کیفیت بنتونیت

 مقدمه:

امـروزه فناوری هـای ریخته‌ گـری مختلفـی بـرای اسـتفاده در دسـترس هســتند ولیکــن بــرای ریخته‌گری قطعــات کوچــک و متوســط، قالبگیـری ماسـه‌ای هنـوز هـم اقتصادی تریـن فرآینـد اسـت. مـواد اولیــه ایــن فرآینــد ارزان‌تریــن هســتند و قالب هــا در آن ســاده ترین شــکل را دارنــد. قطعــات در ایــن فراینــد علاوه بــر ســطح زیبــا و صــاف دارای مزایــای دیگــری از جملــه دقــت ابعــادی، یکنواختــی و اســتحکام میباشــند و از نظــر ســایر خــواص نیــز کاملاً پاســخگوی نیازهـای مکانیکـی هسـتند.

در ابتـدا فقـط قطعـات کوچـک بـا ایـن روش تولیــد میشــد ولیکــن امــروزه قطعــات ســنگین نیــز تحــت ایــن فرآینــد قابــل تولیــد هســتند. ماســه سیلیســی و بنتونیــت دو مــاده اساســی اولیــه در قالبگیــری ماســه ای می باشــند کــه در ایــن پژوهــش بــه ویژگی هــای علمــی آن پرداختــه خواهــد شــد.

همانطـور کـه مشـخص اسـت بنتونیـت متعلـق بـه کانی هـای رسـی اسـت. کیفیـت بنتونیـت، درجـه اول بـا مقـدار مونـت موریلونیـت و مقــدار کاتیون هــای قابــل تعویــض آن تعییــن می شود. متاســفانه تعییــن دقیــق مقــدار مونــت موریلونیــت بســیار دشــوار اســت و تلاش ها بـرای ایجـاد یـک روش سـاده و رضایت بخـش کـه از طریـق آن بتــوان میــزان مونــت موریلونیــت مــورد اســتفاده در فراینــد ریخته‌گری را بــا دقــت مطلــق تعییــن کــرد تاکنــون موفقیــت آمیــز نبــوده اســت بــه تجربــه میتــوان گفــت کــه خــواص بنتونیــت بــا توجــه بــه محــل معــادن مختلــف تغییــر میکنــد، حتــی اگــر بــا روش هــای بررســی موجــود در حــال حاضــر تفــاوت محسوســی بیــن بنتونیت ها قابــل تشــخیص نباشــد.

مثلا در یکـی از انـواع بنتونیـت، مونـت موریلونیـت کـم را میتـوان بــا لیلتــودی  کــه معمــولاً بــرای تعییــن مقــدار مونــت موریلونیــت اســتفاده مــی شــود شناســایی کــرد، زیــرا مولکول ها بــه احتمــال زیــاد توســط پوســته آهکــی احاطــه شده‌اند. هنگامــی کــه ایــن بنتونیــت بــه روش معمــول فعــال می شود نمیتــوان آن را بیشــتر از بنتونیت هایــی کــه مونــت موریلونیــت کمــی دارنــد پپــت  کــرد. بــا ایــن حــال اگــر لایــه کربنــات اطــراف لیلونــت موریلونیــت  بــا دانه بنـدی بسـیار ریـز ایـن بتتونیـت شکسـته شـوند یـک محصـول پپــت کننــده عالــی بــه دســت می آید کــه قابلیــت چســبندگی آن نیــز مشــخصه بنتونیت های غنــی از مونــت موریلونیــت را دارد (میــزان بــالای مونــت موریلونیــت توســط اشــعه ایکــس تاییــد می شود).

بــا دانســتن ایــن یافته ها روش هــای زیــادی بــرای آســیاب و آماده ســازی بنتونیــت تــا ریزتریــن حــد ممکــن انجــام میشـود تـا بـا ظرافـت کامـل حداقـل 90 درصـد مـواد اولیـه آسـیاب و آمادهســازی شــوند. بــرای غربــال کــردن بایــد از الک‌هایــی بــا ده هــزار مــش اســتفاده شــود و حداکثــر 8 درصــد از مــواد بایــد در آن باقـی بماننـد و بقیـه از آن عبـور کننـد. ایـن امـر بـه منظـور ارزیابـی مناســب بــودن دانــه بنــدی بنتونیــت انجــام می شود.

