способ получения активированного бентонита

Формула изобретения

1. Способ получения активированного бентонита, включающий химическое активирование комового бентонита натрийсодержащим реагентом, его вылеживание, сушку, обработку каменным углем и помол до мелкодисперсного состояния, отличающийся тем, что обработку комового бентонита каменным углем осуществляют на стадии химического активирования путем смешивания с углем низкой стадии метаморфизма, при этом вылеживание проводят в течение 2-18 месяцев.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед помолом в бентонито-угольную смесь добавляют природный графит или отходы от производства изделий из искусственного графита в количестве 2,5-5% по отношению к массе каменного угля в бентонито-угольной смеси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения активированного бентонита и может быть использовано при изготовлении активированных бентонитов для литейного производства как основного неорганического связующего формовочных смесей при изготовлении отливок из чугуна в массовом и серийном производстве.

Прочность песчано-глинистых (бентонитовых) формовочных смесей определяется величиной связи между зернами наполнителя в зоне контакта, осуществляемой через пленку обволакивающей их глинистой (бентонитовой) пасты через т.н. стыковые манжеты (С. С. Жуковский. Прочность литейной формы, М.: «Машиностроение», 1989 г.). Таким образом, добиться повышения прочностных свойств песчано-глинистой формовочной смеси удается только за счет повышения прочностных свойств обволакивающей зерна наполнителя, преимущественно кварцевого песка, пленки глинистой пасты. В настоящее время, даже при использовании высококачественных материалов и современного оборудования это достигается увеличением количества содержащегося в смеси бентонита. В результате ухудшаются технологические свойства смесей, в частности повышается их влажность, ухудшается выбиваемость, увеличивается опасность появления дефектов отливок типа взрывного пригара, газовых раковин и др. Значительно возрастает расход формовочных материалов и затрат на их приобретение. Увеличение прочностных свойств формовочных смесей достигается активацией основного неорганического связующего - бентонита, которая осуществляется различными способами.

Известен способ получения активированного бентонита, включающий укладку бентонитового сырья на специально подготовленной площадке, введение в него активатора. Вылеживание этой смеси в течение 5-18 суток с перемешиванием за период вылеживания от 2 до 6 раз, сушку и помол. В качестве активатора используются известные соли натрия. А также смеси этих солей (Патент РФ RU2196117, МПК С04В 33/02, В28С 1/16, опубликован 10.01.2003).

Недостатком указанного способа является то, что единственным и основополагающим процессом активации является замещение двухвалентных катионов Са и Мg бентонита на одновалентные катионы Nа из неорганического активатора. При этом обеспечивается увеличение гидратирующей способности бентонита и, как следствие, увеличение прочности формовочных смесей на разрыв в зоне конденсации влаги, однако прочность на сжатие не изменяется.

Известен способ получения порошкообразного бентонита, включающий измельчение сырья, химическое модифицирование солью натрия в водной среде при соотношении глины и воды 1:1,35, перемешивание в шаровой мельнице мокрого помола и емкости с пропеллерной мешалкой, далее сушку полученной суспензии в башенной распылительной сушилке (Патент № 2101258, С04В 33/04, опубликован 10.01.1998).

Недостатком известного способа является то, что активация солями натрия также обеспечивает только увеличение адсорбционной способности бентонита, несмотря на более полное протекание процессов ионного обмена, происходящих в бентоните, вследствие интенсивного перемешивания в водной среде. Прочностные показатели на сжатие формовочных смесей при таком способе существенно не изменяются.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения активированного бентонита, в котором комовый бентонит активировали кальцинированной содой, вылеживали, высушивали до остаточной влажности 2%, затем после вылеживания и сушки смешивали с каменным углем марки «Г» и измельчали в шаровой мельнице (Журнал «Литейное производство», 2004 г., № 9, с. 23-25).

