KERAAMISEN HIEKAN KÄYTTÖKELPOISUUS VALIMOIDEN KVARTSIPÖLYHAITAN POISTAMISEKSI

Transkriptio

1 Aalto-yliopiston Teknillinen korkeakoulu Koneenrakennustekniikan laitos Espoo 2010 Raportti KERAAMISEN HIEKAN KÄYTTÖKELPOISUUS VALIMOIDEN KVARTSIPÖLYHAITAN POISTAMISEKSI Työsuojelurahaston tutkimushanke Tomi Peräsaari Juhani Orkas

2

3 Esipuhe Tämä hanke on toteutettu Työsuojelurahaston ja Valutuoteteollisuus ry:n tuella. Hankkeen ohjausryhmässä oli edustus seuraavista yrityksistä: Componenta Oy, Karkkila Leinovalu Oy Metso Foundries Jyväskylä Oy Metso Lokomo Steels Oy Sulzer Pumps Finland Oy, Karhulan valimo Kiitokset kaikille hankkeen toteuttamiseen osallistuneille. Espoossa Tomi Peräsaari

4 Tiivistelmä Valimoissa hyvin yleinen muottien materiaali on kvartsihiekka. Kvartsihiekkaa käsiteltäessä muodostuu hienojakoista kvartsipölyä, joka on terveydelle haitallista. Tavallisesti pölyä torjutaan suojaimilla ja kohdepoistoimureilla. Tässä tutkimuksessa selvitettiin keinotekoisen keraamisen hiekan käyttökelpoisuutta kvartsipölyhaitan poistamiseksi. Keraamisen hiekan teknisiä ominaisuuksia verrattiin kvartsihiekkaan monin eri tavoin. Tutkimuksessa on esimerkiksi verrattu kaasunläpäisevyyksiä, lujuuksia, kulumiskestävyyttä ja hienoaineksen tuottoa, sekä valuominaisuuksia koevaluilla. Keraamisella hiekalla oli havaittavissa monia edullisia ominaisuuksia verrattuna kvartsihiekkaan. Näitä olivat esimerkiksi vähäinen lämpölaajeneminen, hyvä tyhjennettävyys ja vähäisempi pölyn tuotto. Suurimpana miinuksena keraamisen hiekan kohdalla voidaan pitää sen korkeaa hintaa, sekä taipumusta pureutumiseen ja tunkeumavirheeseen. Hankkeessa kerätty tieto keraamisen hiekan ominaisuuksista auttaa valimoita arvioimaan mahdollisuuksia sen käyttöön pyrittäessä vähentämään kvartsipölyaltistusta. 2

5 Sisällysluettelo 1. Johdanto Kvartsipölyn terveydelliset vaikutukset Kvartsipöly valimoissa Kvartsihiekan vaihtoehdot Perinteiset vaihtoehtoiset tuotteet Keraaminen hiekka vaihtoehtona Keraamisen hiekan valmistus Keraamisten hiekkojen koostumus Mulliitti Esimerkkejä tuotteista Hiekan kustannukset Keraamihiekan terveydelliset vaikutukset Kokeelliset menetelmät Johdanto Sideaineen kulutus ja muottien lujuus Kiinnipureutumistaipumus Pölyn tuotto ja ominaisuudet kiertohiekkana Tulokset Kaasunläpäisevyys Taivutuslujuudet Raejakauma Hiekkojen kulutuskoe ja optinen analysointi Hiekkojen visuaalinen tarkastelu Lämmönjohtavuus Kemiallinen koostumus Valukokeet Käytännön havaintoja Johtopäätökset Yhteenveto Lähdeluettelo

6 1. Johdanto Kvartsipölyaltistuksen määrää voidaan vähentää suojaimilla ja kohdepoistoilla, mutta myös korvaamalla kvartsihiekkaa vaihtoehtoisella tuotteella. Toistaiseksi varteenotettavia korvaajia on ollut varsin niukasti tarjolla, eikä kvartsihiekan valta-asema kaavaushiekkana ole horjunut. Tässä tutkimuksessa on selvitetty keinotekoisen keraamisen hiekan ominaisuuksia ja arvioitu soveltuvuutta tuotantokäyttöön. Synteettinen keraaminen hiekka poikkeaa monilta ominaisuuksiltaan oleellisesti perinteisestä kvartsihiekasta, joten eroja oli odotettavissa. Kokeet tehtiin kolmella eri raejakauman synteettisellä keraamihiekalla ja tuloksia verrattiin kahteen eri raejakauman kvartsihiekkaan Kvartsipölyn terveydelliset vaikutukset Altistuminen hienojakoiselle kvartsipölylle voi aiheuttaa silikoosia, eli kivipölykeuhkoa sekä mm. keuhkosyöpää. Silikoosi tapauksia todetaan Suomessa vuosittain noin Oireet ilmenevät yleensä vasta varsin myöhäisessä vaiheessa. Tyypillinen oire on rasituksessa ilmenevä hengenahdistus. Silikoosi puolestaan altistaa keuhkosyövälle ja tuberkuloosille. Yleisempi tyyppi on krooninen eli klassinen silikoosi, joka kehittyy kun altistutaan pienehkölle kvartsipitoisuudelle yli 10 vuoden ajan. Kiihtynyt silikoosi kehittyy 5-10 vuodessa altistuttaessa korkeahkolle kvartsipölypitoisuudelle. Akuutti silikoosi puolestaan voi kehittyä hyvinkin nopeasti altistuttaessa erityisen korkealle kvartsipölypitoisuudelle. Kaikkein haitallisinta on erittäin hienojakoinen kvartsipöly, eli alveolijae, joka tunkeutuu aina keuhkorakkuloihin saakka. 2 Kyseessä on niin pieni jae, ettei sitä silmin havaita, ja se voi leijua ilmassa hyvinkin pitkiä aikoja. Siten tällaisen pölyn leviämisen laajuus on vaikeasti arvioitavissa, eivätkä työntekijät välttämättä miellä altistuvansa pölylle. SFS-EN standardin mukaan pöly jaetaan fraktioihin seuraavasti: 10-50μm hengittyvä jae, 5-10μm keuhkojae, alle 5μm alveolijae Kvartsipöly valimoissa Valimoissa yleisin käytetty muottien kaavausaine on kvartsihiekka. Kvartsipölyä syntyy työvaiheissa, joissa kvartsihiekkaa liikutellaan tai käsitellään siten, että hiekka hiertyy. Tällaisia vaiheita ovat esimerkiksi muottien kaavaus, keernojen valmistus, muottien tyhjennys ja valujen puhdistus. Kvartsipölyaltistusta on perinteisesti pyritty välttämään mm. tehokkailla kohde poistoilmalaitteilla ja hengityssuojaimilla. Valimo-olosuhteissa ilmanvaihdon toimivuudelle aiheutuu haasteita esimerkiksi siitä, että metallisula ja kuumat valukappaleet aiheuttavat erittäin voimakkaan konvektion. Työterveyslaitos tutki valimotyöntekijöiden pölyaltistusta ja sen vaikutusta terveyteen kahdessa Suomalaisessa valimossa. Tutkimus oli varsin laaja, sisältäen mittaustuloksia ja työolosuhdetietoja 30 vuoden ajalta. Tutkimuksessa ei voitu eritellä kvartsipölyn ja muiden pölyfraktioiden osuutta työntekijöiden terveydentilaan, mutta tutkimuksen tulos oli kiteytettynä se, että valimopölyille altistuneilla työntekijöillä oli noin kaksinkertainen riski keuhkoputkitulehdukseen, keuhkoahtaumatautiin ja astmaoireisiin verrattaessa altistumattomaan verrokkiryhmään. 4 4

