Регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей, які структуровані дегідратацією рідкого скла

Relevance. The relevance of this work is driven by the urgent need to mitigate the environmental impact of spent foundry molding sands and to develop high-efficiency, low-energy, and resource-saving reclamation technologies. Results. It was established that the water resistance of sand-sodium silica...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2026
Main Authors:	Солоненко, Л.І., Реп’ях, С.І., Білий, О.П.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Physico-technological Institute of Metals and Alloys 2026
Subjects:	піщано-рідкоскляні суміші гідрорегенерація водостійкість силікатні манжети дегідратація ресурсозбереження вторинна сировина
Online Access:	https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/330
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Metal and Casting of Ukraine
Download file:

Institution

Metal and Casting of Ukraine

_version_	1870287588490739712
author	Солоненко, Л.І. Реп’ях, С.І. Білий, О.П.
author_facet	Солоненко, Л.І. Реп’ях, С.І. Білий, О.П.
author_institution_txt_mv	[ { "author": "Л.І. Солоненко", "institution": "Національний університет «Одеська політехніка» (Одеса, Україна)" }, { "author": "С.І. Реп’ях", "institution": "Український державний університет науки і технологій (Дніпро, Україна)" }, { "author": "О.П. Білий", "institution": "Український державний університет науки і технологій (Дніпро, Україна)" } ]
author_sort	Солоненко, Л.І.
baseUrl_str	https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/oai
collection	OJS
datestamp_date	2026-07-09T11:02:55Z
description	Relevance. The relevance of this work is driven by the urgent need to mitigate the environmental impact of spent foundry molding sands and to develop high-efficiency, low-energy, and resource-saving reclamation technologies. Results. It was established that the water resistance of sand-sodium silicate mixtures structured by dehydration exhibits an inversion-type dependence on the sodium silicate content and the duration of MW-structuring (microwave structuring). This behavior is attributed to the competitive processes between the formation and dehydration of silicate bridges (cuffs). It is shown that the structural degradation in water follows a diffusion-kinetic mechanism and is determined by temperature, water volume, and binder content. A generalized parameter ΘSMS, is proposed to synthesize the influence of composition and structuring regimes on the system's properties. It was found that strength, water resistance, and hydro-regeneration duration are described by monotonic exponential functions with asymptotic saturation relative to ΘSMS parameter. An analytical model for estimating the neutralizing agent consumption was developed with a margin of error within 10 %. The study demonstrates the feasibility of effective hydro-regeneration using limited water volumes and subsequent reuse of the mixture. Scientific Novelty. For the first time, a generalized dimensionless parameter ΘSMS has been introduced. This parameter integrates the sodium silicate dosage and its degree of dehydration, defining the structural state and the complex of properties of sand-sodium silicate mixtures structured by dehydration. A unified correlation between strength, water resistance, and hydro-regeneration duration via the ΘSMS parameter was established and interpreted as a percolation-type transi- tion within the intergranular silicate framework. Practical Significance. The findings allow for the optimization of MW-structuring and hydro-regeneration regimes for dehydration-structured sand-sodium silicate mixtures. This ensures a reduction in water, energy, and binder consumption while maintaining the required level of technological properties.
doi_str_mv	10.15407/steelcast2026.02.046
first_indexed	2026-07-10T01:00:37Z
format	Article
fulltext	46 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 46-62 СПЕЦІАЛЬНІ МЕТОДИ ЛИТТЯ SPECIAL CASTING TECHNIQUES _____________________________________________________________________________________ Стаття опублікована на умовах відкритого доступу за ліцензією CC BY license (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026, № 2 (345), 46-62 https://doi.org/10.15407/steelcast2026.02.046 УДК 621.744 Л.І. Солоненко1, д-р техн. наук, доц., проф. каф. цивільної безпеки та охорони праці, e-mail: solonenkoli14@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-2092-8044 С.І. Реп’ях2, д-р техн. наук, проф., проф. каф. ливарного виробництва, e-mail: 123rs@ua.fm, https://orcid.org/0000-0003-0203-4135 О.П. Білий2, канд. техн. наук, доц., доц. каф. ливарного виробництва, e-mail: baplitvo@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-1234-5404 1Національний університет «Одеська політехніка» (Одеса, Україна) 2Український державний університет науки і технологій (Дніпро, Україна) Регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей, які структуровані дегідратацією рідкого скла Актуальність. Актуальність роботи обумовлена необхідністю зниження екологічного навантаження, зумов- леного відпрацьованими формувальними сумішами ливарного виробництва, та розроблення високоефективних низькоенерговитратних ресурсозберігаючих технологій їх регенерації. Отримані результати. Встановлено, що водостійкість піщано-рідкоскляних сумішей, що структуровані за ра- хунок дегідратації, має інверсійний характер залежності від вмісту рідкого скла та тривалості ПМЗ-структурування, що обумовлено конкуренцією процесів формування та дегідратації силікатних манжет. Показано, що руйнуван- ня структури у воді має дифузійно-кінетичну природу і визначається температурою, об’ємом води та вмістом зв’язувального. Запропоновано параметр Θ ПМЗ , який узагальнює вплив складу та режимів структурування на властивості системи. Встановлено, що міцність, водостійкість і тривалість гідрорегенерації описуються моно- тонними експоненційними залежностями з асимптотичним виходом на насичення від параметра Θ ПМЗ . Отримано аналітичну модель для оцінки витрати нейтралізуючого реагенту з похибкою не більше 10 %. Показано можли- вість ефективної гідрорегенерації з обмеженим об’ємом води та повторного використання суміші. Наукова новизна. Вперше введено узагальнений безрозмірний параметр Θ ПМЗ , який інтегрує кількість рідко- го скла та ступінь його дегідратації і визначає структурний стан піщано-рідкоскляної суміші, що структурована за рахунок дегідратації, та комплекс її властивостей. Встановлено єдину закономірність взаємозв’язку між міц- ністю, водостійкістю та тривалістю гідрорегенерації через параметр Θ ПМЗ , що інтерпретується як перколяційного типу перехід у структурі міжзеренного силікатного каркаса. Практичне значення. Отримані результати дозволяють оптимізувати режими ПМЗ-структурування і гідро- регенерації піщано-рідкоскляних сумішей, що структуровані за рахунок дегідратації, забезпечуючи зниження ви- трат води, енергії та зв’язувального при збереженні рівнів необхідних їм технологічних властивостей. Ключові слова: піщано-рідкоскляні суміші, гідрорегенерація, водостійкість, силікатні манжети, дегідратація, ресурсозбереження, вторинна сировина. Вступ. У сучасних умовах розвитку ливар- ного виробництва проблема поводжен- ня з відпрацьованими формувальними сумішами набуває системного характе- ру, поєднуючи технологічні, ресурсні та екологічні аспекти. Витрата формувального піску у ливарному виробництві, залежно від типу зв’язувальних систем і технології структурування, може у декілька разів перевищувати масу отриманого литва, що зумовлює формування значних обсягів відпрацьованих 47ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 46-62 Регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей матеріалів [1—3]. Згідно із сучасною ієрархією поводження з відходами, закріпленою у концепції циркулярної економіки, пріоритет надається запобіганню утво- ренню відходів порівняно з їх переробкою або захо- роненням, що забезпечує мінімізацію техногенного навантаження на довкілля [4, 5]. У цьому контексті принципово важливим є не лише вдосконалення методів регенерації, але й встановлення факторів, що визначають саму можливість ефективного руйну- вання формувальних сумішей після їх використання. Екологічні ризики, пов’язані з відпрацьованими формувальними сумішами, мають комплексний ха- рактер і включають як безпосереднє забруднення ґрунтів і вод унаслідок вилуговування компонентів зв’язувальних систем [6—8], так і опосередкований вплив через необхідність постійного відновлення запасів кварцового піску, що супроводжується деградацією природних екосистем і порушенням ландшафтів [9—12]. Водночас аналіз показує, що зазначені екологічні наслідки є похідними від структурних особливо- стей формувальних сумішей, які визначають їх механічну міцність, водостійкість та здатність до руйнування. Саме структурний стан зв’язувальної фази є тим ключовим фактором, який одночасно визначає як експлуатаційні властивості сумішей, так і ефективність їх подальшої регенерації. У зв’язку з цим перспективним напрямом є не стільки інтенсифікація вже існуючих методів регенерації, скільки керування процесами форму- вання структури таким чином, щоб забезпечити поєднання необхідної міцності форм у робочому стані з їх здатністю до контрольованого руйнування після використання. Такий підхід дозволяє розгля- дати формувальні суміші як керовані структурні си- стеми, властивості яких можуть бути цілеспрямовано адаптовані. Незважаючи на значну кількість досліджень, присвячених формувальним матеріалам, відсутні узагальнені кількісні підходи, які дозволяють пов’язати параметри структурування з кінетикою руй- нування та ефективністю регенерації. Особливо це стосується систем, в яких структура формується за рахунок дегідратації зв’язувальної фази, де визна- чальну роль відіграють кінетичні фактори тепломасо- переносу. Постановка проблеми. На сьогодні регенерацію піску з відпрацьованих формувальних сумішей роз- глядають як багатостадійний процес, що включає механічні, термічні та хімічні методи впливу на зв’язувальну речовину [13]. При цьому ефективність регенерації визначають не лише за типом зв’язувального, але й морфологією та структурним станом зв’язувальної фази. Для неорганічних зв’язувальних систем, зокрема піщано-рідкоскляних сумішей, процес структуруван- ня пов’язаний із полімеризацією силікатних аніонів і формуванням просторової сітки Si–O–Si зв’язків, що супроводжується переходом від розчинного стану до гелеподібної та твердої фаз [14, 15]. Кінетика цього процесу визначається співвідношенням швидкості дегідратації та дифузійної рухливості компонентів, що обумовлює ступінь полімеризації і щільність сформованої структури. Встановлено, що морфологія силікатної фази суттєво впливає на процеси руйнування. Зокрема щільні малорозчинні плівки, сформовані на поверхні зерен піску, істотно ускладнюють їх видалення при регенерації [16], тоді як більш пористі та структурно менш впорядковані утворення руйнуються значно легше. Процеси гідрорегенерації є гетерогенними і включають поєднання