بــرای آنکــه بتــوان تصویــر رضایــت بخشــی از کیفیــت بنتونیــت در ریخته گری ها ارائــه داد بایــد بــه خــواص شــیمیایی و فیزیکــی خاصــی مطابــق اســتانداردهای جهانــی توجــه نمــود.

این مقررات و استانداردها مطابق شرایط زیر هستند:

• ترکیبات کانی شناسی

• مشخصات فیزیکی

اســتاندارد دانه بندی “ماســه سیلیســی” بــرای ایــن بنتونیــت بدیــن شــرح اســت: 25 درصــد از 0.6 تــا 0.3 میلیمتــر، 50 درصــد بیــن 0.3 تــا 0.2 میلیمتــر، 25 درصــد بیــن 0.2 تــا 0.1 میلیمتــر. ســطح مخصـوص ماسـه اسـتاندارد نیـز بیـن 140 تـا 160 سـانتیمتر مربـع بـر گــرم می باشد. میــزان رطوبــت ماســه اســتاندارد 2.5 درصــد تنظیــم می شود و 5 درصــد بنتونیــت بــه آن اضافــه میگــردد و بــه صــورت یکنواخــت مخلــوط میگــردد و ســپس بقیــه بنتونیــت در مــدت 3 دقیقــه بــا آن ترکیــب می شود.

حداقل مقادیر برای کیفیت مخلوط حاوی بنتونیت:

مقاومت فشاری (g/cm²)      ………………………….  700

مقاومت برابر لغزش (g/cm²)  ………………………….  700

نفوذپذيری گازی (g/cm²)    …………………………….  700

حتـی اگـر بتونیـت شـرایط فـوق را داشـته باشـد روش هـای آزمایشـی ذکـر شـده و  شـاید سـایر روش هـای آزمایشـی شـناخته شـده بـرای تعییــن دقیــق مناســب بــودن بنتونیــت کــه آیــا مناســب ماســه هسـت یـا نـه کافـی نیسـتند مشـکل دیگـر ایـن اسـت کـه کارخانـه هــای ریخته‌گری معمولــی، ابــزارآلات دقیــق و گــران قیمــت مــورد نیـاز بـرای انجـام دقیـق کار را ندارنـد و برخـی از پدیده‌هـا در کارهـای پژوهشــی ذکــر می شود کــه بعــدا بــه فراخــور هــدف مــورد نیــاز از آنهـا اسـتفاده عملـی خواهـد شـد.

همانگونــه کــه مشــخص اســت عــدد کاتیون هــای جانشــینی در بنتونیـت بـرای میـزان ظرفیـت اتصـال بنتونیـت تعییـن کننـده اسـت در بنتونیت هـای طبیعـی تعـداد کاتیون هـای جانشـینی از مـوردی بـه مـورد دیگر متفاوت است این مقدار را به صورت مصنوعی نیز میتـوان تغییر داد که به آن فرآیند  فعال سازی میگوینــد و بنتونیــت هــای کلســیمی بــا ظرفیــت اتصــال ضعیفتر را میتــوان بــا هیدروکســید سدیم سودا بـه بنتونیـت سـدیمی بـا ظرفیـت اتصـال بـالا تبدیـل نمود با این حال میزان میتوان با فعال سازی به دست آورد، تحت تاثیر ویژگی های سطحی ماسه مورد استفاده در عمـل می باشد. به عنوان مثال اگر مقدار هیدروکسید سدیم مورد اسـتفاده بـرای فعـال کـردن بنتونیـت ازحـد معینـی فراتـر رود محتـوای هیدروکسـید سـدیم میتواند به شدت در مخلوط ماسه رسیوب کند به ویژه در کارخانه هایی که بازاریابی ماسه در آنها به خوبی صورت میگیــرد فلــذا نســبت ماســه کهنــه، بــالا اســت.

