CZ2016459A3

CZ2016459A3 - Způsob přípravy slévárenského geopolymerního pojivá a zařízení k provádění tohoto způsobu

Info

Publication number: CZ2016459A3
Application number: CZ2016-459A
Authority: CZ
Inventors: Alois Burian; Markéta Přerovská; Barbora Antošová
Original assignee: Sand Team, Spol. S R.O.
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2018-01-03
Also published as: CZ307086B6

Abstract

Způsob přípravy tekutého slévárenského geopolymerního pojivá obsahujícího křemičitan sodný a hlinitan sodný, v reakční nádobě (1) s vertikálním míchacím zařízením napojeným na motor (5) s převodovkou, přičemž se upraví složka obsahující křemičitan sodný přidáním 1,25 až 3,9 hmotnostních dílů vody na 100 hmotnostních dílů vstupního křemičitanu sodného a 0,59 až 1,92 hmotnostních dílů hydroxidu sodného na 100 hmotnostních dílů křemičitanu sodného upraveného vodou, a rovněž se samostatně upraví složka obsahující hlinitan sodný přidáním 47 až 83 hmotnostních dílů 40% vodného roztoku hydroxidu sodného na 100 hmotnostních dílů vstupního hlinitanu sodného, a poté se tyto složky v poměru 12 až 20 hmotnostních dílů upravené kapalné složky hlinitanu sodného na 100 hmotnostních dílů upravené kapalné složky křemičitanu sodného nechají reagovat v reakční nádobě (1), přičemž se míchají pomocí vertikálního míchacího zařízení opatřeného dispergačním míchadlem (4) se smykovou rychlostí 300 až 500 s'1, přičemž obsah Al ve výsledném pojivuje v rozmezí 0,5 až 1,1 hmotnostních procent a obsah Si ve výsledném pojivu je v rozmezí 11,0 až 12,7 hmotnostních procent.

Description

Oblast techniky _____

Vynález se týká způsobu přípravy slévárenského geopolymemího pojivá, kde jednotlivé složky pojivového materiálu se nejprve upravují pro dosažení požadovaných vlastností a následně se mísí, čímž vytváří pojivá pro slévárenské směsi, přičemž způsob podle vynálezu je vhodný i pro průmyslovou velkovýrobu.

Vynález se dále týká zařízení pro provádění způsobu výroby slévárenského geopolymemího pojivá a zařízení k jeho přípravě.

Dosavadní stav techniky

Pro výrobu odlitků se používají licí formy a jádra, které představují negativní tvar odlitku. Formy a jádra se skládají ze žáruvzdorného materiálu, například křemenného písku a z vhodného pojivá, které propůjčuje směsi dostatečnou pevnost pro vyjmutí z formy a pro odlití kovového materiálu. Pro vytvrzení pojivá je používána celá škála vytvrzovacích způsobů. Jako pojivo jsou v široké míře používána organická pojivá. Bez ohledu na jejich složení, avšak mají tu nevýhodu, že se rozkládají v průběhu lití, v důsledku čehož se emituje značné množství škodlivých látek jako je například benzen, toluen a xyleny. Kromě toho použití organických pojiv zpravidla vede k zápachu a vzniku kouře. V některých systémech se projevují škodlivé emise i v průběhu výroby a skladování jader. Z tohoto důvodu je snaha používat anorganická pojivá.

Anorganická pojivá jsou známa již dlouhou dobu,a to zejména pojivá na bázi roztoků alkalických křemičitanů, označovaných jako vodního skl£._Využití vodního skla jako pojivá slévárenských směsí zahájil L. PETRŽELAvčs. patentu^8T931 z 12.12.1947. Rozpracování použitelnosti vodního skla a jeho vytvrzení je pak uvedeno v řadě dalších patentů.

K vytvrzování vodního skla je používán například CO₂, což je řešeno v Britském patentu GB 634817. Vytvrzení vodního skla pomocí CO₂ a následné proplachování vzduchem je popsáno v přihlášce vynálezu DE 102012103705. Vytvrzování vodního skla kapalnými ' I y γ estery je popsáno v dokumentech GB 1J02^057 nebo AÓ 217 877. Tepelné vytvrzení vodního skla je popsáno například v americkém patentu US ^2^77 a evropské přihlášce vynálezu 4/

EP 09, ve které se také případně používá přísada ve formě částic amorfního S1O2 pro zvýšení pevnosti.

Směsi pojené vodním sklem mají všeobecně tři základní problémy. Nízké pevnosti po vytvrzení, obtížnou rozpadavost po odlití a nízkou regenerovatelnost. Nízké pevnosti po vytvrzení plynným COzjsou dosahovány v důsledku toho, že rychle vytvořený gel je křehký. Při vytvrzení fyzikálním způsobem, například teplem jsou dosahovány vyšší pevnosti, ale vytvrzovací proces je reversibilní a při skladování vytvrzených jader dochází k adsorpci vody a poklesu pevnosti.

Obtížná rozpadavost je ovlivněna především přítomností volných sodných iontů ve vodním skle, které reagují s povrchem křemenného písku, způsobují vysokou adhesní pevnost a po odlití je tato vrstva obtížně rozrušitelná a tak se směs po odlití velmi obtížně odstraňuje z odlitku. To je příčina i velmi nízké regenerovatelnosti směsi, pojivovou obálku lze velmi obtížně odstranit z povrchu zrn.

Tyto nevýhody směsí s vodním sklem se snaží řešit řada technických řešení. Některá řešení se zaměřují na úpravu vodních skel nebo použití přísad do vodních skel. Je známá například úprava vodních skel použitých pro směsi vytvrzované kapalnými estery tak, aby byly

zajištěny konstantní podmínky průběhu vytvrzovací reakce. V autorském osvědčení

237 je definován parametr vodního skla tzv. koagulační práh, který umožňuje zajistit konstantní vlastnosti vodního skla. Takové vodní sklo však neřeší základní problémy směsí s těmito pojivýma to rozpadavost po odlití a regenerovatelnost.

V autorském osvědčení czAO 218 018 se uvádí, že ke zlepšení rozpadavosti a prodloužení doby zpracovatelnosti se dosahuje přidáním methylsilanolátu sodného k směsi vodního skla. Podle/AO 218 401 je k zlepšení výše uvedených vlastností použita přísada koloidního roztoku hydroxidu železitého s tím, že způsob výroby pojivá probíhá v magnetickém nebo ultra-zvukovém poli.

í/eXi/AO 183 474 je k tomuto účelu použita přísada difenylsulfonu, přičemž se uvádí použití tyto přísady ve směsi vytvrzované plynným CO2 s tím, že je dosaženo lepší rozpadavosti. Ve druhém příkladu je uvedeno použití profukování vzduchem k vytvrzení jader.

V dosavadním stavu techniky existuje celá řada dalších návrhů na řešení, přičemž všechna známá řešení při použití vodních skel však vyžadují použití vysokého dávkování pojivá, aby bylo možné zajistit potřebnou dostatečnou pevnost pro vyjmutí z formy a pro odlití • » · « «2* kovového materiálu. Při vytvrzování CO₂ je třeba dávkovat pojivo v množství 4t6 %, pro směsi vytvrzované kapalnými tvrdidly na bázi esterů je to 3,5 -x 4,0 %.

Nižší dávkování vodního skla umožňuje v qvání fyzikálním způsobem.

Γ y y

Například americký patent^US 2015/0249387 popisuje výrobu jader ze směsi obsahující vedle 100 hmotných dílů křemenného ostřiva 2 hmotné díly vodního skla. Jádra jsou vyráběna na vstřelovacím stroji s jademíkem vyhřívaným na 180 ’C, přičemž je uvedena doba vyhřívání 35 sekund a posledních 20 sekund je do jaderníku foukán vzduch o teplotě

100 °C. Nevýhodou je skutečnost, že vytvrzený gel vodního skla je reversibilní, zpětně přijímá vlhkost a tím směs ztrácí pevnost. Vyrobená jádra musí být skladována ve speciálních prostorách s nízkou vlhkostí vzduchu. Připravené směsi silně osychají, strojní systém musí být upraven tak, aby bylo zajištěno chlazení rozprašování vodní mlhy speciálním zařízením.