фізико-хімічного розчинен- ня, дифузійного масопереносу та механічного руй- нування. Руйнування силікатної пористої фази має багатостадійний характер: на початковій стадії відбувається вилуговування лужних компонентів, що дестабілізує структуру, після чого реалізується повільніша стадія руйнування кремнеземної сітки [17, 18]. У щільних силікатних структурах процес переходить у дифузійно-контрольований режим, що обмежує швидкість регенерації [19]. Незважаючи на існування ефективних методів інтенсифікації регенерації, включаючи гідротермальні та хімічні підходи, їх застосування супроводжується значними енерговитратами та утворенням вторин- них відходів [20, 21]. Це свідчить про те, що пробле- ма регенерації не може бути вирішена виключно за рахунок посилення зовнішніх впливів, а потребує оптимізації внутрішньої структури матеріалу. Особливий інтерес становлять піщано-рідкоскляні суміші, що структуровані за рахунок дегідратації (ПРС-д), оскільки в цьому випадку структура формується внаслідок кінетично керованих процесів, що відкриває можливість її цілеспрямованого регу- лювання. У цьому контексті перспективним є вико- ристання ПРС-д паро-мікрохвильового структуру- вання, яке поєднує інтенсивний тепломасоперенос і об’ємний нагрів, що дозволяє формувати структури з принципово іншою морфологією силікатної фази порівняно з традиційними методами дегідратації. Од- нак закономірності формування таких структур та їх вплив на процеси руйнування і регенерації залиша- ються практично недослідженими. Аналіз літературних джерел свідчить, що більшість досліджень зосереджена на підвищенні міцності формувальних сумішей, зниженні газовиділення та удосконаленні технологій регенерації [22, 23]. Водно- час на сьогодні відсутні узагальнені підходи, які до- зволяють: — кількісно описати ступінь структурної реалізованості силікатної фази; — встановити взаємозв’язок між структу- рою, водостійкістю та кінетикою руйнування; — прогнозувати ефективність гідрорегенерації за- лежно від умов структурування. Крім того, перспективним напрямом є використан- ня відпрацьованих ПРС-д як вторинної сировини для синтезу силікатних матеріалів, зокрема, для виготов- лення силікат-брили, що дозволяє підвищити ступінь утилізації її силікатної складової [24—26]. 48 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 46-62 Л.І. Солоненко, С.І. Реп’ях, О.П. Білий Таким чином, існує необхідність у розробці підходів, що дозволяють пов’язати умови форму- вання структури піщано-рідкоскляних сумішей із кінетикою її руйнування та ефективністю регенерації. Мета роботи. Встановлення кількісних закономірностей процесів гідрорегенерації відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей, структурованих дегідратацією, на основі аналізу взаємозв’язку між параметрами структурування, морфологією силікатної фази та кінетикою її руйну- вання, а також обґрунтування можливості їх викори- стання як вторинної силікатвмісної сировини. Об’єкт дослідження. Об’єкт дослідження — піщано-рідкоскляна суміш, яка плакована від 0,5 до 4 % (понад 100 % піску, за масою) натрієвим рідким склом та структурована у паро-мікрохвильовому середовищі. Методика дослідження. У дослідженнях викори- стовували кварцовий пісок марки 1К2О202, натрієве рідке скло з силікатним модулем 2,9 та щільністю 1,4 г/см3, сиру та кип’ячену водопровідну воду, 20 % розчин сірчанокислого алюмінію (Al2(SO4)3·18H2O) у воді. Піщано-рідкоскляну суміш виготовляли з кварцо- вого піску, який попередньо плакували від 0,5 до 4 % (понад 100% піску, за масою) натрієвим рідким склом та висушували на повітрі при 25…30 ºС (до сипучого стану) при постійному перемішуванні. Після сушіння плакований кварцовий пісок просіювали через си- то з коміркою 0,4 мм. Виготовлення досліджуваних зразків проводили шляхом ущільнення сухого плако- ваного піску вібрацією з подальшою обробкою впро- довж 3 хв у паро-мікрохвильовому випромінюванні (за процесом паро-мікрохвильового затвердіння — ПМЗ [27]) з використанням водяного заряду за мето- дикою роботи [28]. Охолоджені на повітрі до кімнатної температури зразки кубічної форми з величиною ребра 20±1 мм використовували задля іспитів за наступними схема- ми: Схема 1 — зразки витримували у воді з незмінною температурою 40 та 80 ºС, фіксуючи за секундоміром час до їх повного руйнування під дією власної ма- си. Мета досліджень за схемою 1 — встановлен- ня впливу температури води та маси рідкого скла у структурованій ПРС-д на відносний час її руйнуван- ням під власною масою. Схема 2 — зразки просочували водою з вихідною температурою 22 ºС, фіксуючи за секундоміром час до їх повного руйнування під тиском 0,018 МПа. Мета досліджень за схемою 2 — встановлення впливу ма- си рідкого скла у структурованій ПРС-д на час руйну- вання під тиском. Схема 3 — зразки обмежений час витримува- ли у воді з вихідною температурою 22, 62 та 99 ºС з перемішуванням повністю зруйнованих зразків один раз на 30…45 хв, зливали з піску надлишко- ву воду, висушували пісок, просіювали його через сито з коміркою 0,4 мм, ущільнювали вібрацією та вторинно структурували у паро-мікрохвильовому середовищі впродовж 3 хв, після чого вимірювали їх міцність на стиск. Мета досліджень за схемою 3 — встановлення впливу часу гідрорегенерації, вихідної температури води та її кількості на міцність на стиск вторинно-структурованих ПРС-д у мікрохвильовому середовищі. Схема 4 — зразки обмежений час витримува- ли у воді з вихідною температурою 22, 62 та 99 ºС з перемішуванням повністю зруйнованих зразків один раз на 30…45 хв, зливали з піску надлишко- ву воду і нейтралізували її 20 % водним розчином сірчанокислого алюмінію (Al2(SO4)3·18H2O) у кількості (за масою) до досягнення у воді водневого показника рН≈7. Мета досліджень за схемою 4 — встановлення впливу умов проведення гідрорегенерації на кількість 20 % водного розчину сірчанокислого алюмінію, ви- траченого для нейтралізації стічної води. Схема 5 — зразки витримували на повітрі 10, 20, 30 та 32 доби влітку при температурі 20…23 ºC та відносній вологості 40±3 % та взимку при температурі повітря -6…-8 ºC та відносній вологості 80±4 %. Після витримки зразки занурювали у водопровідну воду з температурою 23 ºС (співвідношення маси зразка до маси води 1:2) та фіксували час до їх повного руйну- вання під власною масою. Мета досліджень за схе- мою 5 — встановлення впливу тривалості витримки у природних умовах (навколишньому середовищі) структурованих ПРС-д на час їх руйнування у воді (здатності до гідрорегенерації). Температуру повітря та води виміряли ртутним термометром з точністю ±0,5 ºС, час фіксували за показниками електронного годинника. Величину во- дневого показника оцінювали за приблизним колори- метричним методом з використанням тест-смужки та відповідною кольоровою шкалою. Міцність на стиск вимірювали за результатами руйнування зразків на приладі моделі LRu-2e. Результати дослідження. У роботі [29], відповідно до прийнятої в ній методики досліджень (схема досліджень № 1), величину відносної тривалості руй- нування зразків у воді (водостійкість) автори розрахо- вували за формулою: ∇ = τi/τ1, (1) де τi — тривалість руйнування i-го зразка у воді, с; τ1 — тривалість руйнування у воді з температурою 80 ºС референтного зразка ПРС-д, що має вміст рідкого скла 0,5 % (за масою) і структурована за ПМЗ-процесом протягом 2 хв (τ1 = 94 с). Фізичний зміст формули (1) — це відносна (нормо- вана) водостійкість, яка дозволяє порівнювати різні склади ПРС-д незалежно від абсолютних значень. Залежність відносної тривалості руйнування структурованої ПРС-д у воді з температурою 80 ºС (а) і 40 ºС (б) від часу структурування і кількості рідкого скла (РС) (m), яким плакували кварцовий пісок в ПРС-д, при співвідношенні маси ПРС-д до маси води ~ 1/50 схематично представлена на рис. 1. Аналіз залежностей, наведених на рис. 1, свідчить про наявність інверсії відносної тривалості руйнуван- ня суміші у воді при зміні вмісту рідкого скла. Такий 49ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 46-62 Регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей характер поведінки не пов’язаний із зміною механізму руйнування, а зумовлений конкуренцією двох фізично різних факторів, що одночасно реалізуються в процесі паро-мікрохвильового структурування. Перший фактор визначається кількістю зв’язувального. Зі збільшенням у піску масової част- ки рідкого скла, яке було витрачене для виготов- лення зразків ПРС-д, зростає товщина силікатних манжет між зернами піску, їх поперечний переріз і, відповідно, потенційна несуча здатність. Другий фактор пов’язаний зі ступенем дегідратації цих манжет. Більш товсті (за перерізом) манжети дегідратуються в паро-мікрохвильовому середовищі повільніше, що призводить як до збереження певної кількості гідратної води у манжетах структурованої ПРС-д, так і, відповідно, підвищення їх розчинності. У результаті, при малий тривалості ПМЗ-процесу у ПРС-д домінує кінетика дегідратації, тоді як при збільшенні часу — геометричний фактор і об’єм сформованого зв’язувального між піщинками. Тобто, інверсія відповідає зміні лімітуючої стадії процесу при переході від режиму k(m)τ<1, що відповідає кінетично контрольованій області неповної дегідратації, до ре- жиму k(m)τ>1, в якому система переходить у струк- турно-контрольований стан. Перехід між цими ре- жимами визначає інверсійний характер експеримен- тальних залежностей. Тобто, у проміжній області ці фактори стають співрозмірними, що і призводить до інверсії залежно- стей на рис. 1. Таким чином, спостережуваний ефект відображає зміну лімітуючої стадії процесу — від дегідратаційно-контрольованого режиму до структур- но-геометричного. Для узагальнення впливу зазначених факторів введено узагальнений безрозмірний параметр структурного стану системи (ступінь реалізованості силікатних манжет): ( )( ) Θ = − − ⋅τ ПМЗ 0 1 exp , m k m m (2) де m — масова частка рідкого скла в суміші, %; m0 — референтне значення вмісту рідкого скла, при якому формується умовно повністю реалізована структура, %; k(m) — ефективна константа швидкості дегідратації, яка залежить від кількості рідкого скла у суміші, час-1; τ — тривалість паро-мікрохвильового структурування, хв. Параметр ΘПМЗ враховує як кількість рідкого скла у структурованій ПРС-д, так і ступінь його дегідратації. У даному виразі множник ( )( ) − − ⋅ τ 1 exp k m характеризує частку рідкого скла між частинками піску, переведеного у дегідратований, механічно ефективний стан. При цьому, слід зазначити, що па- раметр ΘПМЗ має феноменологічний характер і вво- диться як узагальнена інженерна характеристика, па- раметри якої визначаються за експериментальними даними для конкретної системи. З цього випливає, що інверсійний характер залеж- ностей (див. рис. 1) у координатах (m, τ) зумовле- ний тим, що ці параметри незалежно впливають на ступінь структурної реалізованості. При переході до узагальненого параметра ΘПМЗ залежності набувають монотонного характеру, що свідчить про коректність вибору структурного критерію. Зростання параметра ΘПМЗ призводить до форму- вання просторово зв’язаного міжзеренного каркасу з дегідратованого рідкого скла. У першому наближенні залежність міцності структури від ΘПМЗ може бути описана рівнянням насичення: ( ) σ = σ + ⋅ − − ⋅Θ 0 ПМЗ1 exp ,BA b (3) де σ — межа міцності на стиск, МПа; σ0 — почат- кова (базова) міцність при мінімальній структурній реалізованості; AВ — амплітудний коефіцієнт, що характеризує максимальний приріст міцності при повній реалізації структури; b — коефіцієнт чутливості міцності до структурної реалізованості (інтенсивність зростання міцності з ΘПМЗ). Рівняння насиченості відображає перехід від ізольованих контактів до зв’язаного кластера манжет. Аналогічно водостійкість суміші, виражена через відносну тривалість руйнування у воді, також є зро- стаючою функцією ΘПМЗ: ( ) ∇ =∇ + ⋅ − − ⋅Θ 0 ПМЗ1 exp ,BC d (4) де ∇0 — базове значення водостійкості при мінімальній кількості рідкого скла у структурі; CВ — амплітудний коефіцієнт (максимальне зростання водостійкості); d — коефіцієнт чутливості водостійкості до ΘПМЗ. а б Залежність відносної тривалості руйнування структурованої суміші у воді з температурою 80 ºС (а) і 40 ºС (б) від часу структурування і кількості РС (m) в ПРС-д [29] Рис. 1. 