FI115829B - Menetelmä valimojätteen käyttämiseksi valutuotteessa, valutuote sekä valutuotteen käyttö - Google Patents

Description

115829 MENETELMÄ VALIMOJÄTTEEN KÄYTTÄMISEKSI VALUTUOTTEESSA, VALUTUOTE SEKÄ VALUTUOTTEEN KÄYTTÖ

Keksintö liittyy teräsvalimon tuottaman, kaatopaikkajätteeksi tavallisesti menevän termisesti 5 degeneroituneen kromiittihiekan käyttöön osana valmistettavia kulutusta kestäviä teräksisiä kulutusosia sekä näiden kulutusosien käyttöä.

Keksinnön tausta 10 Erilaiset voimakasta kulutusta kestämään tarkoitetut valut valmistetaan usein hartsihiekkamuottiin valamalla.

Valimohiekkana voidaan käyttää esimerkiksi kvartsista, kromiitista, oliviinista tai zirkonioksidista koostuvia luonnonhiekkoja tai näistä murskattuja ja oikeaan kokoon 15 seulottuj a hiekkoj a. Valimoj en valuprosessissa käyttämä muottihiekka on useimmiten raekooltaan 0,2-0,4 mm.

Hiekan sideaineina käytetään yleisesti polymeroitumisen avulla kovettuvia hartseja tai jotain epäorgaanista sideainetta, esimerkiksi vesilasia.

20 I · ’ Myös ns. tuorehiekkakaavausta käytetään. Tällöin sideaineet ovat erilaisia, tavallisesti • ’ luonnon savimateriaaleja, kuten bentoniittia.

; ’ Eräs tyypillinen rauta- ja teräsvalimoj en hartsihiekkamuoteissa käytettävä hiekkatyyppi on ; 25 kromiittihiekka. Sen hyvä puoli on sen kyky sietää korkeita lämpötiloja. Kromiittihiekan huonona puolena on kuitenkin eräisiin muihin hiekkatyyppeihin verrattuna sen kalleus.

.. . > Niinpä useat valimot käyttävätkin hiekkamuoteissaan kahta eri hiekkatyyppiä. Näin esimerkiksi kuumissa paikoissa lähellä valun pintaa käytetään kromiittihiekkaa j a kauempana valusta, lähellä valukehää käytetään taustahiekkana kvartsihiekkaa.

• < · 30 • | ; * Kromiittihiekassa esiintyvä luonnon kromiitti on kromioksidin j a rautaoksidin seos, j ossa : ’ ’ aineita esiintyy painoprosentteina tietyssä suhteessa, esimerkiksi 50-80% kromioksidia ja ’ · * · ‘ 20-50% rautaoksidia. Kiderakenteeltaan j a mineralogiselta tyypiltään kromiitti on spinelli 2 11 5 ε 2 9 ΑΒ2Χ4· Kromiittihiekan pääkomponentti on ferrokromiitti FeCr204 ja siinä esiintyy luontaisesti pieniä määriä muita oksideja esim. magnesiumin ja alumiinin sekä mineraaleista esimerkiksi MgCr204, FeA^C^ ja MgAl204.

5 Tutkimuksin on todettu, että tietynlaisessa lämpökäsittelyssä kromiitin pinnalla spinellirakenne hajoaa, ja on havaittavissa oksidijakauman muutos sellaiseksi, että pinnassa on suhteellisesti enemmän rautaoksidia Fe3C>4 kuin kromioksidia C^Ch. Esimerkiksi puhtaan, käyttämättömän kromiittihiekkarakeen pinnan koostumus voi olla 48% C^Ch, 23% Fe304,17% AI2O3,2% S1O2,10% MgO. Riittävän pitkään hapettavuus-pelkistävyys-10 ominaisuuksiltaan valumuottia vastaavissa olosuhteissa kuumennetun hiekan pinnan analyysi voi sen sijaan olla esimerkiksi 3% G^Cb, 95% Fe304,1% AI2O3,1% S1O2. Ohut lähinnä rautaoksidista koostuva kerros pinnassa vaikuttaa siten, että se alentaa sulan pintajännitystä kromiittihiekkapinnalla ja siten edistää sulan tunkeutumista hiekan joukkoon.