Výrazné zlepšení přináší nový typ pojiv, která jsou označovaná jako minerální polymery nebo také geopolymery. Některé takové systémy jsou založeny na kombinaci alkalického křemičitanu a křemičitanu hlinitého.

V americkém patentu US 4|34^386 je popsána příprava minerálního polymeru. Při tvorbě těchto polymerů jsou míšeny dehydratovaný křemičitan hlinitý a směs silných alkálií a alkalických křemičitanů ve dvou fázích. V první fázi je ponechána směs reaktantů reagovat při teplotě okolí nejméně 1 hodinu k vytvoření viskózní „minerální pryskyřice“. V druhé fázi je

Y „minerální pryskyřice“ zahřívána kontinuálně nebo po stupních za teplot 25:^r120°C po dobu 0,5.-ř£l5 hodin, v závislosti na teplotě kondenzace k dalšímu vytvrzení minerální pryskyřice. Dehydratovaný křemičitan hlinitý, který je míšen s kaustickým a alkalickým křemičitanem, aby vytvořil minerální pryskyřici, je připravován kalcinací hydratovaného křemičitanu hlinitého za teplot např. 550°C k odstranění hydratační vody. Dále je uvedeno také použití minerální '-‘‘V pryskyřice, tj. částečně vytvrzených polymerů vytvořených v první fázi reakcí při teplotě okolí k vytvoření slévárenské směsi. V patentu se uvádí, že minerální pryskyřice je míšena s pískem a je potřeba dalšího vytvrzování po několik hodin při teplotě okolí nebo přibližně 1,5 hodiny při 85°C.

Z pohledu těchto dat je zřejmé, že tyto polymery a tento proces nejsou prakticky využitelné pro vysokou produkci jader a forem za těchto podmínek. Navíc k jejich nízkým pevnostem a dlouhému vytvrzovacímu času mají tyto polymery, jsou-li použity jako , slévárenská pojivá, špatnou odolnost vůči vlhkosti a vyžadují vysokou dávku pojivá (až 6 7 %^iot vztaženo na písek) pro efektivní využití. Pro tyto nedostatky jsou slévárenská pojivá

S · • 9 · · založená na těchto polymerech nepraktická pro provozní využití při teplem vytvrzovaných slévárenských aplikacích.

Nevýhody výše uvedeného vynálezu se snaží řešit americký patent US 5^74 606. A

Tento patent se týká slévárenských pojivových systémů vytvrzovaných teplem. Pojivo sestává ze dvou oddělených složek. Jednu složku tvoří roztok alkalického silikátu a druhou složku hydratovaný silikát hlinitý. Základní rozdíl proti předchozímu patentu spočívá v tom, že je použit hydratovaný křemičitan hlinitý místo křemičitanu hlinitého kalcinovaného za teplot např. 55O°C k odstranění hydratační vody. V patentu se uvádí, že zde nevzniká jako mezistupeň Λ „minerální pryskyřice“. Namísto toho, pojivové systémy, které obsahují směs kaustického roztoku alkalického křemičitanu a hydratovaného křemičitanu hlinitého, jsou aplikovány na slévárenské ostřivo jako individuální komponenty spíše než minerální pryskyřice. Ovšem, polymerizace pojivového systému neprobíhá, když jsou komponenty míšeny se slévárenským ostřivem a formovány, ale, místo toho nastává až když je zformovaná slévárenská směs zahráta na teploty 200,^300°C, nejlépe na 230 ^260j°C. Vzhledem ktomu, že formovací

A směsi připravené s tímto pojivovým systémem nepolymerizují, dokud nejsou zahřátý, mají životnost do 5 hodin.

Formovací směsi jsou použitelné při cenově přijatelných obsazích pojivá (všeobecně méně než 5 Vo^ot vztaženo na písek). Navíc, vzhledem k tomu, že mohou být použity komerční typy křemičitanu hlinitého obsahující hydratační vodu bez kalcinace při 500 '^650°C k odstraněni hydratační vody, jsou sníženy náklady. Toto pojivo však nedává dobré výsledky ve směsi s některými křemennými písky. Pokud písek není úplně čistý, pak životnost a odolnost proti vlhkosti je u jader znatelně snížena. Také jádra vyrobená s tímto pojivém mohou být na povrchu drobivá.

Tyto nedostatky se snaží řešit patent US 5|743j953. Vynález obsahuje pojivový systém sestávající ze dvou kapalných částí a jedné práškové komponenty. Část I sestává z roztoku koloidního oxidu křemičitého a část II obsahuje silikát sodný. Část III - prášková část, je tvořena hydratovaným silikátem hlinitým. Navíc je do směsi přidán alkohol, který je včleněn do části I, části II nebo do obou. Jako cukerný alkohol je nejlépe použit sorbit. Polykondenzace pojivového systému neproběhne, když jsou části míseny a formovány v mísiči, ale nastane až pak, když je zformovaná směs zahřáta na teplotu 200.-^300 °C, nejlépe 230tf-260 °C. Práškový silikát hlinitý je použit hydratovaný jako v předešlém patentu. Koloidní oxid křemičitý se nemusí používat, pokud má silikát sodný molární poměr SiO₂ / Na₂O větší než 2,4. Hlavním nedostatkem tohoto řešení je složitá příprava, složitý způsob vytvrzení a pomalá vytvrzovací reakce pojivového systému.

9 9

Dosavadní stav techniky nabízí některé pojivové systémy, které jsou založeny na kombinaci alkalického silikátu s vodným roztokem alkalického aluminátu.

který se týká slévárenských pojivových systémů vytvrzovaných samovolně za studená, je popsán pojivový systém, který zahrnuje dvě samostatné složky. Každá složka se samostatně odděleně promísí s ostřivem a následně se takto připravené směsi promísí dohromady v intenzivní mísící jednotce. Tím dojde k reakci za vzniku gelu hydratovaného alumosilikátu. Jedna samostatná složka je tvořena vodným roztokem silikátu alkalického kovu a druhá složka je tvořena vodným roztokem aluminátu alkalického kovu. Optimální poměr AI2O3 / S1O2 ve výsledném gelu je v rozmezí 0,45 až 1,0.

Tento typ intenzivního a rychlého míchání a výstupu je nezbytný pro zachování předností velmi rychlé pojivové akce aluminosilikátu. Rychlost vytvrzení je vysoká. V patentu se uvádí možnost rozebíráni za 60 sec. Obě složky v slévárenském pojivovém systému jsou hydrogely a také zůstávají ve formě hydrogelu i po vytvrzení. To způsobuje skutečnost, že výsledné pojivo není odolné proti vlhkosti. Vznikají problémy při skladování jader a také se zvyšuje sklon ke slévárenským vadám, především zálupům. Pojivový systém má dvě samostatné složky. Každá složka se samostatně odděleně promísí s ostřivem a následně se takto připravené směsi promísí dohromady v intenzivní mísící jednotce. Tím dojde k reakci za vzniku gelu hydratovaného alumosilikátu. Slévárenské pojivo smícháním těchto dvou látek nelze připravit, protože dochází k okamžité reakci.

