NO823478L - Silikat-opploesninger, deres fremstilling og anvendelse som bindemidler. - Google Patents

Description

Vandige natriumsilikat-oppløsninger finner utstrakt anvendelse som bindemidler ved fremstilling av støpeformer eller -kjerner. Store volumer av bindemidlet anvendes av et støperi, og det vil åpenbart være en fordel om det fremstilles ved en billig prosess.

Følgelig blir slike oppløsninger normalt fremstilt ved at man smelter sand og soda-aske ved en temperatur på rundt 1450°C, knuser det resulterende glass og oppløser det i vann, og om nød-vendig inndamper den resulterende oppløsning til det ønskede faststoffinnhold. Mens fremgangsmåten frembyr et relativt billig materiale for støpeformål, lider den av de ulemper at den fordrer kostbar apparatur og, i særdeleshet, tilførsel av store energimengder.

Det er kjent at vandig natriumsilikat kan dannes ved at man oppløser meget finpartiklet silika (røk-silika såsom materialet som selges under handelsnavnet "Aerosil") i vandig natriumhydroksyd. Omkostningene ved fremstilling av røk-silika er imidlertid så høye at denne prosess ikke er kommersielt brukbar for fremstilling av bindemiddel-oppløsninger. Det er også kjent at urent partikkelformig silika kan anvendes for fremstilling av oppløsninger av natriumsilikat. Således er det beskrevet i Chemical Abstract Vol. 86 1977 No. 142342n og i japansk søknad 75/44686 at silisiumdioksyd-støv fra ferro-legerings-smelteverk kan oppvarmes sammen med vandig natriumhydroksyd i nærvær av et anionisk, ikke-ionisk eller amfotært overflateaktivt stoff for å hindre viskositetsøkning, og disse additiver foreslås også i tysk offentliggjørelsesskrift 2856267. I Chemical Abstracts Vol. 92 1980 No. 96294x og i japansk søknad 7855634 er det beskrevet at støv fra ferrosilisium-produksjon kan reageres med natriumhydroksyd under dannelse av et produkt som kan anvendes for fremstilling av støpeformer.

Skjønt dette sistnevnte "abstract" angir at produktet er stabilt, vil i virkeligheten støv oppsamlet fra ferrosilisium-produks jon normalt inneholde uoppløselige forurensninger, og i praksis vil disse uunngåelig ha tendens til å utskilles fra hoved-oppløsningen.

Britisk patent nr, 1518772 beskriver også anvendelse av støvet og angir at forurensninger kan fjernes ved anvendelse av et pressfilter. Det angir også at bindemidler fremstilt av støvet gir produkter med bedre vannresistens, uansett om bindemidlet er renset. Enhver sådan forbedring må derfor utelukkende tilskrives nærværet av oppløste forurensninger, og de filtrer-bare, uoppløste forurensninger ansees derfor ikke å ha noen effekt på bindingsegenskapene.

I industriell praksis er det absolutt vesentlig at opp-løsningen er av fullstendig ensartet sammensetning gjennom det hele, og at den ikke avsetter et utfelt materiale eller belegg på utstyr som anvendes for lagring eller transport, for eksempel tromler eller ledninger. Hvis den ikke er av fullstendig ensartet sammensetning, vil dens anvendelse føre til varierende resultater, og dette er intolerabelt i praksis. Hvis de utfelte materialer eller belegg dannes på utstyr, kan utstyret tiltettes, hvilket også er intolerabelt. Hvis slike utfelte materialer eller belegg dannes, må de fjernes, og man må bli kvitt dem, og dette kan være vanskelig og dyrt da de er for-urenset med alkalimetallsilikat. Følgelig, skjønt disse for-slag er fremsatt med sikte på anvendelse av støv som inneholder forurensninger, er de i praksis ikke kommersielt tilfredsstillende.

