DK147227B - Bindemiddel til koldthaerdende formsandblandinger samt fremgangsmaade til fremstilling deraf - Google Patents

Description

i 147227

Den foreliggende opfindelse angår et bindemiddel til en koldhærdende formsandblanding, hvilket bindemiddel er baseret på en urinstofformaldehydharpiks og indeholder et modificeringsmiddel, der forøger midlets sammen-5 bindingsevne,samt en fremgangsmåde til fremstilling af bindemidlet.

Når der i foreliggende beskrivelse med krav tales om"formsandblandinger" menes derved ikke blot blandinger, der indeholder sand som fyldstof, men også blandin-10 ger med andre typer fyldstoffer, som de sædvanligvis anvendes i støberiet.

Man har længe kendt et bindemiddel til formsandblandinger baseret på en urinstofformaldehydharpiks. Det har imidlertid ved den praktiske brug af dette bindemid-15 del vist sig, at det har en lav varmemodstandsdygtighed og nedsat mekanisk styrke i kold tilstand, af hvilken grund det kun har fundet begrænset anvendelse, hovedsageligt ved fremstilling af let, tyndvægget jernstøbegods og støbegods af andre metaller.

20 Af denne grund er der gjort mange forsøg på at udvikle nye bindemidler baseret på modificerede urinstof formaldehydharpikser, der viser højere varmemod-standsdygtighed og højere mekanisk styrke. Ifølge et af forslagene til løsning af dette problem, foreslås an-25 vendeisen af furylalkohol som modificeringsmiddel, der regulerer bindeevnen (jf. "Curing of cores in core boxes without heating" af Bobriakov et al. i "Litejnoe Proi-zvodstvo" (Foundry) Journal, 1971, nr.4). Den praktiske anvendelse af sådanne blandinger har imidlertid vist, at 30 de er unyttige som følge af en betydelig forøgelse af produktionsomkostningerne i forbindelse med den kendsgerning, at furylalkohol er kostbar og ikke let tilgængelig. Den høje pris på furylalkohol og manglen derpå skyldes begrænsede ressourcer af udgangsmaterialet til dets 35 fremstilling såvel som lang fremstillingstid og indviklet teknologi ved fremstillingen af furylalkohol, der nødvendiggør anvendelsen af meget kostbare katalysatorer såsom kobberchromat.

2 147227

Formålet med den foreliggende opfindelse er at tilvejebringe et på urinstofformaldehydharpiks baseret bindemiddel til en koldhærdende formsandblanding, hvilket bindemiddel medfører høj varmemodstandsdygtig-5 hed og høj mekanisk styrke i kold tilstand samtidig med, at det er forholdsvis let tilgængeligt, hvilket betinger forholdsvis lave fremstillingsomkostninger, samt at tilvejebringe en fremgangsmåde til fremstilling af et sådant bindemiddel.

10 Nævnte formål opnås med et bindemiddel baseret på en urinstofformaldehydharpiks og indeholdende et modificeringsmiddel, der forøger midlets sammenbindingsevne, hvilket bindemiddel er ejendommeligt ved, at modificeringsmidlet er en emulsion i det væsentlige bestående 15 af en tung fraktion af en . s.kiferharpiks med en vægt-fylde på mindst 1,01 g/cm , et organisk opløsningsmiddel, der er i stand til at opløse carbonholdige bestanddele af nævnte fraktion af skiferharpiks, en emulgator og vand, idet nævnte emulsionsbestanddele foreligger i ; 20 et forhold, der tillader dannelse af en ensartet emulsion af 1. art, af "olie-i-vand"-typen. Ved en emulsion af 1. art forstås en emulsion, hvor dispersionsmediet er vand, og den dispergerede fase er uopløselig. Skiferharpiks kan også betegnes som 'skifertjære, hvilken 25 sidstnævnte betegnelse er anvendt i resten af beskrivelsen.

En fordel ved foreliggende opfindelse er, at bindemidlet, alt imedens det har bibeholdt samme værdier for varmemodstandsdygtighed som hos urinstofformaldehyd-30 bindemidler, hvortil der er sat furylalkohol (indenfor området optil 20%), ikke nødvendiggør anvendelse af dette vanskeligt tilgængelige materiale. Samtidig bemærkes, at bindemidlet ifølge opfindelsen er mere plastisk ved høje temperaturer end kendte bindemidler ba-35 seret på urinstofformaldehydharpiks.