Mezinárodní patentová přihláška WÓt^51ljř87 se vztahuje k teplem tvrditelným slévárenským pojivům obsahujícím v přimísenině: (a) rozpustný zdroj oxidu křemičitého a (b) rozpustný zdroj oxidu hlinitého, tak^že tento zdroj oxidu křemičitého, zdroj oxidu hlinitého nebo oba obsahují alkalický kov. Složky pojivá tvoří nasycený roztok, jsou-li míšeny s ostřivem. Vzniklá směs je formována a zahřívána při stoupající teplotě, aby vytvořila vytvrzenou slévárenskou formu pojenou dohromady krystalickou pojivou fází. Teplo je aplikováno horkým vzduchem, pečením v peci, mikrovlnami nebo přednostně na zařízení hot-box. Pojivový systém konkrétně sestává ze dvou složena to z roztoku koloidního oxidu křemičitého a druhá složka je tvořena pevným nebo kapalným hlinitanem sodným. Hmotnostní poměry alkálií, hliníku a křemíku vyjádřené v oxidech v pojivu se pohybují od 20 do 40 °/ojhmot alkálií, od 30 do 50 ⁰/o^mot hliníku a od 20 do 40 křemíku, vztaženo na celkovou hmotnost pojivá, přednostně 28 <32 % alkálií, 38.^42% hliníku a 28 r?35 % křemíku. Všechny poměry jsou vyjádřeny tak, že zdroj křemíku a hliníku jsou oxidy. Zdroj oxidu křemičitého se přidává k ostřivu jako první, následně se mísí s ostřivem zdroj oxidu hliníku. Přednostně se přidává pojivo k ostřivu v množství 1 <5 %^_ot vztaženo na hmotnost ostřiva. Formovací směs je

A • 4 • * • ·

zhutňována do forem a jader a zahřáta na 100-/300 °C, přednostně na 150^250 °C tak dlouho, až je možno s nimi manipulovat bez lámání. Hlavní nevýhodou je dlouhá doba vytvrzování pro dosažení požadované pevnosti, která je v přihlášce stanovena až na 20 minut.

Dále je známé také použití samotného hlinitanujgtopojiva pro výrobu jader vytvrzovaných teplem modelového zařízení jak je uvedeno v₍AO 147 361. Základním pojivém je hlinitan sodný. Ukazuje se, že použitelnost je omezena na jednoduché tvary jader s malým průřezem, protože vytvrzení masivnějších jader je velmi problematické. Navíc se vyznačuje špatnou rozpadavostí po odlití.

Užitný vzor CZ 13437 U1 popisuje geopolymerní pojivo slévárenských formovacích směsí. Jedná se o anorganické polymery na bázi křemíku a hliníku nazývané polysialáty. Sialátové řetězce jsou složeny z tetraedrů SiO₄ a AIO₄. Jejich negativní náboj je vyrovnáván pozitivním nábojem kationtů Na. Tento užitný vzor neřeší způsob přípravy pojivá. Ukazuje se, že tato pojivá jsou nestabilní a nedosahují potřebných stálých vlastností.

Čínská patentová přihláška CN102910936 A popisuje způsob výroby pěnového geopolymerního materiálu přidáním hydroxidu sodného nebo hydroxidu draselného do uhelného popelu, jehož hlavními složkami jsou oxid hlinitý a oxid křemičitý. Alkalickou reakcí s uhelným popelem se vytváří geopolymer a samostatná látka, která v alkalickém prostředí způsobuje vznik plynu, a následně pěnění. Ve směsi je navíc přítomno pěnidlo (kyselina olejová). Jedná se o způsob výroby pevné izolační pěny, a nikoliv tekutého geopolymerního pojivá.

V

Korejský patent KR'101078335 B1 popisuje způsob výroby geopolymerů k urychlení tuhnutí betonu. Geopolymer'se vyrábí tak, že se připraví dispergační roztok hlinitokřemičitanu z křemičitanu sodného a síranu hlinito-draselného, do kterého se následně přidá fosforečnan sodný a hydroxid sodný. Nevýhodou je složitější matrice pojidla, kde je navíc přítomen síran i fosforečnan.

Čínská patentová přihláška CN105541203 A popisuje suché tepelně-izolační malty tvořené třemi složkami, z nichž je jedna založena na geopolymerním materiálu a způsob výroby uvedené malty. Tento geopolymerní materiál se připravuje smícháním alkalické složky a hlinitokřemičitanové složky. Hlinitokřemičitanové složky ve směsi geopolymerů výrazně převažují, poměr alkalické složky a hlinitokřemičitanové složky se rovná 1 :(5 až 10). Alkalická složka sestává z křemičitanu sodného s modulem 2 až 4 a hydroxidu sodného v poměru (1 až • 9 ♦ · • * Μ ·9 » ··· >» · ·· * • · · ·· • · · · · · • · · ·· • · ·*♦· ·*» ·· » í

3T'H Jedná se o způsob výroby suché tepelně-izolační malty (práškového materiálu), a nikoliv i tekutého geopolymerního pojivá.

v

Čínská patentová přihláška CN105683120 A1 popisuje přípravu geopolymerní pěny tvořené anorganickým pojivém, alkalickým aktivátorem, surfaktantem, látkou generující plyn a vodou. Jako alkalický aktivátor může být použit hydroxid alkalického kovu, hlinitan alkalického kovu, křemičitan alkalického kovu, případně jejich směsi.

Český patent CZ£95537 B6 popisuje anorganický pojivový systém pro slévárenské kompozice zahrnující křemičitan a přidaný fosforečnan. Tato kompozice vytváří pojivo, které má výhodné pevnostní vlastnosti křemičitanového pojivového systému se schopnostmi disperze fosforečnanového pojivového systému.

Cílem vynálezu je zlepšení vlastností anorganických pojiv tak, aby tato pojivá byla univerzálněji použitelná a zajištovala potřebné pevnosti pro výrobu forem a jader tak, aby bylo možné vyrábět jádra a formy složitých tvarů a složitější geometrie. Dalším cílem je zlepšení rozpadavosti po odlití a zajištění vysoké regenerovatelnosti.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny způsobem výroby tekutého slévárenského geopolymerního pojivá obsahujícího křemičitan sodný a hlinitan sodný, v reakční nádobě s vertikálním míchacím zařízením napojeným na motor s převodovkou, jehož podstata spočívá v tom, že se upraví složka obsahující křemičitan sodný přidáním 1,25 až 3,9 hmotnostních dílů vody na 100 hmotnostních dílů vstupního křemičitanu sodného a 0,59 až 1,92 hmotnostních dílů hydroxidu sodného na 100 hmotnostních dílů křemičitanu sodného upraveného vodou, a rovněž se samostatně upraví složka obsahující hlinitan sodný přidáním 47 až 83 hmotnostních dílů 40% vodného roztoku hydroxidu sodného na 100 hmotnostních dílů vstupního hlinitanu sodného, a poté se tyto složky v poměru 12 až 20 hmotnostních dílů upravené kapalné složky hlinitanu sodného na 100 hmotnostních dílů upravené kapalné složky křemičitanu sodného nechají reagovat v reakční nádobě, přičemž se míchají pomocí vertikálního míchacího zařízení opatřeného axiálním hyrofoilem a dispergačním míchadlem se smykovou rychlostí 300 až 500 s'¹, přičemž obsah Al ve výsledném pojivu je v rozmezí 0,5 až 1,1 hmotnostních procent a obsah Si ve výsledném pojivu je v rozmezí 11,0 až 12,7 hmotnostních procent.

Podstatou vynálezu je, že slévárenské pojivo je připraveno reakcí dvou kapalných složek, jejichž základem je alkalický křemičitan sodný a hlinitan sodný. Požadovaného cíle je dosaženo tím, že jsou provedena tři základní opatření. Jednak jsou upraveny vlastnosti » · 4 · použitého alkalického křemičitanu a také je upraven použitý hlinitan sodný a za třetí jejich vzájemná reakce proběhne za definovaných podmínek v zařízení, které zajistí potřebnou dispergaci a tím zvýšenou aktivitu obou složek reakce.

