавлять в смесь формовочных материалов в форме солей фторфосфорных кислот. Особенно предпочтительны в данном случае соли монофторфосфорной кислоты. Особенно предпочтительна натриевая соль.

Согласно предпочтительному воплощению органические фосфаты добавляют в смесь формовочных материалов в качестве фосфорсодержащих соединений. В данном случае предпочтительны алкил- или арилфосфаты. Алкильные группы предпочтительно содержат от 1 до 10 атомов углерода и могут быть прямоцепочечными или разветвленными. Арильные группы предпочтительно содержат от 6 до 18 атомов углерода, причем эти арильные группы могут быть также замещены алкильными группами. Особенно предпочтительны фосфатные соединения, образованные из мономерных или полимерных углеводов, таких как, возможно, глюкоза, целлюлоза или крахмал. Применение фосфорсодержащего органического компонента в качестве добавки дает преимущество в двух аспектах. С одной стороны, может быть достигнута необходимая термостабильность литейной формы за счет фосфорной фракции и, с другой стороны, на качество поверхности соответствующей отливки положительно влияет органическая фракция.

И ортофосфаты, и также полифосфаты, пирофосфаты или метафосфаты можно использовать в качестве фосфатов. Фосфаты могут быть получены, например, путем нейтрализации соответствующих кислот соответствующим основанием, например, основанием щелочного металла или щелочноземельного металла, таким как NaOH, где в этом случае нет необходимости насыщать все отрицательные заряды иона фосфата ионами металла. Можно использовать и фосфаты металлов, и также гидрофосфаты металлов и дигидрофосфаты металлов, такие как Na₃PO₄, Na₂HPO₄ и NaH₂PO₄. Подобным образом можно использовать безводные фосфаты и гидраты фосфатов. Фосфаты могут быть включены в смесь формовочных материалов в кристаллической и в аморфной форме.

Под полифосфатами понимают, в частности, линейные фосфаты, содержащие более чем один атом фосфора, где каждый атом фосфора связан через кислородные мостики. Полифосфаты получают путем конденсации ортофосфатных ионов с элиминацией воды, так что получают линейную цепь PO₄ тетраэдра, где каждый связан под углом. Полифосфаты имеют общую формулу (O(РО₃)_n)^(n+2)-, где n соответствует длине цепи. Полифосфат может содержать вплоть до нескольких сотен тетраэдров PO₄. Однако предпочтительно используют полифосфаты с более короткими цепями. Предпочтительно n имеет значения от 2 до 100, особенно предпочтительно от 5 до 50. Можно также использовать высшие конденсированные фосфаты, то есть полифосфаты, в которых тетраэдры РО₄ связаны между собой более чем через два угла, и, следовательно, проявляют полимеризацию в двух или трех направлениях.

Под метафосфатами понимают циклические структуры, которые состоят из тетраэдров PO₄, где каждый связан через углы. Метафосфаты имеют общую формулу ((РО₃)_n)^n-, где n равно по меньшей мере 3. Предпочтительно n имеет значения от 3 до 10.

Можно использовать и индивидуальные фосфаты, и также смеси различных фосфатов и/или оксидов фосфора.

Предпочтительная доля фосфорсодержащего соединения относительно формовочного песка составляет между 0,05 и 1,0 масс.%. При доле менее чем 0,05 масс.% никакого значимого влияния на стабильность размеров литейной формы не может быть установлено. Если фосфатная фракция превышает 1,0 масс.%, прочность литейной формы в нагретом состоянии сильно снижается. Доля фосфорсодержащего соединения предпочтительно выбрана между 0,10 и 0,5 масс.%. Фосфорсодержащее соединение предпочтительно содержит между 0,5 и 90 масс.% фосфора, вычисленного как P₂O₅. Если используют неорганические соединения фосфора, они предпочтительно содержат от 40 до 90 масс.%, особенно предпочтительно от 50 до 80 масс.% фосфора, вычисленного как P₂O₅. Если используют органические соединения фосфора, они предпочтительно содержат от 0,5 до 30 масс.%, особенно предпочтительно от 1 до 20 масс.% фосфора, вычисленного как P₂O₅.

Фосфорсодержащее соединение может быть добавлено в смесь формовочных материалов как таковое в твердой или растворенной форме. Фосфорсодержащее соединение предпочтительно добавляют в смесь формовочных материалов в виде твердого вещества. Если фосфорсодержащее соединение добавляют в растворенной форме, вода предпочтительна в качестве растворителя.

