Волгоградский государственный технический университет, Волгоград, Россия

Н. А. Кидалов, заведующий кафедрой «Машины и технология литейного производства (МиТЛП), докт. техн. наук, профессор
А. А. Белов, доцент кафедры МиТЛП, канд. техн. наук, эл. почта: aa-belov@bk.ru
Н. В. Белова, доцент кафедры МиТЛП, канд. техн. наук
С. Р. Поляк, аспирант кафедры МиТЛП

Изучено формирование остаточной прочности песчано-жидкостекольных смесей в условии взаимодействия пленок силикатов натрия с комплексной технологической добавкой после прокалки стандартных цилиндрических образцов при температуре 800 °C, что позволяет оценить выбиваемость литейных форм и стержней, используемых для получения крупногабаритного стального литья. В качестве компонентов технологической добавки использовали огнеупорную формовочную глину (ГОСТ 3226–93), металлургическую пыль (IV класс опасности по ФККО), образующуюся в процессе очистки газов, отходящих от дуговых сталеплавильных печей, а также отработанную кофейную гущу (V класс опасности по ФККО), представляющую собой отход, возникающий в результате помола зернового кофе и последующей экстракции при его приготовлении в кофемашинах. Последний при этом является новым для литейного производства материалом, доля органической составляющей в котором в зависимости от сорта кофе и региона выращивания, согласно предварительному информационно-аналитическому обзору и определению элементного состава отработанной кофейной гущи методом рентгенофлуоресцентного анализа на спектрометре EDX-8000 составляет 98–99 %. Стабильность состава и доступная сырьевая база данного отхода, вызванная отечественной популяризацией кофе, сопутствующей ростом его потребления, а также отсутствие системы его централизованной переработки и утилизации позволяют рассматривать отработанную кофейную гущу в качестве одного из разупрочняющих компонентов в составах формовочных и стержневых смесей. В результате определения физико-механических свойств установлено положительное влияние комплексной добавки на формирование сырой и остаточной прочности исследуемых песчано-жидкостекольных смесей за счет повышения адгезионных связей в системе «кварцевый песок – технологическая добавка – жидкое стекло» во влажном состоянии и нарушения целостности пленок связующего после прокалки стержней при температуре, характерной прогреву смеси в условиях крупногабаритного стального литья вследствие термодеструкции органической составляющей отработанной кофейной гущи и сдвига температурного пика второго максимума остаточной прочности смеси в область более высоких температур, возникающего при химическом взаимодействии силикатов натрия и оксида железа, входящего в состав металлургической пыли.

Исследование выполнено за счет средств программы развития ВолгГТУ «Приоритет 2030» в рамках научного проекта № 8/647-24.

1. Жуковский С. С. Холоднотвердеющие связующие и смеси для литейных стержней и форм : справочник. — Москва, 2010. — 256 с.
2. Kidalov N. A., Adamova A. S., Grigoreva N. V. Selection of technological additives to the composition of the moulding mixtures based on water glass // International Journal of Cast Metals Research. 2021. Vol. 34, Iss. 3-6. P. 162–168.
3. Кидалов Н. А., Белова Н. В., Белов А. А., Адамова А. С. Разупрочнение песчаных смесей на жидкостекольном связующем в результате термоокислительной деструкции комбинированной углеродосодержащей добавки. Часть 1 // Черные металлы. 2022. № 12. C. 24–29.
4. Леушин И. О., Кошелев О. С., Леушина Л. И., Марков А. И. Производство стержней для стального и чугунного литья из смесей со связующим на основе комбинации неорганических солей // Черные металлы. 2022. № 1. С. 37–41.
5. Пат. 2813028 C1 РФ. Смесь для изготовления литейных форм и стержней и способ ее приготовления / Леушин И. О., Титов А. В., Ракитин С. Р. ; заявл. 29.11.2023 ; опубл. 06.02.2024.
6. Пат. 2793659 C1 РФ. Смесь для изготовления литейных форм и стержней / Леушин И. О., Титов А. В., Ракитин С. Р. ; заявл. 12.12.2022 ; опубл. 04.04.2023.
7. Свинороев Ю. А., Гутько Ю. И., Батышев К. А., Семенов К. Г. Разупрочняющие добавки песчано-жидкостекольных смесей при производстве отливок из чугуна и стали // Литейное производство. 2021. № 6. С. 13–17.

8. Пат. 2820856 C1 РФ. Применение отработанной кофейной гущи в качестве разупрочняющей технологической добавки для изготовления литейных форм и стержней из песчаных смесей на жидкостекольном связующем / Кидалов Н. А., Белова Н. В., Белов А. А. и др. ; заявл. 27.12.2023 ; опубл. 11.06.2024.
9. Эйтель В. Физическая химия силикатов. — пер. с англ. А. А. Леонтьевой и др. ; под ред. и предисл. Н. Н. Курцевой. — Москва : Изд-во иностр. лит., 1962. — 1055 с.
10. ГОСТ 2138–91. Пески формовочные. — Введ. 01.01.1993.
11. ГОСТ 3226–93. Глины формовочные огнеупорные. — Введ. 01.01.1995.
12. ГОСТ 13078–2021. Стекло натриевое жидкое. — Введ. 01.05.2022.
13. ГОСТ 23409.7–78. Пески формовочные, смеси формовочные и стержневые. Методы определения прочности при сжатии, растяжении, изгибе и срезе. — Введ. 01.01.1980.
14. ГОСТ 23409.9–78. Смеси формовочные и стержневые. Метод определения осыпаемости. — Введ. 01.01.1980.
15. ГОСТ 23409.10–78. Смеси формовочные и стержневые. Метод определения гигроскопичности. — Введ. 01.01.1980.
16. Бречко А. А., Великанов Г. Ф. Формовочные и стержневые смеси с заданными свойствами. — Л. : Машиностроение : Ленингр. отд-ние, 1982. — 216 с.
17. Боровский Ю. Ф., Шацких М. И. Формовочные и стержневые смеси. — Л. : Машиностроение : Ленингр. отд-ние, 1980. — 86 с.
18. Леушин И. О., Титов А. В., Маслов К. А. Применение отходов различных производств в качестве разупрочняющих добавок для литейных стержней // Литейное производство. 2022. № 8. С. 18–22.
19. Dang C. H., Nguyen T. D. Physicochemical characterization of robusta spent coffee ground oil for biodiesel manufacturing // Waste Biomass Valor. 2019. Vol. 10. P. 2703–2712.
20. Bejenari V., Marcu A., Ipate A., Rusu D. et al. Physicochemical characterization and energy recovery of spent coffee grounds // Journal of Materials Research and Technology. 2021. Vol. 15. P. 4437–4451.
21. Верещагин В. И., Борило Л. П., Козик А. В. Физико-химическое изучение пористых композиционных материалов на основе SiO₂ // Химия и химическая технология. 2003. Т. 46. № 8. С. 138–140.