Běžně používaný křemičitan sodný je charakterizován obsahem sušiny, molárním poměrem SiO₂ / Na₂O (křemičitanovým modulem) a viskozitou. V závislosti na způsobu výroby tyto hodnoty značně kolísají. Navíc pro slévárenské použití je významným kvalitativním parametrem hodnota prahu polymerace (koagulační práh). Pro přípravu pojivá dle vynálezu se používá kapalná složka obsahující křemičitan sodný se speciálně upravenými vlastnostmi konzistence a prahu polymerace. Podle vynálezu se upraví alkalický křemičitan tak, aby hodnoty jednotlivých parametrů byly v úzkém rozmezí. Konzistence této složky (podle DIN 53211/4 mm) je v rozmezí 25 až 40 sekund, s výhodou 30 až 35 sekund. Práh polymerace je v rozmezí 7,2 až 8,5 % Na₂O, s výhodou 7,5 až 8,0 % Na₂O. Úprava se provádí reakcí s vodou a hydroxidem sodným. Pro zajištění konstantních vlastností se provede úprava viskozity přísadou vody a pro zajištění prahu polymerace úpravou hydroxidem sodným.

Postup výpočtu reakčních složek je uveden v příkladech.

V příkladech i popisu vynálezu je používán pojem „práh polymerace“ nebo také „práh koagulace“. Tento pojem charakterizuje reaktivnost a stabilitu alkalického křemičitanu a geopolymerního pojivá. Alkalický křemičitan je proti polymeraci, nebo gelaci stabilizován sodnými ionty. Množství těchto stabilizujících iontů definuje práh polymerace. Po překročení tohoto prahu dochází k polymeraci, neboli gelaci. Množství těchto stabilizujících iontů se stanoví pomoci přidání kyseliny do alkalického roztoku křemičitanu nebo geopolymeru. Přidáváním kyseliny do alkalických roztoků geopolymerních pojiv nebo vodních skel se ruší stabilizační účinek sodných iontů. Minimální množství kyseliny HCI, které vyvolá zjevnou koagulaci, se označuje jako práh polymerace.

Druhou reakční složkou přípravy pojivá dle vynálezu je kapalná složka, jejímž základem je hlinitan sodný. Hlinitan sodný je definován v evropské normě EN 882 Chemické výrobky používané pro úpravu vody určené k lidské spotřebě - Hlinitan sodný.

Pro přípravu druhé kapalné složky reakce je nutné použít úpravu podle předmětného vynálezu. Použije se kapalná složka, která je výsledkem reakce mezi hlinitanem sodným a hydroxidem sodným. Kapalná složka je pak charakterizována určitou koncentrací AI₂O3 a Na₂O. Na₂O se zde nazývá kaustický louh - Na₂Ok. Molekulární poměr Na₂O_K / AI₂C>3 se označuje jako kaustický modul, což je hlavní kvalitativní parametr reaktantů při výrobě

-9• ·

9*99 • · · ·9 · · • · ·· « • · 9 99 * · ♦ · · ·« ·· ···· 9 9 9 99999 * slévárenského pojivá. Podle předkládaného vynálezu má druhá kapalná složka reakce kaustický modul v rozmezí 3,0 až 4,0, s výhodou 3,2 až 3,8.

Pro vznik funkčního geopolymemího prekurzoru je nutné zajistit podmínky tak, aby proběhla potřebná reakce. Pouhé smíchání alkalického křemičitanu a hlinitanu sodného neumožní vznik potřebné reakce s požadovaným výsledkem. Pomocí vhodného zařízení se uskuteční reakce, jejímž výsledkem je geopolymerní prekurzor.

Výše uvedené podmínky jsou dále dosaženy pomocí zařízení pro přípravu tekutého slévárenského anorganického geopolymemího pojivá, které zahrnuje reakční nádobou s vertikálním míchacím zařízením napojeným na motor s převodovkou, která je opatřena teplotním čidlem a odklopným víkem, přičemž reakční nádoba je uspořádaná na podstavci s tenzometrickou váhou, jehož podstata spočívá v tom, že na hřídeli míchacího zařízení je umístěn axiální hydrofoil a v odstupu vůči axiálnímu hydrofoilu je uspořádáno dispergační míchadlo, přičemž na obvodu reakční nádoby jsou uspořádané narážky.

Vertikální míchací zařízení zahrnuje hřídel, na které jsou souose a ve vzájemném odstupu uspořádané axiální hydrofoil a dispergační míchadlo, přičemž zařízení je napojeno na motor s převodovkou. Poloha dispergačního míchadla a axiálního hydrofoilu závisí na efektivním průměru použitého dispergačního míchadla. Pro dosažení co nejlepší účinnosti a efektivity míchání směsi bylo zjištěno, že nejvhodnější uspořádání těchto míchadel na hřídeli nastává, když se vzdálenost jejich vzájemného odstupu rovná efektivnímu průměru dispergačního míchadla.

Použití radiálního zubového dispergačního míchadla umožňuje rozrušení struktury křemičitanu a jeho aktivaci což umožňuje, aby došlo k navázání tetraedrů ΑΙΟΛ na síť tetraedrů SiOA Takové dispergační zařízení se běžně označuje jako dissolver. Také se používá výraz dispergační míchací kotva nebo dissolverová pila. Dispergační míchadlo zajišťuje dispergační míchání s vysokým smykovým účinkem.

Pro účely dispergace kapalin a případných shluků pevné fáze je třeba v míchaném mediu vytvořit podmínky vysokého smyku, aby výsledný rozměr částic (kapek, pigmentů, prášku apod.) byl co nejmenší. Dispergační účinek je založen na tom, že dispergační míchadlo (pila) má zuby s vytvořenými hranami. Při vysoké rychlosti otáček vzniká na hranách vírová řada a vzniklé smykové napětí působí na částice, způsobuje jejich zmenšování, dochází k dispergaci. Natočení a výška zubů rozhoduje o vzniku vírové řady a velikosti smykových sil. Aby došlo k štěpení disperzí, pak je nutné alespoň lokálně dosáhnout vysoké hodnoty smykové • β » 9 ·· »9 »♦· ··*· * e · ··

W· · ·· · · • · · · · · · • · · » · « • · Hit 9·» ·«· rychlosti. Pak se zdaří vytvářet míchadlem i malé kapky a bubliny a rozbíjet i soudržné skupiny částic. Díky rozrušení vazeb tetraedrů SiO?’ dojde ke snížení viskozity a ke zvětšení jejich pohyblivosti a jejich aktivnosti. Jestliže se však překročí rychlost otáček, tj. dojde k navýšení energetického zatížení, pak dochází ke koagulaci.

Dispergační míchadlo dokáže takto zpracovat kapalinu v bezprostřední blízkosti míchadla. Aby reakce potřebná proběhla v celém objemu reagující směsi kapalin je podle vynálezu zařazeno na hřídeli ještě druhé_za to axiální míchadlo. Při rotaci axiálních míchadel v míchané kapalné vsázce vzniká vlivem tlakových sil od lopatek míchadla převážně axiální proudění. Tento tlakový účinek je z hlediska procesního velmi důležitý. Toto posouvá zreagovanou směs kapalin z okolí dispergačního míchadla do dalšího prostoru reakční nádoby. Takto se zajistí potřebná reakce v celém objemu reagujících látek. A zajištuje, že se k dispergačnímu míchadlu a jeho působení dostane veškerá kapalina a tím se potřebná reakce uskuteční v celém objemu a je tím zajištěn vznik prekurzoru s potřebnými vlastnostmi. Použití kombinace obou míchadel na jedné hřídeli tedy umožní dosáhnout intenzivního promíchání celého objemu zpracovávané kapaliny.

Zařízení pro přípravu slévárenského geopolymemího pojivá podle vynálezu sestává z reakční nádoby, do které se dávkují obě kapalné složky, jejichž základem je alkalický křemičitan a hlinitan sodný. V reakční nádobě je umístěno vertikální míchací ústrojí, kde na hřídeli jsou umístěny dva míchací kotouče. Dispergační míchadlo se smykovou rychlostí 300 až 500 s'¹ a dále axiální rotační míchadlo. Účinnost promíchání ještě zvyšují narážky na obvodu reakční nádoby. Tím dochází k účinnějšímu promíchání kapaliny. Podle velikosti reakční nádoby mohou být na obvodu umístěny dvě až šest narážek.