Смесь формовочных материалов представляет собой тщательно перемешанную смесь жидкого стекла, формовочного песка и возможно вышеуказанных компонентов. В этом случае частицы формовочного песка предпочтительно покрыты слоем связующего агента. Тогда прочная когезия между частицами формовочного песка может быть достигнута путем выпаривания воды, присутствующей в связующем агенте (примерно 40-70 масс.% относительно массы связующего агента).

Связующий агент, то есть жидкое стекло, а также возможно дисперсный оксид металла, в частности, синтетический аморфный диоксид кремния и/или органическая добавка предпочтительно содержится в смеси формовочных материалов в доле менее чем 20 масс.%, в частности, предпочтительно в интервале от 1 до 15 масс.%. Доля связующих агентов относится в данном случае к твердой фракции связующего агента.

Если используют чистый формовочный песок, такой как, например, кварцевый песок, связующий агент предпочтительно присутствует в количестве менее чем 10 масс.%, предпочтительно менее чем 8 масс.%, особенно предпочтительно менее чем 5 масс.%. Если формовочный песок содержит дополнительные огнеупорные основные формовочные материалы, обладающие низкой плотностью, такие как, например, полые микросферы, процентную долю связующего агента соответственно повышают.

Дисперсный оксид металла, в частности, синтетический аморфный диоксид кремния, относительно суммарной массы связующего агента предпочтительно содержится в количестве от 2 до 80 масс.%, предпочтительно между 3 и 60 масс.%, особенно предпочтительно между 4 и 50 масс.%.

Отношение жидкого стекла к дисперсному оксиду металла, в частности, к синтетическому аморфному диоксиду кремния, может варьировать в пределах дополнительных интервалов. Это дает преимущество улучшения исходной прочности литейной формы, то есть прочности сразу после извлечения из горячего устройства, и влагостойкости, без существенного влияния на конечные прочности, то есть прочности после охлаждения литейной формы, по сравнению со связующим агентом на основе жидкого стекла без аморфного диоксида кремния. Это, прежде всего, представляет огромный интерес в свете отливки металла. С одной стороны, высокие исходные прочности желательны, чтобы после изготовления литейной формы ее можно было легко транспортировать или комбинировать с другими литейными формами. С другой стороны, конечная прочность после отверждения не должна быть слишком высокой, чтобы избежать трудностей с распадом связующего агента после отливки, то есть следует иметь возможность легко удалить формовочный песок из полых впадин литейной формы после отливки.

В одном воплощении изобретения формовочный песок, содержащийся в смеси формовочных материалов, может содержать по меньшей мере фракцию полых микросфер. Диаметр этих полых микросфер обычно находится в интервале от 5 до 500 мкм, предпочтительно в интервале от 10 до 350 мкм, а толщина оболочки обычно находится в интервале от 5 до 15% от диаметра микросфер. Эти микросферы обладают очень низкой удельной массой, так что литейные формы, изготовленные с использованием полых микросфер, обладают низкой массой. Изоляционный эффект полых микросфер обладает особым преимуществом. Поэтому полые микросферы используют, в частности, для изготовления литейных форм, когда они предназначены для того, чтобы обладать повышенным изоляционным эффектом. Такие литейные формы, например, представляют собой питатели, уже описанные во введении, которые действуют в качестве компенсирующих резервуаров и содержат жидкий металл, где этот металл должен удерживаться в жидком состоянии до тех пор, пока металл, залитый в полую форму, не отвердеет. Другой областью применения литейных форм, содержащих полые микросферы, являются, например, секции литейной формы, которые соответствуют особенно тонкослойным секциям готовой литейной формы. Изоляционный эффект полых микросфер гарантирует, что металл в тонкослойных секциях не отвердеет преждевременно и, следовательно, не заблокирует проходы внутри литейной формы.

Если используют полые микросферы, вследствие низкой плотности этих полых микросфер связующий агент предпочтительно используют в доле в интервале предпочтительно менее чем 20 масс.%, особенно предпочтительно в интервале от 10 до 18 масс.%. Эти значения относятся к твердой фракции связующего агента.

Полые микросферы предпочтительно состоят из силиката алюминия. Эти алюмосиликатные полые микросферы предпочтительно имеют содержание оксида алюминия более чем 20 масс.%, но могут иметь его содержание более чем 40 масс.%. Такие полые микросферы поставляет, например, фирма Omega Minerals Germany GmbH, Norderstedt, под названиями Omega-Spheres® SG с содержанием оксида алюминия примерно 28-33%, Omega-Spheres® WSG с содержанием оксида алюминия примерно 35-39% и E-spheres® с содержанием оксида алюминия примерно 43%. Соответствующие продукты имеются в продаже от фирмы PQ Corporation (USA) под названием "Extendospheres®".

