BADANIA, METODĄ NIENISZCZĄCĄ, PROCESU WIĄZANIA MAS SZYBKOUTWARDZALNYCH PRZEDMUCHIWANYCH GAZAMI

Transkrypt

1 40/10 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 10 Archiwum O dlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 10 PAN Katowice PL ISSN BADANIA, METODĄ NIENISZCZĄCĄ, PROCESU WIĄZANIA MAS SZYBKOUTWARDZALNYCH PRZEDMUCHIWANYCH GAZAMI J. ZYCH 1 Wydział Odlewnictwa; Akademia Górniczo-Hutnicza Kraków, ul. Reymonta 23, Polska STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań techniką ultradźwiękową procesu wiązania mas ze spoiwami chemicznymi przedmuchiwanych gazami. W pracy prezentowany są wyniki badań mas z alkaliczna żywicą fenolową utwardzaną CO 2. Badania dotyczą kinetyki procesu oraz określenia wpływu ziarnistości osnowy, przepuszczalności i ciśnienia gazu na szybkość narastania warstwy utwardzonej masy. Badania mają charakter nieniszczący, a ich wyniki mogą być wykorzystane dla praktyki przemysłowej. Key words: ultrasonic, moulding sand, degree of setting, kinetics of setting 1. WPROWADZENIE Sypkie masy szybkowiążące (SMSZ) są kompozycjami wiążącymi w temperaturze otoczenia, lecz utwardzacz nie jest wprowadzany do mieszarki ale dostarcza się go do zagęszczonej w postaci rdzenia lub części formy masy [1]. W związku z tym masy szybkoutwardzalne cechują się wydłużoną żywotnością w stosunku do mas ze spoiwami, w których utwardzacz dodawany jest w trakcie sporządzania masy ( podczas mieszania). Przeniesienie procesu wiązania na etap po zagęszczeniu masy powoduje, że w tej wersji technologii mogą być stosowane substancje, które wywołują szybkie wiązanie masy. Daje to możliwość zwiększenia wydajności procesu produkcji elementów form. Utwardzanie SMSZ prowadzi się poprzez przedmuchiwanie mas aktywnymi gazami. 1 dr. inż., jzych@agh.edu.pl

2 298 Do najczęściej stosowanych gazów należą: CO 2 (szkło wodne, proces fenolowy), SO 2 (technologie FRC, Rutapox i klasyczny SO 2 ), dwu i trójaminy (alkidowy i fenolowy proces Ashland), mrówczan metylu (proces Betaset) itp. Większość z tych gazów jest szkodliwa dla środowiska i dlatego należy dążyć do ograniczania ich ilości do niezbędnej dla utwardzania elementu formy. Określenie tej minimalnej ilości gazu, lub określenie niezbędnego czasu przedmuchiwania dotychczas wyznaczane jest doświadczalnie, w serii próbnej. Instrukcje technologiczne stosowania poszczególnych technologii zalecają czas przedmuchiwania w szerokim zakresie, najczęściej od 1-3 aż do około 60-90sek. Brak natomiast informacji i zaleceń, które wiązałyby czas przedmuchiwania formy z ciśnieniem gazu, przepuszczalnością masy, ziarnistością osnowy czy objętością utwardzanego elementu formy. Taki stan zagadnienia wynika głównie z braku metody badawczej, która pozwalałaby monitorować proces utwardzania w sposób nieniszczący i w trybie on line. W pracy prezentowana jest opracowana przez autora metoda ultradźwiękowa [ 2-7 ], stosowana dotychczas do badań kinetyki wiązania mas ze spoiwami chemicznymi i z ciekłymi utwardzaczami. Badanie metodą ultradźwiękową mas utwardzanych przez przedmuchiwanie ich aktywnymi gazami stanowi nowy obszar zastosowania samej metody. Pokazuje również nowe możliwości badań dla optymalizacji całej grupy technologii wykorzystującej gazowe utwardzacze, technologii znajdujących szeroki zastosowanie w praktyce. 2. BADANIA WŁASNE 2.1 Cel i metodyka badań Utwardzenie masy przedmuchiwanej aktywnymi gazami następuje wtedy, gdy cząstki gazu zostaną przetransportowane do miejsca gdzie tworzony jest mostek łączący ziarna i pozostają w kontakcie ze spoiwem w wystarczająco długim okresie czasu. W utwardzanym rdzeniu (formie) poczynając od jej powierzchni zewnętrznej, przez którą wtłaczany jest gaz, narasta warstwa związanej masy. Szybkość z jaką powiększa się grubość warstwy utwardzonej zależy od szeregu czynników. W niniejszej pracy dąży się do wyznaczenia empirycznych zależności pomiędzy szybkością przemieszczania się czoła utwardzanej warstwy a wybranymi właściwościami technologicznymi masy. Aby można było to osiągnąć zbudowano stanowisko pomiarowe (rysunek 1), które w idei swojej miało stwarzać warunki jakie panują przy jednostronnym przedmuchiwaniu formy. W wybranych odległościach od powierzchni, przez którą do masy wprowadzany jest gaz, umieszczane są punkty pomiarowe. W miejscach tych przez okres przedmuchiwania wykonywane są pomiary propagacji fali ultradźwiękowej w trybie ciągłym. Na tej podstawie opisuje się kinetykę procesu utwardzania masy. Porównanie przebiegów procesu wiązania w oddalonych od siebie warstwach pozwala na określenie średnią szybkości z jaką przemieszcza się czoło utwardzanej warstwy masy. Na rysunku 2