7 Kvartsialtistus on saanut lisää huomiota niin sanotun kvartsisopimuksen myötä. Sopimus on solmittu Euroopan laajuisesti työnantaja- ja työntekijäjärjestöjen välillä, ja valimoiden osalta allekirjoittajana on CAEF - Euroopan valimoliitto. 5 Kvartsisopimuksen tarkoitus on vähentää työntekijöiden kvartsista aiheutuvia terveyshaittoja. Työoloja pyritään jatkuvasti kehittämään hyvässä yhteishengessä, ja mikäli tämä näyttää onnistuvan hyvin, ei aiheesta tarvitse laatia direktiiviä. Tästä syystä kiinnostus kvartsipölyn haittojen vähentämiseen tähtäävään tutkimukseen on juuri nyt suuri. 2. Kvartsihiekan vaihtoehdot 2.1. Perinteiset vaihtoehtoiset tuotteet Millään menetelmällä ei voi päästä täysin eroon kvartsipölystä, ellei kvartsihiekkaa korvata vaihtoehtoisella tuotteella. Perinteisesti kvartsihiekan vaihtoehtoja ovat olleet käytännössä lähinnä oliviinihiekka, kromiittihiekka, sekä zirkonihiekka. Näistä zirkonihiekka on lievästi radioaktiivista, sekä hinnaltaan erittäin kallista, joten sen käyttö rajoittuu lähinnä erittäin vaativiin erikoissovelluksiin. Myös oliviini- ja kromiittihiekka ovat huomattavasti kvartsihiekkaa kalliimpia. Kromiittihiekan ominaisuudet ovat kertakäyttöhiekkana erinomaiset, mutta kiertohiekkana ominaisuudet heikkenevät. Lisäksi kromiittihiekan suuremmasta tiheydestä johtuen muotit ovat huomattavasti painavampia kuin kvartsihiekkaiset. Myöskään oliviinihiekan ominaisuudet hintaan nähden eivät ole riittäneet sen yleistymiseen. Yhtenä syynä tähän on hiekan emäksisyys joka rajoittaa sen käyttöä happokovetteisten kylmähartsien kanssa Keraaminen hiekka vaihtoehtona Uusimpana lupaavana vaihtoehtona kvartsihiekan korvaajaksi ovat synteettisesti valmistetut keraamiset hiekat. Tarjolla on useita tuotteita jotka eivät sisällä lainkaan kiteistä kvartsia ja niissäkin joissa kvartsia on, ovat pitoisuudet yleensä alle 20 prosentin luokkaa. Tuotteita on erilaisia, ne poikkeavat hieman toisistaan koostumuksensa, rakenteensa ja valmistustapansa osalta. Suurin osa näistä tuotteista valmistetaan pelletöimällä ja sintraamalla alumiinioksidia ja kvartsia. Tarjolla on myös tuotteita, jotka on valmistettu pääosin kalsinoidusta bauksiitista, joka on edullisempi raaka-aine. Vaikka lähtötuotteena kvartsia onkin, ei lopputuotteessa kiteistä kvartsia kuitenkaan välttämättä ole, vaan tuote koostuu usein pääosin mulliitista (alumiinisilikaatti) ja korundista (alumiinioksidi). Kaikkein eniten kvartsia sisältävissä tuotteissa on kuitenkin jonkin verran kristobaliittia, joka on eräs kvartsin kiteinen muoto. Keraamisen tuotteen kvartsia parempi mekaanisen kulutuksen kestävyys johtaa todennäköisesti vähäisempään pölyn tuottoon. Osittain pölyntuottoon vaikuttaa myös rakeiden pyöreä muoto, jolloin ei ole teräviä särmiä jotka kuluttavat toisia rakeita ja jauhautuvat pölyksi. Keraamisen hiekan pölyntuotosta saadaan suuntaa antava verrokki rae- ja hiekkapuhalluksen KAMAT-tietokortista 6, jossa eri raeainesten tuottamaa alle 5 mikrometrin pölyn määrää on verrattu valurautahiekkaan. Alumiinioksidi tuottaa pölyä kaksinkertaisen, alumiinisilikaatti nelinkertaisen ja kvartsihiekka noin kertaisen määrän. Siten alumiinisilikaatin tuottama pölymäärä on luokkaa viidennes kvartsiin verrattuna. Terveydellisen edun lisäksi vähäisempi pölyntuotto mm. vähentää valimon suodatinpölyjen määrää. 5

8 Keraaminen hiekka on kallista, mutta ainakin osittain hintaa voivat kompensoida tuotteen muut edulliset ominaisuudet. Säästöä voidaan saavuttaa jos esimerkiksi kappaleiden pinnanlaatu paranee, jolloin työläs viimeistelyvaihe helpottuu. Kiertohiekan tehokas hyödyntäminen on hinnan vuoksi myös ehdoton edellytys keraamisen hiekan laajemmalle käytölle. Karkeasti voidaan sanoa, että rauta- ja teräsvalimoissa syntyy jätehiekkaa noin tonni jokaista valettua metallitonnia kohti. 7 Keraamisen hiekan luvataan kestävän erittäin hyvin mekaanista kulutusta, joka on hyvä lähtökohta siihen, että hiekkaa voidaan kierrättää prosessissa pitkään. Tällöin voidaan säästöä saada poistuvan hiekan jätemaksujen kautta. Keraamisen hiekan käytön sanotaan vähentävän taipumusta kiinnipalamiseen, tunkeumaan ja halkeamapurseen muodostumiseen, joiden korjaaminen on kallista ja yleensä edellyttää iskevien paineilmatyökalujen käyttöä. 8 Siten keraamisella hiekalla on mahdollista vähentää merkittävästi myös käsitärinäaltistusta. Toisaalta hyvä mekaanisen kulutuksen kestävyys tarkoittaa sitä, että jos keraaminen hiekka kuitenkin tarttuu kappaleisiin kiinni, on sitä erittäin työlästä poistaa, jolloin tällaiset kappaleet voivat joutua herkemmin hylkyyn. Kvartsihiekkaiset muotit usein peitostetaan hienojakoisella tulenkestävällä aineella. Peitostuksella pyritään parantamaan kappaleiden pinnanlaatua, sekä pyritään estämään muottimateriaalin reaktioita sulan kanssa. Tarve muottien peitostukselle voi olla keraamisten hiekkojen kohdalla vähäisempi jos sula ei reagoi keraamin kanssa kuten on tilanne kvartsin kohdalla. Tästä puolestaan olisi taloudellisen hyödyn ohella se etu, että työntekijöiden liuotinaltistus vähenisi oleellisesti. Muita erityisiä ominaisuuksia keraamisella hiekalla ovat esimerkiksi rakeiden pyöreästä muodosta johtuen erittäin hyvä muotin kaasun läpäisevyys ja hiekan juoksevuus. Hinnan vuoksi ehdoton edellytys keraamisen hiekan käytölle on, että uuden hiekan lisäyksen tarve prosessissa on pieni, jolloin hiekkaa on elvytettävä tehokkaasti ja lisäksi käytön edellytyksenä on kappaleiden laadun paraneminen ja/tai työmäärän väheneminen. Keraamiselle hiekalle soveltunee, sideaineesta riippuen, mekaaninen elvytys, joka on elvytysmenetelmistä edullisin, mutta toisaalta ei välttämättä poista kaikkia hiekan epäpuhtauksia tehokkaasti Keraamisen hiekan valmistus Keraamisia hiekkoja on tarjolla jo usealta valmistajalta, ja niitä valmistetaan lähinnä kolmella tavalla; sintraamalla, sulattamalla ja murskaamalla. Sintraaminen tapahtuu siten, että alumiinioksidia ja kvartsia sekoitetaan hienojakoisena jauheena, jonka jälkeen seos kuumennetaan sintraantumislämpötilaan. Lähtöaineina voidaan käyttää puhtaan kvartsin ja alumiinioksidin sijaan myös lähtöaineita sisältäviä mineraaleja. Keraamista pyöreärakeista hiekkaa valmistettaessa rakeet muodostetaan ennen sintrausta. Hiekkaa voidaan valmistaa myös murskaamalla isompia keraamikappaleita, jolloin rakeet ovat teräväreunaisia ja särmikkäitä. Sopivan koostumuksen omaavaa keraamia voidaan myös sulattaa ja puhaltaa pisaroiksi, jotka jähmettyvät rakeiksi Keraamisten hiekkojen koostumus Yleisimmin tarjolla olevat keraamiset hiekat ovat alumiinisilikaatteja, eli koostuvat pääosin alumiinioksidista ja kvartsista, joiden väliset osuudet tuotteessa voivat vaihdella. Näiden lisäksi hiekoissa on jossain määrin muita ainesosia joko epäpuhtauksina tai seosaineina. Alumiinioksidin ja kvartsin erilaisilla osuuksilla rakenteeseen muodostuu erilaisia faaseja. Lähtöaineina voidaan käyttää sopivia alumiinisilikaatteja. Kun lähtöaineissa oleva teoreettinen kvartsipitoisuus on 30-37% ja loput alumiinioksidia, on sintrauksen lopputuloksena mahdollista saavuttaa lähestulkoon 6