15 Tällainen kromiitin terminen degeneroituminen tapahtuu tarkoittamatta käyttämällä samaa kromiittihiekkaa useita kertoja muottihiekkana, jolloin muotissa valettua terästä lähimpänä oleva hiekka kuumenee useiksi tunneiksi yli tuhatasteiseksi. Valuprosessissa se on ei-toivottu tapahtuma, koska hiekan ja teräksen sekoittumista valussa pyritään välttämään.

Niinpä kromiittihiekka muuttuu aikaa myöten käyttökelvottomaksi jätteeksi, joka tavallisesti 20 viedään kaatopaikalle. Tästä aiheutuu valimoille merkittäviä kustannuksia. Kehittymättömimmissä valimoissa jätekromiittihiekan tuotanto voi olla lähes * samansuuruinen itse valutuotannon kanssa tai jopa suurempi riippuen käytetyistä ; hiekkatyypeistä, kaavausmenetelmistä ja sideaineista.

25 Kaatopaikka- ja kuljetuskustannusten vähentämiseksi valuhiekkaa on kuitenkin jo pitkään regeneroitu uudelleen käyttöön. Regenerointi tarkoittaa esimerkiksi kvartsihiekka-; *, kromiittihiekkaseoksen kyseessä ollessa sitä, että kvartsihiekka ja kromiittihiekka erotellaan . ·", toisistaan, käyttöön kelpaamattomat raekokojakeet erotellaan käyttöön kelpaavista ja . *, termisesti degeneroitunut kromiittihiekka erotellaan degeneroitumattomasta • t » ‘ * 30 kromiittihiekasta. Käyttökelpoiset hiekkatyypit ja -raekokojakeet palautetaan valuprosessiin • · ' 1 ‘ käytettäväksi kaavauksessa uudelleen.

• t 1 1 1 5829 3

Hiekan regeneroimiseksi on saatavilla useita kaupallisia tuotteita. Tavanomaisella kaupallisella kromiittierottimella ja siihen liittyvillä luokittimilla, esimerkiksi tuuliluokittimilla, erotellaan tyypillisesti käytetty kvartsihiekka-kromiittihiekkaseos neljään ryhmään: 5 1) pölyjä muu hienoaines, 2) enimmäkseen kvartsista koostuva uudelleen käytettävä hiekka, 3) lämpövaikutuksen vuoksi muuttunut eli degeneroitunut kromiittihiekka, ja 4) degeneroitumaton kromiittihiekka.

10 Näistä jakeet 2 ja 4 eli kvartsihiekka ja ns. elvytetty kromiittihiekka kelpaavat uudelleen käyttöön. Jakeet 1 ja 3 päätyvät nykyisin tavallisesti kaatopaikkajätteeksi.

Edellä kuvattua hiekan regenerointijäijestelmää käyttäen valimot voivat vähentää dramaattisesti syntyvän jätehiekan määrää. Yhdistämällä parhaat käytettävissä olevat 15 kaavausmenetelmät j a sideaineet kromiittihiekan regenerointiin, saadaan hiekasta uudelleen käyttöön jopa 90%, jolloin kaatopaikkajätteeksi päätyy enää noin 10% käytetystä hiekasta.

Ongelmaksi jää siis, mitä tehdä jäljelle jäävälle 10%:lle degeneroitunutta kromiittihiekkaa.

20 Kromiittihiekan hyötykäyttö komposiittimateriaalin muodostajana valun yhteydessä on ennestään tunnettua. Patenttijulkaisussa US 3 239 319 kuvataan menetelmä komposiittirakenteisten j arrukenkien valmistamiseksi käyttäen perusaineena valurautaa.