Согласно следующему воплощению полые микросферы используют в качестве огнеупорного основного формовочного материала, который сконструирован из стекла.

Согласно особенно предпочтительному воплощению полые микросферы состоят из боросиликатного стекла. Боросиликатное стекло в данном случае имеет долю бора, вычисленного как B₂O₃, более чем 3 масс.%. Доля полых микросфер предпочтительно выбрана как менее чем 20 масс.% относительно смеси формовочных материалов. При использовании полых микросфер на основе боросиликатного стекла предпочтительно выбрана малая доля. Она предпочтительно составляет менее чем 5 масс.%, предпочтительно менее чем 3 масс.% и особенно предпочтительно находится в интервале от 0,01 до 2 масс.%.

Как уже объяснено, смесь формовочных материалов с одном воплощении содержит по меньшей мере фракцию стеклянных гранул и/или стеклянных зерен в качестве огнеупорного основного формовочного материала. Также возможно составлять смесь формовочных материалов в виде экзотермической смеси формовочных материалов, которая пригодна, например, для экзотермических питателей. Для этой цели смесь формовочных материалов содержит окисляемый металл и пригодный окисляющий агент. Относительно суммарной массы смеси формовочных материалов, окисляемые металлы предпочтительно составляют от 15 до 35 масс.%. Окисляющий агент предпочтительно добавляют в количестве от 20 до 30 масс.% относительно смеси формовочных материалов. Пригодными окисляемыми металлами являются, например, алюминий или магний. Пригодными окисляющими агентами являются, например, оксид железа или нитрат калия. Если использованный формовочный песок содержит остатки экзотермических питателей, их предпочтительно удаляют перед термической обработкой. Если экзотермические питатели сгорают не полностью, иначе существует риск воспламенения во время термической обработки.

Связующие агенты, содержащие воду, имеют более слабую текучесть по сравнению со связующими агентами на основе органических растворителей. Это означает, что формовочные устройства с узкими проходами и множеством изгибов труднее заполнять. Как следствие, литейные формы имеют секции с неадекватной компактностью, что, в свою очередь, может привести к дефектам отливки во время отливки. Согласно предпочтительному воплощению смесь формовочных материалов содержит фракцию смазочных материалов, предпочтительно пластинчатых смазочных материалов, в частности, графита, MoS₂, талька и/или пирофиллита. В дополнение к пластинчатым смазочным материалам, однако, можно также использовать жидкие смазочные материалы, такие как минеральные масла или силиконовые масла. Показано, что при добавлении таких смазочных материалов, в частности, графита, можно изготавливать сложные формы с тонкослойными секциями, где литейные формы обладают однородно высокой плотностью и прочностью целиком, так что по существу не наблюдают дефектов отливки во время отливки. Количество добавленного пластинчатого смазывающего материала, в частности, графита, предпочтительно составляет от 0,05 масс.% до 1 масс.% относительно формовочного песка.

В дополнение к указанным компонентам смесь формовочных материалов может содержать дополнительные добавки. Например, можно добавлять внутренние разделительные составы, чтобы способствовать отделению литейных форм от формовочного устройства. Пригодными внутренними разделительными составами являются, например, стеарат кальция, эфир жирной кислоты, воск, натуральные смолы или специальные алкидные смолы. Силаны могут быть также добавлены в смесь формовочных материалов согласно изобретению.

Согласно следующему предпочтительному воплощению смесь формовочных материалов содержит фракцию по меньшей мере одного силана. Пригодными силанами являются, например, аминосиланы, эпоксисиланы, меркаптосиланы, гидроксисиланы, метакрилсиланы, уреидосиланы и полисилоксаны. Примерами пригодных силанов являются γ-аминопропилтриметоксилан, γ-гидроксипропилтриметоксисилан, 3-уреидопропилтриметоксисилан, γ-меркаптопропилтриметоксисилан, γ-глицидоксипропилтриметоксисилан, β-(3,4-эпоксициклогексил)триметоксисилан, 3-метакрилксипропилтриметоксисилан и N-β(аминоэтил)-γ-аминопропилтриметоксисилан.

Типично примерно 5-50% используют относительно дисперсного оксида металла, предпочтительно примерно 7-45%, особенно предпочтительно примерно 10-40%.