9 yksinomaan mulliittia sisältävä rakenne. Jos kvartsin määrä on vähäisempi, muodostuu rakenteeseen mulliitin lisäksi korundia. Jos taas kvartsipitoisuutta lisätään, alkaa myös kvartsifaasi rakenteessa lisääntyä. Kvartsi voi esiintyä rakenteessa amorfisena faasia, eli käytännössä lasina, sekä tridymiittinä ja kristobaliittina Mulliitti Suurin osa tarjolla olevista keraamisista hiekoista sisältää jossain määrin mulliittia. Mulliitti on tietyn rakenteen omaava mineraali, mutta toisaalta mulliitti nimitys on laajentunut tarkoittamaan myös mulliitin kaltaisten keraamien ryhmää. Mulliittimineraalin stoikiometrinen koostumus on 3al2O32SiO2, josta käytetään myös nimitystä 3/2 mulliitti. Kaava voidaan myös ilmaista muodossa Al4+2xSi2-2xO10-x, jolloin koostumus voidaan ilmoittaa yksinkertaisesti luvulla x. Luonnossa mulliittia ei esiinny laajassa mittakaavassa, joten käytännössä synteettinen mulliitti on ainoa vaihtoehto tekniseen käyttöön. Luonnon mineraaleista sillimaniitti on myös rakenteeltaan hyvin samankaltainen kuin mulliitti. 9 Mulliitin synteettisessä valmistuksessa voidaan käyttää puhtaan alumiinioksidin ja kvartsin sijaan raaka-aineena mm. kyaniitin, bauksiitin ja kaoliinin sopivaa seosta joka sintrataan lähes 1600 asteen lämpötilassa. Tällöin saavutetaan noin 85-90% mulliittia sisältävä rakenne, jonka loppuosa on lasia ja kristobaliittia. 10 Sintraamalla valmistettu mulliitti pyrkii saavuttamaan stoikiometrisen 3/2 rakenteen. Alumiinisilikaateista sulattamalla valmistetut mulliittituotteet sen sijaan ovat yleensä alumiinioksidirikkaampia noin 2/1 suhteessa. Mulliitilla on erittäin pieni lämpölaajenemiskerroin (noin 4,5*10-6 / C välillä C), josta johtuen se myös kestää erittäin hyvin termisiä shokkeja. Mulliitin rakenne voi jonkin verran vaihdella, joten myös mulliitille ilmoitetut fysikaaliset ominaisuudet vaihtelevat hieman. Esimerkiksi tiheyksiä ilmoitetaan eri lähteissä ainakin välillä 2,6-3,22 g/cm Teoreettiseksi tiheydeksi mainitaan 3,16-3,22 g/cm 3, mutta käytännössä se on usein alhaisempi Esimerkkejä tuotteista Carbo Ceramics tarjoaa kahta pyöreärakeista Carbo Accucast tuotetta, joista ID version mineraalikoostumus on 52% mulliittia ja 48% korundia (alumiinioksidi), kun raaka-aineena on 11% SiO2, 75% Al2O3 ja 9% Fe2O3. Tämän hiekan tilavuuspaino on raekoosta riippuen 1,74-1,9 g/cm 3. LD versiossa, jonka raaka-aineena on 48% SiO2 ja 48% Al2O3, on rakenteessa 75% mulliittia, 12% beta-kristobaliittia ja amorfista rakennetta 13%. Tämän tilavuuspaino on 1,5-1,54 g/cm Itochu Ceratech valmistaa pyöreärakeista Cerabeads 60 hiekkaa, jonka lähtöaineena on 61% alumiinioksidia ja 36% kvartsia. Lopputuotteessa kerrotaan olevan vain mulliittia. 13 Tilavuuspainoksi ilmoitetaan 1,69 g/cm3 ja tulenkestävyydeksi 1825 C. GTP Schäfer GmbH tarjoaa pyöreärakeista Ceratec B tuotetta, jonka alumiinioksidipitoisuuden sanotaan olevan korkea. Tarkempaa kemiallista tai mineraalikoostumusta ei ilmoiteta, mutta rakeen tiheys 3,4 g/cm 3 viittaa siihen, että rakenne on todennäköisesti mulliittia ja korundia. Tilavuuspainoksi ilmoitetaan 2,0 g/cm 3, sintrautumislämpötilaksi 1800 C ja sulamislämpötilaksi 1850 C. 14 C-E Minerals kauppaa kalsinoidusta kaoliinista valmistettuja Mulgrain DFS tuotteita, joita on kahta laatua. Mulcoa 47 sisältää alumiinioksidia vähintään 46% ja kvartsin määrä on 50%. Rakenne on 7

10 65% mulliittia, 20% lasia ja 15% kristobaliittia. Mulcoa 60 sisältää vähintään 58% alumiinioksidia ja 37,8% kvartsia. Rakenne on 77% mulliittia ja 23% lasia. 15 Osa tarjolla olevista alumiinisilikaattituotteista valmistetaan kalsinoimalla bauksiittia. Tällaisia tuotetta valmistetaan ainakin Kiinassa ja niiden kerrotaan olevan huomattavasti alumiinioksidista valmistettuja kilpailevia tuotteita edullisempia Hiekan kustannukset Cerabeads hiekan hinta tiedusteltiin valmistajan edustajalta 16, ja vertailupohjaksi tiedusteltiin kotimaiselta toimittajalta muiden hiekkojen hintojen suuruusluokkaa. 17 Ceratec keraamisen hiekan hinta löytyi artikkelista joka on julkaistu Joulukuussa Muut hinnat on tiedusteltu Kesäkuussa Hinnat on esitetty alla olevassa taulukossa. (Taulukko 1) Taulukko 1. Hiekkojen hintaluokkia. Hinnat ovat vain suuntaa antavia, sillä niissä on vaihtelua markkinatilanteen ja tilausmäärien mukaan. Erityisesti kromiittihiekan hinta voi vaihdella voimakkaasti markkinatilanteen mukaan jopa taulukossa esitettyä laajemmin. Keraamisen hiekan hintatason vaihtelusta ei saatu tietoa Keraamihiekan terveydelliset vaikutukset Keraamisissa hiekoissa esiintyy rakenteessa alumiinioksidia eli korundia, mulliittia, lasimaista ainesta ja kristobaliittia. Näistä kristobaliitti on kvartsin kiteinen muoto, ja siten voi aiheuttaa silikoosia. Amorfiselle kvartsille HTP-arvo on 5mg/m 3, kun se on kiteiselle kvartsille 5mg/m 3, mutta kiteisen kvartsin kohdalla arvo koskee alveolijaetta. 19 Vaikka amorfisen kvartsin HTP-arvo on siis 100 kertaa suurempi kuin kiteiselle kvartsille, ei tästä voi päätellä haitallisuuden eroa. Lasipölyn osalta puolestaan viitataan epäorgaaniseen pölyyn, jolle arvo on 10mg/m 3. Muiden kuin kvartsia sisältävien faasien osalta on haitallisuuden arviointi hankalampaa. Kirjallisuudesta ja tieteellisistä artikkeleista löydetyt mulliitin ja alumiinioksidin pölyihin liittyvät haittavaikutukset liittyivät näiden kuitumaisiin muotoihin. Sellaista tietoa ei löytynyt, joka olisi viitannut näiden ainesten ei-kuitumaisen pölyn haitallisuuden poikkeavan oleellisesti yleisestä mineraalipölyjen tai epäorgaanisen pölyn haitallisuudesta. Mulliittituotteen käyttöturvallisuustiedotteesta 20 löytyy maininta, että pitkäaikainen altistuminen mulliitille voi aiheuttaa pölykeuhkoa. Mulcoa keraamihiekan käyttöturvallisuustiedotteessa 21 mainitaan, että tuote voi aiheuttaa lievää keuhkofibroosia. On korostettava, että ei saatu vahvistusta sille, että tällaisella pölyllä olisi ehdottomasti vähemmän terveydellisiä haittavaikutuksia kuin kvartsipölyllä. Korundin osalta HTP-arvot 2009 viittaa epäorgaanisen pölyn arvoon, joka on 10mg/m 3. Mulliitille ei erikseen HTP-arvoa löydy, joten periaatteessa senkin osalta sovelletaan epäorgaanisen pölyn arvoa. 8