در نتیجـه، مقاومـت حرارتـی ماسـه کـم شـده و باعـث اتمیـزه شـدن شــدید آن می شود لــذا بــه دلیــل افزایــش ســطح ویــژه، بنتونیــت بیشــتری بایــد بــرای چســباندن دانه‌های ماســه بــه هــم اســتفاده شــود یعنــی مصــرف بنتونیــت بــالا مــیرود. مثــاً اگــر بنتونیــت فعـال شـده 1درصـد هیدروکسـید سـدیم در ماسـه قالبگیـری چـرخ فایویــل 215 کیلوگرمــی نشــان داده شــده در شــکل 1 مخلــوط شــود مصـرف بنتونیـت 15 کیلوگـرم بـر تـن میباشـد .

از طـرف دیگـر بـرای اگـر همیـن بنتونیـت دارای هیدروکسـید سـدیم بیشـتری بـود مصرف بنتونیــت تــا 42 کیلوگــرم بــر تــن افزایــش مییافــت: نتیجـه ایـن میشـود کـه علاوه بـر اینکـه ظرفیـت اتصـال بنتونیـت بــا افزایــش هیدروکســید ســدیم، کاهــش مییابــد اگــر بنتونیــت گــرم شــود مــی تــوان گفــت بــه ازای هــر C 100° ظرفیــت اتصــال بنتونیــت، کــم میگــردد درنتیجــه علاوه بــر اینکــه ظرفیــت اتصــال بنتونیـت بـا افزایـش دمـا تـا 400°C و بعـد از آن بـه ازای هـر 50°C تــا 800°C ، بــا کاهــش ظرفیــت اتصــال مواجــه خواهــد شــد شــکل 2 ظرفیــت اتصــال بنتونیت های مختلــف را در درجــه حرارتهــای مختلــف نشــان میدهــد:

منحنــی 1 مقادیــر اســتحکام بنتونیــت ســدیمی طبیعــی را نشــان میدهــد کــه میــزان بنتونیــت 6 و میــزان رطوبــت 2/4 درصــد ذرات ریــز ۷0 می باشد منحنــی 2 مشــابه مخلــوط 1 مقادیــر مقاومــت بنتونیــت محتــوی 1درصــد هیدروکســید ســدیم را نشــان میدهــد منحنی هــای 3 و 4 ظرفیــت بنتونیت های پرکاربــرد را نشــان میدهــد کــه در بازارهــای بین المللــی بــه خوبــی شــناخته شــده هسـتند بنتونیـت 3 دارای 2.5 درصـد هیدروکسـید سـدیم و بنتونیـت 4 دارای 3.5 درصــد هیدروکســید ســدیم میباشــند.

در کارخانه هایــی کــه در آن ها بازیابــی ماســه بــه خوبــی صــورت میگیــرد و نســبت ماســه کهنــه در آن ها زیــاد اســت بررســی ها نشــان میدهــد کــه بازیابــی ماســه‌هایی کــه در آن‌ها از بنتونیــت 1 اســتفاده شــده اســت بهتریــن حالــت را دارد و بازیابــی ماســه هایی کــه در آن ها از بنتونیــت 4 اســتفاده شــده اســت بدتریــن حالــت را دارا می باشــد. مصـرف بنتونیـت نیـز بـه ترتیـب شـماره گذاری افزایشـی خواهـد بـود.