Eräässä julkaisussa esitetyssä esimerkissä mainitaan seosaineena myös esilämmitetty kromiittihiekka. Keksinnön kuvauksen perusteella esi lämmityksellä pyritään estämään 25 valuraudan liian nopea jähmettyminen. Seosaineiden esilämmitys myös parantaa tunnetulla tavalla perusaineen tunkeutumista seosainepartikkelien väliin. Julkaisussa kuvattu hiekan . , -, esilämmitys ei kuitenkaan saa aikaan aiemmin kuvatun tyyppistä kromiittihiekan . * * ·, mikrorakennemuutosta, koska kiderakenteen diffusionaalinen muutos vie tunteja. Tällainen . *. mikrorakennemuutos on välttämätön teräksen hyvälle tunkeutumiselle hiekkapartikkeleiden

t » I

30 väleihin, mikä on seurausta alentuneesta kostutuskulmasta hiekan ja teräksen välillä.

* ♦

I

: ‘ ’ Patenttijulkaisun US 3 239 319 keksinnön ongelmana on myös se, että julkaisun mukaisella ’ * * ‘ menetelmällä aikaansaadaan ainoastaan valukappaleita, joissa seosaineet ovat tasaisesti 4 11£829 jakautuneet eri puolille valmista valukappaletta. Tämä vaikeuttaa, tai tekee jopa mahdottomaksi, valmiin valukappaleen koneistamisen.

Patenttijulkaisun US 3 239 319 komposiittimateriaalin perusmateriaali, valurauta, ei 5 myöskään sovellu voimakkaan iskumaisen kulutuksen alaisena olevien tuotteiden raaka-aineiksi.

Erittäin voimakasta iskumaista kulutusta kestämään tarkoitetut valettavat kulutusosat, kuten esimerkiksi leuka-, kara- ja kartiomurskainten, iskupalkkimurskainten, vasaramurskaintenja 10 repijöiden kulutusosat, ovat lähes sadan vuoden aj an olleet pääasiassa valettua austeniittista mangaaniterästä, joka muokkauslujittuu voimakkaasti iskujen vaikutuksesta.

Mangaaniteräksen koostumus on yleensä 0,9-1,5% C, 6-25% Mn, 0-3% Cr, 0-1% Mo sekä pieniä määriä muita seosaineita kuten Sija AI, mahdollisesti myös Ti, Zr, sekä eräitä muita alkuaineita. Muita sekä edellä mainituissa murskaimissa että erityisesti 15 iskupalkkimurskaimissa käytetty) ä tunnettuja valettuja kulutusosamateriaaleja ovat ns.

valkoinen valurauta (2-3,5% C, 10-30% Cr, <3% Mo, <2,5% Ni) ja martensiittinen nuorrutettu teräs (0,4-0,6% C, 0,7-3,5% Cr, <2,0% Ni, <0,5% Mo).

Keksinnön mukaisella menetelmällä on mahdollista käyttää hyödyksi tavallisesti ainakin 20 50% tai jopa 100% käytetyn kromiittihiekan regenerointiprosessissa erotellusta muottihiekkakäyttöön soveltumattomasta kromiittihiekasta.

; Keksinnön lyhyt selostus ’ ! 25 Nyt on keksitty seuraavan selityksen mukainen menetelmä valimon tuottaman hiekkajätteen minimoimiseksi j a jätekustannusten vähentämiseksi sekä menetelmän sivutuotteena saatava : 1. ·, kulutusta kestävä valutuote sekä tämän valutuotteen käyttö. Oleellista keksinnölle on . · · . termisesti degeneroituneen kromiittihiekkajätteen käyttö yhdessä mangaaniteräksen kanssa . 1. paikallisten komposiittimateriaalilujitteiden muodostamiseksi mangaaniteräsvaluun.

• 1 · 30 • 1 ’ ‘ ’ Täsmällisemmin keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä ’ ‘ patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa on esitetty, sekä keksinnön mukaisille 5 115829 valutuotteille se, mitä patenttivaatimuksien 5 ja 6 tunnusmerkkiosissa on kerrottu.