De bedste resultater opnås ved anvendelse af et bindemiddel baseret på en urinstofformaldehydharpiks indeholdende komponenter i de nedenfor angivne forhold (vægtdele): 147227 3

Urinstofformaldehydharpiks 65 til 90

Tung fraktion af skifer'tjære 3 til 15 med vægtfylde på mindst 1,23 g/cnr

Organisk opløsningsmiddel 1 til 8 5 Emulgator 0,2 til 1,5

Vand 5 til 20

Som tung fraktion af en skifertjære kan ifølge opfindelsen med fordel benyttes et produkt, der fås ved oparbejdning af skifer i en gasgeneratorovn, f.eks.

10 ved en temperatur på ca. 500°C. En sådan fraktion giver bindemidlet en tilfredsstillende koksværdi (ca. 25%) og giver hermed fremstillede formsandblandinger god varmemodstandsdygtighed, nemlig en resterende trykstyr-ke efter opvarmning (se nedenfor) på mindst 1,8 kg/cm .

15 Som eksempel.-på en tung fraktion af en skifertjære kan nævnes et produkt, der fås ved oparbejdning af éstlandsk·' skifer indeholdende phenol-grupper og ca. 86-90% carbon. Dette produkts koksværdi er 45-55%. Produktet har i almindelighed følgende fysisk-20 kemiske egenskaber: 1. Vægtfylde, g/cm3 l,ol - 1,28 2. Engler viskositet ved 50°C 10 - 20 3. Brenken flammepunkt, °C højst 90 4. Pugtighedsindhold, % højst 3,5 25 5. Mekaniske urenheder, % højst 2,5 6. Svovlindhold, % højst 1,5 7. Totalt syretal 1,6 - 5,6 8. Indhold af mineralsyrer beregnet for K0H,% 0,01 - 0,35 30 Nævnte tunge fraktion har følgende s amme nsætning i vægt%:

Asfaltener 15,74

Harpikser 20,00

Olier - 42,26 35 Aromatiske carbonhydrider af phenolrækken 22,00

Som opløsningsmiddel benyttes organiske væsker, såsom mineralsk terpentin, petroleum og dieselolie; ved den foretrukne udførelsesform er mængden af opløsnings- 4 147227 middel i bindemidlet indenfor området fra 1 til 8 vægt%.

Som emulgator i bindemidlet ifølge opfindelsen benyttes med fordel overfladeaktive midler af anionisk, kationisk og ikke-ionisk karakter. Ved anvendelse som 5 emulgator af overfladeaktive midler kan opnås mere stabile emulsioner end med andre emulgatorer. Der kan således opnås emulsioner, der ikke skiller i løbet af ca.

1 måned, hvilket ikke kan opnås med andre emulgatorer.

Som eksempler på sådanne overfladeaktive midler kan 10 nævnes alkylarylsulfater, alkylarylsulfonater, hydroxy-ethylerede phenoler, mercaptaner, langkædede alifatiske aminer og lignende. Det bedste resultat er opnået ved inkorporering af en blanding af natriumsalte af alkyl-arysulfonsyrer med et antal carbonatomer i alkylgruppen 15 fra 8 til 12 som emulgator. Et andet eksempel på et overfladeaktivt middel er en blanding af natriumsalte af alkylsulfonsyrer med alkylgrupper indeholdende fra 12 til 18 carbonatomer. For opnåelse af det bedste resultat, er det tilrådeligt, at de overfladeaktive midler 20 indeholdes i en mængde indenfor området fra 0,2 til 1,5 vægt%. Inkorporering af en større eller mindre mængde overfladeaktivt middel vil resultere i en nedsættelse af den mekaniske styrke af den endelige formsandblanding efter koldhærdning, når man benytter foreliggende binde-25 middel.

Endvidere kan der som emulgator i bindemidlet til en koldhærdende formsandblanding benyttes mineralske hydrofile pulverlignende materialer, såsom ildfast ler, bentonit, CaCOg, og BaSO^ indført i bindemidlet i 30 en mængde fra 0,2 til 1,5 vægt%. Tilsætning af nævnte pulverlignende materialer i en mængde under 0,2 vægt% skader fordelingen af bindemidlet over kornene af ildfast fyldmateriale i formsandblandingen, medens disse materialer i en mængde over 1,5 vægt% nedsætter binde-35 midlets viskositet og reaktivitet væsentligt.