50 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 46-62 Л.І. Солоненко, С.І. Реп’ях, О.П. Білий Таким чином, міцність, водостійкість і тривалість гідрорегенерації визначаються єдиним параметром структурного стану системи. Це обумовлено тим, що всі зазначені властивості визначаються пере- важно єдиним структурним фактором — ступенем зв’язаності міжзеренного силікатного каркаса. З фізичної точки зору це означає, що при досягненні певного критичного значення ΘПМЗ у системі формується просторово-безперервна ме- режа силікатних манжет, що інтерпретується як перехід перколяційного типу у феноменологічному сенсі, пов’язаний з досягненням критичного рівня зв’язаності структури. Саме цей перехід обумовлює різке зростання міцності і водостійкості та, відповідно, збільшення тривалості гідрорегенерації. Узагальнено зв’язок між параметрами може бути представлений у вигляді наступної схеми: Θ ↑⇒ σ↑⇒∇ ↑⇒ τ ↑грПМЗ , що відображає єдину природу формування та руйну- вання структури. Тобто, параметр ΘПМЗ треба розглядати як інтегральну характеристику ефективної кількості силікатної зв’язки, реально переведеної в дегідратований водостійкий стан під час ПМЗ- процесу. Його вид прямо випливає з механізму ПМЗ- структурування та задовольняє фізичним граничним умовам процесу, а саме — зі збільшенням ΘПМЗ зро- стають як міцність вихідної ПРС-д, так і водостійкість відпрацьованої ПРС-д, а отже, і тривалість гідрорегенерації. Це свідчить про те, що зазначені властивості не є незалежними, а відображають єдиний структур- ний стан силікатних манжет. При малих значеннях ΘПМЗ структура характеризується низькою міцністю і швидким руйнуванням у воді, що є сприятливим для гідрорегенерації. При високих ΘПМЗ формується більш стійкий каркас, який чинить опір руйнуванню у воді і потребує більш тривалої обробки (гідрорегенерації). З урахуванням цього тривалість гідрорегенерації τгр може бути розглянута як функція параметра ΘПМЗ. У першому наближенні її доцільно описувати залежністю насичення: ( ) τ = τ + − − Θ гр 0 ПМЗ1 exp ,L f (5) де τгр — тривалість гідрорегенерації, хв; τ0 — мінімальний (базовий) час руйнування при низькій структурній реалізованості; L — амплітудний коефіцієнт (максимальне збільшення часу); f — коефіцієнт чутливості тривалості гідрорегенерації до ΘПМЗ (характеризує чутливість швидкості руйнування структури до ступеня її структурної реалізованості). Звідси випливає важливий технологічний висно- вок: оптимізація ПМЗ-процесу повинна здійснюватися не за максимумом міцності або водостійкості, а за мінімально достатнім значенням ΘПМЗ, яке забезпечує формостійкість суміші на стадії виготовлення і вико- ристання ливарних форм та стрижнів і, водночас, її ефективне руйнування при гідрорегенерації. Розглядаючи процес регенерації відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей, слід принципово розрізняти його за кінцевою метою. З одного боку, регенерація може бути спрямована на повторне ви- користання суміші як формувального матеріалу для виготовлення ливарних форм і стрижнів. З іншого боку, можливе проведення гідрорегенерації з метою вилучення кварцового піску для подальшого викори- стання як у ливарному виробництві, так і за його ме- жами. У випадку повторного використання суміші в ли- варному цеху найбільш доцільним є її руйнуван- ня шляхом просочення водою, тобто проведен- ня гідрорегенерації з обмеженим об’ємом води. Такий підхід забезпечує ефективне руйнування міжзернових силікатних зв’язків при мінімальному винесенні дисперсної фази та збереженні не тільки гранулометричного складу піску, але і вихідного вмісту рідкого скла. З фізико-хімічної точки зору руйнування структури зразків з плакованого піску зумовлене проникненням води в міжзернові контакти (манжети), гідратацією та частковим або повним розчиненням силікатної фа- зи, що, відповідно, призводить до різкого зниження або повної втрати сумішшю міцності. Водночас прин- ципово важливим є те, що формування вторинної силікатної оболонки за таким методом гідрореге- нерації відбувається не на стадії руйнування, а на наступному етапі сушіння під час її вторинної дегідратації. Тобто, після гідрорегенерації об- меженою кількістю води під час сушіння залиш- кова вода, що містить розчинені силікатні ком- поненти, випаровується. Випаровування води супроводжується концентруванням силікатного розчину, зростанням його в’язкості та переходом у геле- та склоподібний стан. У цих умовах силікат натрію осаджується на поверхні кварцових зерен, формуючи вторинну дегідратовану плівку, яка за своєю природою є плакуючим шаром. Таким чином, процес гідрорегенерації супроводжується не лише руйнуванням первинної структури, але й частковим відновленням міжзернових зв’язків за рахунок вто- ринного перерозподілу силікатної фази. Гідрорегенерація обмеженою кількістю води включає такі основні технологічні операції: просо- чення відпрацьованої ПРС-д водою та її витримка до повного руйнування її структури; мокре залишко- ве подрібнення та сушіння при перемішуванні (про- цес плакування піску рідким склом); сухе механічне подрібнення плакованого піску; просіювання через сито з розміром комірки 0,4 мм. Експериментально встановлено (дослідження за схемою № 2), що руйнування ПРС-д під наванта- женням 0,018 МПа відбувається протягом відносно короткого часу. Це підтверджується залежністю, на- веденою на рис. 2,а, відповідно до якої час руйнуван- ня зразків, просочених водою при температурі 22 ºС під навантаженням, зростає зі збільшенням масо- вого вмісту у ПРС-д рідкого скла за сигмоідальною 51ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 46-62 Регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей залежністю. З фізичної точки зору це означає, що зі зростан- ням вмісту рідкого скла збільшується товщина та безперервність міжзернових силікатних манжет, що ускладнює проникнення води та сповільнює про- цес їх руйнування, що підтверджує висновки за ре- Залежність часу повного руйнування зразків ПРС-д, просочених водою з температурою 22 ºС, від вмісту рідкого скла в ПРС-д (а) та міцності на стиск ПРС-д від числа проведених регенерацій (б) Рис. 2. а б зультатами попереднього дослідження. При цьому співвідношення маси ПРС-д до води, якою вони були просочені у дослідженнях, складала ~ 4/1. Результати визначення міцності на стиск зразків з ПРС-д, кварцовий пісок якої у вихідному стані був плакований 3 % рідкого скла (див. рис. 2,б) свідчать, що при раціональному виборі і проведенні режимів такої гідрорегенерації можливе практично повне відновлення структуроутворюючої здатності суміші без додаткового або обмеженої кількості використан- ня рідкого скла або свіжого піску, що відкриває пер- спективи створення ресурсозберігаючих технологій у ливарному виробництві. Результати досліджень залежності міцності на стиск зразків ПРС-д від часу витримки у воді при її різній вихідній температурі (22, 62 і 99 ºС), об’ємах води та вмісті рідкого скла (2...4 %мас.) свідчать про закономірний і системний характер руйнування структури зв’язувального під впливом водного сере- довища, про що свідчить аналіз даних табл. 1 та за- лежностей на рис. 3. З аналізу даних табл. 1 та залежностей на рис. 3 випливає, що у всіх розглянутих випадках спостерігається монотонне зниження міцності вто- ринно-структурованих ПРС-д зі збільшенням ча- су витримки у воді вихідних зразків, що вказує на домінування процесів розміцнення, пов’язаних із взаємодією рідкоскляного зв’язувального з водою. При цьому швидкість зниження міцності істотно зале- жить як від температури води, так і від співвідношення маси зразка (піску) і води, а також від вмісту рідкого скла в суміші у вихідній ПРС-д. З фізико-хімічної точки зору руйнування структури обумовлено сукупністю процесів гідролізу та розчи- нення лужного силікату натрію. При контакті з водою відбувається розрив силікатних зв’язків і перехід ча- стини зв’язувального у розчин, що призводить до зни- ження числа міжзернових контактів і втрати несучої здатності структури. Зазначені процеси мають дифузійно-кінетичний характер і найбільшою мірою залежать від умов масопереносу та температури води. Зокрема, підвищення початкової температури води призводить до різкого прискорення руйнування структури. При переході від 22 ºС до 99 ºС час по- вного руйнування зразків зменшується в кілька разів. Зростання температури призводить до збільшення рухливості молекул води, прискорення дифузії у поровому просторі та інтенсифікації руйнування силікатної структури. Істотно впливає і відношення маси зразка до ма- си води. При збільшенні обсягу води, що використо- вується при гідрорегенерації, спостерігається знач- не прискорення втрати міцності структурованих сумішей вдруге. Це пов’язано з тим, що при більшому об’ємі води знижується концентрація розчинених у ній силікатів, що усуває ефект насичення розчи- ну та підтримує високий градієнт концентрацій на межі «тверде–рідина». У результаті посилюється дифузійний потік речовини з ПРС-д у розчин, а про- цес руйнування набуває більш вираженого харак- теру. Таким чином обсяг води фактично визначає граничні умови масообміну та впливає на ефективну швидкість вимивання зв’язувального з ПРС-д. Вплив вмісту рідкого скла проявляється у збільшенні вихідної міцності як первинно- ПРС-д, так і вторинно-структурованих сумішей, та у зміні кінетики її зниження для вторинно-структурованих ПРС-д. При збільшенні вмісту зв’язувального від 2 % до 4 % спостерігається зростання початкової міцності зразків, що зумовлено збільшенням кількості силікатної фази та числа міжзернових контактів. Од- ночасно збільшується і час їх повного руйнування, 52 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 46-62 Л.І. Солоненко, С.І. Реп’ях, О.