3 299 pokazane jest stanowisku pomiarowe, na którym, obok komory pomiarowej (rdzennicy) widoczna jest instalacja dozowania gazu i układ do pomiarów ultradźwiękowych Rys. 1. Schemat ideowy stanowiska do ultradźwiękowych badań mas ze spoiwami chemicznymi przedmuchiwanych gazami: 1-komora dozowania gazu, 2- głowice ultradźwiękowe, 3-masa w rdzennicy, 4-miejsc pomiarów Fig. 1. Schematic illustration of the measuring-stand for the ultrasonic investigation of moulding sands purged with gases: 1 gas dosage chamber, 2 ultrasonic heads, 3 moulding sand in the core box, 4 place of the measurements Rys. 2. Stanowisko pomiarowe do badań ultradźwiękowych mas SMSZ przedmuchiwanych gazami Fig. 2. The measuring-stand for the ultrasonic investigation of SMSZ moulding sands purged with gases

4 Stopień utwardzenia Sx.. Pochodna dsx/dt [1/min] Wyniki badań Badaniami objęto cztery masy wykonywane z użyciem różnych pod względem wielkości ziarna osnów kwarcowych (d L =0,20; 0,24; 0,34 i 0,46mm). Poszczególne osnowy uzyskane na drodze rozdziału na sitach piasku Szczakowa. Jako spoiwo stosowano żywicę fenolowo-formaldehydową typu rezolowego (Supereko 2000). Żywica dodawana była w ilości 2,5%, natomiast wykonywane rdzenie przedmuchiwano bezwodnikiem kwasu węglowego (CO 2 ) przy ciśnieniu 0,40 i 1,00MPa Kinetyka utwardzania Na rysunku 3 pokazano typowy przebieg procesu utwardzania masy w warstwach tuż pod powierzchnią, a na rysunku 4 przebieg procesu w dwóch warstwach położonych na głębokości 5 i 22cm. Z przebiegu pochodnej (rys.3) wynika, iż proces utwardzania osiąga maksymalną prędkość po upływie około 30 sekund a współczynnik utwardzenia osiąga wartość Sx=0,55-0,60. Po upływie 60 sekund procesu utwardzenie masy w badanej warstwie osiąga poziom: Sx= 0,80. 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Czas przedmuchiwania C0 2 [s] Sx dsx/dt 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Rys. 3. Typowy przebieg kinetyki utwardzania masy z żywicą Supereko przedmuchiwanej CO 2 w warstwie tuż pod powierzchnią (d L =0,34mm) Fig. 3. Typical course of kinetics of the hardening process of the Superko-containing moulding sand purged with CO 2, in the vicinity of the surface (d L =0,34 mm) Po tym okresie następuje wyraźne spowolnienie procesu i dalsze przedmuchiwanie masy jest już małoefektywne i prawdopodobnie nie jest ono konieczne. Dostarczanie gazu odbywa się ze stałą prędkością (stałe ciśnienie gazu z butli), co przy coraz mniejszym jego zużyciu w reakcji chemicznej (mniejsza szybkość utwardzania) powoduje, iż w masie