11 3. Kokeelliset menetelmät 3.1. Johdanto Keraaminen hiekka poikkeaa monilta osin perinteisestä kvartsihiekasta. Ilmeisin ero on se, että keraamisen hiekan rakeet ovat lähes pyöreitä. Tästä voi olla sekä etua, että haittaa. Etuihin kuuluu se, että hiekka juoksee hyvin, jolloin voidaan tehdä hyvin mutkikkaita muotteja ja keernoja, ilman tarvetta kovin voimakkaalle sullomiselle. Pyöreiden rakeiden väliin jää runsaasti tyhjää tilaa, jolloin muotin kaasunläpäisevyys on hyvä, mutta toisaalta myös metalli voi tunkeutua rakeiden väliin helpommin. Hiekoille määritettiin kokeellisesti kaasunläpäisevyys. Pyöreästä muodosta johtuen sideaineen asettuminen rakeiden väliin poikkeaa tavanomaisesta. Samalla sideainepitoisuudella pyöreän rakeen pinnalle muodostuu paksumpi sideainekalvo, mutta toisaalta rakeiden väliset kontaktipinnat ovat pieniä. Tämän vuoksi hiekkojen lujuuksia tutkittiin erilaisilla sideainepitoisuuksilla ja kolmella erilaisella pitoisuudella kvartsihiekkaan sekoitettuna. Seula-analyysillä selvitettiin hiekkojen raejakaumat. Hiekkaseosten raejakauma määritettiin laskennallisesti raakahiekkojen seula-analyyseistä. Koevaluilla pyrittiin selvittämään hiekkojen välisiä eroja tyhjennettävyyden, halkeamataipumuksen, puhdistustarpeen ja mittatarkkuuden osalta. Koevalut tehtiin teräksellä. Tutkimuksissa käytettiin Cerabeads 60 hiekkaa, joka hankittiin Beijers oy:n kautta. Toimittaja oli HÜTTENES-ALBERTUS Chemische Werke GmbH. Hiekan normaali toimitustapa on suursäkki, mutta tutkimusta varten hiekkaa oli mahdollista toimittaa 50kg erissä muoviastioissa. Hiekkaa saatiin kolmea eri raekokoa, jotka olivat Cerabeads 400 (mitattu keskiraekoko 0,396 mm), Cerabeads 650 (keskiraekoko 0,246 mm) ja Cerabeads 1450 (keskiraekoko 0,133 mm). Vertailut tehtiin kahteen SP-Mineralsin toimittamaan Belgialaiseen kvartsihiekkaan, joiden nimelliset raekoot ovat 0,2 (mitattu 0,189 mm) ja 0,32 mm (mitattu 0,348 mm). Hiekoista käytetään lyhenteitä CB400, CB650, CB1450, K02 ja K Sideaineen kulutus ja muottien lujuus Pyöreärakeisessa hiekassa on vähemmän pinta-alaa verrattuna särmikäsrakeiseen hiekkaan, jolloin sideainekalvo muodostuu paksummaksi. Toisaalta rakeilla on hyvin pieni kosketuspinta toisiaan vasten, jolloin yksittäiset rakeet tarttuvat toisiinsa varsin vähäisellä sideainemäärällä. Tästä johtuen eri sideainepitoisuuksien suhdetta saavutettaviin lujuuksiin oli ennalta vaikea arvioida, ja niiden mittaamiseen kohdistui suuri mielenkiinto. Kokeellisesti selvitettiin muottien lujuuksia kvartsihiekalla ja keraamisella hiekalla, neljällä eri sideainepitoisuudella. 9

12 Kiinnipureutumistaipumus Ehkä merkittävin keraamiselle hiekalle luvattu ominaisuus on, ettei sillä ole taipumusta pureutua kiinni valukappaleisiin. Kiinnipureutuneen hiekan poisto kappaleista valun jälkeen on erittäin työlästä, ja eräs suurimmista kvartsipölyn lähteistä. Kappaleisiin tarttunutta hiekkaa poistetaan yleensä talttavasaroilla ja hiomalla. Kiinnipureutumistaipumusta päätettiin tutkia koejärjestelyllä, jossa pallomaiseen muottiin laitetaan ohuita koekappalekeernoja. Samaan valuun voidaan laittaa useita keernoja. Kokeessa tutkitaan puhtaan kvartsihiekkakeernan ja keraamihiekkakeernan lisäksi keraamisen hiekan ja kvartsihiekan seosta useilla eri pitoisuuksilla. Tällä on tarkoitus selvittää, löytyykö jokin keraamisen hiekan pitoisuus kvartsihiekan joukossa, jolla kiinnipalamistaipumus vähenee oleellisesti Pölyn tuotto ja ominaisuudet kiertohiekkana Jos kvartsipölyn määrää voidaan työympäristössä vähentää, laskee myös työntekijöiden silikoosiriski. Pölyn kokonaistuoton vähenemisellä on valimoprosessinkin kannalta edullisia vaikutuksia. Hiekan joukossa olevat hienot jakeet kasvattavat hiekan ominaispinta-alaa, jolloin sideaineen kulutus kasvaa ja/tai muotin lujuus heikkenee. Ongelma pienenee, jos hiekka tuottaa näitä hienoja jakeita luonnostaan vähemmän. Keraamisen hiekan ominaisuuksien säilyminen kiertohiekkana on oleellista, sillä hiekka on kallista. Jos hiekka säilyttää ominaisuutensa ja kestää elvytystä pitkään, korvaa se osittain korkeaa hankintahintaa. Pölyntuotto on sidoksissa siihen, miten hyvin hiekka kestää lämpörasitusta ja mekaanista kulutusta. Hiekan mekaanisen elvytyksen kestoa simuloitiin mekaanisella kulutuskokeella. Kulutetun ja kuluttamattoman hiekan raejakaumaa verrattiin toisiinsa. Hankkeen aikataulun puitteissa ei valitettavasti ollut mahdollisuutta testata elvytetyn keraamihiekan ominaisuuksia Tulokset Kaasunläpäisevyys Kaasunläpäisevyydet (Gd arvo) mitattiin Georg Fischer SPDU kaasunläpäisevyysmittarilla. Koetta varten valmistettiin tarvittavat sylinterimäiset normaalikoekappaleet joiden halkaisija ja pituus ovat 50mm. Sullonta tehtiin Georg Fischer SPRA sullontalaittella. Mitatessa kaasunläpäisevyyttä koekappale on putkessa ja sen läpi painetaan ilmaa vesikellon avulla. Mittaukset jouduttiin tekemään käyttäen painemittausta ja virtausaikaa, koska CB400 hiekalla läpäisevyysarvo ylitti suutinmenetelmän mitta-asteikon. Määrityksessä käytettiin kaavaa: Gd=509/(p*t), missä p = paine (cm vesipatsasta) ilmakellon saavuttaessa kohdan 1000cm 3 ja t = 2000cm 3 ilmamäärän virtaamiseen kuluva aika minuutteina. Mittauksia tehtiin aluksi kahdella sideainepitoisuudella 1,5 ja 2,0%. Koska sideaineen määrällä ei kuitenkaan mittaustarkkuuden puitteissa ollut vaikutusta jatkettiin mittauksia vain 1,5% sideainepitoisuudella, jolla myös tulokset esitetään. Kaasunläpäisevyydet raakahiekoille on esitetty kaaviossa (Kuva 1). 10

13 Kaasunläpäisevyys 1,5% sideainetta Kaasunläpäisevyysarvo Kvartsi 0,2 CB400 CB650 CB1450 Kvartsi 0,32 Hiekka Kuva 1. Hiekkojen kaasunläpäisevyydet. Mittaukset tehtiin myös seoksille, joissa on kvartsihiekkaan sekoitettu CB400 tai CB650 hiekkaa 10, 30 tai 50%. Keraamihiekan ja kvartsihiekan seosten kaasunläpäisevyydet on esitetty kaavioissa (Kuva 2, Kuva 3). Kaasunläpäisevyys kvartsi 0,2 seos 1,5% sideainetta Kaasunläpäisevyysarvo % kvartsi CB400 10% CB400 30% CB400 50% CB % CB650 10% CB650 30% CB650 50% CB % Hiekka Kuva 2. 0,2 kvartsihiekan ja keraamihiekkojen seosten kaasunläpäisevyydet. 11