П. Білий Таблиця 1 Межа міцності на стиск вторинно-структурованої ПРС-д за ПМЗ-процесом після її витримки у воді за скороченим часом гідрорегенерації Початкова температура води 99 °С, масовий вміст рідкого скла у ПРС — 2 % Співвідношення пісок/вода (за масою) під час гідрорегенерації Межа міцності на стиск вторинно-структурованої ПРС після її витримки у воді під час гідрорегенерації, МПа 0 хв 6 хв 12 хв 24 хв 30 хв 60 хв 90 хв 2 2,34 2,2 1,8 1,04 0,34 1 2,34 2,1 1,4 0,67 2,34 1,8 1,17 0,87 0,5 2,34 1,9 1,57 Початкова температура води 99 ºС, масовий вміст рідкого скла у ПРС — 3 % Співвідношення пісок/вода (за масою) під час гідрорегенерації Межа міцності на стиск вторинно-структурованої ПРС після її витримки у воді під час гідрорегенерації, МПа 0 хв 15 хв 30 хв 60 хв 90 хв 120 хв 2 3,24 3 2,4 1,7 0,9 1 3,24 2,6 1,5 0,67 3,24 1,9 0,61 0,5 3,24 2,44 1,68 Початкова температура води 99 ºС, масовий вміст рідкого скла у ПРС — 4 % Співвідношення пісок/вода (за масою) під час гідрорегенерації Межа міцності на стиск вторинно-структурованої ПРС після її витримки у воді під час гідрорегенерації, МПа 0 хв 30 хв 60 хв 90 хв 120 хв 150 хв 180 хв 2 4,02 3,7 3,3 2,8 2,2 1,41 0,8 1 4,02 3,4 2,6 1,5 0,42 0,67 4,02 3 1,8 0,42 0,5 4,02 2,6 1,08 Початкова температура води 62 ºС, масовий вміст рідкого скла у ПРС — 2 % Співвідношення пісок/вода (за масою) під час гідрорегенерації Межа міцності на стиск вторинно-структурованої ПРС після її витримки у воді під час гідрорегенерації, МПа 0 хв 12 хв 30 хв 60 хв 90 хв 120 хв 2 2,34 1,9 1,4 0,69 0,07 1 2,34 1,55 0,55 0,00 0,67 2,34 1,3 0,00 0,5 2,34 1,68 0,83 Початкова температура води 62 ºС, масовий вміст рідкого скла у ПРС — 3 % Співвідношення пісок/вода (за масою) під час гідрорегенерації Межа міцності на стиск вторинно-структурованої ПРС після її витримки у воді під час гідрорегенерації, МПа 0 хв 30 хв 60 хв 90 хв 120 хв 150 хв 2 3,24 2,8 2,2 1,82 1,25 1 3,24 2,6 1,8 0,75 0,67 3,24 2,3 1,2 0,5 3,24 1,8 0,51 Початкова температура води 62 ºС, масовий вміст рідкого скла у ПРС — 4 % Співвідношення пісок/вода (за масою) під час гідрорегенерації Межа міцності на стиск вторинно-структурованої ПРС після її витримки у воді під час гідрорегенерації, МПа 0 хв 30 хв 60 хв 90 хв 120 хв 150 хв 180 хв 2 4,02 3,8 3,3 2,9 2,3 1,7 1,35 1 4,02 3,5 2,9 1,93 1,05 0,17 0,67 4,02 3,2 2,4 1,02 0,5 4,02 2,95 1,75 0,22 53ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 46-62 Регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей що вказує на зростання ресурсу «зв’язувального», що підлягає розчиненню. Однак характер зниження міцності зразків із вдруге структурованих ПРС-д при цьому зберігається, що свідчить про збереження механізму руйнування, а не про його зміну. Криві зниження міцності мають характер, близь- кий до нелінійного, з поступовим прискоренням руй- нування завершальної стадії. Це вказує на те, що процес руйнування не є строго лінійним за часом і, ймовірно, включає стадію накопичення пошкоджень структури з подальшим лавиноподібним руйнуван- ням. Отримані дані свідчать про те, що водостійкість таких систем є не тільки функцією складу, а й суттєво залежить від зовнішніх умов експлуатації, що необхідно враховувати при розробці складів ли- варних форм, виборі технологічних режимів їх ви- користання, а також умов та технології регенерації відпрацьованої ПРС-д. Результати дослідження впливу масового вмісту рідкого скла у ПРС-д, температури води, в якій ви- тримували зразки, масу 20 % розчину сірчанокислого алюмінію у воді, необхідну для нейтралізації відпрацьованої води до рН ≈ 7 (дослідження за схе- мою № 4), представлені в табл. 2. За результатами експериментальних даних Початкова температура води 22 ºС, масовий вміст рідкого скла у ПРС — 2 % Співвідношення пісок/вода (за масою) під час гідрорегенерації Межа міцності на стиск вторинно-структурованої ПРС після її витримки у воді під час гідрорегенерації, МПа 0 хв 45 хв 75 хв 105 хв 135 хв 150 хв 2 2,34 1,81 1,31 0,85 0,35 0,09 1 2,34 1,32 1,2 0 0,67 2,34 1,0 0 0,5 2,34 0 Початкова температура води 22 ºС, масовий вміст рідкого скла у ПРС — 3 % Співвідношення пісок/вода (за масою) під час гідрорегенерації Межа міцності на стиск вторинно-структурованої ПРС після її витримки у воді під час гідрорегенерації, МПа 0 хв 30 хв 60 хв 90 хв 120 хв 150 хв 180 хв 2 3,24 3 2,7 2,1 1,68 1,2 0,82 1 3,24 2,8 2,2 1,5 0,65 0,67 3,24 2,6 1,63 0,67 0,5 3,24 2,1 1,1 0 Початкова температура води 22 ºС, масовий вміст рідкого скла у ПРС — 4 % Співвідношення пісок/вода (за масою) під час гідрорегенерації Межа міцності на стиск вторинно-структурованої ПРС після її витримки у воді під час гідрорегенерації, МПа 0 хв 30 хв 60 хв 90 хв 120 хв 150 хв 180 хв 210 хв 2 4,02 3,9 3,6 3,2 2,6 2,3 1,9 0 1 4,02 3,7 3,2 2,47 1,82 1,2 0,35 0,67 4,02 3,5 2,9 1,88 0,93 0 0,5 4,02 3,2 2,3 1,2 0 Залежність міцності на стиск зразків з ПРС-д (вихідний вміст рідкого скла — 4 %, за масою поверх 100 % піску), які були вторин- но структуровані за ПМЗ-процесом від часу витримки вихідних зразків у воді з вихідною температурою 99 ºС (а) та 22 ºС (б) при масовому співвідношенні піску до води під час гідрорегенерації: 1 — 2; 2 — 1; 3 — 0,67; 4 — 0,5 Рис. 3. а б Продовження таблиці 1 54 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 46-62 Л.І. Солоненко, С.І. Реп’ях, О.П. Білий табл. 2 побудовано наступне рівняння: ( )( )= + ⋅ ⋅ − − ⋅ + ⋅  3,76 7,28 1 exp 0,01436 0,001361 ,E C А D (6) де 3,76 — фоновий вклад; 7,28·C — потенціал роз- чинного рідкого скла масою С; 0,01436·A — вплив температури води на час розчинення дегідратованого рідкого скла в ПРС-д масою В; 0,001361·D — вплив об’єму води, що використовується для гідрорегенерації ПРС-д масою С. За результатами зіставлення розрахунко- вих та експериментальних значень встановлено, що запропонована модель, яка експоненційно- насичується, задовільно описує зміну витра- ти 20 %-го сірчанокислого алюмінію залежно від температури води, вмісту рідкого скла і маси во- ди, що використовується при гідрорегенерації. Експоненційно-насичуваний вигляд рівняння відображає обмеження процесу масопереносу та по- ступове досягнення рівноважної концентрації розчи- нених силікатів. Максимальна помилка розрахунку величини Е за моделлю (6) не перевищує 10 %, що дозволяє реко- мендувати рівняння (6) для проведення інженерних та технологічних розрахунків. При цьому слід зазна- чити, що найбільші відхилення між експерименталь- ними та розрахунковими даними спостерігаються в області проміжних режимів, де, ймовірно, починає позначатися вплив додаткових факторів, не врахова- них у моделі в явному вигляді. Дані табл. 2 і отримана модель (6) відображають кількісні закономірності переходу лужних компонентів Таблиця 2 Температура води, в якій витримували зразки (А), маса піску у зразку ПРС-д (В), масовий вміст рідкого скла у ПРС-д (С), який був використаний для структурування суміші, маса води, в якій руйнували зразки (D), маса 20 % розчину сірчанокислого алюмінію у воді, необхідна для нейтралізації відпрацьованої води (Е) А В С D E А В С D E 22 100 2 50 8,3 62 100 3 100 18,5 22 100 2 100 9,7 62 100 3 150 19,5 22 100 2 150 10,1 62 100 4 50 21,5 22 100 2 200 10,3 62 100 4 100 23,6 22 100 3 50 11 62 100 4 150 25,1 22 100 3 100 11,8 62 100 4 200 25,4 22 100 3 150 12 99 100 2 50 13,5 22 100 3 200 12,5 99 100 2 100 15,8 22 100 4 50 13,6 99 100 2 150 16,7 22 100 4 100 14,4 99 100 3 50 19 22 100 4 150 14,8 99 100 3 100 21 22 100 4 200 15 99 100 3 150 22,2 62 100 2 50 11,5 99 100 4 50 24,1 62 100 2 100 13 99 100 4 100 25,7 62 100 2 200 14,9 99 100 4 150 27 62 100 3 50 16,3 99 100 4 200 28,2 зв’язувального у відпрацьованих ПРС-д у розчин і дозволяють побічно оцінити ступінь його руйну- вання. З аналізу даних табл. 2 випливає, що ма- са нейтралізуючого реагенту mСКА зростає як зі збільшенням вмісту рідкого скла в суміші, так і з підвищенням температури води. Це свідчить про те, що кількість лужних компонентів, що вими- ваються в розчин, прямо пропорційно вихідному вмісту зв’язувального й істотно залежить від термодинамічних і кінетичних умов взаємодії систе- ми з водою. З хімічної точки зору, вимірювана величина Е пропорційна кількості лугу, накопиченого в розчині, насамперед гідроксидів та карбонатів натрію, що утворюються в результаті гідролізу та карбонізації рідкого скла. Процес нейтралізації в цьому випадку може бути представлений такими рівняннями: 6NaОН + Al2(SO4)3 → 3Na2SO4 + 2Al(OН)3, 3Na2CO3 + Al2(SO4)3 + 3H2O → 3Na2SO4 + 2Al(OH)3↓ + 3CO2↑, що дозволяє розглядати величину Е як інтегральну характеристику ступеня вимивання та руйнування силікатного зв’язувального. Таким чином, аналіз отриманої залежності показує, що витрата розчину, що нейтралізує, після гідрорегенерації відпрацьованої ПРС-д зростає зі збільшенням температури води, вмісту рідкого скла в суміші і маси води, що використовується при гідрорегенерації. Найбільш сильний вплив має вміст рідкого скла, оскільки саме воно визначає загаль- ний обсяг силікатних продуктів, що переходять у водну фазу при гідрорегенерації. Підвищення тем- ператури води інтенсифікує руйнування силікатної 55ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 46-62 Регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей оболонки на зернах піску і підвищує повноту видален- ня зв’язувального, тоді як збільшення кількості води має позитивну, але має загасаючу дію. Це свідчить про те, що для ливарних цехів найбільш раціональні режими гідрорегенерації засновані не на простому збільшенні витрати води, а на поєднанні підігріву води з оптимальною кількістю, достатньою для винесення продуктів руйнування рідкого скла при мінімізації ви- трат на подальшу хімічну обробку стічних вод. Слід зазначити, що на тривалість гідрорегенерації ПРС-д впливають і зовнішні фактори, серед яких погодні умови, за яких відбувалось зберігання ПРС-д. У цій роботі досліджували вплив температури та відносної вологості повітря, на якому зберігали зраз- ки ПРС-д протягом 30 діб (дослідження за схемою № 5) на час повного руйнування структурованих зразків ПРС-д у воді. Залежність часу повного руйнування структурова- них зразків ПРС-д у воді з температурою 22 ºС від часу їх попередньої витримки на повітрі взимку (1) та влітку (2) у м. Одеса представлені на рис. 4. Отримані експериментальні залежності часу руй- нування у воді з температурою 22 °С, структурованої за ПМЗ-процесом ПРС-д з 3 % рідкого скла після їх попередньої витримки на повітрі взимку та влітку на узбережжі м. Одеса, свідчать про немонотонний ха- рактер зміни водостійкості зв’язувального та принци- пово різної кінетики структурних перетворень залеж- но від температурно-вологісних умов. Встановлено, що для літніх умов зберігання структурованих ПРС-д характерна наявність ви- раженого мінімуму часу руйнування при проміжній тривалості атмосферної витримки (~20 діб), тоді як зі збільшенням часу вилежування до 30 діб спостерігається повторне зростання водостійкості. У зимових умовах навпаки, в інтервалі до 20 діб зміна часу руйнування практично відсутня, проте при по- дальшому збільшенні часу витримки структурована ПРС-д повністю втрачає здатність до руйнування у воді. Очевидно, що такий характер залежностей вказує на реалізацію в системі щонайменше двох конку- руючих фізико-хімічних процесів, що протікають у висохлому рідкоскляному зв’язувальному при його контакті з атмосферним середовищем. Перший з них пов’язаний з розміцненням структури та обумовле- ний карбонізацією лужного силікату натрію з утворен- ням силікагелю та водорозчинних лужних