5 Stopień utwardzenia Sx gromadzi się niewykorzystany kwas węglowy. Dlatego dla utwardzenia tej warstwy zbędne jest dalsze jego dozowanie. Wyznaczenie czasu, po którym należałoby przerwać proces przedmuchiwania, jest możliwe w oparciu o prezentowaną ultradźwiękową metodę. Należy jednak zdecydować (określić) przy jakim stopniu utwardzenia należy przerwać przedmuchiwania masy Szybkość narastania warstwy utwardzonej Szybkość narastania warstwy masy utwardzonej jest podstawową wielkością opisującą proces produkcyjny wykonywanie form i rdzeni w technologii SMSZ. 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 5 cm 22 cm Czas utwardzania [s] Rys. 4. Kinetyka utwardzania masy Supereko przedmuchiwanej CO 2 określona w dwóch warstwach odległych o 5,0 i 22cm od powierzchni (d L =0,46mm) [8] Fig. 4. Kinetics of the hardening process of the Supereko containing moulding sand purged with CO 2, estimated at 5 and 22 cm distance from the surface (d L= 0,46 mm) [8] Dlatego poznanie wpływu ilościowego takich parametrów technologicznych jak: przepuszczalność masy, ziarnistość osnowy czy ciśnienia gazów utwardzających jest z praktycznego punktu widzenia bardzo ważne. Szybkość narastania warstwy utwardzonej nie pokrywa się z szybkością z jaką przemieszcza się gaz przez porowaty ośrodek W tym ostatnim przypadku prędkość przepływu gazu opisuje równanie J.S.Lejbenzona : 2 d e Sl dp dl gdzie: d e zastępcza średnice ziarn osnowy ΔP różnica ciśnień wymuszających przepływ na długości dl L długość przewodu - lepkość dynamiczna płynu (lub gazu) Sl liczba Slichtera (1)

6 Szybkość utwardzania [cm/s] Proces utwardzania jest wywołany reakcją chemiczną, której czas trwania zależy od jej szybkości. Do związania masy w danym obszarze części formy nie wystarczy samo dostarczenia gazu, ale potrzebny jest również czas na reakcję chemiczną. Dlatego szybkość przepływu gazu w porowatej masie, jakkolwiek warunkuje proces utwardzania, to na ogół nie pokrywa się z szybkością narastania związanej warstwy, która najczęściej jest mniejsza. Na obecnym etapie poznania kinetyki tych złożonych procesów, szybkość narastania warstwy utwardzanej dla wybranego układu osnowa spoiwa-aktywny gaz może być wyznaczana jedynie na drodze doświadczalnej. Wpływ kolejnych czynników technologicznych na szybkość utwardzania określony metodą ultradźwiękową przedstawia się następująco: Wpływ wielkości ziarna osnowy Wielkość porów układających się w kanaliki, przez które przepływa utwardzający gaz zwiększa się proporcjonalnie do kwadratu średnicy ziaren osnowy. Szybkość narastania warstwy utwardzonej masy sporządzonej z żywicą fenolowo - formaldehydową (przy ciśnieniu CO 2 1,0MPa) w funkcji wielkości ziarna pokazano na rysunku 5. Szybkość narastania warstwy jest opisana równaniami kwadratowymi, niezależnie od tego na jakim stopniu utwardzania porównywany jest proces. Z rysunku 5 można również wnioskować, iż w przypadku mas o dużej wielkości ziaren, szybkość przemieszczania się czoła fali gazu jest większa od szybkości z jaką przemieszcza się czoło utwardzanej warstwy masy. W tym przypadku proces utwardzania kontrolowany 2,10 1,80 Sx=0,3 Sx=0,5 Sx=0,7 V = 9,38x 2-0,78x + 0,37 1,50 y = 1,15x 2 + 1,96x + 0,07 1,20 0,90 0,60 0,30 0,00 y = 0,21x 2 + 0,70x + 0,29 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 Wielkość ziarna d L [mm] Rys. 5. Wpływ wielkości ziarna osnowy na prędkość utwardzania sypkiej masy z żywicą Supereko przedmuchiwanej CO 2 Fig. 5. The influence of the matrix grain size on the rate of hardening of a loose moulding sand containing Supereco resin purged with CO 2