Použitím výše uvedeného zařízení proběhne reakce s očekávaným výsledkem. Zpracováním vodního skla pomocí dispergačního míchadla dochází ke změně jeho vlastností. Roztoky vodního skla představují vodné roztoky alkalických silikátů s dvojí povahou: z hlediska hustoty se chovají jako roztoky elektrolytů a z hlediska viskozity jako roztoky organických polymerů. Na strukturu lze tak nahlížet jako na roztoky anorganických polymerů. Takto lze objasnit specifika vlastností vodních skel obsažených v nich hydratovaných monomerů kationtů alkalických kovů.

Základní strukturní jednotkou křemičitanů je tetraedr SiO/'. Schématická symetrie koordinačního tetraedrů SiO/; který je základem nejen struktury minerálů skupiny křemene, ale rovněž všech silikátů obr. 1. Na jeden atom Si jsou vázány 4 atomy kyslíku. Takový tetraedr je elektricky nevyvážený. Volné valence (elektronegativita) se kompenzují kladnými sodnými • 4 4 · ionty. V roztocích křemičitanů se vyskytují různé stupně vzájemné vazby tetraedrů: monomery, dimery, trimery, oligomery.

Dlouhodobé sledování a měření prováděné na různých typech vodních skel, včetně jejich úprav například přidáním NaOH potvrzuje, že u všech těchto měření se stanovilo, že pro vyvážení elektronegativity připadá na dva tetraedry (anionty) SiO₄ ⁴’ jeden kationt Na⁺. Běžně se obsah Si ve vodních sklech pohybuje v rozmezí 0,480 až 0,500 mol Si na 100 gramů vodního skla a 0,240 až 0,250 mol Na pevně vázaných. To rovněž odpovídá poměru dva mol Si na jeden mol Na.

Při hodnocení vodního skla z pohledu koloidního modelu lze konstatovat, že u všech vodních skel a jejich úprav má vnitřní pevně vázaná vrstva koloidní částice poměr SiO₂ ku Na₂O (tak zvaný modul koagulace), roven 4,0. Tato vrstva tady obsahuje maximálně tolik sodných iontů, aby bylo dosaženo modulu rovnajícího se 4,0.

Sodné ionty v této vrstvě jsou hydratované, to znamená, že každý iont Na⁺ váže molekuly vody. Rozsáhlá sledování prokázala, že u vodních skel je hydratace rovna dvěma. Znamená to, že u vodních skel je pevně vázaná voda jen v poměrně malém množství a zbylá voda je volná viz obr. 2. Pro slévárenské směsi z toho vyplývá problém možných vad. Na příklad při výrobě velkých a vysokých jader dochází k migraci této volné vody do spodních částí jádra, kde dochází ke zvyšování jejího obsahu. Tím dochází k degradaci pevnosti směsi, deformaci rozměrů jádra. Jsou známé případy i porušení celistvosti jádra. Zvýšený obsah vody v těchto částech navíc výrazně zvětšuje nebezpečí vzniku vad z titulu plynatosti, vznik bublin v odlitku. Běžně se obsah Si ve sledovaném rozmezí modulu pohybuje v rozmezí 0,480 až 0,500 mol Si na 100 g vodního skla. A tomu odpovídá 0,240 až 0,250 mol Na. Na dva mol Si připadá jeden mol Na. Pevně vázaná voda se pohybuje v rozmezí 0,480 až 0,500.

Použitím vodního skla připraveného podle patentu a použitím hlinitanu a použitím zařízení uvedeného získá pojivo výrazně nové vlastnosti. Pojivo se chová jako geopolymerní prekurzor.

Do struktury tetraedrů SiO₄ ⁴' se během reakce a následného vytvrzování dojde k navázání tetraedrů AIO4⁴’. Tím dochází ke zvýšení elektronegativity a ke zvětšení množství vázaných Na⁺ iontů ke kompenzaci této vyšší elektronegativity viz obr. 3. Navázání tetraedrů AIO4⁴’ do struktury pojivá prokazuje například zkouška jadernou magnetickou resonancí ²⁷AI MAS NMR jak je uvedeno v příkladech.

-12Zvýšenou elektronegativitu charakterizuje parametr označovaný jako Parametr E = Balance error, který zohledňuje nábojovou rovnováhu danou vzájemnými vztahy mezi tetraedrický koordinovaným hliníkem a vyměnitelnými kationty.

E = 100[(AI - Alth)/ Alth], kde

Alth = M + 2D,

M = jednomocné a D= dvojmocné kationty. Pro podmínky sodných vodních skel platí tedy:

E = (AI-Na )/Na* 100

Důležité je množství Al zabudované ve struktuře sítě tetraedrů Si⁴⁺. Množství Al iontů lze charakterizovat různým způsobem. Jednou z možností je parametr R, který charakterizuje strukturu kostry tetraedrů a je dán poměrem:

/? 100.

Si+Al

Hodnoty jsou dosazované v molech, což vyjadřuje procentní množství Si tetraedrů v kostře. Pro názorné vyjádření obsahu Al lze vyjadřovat parametr následovně:

Parametr bude vyjadřovat v % množství Al tetraedrů ve struktuře alumosilikátu. Toto množství se pohybuje od 4 do 20 °/^™_οιαι. Toto množství již významně ovlivňuje vlastnosti pojivá, jak je rozvedeno dále. Především množství pevně vázaných Na iontů. Proti křemičitanu sodnému se množství vázaných Na iontů zvýší na dvojnásobek. Místo jednoho iontu Na na dva tetraedry SI u vodního skla se zvýší na 1 ion Na na každý tetraedr struktury.

Podle předmětného patentu jsou obě kapalné složky dávkovány do reakce v takovém poměru, aby obsah Al v pojivu se pohyboval v rozmezí 0,5 až 1,1 hmotnostních procent a tím množství tetraedrů ve struktuře v rozmezí 5 až 10 %.

Geopolymerní pojivo připravené podle vynálezu má významně odlišné vlastnosti proti dosud používaným anorganickým pojivům.

Při použití v samo-tvrdnoucích směsích výrazně zvyšuje rychlost vytvrzování směsi v počátečním stadiu proti použití vodního skla, jak je znázorněno v příkladech. To umožňuje mnohem rychlejší rozebírání forem a jader. Pojivo má velmi úzké rozmezí vlastnostýa to zajišťuje konstantní hodnoty směsí, jako doba zpracovatelnosti samo-tvrdnoucích směsí, doba rozebírání a podobně.

Rozpadavost po odlití je výrazně lepší než u jiných technologií používající alkalický křemičitan. Pojivo podle vynálezu pevně váže sodné ionty ve struktuře a tak nemohou reagovat s povrchem křemenného písku a způsobovat vysokou adhesní pevnost. Po odlití je pak tato vrstva snadno rozrušitelná a tak se směs snadno odstraní z odlitku.

Tento princip také zaručuje, že vratná směs je snadno regenerovatelná, povrchová obálka zreagovaného pojivá se snadno odstraní z povrchu zrn.

Vyšší vázání sodných iontů také ovlivňuje vazbu vody, která je rovněž pevně vázaná ve struktuře a tak je omezen vliv vad odlitků, které s tím souvisí, jako migrace vody v jádře nebo vznik vad z titulu volné vody například vznik bublin v odlitku.

