السمة الرئيسية للرمال الخضراء الطينية هي سهولة تشكيلها. يمكن تصنيعها بالشكل المطلوب عن طريق الصدمة والضغط. بالإضافة إلى ذلك، فإن المواد الخام المستخدمة، مثل رمل السيليكا والطين ومسحوق الفحم والمواد المضافة الأخرى، رخيصة الثمن ومتوفرة. ولذلك، في التطور المزدهر اليوم لعمليات الصب المختلفة، لا تزال عملية صب الرمل الأخضر الطيني تتمتع بميزة مطلقة في صناعة الصب.
المكونات الأساسية للرمل الأخضر الطيني هي رمل السيليكا والبنتونيت والماء. في الرمل الأخضر الطيني المستخدم في صنع المسبوكات الحديدية، يعد مسحوق الفحم مادة مضافة لا غنى عنها، والتي تلعب دورًا مهمًا للغاية في تحسين جودة السطح واستقرار الأبعاد للمسبوكات. سوف تؤدي الجودة الرديئة أو الاختيار غير المناسب أو الإضافة غير المناسبة لمسحوق الفحم إلى زيادة العيوب السطحية للمسبوكات (مثل التصاق الرمل، والمسام، وعيوب التمدد، وما إلى ذلك)، الأمر الذي لن يؤدي إلى زيادة معدل الخردة فحسب، بل سيؤدي أيضًا إلى زيادة عبء العمل تنظيف الصب.
على مدى الثلاثين عامًا الماضية، تم إجراء الكثير من الأبحاث للعثور على مواد بديلة لمسحوق الفحم، ولكن حتى الآن لا يزال مسحوق الفحم هو المضاف الأكثر استخدامًا والأكثر فعالية من حيث التكلفة.
1．رواسب الفحم
الفحم هو نتاج التفحم على مدى فترة جيولوجية طويلة عندما تم ترسيب النباتات القديمة في طبقات ودفنها تحت الماء أو في ظروف توفر كمية كافية من الماء. نظرًا لاختلاف درجات التفحم، يمكن تقسيمها إلى أربع فئات: الخث، واللجنيت، والفحم البيتوميني، والأنثراسايت. بسبب ظروف التكوين المختلفة، يمكن أن يتراوح إجمالي محتوى الكربون في أنواع الفحم المختلفة بين 49% و97%. يتمتع الأنثراسايت بأطول فترة تمعدن، ويتم تصنيع مسحوق الفحم المستخدم في الصب من الفحم البيتوميني.
الفحم البيتوميني هو الفحم ذو درجة عالية من التفحم، والذي يتحول إلى اللون الأسود الرمادي إلى الأسود، ثم البني إلى الأسود بعد التكسير. وفقًا لاختلاف المواد المتطايرة ومحتوى الغرويات، يمكن تقسيم الفحم البيتوميني إلى فحم لهب طويل وفحم غاز وفحم دهني وفحم كوك وفحم هزيل.
الفحم طويل اللهب وفحم الغاز ذو المحتوى العالي المتطاير سيشكل أولاً الكثير من المراحل السائلة غير المستقرة ذات نقطة الغليان المنخفضة عند تسخينه، ثم يتحلل بسرعة إلى غاز ويهرب. الطور السائل المتبقي ليس كافيًا لجعل الجزيئات المتبقية تلتصق ببعضها البعض (لا يمكن فحم الكوك). يمكن للفحم الهزيل ذو المحتوى المتطاير المنخفض أن يشكل طورًا سائلًا بنقطة غليان أعلى عندما يتحلل حرارياً، لكن الكمية ليست كبيرة ولا تكفي لفحم الكوك. يحتوي الفحم الدهني وفحم الكوك على محتوى متطاير معتدل ويمكن أن يشكل أطوارًا أكثر سيولة عند تسخينه، مما يسهل جعل الجزيئات المتبقية تلتصق ببعضها البعض (فحم الكوك). مسحوق الفحم المستخدم في الصب مصنوع بشكل رئيسي من الفحم الدهني وفحم الكوك.
التغيرات المختلفة التي تحدث عند تسخين الفحم البيتوميني
عندما يتم تسخين الفحم البيتوميني، فإنه يزيل الرطوبة أولا، ثم يتحلل ويطلق مواد متطايرة. يمكن تقسيم تحلل الفحم البيتوميني تقريبًا إلى أربع مراحل.
المرحلة الأولى تكون تحت 200 درجة، ويتم إزالة الماء وإطلاق كمية صغيرة من ثاني أكسيد الكربون. معدل التفاعل في هذه المرحلة منخفض.
المرحلة الثانية: 200-350 درجة، بالإضافة إلى استمرار إطلاق بخار الماء وثاني أكسيد الكربون، يبدأ إطلاق أول أكسيد الكربون، وترسيب كمية صغيرة من القطران، والتي يمكن اعتبارها المرحلة الأولية للتحلل الحراري.
