Исследование применения диатомитового наполнителя в составе разделительного состава для литьевых труб

Характеристики диатомитового наполнителя и механизм извлечения литых труб из формы

Диатомитовый наполнитель, являясь природным неорганическим минеральным материалом, продемонстрировал уникальную ценность в области применения разделительных смазок для литых труб. Этот пористый материал, образованный в результате отложения древних диатомовых ископаемых, в основном состоит из аморфного диоксида кремния (содержание SiO₂ обычно более 85%), обладает высокой твердостью (твердость по шкале Мооса 4-5), высокой пористостью (60-90%), большой удельной площадью поверхности (15-60 м²/г) и превосходной термостойкостью (выдерживает температуры свыше 1200 °C). Эти физические и химические свойства диатомита делают его идеальным твердым смазочным компонентом для высокоэффективных разделительных смазок для литых труб.

В процессе производства литьевых труб диатомитовый наполнитель играет роль извлекателя из формы, в основном, посредством трех механизмов: во-первых, микронные частицы диатомитового наполнителя образуют физический изолирующий слой между формой и литейной трубой, уменьшая прямой контакт между металлом и формой; во-вторых, пористая структура диатомитового наполнителя может поглощать органические компоненты в жидком извлекающем средстве, обеспечивая контролируемое высвобождение; в-третьих, слоистая структура диатомитового наполнителя обеспечивает скользящий эффект при высокой температуре, снижая коэффициент трения на границе раздела. Исследования показали, что добавление необходимого количества диатомитового наполнителя в извлекающее средство может снизить усилие извлечения литейной трубы из формы на 30-50%, значительно повышая эффективность производства и качество поверхности литейной трубы.

Ключевая роль наполнителя на основе диатомита в составе разделительного состава

При разработке состава разделительного состава для литых труб диатомитовый наполнитель обычно используется в качестве функциональной твёрдой смазки, а его содержание регулируется в диапазоне 5–25% в соответствии с требованиями конкретного технологического процесса. По сравнению с традиционными твёрдыми смазками, такими как графит и тальк, диатомитовый наполнитель обладает более сбалансированными характеристиками: его умеренная твёрдость позволяет эффективно изолировать форму и отливку, не вызывая чрезмерного износа поверхности формы; его пористая структура позволяет поглощать и медленно выделять органические компоненты разделительного состава, увеличивая эффективное время извлечения из формы; его химическая инертность обеспечивает хорошую совместимость с различными основами разделительного состава.

Применение диатомитового наполнителя в разделительных смазках на основе растворителя особенно типично. В таких системах после модификации поверхности диатомитовый наполнитель может быть равномерно диспергирован в органических растворителях (таких как минеральное масло, синтетические эфиры и т.д.) с образованием стабильной суспензионной системы. При распылении разделительного состава на высокотемпературную поверхность формы растворитель быстро испаряется, а диатомитовый наполнитель и пленкообразующие вещества, такие как смола, совместно образуют термостойкую изоляционную пленку. Экспериментальные данные показывают, что разделительный состав на основе растворителя, содержащий 15% диатомитового наполнителя, может образовывать равномерный изоляционный слой толщиной 5–10 мкм на поверхности формы при температуре 600–800 °C, что повышает вероятность успешного извлечения чугунных труб из формы более чем до 99%.

В разделительных смазках на водной основе диатомитовые наполнители играют более разнообразную роль. Помимо основной смазывающей функции, диатомитовые наполнители также могут улучшать реологические свойства разделительного состава, предотвращать осаждение твердых компонентов, повышать высокотемпературную стабильность разделительной пленки и регулировать скорость высыхания разделительного состава. Благодаря специальной технологии обработки поверхности (например, модификации силановым связующим агентом) диатомитовые наполнители могут сохранять хорошую дисперсионную стабильность в водной фазе, предотвращая агломерацию и засорение распылительного пистолета. Разделительный состав на водной основе, содержащий диатомитовые наполнители, разработанный одной компанией, достиг эффекта разделения, сопоставимого с эффектом традиционных продуктов на основе растворителей в реальном производстве, при одновременном снижении выбросов ЛОС более чем на 80%.