Добавки, описанные выше, можно добавлять как таковые в любой форме в смесь формовочных материалов. Их можно добавлять индивидуально или в виде смеси. Их можно добавлять в виде твердого вещества, но также в виде растворов, паст или дисперсий. Если добавление проводят в виде раствора, пасты или дисперсии, в качестве растворителя предпочтительна вода. Также возможно использовать жидкое стекло, используемое в качестве связующего агента, в виде раствора или дисперсионной среды для добавок.

Согласно предпочтительному воплощению связующий агент представлен в виде двухкомпонентной системы, где первый жидкий компонент содержит жидкое стекло и второй твердый компонент содержит дисперсный оксид металла. Твердый компонент может дополнительно, например, содержать фосфат, а также, возможно, смазочный материал, такой как пластинчатый смазочный материал. Если углевод добавляют в твердой форме в смесь формовочных материалов, его можно также добавлять к твердому компоненту.

Водорастворимые органические добавки можно использовать в виде водного раствора. Если органические добавки растворимы в связующем агенте и стабильны при хранении в нем без разложения в течение нескольких месяцев, их можно растворять в связующем агенте и, следовательно, добавлять вместе с ним к формовочному песку. Нерастворимые в воде добавки можно использовать в виде дисперсии или пасты. Дисперсии или пасты предпочтительно содержат воду в качестве дисперсионной среды. Растворы или пасты органических добавок как таковые можно также готовить в органических растворителях. Однако если растворитель используют для добавления органической добавки, предпочтительно используют воду. Добавление органических добавок предпочтительно проводят в виде порошка или в виде коротких волокон, где средний размер частиц или длина волокон предпочтительно выбраны таким образом, что они не превышают размер частиц формовочного песка. Органические добавки можно предпочтительно просеивать ситом, имеющим размер ячейки примерно 0,3 мм. В целях уменьшения числа компонентов, добавляемых к формовочному песку, дисперсный оксид металла и органическую добавку или добавки предпочтительно не добавляют по отдельности к формовочному песку, а предварительно смешивают.

Если смесь формовочных материалов содержит силаны или силоксаны, их обычно добавляют в форме, в которой они предварительно включены в связующий агент. Однако силаны или силоксаны можно также добавлять к формовочному песку в виде отдельных компонентов. Особенно предпочтительно, однако, силанизировать дисперсный оксид металла, то есть смешивать оксид металла с силаном или силоксаном, чтобы обеспечить его поверхность тонким слоем силана или силоксана. Если используют дисперсный оксид металла, предварительно обработанный таким образом, обнаруживают повышенные прочности по сравнению с необработанным оксидом металла, а также улучшенную устойчивость к высокой влажности воздуха. Если, как описано, органическую добавку добавляют в смесь формовочных материалов или дисперсный оксид металла, целесообразно делать это перед силанизацией.

Вторично обработанный формовочный песок, полученный способом согласно изобретению, приблизительно приобретает свойства нового песка и может быть использован для изготовления литейных форм, имеющих плотность и прочность, сравнимую с литейными формами, изготовленными из нового песка. Изобретение, таким образом, относится к вторично обработанному формовочному песку, такому как получен способом, описанным выше. Этот способ относится к песчаному зерну, окруженному тонкой оболочкой из слоя жидкого стекла. Толщина слоя предпочтительно составляет между 0,1 и 2 мкм.

Изобретение подробно объяснено ниже со ссылкой на примеры.

Использованные методы измерения:

Число AFS (показатель зернистости): Число AFS определяли в соответствии с VDG Merkblatt P 27 (German Foundrymens' Association, Dusseldorf, October 1999).

Средний размер зерна: Средний размер зерна определяли в соответствии с VDG Merkblatt Р 27 (German Foundrymens' Association, Dusseldorf, October 1999).

Поглощение кислоты: Поглощение кислоты определяли по аналогии с нормативами из VDG Merkblatt P 28 (German Foundrymens' Association, Dusseldorf, May 1979).

Реагенты и оборудование:

Соляная кислота 0,1 н.

Раствор гидроксида натрия 0,1 н.

Метиловый оранжевый 0,1%

250 мл пластмассовые бутылки (полиэтилен)

Калиброванные пипетки на полный слив

Проведение определения:

Если формовочный песок все еще содержит большие агрегаты связанного формовочного песка, эти агрегаты дробят, например, с помощью молотка, и формовочный песок просеивают через сито, имеющее размер ячейки 1 мм.

