OCENA SZYBKOŚCI WIĄZANIA ORAZ MIGRACJI SPOIWA W RDZENIACH SPORZĄDZANYCH PRZEZ WSTRZELIWANIE MASY ZE ZREGENEROWANĄ OSNOWĄ

Transkrypt

1 20/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN OCENA SZYBKOŚCI WIĄZANIA ORAZ MIGRACJI SPOIWA W RDZENIACH SPORZĄDZANYCH PRZEZ WSTRZELIWANIE MASY ZE ZREGENEROWANĄ OSNOWĄ STRESZCZENIE J. DAŃKO 1, J. ZYCH 2, R. DAŃKO 3, Ł. JAMROZOWICZ 4 Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków, ul. Reymonta 23 W artykule przedstawiono badania szybkości utwardzania masy rdzeniowej do technologii cold-box oraz ocenę migracji spoiwa w rdzeniach sporządzanych przez wstrzeliwanie masy, której osnowę stanowiły: świeży piasek, rozdrobniona masa zużyta z technologii cold-box oraz zregenerowana osnowa kwarcowa. Zastosowano regenerację mechaniczną oraz termiczną osnowy, którą ponownie użyto w masach testowych do technologii cold-box. Przeprowadzono badania migracji spoiwa wywołanej przepływem strumieni powietrza wewnątrz porów rdzenia, a także badania wytrzymałości na zginanie masy do technologii cold-box wykonanej na wytypowanych rodzajach osnowy Key words: sand testing, foundry sand reclamation, used foundry sand 1. WPROWADZENIE Klasyczna technologia cold-box, w której dwuskładnikowe spoiwo jest utwardzane przez przedmuchiwanie związkami aminy, dobrze się nadaje do sporządzania skomplikowanych rdzeni na odpowiedzialne odlewy. Jej niewątpliwą i eksponowaną zaletą technologiczną jest powtarzalna jakość rdzeni, uniwersalność oraz bardzo duża szybkość utwardzania. Te cechy oraz korzystne wskaźniki ekonomiczne preferują stosowanie technologii cold-box w masowej produkcji odlewów o małej i średniej wielkości między innymi odlewów motoryzacyjnych. Jako zasadę, do 1 prof. dr hab. inż., jd@agh.edu.pl. 2 dr inż., jzych@agh.edu.pl 3 dr inż., rd@uci.agh.edu.pl. 4 mgr inż.

2 140 sporządzania mas rdzeniowych tego typu stosuje się głównie piaski świeże o rygorystycznie ograniczonej wilgotności do 0,1, a nawet do 0,05% [ 3, 5]. Intencją autorów artykułu było przeprowadzenie badań szybkości wiązania mas rdzeniowych do klasycznej technologii cold-box sporządzonych na osnowie odzyskanej również z tej technologii przez poddanie zużytej osnowy regeneracji mechanicznej oraz termicznej o różnym stopniu oczyszczenia celem oceny możliwości zastosowania regeneratu do sporządzania rdzeni. Badania te zostaną przeprowadzone metodą ultradźwiękową, której przydatność potwierdzona została w licznych publikacjach [7, 8]. Jedną ze specyficznych cech klasycznej technologii cold-box, związanej z małą lepkością ciekłych komponentów spoiwa (zasadowa żywica fenolowa oraz aktywator poliizocyjanian wraz ich rozpuszczalnikami) jest występowanie zjawiska migracji spoiwa podczas zagęszczania metodami nadmuchiwania lub wstrzeliwania [1, 5, 6]. Zjawisko to, w połączeniu z anizotropią zagęszczenia rdzeni może prowadzić do różnej wytrzymałości masy w określonych rejonach rdzeni i spadku ich jakości. 2. PROGRAM BADAŃ I STANOWISKA DOŚWIADCZALNE Masy rdzeniowe, z których następnie wykonywano próbki do badań wytrzymałościowych i szybkości wiązania, a także migracji spoiwa sporządzano stosując następujące osnowy: świeży piasek kwarcowy (osnowa odniesienia) - oznaczenie I, rozdrobniona masa zużyta (nieprzepalona), z klasycznej technologii cold-box oznaczenie II, regenerat po regeneracji mechanicznej w urządzeniu doświadczalnym, czas regeneracji kolejnych prób: 5 min, 10 min i 15 min oznaczenie odpowiednio: III, IV, V, regenerat po regeneracji termicznej, czas regeneracji w regeneratorze doświadczalnym 10 minut oznaczenie VI. Skład masy, z której wykonywano próbki był następujący: osnowa (próby I VI) 100 cz. wag., żywica fenolowo formaldehydowa Gasharz ,8 cz. wag., poliizocyjanian Aktywator ,8 cz. wag., Jako katalizator reakcji wiązania składników spoiwa stosowano dwumetyloetyloaminę (DMEA) o nazwie handlowej Katalizator GH3. Masy przygotowano zgodnie z zaleceniami producenta żywicy. Stosowano następujące metody oceny regeneratów oraz badanych próbek masy: strata prażenia przygotowanych regeneratów, wytrzymałość na zginanie próbek podłużnych masy dla badanej osnowy (oznaczenie I VI), ocena migracji żywicy w próbkach za pomocą pomiaru zawartości spoiwa,