Технические преимущества и оптимизация эксплуатационных характеристик диатомитовых наполнителей

По сравнению с традиционными разделительными составами, диатомитовые наполнители демонстрируют множество технических преимуществ при распалубке литых труб. Благодаря своей микроскопической структуре диатомитовые наполнители обладают уникальными характеристиками «поры в порах» – структурой, в которой сосуществуют макропоры (1–5 мкм) и мезопоры (10–50 нм), что обеспечивает им превосходные адсорбционные свойства и поверхностную активность. Испытания на адсорбцию азота показывают, что удельная поверхность по БЭТ высококачественных диатомитовых наполнителей может достигать 40–60 м²/г, а объем пор – 0,8–1,2 см³/г. Эти характеристики позволяют им эффективно переносить различные активные компоненты для распалубки.

С точки зрения термостабильности диатомитовый наполнитель демонстрирует выдающиеся эксплуатационные характеристики при высоких температурах. Термогравиметрический анализ (ТГА) показывает, что диатомитовый наполнитель практически не меняет массу при температуре 1000 °C, что значительно лучше, чем у многих органических компонентов для выемки из формы. Исследования с помощью высокотемпературной микроскопии подтверждают, что пленка для выемки из формы, содержащая диатомитовый наполнитель, сохраняет свою структуру при температуре 700 °C, в то время как пленка обычного компонента для выемки из формы при этой температуре, очевидно, разрушается. Эта особенность особенно важна для высокотемпературных процессов формования, таких как центробежное литье.

Чтобы в полной мере использовать преимущества диатомитового наполнителя при распалубке, в отрасли был разработан ряд технологий оптимизации:

1. Контроль размера частиц: путем фракционирования получают диатомитовый наполнитель с D50=5-15мкм, что обеспечивает хорошую суспензию и не влияет на эффект распыления струей;

2. Модификация поверхности: использование силанового связующего агента для улучшения совместимости диатомитового наполнителя с органической системой и повышения прочности разделительной пленки;

3. Оптимизация структуры пор: регулировка распределения размеров пор диатомитового наполнителя путем травления или термической обработки для улучшения несущей способности активных компонентов при извлечении из формы;

4. Модификация композита: смешивание наполнителя на основе диатомита с наноматериалами (например, нанодиоксидом кремния) для дальнейшего улучшения характеристик извлечения из формы.

Экспериментальные данные показывают, что оптимизированный диатомитовый наполнитель позволяет существенно улучшить основные эксплуатационные показатели разделительной смазки: срок службы пресс-формы увеличивается на 30–50%, шероховатость поверхности отлитой трубы снижается на 20–40%, а расход разделительной смазки сокращается на 15–25%. Эти улучшения напрямую снижают общую стоимость производства литых труб.

Примеры применения и оценка эффекта

В реальном производстве литых труб разделительные составы, содержащие диатомитовый наполнитель, продемонстрировали впечатляющие результаты. На примере линии центробежного литья труб крупного трубопрокатного предприятия, после модификации разделительного состава диатомитовым наполнителем, параметры производственного процесса были полностью оптимизированы: давление распыления разделительного состава снизилось с 0,6 до 0,4 МПа, а объем распыления уменьшился на 20%; допустимый диапазон температур пресс-формы увеличился с 450-550 ℃ до 400-600 ℃; а процент успешного извлечения из формы увеличился с 95% до 99,5%. Эти усовершенствования позволили сэкономить около 750 000 юаней годовых затрат на одной производственной линии.

При статическом литье труб большого диаметра из высокопрочного чугуна разделительные составы с диатомитовым наполнителем демонстрируют уникальные преимущества. Традиционные разделительные составы не всегда соответствуют требованиям к качеству поверхности отливок, предъявляемым к их извлекаемости из формы. Композитный разделительный состав с диатомитовым наполнителем образует на поверхности формы равномерный термостойкий изоляционный слой, что обеспечивает не только плавную извлечение из формы, но и шероховатость поверхности отлитой трубы до Ra≤12,5 мкм, что сокращает объем последующей механической обработки. Контроль качества показывает, что уровень дефектов поверхности литых труб, изготовленных с использованием разделительных составов с диатомитовым наполнителем, снизился с 3,2% до 0,8%.

