Glavna karakteristika glinenog zelenog pijeska je da se lako oblikuje. Može se napraviti u željeni oblik šokiranjem i sabijanjem. Osim toga, sirovine koje se koriste, kao što su kremeni pijesak, glina, ugljeni prah i drugi aditivi, jeftine su i obilne. Stoga, u današnjem procvatu razvoja različitih procesa livenja, proces oblikovanja glinenog zelenog pijeska i dalje ima apsolutnu prednost u industriji livenja.
Osnovne komponente glinenog zelenog pijeska su kremen pijesak, bentonit i voda. U glinenom zelenom pijesku koji se koristi za izradu željeznih odljevaka, ugljen prah je nezamjenjiv aditiv, koji igra vrlo važnu ulogu u poboljšanju kvaliteta površine i stabilnosti dimenzija odljevaka. Loša kvaliteta, nepravilan odabir ili neodgovarajuće dodavanje ugljenog praha dovest će do povećanja površinskih nedostataka odljevaka (kao što su prianjanje pijeska, pore, defekti ekspanzije, itd.), što ne samo da će povećati stopu otpada, već i povećati opterećenje čišćenja odlivaka.
U proteklih 30 godina urađeno je mnogo istraživanja kako bi se pronašli alternativni materijali za ugljeni prah, ali do danas je ugljeni prah i dalje najčešće korišteni aditiv i najisplativiji aditiv.
1．Depoziti uglja
Ugalj je proizvod koalifikacije tokom dugog geološkog perioda kada su drevne biljke taložene u slojevima i zakopane pod vodom ili u uslovima dovoljno vode. Zbog različitog stepena ugljenosti može se podijeliti u četiri kategorije: treset, lignit, bitumenski ugalj i antracit. Zbog različitih uvjeta formiranja, ukupni sadržaj ugljika različitih ugljeva može biti između 49% i 97%. Antracit ima najduži period mineralizacije, a prah uglja za livenje se pravi od bitumenskog uglja.
Bitumenski ugalj je ugalj visokog stepena ugljenosti, koji je sivkasto crn do crn, a nakon drobljenja smeđi do crn. Prema različitim sadržajima isparljivih materija i koloida, bitumenski ugalj se može podijeliti na dugovaljeni ugalj, plinski ugalj, masni ugalj, koksni ugalj i mršavi ugalj.
Ugalj dugog plamena i plinoviti ugalj s visokim sadržajem hlapljivih tvari će prvo formirati mnogo nestabilnih tekućih faza niske točke ključanja kada se zagriju, a zatim se brzo razložiti u plin i izaći. Preostala tečna faza nije dovoljna da se preostale čestice zalijepe (ne mogu se koksati). Posni ugalj sa niskim sadržajem hlapljivih tvari može formirati tečnu fazu s višom tačkom ključanja kada se termički razloži, ali količina nije velika i nije dovoljna za koks. Masni ugalj i ugalj za koksanje imaju umjereni sadržaj hlapljivih tvari i mogu formirati tečnije faze kada se zagrijavaju, zbog čega se preostale čestice lako lijepe (koks). Ugljeni prah za livenje se uglavnom proizvodi od masnog uglja i koksnog uglja.
Razne promjene koje se javljaju prilikom zagrijavanja bitumenskog uglja
Kada se bitumenski ugalj zagrije, on prvo uklanja vlagu, a zatim se razgrađuje i oslobađa isparljive tvari. Razgradnja bitumenskog uglja može se grubo podijeliti u četiri faze.
Prva faza je ispod 200 stepeni, voda se uklanja i oslobađa se mala količina CO2. Brzina reakcije u ovoj fazi je niska.
Druga faza: 200-350 stepen , pored nastavljanja oslobađanja vodene pare i CO2, počinje oslobađanje CO, te se taloži mala količina katrana, što se može smatrati početnom fazom pirolize.
Treća faza: 350-550 stepen, brzina reakcije razgradnje se povećava, produkti razgradnje su uglavnom ugljovodonici male molekularne težine i druga organska jedinjenja, a katran se uglavnom taloži u ovoj fazi. Bitumenski ugalj također prolazi kroz proces omekšavanja-taljenja-stvrdnjavanja, te proces volumne kontrakcije-ekspanzije-kontrakcije.