افزایــش میــزان گــرد و غبــار در ماســه باعــث افزایــش ســطح ویــژه ماســه می‌شود و لــذا دانه های ماســه بــه مقادیــر بیشــتری از عوامـل اتصـال و چسـبندگی نیـاز دارنـد کـه در اینجـا منظـور بنتونیـت اســت. بنابرایــن میــزان چســبندگی مــورد نیــاز بــرای دســتیابی بــه یـک اسـتحکام خـاص بـا اضافـه شـدن سـودا افزایـش مییابـد بـه عبـارت دیگـر زیـاد بـودن سـودا باعـث افزایـش قلیائیـت ماسـه شـده و مقاومــت حرارتــی ماســه را کاهــش میدهــد و مقــدار بیشــتری از ماسـه شیشـه ای شـده و در نتیجـه دانه های ماسـه بسـیار شـکننده تر می شود یعنــی میــزان گــرد و غبــار ســطح بزرگــی را ایجــاد کــرده اسـت کـه نیـاز بـه مقادیـر بیشـتری مـواد چسـباننده دارد.

در رابطـه بـا ایـن پدیـده بایـد بـه ایـن نکتـه اشـاره کـرد کـه فعالیـت سـطحی ماسـه نقـش بسـیار مهمـی در شـکل دهـی راندمـان اتصـال دارد. مقـدار هیدروکسـید سـدیم (سـودا) در ماسـه بایـد مـورد پایـش دائمــی باشــد زیــرا همانگونــه کــه قبلاً ذکــر شــد مصــرف بنتونیــت بــا افزایــش مقــدار هیدروکســید ســدیم (ســودا) افزایــش مییابــد و باعـث کاهـش کیفیـت ماسـه قالب گیـری خواهـد شـد بـرای بـه حداقل رســاندن عیــوب ناشــی از انبســاط حرارتــی بایــد علاوه بــر مــوارد فوق الذکـر عوامـل دیگـری از جملـه ماسـه نیـز در نظـر گرفتـه شـوند.

ماسه:

یکنواختــی بــه انــدازه دانه‌هــای ماســه از اهمیــت بالایی برخــوردار اســت در صــورت امــکان بایــد از ماســه ای اســتفاده کــرد کــه حداقــل 20 درصـد از کل دانه هـای ماسـه دارای قطـر 0.3 تـا 0.4 میلیمتـر و 20 درصـد دارای قطـر 0.2 تـا 0.3 میلیمتـر و 20 درصـد دارای قطـر 0.15 تـا 0.2 میلیمتـر و 20 درصـد دارای قطـر 0.1 تـا 0.15 میلیمتـر باشـند، میـزان غبــار بایــد کمتــر از 1درصــد باشــد (خــط کامــل در شــکل 3) توزیــع انــدازه دانه هــای ماســه اگــر طبــق خــط چین هــا در شــکل 3 باشــد نتایـج نامطلوبـی بـه بـار خواهـد آورد.

خــط کامــل در شــکل 3 در هنــگام اســتفاده از هــر نــوع مــواد چســباننده دارای بیشــترین اســتحکام و کمتریــن انبســاط حرارتــی خواهـد بـود. کنتـرل مـداوم PH ماسـه نیـز خیلـی مهـم اسـت چـرا کـه بنتونیت هـا بـه هـر دو حالـت اسـیدی و قلیایـی بسـیار حسـاس هســتند فراتــر از یــک حــد مشــخص، هــر دو ظرفیــت اتصالــی بنتونیـت را کاهـش می دهنـد اگـر مـواد دیگـری بـه غیـر از بنتونیـت نیــز بــه یــک مخلــوط ماســه اضافــه شــوند بهتــر اســت تاثیــر آنهــا روی بنتونیــت بررســی گــردد.

بــه عنــوان مثــال پــودر زغــال نیــز در صورتـی کـه مقـدار گوگـرد آن بیشـتر از 1درصـد باشـد نیـز می توانـد اثـر مضـری داشـته باشـد،. اسـیدیته زیـاد مـواد مخلـوط شـونده بـا ماسـه تاثیـرات نامطلوبـی بـر روی کیفیـت ماسـه دارد بـرای جلوگیـری از ایـن امـر یـک گـرم بنتونیـت را در 20 سـانتیمتر مکعـب آب مقطـر حـل کـرده و چنـد قطـره از مـواد را بـه محلـول اضافـه میکننـد اگـر ایـن مـواد در محلـول کلوئیـدی، بنتونیـت شـکننده ایجـاد کنـد بدیـن معنــی اســت کــه نمیتــوان از آن در مخلوط هــای ماســه حــاوی بنتونیــت اســتفاده کــرد ولــی اگــر چنیــن رســوب گــذاری رخ ندهــد یعنــی بــر مقاومــت مخلــوط ماســه تاثیــر منفــی نخواهــد داشــت.