14 Kaasunläpäisevyys kvartsi 0,32 seos 1,5% sideainetta Kaasunläpäisevyysarvo % kvartsi CB400 10% CB400 30% CB400 50% CB % CB650 10% CB650 30% CB650 50% CB % Hiekka Kuva 3. 0,32 kvartsihiekan ja keraamihiekkojen kaasunläpäisevyydet. Kuten kaavioista on nähtävissä, pyöreärakeisen keraamihiekan lisääminen kvartsihiekan joukkoon vaikuttaa kaasunläpäisevyyteen suoraviivaisemmin raekokojen ollessa lähellä toisiaan. Karkeamman CB400 hiekan ja hienojakoisen 0,2 kvartsihiekan kesken sen sijaan keraamihiekan vaikutus kaasunläpäisevyyteen on olematon. Pienikokoiset kvartsirakeet asettuvat tiiviisti isompien pyöreiden keraamirakeiden väliseen tilaan Taivutuslujuudet Taivutuslujuuksien määrittämistä varten valmistettiin viiden kappaleen eriä hiekkasauvoja, jotka ovat kooltaan 22,4*22,4*172,5mm. Hiekka sullottiin käsin teräksiseen muottiin josta saadaan kerralla viisi sauvaa. Lujuudet on mitattu 24 tunnin kuluttua. Kokeissa käytettiin Alphaset sideainetta pitoisuuksilla 1,25, 1,5, 1,75 ja 2,0 prosenttia. Kokeissa käytetty hartsi oli TPA 95 ja käytetty kovete oli tyypiltään ACE 1535, jolla mallinvetoaika on noin 35 minuuttia Kaikissa kokeissa hiekka sekoitettiin käyttäen Electrolux Assistent sekoitinta, jossa on pyörivä kulho ja hiekkaa kulhon reunaa vasten painava pyörivä tela, sekä siipi joka kääntää hiekkamassan painetelan jälkeen. Kaikissa kokeissa sideaine sekoitettiin samalla tavalla. Ensin sekoittimeen laitettiin hiekka, ja sekoittimen pyöriessä lisättiin kovete injektioruiskulla. Kovetteen lisäämisen alkaessa käynnistettiin kello. Kovetteen annettiin sekoittua 2 minuuttia, jolloin lisättiin hartsi ohuena nauhana. Hartsin lisääminen tapahtui noin 15 sekunnissa. Sekoittaminen lopetettiin kellon näyttäessä 4 minuuttia. Välittömästi tämän jälkeen sekoitettu hiekka sullottiin muottiin. Muotti purettiin sauvojen ympäriltä noin 20 minuutin kohdalla. Aluksi lujuuksia oli tarkoitus mitata myös furaanihartsilla, mutta tästä luovuttiin koska valmistajalta saatiin tieto, ettei keraamisen hiekan käyttöä voida varauksetta suositella yhdessä furaanihartsisideaineen kanssa. 25 Varsinaista syytä tai kuvausta ongelmista furaanihartsia käytettäessä edustaja ei kertonut. Koetulosten perusteella kyse saattaa olla yksinkertaisesti siitä, että pyöreärakeinen hiekka vaatii tietyn minimipaksuuden sideainekalvolle, jotta kunnollisia sideainesiltoja syntyy. Furaanihartsia voidaan käyttää kvartsihiekan kanssa hyvinkin pieninä pitoisuuksina, mikä ei välttämättä ole tilanne keraamihiekan kohdalla. 12

15 Taivutuslujuudet mitattiin Georg Fischer PFA lujuusmittarilla käyttäen kolmen pisteen mittaustapaa. Kaikista viiden sauvan sarjoista kaksi alinta tulosta on jätetty huomioimatta, millä on pyritty kompensoimaan mahdollisia virheitä sullonnassa. Esitetyt tulokset (Kuva 4) ovat siis kolmen suurimman mittausarvon keskiarvoja Koesauvojen taivutuslujuudet 1,25% sideainetta 1,5% sideainetta 1,75% sideainetta 2,0% sideainetta 25 Lujuus N/cm Kvartsi 0,32 Kvartsi 0,2 CB400 CB 650 CB1450 Hiekka Kuva 4. Hiekkojen taivutuslujuudet eri sideainepitoisuuksilla. Hiekkaseoksille lujuudet mitattiin 1,5 prosentin sideainepitoisuudella. Hiekkaseosten taivutuslujuudet ovat taulukoissa (Kuva 5, Kuva 6, Kuva 7 ja Kuva 8). Taivutuslujuus hiekkaseoksilla K02 CB 400 1,5% sideainetta Lujuus N/cm Kvartsi 10% 30% 50% 100% Hiekka, paino% CB 400 Kuva 5. Taivutuslujuudet 0,2 kvartsihiekan ja CB400 hiekan seoksilla. 13

16 Taivutuslujuus hiekkaseoksilla K02 CB650 1,5% sideainetta Lujuus N/cm Kvartsi 10% 30% 50% 100% Hiekka, paino% CB 650 Kuva 6. Taivutuslujuudet 0,2 kvartsihiekan ja CB650 hiekan seoksilla. Taivutuslujuus hiekkaseoksilla K032 CB400 1,5% sideainetta Lujuus N/cm Kvartsi 10% 30% 50% 100% Hiekka, paino% CB 400 Kuva 7. Taivutuslujuudet 0,32 kvartsihiekan ja CB400 hiekan seoksilla. 14

17 Taivutuslujuus hiekkaseoksilla K032 CB650 1,5% sideainetta Lujuus N/cm Kvartsi 10% 30% 50% 100% Hiekka, paino% CB 650 Kuva 8. Taivutuslujuudet 0,32 kvartsihiekan ja CB400 hiekan seoksilla. Lujuusmittauksissa noteerattujen sauvojen keskimääräiset tiheydet on esitetty kaaviossa alla. (Kuva 9) Sullotut tiheydet Tiheys (g/cm3) 1,65 1,60 1,55 1,50 1,45 1,40 1,35 1,30 1,25 Kvartsi0,2 Kvartsi 0,32mm CB400 CB650 CB1450 K02+CB400_10 K02+CB400_30 K02+CB400_50 K02 + CB650_10 K02 + CB650_30 K02 + CB650_50 K032+CB400_10 K032+CB400_30 K032+CB400_50 K032 + CB650_10 K032 + CB650_30 K032 + CB650_50 Materiaali Kuva 9. Taivutusluujuusmittauksessa noteerattujen sauvojen keskimääräiset tiheydet. Taivutuslujuuksissa huomio kiinnittyy siihen, että hiekkaseoksilla lujuus ei ole lineaarisesti riippuvainen hiekkojen sekoitussuhteesta. Erikoiselta vaikuttavia tuloksia CB400 hiekan seosten lujuuksista varmistettiin uusintamittauksilla. Puhtailla keraamisilla hiekoilla lujuus romahtaa sideainepitoisuuden laskiessa tietyn tason alle. Esimerkiksi CB400 hiekalle ei lujuutta saatu oikeastaan edes määritettyä 1,25% sideainepitoisuudella, mutta 1,5% pitoisuudella lujuus hyppää lähes samalle tasolle kuin 1,75% pitoisuudella. Ilmiö selittynee melko pitkälti rakeiden pyöreällä muodolla. 15

18 Raejakauma Raejakauman määritys hiekoille tehtiin seulomalla. Muutamalle näytteelle tehtiin myös laitetoimittaja Gammadata Instrument AB:n järjestämässä demonstraatiossa analysointi optisella Camsizer partikkelianalysaattorilla. Seulomalla määritettiin kaikkien puhtaiden hiekkojen raejakaumat, ja lujuuskokeissa käytettyjen kvartsihiekan ja CB400 ja CB650 seosten raejakaumat on määritetty näistä laskennallisesti. Seulonnassa käytettiin seulakonetta ja DIN 4188 standardin mukaista halkaisijaltaan 200mm seulasarjaa. Seulomalla määritetyt raejakaumat on esitetty liitteessä Hiekkojen kulutuskoe ja optinen analysointi Hiekoille tehtiin kulutuskoe, jota varten valmistettiin jakamalla noin 200 gramman hiekkanäytteitä 2 kpl testattua hiekkalaatua kohti. Kunkin hiekkalaadun toista näytettä kulutettiin 10 minuutin ajan seulakoneessa halkaisijaltaan 200mm pyöreässä teräsastiassa. Hiekan joukossa oli 20kpl teräskuulia, joiden massa on n. 43g ja halkaisija 22mm. Tämän jälkeen hiekkanäytteet analysoitiin optisella partikkelikuvannuksella, ja muutoksia partikkelijakaumassa ja partikkelien muodossa verrattiin hiekkojen kesken. Tulosten luotettavuutta hieman heikentää se, että vasta mittauksen yhteydessä saatiin tieto että näytekoko voi olla korkeintaan luokkaa 50g. Tämän vuoksi näytteitä sekoitettiin ennen mittausta ja niistä kaadettiin sopiva määrä mittalaitteeseen. Näyte saadaan analysointilaitteesta takaisin, joten osalle näytteistä päätettiin luotettavuuden varmistamiseksi sekoitus ja mittaus tehdä useampaan kertaan, eikä mittaustuloksissa havaittu merkittävää poikkeamaa. Kaikissa tapauksissa kulutetun näytteen keskiraekoko oli pienentynyt. Kvartsihiekalla kuluminen ja hienojakoisen jakeen tuotto oli selvästi voimakkaampaa kuin keraamihiekoilla. Keraamihiekoista suurempi raekoon muutos havaittiin karkeimmalla CB400 hiekalla. Osin tämä johtunee siitä, että hiekanjyviä tarkasteltaessa voitiin huomata, että CB400 hiekassa suurimmissa rakeissa on huomattavassa määrin niihin kiinnittyneitä pienempiä rakeita, mitä ei muiden hiekkalaatujen kohdalla ollut juurikaan havaittavissa. Kulutuskokeessa nämä pikkurakeet todennäköisesti irtoilivat jolloin raekoko pieneni. Tähän viittaa myös se, että CB400 oli ainoa näyte jonka rakeiden pyöreys kasvoi kulutuskokeessa, ja myös se, että Q3 90% arvossa on tapahtunut huomattavasti suurempi muutos kuin hienojakoisemman keraamihiekan kohdalla. Q3 on tilavuuteen perustuva kumulatiivinen jakauma. Hiekkojen raejakauman muutos on esitetty alla. (Kuva 10 ja Taulukko 2) 16