For fremstilling af en formsandblanding indeholdende et fyldstof, et hærdemiddel, et bindemiddel og vand i overensstemmelse med foreliggende opfindelse, benytter 5 147227 man nævnte bindemiddel, idet blandingens bestanddele anvendes i følgende mængder, i vægtdele:

Fyldstof 100

Bindemiddel 2-5 5 Hærdningsmiddel 0,3 - 1,0

Vand 0,5 - 1,0

Ved fremstilling af bindemidlet ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen blandes den tunge fraktion af skifertjæren omhyggeligt med opløsningsmidlet og emul-10 gatoren i nærværelse af vand under formindsket tryk indtil der er dannet en ensartet emulsion af 1. art,af "olie-i-vand"-typen, hvorpå der tilsættes urinstofform-aldehydharpiks under omrøring, til der er dannet et ensartet produkt.

15 Fremstillingen af bindemidlet udføres med fordel ved en temperatur i området fra 40 til 70°C, da den tunge fraktion af skifertjære i dette område får en passende lav viskositet (den smelter). Der kan som formindsket tryk hensigtsmæssigt anvendes et vakuum fra 20 0,3 til 0,5 atm., idet dette sikrer de gunstigste betingelser for omrøring af blandingen af bindemidlets bestanddele.

Den foreliggende opfindelse forklares nærmere ved beskrivelsen af en række specielle eksempler, 25 der illustrerer fremstillingen af et bindemiddel til en koldhærdende formsandblanding - eksempel 1-3 - samt fremstilling af en formsandblanding med nævnte bindemiddel - eksempel 4-9.

Bindemidlet kan fremstilles ved at blande en 30 tung fraktion af skifertjære, opløsningsmidlet og en emulgator i nærværelse af vand ved en hastighed fra 400 - 600 omdrejninger pr. minut ved en temperatur indenfor området 40-70°C under et tryk på o,5 atm. i en tidsperiode på fra 40 til 50 minutter i reaktor under dannelse af en emulsion af 1. art. Der-35 på tilsættes der til den resulterende anulsion urinstof formaldehydharpiks og omrøringen fortsættes under de sairme betingelser i 40 til 50 minutter, hvorved der dannes et ensartet produkt.

147227 6

Til det endelige bindemiddel sættes der vand til opnåelse af den ønskede vægtfylde. I overensstemmelse med opfindelsen benyttes et bindemiddel med en vægtfylde indenfor området 1,15 til 1,20 g/cm .

5 I mangel af en reaktor kan bindemidlet fremstil les i en vilkårlig beholder ved at blande vand, et opløsningsmiddel, skifertjære og en emulgator i nærværelse af vand under formindsket tryk ved en hastighed fra 400 til 600 omdrejninger pr. minut ved en tanperatur indenfor området 40 til 70°C under dannelse 10 af en emulsion af 1. art, hvorpå der til den resulterende masse tilsættes en urinstofformaldéhydharpiks og omrøringen fortsættes i 40 til 50 minutter, hvorved der dannes et ensartet produkt.

Eksempel 1

Til fremstilling af et bindemiddel benyttes føl- 15 gende bestanddele, i vægt%:

Urinstofformaldehydharpiks 65

Tung fraktion af skifertjære 15

Mineralsk terpentin 8

Detergent (alkylarylsulfonat) 1,5 20 vand 10,5

Bindemidlet fremstilles under anvendelse af den ovenfor beskrevne fremgangsmåde, idet der anvendes en reaktor, hvori omrøringen af nævnte tunge skifertjærefraktion, opløsningsmidlet og emulgatoren udføres ved en 25 hastighed på 500 omdrejninger pr. minut,en temperatur på 50°C og et tryk på 0,5 atm i 45 minutter. Derpå sættes der til den resulterende blanding urinstofformaldehydharpiks fortyndet med vand. Blandingen omrøres yderligere under de samme betingelser i en periode på fra 40 til 30 50 minutter.

Det således fremstillede bindemiddel har en vægtfylde på 1,18 g/cm3.