карбонатів, а також із супутнім збільшенням дефектності та ло- кального розпушення зв’язувального. Другий про- цес має протилежну спрямованість і пов’язаний з поліконденсацією кремнезему, дегідратацією силікагелю та формуванням більш щільного про- сторового силікатного каркаса, що має підвищену водостійкість. З урахуванням цього зміна часу руйнування при атмосферній витримці тривалістю t може бути пред- ставлено в рамках феноменологічної кінетичної моделі двох конкуруючих процесів у вигляді: ( ) ( ) ( )−− τ = τ − − + −0 1 1 ,k t k td s sdt A e A e (7) де τ0 — час руйнування ПРС-д до початку витримки на відкритому повітрі, Ad і kd — відповідно, гранична величина та швидкість розміцнюючого процесу, а As і ks — аналогічні параметри для процесу структурного зміцнення. Величина τ(t) у виразі (7) виступає інтегральною характеристикою водостійкості і відбиває баланс між накопиченням водорозчинних продуктів і ступенем формування водостійкого силікатного каркаса. Наявність мінімуму на літній залежності обумовле- на тим, що на початковій стадії атмосферної витрим- ки виконується нерівність Adkd>Asks, тобто швидкість та внесок розміцнюючих процесів перевищують вне- сок процесів зміцнення. Це призводить до зменшення часу руйнування за рахунок інтенсивного виникнен- ня у висушеному рідкому склі розчинних карбонатів і часткової руйнації його первинної структури. У міру збільшення часу витримки розміцнюючий про- цес виходить на насичення, тоді як поліконденсація кремнезему продовжується, внаслідок чого починає домінувати зміцнення структури, що супроводжується зростанням водостійкості та збільшенням τ. У зимових умовах спостерігається якісно інша кінетика, що пов’язано з істотним уповільненням як карбонізації, так і процесів поліконденсації при зниженій температурі і зміненій вологості повітря. Це призводить до появи індукційного періоду, про- тягом якого ефективне структурне зміцнення мало реалізується. Для опису такої поведінки модель має бути доповнена індукційним часом ti, після якого починається помітний розвиток зміцнюючого проце- су: Залежність часу повного руйнування структурованих зразків ПРС-д у воді від часу їх попередньої витримки на повітрі взимку (1) та влітку (2) у м. Одеса Рис. 4. 56 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 46-62 Л.І. Солоненко, С.І. Реп’ях, О.П. Білий ( ) ( ) ( ) ( )( )− − − τ = τ − − + − −0 1 1 ,k t k t tsd i sd it A e H t t A e (8) де H(t−ti) — функція Хевісайду. При цьому слід зазначити, що запропонована мо- дель має якісний характер і використовується лише для інтерпретації отриманих експериментальних да- них. В інтервалі t≤ti структура зв’язувального залишається близькою до вихідної, що пояснює прак- тично постійний час руйнування при витримці ПРС-д на відкритому зимовому повітрі до 20 діб. Після до- сягнення критичного ступеня структурної перебудови (t>ti) відбувається інтенсивне формування просторо- во-безперервного силікатного каркаса, що призво- дить до різкого практично абсолютного збільшення водостійкості. Додатковим фактором, що сприяє стрибкоподібному зростанню в зимових умовах, може бути досягнення порогового рівня зв’язності структури, аналогічного перколяційному типу пере- ходу. При досягненні критичної частки сформовано- го кремнеземного каркаса відбувається виникнення його безперервної просторової мережі, що визначає опір розмиву не лише на рівні локальних контактів, але в рівні обсягу зразка ПРС-д загалом. Це якісно змінює механізм руйнування при взаємодії з водою та призводить до багаторазового збільшення часу руйнування. Таким чином встановлено, що атмосферна ви- тримка ПРС-д не призводить до монотонної зміни їхньої водостійкості, а супроводжується реалізацією конкуруючих процесів розміцнення та структур- ного зміцнення, співвідношення швидкостей яких визначається температурно-вологісними умовами довкілля. Літні умови сприяють швидкому перебігу обох процесів та формуванню немонотонної залежності з мінімумом, тоді як зимові умови при- зводять до появи індукційного періоду та подальшої втрати здатності до руйнування у воді внаслідок формування більш досконалого та просторово зв’язкового силікатного каркаса. Як було зазначено вище, використання відпрацьованих ПРС-д можливо і в якості шихтового матеріалу для варки силікат-брили. Справа в тому, що основні вимоги до кварцового піску для вироб- ництва силікат-брили орієнтовані на стандарти для скляної сировини та галузеві технічні умови вироб- ництва силікат-брили і включають: — хімічний склад (за масою): SiO₂ — не мен- ше 96…99 % SiO₂ оксидів заліза (Fe₂O₃) ≤ 0,1…0,3 %, глини та пилоподібних частинок ≤ 1%, органічні домішки, карбонати, реакційно-активні включення — не допускаються; — вологість — менше 1...2 %; — хімічна однорідність — стабільний склад партії, мінімальні відхилення за вмістом SiO₂ та домішками; — гранулометричний склад — фракцію кварцо- вого піску та відпрацьованої ПРС-д після помелу підбирають, виходячи з типу використовуваних печей для варки силікат-брили. Як такий, вибір гранулометричного складу квар- цового піску визначається умовами тепломасообміну в печі. Для варіння силікат-брили встановлено, що дрібні фракції (0,05…0,4 мм) забезпечують підвищену реакційну здатність і швидке плавлення шихти, що є характерним для печей обертового типу [30]. Водно- час використання більш крупних фракцій (до 1…2 мм) забезпечує високу газопроникність і стабільне проход- ження газів у шахтних печах, що сприяє рівномірному прогріванню шихти та попереджає її злиття [30]. Аналіз даних про вимоги до шихти для плавки силікат-брили показує, що після помелу та відсіву великих фракцій відпрацьована ПРС-д у цілому відповідає вимогам до шихтових матеріалів для варіння силікат-брили. При цьому при зміні хімічного складу або кількості ПРС-д у складі шихти доцільно проводити розрахунок усіх шихтових матеріалів з точки зору не тільки відповідності силікат-брили за хімічним складом та силікатним модулем, але і за ча- сом та енерговитратами на проведення плавки. В якості прикладу спрощеного покрокового роз- рахунку шихти з ПРС-д для виробництва силікат- брили з силікатним модулем MSIO2 = 2,8 приймемо наступний склад відпрацьованої ПРС-д (за масою): SiO₂ = 92 %, залишки зневодненого рідкого скла Na₂O = 2,5 %, інші домішки (Fe₂O₃, Al₂O₃ і т.д.) = 5,5 %; масовий вміст домішок у свіжому піску дорівнює 2 %. Для варіння, крім свіжого кварцового піску та відходів ПРС-д, використовуємо соду. Послідовність розрахунку: Крок 1. Задамо базу розрахунку — маса у шихті чистого SiO₂ — 1000 кг. Крок 2. Приймемо такі масові частки SiO₂: — 30 % SiO₂ із відходів ПРС-д; — 70 % SiO₂ із свіжого кварцового піску. Тобто, якщо необхідно забезпечити в силікат- брилі 300 кг SiO2 з відходу ПРС-д, то з урахуванням вмісту в ньому 2,5 % Na₂O та 5,5 % домішок для плавки необхідно взяти відходів ПРС-д такою масою: mПРC-д = 300·(1 + 0,01·(2,5 % + 5,5 %) = 324 кг. У той же час, для отримання 700 кг SiO2 від свіжого кварцового піску з урахуванням вмісту в ньому 2 % домішок необхідно взяти свіжий кварцовий пісок та- кою масою: mпісок = 700·(1 + 0,01·2 %) = 714 кг. Крок 3. Розрахуємо внесок Na₂O у силікат-брилу з відходу ПРС-д. Оскільки у відході ПРС-д вміст Na₂O = 2,5 %, то в силікат-брилу з відходів ПРС-д потрапить окису натрію: Na2OПРС-д = mПРС-д⋅2,5 %/100 = 324⋅2,5 %/100 = = 8,1 кг. Крок 4. Розраховуємо необхідну масу Na₂O у готовій силікат-брилі для її отримання з величиною 57ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 46-62 Регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей силікатного модуля MSIO2 = 2,8: Na2OСГ = SiO2/MSIO2 = 1000/2,8 = 357 кг. Крок 5. Розраховуємо масу Na₂O, що надходить у силікат-брилу із соди: Na2Oсода = Na2OСГ – Na2OПРС-д = 357 − 8,1 = 348,9 кг. Крок 6. Використовуючи коефіцієнт N = 0,585 (N — масовий вміст Na2O у соді) та величину Na2Oсода, розраховуємо необхідну для варки кількість соди (Na₂CO₃): mсода = Na2Oсода /N = 348,9/0,585 ≈ 596,4 кг. Крок 7. Складаємо заключний склад шихти для виробництва силікат-брили з силікатним модулем 2,8 для прийнятих у розрахунку шихтових матеріалів. Відходи ПРС-д — 326 кг; Свіжий кварцовий пісок — 714 кг; Сода — 596,4 кг. Крок 8. Використання шихти такого складу дозво- лить виготовити силікат-брилу з силікатним модулем 2,8 у кількості: mПРC-д + mпісок + Na2Oсода = 324 + 714 + 348,9 = 1386,9 кг. Розрахунок завершено. З аналізу результатів розрахунку випливає, що використання відходів ПРС-д з прийнятим для розра- хунку хімічним складом дозволяє зменшити витрату соди з ≈610 кг до ≈596 кг. Тобто головний економіко- екологічний ефект від використання відходів ПРС-д у виробництві силікат-брили — це використання відпрацьованої ПРС-д, у першу чергу, для заміни ча- стини свіжого кварцового піску, а не соди. При цьому слід зазначити, що якщо рідкого скла у відході більше (наприклад 5 %), то економія соди різко зростає, але зростає і ризик перелужування силікат-брили, що погіршує її подальшу розчинність у процесі виробництва рідкого скла. Для порівняльної оцінки впливу зміни складу ших- ти для варіння силікат-брили з різним силікатним модулем від вмісту в шихті відпрацьованої ПРС-д, структурованої за ПМЗ-процесом, провели розра- хунок за наведеною вище методикою. При цьому забруднення в ПРС-д у розрахунку не враховува- ли, оскільки сумарний вміст цих домішок, як прави- ло, менше 0,5 %, що суттєво не впливає на варіння, якість силікат-брили і, відповідно, не потребує кори- гування шихти. Результати розрахунку наведено у табл. 3. Енерговитрати при варінні силікат-брили зале- жать від температури переходу шихти в рідкий стан (чим вище силікатний модуль силікат-брили, тим ви- ща витрата енергії), частки ПРС-д у шихті, її вологості та фракційного складу. Практика варіння силікат-брили з відходами ПРС-д (вміст 0,2...1,0 % Na₂O у ПРС-д, за масою) у печі шахтного типу свідчить, що з точки зору скоро- чення витрати енергоносіїв та часу варіння масовий вміст у шихті відходів ПРС-д має бути 5...50 % (за масою). При частці відходів у шихті понад 70...75 % процес варіння ускладнюється: спостерігається неоднорідність температури у ванні печі, формують- ся локальні плавні, підвищується прилипання шихти до стінок печі. З викладеного вище випливає, що використання відпрацьованих ПРС-д для виробництва силікат- брили технологічно можливе, хімічно виправда- не і може бути рекомендоване як часткова заміна сировини. Однак використання відпрацьованих ПРС-д вимагає контролю їх складу та, за потре- би, відповідного перерахунку величини силікатного модуля. При правильному коригуванні шихти вико- ристання відпрацьованих ПРС-д не тільки знижує витрату соди та свіжого піску, а й дозволяє практич- Таблиця 3 Зведена таблиця шихти (кг) для силікат-брили при використанні в шихті відпрацьованої ПРС-д, що містить 98,5 % SiO2,1 % Na2O і 0,5 % домішок Вміст ПРС-д у шихті, % ПРС-д (кг) Пісок (кг) Сода (кг) ПРС-д (кг) Пісок (кг) Сода (кг) ПРС-д (кг) Пісок (кг) Сода (кг) Модуль силікат-брили MSiO2 = 2,8 Модуль силікат-брили MSiO2 = 2,9 Модуль силікат-брили MSiO2= 3,0 10 102 918 608 102 918 586 102 918 566 20 203 816 606 203 816 584 203 816 564 30 305 714 604 305 714 582 305 714 562 40 406 612 602 406 612 580 406 612 560 50 508 510 600 508 510 578 508 510 558 60 609 408 598 609 408 576 609 408 556 70 711 306 596 711 306 574 711 306 554 80 812 204 594 812 204 572 812 204 552 90 914 102 592 914 102 570 914 102 550 100 1016 0 590 1016 0 568 1016 0 548 58 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 46-62 Л.