19 Kuva 10. Kulutuskokeen vaikutus hiekkojen raejakaumaan. Taulukko 2. Camsizer analysoinnin tuloksia. Taulukossa (Taulukko 2) Span3 ja U3 arvo kuvaavat raejakauman laajuutta/epäyhtenäisyyttä. Span3 = (Q3 90% - Q3 10%) / Q3 50% U3 = Q3 60% / Q3 10% Rakeen muotoa kuvaavat pyöreys (SPHT), Symmetrisyys (Symm) ja rakeen leveys jaettuna pituudella (b/l). Symmetrisyysindeksi kuvaa rakeen projektion mittojen poikkeavuutta projektion massakeskipisteestä. Indeksi on alle 1, mikäli projektio ei ole symmetrinen massakeskipisteen suhteen. SPHT = 4πA / U 2 Missä A=pinta-ala ja U=ympärysmitta. Camsizer laitteella tehdystä kulutuskokeen analysoinnista saatiin myös hiekkojen ominaispinta-alat ja tietoa partikkelien muodosta. Hiekkojen ominaispinta-alat ja muotoindeksit on esitetty taulukossa (Taulukko 2). Rakeiden tiheyksinä on massaan suhteutetun pinta-alan Sm (cm 2 /g) määrityksessä käytetty kvartsille 2,65 ja keraamihiekoille 3,0 g/cm 3. Sv on rakeiden pinta-ala / rakeiden tilavuus. Kuten tuloksista nähdään, on hiekkojen kulumisessa merkittäviä eroja. Jos verrataan Q3 10% raekoon ja ominaispinta-alojen muutoksia, huomataan että kvartsihiekka on muodostanut huomattavasti enemmän hienojakoisia partikkeleita. Molemmissa prosentuaalinen muutos on kvartsihiekalla suuruusluokaltaan nelinkertainen keraamihiekkojen muutoksiin verrattuna. Jos hienojakoista osuutta ei poisteta tehokkaasti kiertohiekasta, on sillä merkittävä vaikutus mm. sideaineen kulutukseen ja hiekan pölyämiseen. 17

20 Hiekkojen visuaalinen tarkastelu Sekä puhtaista hiekoista, että valmiista koekappaleista otettiin lähikuvia, joista nähdään hiekkarakeiden ominaisuuksia ja sideaineen asettuminen rakeisiin. Keraamisen hiekan rakeet ovat hyvin pyöreitä, mutta niissä on havaittavissa jonkin verran toisiinsa tarttuneita rakeita. Eniten tällaisia rypälerakeita on CB400 hiekassa, erityisesti suurimmissa rakeissa. (Kuva 11) Kun verrataan keernojen mallipintoja, huomataan, että suunnilleen saman keskiraekoon keraamihiekka tuottaa huomattavasti karkeamman pinnan. Kvartsihiekan kohdalla mallia vasten asettuu tasaisia pintoja, eikä pintaan jää yhtä syviä onkaloita kuin keraamihiekalla. (Kuva 12) Keernojen murtopintoja tarkasteltaessa nähdään hyvin, miten pieneltä pinta-alalta sideaine yhdistää keraamihiekan pyöreitä rakeita. Pallomaisten rakeiden väliin asettunut paksu sideainerengas on murtopinnalta selvästi havaittavissa. (Kuva 13) Kvartsihiekan kohdalla tällaisia sideainekasaumia ei juuri ole havaittavissa, vaan sideaine asettuu rakeiden väliin huomattavasti tasaisempana ja ohuempana kerroksena. Kuva 11. Puhdasta keraamihiekkaa. Vasemmalla CB400 ja oikealla CB650. Kuvan korkeus 1,2mm. Kuva 12. Kuva keernan mallipinnasta. Vasemmalla 0,32 kvartsi, oikealla CB400. Kuvan korkeus 1,2mm. 18

21 Kuva 13. Keernan murtopinta. Vasemmalla CB650, oikealla 0,2 kvartsi. Kuvan korkeus 1,2mm. Kuva 14. Hiekkaseos 0,32 kvartsi 50% CB650 50%. Vasemmalla keernan mallipinta, oikealla murtopinta. Kuvan korkeus 1,2mm. Hiekkaseosten kohdalla huomataan, että hiekat eivät asetu keernaan täysin tasaisena seoksena. Murtopinnasta ei silti ole havaittavissa selkeää trendiä sen suhteen, että murtuma etenisi tiettyjä rakeita pitkin. (Kuva 14) Lämmönjohtavuus 1,5% alphaset sideainepitoisuudella valmistetuille CB400, 0,32 kvartsi, ja näiden 1:1 seoksesta valmistetuille koekappaleille tehtiin lämmönjohtavuusmittaus. Mittaus tehtiin C-Therm TCI laitteella. Kolmen mittauksen keskiarvot ovat: CB400; 0,149 W/mK, kvartsi; 0,190 W/mK, ja 1:1 seokselle; 0,157 W/mK. Tuloksista nähdään, että hiekkaseoksen lämmönjohtavuus ei asetu keskiarvoon (0,170) vaan on lähempänä keraamihiekan lämmönjohtavuutta Kemiallinen koostumus Uudesta CB650 hiekasta valmistettiin polymeeriin sidottu hie, joka analysoitiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) ja energiadispersiivisellä röntgenspektrometrillä (EDS). 19

22 Tutkimuksen otanta on kaksi yksittäistä raetta, joten koostumuksen vaihtelua, tai näytteen edustavuutta ei voida päätellä. Tutkimuksen tarkoitus oli varmistaa, että koostumus vastaa hiekalle ilmoitettua rakennetta, sekä selvittää onko rakeissa merkittäviä määriä muita kuin ilmoitettuja aineita. Analysoinnilla saatu koostumus on esitetty alla. (Taulukko 3) Taulukko 3. CB650 rakeen koostumus. Tuote-esitteen mukaan kemialliset pääkomponentit ovat 61% Al2O3 ja 36% SiO2. Tämä tarkoittaa sitä, että molekyylejä olisi atomipainojen perusteella rakenteessa lukumäärältään noin suhteessa 1:1. Tällöin rakenteessa tulisi olla keskinäisinä atomiosuuksina O 62,5%, Al 25% ja Si 12,5%. Mikäli mitatuista aineista huomioidaan vain O, Al ja Si, ovat näiden keskinäiset atomiosuudet O 56,0, Al 27,2 ja Si 16,6 prosenttia. EDS ei kuitenkaan ole erityisen tarkka menetelmä täsmällisten osuuksien arviointiin. Kevyimpien atomien määritys on epätarkempaa, ja happi on kolmesta pääkomponentista kevein. Huomioitaessa tämä, ja minimaalinen otanta, vastaa rakenne melko hyvin sille ilmoitettua koostumusta. Ilmoitettujen komponenttien lisäksi rakenteesta löytyi pääasiassa rautaa, titaania sekä fosforia Valukokeet Valukokeita varten valmistettiin tutkittavista hiekoista keernoiksi taivutuslujuusmittauksessakin käytettyjä hiekkasauvoja. Muottiontelo on halkaisijaltaan 120mm pallon muotoinen, ja kunkin pallon sisään laitettiin kaksi keernaa. Yhdessä muotissa on kaksi onteloa ja siten neljä keernaa. (Kuva 15) Tällä järjestelyllä pyrittiin saamaan keernoille suuri lämpörasitus melko pienellä kappalekoolla. Toisaalta tarkoituksena oli saada aikaan keernaan jännitystiloja ja mahdollisesti halkeamia. Kuva 15. Keernoitettu muotin alaosa ennen sulkemista. 20