Viskositeten i en tragt med diameter 4 mm er 70 sekunder.

35 7 147227

Eksempel 2

Til fremstilling af et bindemiddel benyttes følgende bestanddele, i vægt%:

Urinstofformaldehydharpiks 90 5 Tung fraktion af skifertjære 3

Mineralsk terpentin 1

AlkylaryIsulfonat 0,2

Vand 5,8

Der anvendes samme temperatur og tryk under sam-10 menblandingen som i eksempel 1 og fremstillingens varighed er den samme.

Det resulterende bindemiddel har en vægtfylde på 1,20 til 1,23 g/cm^.

Viskositeten i en tragt med diameter 4 mm er 15 90 sekunder.

Eksempel 3

Til fremstilling af et bindemiddel benyttes følgende bestanddele i vægt%:

Urinstofformaldehydharpiks 70 20 Tung fraktion af skifertjære 10

Petroleum 5,0

Sulfonat 0,6

Vand 14,4

Bindemidlet fremstilles i en lukket beholder ved 25 at blande vand, opløsningsmidlet, den tunge skifertjærefraktion og emulgatoren ved en hastighed på 600 omdrejninger pr. minut i 40 minutter ved en temperatur på 60°C under et tryk på 0,3 atm. Derpå sættes der til den resulterende masse urinstofformaldehydharpiks og omrø-30 ringen fortsættes i yderligere 50 minutter.

Det resulterende bindemiddel har en vægtfylde på 1,18 g/cm^.

Viskositet i en tragt med en diameter på 4 mm er 70 til 75 sekunder.

147227 8

Eksempel 4

Til.fremstilling af et bindemiddel benyttes følgende bestanddele, i vægt%:

Urinstofformaldehydharpiks 70 5 Tung fraktion af skifertjære 4

Petroleum 5

Hydrofilt pulver-lignende middel 1

Vand 20

Bindemidlet fremstilles ved at følge fremgangs-10 måden ifølge eksempel 3, blot med den undtagelse at omrøringen efter tilsætningen af vand fortsættes i 45 minutter .

Det resulterende bindemiddel har en vægtfylde på 1,14 g/cm^.

15 Viskositet i en tragt med en diameter på 4 mm er 60 - 70 sekunder.

I ovenstående eksempler er benyttet optimale blandinger til fremstilling af et bindemiddel. Det har imidlertid vist sig, at der kan benyttes andre mængde-20 forhold mellem komponenterne, med det forbehold, at anvendelsen af nævnte komponenter skal føre til fremstilling af en ensartet emulsion af 1. art, af typen "olie-i-vand", og at det resulterende bindemiddel skal give en formsandblanding af høj kvalitet.

25 Til fremstilling af en koldhærdende formsandblan- ding benyttes et bindemiddel som beskrevet i et vilkårligt af de foregående eksempler eller med en anden sammensætning ifølge foreliggende opfindelse i en mængde fra 2,0 til 5,0 vægt% af fyldmaterialet. Inkorporering 30 af et bindemiddel i en mængde under 2,0 vægt% medfører ikke den ønskede virkning med hensyn til mekanisk styrke på grund af mangel p.å bindemiddel til behandling af fyldstofoverfladen. Anvendelsen af bindemidlet i en mængde over 5 vægt% er også uhensigtsmæssig, da der ikke 35 opnås nogen væsentlig forøgelse af den mekaniske styrke, medens frigørelsen af gas i blandingerne forøges. Des- 147227 9 uden bliver hærdningstiden længere.

Til fremstilling af en formsandblanding kan der benyttes et vilkårligt fyldmateriale, således som det sædvanligvis anvendes til støberiformsandblandinger.

5 Som oftest benyttes kvartssand, selvom der også kan benyttes sådanne materialer som olivin, chrommagnesit, dis-thensilimanit og lignende.

Som hærdningsmiddel til fremstilling af en kold-hærdende formsandblanding med bindemidlet ifølge den 10 foreliggende opfindelse kan der benyttes sure materialer, såsom syrer, enten organiske eller uorganiske, f.eks. phosphorsyre, svovlsyre, saltsyre, sulfonsyrer såsom p-toluensulfonsyre, oxalsyre og lignende, samt sure salte, såsom ammoniumchlorid og ferrichlorid,og sammensatte 15 hærdningsmidler, såsom en blanding af saltsyre og ferri^ chlorid eller ferrochlorid.