Vi har tatt sikte på å tilveiebringe en alkalimetallsilikat-oppløsning under anvendelse av billige råmaterialer og frem-gangsmåter, og som kan være egnet til bruk som et bindemiddel for støpeformer.

Oppfinnelsen er basert på de overraskende oppdagelser at det er mulig å bringe de uoppløselige forurensninger i stabil suspensjon i oppløsningen, og at når slike oppløsninger anvendes i støperi-prosesser, gir de en meget ønskelig forbedring i begynnelses-styrke og en meget ønskelig nedsettelse i bibe-holdt styrke etter bruk.

Ved oppfinnelsen fremstilles en vandig alkalimetallsilikat-oppløsning ved en fremgangsmåte som omfatter at man oppløser i vandig alkali et silika-pulver inneholdende forurensninger som er uoppløselige i vandig alkali, og suspenderer forurensningene som en stabil suspensjon i oppløsningen ved hjelp av et suspensjonsmiddel.

En vandig alkalimetallsilikat-oppløsning ifølge oppfinnelsen inneholder en stabil suspensjon av partikkelformige forurensninger som holdes i suspensjon ved hjelp av et suspensjons-

middel.

Disse oppløsninger kan anvendes for forskjellige formål, men det er spesielt foretrukket at de skal være egnet til bruk som bindemidler for støpeformer og -kjerner. Følgelig vil konsentrasjonen av alkalimetallsilikat og forholdet silika: alkali fortrinnsvis være valgt fra de verdier som er kjent å være hensiktsmessige konvensjonelt for alkalimetallsilikat-bindemiddeloppløsninger.

En fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen til fremstilling av støpeformer eller -kjerner omfatter at man blander sand eller annet inert partikkelformig materiale med den vandige bindemiddel-oppløsning, danner den ønskede form eller kjerne av blandingen og deretter herder bindemidlet.

Det urene silikapulver som anvendes ved oppfinnelsen, er

et billig biprodukt ved forskjellige industrielle prosesser. Eksempelvis nevnes at produksjonen av ferrosilisium-legeringer ved elektrisk smelting følges av produksjon av silisiummonoksyd-røk som oksyderes til silika-røk og kondenseres på filtere på konvensjonell måte. Silisiumdioksydet oppsamles som et fint pulver og er egnet til bruk ved oppfinnelsen. I alminnelig-

het kan egnede urene pulvere oppsamles fra avløpsgassene fra ferrolegerings-industrien og andre industrier som anvender silisiummetall, for eksempel fremstillingen av silisium og silikokrom-legeringer.

Det urene pulver vil ialminnelighet inneholde minst 2 % forurensninger, men vil ialminnelighet ha et silika-innhold på minst 80 %. Vanligvis inneholder det minst 0,5 % forurensninger som er uoppløselige i det vandige alkali. Mengden av uopp-løselige forurensninger er vanligvis under 10 % og er typisk fra 1 til 5 %. I tillegg til de uoppløselige forurensninger kan den urene røk også inneholde forurensninger som er opp-løselige i vandig alkali. Mengden av disse er også vanligvis minst 0,5 %, men under 10 %.

Uoppløselige materialer innbefatter ialminnelighet karbon, og når oppløsningen skal anvendes som et bindemiddel ved støping, er det spesielt ønskelig at karbon er til stede.'Mengden kan<y>ære minst 0,2 %, vanligvis minst 0,5 %, på vektbasis beregnet på pulveryekten. Ialminnelighet er mengden under 3 %, skjønt den kan være høyere, for eksempel opp til 5 %, på vektbasis beregnet på pulveryekten. Andre uoppløselige forurensninger som kan være til stede, innbefatter svovel, magnesiumoksyd, jern (III)oksyd og andre forbindelser av magnesium eller jern. Mengden av enhver sådan forurensning som er til stede, er

ofte 0,1 vekt% eller mer (basert på vekten av pulveret), men er ialminnelighet under 3 vekt%, skjønt magnesiumoksyd kan være til stede i større mengder, for eksempel opp til 5 %.