7 Szybkość utwardzania [cm/s]. 303 jest szybkością reakcji utwardzania a nie szybkością laminarnego przepływu gazu w porowatej masie. Odwrotna sytuacja występuje w przypadku, kiedy ziarnistość masy jest mała (dl<0,20mm), gdzie przepływ gazu jest na tyle powolny, że stanowi czynnik kontrolujący proces utwardzania badanej masy przedmuchiwanej gazem Wpływ przepuszczalności Przepuszczalność masy określana w znormalizowany sposób zwiększa się proporcjonalnie do kwadratu średnicy ziarna osnowy. W podobny sposób zmienia się szybkość przepływu gazu przez porowatą masę (równanie 1). Zatem pomiędzy przepuszczalnością masy a szybkością przemieszczania się warstwy utwardzonej powinna zachodzić liniowa zależność. Wyniki badań procesu utwardzania prowadzonych przy dwóch poziomach ciśnienia gazu wykonane z użyciem techniki ultradźwiękowej pokazano na rysunku 6. Zarówno przy ciśnieniu 0,40MPa jak i ciśnieniu 1,0MPa uzyskano liniowe zależności szybkości narastania warstwy utwardzonej w funkcji przepuszczalności. Wyznaczona szybkość oraz określone równania dotyczą utwardzenia masy do poziomu Sx=0,50. Dla osiągnięcia większego stopnia utwardzania czas przedmuchiwania się wydłuża, co pokazuje rysunek 5. 1,40 1,20 1,00 1,00 MPa 0,40 MPa V = 0,100x + 0,389 0,80 0,60 0,40 V = 0,060x + 0,272 0,20 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 Przepuszczalność masy [m 2 /MPa s] Rys. 6. Wpływ przepuszczalności na szybkość narastania warstwy utwardzonej masy z żywicą Supereko przy przedmuchiwaniu CO 2 ( Sx=0,5) Fig. 6. The influence of the permeability on the rate of growing of layer of hardened moulding sand containing Supereco resin purged with CO 2 (S x = 0,5)

8 Szybkość utwardzania [cm/s] Wpływ ciśnienia gazu Kolejnym czynnikiem, który może być wykorzystany w sterowaniu szybkością utwardzania, jest ciśnienie gazu, przy którym przedmuchiwany jest element formy. Z równania 1 wynika iż szybkość przepływu laminarnego w porowatej masie jest wprost proporcjonalna do różnicy ciśnień. W metodyce pomiarowej, przedstawionej na rysunkach 1 i 2 ciśnienie w butli jest tą wartością, która stanowi różnicę ciśnień w równaniu 1. Pomiary wykonano przy dwóch poziomach ciśnienia stosując masy o różnej ziarnistości osnowy. Przyjmując za równaniem 1 liniowy charakter wpływu ciśnienia na szybkość przepływu wyznaczono zależności: V=f(P s ) dla dwóch ziarnistości osnowy, rysunek 7. Wyznaczone zależności odnoszą się do wartościach utwardzenia wynoszącego S x =0,70. Ponad dwukrotne zwiększenie ciśnienia gazu (z 0,40 do 1,0MPa) powoduje zwiększenia prędkości narastania warstwy utwardzanej niespełna półtorakrotne. Tak więc przyrost szybkości utwardzania nie jest równy przyrostowi teoretycznej szybkości przepływu gazu przez ośrodek porowaty. Zatem zależność opisującą wpływ ciśnienia gazu na szybkość narastania warstwy utwardzonej n ie może musi być przyjęta wprost z jego przyrostu ale musi być określana na drodze doświadczalnej. 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 y = 0,24x + 0,30 y = 0,21x + 0,21 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 Ciśnienie gazu [MPa] 0,34mm 0,20mm Rys. 7. Wpływ ciśnienia przedmuchiwania gazu (CO 2 ) na szybkość narastania warstwy utwardzanej masy z żywicą Sepereko Fig. 7. The influence of the purging gas pressure (CO 2 ) on the rate of growing of layer of hardened moulding sand containing Supereco resin