Nedenfor gives nogle eksempler, der illustrerer fremstillingen af en koldhærdende formsandblanding med bindemidlet ifølge foreliggende opfindelse.

20 Blandingen fremstilles ved at sætte phosphorsyre til kvartssand og omrøre i 1-2 minutter, hvorpå bindemidlet og vand tilsættes og omrøringen fortsættes i yderligere 1-2 minutter.

Af den således fremstillede blanding fremstilles 25 forme og kærner ved en vilkårlig, kendt fremgangsmåde.

Eksempel 5

Der benyttes følgende komponenter til fremstilling af en formsandblanding (vægtdele):

Kvartssand 100 30 Bindemiddel ifølge eks. 1 2,0

Phosphorsyre (60% koncentration) 0,3

Vand 1,0

Blandingen har en levetid på 10-15 minutter.

Hærdningstiden af prøver (50 mm diameter, 500 mm 35 højde) er 15-17 minutter. Trykstyrken af prøver fremstil- · 2 lede udfra denne formsandblanding er som følger (kg/cm ): 147227 10

Efter 1 time 3 - 3,5

Efter 3 timer 5-6

Efter 24 timer 14-17

Varmemodstandsdygtigheden af formsandblandingen, 5 der er fremstillet med bindemidlet ifølge foreliggende opfindelse, bestemmes ved hjælp af den resterende styrke af prøver opvarmet til en temperatur på 800-900°C i 5 minutter.

Trykstyrken efter opvarmning af prøver fremstil- 2 10 let udfra denne blanding er 1,8 kg/cm .

Eksempel 6

Til fremstillingen af en formsandblanding benyttes følgende komponenter (vægtdele):

Kvartssand 100 15 Bindemiddel ifølge eks. 2 5,0

Phosphorsyre (60% koncentration) 1,0

Vand 0,5

Blandingen har en levetid på 10-12 minutter.

Hærdningstid for prøver, fremstillet af blandin-20 gen, er 15-17 minutter.

Trykstyrken af prøver, fremstillet udfra denne 2 formsandblanding, er som følger (kg/cm J:

Efter 1 time 12 - 15

Efter 3 timer 18 - 25 25 Efter 24 timer 50 - 60

Trykstyrken efter opvarmning til 800°C i 5 mi-2 nutter er 4,0 kg/cm .

Eksempel 7

Til fremstilling af en formsandblanding benyttes 30 følgende komponenter (vægtdele)'

Kvartssand 100

Bindemiddel ifølge eks. 1 3,5 Hærdningsmiddel (ferrichlorid og ferrochlorid og en opløsning af 35 saltsyre med sammensætningen: 147227 11

FeCl3x6 H20 - 1000 g/1;

FeCl2 - 30-50 g/1? HC1 - 20-30 g/l? vægtfylde lf17 - 1,18 g/1

Vand 0,5 5 Blandingen har en levetid på 8-10 minutter.

Hærdningstiden af prøverne er 15-17 minutter.

2

Trykstyrken er som følger (kg/cm ):

Efter 1 time 12 - 15

Efter 3 timer 22-24 10 Efter 24 timer 56 - 58

Trykstyrken efter opvarmning til 800°C i 5 minut-2 ter er 4,0 kg/cm .

Eksempel 8

Til fremstilling af en formsandblanding benyttes 15 følgende komponenter (vægtdele):

Kvartssand 100

Bindemiddel ifølge eksempel 3 4,5 Hærdningsmiddel (60% orthophosphorsyre) 0,7

Vand 0,3 20 Blandingen har en levetid på 12-15 minutter.

Hærdningstid for prøver er 17-20 minutter. Tryk- 2 styrken er som følger (kg/cm ):

Efter 1 time 13 - 14

Efter 3 timer 20 - 22 25 Efter 24 timer 47 - 52

Trykstyrken efter opvarmning til 800°C i 5 minut-2 ter er 3,5 kg/cm .

Eksempel 9

Til fremstilling af en formsandblanding benyttes 30 følgende komponenter (vægtdele):

Kvartssand 100

Bindemiddel ifølge eksempel 4 5 Hærdningsmiddel 1,0

Vand 0,3 147227 12

Blandingen har en levetid på 12-15 minutter.

