Hovedtræk ved lergrønt sand er, at det er nemt at forme. Den kan laves i den ønskede form ved at støde og komprimere. Derudover er de anvendte råvarer, såsom silicasand, ler, kulpulver og andre tilsætningsstoffer, billige og rigelige. Derfor, i nutidens blomstrende udvikling af forskellige støbeprocesser, har støbeprocessen for lergrønt sand stadig en absolut fordel i støbeindustrien.
De grundlæggende komponenter i lergrønt sand er silicasand, bentonit og vand. I lergrønt sand, der bruges til fremstilling af jernstøbegods, er kulpulver et uundværligt tilsætningsstof, som spiller en meget vigtig rolle i at forbedre overfladekvaliteten og dimensionsstabiliteten af støbegods. Dårlig kvalitet, forkert valg eller uhensigtsmæssig tilsætning af kulpulver vil føre til en stigning i overfladedefekter på støbegods (såsom sandadhæsion, porer, ekspansionsfejl osv.), hvilket ikke kun vil øge skrothastigheden, men også øge arbejdsbyrden af støberensning.
I de sidste 30 år er der blevet forsket meget for at finde alternative materialer til kulpulver, men til dato er kulpulver stadig det mest udbredte additiv og det mest omkostningseffektive additiv.
1．Kulforekomster
Kul er et produkt af kuldannelse over en lang geologisk periode, hvor gamle planter blev aflejret i lag og begravet under vand eller under forhold med tilstrækkeligt vand. På grund af de forskellige kuldannelsesgrader kan den opdeles i fire kategorier: tørv, brunkul, bituminøst kul og antracit. På grund af forskellige dannelsesforhold kan det samlede kulstofindhold i forskellige kul være mellem 49% og 97%. Antracit har den længste mineraliseringsperiode, og kulpulver til støbning er lavet af bituminøst kul.
Bituminøst kul er kul med en høj grad af forkulning, som er gråsort til sort og brunt til sort efter knusning. I henhold til de forskellige flygtige stoffer og kolloidindhold kan bituminøst kul opdeles i langflammende kul, gaskul, fedtkul, kokskul og magert kul.
Langflammende kul og gaskul med højt indhold af flygtige stoffer vil først danne en masse ustabile lavkogende væskefaser, når de opvarmes, og derefter hurtigt nedbrydes til gas og undslippe. Den resterende væskefase er ikke nok til at få de resterende partikler til at hænge sammen (kan ikke koks). Magert kul med lavt indhold af flygtige stoffer kan danne en flydende fase med et højere kogepunkt ved termisk nedbrydning, men mængden er ikke stor og rækker ikke til koks. Fedtkul og kokskul har moderat indhold af flygtige stoffer og kan danne flere flydende faser ved opvarmning, hvilket er let at få de resterende partikler til at hænge sammen (koks). Kulpulver til støbning er hovedsageligt fremstillet af fedtkul og kokskul.
Forskellige ændringer, der opstår, når bituminøst kul opvarmes
Når bituminøst kul opvarmes, fjerner det først fugt, derefter nedbrydes og frigiver flygtige stoffer. Nedbrydningen af bituminøst kul kan groft opdeles i fire stadier.
Det første trin er under 200 grader, vand fjernes og en lille mængde CO2 frigives. Reaktionshastigheden i dette trin er lav.
Andet trin: 200-350 grad , udover at fortsætte med at frigive vanddamp og CO2, begynder CO at blive frigivet, og en lille mængde tjære udfældes, hvilket kan betragtes som det indledende trin af pyrolyse.
Tredje trin: 350-550 grad, hastigheden af nedbrydningsreaktionen stiger, nedbrydningsprodukterne er hovedsageligt lavmolekylære carbonhydrider og andre organiske forbindelser, og tjære udfældes grundlæggende i dette trin. Bituminøst kul gennemgår også processen med blødgøring-smeltning-størkning og processen med volumensammentrækning-ekspansion-sammentrækning.
Ved ca. 350-390 grad bliver bituminøst kul gradvist blødt og krymper i volumen. Derefter begynder det at smelte, og væskefasen øges gradvist og danner et kolloid blandet med faststof, væske og gas. I det tidlige stadie, på grund af den stigende mængde udfældet gas, udvider kolloidets volumen sig hurtigt. Efter at gassen er udfældet i et vist omfang, falder mængden af nedbør kraftigt, og kolloidets volumen skrumper tilsvarende. Til sidst størkner kolloidet til et porøst fast stof, kaldet semi-koks. Generelt er volumenændringen af bituminøst kul i dette trin vist i figur 1. Figur 1 Volumenændring af bituminøst kul under opvarmning
C - Indledende volumenkrympning;
S - Den efterfølgende volumenudvidelse;
D - Samlet volumenudvidelse.
I det fjerde trin, over 550 grader, bliver der fortsat udfældet forskellige gasser, herunder vanddamp, CO2, CO, H2, methan, acetylen og ammoniak, og semi-koks omdannes til koks.
De gasser, der produceres i tredje og fjerde trin, kan kondensere på den varme faste overflade for at danne en grafitlignende film med et højt kulstofindhold, som normalt kaldes lyst kulstof. Blandt forskellige kulbrintestoffer er aromatiske kulbrinter mest tilbøjelige til at blive pyrolyseret til at danne lyst kulstof.
3．Dannelse af sandadhæsion på overfladen af stål- og jernstøbegods
Efter at det smeltede metal er sprøjtet ind i formen, vil der forekomme en række fysiske, kemiske og fysisk-kemiske reaktioner mellem metallet, formmaterialet og atmosfæren i formen ved metal-form-grænsefladen. Sandklæbning er et af de omfattende resultater af disse mange reaktioner. Blandt dem spiller FeO en yderst vigtig rolle.
Smeltepunktet for FeO er omkring 1370 grader, hvilket er højere end smeltepunktet for almindeligt støbejern. Men når FeO kommer i kontakt med silicasand, er det let at generere fayalit (Fe2SiO4) med et smeltepunkt på 1205 grader. Fayalite kan generere to eutektika med SiO2 eller FeO med et smeltepunkt på omkring 1130 grader. Hvis der er ler eller andre alkaliske oxider på overfladen af sandpartikler, kan der også dannes silikater med lavere smeltepunkter.
Da det smeltede metal i sig selv indeholder en vis mængde ilt, vil væskestrømmen blive oxideret af ilt i atmosfæren under jern- (stål)- og støbeprocessen. Det vil også blive oxideret af atmosfæren i formen ved begyndelsen af at komme ind i formhulen. Efter at det smeltede metal kommer ind i formen, eksisterer FeO ved metal-form-grænsefladen. Under påvirkning af det statiske metaltrykhoved vil FeO klæbe til overfladen af sandkornene og danne lavtsmeltende silikater med sandkorn og ler, og overfladen af sandkornene vil blive smeltet. Når metallet endnu ikke er størknet, presses de lavtsmeltende silikater nær grænsefladen ind i dybden af sandformen. Da mellemrummene mellem sandkornene er udvidet, og der er silikater på overfladen af sandkornene, som let vædes af det smeltede metal, kan det smeltede metal trænge ind i mellemrummene mellem sandkornene og pakke de sandkorn, der ikke har blevet smeltet og danner klæbrigt sand. Denne proces er groft vist i figur 2.
Figur 2 Visning af dannelsesprocessen for støbesandsadhæsion
a) Det smeltede metal kommer i kontakt med overfladen af formen, og metaloverfladen oxideres;
b) FeO danner smeltelige silikater i kontakt med silicasand og ler;