Objasnění výkresů

Předkládaný vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresu, na kterém obr. 1 znázorňuje schematickou symetrii koordinačního tetraedru SiO₄, obr. 2 schematicky znázorňuje vyrovnání elektronegativity tím, že na dva tetraedry SiO₄ ⁴’ připadá jeden kationt Na⁺ a 2 molekuly vody, obr. 3 schematicky znázorňuje vazby SiO4⁴' a AIO4⁴’, obr. 4 znázorňuje uspořádání zařízení pro provádění způsobu přípravy geopolymemího pojivá, obr. 5 znázorňuje radiální dispergační míchadlo (dissolver), obr. 6 znázorňuje axiální hydrofoil, obr. 7 znázorňuje spektrum²⁷Al MAS n·

NMR Barycentre 7833.82Hz / 60.11 ppm pojivá podle vynálezu s obsahem 0,83 % hmot.f obr. 8 znázorňuje závislost náběhu vaznosti směsi pojivá v počátečním časovém období vytvrzování, obr. 9 schematicky znázorňuje adhezní a kohezní destrukce.

Příklady uskutečnění vynálezu

Vynález bude blíže vysvětlen na příkladech jeho provedení s odkazem na příslušné výkresy. V uvedených výkresech a obrázcích je technické řešení znázorněno na příkladném provedení způsobu přípravy pojivá a zařízení k jeho přípravě. Je nasnadě, že níže uvedené popisy jsou ilustrativním vyjádřením aplikace principů tohoto vynálezu.

» · · · · 9 9 9 9 9 *9

9999 9 9 9 9 99*

Μ 9 9 9 999 99 ~ 99 9 9 9 9 9 99

9 9 ··· 99

9 9 * 9 999 · ·999 9

Způsob přípravy slévárenského geopolymemího pojivá spočívá v následujících krocích. Pojivo je připraveno reakcí dvou kapalných složek, jejichž základem je alkalický křemičitan, zejména křemičitan sodný a hlinitan sodný. Způsob přípravy slévárenského geopolymemího pojivá zahrnuje tři základní kroky:

1. nejprve jsou upraveny vlastnosti první kapalné složky, obsahující křemičitan sodný;

2. následně jsou upraveny vlastnosti druhé kapalné složky, obsahující hlinitan sodný;

3. načež se obě upravené složky nechají reagovat za definovaných podmínek v zařízení, které zajistí potřebnou dispergaci a tím zvýšenou aktivitu obou složek reakce.

Příklad úpravy křemičitanu sodného

Pro přípravu první kapalné složky, obsahující křemičitan sodný, byl použit křemičitan s následujícími vlastnostmi: molární poměr SiO₂ ku Na₂O = 2,05, práh polymerace KP výchozí = 7,0 % Na₂O , konzistence dle DIN 53211: 4jmm = 47 sekund.

Pro tento křemičitan byl proveden výpočet úpravy přísady vody a hydroxidu sodného tak, aby bylo dosaženo požadovaných vlastností v rozsahu použití podle vynálezu.

První příklad úpravy křemičitanu sodného

Požadovaný práh polymerace = 7,2 % Na₂O a požadovaná konzistence DIN 53211: -^rnm = 25 sekund.

Výpočet přídavku vody = (výchozí DIN - požadovaný DlN)/5,6=(47-25)/5,6 = 3,93 %

Výpočet přídavku NaOH: [KP]_(voda)= [KP]_výchozí/(100+přídavek vody)*100 = 7,0/(100+3,93)*100 = 6,74

NaOH=(7,20-[KP]_(voda))*1,29 = (7,20 - 6,74)*1,29 = 0,59

Byla tedy vypočtena úprava křemičitanu sodného přidáním 3,9 hmotnostních dílů vody na 100 hmotnostních dílů vstupního křemičitanu sodného a přidáním 0,59 hmotnostních dílů hydroxidu sodného na 100 hmotnostních dílů křemičitanu sodného upraveného vodou.

Vlastní úprava pak proběhla v zařízení podle vynálezu, jak je uvedeno dále.

· * ·

-15··· ·*· » · • · · « 9 · ··· ·· Mí ·

Druhy příklad úpravy křemičitanu sodného

Požadovaný práh polymerace = 7,8 % Na₂O a požadovaná konzistence DIN 53211: ^rrim = 33 sekund.

Výpočet přídavku vody = (výchozí DIN - požadovaný DIN)/5,6=(47-33)/5,6 = 2,5 %

Výpočet přídavku NaOH: [KP]_(voda)= [KP]_výchozí/(100+přídavek vody)*100 = 7,0/(100+2,5)*100 = 6,83

NaOH=(7,80 -[KP]_(voda))*1,29 = (7,80 - 6,83)*1,29 = 1,25

Byla tedy vypočtena úprava křemičitanu sodného přidáním 2,5 hmotnostních dílů vody na 100 hmotnostních dílů vstupního křemičitanu sodného a přidáním 1,25 hmotnostních dílů hydroxidu sodného na 100 hmotnostních dílů křemičitanu sodného upraveného vodou.

Třetí příklad úpravy křemičitanu sodného

Požadovaný práh polymerace = 8,4 % Na₂O a požadovaná konzistence DIN 53211: -jmm = 40 sekund.

Výpočet přídavku vody = (výchozí DIN - požadovaný DIN)/5,6=(47-40)/5,6 = 1,25 %

Výpočet přídavku NaOH: [KP]_(voda)= [KP]_výchozí/(100+přídavek vody)*100 = 7,0/(100+1,25)*100 = 6,91

NaOH=(8,40 -[KP]_(voda))*1,29 = (8,40 - 6,91 )*1,29 = 1,92

Byla tedy vypočtena úprava křemičitanu sodného přidáním 1,25 hmotnostních dílů vody na 100 hmotnostních dílů vstupního křemičitanu sodného a přidáním 1,92 hmotnostních dílů hydroxidu sodného na 100 hmotnostních dílů křemičitanu sodného upraveného vodou. Vlastní úprava pak proběhla v zařízení podle vynálezu, jak je uvedeno dále.

Příklad úpravy hlinitanu sodného

Pro přípravu druhé kapalné složky byl použit hlinitan sodný dle EN 882, který měl obsah 10 hmotnostních % Al. Kaustický modul takového hlinitanu se rovnal 1,02. Když byl takový

-16• ·

4·· hlinitan bez úprav pro srovnání smíchán s křemičitanem sodným, došlo ihned k reakci a vysrážení. Pojivo nebylo stabilní, nelze připravit.

Podle vynálezu byl tento hlinitan upraven tak, že kaustický modul dosáhl hodnot v rozmezí uvedeném ve vynálezu. Úprava kaustického modulu byla provedena přidáním 40% jprocentníhajroztoku hydroxidu sodného. Tato reakce probíhá pouze mícháním obou složek, nevyžaduje speciální zařízení.

Byly připraveny tři varianty upraveného hlinitanu s odstupňovaným kaustickým modulem:

1. kapalná složka, obsahující hlinitan sodný s kaustickým modulem 3,0. Na 100 hmotných *= dílů vstupního hlinitanu sodného bylo přidáno 47 hmotných dílů 40 procentního roztoku hydroxidu sodného

2. kapalná složka, obsahující hlinitan sodný s kaustickým modulem 3,5 Na 100 hmotných dílů vstupního hlinitanu sodného bylo přidáno 66 hmotných dílů 40 procentního roztoku hydroxidu sodného

3. kapalná složka, obsahující hlinitan sodný s kaustickým modulem 4,0. Na 100 hmotných dílů vstupního hlinitanu sodného bylo přidáno 83 hmotných dílů 40 procentního roztoku hydroxidu sodného

Příklad způsobu přípravy geopolymerního slévárenského pojivá

Postup přípravy slévárenského geopolymerního pojivá byl následující. Do reakční nádoby se nadávkoval křemičitan sodný uvedený v tomto příkladu. Potom za chodu míchacího ústrojí se postupně nadávkovala voda a hydroxid sodný. Působením dispergačního míchadla dochází k dispergaci klastrů ve struktuře vody a dispergaci křemičitanu sodného a ke zvýšení jejich aktivnosti. Potom se za chodu mísícího ústrojí přidává upravený hlinitan sodný.