Typiske oppløselige forurensninger innbefatter aluminiumoksyd og forbindelser av natrium og kalium, som alle kan være til stede i mengder på minst 0,1 %. Mengden av aluminiumoksyd er ialminnelighet under 2 % men større mengder, for eksempel opp til 5 % (målt som oksydet), kan være til stede som for-bindelse av natrium eller kalium.

Pulveret vil ha en stor spesifikk overflate. For eksempel har det ialminnelighet en spesifikk overflate på minst 5 og 2 2 vanligvis minst 10 m /g, for eksempel mellom 15 og 25 m /g. Ialminnelighet har hovedsakelig hele silikapulveret en partikkelstørrelse under 1 ym, vanligvis under 0,5 ym, og fortrinnsvis har minst 95 % av røken en partikkelstørrelse mindre enn 0,3 ym.

Det vandige alkali er normalt natriumhydroksyd, men andre alkalimetallhydroksyder, såsom kaliumhydroksyd, kan anvendes. Også andre alkalier, for eksempel natrium- eller andre alkalimetall-silikat-oppløsninger, kan anvendes. Således kan silika-innholdet i en alkalimetallsilikat-oppløsning økes ved at man oppløser i denne det beskrevne urene silikapulver.

Forholdet mellom alkalimetall og silika velges ved hen-siktsmessig valg av andelene av alkali og silikapulver. Som konvensjonelt er det midlere vektforhold Si02:Na20 for støperi-formål ialminnelighet 2:1 til 2,5:1, men i noen tilfeller kan det være så høyt som 3,5:1 og muligvis så lavt som 1,6:1.

Konsentrasjonen av alkalimetallsilikat i bindemiddel-oppløsningen kan være konvensjonell og er således ialminnelighet fra 30 til 60 %, mest vanlig 40-50 %. Mengden av vann i opp-løsningen er således ialminnelighet fra 40 til 70 %, mest vanlig 50-60 %. Alt dette vann kan tilsettes med silisiumdioksydet og alkaliet, eller en mer konsentrert oppløsning kan dannes og deretter fortynnes ved tilsetning av vann.

Oppløsningen dannes ved at man blander alkaliet og silisiumdioksydet. Silisiumdioksydet oppløses hurtigere ved forhøyede temperaturer enn ved omgivelsestemperaturer, og blandingen blir,således fortrinnsvis blandet ved en temperatur mellom 40°Cog koketemperaturen, typisk 60-80°C. Blandingen blir fortrinnsvis holdt omrørt. Total oppløsning av silisiumdioksydet under disse betingelser vil finne sted ganske hurtig, men fortrinnsvis anvendes oppvarmning og omrøring i minst 10 minutter, for eksempel opp til 1 time eller endog 2 timer,

i den hensikt å sikre fullstendig oppløsning.

Et vesentlig trekk ved oppfinnelsen er at suspenderingsmiddel inngår i oppløsningen for å holde uoppløselige forurensninger i stabil suspensjon. Mengden av suspenderingsmiddel er ialminnelighet under 1 %, mest vanlig 0,01 til 0,5 %, typisk 0,05 til 0,2 %, basert på vekten av oppløsningen. Suspenderingsmidlet er et materiale av den type som vil holde jord eller annet partikkelformig materiale i suspensjon i vandige oppløsninger og må selvsagt være et materiale som er inert over-for alkalimetallsilikat-oppløsningen. Konvensjonelle overflateaktive stoffer er derfor ikke egnet, da de ikke suspenderer jord i oppløsning, og i særdeleshet ikke holder de beskrevne partikkelformige forurensninger i,stabil suspensjon. Hvis materialer av typen overflateaktive stoffer anvendes istedenfor suspenderingsmidler, observeres det at partikkelformige forurensninger utskilles fra oppløsningen i løpet av noen timer,

og oppløsningen inneholder således ikke en stabil suspensjon.