Hærdningstid for prøver er 18-20 minutter.

2

Trykstyrken er som følger (kg/cm ):

Efter 1 time 13 ” 17 5 Efter 3 timer 22 - 24

Efter 24 timer 53-55

Trykstyrken efter opvarmning til 800°C i 5 mi-2 nutter er 4,3 kg/cm .

Til illustration af fordelene’ ved foreliggende 10 opfindelse i forhold til de kendte bindemidler på basis af en urinstofformaldehydharpiks er der nedenfor givet en sammenligning mellem denne harpiks' egenskaber og egenskaberne hos bindemidlet ifølge foreliggende opfindelse.

15 Prøverne er udført under anvendelse af den me tode til prøvning af bindemidler for termisk stabilitet, hvorved man bestemmer koksværdien.

En del af bindemidlet (10 g) anbringes i en porcelænsdigel , der derpå anbringes i en ståldigel med låg og 20 lukket med en hætte. Så anbringes en brænder under digelbunden og prøven calcineres ved en temperatur på 800°C til konstant vægt af koksresten. Koksværdien beregnes som forholdet mellem vægten af koksresten og vægten af prøven af bindemidlet (i vægt%).

25 Den termiske styrke af den koldhærdende form-

sandblanding bestemmes ved hjælp af den resterende styrke af prøver, frsnstillet udfra saimmenligningsgrundlagsformsand-blandingen efter at disse er blevet opvarmet til temperaturen 800°C

i 5 minutter. Prøveresultaterne er vist i nedenstående 30 tabel.

147227 13

Tabel.

Anvendt type Koksværdi Resterende styrke af 5 bindemiddel % formsandblandingen*

_iflg.eks. 5 ved 8QQ°C

Urinstofformaldehydharpiks 14 0,8 10 Bindemiddel ifølge opfindelsen_25_1,8_ *)Prøveblandingen har følgende sammensætning i vægtdele:

Kvartssand 100 15 Bindemiddel 2,0

Phosphorsyre (60% koncentration) 0,3

Vand 1,0

Som det fremgår af tabellen, er den termiske styrke af bindemidlet ifølge foreliggende opfindelse og 20 af formsandblandingen indeholdende dette bindemiddel ca. to gange højere end styrken af det kendte urinstoffor-maldehydharpiksbindemiddel. .

Claims (7)

147227

1. Bindemiddel til en koldhærdende formsandblanding, hvilket bindemiddel er baseret på urinstofformal-dehydharpiks og indeholder et modificeringsmiddel, der forøger midlets sammenbindingsevne, kendeteg-5 n e t ved, at modificeringsmidlet er en emulsion i det væsentlige bestående af en tung fraktion af en skiferharpiks med en vægtfylde på mindst 1,01 g/cm3, et organisk opløsningsmiddel, der er i stand til at opløse carbon-holdige bestanddele af nævnte fraktion af skiferharpiks, 10 en emulgator og vand, idet nævnte emulsionsbestariddele foreligger i et forhold, der tillader dannelse af en ensartet emulsion af 1. art, af "olie-i-vand"-typen.

2. Bindemiddel ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det indeholder komponenterne i følgende 15 mængdeforhold (vægt%): Urinstofformaldehydharpiks 65-90 Tung fraktion af skiferharpiks 3-15 Organisk opløsningsmiddel 1 - 8 Emulgator 0,2 - 1,5

20 Vand 5-20

3. Bindemiddel ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der som tung fraktion af skiferhårpiks benyttes et produkt, opnået ved oparbejdningen af skifer i gasgeneratorovne.

4. Bindemiddel ifølge krav 1, kendeteg net ved, at der som emulgator er benyttet et overfladeaktivt middel.

5. Bindemiddel ifølge krav 4, kendetegnet ved, at der som overfladeaktivt middel er benyttet 30 et alkylarylsulfonat.

6. Bindemiddel ifølge krav 4, kendetegnet ved, at der som emulgator er benyttet mineralske, hydrofile pulverlignende forbindelser.

7. Fremgangsmåde til fremstilling af et bindemiddel 35 ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den tunge fraktion af skiferharpiksen blandes omhyggerligt med opløs-