Byly připraveny tři varianty pojivá s odstupňovaným obsahem Al ve výsledném pojivu, přičemž vlastnosti těchto třech variant slévárenského pojivá podle předkládaného vynálezu, které bylo použito na výrobu samotvrdnoucí směsi, jsou znázorněny na obr. 8.

První příklad způsobu přípravy geopolymerního slévárenského pojivá

Slévárenské geopolymerní pojivo s obsahem 0,54 hmotnostních procent Al bylo připraveno za použití upraveného křemičitanu sodného s prahem polymerace 7,2 % Na₂O a

-17druhé kapalné složky s kaustickým modulem 4,0. Na 100 hmotných dílů upraveného křemičitanu sodného bylo použito 12 hmotných dílů druhé kapalné složky.

Druhý příklad způsobu přípravy qeopolymemího slévárenského pojivá

Slévárenské geopolymerní pojivo s obsahem 0,83 hmotnostních procent Al bylo připraveno za použití upraveného křemičitanu sodného s prahem polymerace 7,8 % Na2O a druhé kapalné složky s kaustickým modulem 3,0. Na 100 hmotných dílů upraveného křemičitanu sodného bylo použito 14,7 hmotných dílů druhé kapalné složky.

Účinek slévárenského geopolymerního pojivá podle vynálezu je založen především na skutečnosti, že ve struktuře jsou zabudovány teraedry Al. Pro potvrzení této skutečnosti byla provedena zkouška magnetické jaderné resonance a vyhodnoceno spektrum ²⁷AI MASS NMR Barycentre 7833.82Hz / 60.11ppm na pojivu s obsahem 0,83 hmotnostních % Al, jak je znázorněno na obr. 7. Chemický posun při 55 ± 5 ppm odpovídá tetraedrickému uspořádání typu Al Q⁴( 4 Si) a potvrzuje, že hliník je zabudován ve struktuře pojivá.

Třetí příklad způsobu přípravy geopolymerního slévárenského pojivá

Slévárenské geopolymerní pojivo s obsahem 0,95 hmotnostních procent Al bylo připraveno za použití upraveného křemičitanu sodného s prahem polymerace 8,4 % Na2O a druhé kapalné složky s kaustickým modulem 3,5. Na 100 hmotných dílů upraveného křemičitanu sodného bylo použito 20 hmotných dílů druhé kapalné složky.

Příklady použití slévárenského geopolymerního pojivá

Slévárenské pojivo podle vynálezu a jeho vlastnosti, zejména vaznost pojivá, bude demonstrována a prokázaná na konkrétních výrobcích, ve kterých bylo použito geopolymerní slévárenské pojivo připravené způsobem podle vynálezu.

První příklad použití slévárenského geopolymerního pojivá

Pojivo podle vynálezu je vhodné pro technologii vytvrzování teplem. Pro příklad bylo použito pojivo s obsahem 0,95 hmotnostních % Al. Při použití tohoto pojivá byla připravena směs 100 hmotných dílů křemenného ostřiva s velikostí středního zrna dso = 0,27 mm, 1,8 hmotného dílu uvedeného pojivá a 0,3 hmotnostního dílu amorfního S1O2. Z této směsi byla vyrobena jádra tak, že směs byla vstřelena do jaderníku vyhřátého na teplotu 150 °C, teplem • « · ·

-18vytvrzována 30 sekund a pak 15 sekund byl profukován teplý vzduch o teplotě 150 °C. Nízká navlhavost a dlouhodobá skladovatelnost jsou hlavní výhody oproti jiným technologiím, které využívají vytvrzování teplem.

Při srovnání této technologie se široce používanou technologií Cold Box, která používá organické pojivo, je dosahováno srovnatelných pevností 3,0-4,0 MPa v ohybu, při stejných nebo nižších vytvrzovacích časech, rozpadavost jader po odlití je lepší. Vytloukání jádra vyrobeného metodou Cold Box o hmotnosti 0,9kg z hliníkového odlitku trvá 60s. Vytloukání stejného jádra vyrobeného metodou vytvrzování teplým vzduchem s pojivém podle vynálezu trvá 30 s.

Druhy příklad použití geopolymerního slévárenského pojivá

Slévárenské geopolymerní pojivo připravené podle vynálezu má výrazně odlišné chování proti jiným anorganickým pojivům. U samotvrdnoucích slévárenských směsí s kapalnými tvrdidly byla srovnávána rychlost nárůst pevnosti samotvrdnoucích směsí v závislosti na čase. Byla připravena směs 100 hmotných dílů křemenného písku se 1,8 hmotnými díly pojivá podle vynálezu, která dále obsahovala kapalné tvrdidlo esterového typu v množství 18% na pojivo. Bylo použito pojivo podle vynálezu s obsahem 0,54 hmotnostních % Al. Byla pak sledována pevnost této samotvrdnoucí směsi v závislosti na čase a stanovena také pevnost po 24 hodinách. I při tak nízkém dávkování pojivá (1,8 hmotného dílu) je pevnost v ohybu 1,6 MPa, což je zcela vyhovující.

Byla také připravena srovnávací směs s použitím běžného alkalického křemičitanu s označením 48/50. Tato směs po 24 hodinách vytvrzení má jen nízkou pevnost a vysoký nevyhovující otěr a není prakticky použitelná kvůli této konečné pevnosti. Provedli jsme ale srovnání náběhu pevností v počáteční fázi, jak je znázorněno na obr. 8. V obou případech je dosaženo stejné doby zpracovatelnosti směsi, tj. doby, kdy je možné se směsí pracovat a zaformovat jaderník nebo slévárenskou formu. Tato doba je cca 20 minut. Po uplynutí této doby dochází k výraznému rozdílu v nárůstu pevností u obou pojiv. U vodního skla je dosaženo pevnosti 200 kPa (to je pevnost, kdy je možné rozebrat jednoduché jaderníky) až po 100 minutách. Pevnost 350 kPa je dosažena za další hodinu, což je pevnost potřebná pro rozebírání forem a složitějších jader. Geopolymerní pojivo má nárůst pevností extrémně odlišný. Jednoduchá jádra lze rozebírat po 35 minutách, formy a složitější jádra po 50 minutách. Na této směsi byla také sledována rozpadavost po odlití. Rozpadavost je důležitou vlastností formovacích směsí po odlití. Dobrá rozpadavost vede ke snížení celkových nákladů na čištění odlitků a rovněž přispívá ke kvalitním povrchům odlitků.

• · « ·

-19Při tepelné destrukci formovací směsi s běžně používaným křemičitanem sodným dochází k porušení v oblasti pojivového můstku a pojivová obálka zůstává pevně spojena se zrnem ostřiva. Tento způsob destrukce se nazývá kohezní, který je znázorněn na obr. 9. Potom například uvolnění jednoduchého jádra o hmotnosti 1 c|kg z hliníkového odlitku po odlití trvá přibližně 15 minut. ^Λ

Při tepelné destrukci směsi pojené pojivém podle vynálezu dochází k odloupnutí části pojivové obálky ze zrna ostřiva. Tento způsob destrukce se nazývá adhezní a je obdobný jako u organických pojivových systémů. Díky tomu se směs s pojivém podle vynálezu dobře rozpadá a následně i dobře regeneruje. Pro srovnání trvalo uvolnění jádra o hmotnosti 10kg z hliníkového odlitku jen 5 minut.