Указанный способ позволяет увеличить прочность на разрыв в зоне конденсации влаги и несколько повысить прочность на сжатие сырых песчано-бентонитовых смесей. Однако наряду с достоинствами, этот способ имеет ряд недостатков. Основными из них являются:

1. Использование единственного неорганического реагента (кальцинированной соды) для химического способа активации бентонита. Этот метод основного обмена катионов кальция на катионы натрия не всегда происходит успешно потому, что ионный обмен невозможно заставить идти до завершения. Не все бентониты способны в полной степени участвовать в ионообменной реакции в процессе активации натрийсодержащими солями и приобрести необходимые свойства.

2. Низкая остаточная влажность бентонита после сушки обуславливает увеличение времени адсорбции воды бентонитом и, как следствие, набора прочности формовочной смеси. Соответственно, он не обеспечивает возможность существенного сокращения расхода бентонита при интенсивном цикле работы автоматических формовочных линий.

3. Используемый каменный уголь (марки «Г») выбран как компонент формовочной смеси, применяемый в качестве противопригарной добавки. Однако степень метаморфизма указанного угля исключает наличие в его структуре органических соединений, способных оказать дополнительное химическое влияние на активацию бентонита. Кратковременная совместная обработка этих сухих компонентов обеспечивает лишь их гомогенизированную механическую смесь. Существенного изменения прочности на разрыв в зоне конденсации влаги от влияния каменноугольной пыли не наблюдается.

Таким образом, при получении активированного бентонита известным способом совокупное увеличение прочностных характеристик формовочных смесей незначительно.

Технической задачей заявленного изобретения является разработка способа получения активированного бентонита, обеспечивающего улучшение всего комплекса прочностных и эксплуатационных свойств формовочных смесей.

Техническим результатом от использования изобретения является:

- увеличение удельной прочности оболочки глинистой пасты на поверхности зерен наполнителя формовочных смесей и соответственно стыковых манжет;

- увеличение предела прочности сырых формовочных смесей при сжатии и разрыве в зоне конденсации влаги;

- существенное ускорение роста прочности формовочных смесей в процессе их приготовления;

- возможность значительного снижения содержания в формовочных смесях количества технологически необходимого бентонита при обеспечении заданных физико-механических и технологических свойств;

- возможность использования высококонцентрированной водобентонитовой суспензии для освежения формовочной смеси бентонитом в связи со значительным сокращением его количества в смеси. Соответственно, обеспечивается уменьшение количества вводимой в составе смеси воды и требуемая уплотняемость (насыпная плотность) смеси;

- повышение технологических свойств формовочных смесей увеличение газопроницаемости, равномерности заполнения формы, улучшение выбиваемости при обеспечении высокого качества поверхности чугунных отливок.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном способе получения активированного бентонита, включающем химическое активирование комового бентонита натрийсодержащим реагентом, его вылеживание, сушку, обработку каменным углем и помол до мелкодисперсного состояния, обработку бентонита каменным углем осуществляют на стадии химического активирования, путем смешивания с углем низкой стадии метаморфизма, при этом вылеживание проводят в течение 2-18 месяцев. Перед помолом в бентонито-угольную смесь добавляют природный графит или отходы от производства изделий из искусственного графита, в количестве 2,5-5% по отношению к массе угля в бентонито-угольной смеси.

Достигаемый технический результат обеспечивается благодаря тому, что натрийсодержащий активатор, который используется для химической активации бентонита, одновременно вступает в реакцию с гуминовыми кислотами, которые содержатся в каустобиолитах угольного ряда с образованием водорастворимых гуматов натрия.

В качестве гуминосодержащих каустобиолитов используют каменные угли низкой стадии метаморфизма и их окисленные выветрившиеся формы.

Бентонито-угольную смесь с активатором вылеживают от 2 до 18 месяцев в естественных условиях для обеспечения окисления каменного угля кислородом воздуха. В процессе окислительного выветривания в массе угля увеличивается количество гуминовых кислот. Атомы водорода в карбоксильных и гидроксильных группах гуминовых кислот замещаются на ионы щелочного металла из активатора с образованием водорастворимого гумата натрия.