50 мл дистиллированной воды и 50 мл 0,1 н. соляной кислоты переносят пипеткой в пластмассовую бутылку. Затем в бутылку добавляют 50,0 г формовочного песка для исследования, используя воронку, и бутылку закрывают. В течение первых 5 минут бутылку энергично встряхивают каждую минуту в течение 5 минут, затем каждые 30 минут в течение 5 минут за один раз. После каждого встряхивания песок оставляют для осаждения в течение нескольких секунд, и песок, прилипший к стенке бутылки, смывают вниз сильной струей путем кратковременного качания. В течение периодов покоя бутылку оставляют стоять при комнатной температуре. После 3 часов смесь фильтруют через средний фильтр (Weissband, диаметр 12,5 см). Воронка и стакан, используемые для сбора, должны быть сухими. Несколько первых миллилитров фильтрата отбрасывают.50 мл фильтрата переносят пипеткой в 300 мл титровальную колбу и смешивают с 3 каплями метилового оранжевого в качестве индикатора. Затем смесь титруют от красного цвета до желтого 0,1 н. раствором гидроксида натрия.

Вычисление:

(25,0 мл соляной кислоты 0,1 н. - потребленное число мл раствора гидроксида натрия 0,1 н.) × 2=мл поглощения кислоты/50 г формовочного песка

Примеры

1. Получение и отверждение смесей формовочных материалов, связанных жидким стеклом

1.1 Смесь формовочных материалов 1

100 частей по массе кварцевого песка Н 32 (Quartzwerke GmbH, Frechen) энергично перемешивали с 2,0 частями по массе имеющегося в продаже связующего агента на основе щелочного жидкого стекла INOTEC® ЕР 3973 (Ashland-Sudchemie-Kernfest GmbH), и смесь формовочных материалов отверждали при температуре 200°C.

1.2 Смесь формовочных материалов 2

100 частей по массе кварцевого песка Н 32 сначала энергично перемешивали с 0,5 частями по массе аморфного диоксида кремния (Elkem Microsilica 971), а затем смешивали с 2,0 частями по массе имеющегося в продаже связующего агента на основе щелочного жидкого стекла INOTEC® ЕР 3973 (Ashland-Sudchemie-Kernfest GmbH), и смесь формовочных материалов отверждали при температуре 200°C.

2. Регенерация отвержденных смесей формовочных материалов, связанных жидким стеклом

2.1 Механическая регенерация (сравнительный пример, не изобретение)

Отвержденные смеси формовочных материалов, полученные в соответствии с 1.1 и 1.2, сначала грубо дробят, а затем механически регенерируют в регенерационной системе от фирмы Neuhof Giesserei- und Fordertechnik GmbH, Freudenberg, которая работает в соответствии с ударным принципом и оборудована системой удаления пыли, и пылевые фракции получали и удаляли.

Аналитические данные, число AFS, средний размер зерна и поглощение кислоты двух регенератов приведены в таблице 1. Для сравнения приведены гранулометрические данные исходного формовочного материала Н32 и поглощение кислоты двумя отвержденными смесями формовочных материалов до регенерации. Поглощение кислоты является мерой щелочности формовочного песка.

2.2 Термическая регенерация

Примерно 6 кг каждого из механических регенератов 1 и 2 подвергали воздействию температур 350°С или 900°С в муфельной печи от фирмы Nabertherm GmbH, Lilienthal.

Отвержденные смеси формовочных материалов 1 и 2 термически обрабатывали таким же путем при 900°С после грубого дробления без предшествующей механической регенерации.

После охлаждения пески использовали без просеивания для дальнейших испытаний. По этой причине число AFS и средний размер зерна были не определены.

Поглощение кислоты термическими регенератами определяли аналитическим путем (см. таблицу 2).

3. Изготовление стержня с использованием регенерированных формовочных песков

3.1 Механически регенерированные формовочные пески (сравнительный пример).

Так называемые испытательные стержни фирмы Георг Фишер были изготовлены для испытания механически регенерированных формовочных песков. Испытательные стержни фирмы Георг Фишер понимают как прямоугольные испытательные стержни, имеющие размеры 150 мм×22,26 мм×22,36 мм.

Состав смесей формовочных материалов приведен в таблице 3.