Na oko 350-390 stepena, bitumenski ugalj postepeno omekšava i smanjuje se u zapremini. Nakon toga počinje da se topi, a tečna faza se postepeno povećava, formirajući koloid pomešan sa čvrstim, tečnim i gasovitim. U ranoj fazi, zbog sve veće količine istaloženog plina, volumen koloida se brzo širi. Nakon što se plin u određenoj mjeri istaloži, količina precipitacije naglo opada, a volumen koloida se shodno tome smanjuje. Konačno, koloid se učvršćuje u poroznu čvrstu supstancu, nazvanu polukoks. Općenito, promjena zapremine bitumenskog uglja u ovoj fazi prikazana je na slici 1. Slika 1. Promjena zapremine bitumenskog uglja tokom zagrijavanja
C – početno skupljanje zapremine;
S – naknadno proširenje volumena;
D－Ukupno proširenje volumena.
U četvrtoj fazi, iznad 550 stepeni, nastavljaju da se talože različiti gasovi, uključujući vodenu paru, CO2, CO, H2, metan, acetilen i amonijak, a polukoks se pretvara u koks.
Plinovi proizvedeni u trećem i četvrtom stupnju mogu se kondenzirati na vrućoj čvrstoj površini i formirati grafitni film s visokim sadržajem ugljika, koji se obično naziva svijetli ugljik. Među različitim ugljovodoničnim supstancama, aromatični ugljovodonici će najverovatnije biti pirolizovani i formiraju svetli ugljenik.
3．Formiranje adhezije pijeska na površini čeličnih i željeznih odljevaka
Nakon što se rastopljeni metal ubrizgava u kalup, niz fizičkih, hemijskih i fizičko-hemijskih reakcija će se desiti između metala, materijala za oblikovanje i atmosfere u kalupu na međumeđu metal-kalup. Sljepljivanje pijeska je jedan od sveobuhvatnih rezultata ovih brojnih reakcija. Među njima, FeO igra izuzetno važnu ulogu.
Tačka topljenja FeO je oko 1370 stepeni, što je više od tačke topljenja opšteg livenog gvožđa. Međutim, kada FeO dođe u kontakt sa silicijum peskom, lako je stvoriti fajalit (Fe2SiO4) sa tačkom topljenja od 1205 stepeni. Fajalit može da generiše dve eutektike sa SiO2 ili FeO sa tačkom topljenja od oko 1130 stepeni. Ako na površini čestica pijeska ima gline ili drugih alkalnih oksida, mogu se formirati i silikati s nižim tačkama topljenja.
Budući da sam rastopljeni metal sadrži određenu količinu kisika, tekući tok će biti oksidiran kisikom u atmosferi tokom procesa gvožđa (čelika) i sipanja. Također će biti oksidiran od strane atmosfere u kalupu na početku ulaska u šupljinu kalupa. Nakon što rastopljeni metal uđe u kalup, FeO postoji na granici metal-kalup. Pod djelovanjem metalne statičke tlačne glave, FeO će se zalijepiti za površinu zrna pijeska, formirajući nisko topljive silikate sa zrncima pijeska i glinom, a površina zrna pijeska će se otopiti. Kada se metal još nije stvrdnuo, nisko topljivi silikati u blizini sučelja se istiskuju u dubinu pješčanog kalupa. Budući da su se praznine između zrna pijeska proširile, a na površini zrna pijeska postoje silikati koji se lako navlaže rastopljenim metalom, rastopljeni metal može prodrijeti u praznine između zrna pijeska, omotavajući zrnca pijeska koja nisu otopljeni, formirajući ljepljivi pijesak. Ovaj proces je ugrubo prikazan na slici 2.
Slika 2. Prikaz procesa formiranja adhezije pijeska za livenje
a) Otopljeni metal dolazi u kontakt sa površinom kalupa, a površina metala se oksidira;
b) FeO stvara topive silikate u kontaktu sa silicijum peskom i glinom;