Kil yeşil kumunun temel özelliği kolay şekillendirilebilmesidir. Şoklama ve sıkıştırma ile istenilen şekle getirilebilir. Ayrıca kullanılan silika kumu, kil, kömür tozu ve diğer katkı maddeleri gibi hammaddeler ucuz ve bol miktarda bulunur. Bu nedenle, günümüzde çeşitli döküm süreçlerinin hızla gelişmesiyle birlikte kil yeşil kum kalıplama süreci döküm endüstrisinde hala mutlak bir avantaja sahiptir.
Kil yeşil kumunun temel bileşenleri silika kumu, bentonit ve sudur. Demir dökümleri yapmak için kullanılan kil yeşil kumunda, kömür tozu dökümlerin yüzey kalitesini ve boyutsal kararlılığını iyileştirmede çok önemli bir rol oynayan vazgeçilmez bir katkı maddesidir. Kömür tozunun kalitesiz olması, yanlış seçilmesi veya uygunsuz şekilde eklenmesi dökümlerin yüzey kusurlarının (kum yapışması, gözenekler, genleşme kusurları vb.) artmasına yol açacaktır. Bu durum sadece hurda oranını artırmakla kalmayacak, aynı zamanda döküm temizleme iş yükünü de artıracaktır.
Son 30 yılda, kömür tozuna alternatif malzeme bulmak için pek çok araştırma yapıldı, ancak bugüne kadar kömür tozu hala en yaygın kullanılan katkı maddesi ve en uygun maliyetli katkı maddesidir.
1．Kömür yatakları
Kömür, eski bitkilerin katmanlar halinde biriktirildiği ve su altında veya yeterli su koşullarında gömüldüğü uzun bir jeolojik dönem boyunca kömürleşmenin ürünüdür. Farklı kömürleşme dereceleri nedeniyle dört kategoriye ayrılabilir: turba, linyit, bitümlü kömür ve antrasit. Farklı oluşum koşulları nedeniyle çeşitli kömürlerin toplam karbon içeriği %49 ila %97 arasında olabilir. Antrasit en uzun mineralizasyon süresine sahiptir ve döküm için kömür tozu bitümlü kömürden yapılır.
Bitümlü kömür, ezildiğinde gri-siyah ila siyah ve kahverengi ila siyah olan yüksek derecede kömürleşmeye sahip kömürdür. Farklı uçucu madde ve kolloid içeriğine göre, bitümlü kömür uzun alevli kömür, gaz kömürü, yağlı kömür, kok kömürü ve zayıf kömür olarak ayrılabilir.
Uzun alevli kömür ve yüksek uçucu içeriğe sahip gazlı kömür, ısıtıldığında ilk önce çok sayıda kararsız, düşük kaynama noktalı sıvı fazlar oluşturacak ve daha sonra hızla gaza ayrışarak kaçacaktır. Geriye kalan sıvı faz, kalan parçacıkların birbirine yapışmasını sağlamak için yeterli değildir (koklaşamaz). Uçucu içeriği düşük olan yağsız kömür, termal olarak ayrıştığında kaynama noktası daha yüksek olan bir sıvı faz oluşturabilir, ancak miktarı büyük değildir ve koklaşmaya yeterli değildir. Yağlı kömür ve koklaşabilir taş kömürü orta derecede uçucu içeriğe sahiptir ve ısıtıldığında daha fazla sıvı fazlar oluşturabilir, bu da kalan parçacıkların birbirine yapışmasını (kok) kolaylaştırır. Döküm için kömür tozu esas olarak yağlı kömür ve koklaşabilir taş kömüründen yapılır.
Bitümlü kömür ısıtıldığında meydana gelen çeşitli değişiklikler
Bitümlü kömür ısıtıldığında önce nemini alır, sonra ayrışır ve uçucu maddeyi serbest bırakır. Bitümlü kömürün ayrışması kabaca dört aşamaya ayrılabilir.
İlk aşamada 200 derecenin altındadır, su uzaklaştırılır ve az miktarda CO2 açığa çıkar. Bu aşamada reaksiyon hızı düşüktür.
İkinci aşama: 200-350 derece, su buharı ve CO2 salınımının devam etmesinin yanı sıra, CO salınımı başlar ve az miktarda katran çökelir ki, bu pirolizin başlangıç aşaması olarak kabul edilebilir.