Keksinnön mukaisten valutuotteiden käyttö on esitetty patenttivaatimuksissa 10 j a 11.

5 Keksinnön yksityiskohtainen selostus Käytettäessä edellä mainittua kiderakenteeltaan ja ominaisuuksiltaan muuttunutta kromiittihiekkaa, joko yksinään tai seoksena elvytetyn kromiittihiekan kanssa, saadaan aikaan hiekkaseos, jolla ei ole kromiittihiekalle tyypillistä kykyä estää sulan teräksen 10 tunkeutumista hiekan joukkoon. Näin ollen tästä hiekasta hartsia sideaineena käyttäen valmistettu huokoinen keema saadaan tarkoituksellisesti valun yhteydessä täysin impregnoituinaan terässulalla. Tuloksena on kromi-rautaoksidi-rakeiden ja sitkeän teräsmatriisin muodostama komposiittirakenne. Kyseinen ilmiö on havaittu käytännön kokeissa mangaaniterässulalla.

15

Teräs-kromirautaoksidi-suhde näin valmistetussa komposiitissa voi olla esimerkiksi 50%-50% tai 30%-70%. Paras mahdollinen seostussuhde määräytyy komposiitin käyttökohteen perusteella; suurella teräspitoisuudella korostuu komposiitin matriisimateriaalin sitkeys, kun taas suuri kromiittihiekkapitoisuus lisää komposiitin kovuutta.

20 ' Komposiitin muodostuksessa käytettävä aihio valmistetaan samalla tekniikalla kuin hiekkakeema käyttäen kromiittihiekkaa j a sideainetta. Hiekka j a sideaine sekoitetaan j a ne sullotaan esimerkiksi sopivankokoiseen j a -muotoiseen keemalaatikkoon kovettumaan.

; ’ Aihion pintaa ei kuitenkaan tiivistetä millään tavoin, jotta terässula pääsee mahdollisimman ; 25 hyvin tunkeutumaan aihion huokosiin valutapahtuman aikana.

. = . Valettavissa tuotteissa muodostetaan valetun kulutusosan materiaalista komposiitti siten, että • · kromirautaoksidihiekasta ja sideaineesta valmistettu aihio sijoitetaan valumuottiin.

Valettaessa muottiin sulaa mangaaniterästä hiekkarakeiden välit täyttyvät terässulalla ja » · · *;;, · 30 muodostuu teräksen ja kromirautaoksidirakeiden yhdistelmärakenne, komposiitti.

* · : ’ · Komposiittia voi olla valukappaleessa vain pieni osuus. Valun komposiittiosalla tarkoitetaan ' · ‘ sitä osaa valmiin valun tilavuudesta, jossa teräs j a kromiittihiekka-aihio esiintyvät yhdessä.

6 11 Ε ε 2 9

Useimmissa keksinnön mukaisissa valutuotteissa komposiittiosaa tarvitaan vain vähän. Komposiittiosan muodostamiseen valmistetun aihion dimensiot voivat olla esimerkiksi 25 x 25 x 100 mm.

5 Kulutusosan valumuotissa aihio sijoitetaan valumuottiin valettavan kulutusosan eniten kuluville pinnoille. Se voidaan sijoittaa suoraan muotin pintaa vasten, jolloin aihio on heti kulutusosan pinnassa, tai vaihtoehtoisesti pienen välimatkan päähän muotin pinnasta esimerkiksi keematukea tai aluslevyjä hyväksi käyttäen. Kiinnitys voidaan tehdä tavanomaisten keeman kiinnitysmekanismien sijasta esimerkiksi ruuvilla, naulalla tai 10 liimaamalla.

Elvytetystä kromiitista on myös mahdollista käyttää vain haluttuja jakeita. Hienoaines voidaan poistaa mm. tuuliluokittimella tai seulomalla. Poistamalla hienoimmat jakeet hiekasta pois saadaan valmistettua harvempi aihio ja näin säädettyä komposiitin 15 hiekka/teräs-suhdetta enemmän terästä sisältäväksi.