در هنـگام قالب گیـری میـزان رطوبـت ماسـه قالـب گیـری از اهمیـت بالایـی برخـوردار اسـت بایـد سـعی داشـت کـه مـوادی کـه تولیـد گاز میکننـد در ماسـه کـم و کمتـر باشـند بـا ایـن حـال توزیـع یکنواخـت رطوبــت در مخلــوط ماســه حــاوی بنتونیــت کار آســانی نیســت، زیــرا ظرفیـت بـالای جـذب آب توسـط بنتونیـت مانـع از توزیـع یکنواخـت رطوبـت در مخلـوط ماسـه میشـود بـرای جلوگیـری از ایـن امـر بایـد از اختـاط بـه اصطـاح کسـری اسـتفاده کـرد کـه اساسـا بـه گونـه ای انجـام می‌شـود، کـه ابتـدا مقـدار لازم آب بـه محلـول یـا بـه عبـارت صحیح تــر بــه ماســه مخلــوط شــده اضافــه گــردد و در صورتــی کــه مقــدار بنتونیــت از 2 درصــد بیشــتر شــود در ابتــدا فقــط بخشــی از آن یعنــی 1/4 تــا 1/5 وارد مخلــوط کــن میگــردد بقیــه بنتونیــت کــه بایــد اضافــه گــردد تنهــا در صورتــی میتوانــد افــزوده شــود کــه ایـن مقـدار قبلاً بـه صـورت قابـل مشـاهده و یکنواخـت توزیـع شـده باشـد حتـی در هنـگام اسـتفاده از همـان بنتونیـت.

ماسه ای کـه بـه ایـن ترتیـب تهیـه میشـود اسـتحکام بیشـتری نسـبت بـه ماسه ای دارد کــه یکبــاره مقــدار کامــل بنتونیــت بــه آن اضافــه شــده اســت مزیـت ایـن روش ایـن اسـت کـه آب موجـود در مخلـوط ماسـه کامـاً بـه طـور یکنواخـت توزیـع شـده و نفوذپذیـری گازی ماسـه افزایـش مییابــد زمــان اختــاط ایــن فراینــد نســبت بــه فراینــد اختــاط معمولــی بیشــتر نیســت و خرابــی ســطحی ماســه بــه خصــوص در قالب هایــی کــه مــدت طولانــی انتظــار داشته اند کمتــر اســت .

افزایـش اسـتحکام از طریـق اختـاط کسـری و جـز بـه جـز همچنیـن باعـث کاهـش مقـدار مصـرف بنتونیـت نیـز می‌شـود نتیجـه مصـرف آب نیــز میتوانــد کاهــش یابــد در برخــی ماســه های بنتونیتــی مقــدارC بســته بــه نــوع آب و هــوا بیــن 1.5 تــا 2.5 متغیــر اســت (در هـوای مرطـوب و خنـک بـه سـمت مقادیـر کوچکتـر و در هـوای خشــک و گــرم بــه ســمت مقادیــر بالاتــر تغییــر میکنــد)

مقـدار صحیـح C بـه صـورت تجربـی بـه دسـت می آید بـه عنـوان مثــال اگــر بنتونیــت موجــود در مخلــوط ماســه 5 درصــد و هــوا خشـک و گـرم باشـد رطوبـت مخلـوط ماسـه در مخلـوط کـن از رابطـه زیــر محاســبه می شود:

برای تعییــن میــزان صحیـح رطوبـت میتــوان از اندازه گیری فشــار گاز خروجـی از ماسـه اسـتفاده کـرد گفتـه می‌شـود رطوبـت ماسـه در صورتـی مضـر اسـت کـه فشـار گاز ماسـه از cmWS 20 بیشـتر شـود. ریخته گری در قالــب ماســه ای کــه فشــار گاز آن بالاتــر از cmWS 30 باشـد غیـر مجـاز اسـت.