3 141 badanie szybkości utwardzania mas wykonanych z użyciem wymienionych powyżej osnów metodą ultradźwiękową. Ocenę migracji żywicy przeprowadzono na próbkach podłużnych zagęszczonych przez wstrzeliwanie i utwardzonych przez przedmuchiwanie gazowej aminy. Sposób podziału kształtki przedstawia rysunek 1. Dokonywano pomiaru zawartości spoiwa w każdej części próbki za pomocą określenia strat prażenia w temperaturze około C. Badania szybkości utwardzania mas wykonanych z użyciem przygotowanych osnów przeprowadzono zgodnie z procedurą przedstawioną w pracach [3, 4]. 3. WYNIKI BADAŃ Na rysunku 2 przedstawiono uzyskane wartości strat prażenia przygotowanych regeneratów. Można zauważyć, że najlepszą osnowę (porównywalną ze świeżym piaskiem kwarcowym) uzyskano po procesie regeneracji termicznej. Regeneraty po regeneracji mechanicznej masy zużytej charakteryzują się większymi stratami prażenia, malejącymi jednak wraz ze wzrostem czasu obróbki regeneracyjnej osnowy. Otwór strzałowy mm Odpowietrzenie Rys.1. Próbka rdzenia 22,5 x 22,5 x 167 mm do pomiaru gęstości pozornej oraz zawartości spoiwa [1, 4]. Fig. 1. Core sample 22,5 x 22,5 x 167 mm for apparent density measurement and determination of bonding agent content [1, 4]. Na rysunku 3 przedstawiono wyniki badania wytrzymałości na zginanie masy sporządzonej na badanych próbach osnowy. Można zauważyć, że największe wartości wytrzymałości uzyskano dla mas przygotowanych ze świeżego piasku kwarcowego oraz regeneratu po regeneracji termicznej. Zwraca uwagę wysoka wytrzymałość nowej masy sporządzonej wprost na osnowie masy zużytej oraz spadek wytrzymałości masy wraz ze zwiększeniem czasu regeneracji mechanicznej, które to zwiększenie, powoduje stosowne do czasu obróbki regeneracyjnej, zmniejszenie grubości zużytego spoiwa, jednak nie eliminuje go całkowicie, o czym świadczą dane przedstawione na rysunku 2.

4 ,8 1,6 1,88 1,63 Starata prażenia, % 1,4 1,2 1 0,8 0,6 1,20 1,16 0,4 0,2 0 0,04 I II III IV V VI Osnowa masy 0,03 Rys. 2. Strata prażenia regeneratów badanych rodzajów osnowy. Fig. 2. Lost of ignition of tested kinds of sand basis. Wytrzymałość próbek na zginanie R g u, MPa 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 3,35 3,42 2,77 2,93 2,59 Czas odstawania próbek - 0h Czas odstawania próbek - 1h 2,30 I II III IV V VI Osnowa masy 2,60 2,49 2,36 2,35 3,23 3,30 Rys. 3. Wytrzymałości na zginanie masy cold-box z badanymi rodzajami osnowy. Fig. 3. Bending strength of cold-box mixtures with tested kinds of sand basis. Na rysunku 4 przedstawiono wyniki badania migracji żywicy w próbkach masy z różnymi rodzajami osnowy. We wszystkich przypadkach obserwuje się zróżnicowanie zawartości spoiwa na długości rdzenia, które wynika zarówno z występowania zjawiska przemieszczania się spoiwa w kanałach i porach masy pod wpływem przepływu strumieni powietrza od głowicy strzałowej do otworów odpowietrzających, jak i z różnego stopnia zagęszczenia rdzenia wzdłuż jego wysokości. Wyniki badania szybkości (intensywności) utwardzania przedstawiono na rysunku 5. Ze względu na bardzo dużą szybkość reakcji zastosowano następujące parametry przedmuchiwania próbki: ciśnienie 0,2 MPa, czas dmuchu 1 s, przerwa 5 s. Analiza uzyskanych danych wskazuje na zbliżone wartości intensywności utwardzania mas sporządzonych na osnowie o różnym sposobie przygotowania. Na sporządzonych wykresach maksimum czasu wiązania mieści się w zakresie s, a po przekroczeniu 40 s krzywe dla poszczególnych rodzajów osnowy praktycznie nakładają się na siebie.