23 Materiaalina valukokeissa käytettiin niukkahiilistä rakenneterästä Fe52. Muotit valmistettiin TKK:n valimolaboratoriossa Espoossa ja valu suoritettiin Valimoinstituutissa Tampereella. Koemuotteja valmistettiin kuusi kappaletta. Muotteihin asetettiin erilaisista hiekoista valmistettuja keernoja seuraavan taulukon mukaisesti (Taulukko 4). Taulukko 4. Koekappaleiden materiaalit eri muoteissa. Koska oli oletettavaa, että muottien kaatolämpötilassa, kaatoajassa jne. voi olla eroja, kaikkiin muotteihin laitettiin yksi kvartsihiekasta valmistettu keerna johon kunkin muotin osalta muita keernoja voidaan suoraan verrata. Muotit on valettu samasta senkasta peräkkäin. Ensimmäisen muotin kaatolämpötila on ollut noin 1630ºC, mutta lämpötila on pudonnut kuitenkin odotettua nopeammin, mistä johtuen kuudentena kaadettu muotti ei ole täyttynyt lainkaan ja viidentenä kaadettu muotti on jäänyt vajaaksi. Näissä muoteissa olivat peitostetut keernat. Koska uusille koevaluille ei ollut enää aikaa, ei peitostuksen toimivuutta tässä yhteydessä voida arvioida. Kappaleet kuljetettiin puhdistamattomina Otaniemeen tutkittaviksi. Valettuja kappaleita tarkasteltaessa ensimmäinen huomio oli se, että kvartsihiekasta tehdyt keernat olivat edelleen paikoillaan kappaleiden sisällä. Sen sijaan kaikki keernat, joissa oli keraamista hiekkaa enemmän kuin 10%, olivat pääosin poistuneet kappaleista kuljetuksen aikana. (Kuva 16) Kuva 16. Kvartsihiekkakeerna on jäänyt valukappaleeseen. 50% CB650 hiekkaa sisältänyt keerna on poistunut kuljetuksen aikana. Lisää kuvia koekappaleista on liitteessä 2. 21

24 Koekappaleet halkaistiin vertikaalisesti keernojen pituussuunnassa. Tämän jälkeen pinnat puhdistettiin nylon harjalla ja kappaleet kuvattiin. Kuten liitteen 2 kuvista voidaan havaita, on hiekkaa kaikissa tapauksissa jonkin verran pureutunut metalliin. Muotovirhe Keernojen tekemän onkalon keskikohtaan muodostui vaihtelevan suuruinen pullistuma keernojen lämpölaajenemisesta johtuen. Pullistuma oli selkeimmin havaittavissa kappaleen keskipisteen puoleisella keernan yläpinnalla. Asetettaessa suora linja tätä pintaa vasten, poikkesi keskikohta siitä suurimmillaan noin 5,5mm. (Kuva 17) Kuva 17. Muotovirhe koevalukappaleissa. Suurimmat muotovirheet havaittiin ensiksi valetuissa kappaleissa kvartsihiekasta tehtyjen keernojen kohdalla. Muotovirheiden suuruudet on esitetty taulukossa alla. (Taulukko 5) Taulukko 5. Mitattujen muotovirheiden suuruudet millimetreinä. Kuten taulukosta voidaan todeta, on keraamihiekan lisäämisellä kvartsihiekan joukkoon yllättävän suuri vaikutus mittapoikkeamaan suuruuteen jo pienellä pitoisuudella. Jo 10 prosentin lisäys on laskenut mittapoikkeaman alle puoleen. Muissa kuin taulukossa esitetyissä kappaleissa on keskilinjalla sulaa tunkeutunut keernaan, eikä mittapoikkeamaa voida siksi arvioida. Tunkeuma Kahdessa ensin valetussa muotissa ei ollut havaittavissa lainkaan metallin tunkeutumista keernoihin. Sen sijaan kolmannessa muotissa sula oli tunkeutunut kahteen keernaan ja neljännessä muotissa kaikkiin keernoihin. Tuloksessa on yllättävää se, että tunkeumaa ilmeni matalimman kaatolämpötilan muoteissa. Todennäköisesti ensimmäisten muottien sula on ollut vähemmän oksidoitunutta, jolloin reaktiiviselle tunkeumalle ei ole ollut yhtä suotuisia olosuhteita. Toisaalta tulos on myös sikäli yllättävä, että vastoin monia ennakkotietoja, keraaminen hiekka näyttää olevan altis tunkeumavirheelle siinä missä kvartsihiekkakin. Hiekan raekoolla ei ollut lainkaan vaikutusta 22

25 tunkeuman laajuuteen. Valmistajan edustajalta saatiin vahvistus sille, että tunkeumavirhealttius oli entuudestaan tunnettu taipumus kyseisellä keraamihiekalla. 26 Hankkeen puitteissa ei ehditty selvittää tarkemmin keraamihiekan tunkeumavirheen syntymekanismia. Tunkeumavirheestä valmistettiin hie, jolla oli tarkoitus varmistaa että kyse oli varmasti tunkeumasta eikä keernan lohkeamisesta. Hie valmistettiin kappaleesta, jossa oli CB650 ja CB1450 hiekoista valmistetut keernat. Hieestä voitiin selvästi havaita, että keernat ovat täysin ehjät ja sula on tunkeutunut hiekkarakeiden väliin. Alla on esitetty lähikuva hieestä jossa näkyy keraamihiekkarakeita teräksen ympäröimänä, sekä uusia rakeita polymeerihieessä. (Kuva 18) Kuvasta nähdään, että teräksen ympäröimät hiekkarakeet ovat tummuneet selvästi. Kuva 18. Lähikuva keraamihiekkahiekkahieistä. Oikean puoleisessa kuvassa näkyy miten teräs on tunkeutunut hiekkarakeiden väliin, vasemmalla uutta hiekkaa polymeeriin sidottuna. Kuvan korkeus 1,2mm Käytännön havaintoja Pyöreistä rakeista johtuen keraamisen hiekan juoksevuus varsinkin kuivana on erittäin hyvä. Sideaineen lisäys hieman tasoittaa eroa kvartsihiekkaan verrattuna, mutta selkeä ero on kuitenkin olemassa. Käsin sullottaessa huomaa keraamihiekan ominaisuuksien poikkeavan selkeästi kvartsihiekasta. Hiekka ei ole kuohkeaa, eikä siitä tule puristamalla koossa pysyvää kakkua. Varsinkin karkein CB400 keraamihiekka tuntuu asettuvan lähes lopulliseen tiiviyteen omalla painollaan, ja kun sitä sulloo, se pyrkii pakenemaan paineen alta ja vaikuttaa siltä että hiekka ei juuri tiivisty. Sullominen onnistuu parhaiten kun hiekkaa painetaan isolta alalta kerrallaan. Sama ero sulloutuvuudessa oli havaittavissa valmistettaessa normaalikoekappaleita. Keraamihiekka tiivistyi sullontalaitteessa jo ensimmäisellä iskulla lähes lopulliseen asemaansa, kun kvartsihiekan kohdalla tiivistymistä tapahtui selvästi kaikilla kolmella iskulla. CB1450 hiekasta tulee hieman kuohkeaa ja se on tuntumaltaan lähempänä kvartsihiekkaa. Keraamihiekkaa, varsinkin karkeampia laatuja, on hieman hankalaa käyttää käsin kaavatessa mallihiekkana, koska sitä ei pysty kunnolla asettelemaan mallia vasten, jollei koko ajan samalla täytetä muuta hiekkaa tueksi. Lisäksi tiivistettäessä ympärillä olevaa kvartsihiekkaa, voi mallihiekaksi asetettu keraamihiekka paeta varsinkin mallin ulkonevilta nurkilta pois. Juoksevuuden vuoksi epäiltiin, että keraamihiekka saattaisi osoittautua ongelmalliseksi keernatykin kanssa. Parhaiten juoksevaa CB400 keraamihiekkaa kokeiltiin keernatykissä (Röperwerk, 2,5 litran kapasiteetti) käyttäen sideaineena 2,0% vesilasia sekä 1,5% Alphaset sideainetta. Kummallakin 23