Suspenderingsmidlet bør ikke funksjonere ved å bevirke en vesentlig viskositetsøkning, siden hvis suspenderingsmidlet be-virker en vesentlig endring i oppløsningens viskositet, enten i begynnelsen eller etter lagring, vil oppløsningen være ubruke-lig som en bindemiddel-oppløsning for støperi-formål, fordi den vil være for viskøs til å blandes med sanden på tilfredsstillende måte. Noen økning i viskositeten kan tolereres forutsatt at den ikke er for stor. Ialminnelighet er viskositetsøkningen fra 20 til 70 %, mest foretrukket ca. 30-55 %.

Suspenderingsmidlet velges ialminnelighet blant naturlige materialer såsom gummier, eksempelvis guar-gummi; mel, cerealier og andre stivelser, modifiserte naturlige materialer såsom celluloser, spesielt hydroksyalkylcellulose, alkylcellulose og karboksyalkylcellulose (vanligvis tilsatt som natriumsaltet) og vannoppløselige, syntetiske polymere materialer med midlere molekylvekt, såsom polyakrylsyrer og deres estere (og alkali-salter'av syrene) med en midlere molekylvekt som ialminnelighet ligger i området 5 000-100 000, fortrinnsvis 10 000-50 000. Alkylgruppene i de nevnte cellulosederivater er ialminnelighet C^_4~grupper, fortrinnsvis metyl eller etyl, eksempelvis hydroksyetyl- eller karboksymetyl-cellulose.

Suspenderingsmidlet kan være inkludert i det vandige medium i hvilket silisiumdioksydet oppløses eller kan tilsettes senere og innrøres godt i oppløsningen.

Det resulterende produkt kan anvendes på samme måte som konvensjonelle alkalimetallsilikat-bindemidler. Eksempelvis kan det blandes med sand og dannes til denønskede form eller kjerne og deretter herdes ved at karbondioksyd ledes gjennom det. Alternativt kan et herdemiddel inkluderes i blandingen. Normalt er herdemidlet en ester eller esterblanding valgt blant triacetin, diacetin og etylenglykoldiacetat, eller pulverisert dikalsiumsilikat, eller pulverisert ferrosilisium.

Vi har overraskende funnet at når støperi-former eller -kjerner fremstilles under anvendelse av i nye oppløsninger, har de resulterende former eller kjerner forbedret tidlig trykkstyrke sammenlignet med den styrke som kan oppnås under anvendelse av konvensjonelle silikatoppløsninger som er fri for forurensninger. Den styrke som oppnås ved oppfinnelsen, ut-vikles således hurtigere enn styrken under anvendelse av konvensjonelle oppløsninger. Dette er en meget verdifull egenskap da den tillater tidligere håndtering og anvendelse av formene eller kjernene.

Etter at en form eller kjerne er blitt anvendt, er det ialminnelighet nødvendig å bryte den sund igjen, hvilket vanligvis kalles "sand-nedbrytning". For å tillate nedbrytning er det ønskelig at bindemidlet er relativt svakt etter bruk, og vi har overraskende funnet at nærværet av de suspenderte forurensninger reduserer trykkstyrken etter bruk og således letter sandnedbrytningen. Sandnedbrytningen kan ennvidere forbedres ved tilsetning av konvensjonelle sandnedbrytningsadditiver, såsom glukose, dekstrose, dekstrin eller sukkere.

Noen eksempler vedrørende oppfinnelsen skal nå gis. I samtlige eksempler er det urene silikapulver et pulver fremstilt under produksjonen av ferrosilisium-legeringer ved elektrisk smelting ble oppsamlet i filtere og analysert. Typiske analyser og egenskaper er som følger:

Partikkelstørrelse: 20 % < 0,05 pm

70 % < 0,1 ym 95 % < 0,2 ym 9 9 % < 0,5 ym

Spesifikk overflate 18-22 m<2>/g

Spesifikk vekt 2,2 t/m^

3

Bulk-densitet ukompaktert 0,2-0,3 t/m

Bulk-densitet kompaktert 0,4-0,6 t/m<3>

Eksempel 1

31,7 vektdeler av et sådant pulver med et silikainnhold på 92 % ble blandet med 36 vektdeler natriumhydroksyd-væske inneholdende 47,4 % natriumhydroksyd og 32,3 vektdeler vann inneholdende 0,5 % polyakrylsyre, molekylvekt 27 000. Blandingen ble oppvarmet til nær koking (100°C) og holdt omrørt i ca. 1 time, hvoretter den fikk kjølne. Produktet var en stabil sort væske med et SiC^/Na-jO-forhold på ca. 2,2 og med et faststoffinnhold på ca. 42,4 %.

Den kunne håndteres og pumpes gjennom den apparatur som konvensjonelt anvendes for håndtering av alkalimetallsilikat-bindemiddel-oppløsninger uten problemer med belegg eller slam.

Når den ble utprøvet som et bindemiddel ved karbondioksyd-prosessen for dannelse av sandformer, ble dens bindingsegen-skaper funnet å være minst like gode som egenskapene hos en 42,4 % natriumsilikat-sammenligningsoppløsning med forhold 2,2 fremstilt ved den konvensjonelle metode omfattende smelting av.: natriumkarbonat og sand.

Eksempel 2

Fremstilling av natriumsilikat-oppløsning:

47,7 kg vann, 1,5 kg hydroksyetyl-cellulose, 546 kg 47 % vandig Na OH-oppløsning og 475,5 kg urent silikapulver med den ovenfor angitte sammensetning ble blandet i en reaksjons-beholder av bløtt stål forsynt med rører og oppvarmnings-kveiler. I beholderen ble en eksoterm reaksjon startet med det resultat at temperaturen i beholderen hadde øket fra 10°C til 45°C i løpet av 30 minutter. Varme ble tilført beholderen 1 de neste 3 0 minutter, hvorved temperaturen steg til 8 0°C. Oppvarmningen ble avbrutt, men temperaturen ble holdt ved 8 0°C ved den eksoterme reaksjon, og omrøring ble fortsatt i de neste 2 timer, hvoretter fluidumet ble hellet over i beholdere av bløtt stål og tillatt å kjølne til omgivelsestemperatur uten anvendelse av kjølemidler.

Det således erholdte produkt besto av en stabil vandig opp-løsning av natriumsilikat med et Si02/Na20-forhold på ca. 2,2, et faststoffinnhold på 42,4 %, en spesifikk vekt på 1,497 ved 20°C, 48°Be og en viskositet på 195 cp.

Eksempel 3

Standard støperi-test-metoder ble anvendt for bestemmelse av oppbygging av trykkstyrke. Sandblandinger ble fremstilt under anvendelse av 3,5 % bindemiddel tilsatt til 100 % Chelford 50 sand. Standard 50 mm teststykker ble tilberedt og gasset med CC>2 i 30 sekunder ved 4,5 l/min., og trykkstyrken av de lagrede teststykker ble bestemt ved de intervaller som er vist i tabell 1. Prosessen ble utført under anvendelse av to forskjellige bindemiddel-oppløsninger, hvor oppløsning A er den oppløsning som erholdtes i eksempel 2, og oppløsning B ved anvendelse av en natriumsilikat-oppløsning av kommersiell kvalitet, som var fri for forurensninger. De erholdte resultater var som følger:

Eksempel 4

Et bindemiddels sandnedbrytningsegenskaper følger av bindemidlets motstand mot de høye temperaturer som hersker under støping. De forskjellige deler av bindemidlet utsettes for forskjellige temperaturer, og en meningsfull måte til å bestemme sandnedbrytning i laboratoriet er således å frem-stille produkter som i eksempel 3, la dem stå i 24 timer og deretter oppvarme prøver av produktene i 15 minutter ved et bredt temperaturområde. Dette ble gjort med de produkter som erholdtes i eksempel 3, med de resultater som er vist i tabell 2,

Tabeller 1 og 2 viser således det overraksende fenomen

at trykkstyrken både bygges opp og brytes ned hurtigere enn med det kommersielle rene materiale.