در برخــی از فرآیندهــای ریخته گری بایــد مــواد آلــی مختلفــی نیــز بـه مخلـوط ماسـه اضافـه شـوند ماننـد پـودر زغـال (یـا زغـال سـنگ) مقــدار پــودر زغــال بــه ضخامــت قطعــات ریختگــی بســتگی دارد. مقـدار پـودر زغـال را نبایـد بـه حـدی افزایـش داد کـه فشـار گاز ایجاد شـده در قالـب از cmWS 20 بیشـتر شـود. دانه بندی و ظرافـت پـودر زغــال بســته بــه انــدازه قطــر دانه های ماســه مخلــوط بــه راحتــی انتخــاب می‌شود بــه طــور کلــی انــدازه متوســط دانــه پــودر زغــال بایــد 0.1 میلیمتــر کمتــر از میانگیــن قطــر دانه های ماســه مخلــوط باشـد.

بدیـن معنـی کـه اگـر مثـلاٌ قطـر دانه های ماسـه مخلـوط 25 میلیمتــر باشــد نزدیکتریــن قطــر دانــه پــودر زغــال خواهــد بــود. پـودر زغـال مرغـوب بایـد حداقـل 30 درصـد اجـزای فرار داشـته باشـد و میـزان خاکسـتر آن 8 درصـد نبایـد تجـاوز کنـد. همانگونـه کـه قبلاً نیـز ذکـر شـد میـزان گوگـرد پـودر زغـال نبایـد از 1درصـد تجـاوز کنـد یـن امـر هنـگام بررسـی پیوندهـای بنتونیتـی بـرای اثـرات اسـتحکام ســطحی اهمیــت فزاینــدهای پیــدا میکنــد.، میــزان اســتحکام پیوندهــا (صــرف نظــر از بنتونیــت) بــه شــدت تحــت تاثیــر شــرایط ماســه و خــواص ســطحی آن اســت آزمایشــگاه های اندکــی وجــود دارنــد کــه توانایــی انجــام چنیــن چیــزی را داشــته باشــند.

بنابرایــن توصیــه شــده اســت کــه شرکت های اســتخراج و تولیــد بنتونیــت بــا آزمایشگاه های فــوق مجهــز در اختیــار شــرکت های ریخته گری باشــند تــا بــر اســاس نمونــه ماســه نــه تنهــا مناســب ترین فنــاوری بلکــه مناســب ترین نــوع بنتونیــت را بتواننــد تعییــن کننــد. البتـه ایـن امـر نبایـد کارهـای تحقیقاتـی و پژوهشـی را روی توسـعه جهانـی بنتونیـت کـه بـرای هـر هـدف مناسـبی را متوقـف کنـد.

جمع بندی:

در مقالـه حاضـر، شـرایط اساسـی بـرای تولیـد قطعـات ریختگـی کـم هزینـه مـورد بحـث قـرار گرفـت بـا توجـه بـه دانـش کنونـی صنعـت ریختگـی قطعاتـی بـا وزن و انـدازه کوچـک را میتـوان بـا اسـتفاده از قالب هـای ماسـه بنتونیتـی تولیـد نمـود. دسـتورالعمل هایی کـه قبلاً بــرای تعییــن کیفیــت اســتفاده میشــد بــه دلیــل ســاختار پیچیــده بنتونیـت و پدیده هـای شـیمیایی متعـدد تصویـر کاملـی از بنتونیـت در صنعـت ریخته‌ گـری ارائـه نمیدهـد لـذا در ایـن پژوهـش تلاش شــده اســت تــا دســتورالعمل های عملــی را بــه کاربــران بنتونیــت ارائـه شـود.

منبع:  AUS DER INDUSTRIE

منبع فارسی: ماهنامه مرداد 1403 – صنعت ریخته گری

گردآوری و نگارش: حمیدرضا زمردی