І. Солоненко, С.І. Реп’ях, О.П. Білий но повністю уникнути утилізації відходів, що дає як економічний, так і екологічний ефект. Практичне використання/врахування отриманих результатів дозволяє: — підвищити ступінь регенерації піску за рахунок повнішого видалення рідкоскляного зв’язувального; — зменшити витрати свіжого піску та зв’язувальних матеріалів; — оптимізувати витрати води та енергетичні ви- трати на підігрів; — підвищити стабільність властивостей регенеро- ваних формувальних сумішей; — знизити екологічне навантаження за рахунок скорочення відходів ливарного виробництва. Обговорення результатів. Таким чином, у роботі встановлено, що структура та властивості ПРС-д визначаються ступенем реалізації міжзеренного силікатного каркаса, який узагальнено описується па- раметром ΘПМЗ. Показано, що міцність, водостійкість і тривалість гідрорегенерації підпорядковуються єдиній закономірності експоненційного насичення. Встановлено інверсійний характер залежностей, зумовлений конкуренцією процесів формування та дегідратації зв’язувального. Розроблено модель, що описує перехід лужних компонентів у розчин. Пока- зано можливість ефективної гідрорегенерації та по- вторного використання суміші. Отримані залежності мають узагальнений характер у межах досліджуваного інтервалу складів і режимів, але вони можуть бути використані або враховані як науково обґрунтовані базові матеріали для ство- рення ефективних технологій гідрорегенерації пісків та ПРС-д для їх подальшого використання як у виробництві ливарних форм і стрижнів на основі ПРС-д, так і для інших технологічних процесів. Висновки За результатами виконаних досліджень: 1. Встановлено, що водостійкість структурованих дегідратацією піщано-рідкоскляних сумішей (ПРС-д), визначена через відносну тривалість руйнування у воді, є коректною нормованою характеристикою, яка дозволяє зіставляти різні склади та режими струк- турування незалежно від абсолютних значень часу руйнування. 2. Показано, що залежності водостійкості ПРС-д від вмісту в них рідкого скла та тривалості ПМЗ- структурування мають інверсійний характер, що об- умовлено конкуренцією двох факторів: — збільшенням кількості та геометричної форми силікатних манжет (зміцнюючий фактор); — ступенем їх дегідратації (розчинність та схильність до руйнування). При цьому інверсія водостійкості у ПРС-д відображає зміну лімітуючої стадії процесу — від кінетики дегідратації до структурно-геометричного контролю. 3. Запропоновано узагальнений безрозмірний па- раметр ΘПМЗ, який інтегрально враховує як кількість рідкого скла у ПРС-д, так і ступінь його переходу в дегідратований стан. Доведено, що саме цей пара- метр є визначальним для опису структурного стану досліджуваної системи та її властивостей. 4. Встановлено, що міцність, водостійкість та тривалість гідрорегенерації ПРС-д описуються одно- типними експоненційно-насичуваними залежностя- ми від ΘПМЗ, що свідчить про їх єдину фізико-хімічну природу та обумовленість ступенем реалізації міжзеренного силікатного каркаса. 5. Показано, що при досягненні критичного значен- ня ΘПМЗ у системі формується просторово-безперерв- на мережа силікатних манжет, що супроводжується різким зростанням міцності та водостійкості ПРС-д. 6. Встановлено закономірне монотонне знижен- ня міцності вторинно-структурованих сумішей при їх витримці у воді, що обумовлено процесами гідролізу та розчинення силікатного зв’язувального. Процес має дифузійно-кінетичний характер й істотно зале- жить від температури та умов масопереносу. 7. Доведено, що підвищення температури во- ди та збільшення її об’єму інтенсифікують руйну- вання структури ПРС-д за рахунок прискорення дифузії та підтримання градієнта концентрацій, тоді як збільшення вмісту рідкого скла у складі ПРС-д підвищує як їх початкову міцність, так і тривалість руйнування. 8. Отримано емпіричну залежність для визначен- ня витрати нейтралізуючого реагенту, яка адекватно (з похибкою до 10 %) описує процес переходу лужних компонентів у водну фазу та може бути використана для інженерних розрахунків та моделювання. 9. Встановлено, що атмосферна витримка ПРС-д супроводжується реалізацією двох конкуруючих процесів — розміцнення (карбонізація, утворення розчинних продуктів) та зміцнення (поліконденсація, дегідратація), що визначає немонотонний характер зміни водостійкості та залежить від температурно- вологісних умов їх зберігання до початку проведення гідрорегенерації. 10. Показано, що гідрорегенерація з обмеже- ним об’ємом води (просочення ПРС-д водою) супроводжується не лише руйнуванням первинної структури, але й формуванням вторинної силікатної оболонки при подальшому сушінні, що відкриває можливості багаторазового умовно безвідходного використання суміші для виготовлення ливарних форм та стрижнів. 11. Доведено технологічну доцільність використан- ня відпрацьованих ПРС-д як шихтового матеріалу для виробництва силікат-брили, що забезпечує зни- ження витрат свіжого піску та частково соди, а також сприяє ресурсозбереженню та зменшенню відходів відпрацьованих ПРС-д. 12. Сформульовано ключовий технологічний принцип: оптимізація ПМЗ-процесу повинна здійснюватися не за максимальними значеннями міцності або водостійкості, а за мінімально достатнім значенням параметра ΘПМЗ, що забезпечує баланс між експлуатаційною стійкістю форм при виготовленні виливків та ефективністю їх подальшої регенерації. 59ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 46-62 Регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей ЛІТЕРАТУРА 1. Sgarlata C., Ariza-Tarazona M.C., Paradisi E., Siligardi C., Lancellotti I. Use of Foundry Sands in the Production of Ceramic and Geopolymers for Sustainable Construction Materials. Applied Sciences. 2023. Vol. 13. Iss. 8. Article 5166. https://doi. org/10.3390/app13085166 2. Gedik A., Lav A.H., Lav M.A. Investigation of alternative ways for recycling waste foundry sand: an extensive review to present benefits. Canadian Journal of Civil Engineering. 2018. Vol. 45. No. 6. Р. 423—434. https://doi.org/10.1139/cjce-2017-0183 3. Mhaya A.M., Shahidan S., Goel A., Huseien G.F. Effect of metakaolin content and shape design on strength performance of lightweight rubberized geopolymer mortars incorporated slag-waste glass powders. Construction and Building Materials. 2024. Vol. 432. Article 136500. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.136500 4. Boukherroub T., D’amours S., Rönnqvist M. Sustainable forest management using decision theaters: rethinking participatory planning. Journal of Cleaner Production. 2018. Vol. 179. Р. 567—580. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.01.084 5. Kirchherr J., Reike D., Hekkert M. Conceptualizing the circular economy: An analysis of 114 definitions. Resources, Conservation and Recycling. 2017. Vol. 127. Р. 221—232. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2017.09.005 6. Domingues L.G.F., Dos Santos Ferreira G.C., Pires M.S.G. Physicochemical and microbiological characteristics of waste foundry sand used in landfills. Environmental Monitoring and Assessment. 2022. Vol. 194. No. 10. Article 725. https://doi. org/10.1007/s10661-022-10355-7 7. Penkaitis G., Sígolo J.B. Waste foundry sand: Environmental implication and characterization. Geologia USP. Série Científica. 2012. Vol. 12. No. 3. Р. 57—70. https://doi.org/10.5327/Z1519-874X2012000300004 8. Fore S., Mbohwa C.T. Cleaner production for environmental conscious manufacturing in the foundry industry. Journal of Engineering, Design and Technology. 2010. Vol. 8. Iss. 3. Р. 314—333. https://doi.org/10.1108/17260531011086180 9. Novák-Szabó T., Sipos A.Á., Shaw S., Bertoni D., Pozzebon A., Grottoli E., Sarti G., Ciavola P., Domokos G., Jerolmack D.J. Universal characteristics of particle shape evolution by bed-load chipping. Science. Advances. 2018. Vol. 4. Iss. 3. Article eaao4946. https://doi.org/10.1126/sciadv.aao4946 10. Meena M., Kumar H., Chaturvedi N.D., Kovalev A.A., Bolshev V., Kovalev D.A., et al. Biomass Gasification and Applied Intelligent Retrieval in Modeling. Energies. 2023. Vol. 16. Iss. 18. Article 6524. https://doi.org/10.3390/en16186524 11. Xie J., Zhu Yo. Association between ambient temperature and COVID-19 infection in 122 cities from China. Science of The Total Environment. 2020. Vol. 724. Article 138201. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.138201 12. Han B., Jin X., Xiang X., Rui S., Zhang X., Jin Z., Zhou Yi. An integrated evaluation framework for Land-Space ecological restoration planning strategy making in rapidly developing area. Ecological Indicators. 2021. Vol. 124. Article 107374. https:// doi.org/10.1016/j.ecolind.2021.107374 13. Amin K.M., Mufti N.A. Investigating cooling curve profile and microstructure of a squeeze cast Al–4%Cu alloy. Journal of Materials Processing Technology. 2012. Vol. 212. Iss. 8. P. 1631—1639. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2012.02.017 14. Jiang Zh., Sun Zh., Wang P. Internal relative humidity distribution in high-performance cement paste due to moisture diffusion and self-desiccation. Cement and Concrete Research. 2006. Vol. 36. Iss. 2. P. 320—325. https://doi.org/10.1016/j. cemconres.2005.07.006 15. Morgado E. Influence of light-soaking and annealing on electron and hole mobility–lifetime products in a-Si:H. Journal of Non- Crystalline Solids. 2004. Vols. 338—340. P. 386—389. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2004.03.004 16. Fan Z.T., Huang N.Y., Dong X.P. In house reuse and reclamation of used foundry sands with sodium silicate binder. International Journal of Cast Metals Research. 2004. Vol. 17. Iss. 1. Р. 51—56. https://doi.org/10.1179/136404604225020551 17. Wan H., Yuan L., Zhang Y. Insight Into the Leaching of Sodium Alumino-Silicate Hydrate (N-A-S-H) Gel: A Molecular Dynamics Study. Frontiers in Materials. 2020. Vol. 7. Article 56. https://doi.org/10.3389/fmats.2020.00056 18. Dupuis R., Pellenq R., Champenois J.-B., Poulesquen A. Dissociation Mechanisms of Dissolved Alkali Silicates in Sodium Hydroxide. The Journal of Physical Chemistry C. 2020. Vol. 124. Iss. 15. Р. 8288—8294. https://doi.org/10.1021/acs. jpcc.0c01495 19. Lu Jj., He W., Yang L., Wang H. Reclamation of CO2 sodium silicate used sands by steam leaching. China Foundry. 2023. Vol. 20. Р. 537—544. https://doi.org/10.1007/s41230-023-1174-y 20. Qiu Yo., Pan H., Zhao Q., Zhang J., Zhang Ya., Guo W. Carbon dioxide-hardened sodium silicate-bonded sand regeneration using calcium carbide slag: The design and feasibility study. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2022. Vol. 10. Iss. 3. Article 107872. https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.107872 21. Arias-Gaviria J. Adoption of sea water air conditioning (SWAC) in the Caribbean: Individual vs regional effects. Journal of Cleaner Production. 