5 143 Strata prażenia [%] 3,10 2,90 2,70 2,50 2,30 2,10 1,90 1,70 1,50 1, Numer Próbki osnowa II osnowa III osnowa IV osnowa V osnowa VI Rys. 4. Migracja spoiwa w rdzeniach wykonanych z badanymi rodzajami osnowy. Fig.4. Migration of bonding composition along the cores with tested kinds of sand basis. Pochodna ded / dt OSNOWA I OSNOWA II OSNOWA IV OSNOWA VI Czas wiązania [sek] Rys.5. Szybkość wiązania mas cold-box z badanymi rodzajami osnowy. Fig. 5. Intensity of cold-box sand hardening with tested kinds of sand basis. 4. PODSUMOWANIE W masach do klasycznej technologii cold-box wartość wytrzymałości masy na zginanie może być traktowana jako jeden ze wskaźników oceny jakości osnowy, w tym również jakości regeneratu tylko w przypadku świeżej osnowy piaskowej lub osnowy poddanej regeneracji termicznej. Oparcie się tylko na określeniu wartości tego parametru masy bez uwzględnienia np. strat prażenia osnowy może prowadzić do błędnej oceny jakości regeneratu oraz skuteczności danego systemu regeneracji mechanicznej, który nieskutecznie eliminuje efekt kumulacji spoiwa na ziarnach osnowy w kolejnych cyklach jej eksploatacji. Analiza migracji spoiwa w masie sporządzonej na osnowie piasku świeżego lub po regeneracji termicznej może stanowić podstawę do korekty parametrów procesu wstrzeliwania rdzeni w kierunku zmniejszenia anizotropii ich właściwości wytrzymałościowych, przepuszczalności oraz lokalnej zawartości żywicy w masie. Dla osnowy, w której pozostaje pewna ilość nieusuniętego spoiwa, ocena w tych warunkach migracji spoiwa w masie nie ma istotniejszego znaczenia. Uzyskane zróżnicowanie zawartości spoiwa z tytułu zjawiska

6 144 migracji daje o wiele mniejsze zróżnicowanie wytrzymałości niż ogólna zawartość spoiwa rezydualnego oraz świeżego. Badania zrealizowano w ramach pracy własnej AGH, nr LITERATURA [1] Dańko J., Jamrozowicz Ł., Sroczyński A.: Analiza rozkładu gęstości i badanie migracji żywicy w próbkach masy wstrzeliwanych do rdzennicy w technologii cold-box. XXIX Konferencja Naukowa z okazji Swięta Odlewnika Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków listopad 2005, s [2] Dańko R.: Podstawy teoretyczne i technologiczne doboru optymalnych sposobów regeneracji suchej zużytych mas formierskich. Rozprawa doktorska, Wydział Odlewnictwa, Kraków [3] Drożyński D.: Zjawiska powierzchniowe w procesie wiązania mas w klasycznej technologii cold-box. Rozprawa doktorska, Wydział Odlewnictwa, Kraków [4] Jamrozowicz Ł.: Optymalizacja wytwarzania rdzeni utwardzanych w temperaturze otoczenia na przykładzie procesu fenolowego Ashland, Praca Magisterska, Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków 2005 [5] Lewandowski J.L.: Tworzywa na formy odlewnicze. Wydawnictwo Akapit, Kraków 1997 [6] Popov A.: Wytwarzanie rdzeni metodą cold-box doświadczenia firmy Laempe. Przegląd Odlewnictwa nr 2, 1994, s [7] Zych J. : Sposób badania procesu utwardzania mas formierskich lub rdzeniowych ze spoiwem. Zgłoszenie patentowe; P (z dnia ) [8] Zych J., Dańko J.: Non-destructive method of core examination to determine the uniformity of sand compaction and the distribution of strength and permeability. International Conference Modern Methods of Core Production, , Milovy, Czechy. EVALUATION OF HARDENING INTENSITY AND BINDER MIGRATION IN CORES PREPARED BY MEANS OF SHOOTING CORE SANDS BASED ON RECLAIMED SAND BASE. SUMMARY The evaluation of hardening intensity of core sand and binder migration in cores prepared by means of shooting core sands based both on fresh, used and on reclaimed cold-box sand base have been presented in the paper. The thermal and mechanical reclamation techniques have been adopted to prepare quartz sand basis used in new cold-box mixtures. The investigation of migration of bonding composition forced by the air stream flow inside core pores were carried out as well as the bending strength of cold-box sand sample with chosen tested sand. Recenzował Prof. Jan Lech Lewandowski