Hiekan ja mangaaniteräksen muodostama komposiittirakenne valetun kulutusosan eniten kuluvilla kohdilla parantaa oleellisesti hiovan ja naarmuttavan abraasion kestoa, koska kromirautaoksidin kovuus on 1000-1400 HV. Mangaaniteräksen kovuus vastaavasti on 20 muokkauslujittumisasteesta riippuen 250-600 HV.

Käyttökokeissa on havaittu 50-200% parannus kulutusosan kestoikään verrattaessa ;' mangaaniteräksisen j a kromiittihiekka-aihiolla paikallisesti lujitetun mangaaniteräksisen ; kulutusosan käyttöikää vakio-olosuhteissa koemurskauslaitoksella.

25

Aihion valmistuksessa käytettävästä kromiittihiekasta ainakin 20%, mutta parhaiten yli 50% tulee olla muottihiekkakäytössä termisesti degeneroitunutta kromiittihiekkaa.

Keksintö ei ole rajoitettu ainoastaan valimojätteenä saatavan degeneroituneen ';; ’ 30 kromiittihiekan käyttöön, vaikka tämä onkin edullinen degeneroituneen kromiittihiekan ’;' lähde. Spinellirakenteisen kromikin terminen degeneroituminen voidaan saada aikaan myös '· *' keinotekoisesti pitämällä hiekkaa pitkään kontrolloidussa atmosfäärissä, korkeassa * > * · ‘ lämpötilassa.

7 11 E 829

Keksintö ei ole myöskään rajattu koskemaan ainoastaan mangaaniterästä, vaikka keksinnöllä aikaansaatu ilmiö soveltuukin nykytiedon mukaan parhaiten sille. Ilmiö kuitenkin edistää jossain määrin myös muiden terästen sulan tunkeutumista hiekka-aihioon 5 » > » i * t I i |

Claims (11)

11 iC29

1. Menetelmä valimojätteen käyttämiseksi valutuotteessa, jossa menetelmässä: - valmistetaan ainakin yksi aihio, joka aihio sijoitetaan valettavan kappaleen valumuottiin 5 haluttuun kohtaan, - jonka jälkeen valumuotti täytetään terässulalla siten, että terässula pääsee tunkeutumaan aihion sisältämien rakeiden väliin muodostaen komposiittimateriaalin, tunnettu siitä, että aihio on ainakin osittain muodostettu muottihiekkakäytössä olleesta hiekasta erotellusta termisesti degeneroituneesta kromiittihiekasta ja sideaineesta. 10

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aihion valmistukseen käytetään termisesti degeneroituneesta kromiittihiekasta erotellut, halutun raekokojakauman mukaiset jakeet.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aihion valmistuksessa käytetään sideaineena hartsia.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että terässulana käytetään mangaaniterästä. 20 * · 1. ’. 1

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1 -4 mukaisella menetelmällä valmistettu valutuote, tunnettu ’ ·:. ’ siitä, että valutuotteen komposiittiosan komposiitissa on 30-60% kromirautaoksidia ja loput I M I · ’ · · · ’ valettua terästä. * t 1 * · • · 1 1 25

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1 -4 mukaisella menetelmällä valmistettu valutuote, tunnettu , _ siitä, että valutuotteen komposiittiosan komposiitissa on 30-60% kromirautaoksidia ja loput ‘I, ’ valettua austeniittista mangaaniterästä. I t

· ·: 7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen valutuote, tunnettu siitä, että valutuote on t · I *·;·' 30 kulutusosa. > l I

’: 8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen valutuote, tunnettu siitä, että valutuote on kivenmurskaimen kulutusosa. 9 115829

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen valutuote, tunnettu siitä, että valutuote on metallinrepijän kulutusosa.

10. Patenttivaatimuksen 8 mukaisen valutuotteen käyttö kivenmurskaimessa.

11. Patenttivaatimuksen 9 mukaisen valutuotteen käyttö metallinrepijässä. » i * 10 115C29