2019. Vol. 227. P. 280—291. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.04.155 22. Mehta V. Sustainable approaches in concrete production: An in-depth review of waste foundry sand utilization and environmental considerations. Environmental Science and Pollution Research. 2024. Vol. 31. Iss. 16. Р. 23435—23461. https://doi.org/10.1007/s11356-024-32785-1 23. Park C.-L., Kim B.-G., Yu Yo. The regeneration of waste foundry sand and residue stabilization using coal refuse. Journal of Hazardous Materials. 2012. Vols. 203—204. P. 176—182. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2011.11.100 60 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 46-62 Л.І. Солоненко, С.І. Реп’ях, О.П. Білий 24. Ismail A.A.M., Kannadasan K., Pichaimani P., Arumugam H., Muthukaruppan A. Synthesis and characterisation of sodium silicate from spent foundry sand: Effective route for waste utilization. Journal of Cleaner Production. 2020. Vol. 264. Article 121689. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.121689 25. Qiu Yo., Pan H., Guo W., Xue C., Zhao Q. Feasibility of using pretreated sodium silicate-bonded waste foundry sand as fine aggregates for construction mortar. Journal of Building Engineering. 2024. Vol. 86. Article 108878. https://doi.org/10.1016/j. jobe.2024.108878 26. García G., Cabrera R., Rolón J., Pichardo R., Thomas C. Systematic review on the use of waste foundry sand as a partial replacement of natural sand in concrete. Construction and Building Materials. 2024. Vol. 430. Article 136460. https://doi. org/10.1016/j.conbuildmat.2024.136460 27. Спосіб виготовлення ливарних форм і стрижнів з рідко скляної суміші: пат. 122538 Україна: МПК В22С 9/10, 9/12. № а 201901350; заявл. 11.02.2019; опубл. 25.11.2020, Бюл. № 22. 7 с. 28. Солоненко Л.І., Реп’ях С.І., Узлов К.І. Структурування формувальних та стрижневих сумішей за способом паро- мікрохвильового затвердіння. Металургійна та гірничорудна промисловість. 2021. № 2. С. 23—31. URL: https:// www.researchgate.net/publication/360219604_STRUKTURUVANNA_FORMUVALNIH_TA_STRIZNEVIH_SUMISEJ_ZA_ SPOSOBOM_PARO-MIKROHVILOVOGO_ZATVERDINNA (дата звернення: 09.04.2026). 29. Solonenko L.I. , Repiakh S.I., Uzlov K.I., Mamuzich I., Bilyi O.P., Kimstach T.V. Water resistance of structured sand-sodium- silicate mixtures. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2021. № 4. Р. 41—46. https://doi.org/10.33271/ nvngu/2021-4/041 30. Burkowicz A., Galos K., Guzik K. The Resource Base of Silica Glass Sand versus Glass Industry Development: The Case of Poland. Resources. 2020. Vol. 9. Iss. 11. Article 134. https://doi.org/10.3390/resources9110134 1. Sgarlata, C., Ariza-Tarazona, M. C., Paradisi, E., Siligardi, C., & Lancellotti, I. (2023). Use of Foundry Sands in the Production of Ceramic and Geopolymers for Sustainable Construction Materials. Applied Sciences, 13(8), article 5166. https://doi. org/10.3390/app13085166 2. Gedik, A., Lav, A. H., & Lav, M. A. (2018). Investigation of alternative ways for recycling waste foundrysand: an extensive review to present benefits. Canadian Journal of Civil Engineering, 45(6), 423-434. https://doi.org/10.1139/cjce-2017-0183 3. Mhaya, A. M., Shahidan, S., Goel, A., & Huseien, G. F. (2024). Effect of metakaolin content and shape design on strength performance of lightweight rubberized geopolymer mortars incorporated slag-waste glass powders. Construction and Building Materials, 432, article 136500. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.136500 4. Boukherroub, T., D’amours, S., & Rönnqvist, M. (2018). Sustainable forest management using decision theaters: rethinking participatory planning. Journal of Cleaner Production, 179, 567-580. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.01.084 5. Kirchherr, J., Reike, D., & Hekkert, M. (2017). Conceptualizing the circular economy: An analysis of 114 definitions. Resources, Conservation and Recycling, 127, 221-232. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2017.09.005 6. Domingues, L. G. F., Dos Santos Ferreira, G. C., & Pires, M. S. G. (2022). Physicochemical and microbiological characteristics of waste foundry sand used in landfills. Environmental Monitoring and Assessment, 194(10), article 725. https://doi.org/10.1007/ s10661-022-10355-7 7. Penkaitis, G., & Sígolo, J. B. (2012). Waste foundry sand: Environmental implication and characterization. Geologia USP. Série Científica, 12(3), 57-70. https://doi.org/10.5327/Z1519-874X2012000300004 8. Fore, S., & Mbohwa, C. (2010). Cleaner production for environmental conscious manufacturing in the foundry industry. Journal of Engineering, Design and Technology, 8(3), 314-333. https://doi.org/10.1108/17260531011086180 9. Novák-Szabó, T., Sipos, A. Á., Shaw, S., Bertoni, D., Pozzebon, A., Grottoli, E., Sarti G., Ciavola P., Domokos G., & Jerolmack, D. J. (2018). Universal characteristics of particle shape evolution by bed-load chipping. Science. Advances, 4(3), article eaao4946. https://doi.org/10.1126/sciadv.aao4946 10. Meena, M., Kumar, H., Chaturvedi, N. D., Kovalev, A. A., Bolshev, V., Kovalev, D. A., et al. (2023). Biomass Gasification and Applied Intelligent Retrieval in Modeling. Energies, 16(18), article 6524. https://doi.org/10.3390/en16186524 11. Xie, J., & Zhu, Yo. (2020). Association between ambient temperature and COVID-19 infection in 122 cities from China. Science of The Total Environment, 724, article 138201. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.138201 12. Han, B., Jin, X., Xiang, X., Rui, S., Zhang, X., Jin, Z., & Zhou, Yi. (2021). An integrated evaluation framework for Land-Space ecological restoration planning strategy making in rapidly developing area. Ecological Indicators, 124, article 107374. https:// doi.org/10.1016/j.ecolind.2021.107374 13. Amin, K. M., & Mufti, N. A. (2012). Investigating cooling curve profile and microstructure of a squeeze cast Al–4%Cu alloy. Journal of Materials Processing Technology, 212(8), 1631-1639. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2012.02.017 REFERENCES 61ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 46-62 Регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей 14. Jiang, Zh., Sun, Zh., & Wang, P. (2006). Internal relative humidity distribution in high-performance cement paste due to moisture diffusion and self-desiccation. Cement and Concrete Research, 36(2), 320-325. https://doi.org/10.1016/j. cemconres.2005.07.006 15. Morgado, E. (2004). Influence of light-soaking and annealing on electron and hole mobility–lifetime products in a-Si:H. Journal of Non-Crystalline Solids, 338-340, 386-389. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2004.03.004 16. Fan, Z. T., Huang, N. Y., & Dong, X. P. (2004). In house reuse and reclamation of used foundry sands with sodium silicate binder. International Journal of Cast Metals Research, 17(1), 51-56. https://doi.org/10.1179/136404604225020551 17. Wan, H., Yuan, L., & Zhang, Y. (2020). Insight Into the Leaching of Sodium Alumino-Silicate Hydrate (N-A-S-H) Gel: A Molecular Dynamics Study. Frontiers in Materials, 7, article 56. https://doi.org/10.3389/fmats.2020.00056 18. Dupuis, R., Pellenq, R., Champenois, J.-B., & Poulesquen, A. (2020). Dissociation Mechanisms of Dissolved Alkali Silicates in Sodium Hydroxide. The Journal of Physical Chemistry C, 124(15), 8288−8294. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c01495 19. Lu, Jj., He, W., Yang, L., & Wang, H. (2023). Reclamation of CO2 sodium silicate used sands by steam leaching. China Foundry, 20, 537-544. https://doi.org/10.1007/s41230-023-1174-y 20. Qiu, Yo., Pan, H., Zhao, Q., Zhang, J., Zhang, Ya., & Guo, W. (2022). Carbon dioxide-hardened sodium silicate-bonded sand regeneration using calcium carbide slag: The design and feasibility study. Journal of Environmental Chemical Engineering, 10(3), article 107872. https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.107872 21. Arias-Gaviria, J. (2019). Adoption of sea water air conditioning (SWAC) in the Caribbean: Individual vs regional effects. Journal of Cleaner Production, 227, 280-291. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.04.155 22. Mehta, V. (2024). Sustainable approaches in concrete production: An in-depth review of waste foundry sand utilization and environmental considerations. Environmental Science and Pollution Research, 31(16), 23435-23461. https://doi.org/10.1007/ s11356-024-32785-1 23. Park, C.-L., Kim, B.-G., & Yu, Yo. (2012). The regeneration of waste foundry sand and residue stabilization using coal refuse. Journal of Hazardous Materials, 203-204, 176-182. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2011.11.100 24. Ismail, A. A. M., Kannadasan, K., Pichaimani, P., Arumugam, H., & Muthukaruppan, A. (2020). Synthesis and characterisation of sodium silicate from spent foundry sand: Effective route for waste utilization. Journal of Cleaner Production, 264, article 121689. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.121689 25. Qiu, Yo., Pan, H., Guo, W., Xue, C., & Zhao, Q. (2024). Feasibility of using pretreated sodium silicate-bonded waste foundry sand as fine aggregates for construction mortar. Journal of Building Engineering, 86, article 108878. https://doi.org/10.1016/j. jobe.2024.108878 26. García, G., Cabrera, R., Rolón, J., Pichardo, R., & Thomas, C. (2024). Systematic review on the use of waste foundry sand as a partial replacement of natural sand in concrete. Construction and Building Materials, 430, article 136460. https://doi. org/10.1016/j.conbuildmat.2024.136460 27. Method for manufacturing casting molds and rods from a liquid glass mixture: pat. 122538 Ukraine: МPК В22С 9/10, 9/12. № а 201901350; announced 11.02.2019; published 25.11.2020, Bul. № 22. 7 p. [in Ukrainian]. 28. Solonenko, L., Repyakh, S., & Uzlov, K. (2021). Mold and rod mixtures structuring by steam-microwave solidification method. Metal Journal, (2), 23-31. https://www.researchgate.net/publication/360219604_STRUKTURUVANNA_FORMUVALNIH_TA_ STRIZNEVIH_SUMISEJ_ZA_SPOSOBOM_PARO-MIKROHVILOVOGO_ZATVERDINNA [in Ukrainian]. 29. Solonenko, L. I. , Repiakh, S. I., Uzlov, K. I., Mamuzich, I., Bilyi, O. P., & Kimstach, T. V. (2021). Water resistance of structured sand-sodium-silicate mixtures. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (4), 41-46. https://doi.org/10.33271/ nvngu/2021-4/041 30. Burkowicz, A., Galos, K., & Guzik, K. (2020). The Resource Base of Silica Glass Sand versus Glass Industry Development: The Case of Poland. Resources, 9(11), article 134. https://doi.org/10.3390/resources9110134 Надійшла/Received 10.04.2026 Прийнята/Accepted 13.05.2026 Опублікована/Published 29.05.2026 62 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 46-62 Л.І. Солоненко, С.І. Реп’ях, О.