Сравнение эксплуатационных характеристик показало, что разделительный состав на основе диатомита превосходит традиционные продукты по многим ключевым показателям:

Температурная стойкость: стабильная рабочая температура разделительного состава на основе диатомита может достигать 800 ℃, в то время как продукты на основе графита обычно ограничены 600 ℃;

Эффект извлечения из формы: При тех же условиях усилие извлечения из формы, необходимое для разделительного состава на основе диатомита, на 30–40 % ниже, чем для изделий на основе талька;

Качество литых труб: дефекты поверхностных включений литых труб, изготовленных с применением разделительного состава на основе диатомита, снижаются более чем на 50%;

Экономичность: хотя цена за единицу разделительного состава на основе диатомита относительно высока, его общий расход невелик, срок службы формы длительный, а общие затраты снижаются на 15–20%.

Особого внимания заслуживает экологичность разделительных смазок на основе диатомита. По сравнению с традиционными графитосодержащими разделительными смазками, диатомитовые разделительные смазочные ...

Тенденции и перспективы развития отрасли

Поскольку литейная промышленность развивается в направлении повышения качества и экологичности, применение диатомитового наполнителя в разделительных составах будет демонстрировать следующие тенденции развития:

Высокая эффективность: разработка разделительных составов на основе диатомита специально для литых труб специального назначения (например, биметаллических композитных труб, труб из высокохромистого чугуна и т.д.) для удовлетворения более высоких технологических требований. Благодаря поверхностной наномодификации и композитной модификации диатомита разделительный состав может адаптироваться к сверхвысоким температурам выше 1400 °C.

Функциональная интеграция: придание разделительным смазкам на основе диатомита дополнительных функций, таких как защита пресс-форм (ингибиторы коррозии, загруженные в диатомитовые наполнители), модификация поверхности литых труб (легирующие элементы, загруженные в диатомитовые наполнители) и т. д. Исследования показали, что разделительные смазки на основе диатомита, содержащие специальные добавки, могут продлить срок службы пресс-форм еще на 20–30 %.

Улучшение экологической ситуации: Разработка разделительной системы на основе диатомита на водной основе для полной замены растворителей на основе минеральных масел. Тонкая обработка поверхности диатомита решает отраслевую проблему недостаточной смазывающей способности разделительных смазок на водной основе. Экспериментальный продукт достиг содержания ЛОС <50 г/л и степени биоразлагаемости >90%.

Интеллектуальное применение: В сочетании с технологиями Интернета вещей разработана интеллектуальная система распыления разделительного состава на основе диатомита. Благодаря мониторингу температуры и состояния поверхности пресс-формы в режиме реального времени параметры распыления разделительного состава, содержащего диатомит, динамически корректируются для достижения точного контроля дозировки, что, как ожидается, позволит сэкономить еще 10–15% расхода разделительного состава.

Анализ рынка показывает, что среднегодовой темп роста мирового производства литых труб составляет около 3–5%, а объём рынка соответствующих разделительных составов к 2025 году достигнет 800–1 млрд долларов США. По мере развития технологии применения диатомитового наполнителя ожидается, что его проникновение в разделительные составы для литых труб увеличится с нынешних 20% до 35–40%. Особенно в сфере производства высококачественных литых труб и труб большого диаметра разделительные составы на основе диатомита могут стать основным выбором.

С точки зрения производственной цепочки, производство диатомитовых наполнителей в будущем будет уделять больше внимания специализированному разделению труда: производство базовых наполнителей будет развиваться в сторону масштабирования и стандартизации; практическое применение будет направлено на разработку специальных модифицированных продуктов для различных процессов литья. Создание базы данных по применению и стандартов оценки эффективности диатомитовых наполнителей в разделительных составах также станет важной базовой работой для развития отрасли.

В целом, диатомитовые наполнители меняют технический ландшафт разделительных смазок для литых труб благодаря своему уникальному сочетанию свойств. Ожидается, что по мере углубления исследований в области их применения и совершенствования систем производства диатомитовые наполнители станут основным компонентом нового поколения высокоэффективных разделительных смазок, обеспечивая ключевую материальную поддержку для повышения качества и перехода литейной промышленности на экологически чистые технологии. Эксперты прогнозируют, что применение диатомитовых наполнителей в области разделительных смазок будет расти в среднем на 8–10% в год в течение следующих пяти лет, став важной точкой роста на рынке неметаллических минеральных функциональных материалов.