26 sideaineella hiekka täytti keernalaatikon normaalisti, eikä hiekka lähtenyt valumaan puhalluspäästä poistettaessa keernalaatikko alta. Kokeissa käytettiin puhalluspäätä, jonka aukko on kooltaan 130x15mm. On kuitenkin mahdollista, että eri tavoin muotoillusta puhalluspäästä tai muilla sideaineilla hiekkaa voi valua ulos. Keraamihiekasta valmistetusta keernasta tai muotista irtoaa käsiteltäessä helpommin hiekkaa pinnasta kuin kvartsisista. Varsinkin hiertämällä rakeita pyörähtää pinnasta helposti irti. 4. Johtopäätökset Keraamisen hiekan ominaisuuksia verrattiin tutkimuksessa usealla tavalla kvartsihiekkaan. Osin ominaisuudet eivät juuri poikenneet toisistaan, mutta yllättäviäkin eroja löytyi. Muottien tyhjennettävyyteen ja valukappaleen mittatarkkuuteen jo pienellä keraamihiekan pitoisuudella kvartsihiekan joukossa oli merkittävä positiivinen vaikutus. On hyvin oletettavaa, että keraamihiekan lisäys kvartsihiekan joukkoon myös vähentää esimerkiksi halkeamapurseita. Siten valun jälkeen tapahtuviin tyhjennys- ja puhdistusvaiheisiin jo melko vähäiselläkin keraamihiekan käytöllä voi olla positiivinen vaikutus. Keraamihiekoilla voidaan saavuttaa kvartsihiekkaa vastaava muotin lujuus. Lujuusominaisuudet ovat kuitenkin voimakkaasti riippuvaisia raejakaumasta. Lujuus ei näytä olevan esimerkiksi suoraan riippuvainen hiekan ominaispinta-alasta. Keraamihiekan rakeet ovat säännöllisemmän muotoisia kuin kvartsihiekalla, jolloin erikokoisten rakeiden sopivuus toistensa lomaan on kriittisempää kuin epäsäännöllisemmän muotoisilla kvartsirakeilla. Kuten koetuloksista nähdään, on CB650 hiekalla keraamihiekkojen suurin sullottu tiheys ja myös lujuus. Liitteestä 1 nähdään, että CB400 on käytännössä kahden seulan hiekkaa ja sillä on myös heikoin lujuus sekä keraamihiekoista pienin sullottu tiheys. Sen sijaan CB650 on selkeimmin kolmen seulan hiekkaa. Sekoitettaessa kvartsihiekkaa ja keraamihiekkaa keskenään on lujuudessa enemmän epävarmuutta. Tässä yhteydessä kaikki lujuusmittaukset tehtiin uusilla hiekoilla. Mikäli tässä tutkimuksessa käytettyjä hiekkoja käytetään kiertohiekkana, on mahdollista, että hiekan ominaisuudet muuttuvat oleellisesti. Keraamihiekalla on hyvin samankaltainen taipumus tunkeumavirheeseen kuin kvartsihiekalla, ja pureutumistakin tapahtuu jonkin verran. Hyvin mekaanista kulutusta kestävän keraamihiekan kohdalla tällaisen virheen korjaaminen on työläämpää kuin kvartsihiekan osalta. Peitostuksesta siis tuskin voidaan luopua keraamihiekkaa käytettäessä jos sitä on kvartsihiekan kohdalla tarvittu. Tässä tutkimuksessa ei kuitenkaan voitu varmistaa peitostuksen toimivuutta keraamihiekan kanssa. Tunkeumavirheen syntymekanismin tarkempi selvittäminen keraamisen hiekan kohdalla olisi tarpeen. Keraamihiekan lämpölaajenemiskerroin on alhainen ja tasainen. Tällä on vaikutus paitsi kappaleiden mittatarkkuuteen, myös muottiin syntyviin jännitystiloihin ja mm. halkeamapurseen syntyyn. Hankkeessa oli tarkoitus arvioida kokeellisen osuuden tuloksien perusteella keraamihiekan käyttökelpoisuutta kvartsipölyn poistamiseksi. Vaihtoehdot voidaan jakaa seuraaviin luokkiin: 1. Korvataan kaikki kaavaushiekka keraamisella hiekalla, jolloin päästään kokonaan eroon kvartsihiekasta. 24

27 2. Siirrytään käyttämään keernoissa keraamista hiekkaa, jolloin keernaosaston kvartsipöly poistuu, sekä puhdistamossa kvartsipöly vähenee. 3. Siirrytään käyttämään keraamista hiekkaa mallihiekkana, eli muotissa kappaletta vasten on keraaminen hiekka, mutta täytehiekkana on kvartsihiekka. Tällöin puhdistamossa kvartsipöly vähenee oleellisesti, koska kappaleiden pinnasta ei hiota kvartsihiekkaa. 4. Sekoitetaan keraamista hiekkaa kvartsihiekan joukkoon, jolloin kvartsipölyn määrä vähenee vastaavasti. Kaikissa vaihtoehdoissa on se rajoite, että furaanihartsia ei suositella kokeissa käytetyn keraamihiekan sideaineeksi. Jos esimerkiksi muottien lujuusvaatimukset edellyttävät furaanihartsia, ei keraamihiekka ole ensisijainen vaihtoehto. Seuraava pohdinta on tehty muita sideaineita koskien. Ensimmäisen vaihtoehdon suurimmaksi esteeksi tulee hinta. Vaikka hiekan kulutus saattaa oleellisesti vähentyä keraamista hiekkaa käytettäessä, on keraamisen hiekan hankinta kertakustannuksena erittäin suuri. Myös hiekan regeneroinnin tulee toimia hyvin, sillä hiekan kierrätysasteen tulisi olla suuri. Valukappaleet jäähtyvät keraamisesta hiekasta valmistetussa muotissa hitaammin, mikä saattaa joissain tapauksissa olla merkittävä haitta. Toisaalta etua voidaan saavuttaa mm. siitä, että kappaleiden mittatarkkuus paranee ja suodatinpölyjen määrä vähenee. Vaihtoehto kaksi on jo paljon helpompi toteuttaa. Tämä vaihtoehto ei edellytä suurta kertainvestointia, vaan hiekan toimivuutta voidaan kokeilla vaikka kappalekohtaisesti. Hyvällä kaasunläpäisevyydellä voi olla keernahiekassa edullinen vaikutus. Keernojen kautta keraamista hiekkaa kertyy myös kiertohiekkana muottihiekkaan, jossa sen määrä saattaa kvartsihiekkaa paremman kulumiskestävyyden vuoksi hieman korostua. Kvartsipölyn määrä vähenisi keernaosastolla ja puhdistamossa merkittävästi. Vaihtoehto kolme vaikuttaa kokeiden perusteella varteenotettavalta vaihtoehdolta. Tätäkin vaihtoehtoa voidaan kokeilla ensin pienimuotoisesti ilman radikaaleja muutoksia. Hienojakoisemmat keraamiset hiekat soveltuvat mallihiekaksi karkeinta laatua paremmin. Karkeinta keraamihiekkaa on hankalampaa saada asettumaan muottiin kvartsihiekan kanssa. Vaihtoehto neljä voi myös olla toimiva. Tämä voidaan myös toteuttaa yhdistelmänä edellisten kanssa, eli keernahiekkaan tai mallihiekkaan sekoitetaan keraamista hiekkaa sen verran, että esimerkiksi tyhjennettävyys ja mittatarkkuus saadaan paranemaan. Kaikkien näiden vaihtoehtojen kohdalla on kuitenkin huomioitava, että keraaminen hiekka hidastaa kappaleiden jäähtymistä, mikä ei välttämättä ole toivottu ominaisuus. Vähäisemmästä lämpölaajenemisesta johtuen myös mallivarusteisiin voidaan joutua joissakin tapauksissa tekemään muutoksia. Jatkotutkimus Tässä tutkimuksessa hankittiin perustietoa keraamisen hiekan ominaisuuksista, eikä kaikkia esiin nousseita seikkoja voitu tutkia hankkeen puitteissa kattavasti. Seuraavassa listaus tärkeimmistä jatkotutkimustarpeista: 25