Образовавшиеся макромолекулы водорастворимого гумата натрия адсорбируются на частицах бентонита. Далее процесс образования и адсорбции гуматов на частицах бентонита продолжается во время последующей сушки бентонито-угольной смеси непосредственно в самом сушиле. Этому способствует исходная влажность до 40%, повышенная температура сырья, которая составляет 40-80°С, и паровлажная атмосфера. Активация бентонита завершается эффективным ускорением экстракции гумата натрия из угля путем импульсного воздействия в шаровых или ролико-маятниковых мельницах на гуматсодержащее сырье и, не до конца вступившую в реакцию, щелочь. Натриевые соли гуминовых кислот, адсорбируясь на поверхности твердой фазы активированного солями натрия бентонита, улучшают взаимосвязь глинистых частичек с дисперсионной средой - водой, создавая прочные гидратные оболочки, препятствующие сближению, слипанию частичек и предупреждающие коагуляцию. В то же время эти вещества способствуют дальнейшему диспергированию более крупных частичек бентонита в формовочной смеси, обеспечивая лучшее распределение и снижение содержания связующего в формовочной смеси при сохранении заданных свойств. Увеличение прочности на сжатие или сохранение необходимых параметров при снижении количества бентонита в смеси достигается путем армирования бентонитовых оболочек на зернах наполнителя тонкодисперсными частицами углерода (каменноугольной пыли).

Пример.

В способе по изобретению комовый бентонит из карьера с естественными влажностью и температуре окружающей среды и на заранее подготовленной площадке перемешивают с каменным углем низкой стадии метаморфизма (марок «Д», «ДГ») крупностью 0-15 мм и натрий содержащим активатором. В качестве активатора используются кальцинированная сода или каустическая сода. Количество угля в смеси составляет от 10 до 50%, в зависимости от технологии применения бентонита в формовочных смесях на литейных предприятиях. Расход активатора зависит от состава и общей емкости обменных катионов активируемого бентонита, количества угля, вида активатора, возможных потерь активатора при переработке активированного сырья. Расход активатора определяют либо расчетным путем по известным формулам реакции замещения катионов, либо экспериментально в лабораторных условиях. Перемешивание сырья с каменным углем и активатором осуществляют экскаватором, бульдозером и т.п. В процессе перемешивания происходит дополнительное измельчение сырьевой массы бентонита до размера кусков не более 100 мм, в результате чего улучшается доступ активатора к частицам бентонитового и каменноугольного сырья, ускоряются реакции катионного обмена. Далее бентонито-угольную смесь укладывают на открытой площадке в бурты с шириной основания 4 м и высотой 1-1,5 м для обеспечения лучшего доступа кислорода воздуха к угольной составляющей смеси в течение всего времени вылеживания. При формировании буртов больших размеров необходимо проводить перебуртовку бентонито-угольной смеси 1-2 раза в месяц. После вылеживания, перед подачей сырья в сушило, сырьевая масса, при необходимости, пропускается через глинорезку или зубчатую дробилку для измельчения до размеров кусков не более 50 мм. Перед подачей сырья в сушило проверяется содержание в нем соды. При недостаче соды недостающее ее количество добавляется, при избытке соды в бункер сушила добавляется необходимое количество неактивированного сырья. Сушка сырья осуществляется в барабанном сушиле, последующий помол в ролико-маятниковых или шаровых мельницах. Для уменьшения износа рабочих элементов мельниц, находящихся в контакте с каменным углем, в бентонито-угольную смесь перед помолом целесообразно добавлять природный графит или отходы от производства изделий из искусственного графита. Экспериментально установлено, что размер кусков должен составлять 2-5 мм, а количество 2.5-5% по отношению к массе каменного угля в бентонито-угольной смеси.