Eksempel 5

Virkningen av forskjellige additiver på viskositeten

av oppløsningen og på stabiliteten og oppløsningens sedi-menteringshastighet ble observert. Således ble oppløsninger fremstilt generelt i overensstemmelse med eksempel 2 unntagelse av at en oppløsning ble fremstilt uten additiv, en med 0,1 % hydroksyetylcellulose og andre med 0,1 % av forskjellige overflateaktive stoffer, Det ble observert at alle oppløs-

ningene som inneholdt overflateaktivt stoff, utviklet et særpreget sort slam på bunnen av oppløsningen i løpet av noen timer, og oppløsninger som ikke inneholdt additiv utviklet et slam enda hurtigere. Den prøve som inneholdt hydroksyetylcellulose, frigjorde ikke noe slam. Til be-kreftelse av dette ble gravimetrisk analyse-utført.på prøver uttatt nær bunnen av oppløsningen og nær toppen av oppløsningen.

Viskositeten av frisk fremstilte oppløsninger ble målt

ved 14°C i et Shandon VT/01 Rotary Viscometer. De erholdte verdier er vist i tabell 3.

Claims (10)

1. Vandig alkalimetallsilikat-opplø sning egnet til bruk som et bindemiddel for støpeformer og -kjerner og som er fremstilt ved en metode omfattende oppløsning av et silikapulver i vandig alkali, karakterisert ved at silikapulveret inneholder forurensninger som er uoppløseligtii vandig alkali, og forurensningene suspenderes i opplø sningen som en stabil suspensjon ved hjelp av et suspenderingsmiddel.

2. Oppløsning ifølge krav 1, karakterisert ved at silikapulveret er silika kondensert under produksjon av ferrosilisium.

3. Oppløsning ifølge krav 1," karakterisert ved at silikapulveret består av minst 80 vekt% silika og minst 0,5 vekt% forurensninger som er uoppløselige' i alkaliet, og inneholder minst 2 vekt% total-forurensninger.

4. Oppløsning ifølge krav 1, karakterisert ved at oppløsningen er for anvendelse som et bindemiddel for støpeformer og -kjerner, har et vektforhold Si02 :Na2 0 på 1,6:1 til 3,5:1 og har en alkalimetallsilikat-konsentrasjon på 30 til 60 vekt%.

5. Oppløsning ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at forurensningene innbefatter karbon.

6. Oppløsning ifølge krav 5, karakterisert ved at mengden av karbon er minst 0,5 % basert på vekten av pulveret, og mengden av suspenderingsmiddel er 0,01 til 1 vekt% av opp-løsningen.

7. Oppløsning ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at suspenderingsmidlet er valgt blant gummier, celluloser, stivelser og vannoppløselige, syntetiske polymere materialer med midlere molekylvekt.

8. Oppløsning ifølge krav 7, karakterisert ved at suspenderingsmidlet er valgt blant hydroksyetylcellulose, karboksymetylcellulose, midlere-molekylvekti polyakrylsyrer og estere og naturlige gummier.

9. Vandig alkalimetallsilikat-opplø sning egnet til bruk som et bindemiddel for stø peformer og -kjerner, karakteri sert ved at den inneholder en stabil suspensjon av partikkelformige forurensninger som innbefatter karbon og som holdes i suspensjon ved hjelp av et suspenderingsmiddel.

10. Fremgangsmåte til fremstilling av støpeformer eller -kjerner ved at man blander sand eller annet partikkelformig materiale ved en vandig bindemiddel-opplø sning, danner blandingen til den ønskede form eller kjerne og deretter herder bindemidlet, karakterisert ved at en oppløsning ifølge hvilket som helst av de foregående krav anvendes som bindemiddel.