П. Білий Summary L.I. Solonenko1, Dr. Sci. (Engin.), Associate Professor, Professor at the Department of Civil Safety and Occupational Safety and Health, e-mail: solonenkoli14@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-2092-8044 S.I. Repyakh2, Dr. Sci. (Engin.), Professor, Professor at the Department of Casting Production, e-mail: 123rs@ua.fm, https://orcid.org/0000-0003-0203-4135 О.P. Bilyi2, PhD (Engin.), Associate Professor, Associate Professor at the Department of Casting Production, e-mail: baplitvo@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-1234-5404 1Odesa Polytechnic National University (Odesa, Ukraine) 2Ukrainian State University of Science and Technologies (Dnipro, Ukraine) Regeneration and Alternative Utilization of Spent Sand-Sodium Silicate Mixtures Structured via Sodium Silicate Dehydration Relevance. The relevance of this work is driven by the urgent need to mitigate the environmental impact of spent foundry molding sands and to develop high-efficiency, low-energy, and resource-saving reclamation technologies. Results. It was established that the water resistance of sand-sodium silicate mixtures structured by dehydration exhib- its an inversion-type dependence on the sodium silicate content and the duration of MW-structuring (microwave structuring). This behavior is attributed to the competitive processes between the formation and dehydration of silicate bridges (cuffs). It is shown that the structural degradation in water follows a diffusion-kinetic mechanism and is determined by temperature, water volume, and binder content. A generalized parameter Θ SMS , is proposed to synthesize the influence of composition and structuring regimes on the system's properties. It was found that strength, water resistance, and hydro-regeneration duration are described by monotonic exponential functions with asymptotic saturation relative to Θ SMS parameter. An analytical model for estimating the neutralizing agent consumption was developed with a margin of error within 10 %. The study demonstrates the feasibility of effective hydro-regeneration using limited water volumes and subsequent reuse of the mixture. Scientific Novelty. For the first time, a generalized dimensionless parameter Θ SMS has been introduced. This param- eter integrates the sodium silicate dosage and its degree of dehydration, defining the structural state and the complex of properties of sand-sodium silicate mixtures structured by dehydration. A unified correlation between strength, water resis- tance, and hydro-regeneration duration via the Θ SMS parameter was established and interpreted as a percolation-type transi- tion within the intergranular silicate framework. Practical Significance. The findings allow for the optimization of MW-structuring and hydro-regeneration regimes for dehydration-structured sand-sodium silicate mixtures. This ensures a reduction in water, energy, and binder consumption while maintaining the required level of technological properties. Keywords Sand-sodium silicate mixtures, hydro-regeneration, water resistance, silicate bridges, dehydration, resource conservation, secondary raw materials.
id	oai:oai.metalsandcasting.com:article-330
institution	Metal and Casting of Ukraine
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2026-07-10T01:00:37Z
publishDate	2026
publisher	Physico-technological Institute of Metals and Alloys
record_format	ojs
resource_txt_mv	wwwmetalsandcastingcom/fc/c3f864a8aae7c2b2f80cf470a21a1afc.pdf
spelling	oai:oai.metalsandcasting.com:article-3302026-07-09T11:02:55Z Regeneration and Alternative Utilization of Spent Sand-Sodium Silicate Mixtures Structured via Sodium Silicate Dehydration Регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей, які структуровані дегідратацією рідкого скла Солоненко, Л.І. Реп’ях, С.І. Білий, О.П. Sand-sodium silicate mixtures hydro-regeneration water resistance silicate bridges dehydration resource conservation secondary raw materials піщано-рідкоскляні суміші гідрорегенерація водостійкість силікатні манжети дегідратація ресурсозбереження вторинна сировина Relevance. The relevance of this work is driven by the urgent need to mitigate the environmental impact of spent foundry molding sands and to develop high-efficiency, low-energy, and resource-saving reclamation technologies. Results. It was established that the water resistance of sand-sodium silicate mixtures structured by dehydration exhibits an inversion-type dependence on the sodium silicate content and the duration of MW-structuring (microwave structuring). This behavior is attributed to the competitive processes between the formation and dehydration of silicate bridges (cuffs). It is shown that the structural degradation in water follows a diffusion-kinetic mechanism and is determined by temperature, water volume, and binder content. A generalized parameter ΘSMS, is proposed to synthesize the influence of composition and structuring regimes on the system's properties. It was found that strength, water resistance, and hydro-regeneration duration are described by monotonic exponential functions with asymptotic saturation relative to ΘSMS parameter. An analytical model for estimating the neutralizing agent consumption was developed with a margin of error within 10 %. The study demonstrates the feasibility of effective hydro-regeneration using limited water volumes and subsequent reuse of the mixture. Scientific Novelty. For the first time, a generalized dimensionless parameter ΘSMS has been introduced. This parameter integrates the sodium silicate dosage and its degree of dehydration, defining the structural state and the complex of properties of sand-sodium silicate mixtures structured by dehydration. A unified correlation between strength, water resistance, and hydro-regeneration duration via the ΘSMS parameter was established and interpreted as a percolation-type transi- tion within the intergranular silicate framework. Practical Significance. The findings allow for the optimization of MW-structuring and hydro-regeneration regimes for dehydration-structured sand-sodium silicate mixtures. This ensures a reduction in water, energy, and binder consumption while maintaining the required level of technological properties. Актуальність. Актуальність роботи обумовлена необхідністю зниження екологічного навантаження, зумовленого відпрацьованими формувальними сумішами ливарного виробництва, та розроблення високоефективних низькоенерговитратних ресурсозберігаючих технологій їх регенерації. Отримані результати. Встановлено, що водостійкість піщано-рідкоскляних сумішей, що структуровані за рахунок дегідратації, має інверсійний характер залежності від вмісту рідкого скла та тривалості ПМЗ-структурування, що обумовлено конкуренцією процесів формування та дегідратації силікатних манжет. Показано, що руйнування структури у воді має дифузійно-кінетичну природу і визначається температурою, об’ємом води та вмістом зв’язувального. Запропоновано параметр ΘПМЗ, який узагальнює вплив складу та режимів структурування на властивості системи. Встановлено, що міцність, водостійкість і тривалість гідрорегенерації описуються монотонними експоненційними залежностями з асимптотичним виходом на насичення від параметра ΘПМЗ. Отримано аналітичну модель для оцінки витрати нейтралізуючого реагенту з похибкою не більше 10 %. Показано можли- вість ефективної гідрорегенерації з обмеженим об’ємом води та повторного використання суміші. Наукова новизна. Вперше введено узагальнений безрозмірний параметр ΘПМЗ, який інтегрує кількість рідкого скла та ступінь його дегідратації і визначає структурний стан піщано-рідкоскляної суміші, що структурована за рахунок дегідратації, та комплекс її властивостей. Встановлено єдину закономірність взаємозв’язку між міцністю, водостійкістю та тривалістю гідрорегенерації через параметр ΘПМЗ, що інтерпретується як перколяційного типу перехід у структурі міжзеренного силікатного каркаса. Практичне значення. Отримані результати дозволяють оптимізувати режими ПМЗ-структурування і гідрорегенерації піщано-рідкоскляних сумішей, що структуровані за рахунок дегідратації, забезпечуючи зниження витрат води, енергії та зв’язувального при збереженні рівнів необхідних їм технологічних властивостей. Physico-technological Institute of Metals and Alloys 2026-05-29 Article Article application/pdf https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/330 10.15407/steelcast2026.02.046 Metal and Casting of Ukraine; Vol. 34 No. 2 (2026): Metal and Casting of Ukraine; 46-62 Метал та лиття України ; Том 34 № 2 (2026): Метал та лиття України; 46-62 2706-5529 2077-1304 uk https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/330/323 Авторське право (c) 2026 Л.І. Солоненко, С.І. Реп’ях, О.П. Білий https://creativecommons.org/licenses/by/4.0
spellingShingle	піщано-рідкоскляні суміші гідрорегенерація водостійкість силікатні манжети дегідратація ресурсозбереження вторинна сировина Солоненко, Л.І. Реп’ях, С.І. Білий, О.П. Регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей, які структуровані дегідратацією рідкого скла
title	Регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей, які структуровані дегідратацією рідкого скла
title_alt	Regeneration and Alternative Utilization of Spent Sand-Sodium Silicate Mixtures Structured via Sodium Silicate Dehydration
title_full	Регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей, які структуровані дегідратацією рідкого скла
title_fullStr	Регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей, які структуровані дегідратацією рідкого скла
title_full_unstemmed	Регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей, які структуровані дегідратацією рідкого скла
title_short	Регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей, які структуровані дегідратацією рідкого скла
title_sort	регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей, які структуровані дегідратацією рідкого скла
topic	піщано-рідкоскляні суміші гідрорегенерація водостійкість силікатні манжети дегідратація ресурсозбереження вторинна сировина
topic_facet	Sand-sodium silicate mixtures hydro-regeneration water resistance silicate bridges dehydration resource conservation secondary raw materials піщано-рідкоскляні суміші гідрорегенерація водостійкість силікатні манжети дегідратація ресурсозбереження вторинна сировина
url	https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/330
work_keys_str_mv	AT solonenkolí regenerationandalternativeutilizationofspentsandsodiumsilicatemixturesstructuredviasodiumsilicatedehydration AT repâhsí regenerationandalternativeutilizationofspentsandsodiumsilicatemixturesstructuredviasodiumsilicatedehydration AT bílijop regenerationandalternativeutilizationofspentsandsodiumsilicatemixturesstructuredviasodiumsilicatedehydration AT solonenkolí regeneracíâtaalʹternativnevikoristannâvídpracʹovanihpíŝanorídkosklânihsumíšejâkístrukturovanídegídratacíêûrídkogoskla AT repâhsí regeneracíâtaalʹternativnevikoristannâvídpracʹovanihpíŝanorídkosklânihsumíšejâkístrukturovanídegídratacíêûrídkogoskla AT bílijop regeneracíâtaalʹternativnevikoristannâvídpracʹovanihpíŝanorídkosklânihsumíšejâkístrukturovanídegídratacíêûrídkogoskla

Регенерація та альтернативне використання відпрацьованих піщано-рідкоскляних сумішей, які структуровані дегідратацією рідкого скла

Institution

Similar Items