Остаточная влажность в активированном порошке составляет 6-10%, согласно требованиям стандарта для литейного производства (ГОСТ 28177-89). Предлагаемый способ получения активированного бентонита может быть осуществлен с использованием имеющегося стандартного оборудования.

В таблице 1 приведены данные удельных прочностных характеристик активированных бентонитов в зависимости от времени вылеживания (активации). Содержание бентонита в песчано-глинистой смеси, согласно ГОСТ 28177-89, составляло 5%, для чего готовили смесь, состоящую из 6,25 мас.ч. бентонито-угольного компонента, 93,75 мас.ч. обогащенного кварцевого песка и воды.

Оценка предела прочности при сжатии и предела прочности при разрыве в зоне конденсации влаги активированных бентонитов, полученных способом по прототипу и заявляемым способом, осуществлялась в соответствии с требованиями ГОСТ 28177-89. В качестве базового был выбран Черногорский бентонит «10 хутор» (Хакассия). Экспериментально установленное оптимальное содержание активатора - кальцинированной соды (сверх 100% бентонита) - 2,2%. Относительная влажность всех сравниваемых смесей соответствовала уплотняемости 45,0-47,0%. В качестве гуминосодержащих каустобиолитов, в способе по изобретению, использовали каменный уголь марки «Д». В качестве каменноугольной добавки, в способе по прототипу, использовали каменный уголь марки «Г». Соотношение бентонита и угля в обоих примерах составляла 80% и 20% соответственно. Связующие свойства бентонитов оценивали по «удельной» прочности - расчетная величина максимальной прочности формовочной смеси при 1% бентонита в ее составе.

Предел прочности при сжатии определялся на приборе LRu (Польша), предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги - на приборе конструкции ХФ «ВНИИЛИТМАШ».

Как видно из таблицы, удельные прочностные характеристики активированного бентонита, полученного способом по изобретению, превосходят свойства бентонита, полученного известным способом.

При времени вылеживания бентонито-угольной смеси в течение 6 месяцев процесс окисления органической массы свежедобытого угля не успевает завершиться, а вылеживание более 18 месяцев не приводит к существенному повышению эффекта активации бентонита солями гуминовых кислот и соответственно дальнейшему увеличению прочности. Выдерживание заданных условий вылеживания смеси процесс окисления угля в естественных условиях проходит наиболее полно. Применение выветрившихся окисленных форм каменного угля с истекшим сроком хранения после добычи (6-18 месяцев) сокращает срок вылеживания бентонито-угольной смеси до 2 месяцев для достижения максимального уровня прочностных показателей бентонита.

В таблице 2 приведены эксплуатационные характеристики формовочных смесей с бентонитами, полученные по заявленному способу и по прототипу.

Для сравнения заявленного способа и способа-прототипа единые формовочные смеси изготавливались на двух аналогичных по конструкции автоматических формовочных линиях действующего литейного цеха. Средние начальные прочность при сжатии в сыром состоянии, в зоне конденсации влаги и содержание в смесях активного бентонита в обеих смесях были практически одинаковыми. После начала испытаний в каждый из смесителей подавалась оборотная отработанная формовочная смесь для производства чугунных отливок, активированный Черногорский бентонит. Общий цикл изготовления смесей составлял 130 с. Количество вводимого в смесь бентонита (освежение) подбиралось таким образом, чтобы обеспечивалась технологически необходимая, в среднем постоянная, прочность формовочной смеси при сжатии и в зоне конденсации влаги.

Использование предложенного способа получения активированного бентонита позволяет достичь высоких физико-механических и технологических свойств формовочных смесей при одновременном резком снижении содержании в них активного бентонита и общего его расхода.

Внедрение предлагаемого материала в производство может обеспечить значительный экономический эффект за счет сокращения расхода формовочных материалов и сокращения количества дефектов отливок.