Приведенной ниже методике следовали для изготовления испытательных стержней фирмы Георг Фишер:

Компоненты, указанные в таблице 3, смешивали в лабораторной лопастной мешалке (Vogel & Schemmann AG, Hagen). Для этой цели сначала подавали регенерат. Затем, если указано, добавляли аморфный диоксид кремния (Elkem Mikrosilica 971) при встряхивании, и после перемешивания в течение времени примерно одна минута добавляли имеющийся в продаже связующий агент на основе жидкого стекла INOTEC® ЕР 3973 (Ashland-Sudchemie-Kernfest GmbH) в последнюю очередь. Затем смесь встряхивали еще в течение минуты.

Свежеприготовленные смеси формовочных материалов переносили в бункер для хранения Н 2,5 пескометной стержневой машины горячего ящика от фирмы Roperwerk - Giessereimaschinen GmbH, Viersen, где формовочное устройство нагревали до 200°C.

Смеси формовочных материалов вводили в формовочное устройство с помощью сжатого воздуха (5 бар) и оставляли в формовочном устройстве в течение следующих 35 сек. Чтобы ускорить отверждение смесей, горячий воздух (2 бар, 120°C на входе в устройство) пропускали через устройство в течение последних 20 секунд; формовочное устройство открывали, и испытательные стержни извлекали.

С целью испытания времени обработки смесей формовочных материалов, процесс повторяли через три часа после изготовления смеси, где смесь формовочных материалов выдерживали в закрытом сосуде в течение времени ожидания для предотвращения высыхания смеси и поступления CO₂.

С целью определения прочностей на изгиб испытательные стержни вставляли в аппарат для испытания прочности фирмы Георг Фишер, оборудованный аппаратом для изгибания по трем точкам (DISA Industrie AG, Schaffhausen, CM) и измеряли силу, приводящую в результате к разрыву испытательного стержня.

Прочности на изгиб измеряли согласно приведенной ниже системе:

- 10 секунд после извлечения (прочность в нагретом состоянии)

- примерно через 1 час после извлечения (прочность в холодном состоянии)

Измеренные прочности суммированы в таблице 4.

Массу испытательных стержней определяли в качестве критерия следующего испытания. Она также приведена в таблице 4.

При механически регенерированном формовочном песке, используемом в примере 3, который получен из формовочного песка, который был отвержден жидким стеклом, не содержащим дисперсный аморфный диоксид кремния (механический регенерат 1), смесь после 3 часов старения все еще является выстреливаемой. Однако получают испытательные стержни, которые проявляют более слабую прочность по сравнению с примером 1 и 2.

Если механически регенерированный формовочный песок содержит связующий агент, который содержит аморфный диоксид кремния (пример 4), смесь после 3 ч старения отвердевает и более не может выстреливаться. Это показывает, что использованные формовочные пески, содержащие жидкое стекло, смешанное с дисперсным оксидом металла, непригодны для механической регенерации.

3.2 Термически регенерированный формовочный песок

Для испытания термически регенерированных формовочных песков процедура была подобна таковой для механически регенерированных формовочных песков.

Состав смесей формовочных материалов приведен в таблице 5, прочности и массы стержня суммированы в таблице 6.

Термические регенераты, имеющие происхождение из смеси формовочных материалов 1, были использованы в примерах 5-8. В этой смеси формовочных материалов использовали в качестве связующего агента жидкое стекло, не содержащее аморфный диоксид кремния. Форма все еще может выстреливаться очень хорошо после 3 часов. Полученные испытательные стержни показывают очень хорошую прочность.

Тот же результат достигнут с термическими регенератами 5-8, как показано в примерах 9-12. регенераты, используемые в этих примерах, имеют происхождение из смеси формовочных материалов 2, которая содержит в качестве связующего агента жидкое стекло, смешанное с аморфным диоксидом кремния. Даже после времени стояния 3 часа смесь формовочных материалов может выстреливаться очень хорошо. Полученные испытательные стержни показывают очень хорошую прочность.

Результат:

Сравнение таблиц 1 и 2:

Видно, что поглощение кислоты формовочными материалами значительно снижено, более существенно за счет подачи тепла, чем за счет механической регенерации. Определение поглощения кислоты является в то же время простым способом отслеживания хода термической регенерации.

Сравнение таблиц 4 и 6:

Видно, что обрабатываемость смесей формовочных материалов при использовании термически регенерированных формовочных песков является значительно более длительной, чем при использовании механически регенерированных формовочных песков, и это не зависит от того, предшествовала ли термической обработке механическая регенерация.

Также видно, что масса испытательных стержней, изготовленных с использованием термически регенерированных формовочных песков, выше, чем масса испытательных стержней, которые были изготовлены с использованием механически регенерированных формовочных песков, то есть текучесть смесей формовочных материалов повышена за счет термической регенерации.