Üçüncü aşama: 350-550 derece, ayrışma reaksiyonunun hızı artar, ayrışma ürünleri çoğunlukla düşük molekül ağırlıklı hidrokarbonlar ve diğer organik bileşiklerdir ve katran temel olarak bu aşamada çökelir. Bitümlü kömür ayrıca yumuşama-erime-katılaşma sürecinden ve hacim daralması-genleşme-daralma sürecinden geçer.
Yaklaşık 350-390 derecede, bitümlü kömür yavaş yavaş yumuşar ve hacim olarak küçülür. Bundan sonra erimeye başlar ve sıvı faz yavaş yavaş artarak katı, sıvı ve gazla karışık bir koloit oluşturur. Erken aşamada, çöken gaz miktarının artması nedeniyle koloitin hacmi hızla genişler. Gaz belirli bir dereceye kadar çökeldikten sonra, çökelme miktarı keskin bir şekilde azalır ve koloitin hacmi buna göre küçülür. Son olarak, koloit yarı-kok adı verilen gözenekli bir katıya katılaşır. Genel olarak, bitümlü kömürün bu aşamadaki hacim değişimi Şekil 1'de gösterilmiştir. Şekil 1 Isıtma sırasında bitümlü kömürün hacim değişimi
C－Başlangıç hacim küçülmesi;
S－Sonraki hacim genişlemesi;
D－Toplam hacim genişlemesi.
Dördüncü aşamada, 550 derecenin üzerinde, su buharı, CO2, CO, H2, metan, asetilen ve amonyak gibi çeşitli gazlar çökelmeye devam eder ve yarı kok, koka dönüştürülür.
Üçüncü ve dördüncü aşamalarda üretilen gazlar, genellikle parlak karbon olarak adlandırılan yüksek karbon içerikli grafit benzeri bir film oluşturmak için sıcak katı yüzeyde yoğunlaşabilir. Çeşitli hidrokarbon maddeleri arasında, aromatik hidrokarbonların parlak karbon oluşturmak için pirolize olma olasılığı en yüksektir.
3．Çelik ve demir dökümlerin yüzeyinde kum yapışmasının oluşması
Erimiş metal kalıba enjekte edildikten sonra metal-kalıp arayüzünde metal, kalıp malzemesi ve kalıptaki atmosfer arasında bir dizi fiziksel, kimyasal ve fizikokimyasal reaksiyonlar meydana gelecektir. Kum yapışması bu birçok reaksiyonun kapsamlı sonuçlarından biridir. Bunlar arasında FeO son derece önemli bir rol oynar.
FeO'nun erime noktası yaklaşık 1370 derecedir ve bu genel dökme demirin erime noktasından daha yüksektir. Ancak, FeO silika kumuyla temas ettiğinde, 1205 derecelik bir erime noktasına sahip fayalit (Fe2SiO4) üretmek kolaydır. Fayalit, yaklaşık 1130 derecelik bir erime noktasına sahip SiO2 veya FeO ile iki ötektik üretebilir. Kum parçacıklarının yüzeyinde kil veya diğer alkali oksitler varsa, daha düşük erime noktalarına sahip silikatlar da oluşabilir.
Erimiş metalin kendisi belli miktarda oksijen içerdiğinden, demir (çelik) ve dökme işlemi sırasında sıvı akışı atmosferdeki oksijen tarafından oksitlenecektir. Ayrıca kalıp boşluğuna girişinin başlangıcında kalıptaki atmosfer tarafından oksitlenecektir. Erimiş metal kalıba girdikten sonra metal-kalıp arayüzünde FeO bulunur. Metal statik basınç başlığının etkisi altında FeO, kum tanelerinin yüzeyine yapışacak, kum taneleri ve kil ile düşük erime noktalı silikatlar oluşturacak ve kum tanelerinin yüzeyi eriyecektir. Metal henüz katılaşmadığında, ara yüzey yakınındaki düşük erime noktalı silikatlar kum kalıbın derinliklerine sıkıştırılır. Kum taneleri arasındaki boşluklar genişlediğinden ve kum tanelerinin yüzeyinde erimiş metal tarafından kolayca ıslanan silikatlar bulunduğundan, erimiş metal kum taneleri arasındaki boşluklara nüfuz ederek, henüz kurumamış kum tanelerini sarabilir. eritilerek yapışkan kum oluşturuldu. Bu süreç kabaca Şekil 2'de gösterilmektedir.
Şekil 2 Döküm kumu yapışmasının oluşum sürecinin görünümü
a)Erimiş metal kalıp yüzeyi ile temas eder ve metal yüzeyi oksitlenir;
b)FeO, silika kumu ve kil ile temas halinde eriyebilir silikatlar oluşturur;