Příklady zařízení pro provádění způsobu přípravy geopolymemího slévárenského pojivá

Zařízení k provádění způsobu podle vynálezu je zobrazeno na obr. 4. Zařízení sestává z reakční nádoby 1 a vertikálního míchacího zařízení, které je poháněné elektromotorem 5 pro redukcí otáček v převodovce. Velikost reakční nádoby je určena pro objem 1 m³ reagujících kapalin. Součástí míchacího ústrojí je hřídel 10, na kterém je umístěn axiální hydrofoil 3 a radiální dispergační míchadlo 4. Radiální dispergační míchadlo 4, které je znázorněné na obr. 5 má účinný průměr 420 mm, přičemž na jeho obvodu jsou vytvořeny zuby o délce 60 mm a výšce 40 mm, které jsou střídavě směrovány nahoru a dolů. Na hřídeli 10 míchacího zařízení je dále umístěno axiální míchadlo 3 s tvarovými velkoplošnými lopatkami s vysokou čerpací účinností, jak je zobrazeno na obr. 6. Axiální hydrofoil 3 a radiální dispergační míchadlo 4 jsou umístěna na hřídeli 10 tak, že jejich vzdálenost mezi sebou odpovídá průměru radiálního dispergačního míchadla. Tzn. poměr vzdálenosti kotoučů a průměru dispergačního míchadla 4 se rovná 1 /1. Za těchto podmínek je účinnost nejvyšší. Na obvodu reakční nádoby 1 jsou dále umístěny narážky 7. Pro daný objem reakční směsi jsou umístěny čtyři narážky 7, rozmístěné pravidelně po obvodu, přičemž jejich celková plocha je 45 dm² na 1 m³ reagujících kapalin.

Radiální dispergační míchadlo 4, které je umístěno na hřídeli 10 míchacího ústrojí, vyvolává v míchaném mediu vysoký smykový účinek. Vzniklé smykové napětí působí na částice, způsobuje jejich zmenšování, dochází k dispergací. Lokálně dosažené vysoké hodnoty smykové rychlosti zajištují štěpení disperzí.

-20Dosažení vysokého smykového působení a následného vysokého dispergačního účinku je zajištěno tím, že radiální dispergační míchadlo 4, má zuby s vytvořenými hranami. Radiální dispergační míchadlo 4, má účinný průměr 420 mm, přičemž na jeho obvodu jsou vytvořeny zuby o délce 60 mm a výšce 40 mm, které jsou střídavě směrovány nahoru a dolů. Toto radiální dispergační míchadlo 4 dosahuje smykové rychlosti 300 až 500 s¹. Při vysoké rychlosti otáček vzniká na hranách vírová řada a vzniklé smykové napětí působí na částice, způsobuje jejich zmenšování, dochází kdispergaci. Touto dispergací se zvyšuje reaktivita částic, které zajisti uskutečnění potřebné reakce v míchaném mediu.

Radiální dispergační míchadlo 4 zpracuje míchané medium v bezprostřední blízkosti m íchadla. Na hřídeli je zařazeno ještě druh^a to axiální míchadlo 3. Toto míchadlo má tvarové velkoplošné lopatky s vysokou čerpací účinností. Při rotaci tohoto axiálního míchadla 3 v míchané kapalné vsázce vzniká vlivem tlakových sil od lopatek míchadla axiální proudění. Toto axiální proudění posouvá zreagovanou směs kapalin z okolí radiálního dispergačního m íchadla 4 do dalšího prostoru reakční nádoby.

Významnou roli hraje vzdálenost mezi oběma míchadly na hřídeli. Vzdálenost odpovídající průměru radiálního dispergačního míchadla má nejvyšší účinnost pro posouvání zreagované směsi. Takto se zajistí potřebná reakce v celém objemu míchaných látek. Použití kombinace obou míchadel na jedné hřídeli tedy umožní dosáhnout intenzivního promícháni celého objemu zpracovávané kapaliny.

Průmyslová využitelnost

Způsob přípravy slévárenského geopolymerního pojivá a zařízení kjeho přípravě lze použít v oblasti slévárenského průmyslu a to speciálně výroby odlitků do pískových forem při regeneraci slévárenské směsi.

Seznam vztahových značek

Reakční nádoba

Podstavec

Axiální hydrofoil

Dispergační míchadlo

Motor s převodovkou

Tenzometrická váha

Narážka

Odklopné víko

Teplotní čidlo

Hřídel míchacího zařízení

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob přípravy tekutého slévárenského geopolymerního pojivá obsahujícího křemičitan sodný a hlinitan sodný, v reakční nádobě (1) s vertikálním míchacím zařízením napojeným na motor (5) s převodovkou, vyznačující se tím, že se upraví složka obsahující křemičitan sodný přidáním 1,25 až 3,9 hmotnostních dílů vody na 100 hmotnostních dílů vstupního křemičitanu sodného a 0,59 až 1,92 hmotnostních dílů hydroxidu sodného na 100 hmotnostních dílů křemičitanu sodného upraveného vodou, a rovněž se samostatně upraví složka obsahující hlinitan sodný přidáním 47 až 83 hmotnostních dílů 40% vodného roztoku hydroxidu sodného na 100 hmotnostních dílů vstupního hlinitanu sodného, a poté se tyto složky v poměru 12 až 20 hmotnostních dílů upravené kapalné složky hlinitanu sodného na 100 hmotnostních dílů upravené kapalné složky křemičitanu sodného nechají reagovat v reakční nádobě (1), přičemž se míchají pomocí vertikálního míchacího zařízení opatřeného axiálním hydrofoilem (3) a dispergačním míchadlem (4) se smykovou rychlostí 300 až 500 s'¹, přičemž obsah Al ve výsledném pojivu je v rozmezí 0,5 až 1,1 hmotnostních procent a obsah Si ve výsledném pojivu je v rozmezí 11,0 až 12,7 hmotnostních procent.
2. Způsob přípravy tekutého slévárenského geopolymerního pojivá podle nároku 1, vyznačující se tím, že kapalná složka obsahující křemičitan sodný je upravena roztokem hydroxidu sodného tak, že její konzistence podle DIN 53211/4 mm je v rozmezí 25 až 40 sekund, a její práh polymerace je v rozmezí 7,2 až 8,5 % Na₂O.
3. Způsob přípravy tekutého slévárenského geopolymerního pojivá podle nároku 1, vyznačující se tím, že kapalná složka obsahující hlinitan sodný je upravena roztokem hydroxidu sodného tak, že její kaustický modul je v rozmezí 3,0 až 4,0.
4. Zařízení pro přípravu tekutého slévárenského anorganického geopolymerního pojivá podle nároků 1 až 3, které zahrnuje reakční nádobu (1) s vertikálním míchacím zařízením napojeným na motor (5) s převodovkou, přičemž reakční nádoba (1) je opatřena teplotním čidlem (9) a odklopným víkem (8), a přičemž reakční nádoba (1) je uspořádaná na podstavci (2) s tenzometrickou váhou (6), vyznačující se tím, že na hřídeli (10) míchacího zařízení je umístěn axiální hydrofoil (3) a v odstupu vůči

* <· 4 » • 9· • • Η» • ♦ · »· · • • • · • • · • • « • • • • · • ř • • • • • • · • • 9 « · »n· »·· • 4 • · » •

axiálnímu hydrofoilu (3) je uspořádáno dispergační míchadlo (4), přičemž na obvodu reakční nádoby (1) jsou uspořádané narážky (7).
5. Zařízení pro přípravu tekutého slévárenského anorganického geopolymemího pojivá podle nároku 4, vyznačující se tím, že vzdálenost středu axiálního hydrofoilu (3) a středu radiálního dispergačního míchadla (4) na hřídeli (10) se rovná efektivnímu průměru dispergačního míchadla (4).
6. Zařízení pro přípravu tekutého slévárenského anorganického geopolymemího pojivá podle nároku 4, vyznačující se tím, že celková plocha narážek (7) je 45 dm² na 1 m³ reagujících kapalin.
7. Zařízení pro přípravu tekutého slévárenského anorganického geopolymemího pojivá podle nároku 4, vyznačující se tím, že dispergační míchadlo (4) má smykovou rychlost 300 až 500 s-¹.
8. Zařízení pro přípravu tekutého slévárenského anorganického geopolymemího pojivá podle nároku 4, vyznačující se tím, že dispergační míchadlo (4) je na obvode opatřeno zuby o délce 60 mm a výšce 40 mm, které jsou střídavé směrovány nahoru a dolů.