9 PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania dotyczące nowego obszaru zastosowania techniki ultradźwiękowej do kontroli procesów technologicznych związanych z produkcją odlewniczą prowadzi do następujących wniosków: technika ultradźwiękowa pozwala kontrolować w trybie on line kinetykę utwardzania mas ze spoiwami chemicznymi przedmuchiwanych gazami w oparciu o pomiary ultradźwiękowe (nieniszczące) można wyznaczać szybkość, z jaką przemieszcza się czoło utwardzonej warstwy masy szybkość utwardzania (narastania warstwy) zależy zarówno od szybkości z jaką przemieszcza się gaz w porowatym ośrodku (masie) ale zależy również od kinetyki reakcji chemicznej: spoiwo-gaz utwardzający wyznaczone zależności szybkości utwardzania od wielkości ziarna osnowy, przepuszczalności i ciśnienia gazu mogą znaleźć praktyczne wykorzystanie do sterowania procesem utwardzania mas z żywicą Supereko Uzyskane wyniki badań potwierdzają przydatność opracowanej metody ultradźwiękowej do badań i optymalizacji technologii wytwarzanie elementów form z SMSZ przedmuchiwanych gazami. Są to badania nieniszczące. Praca finansowana przez KBN w ramach projektu badawczego Nr 7 T08B LITERATURA [1] Lewandowski J.L.: Materiały formierskie WNT Warszawa [2] Zych J.: The setting kinetic of moulding sands with water glass, Acta Metallurgica Slovaca, t.8, (2002), nr 2, s [3] Zych J. : Sposób badania procesu utwardzania mas formierskich lub rdzeniowych ze spoiwem, Zgłoszenie patentowe; P (z dnia ). [4] Zych J.: Ultraschallmethode bei der Verfahrenkontrolle der Bindung chemisch gebundener Formsande Giesserei Rundschau, t.47, (2000), nr 1/2, s [5] Zych J. : Prüfen von kurstharz-und wasserglasgebundenen Formsanden mit der Ultraschallmeth. Giesserei Erfahfungsaust. t.44, (2000), nr 4, s [6] Zych J: Badanie kinetyki wiązania mas formierskich ze spoiwami chemicznymi Archiwum Odlewnictwa,t.1 (2001) nr 1, s [7] Zych J.: Bestimmung der scheinbaren Dichte von Naßformsand mit Ultraschallverfaren Giesserei Rundschau, (1999), Heft 9/10, s [8] Czech P. Badania, metodą nieniszczącą, kinetyki wiązania mas szybkoutwardzalnych przedmuchiwanych gazami, praca dyplom. (promtor J. ych), 2003, AGH, Kraków

10 306 INVESTIGATIONS BY THE NON-DESTRUCTIVE METHOD OF THE SETTING PROCESS OF THE QUICK-SETTING MOULDING SANDS PURGED WITH GASES SUMMARY In the work the results of ultrasonic investigation of the process of the chemical bounded moulding sand purged with gases setting are presented. Presented results concern the moulding sands based on an alkaline phenolic resin hardened with CO 2. The kinetics of the process, and the relation between: the matrix granulation, the matrix permeability, a gas pressure, and the rate of growing of the layer of hardened moulding sand are studied. The investigations are non-destructive, and obtained results can be employed in the factory practice. Recenzował Prof. Józef Gawroński