المرحلة الثالثة: درجة 350-550 تزداد سرعة تفاعل التحلل، وتكون نواتج التحلل بشكل أساسي هيدروكربونات منخفضة الوزن الجزيئي ومركبات عضوية أخرى، ويترسب القطران بشكل أساسي في هذه المرحلة. كما يمر الفحم البيتوميني بعملية التليين-الذوبان-التصلب، وعملية انكماش الحجم-التمدد-الانكماش.
عند درجة 350-390 تقريبًا، يلين الفحم البيتوميني تدريجيًا ويتقلص حجمه. بعد ذلك، يبدأ في الذوبان، وتزداد الطور السائل تدريجياً لتشكل مادة غروانية ممزوجة بالصلب والسائل والغاز. في المرحلة المبكرة، وبسبب زيادة كمية الغاز المترسب، يتوسع حجم المادة الغروانية بسرعة. بعد أن يترسب الغاز إلى حد ما، تنخفض كمية الترسيب بشكل حاد، وينكمش حجم المادة الغروانية وفقًا لذلك. وأخيرًا، يتصلب المادة الغروانية إلى مادة صلبة مسامية تسمى شبه فحم الكوك. بشكل عام، يظهر تغير حجم الفحم البيتوميني في هذه المرحلة في الشكل 1. الشكل 1 تغير حجم الفحم البيتوميني أثناء التسخين
ج- انكماش الحجم الأولي؛
S-توسيع الحجم اللاحق؛
د- التوسع في الحجم الإجمالي.
في المرحلة الرابعة، فوق 550 درجة، يستمر ترسيب الغازات المختلفة، بما في ذلك بخار الماء، CO2، CO، H2، الميثان، الأسيتيلين والأمونيا، ويتم تحويل شبه فحم الكوك إلى فحم الكوك.
قد تتكثف الغازات الناتجة في المرحلتين الثالثة والرابعة على السطح الصلب الساخن لتكوين طبقة تشبه الجرافيت ذات محتوى كربوني مرتفع، والذي يُطلق عليه عادةً اسم الكربون اللامع. ومن بين المواد الهيدروكربونية المختلفة، من المرجح أن يتم تحليل الهيدروكربونات العطرية بالحرارة لتكوين الكربون اللامع.
3．تكوين التصاق الرمل على سطح المسبوكات الفولاذية والحديدية
بعد حقن المعدن المنصهر في القالب، تحدث سلسلة من التفاعلات الفيزيائية والكيميائية والفيزيائية الكيميائية بين المعدن ومادة القالب والجو في القالب عند واجهة المعدن والقالب. التصاق الرمل هو أحد النتائج الشاملة لهذه التفاعلات العديدة. من بينها، يلعب FeO دورًا مهمًا للغاية.
تبلغ نقطة انصهار FeO حوالي 1370 درجة، وهي أعلى من نقطة انصهار الحديد الزهر العام. ومع ذلك، عندما يتلامس FeO مع رمل السيليكا، فمن السهل توليد الفياليت (Fe2SiO4) بنقطة انصهار تبلغ 1205 درجة. يمكن للفياليت توليد اثنين من المواد سهلة الانصهار باستخدام SiO2 أو FeO مع نقطة انصهار تبلغ حوالي 1130 درجة. إذا كان هناك طين أو أكاسيد قلوية أخرى على سطح جزيئات الرمل، فقد تتشكل أيضًا سيليكات ذات نقاط انصهار أقل.
نظرًا لأن المعدن المنصهر نفسه يحتوي على كمية معينة من الأكسجين، فإن تدفق السائل سوف يتأكسد بواسطة الأكسجين في الغلاف الجوي أثناء عملية الحديد (الفولاذ) والصب. كما أنه سوف يتأكسد بواسطة الغلاف الجوي في القالب في بداية دخول تجويف القالب. بعد دخول المعدن المنصهر إلى القالب، يوجد FeO2 عند واجهة المعدن والقالب. تحت تأثير رأس الضغط الثابت المعدني، سوف يلتصق FeO2 بسطح حبيبات الرمل، مكونًا سيليكات منخفضة الذوبان مع حبيبات الرمل والطين، وسوف يذوب سطح حبيبات الرمل. عندما لا يتصلب المعدن بعد، يتم ضغط السيليكات منخفضة الذوبان بالقرب من الواجهة في أعماق قالب الرمل. وبما أن الفجوات بين حبيبات الرمل اتسعت، وتوجد على سطح حبيبات الرمل سيليكات يسهل تبليلها بالمعدن المنصهر، فإن المعدن المنصهر يستطيع أن يخترق الفجوات بين حبيبات الرمل، فيغلف حبيبات الرمل التي لم تذوب، مكوناً رمالاً لزجة. وتتضح هذه العملية بشكل تقريبي في الشكل 2.
الشكل 2 عرض لعملية تشكيل التصاق رمل الصب
أ) يتلامس المعدن المنصهر مع سطح القالب، ويتأكسد السطح المعدني؛
ب) يشكل أكسيد الحديد FeO سيليكات قابلة للانصهار عند ملامستها لرمل السيليكا والطين؛