OCENA METODĄ ULTRADŹWIĘKOWĄ ZAWARTOŚCI LEPISZCZA AKTYWNEGO W MASIE FORMIERSKIEJ

Transkrypt

1 7/20 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 20 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 20 PAN Katowice PL ISSN OCENA METODĄ ULTRADŹWIĘKOWĄ ZAWARTOŚCI LEPISZCZA AKTYWNEGO W MASIE FORMIERSKIEJ T. MIKULCZYŃSKI, J. BOGDANOWICZ, Ł. DWORZAK, M. GANCZAREK Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji, ul. Łukasiewicza 5, Wrocław STRESZCZENIE Zaprezentowano nową metodę oceny zawartości lepiszcza aktywnego w masie formierskiej. Podstawę do oceny zawartości lepiszcza aktywnego w masie stanowią badania ultradźwiękowe masy. Umożliwiają one wyznaczenie współczynnika k C charakteryzującego własności sprężyste masy formierskiej. Na podstawie zależności L=f(k C ) oraz znajomości wilgotności badanej masy formierskiej można z charakterystyk wzorcowych L=f(k C,W) określić zawartość lepiszcza aktywnego w masie. Do podstawowych zalet opracowanej metody należy prosty i w krótkim czasie realizowany pomiar. Key words: moulding sand, elastic property coefficient, ultrasonic method 1. WSTĘP Klasyczne masy formierskie są najstarszymi kompozycjami stosowanymi do produkcji form i rdzeni odlewniczych. Głównymi składnikami tych mas są: osnowa piaskowa i glina formierska lub piaski naturalne, same bądź z dodatkiem osnowy lub gliny formierskiej. Obecnie powszechnie stosuje się masy syntetyczne. Są to takie kompozycje, w których głównymi składnikami są: osnowa piaskowa, lepiszcze (bentonit), woda oraz dodatki. To największe zastosowanie spośród innych odmian klasycznych mas (naturalne, półsyntetyczne, gliniaste), jest uwarunkowane przede wszystkim największą możliwością kierowania składem tych mas, a zatem i własnościami technologicznymi decydującymi o ich jakości i zarazem jakości wytwarzanych z nich form. O własnościach technologicznych masy decyduje przede wszystkim rodzaj oraz skład masy formierskiej. Natomiast, w przypadku określonego rodzaju masy formierskiej, o jej właściwościach technologicznych decydują: ilość i jakość lepiszcza (bentonitu) oraz wilgotność.

2 60 W odniesieniu do oceny wpływu ilości lepiszcza (bentonitu) w masie formierskiej na jej właściwości technologiczne należy stwierdzić, że w tym przypadku chodzi o zawartość lepiszcza aktywnego w masie. Wiadomo bowiem, że podczas zalewania form ciekłym metalem część lepiszcza zawartego w masie ulega degradacji termicznej, przez to nie uczestniczy w procesie wiązania masy odświeżonej. W tym kontekście można stwierdzić, że znajomość zawartości lepiszcza aktywnego w masie formierskiej oraz jej wilgotności jest niezmiernie ważna w odlewnictwie, gdyż na tej podstawie można ocenić jakość masy formierskiej. W związku z powyższym można stwierdzić, że (w szczególności w aspekcie pomiaru i regulacji podstawowych właściwości technologicznych masy używanej i automatyzacji procesu jej przerobu) niezbędne jest stosowanie szybkich i dokładnych metod pomiaru wilgotności i zawartości lepiszcza aktywnego w masie. Stosowanie takich metod pozwoliłaby na stabilizację podstawowych właściwości technologicznych używanych mas formierskich. W odniesieniu do pomiaru wilgotności należy stwierdzić, że obecnie istnieją metody pozwalające na szybkie i dokładne pomiary wilgotności masy. Zaliczyć do nich można np. metody pojemnościową oraz impulsową. Natomiast nie ma obecnie metody, która pozwalałaby na dokładny i szybki pomiar zawartości lepiszcza aktywnego w masie formierskiej. Taką możliwość stwarza, opracowana w Laboratorium Podstaw Automatyzacji Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej, metoda wykorzystująca technikę ultradźwiękową, która została zaprezentowana w tej pracy. 2. OCENA WŁASNOŚCI SPRĘŻYSTYCH MASY FORMIERSKIEJ Matematyczne zamodelowanie zachowania się zagęszczanej masy formierskiej (np. dynamicznie prasowanej) można zrealizować w oparciu o znajomość modelu reologicznego masy. W pracach [1,2] wykazano, że właściwości reologiczne masy można opisać lepko-sprężystym modelem reologicznym, którego schemat pokazano na rysunku 1. Rys.1. Schemat lepko-sprężystego modelu reologicznego masy formierskiej. Fig. 1. Diagram of the viscoelastic rheological model of moulding sand Uwzględniając model reologiczny oraz obciążenie prasujące F(t), proces deformacji i zagęszczania masy formierskiej można opisać następującym równaniem dynamiki F ( t ) + mg = m&& x + k T x& + k C x (1) w którym: m masa zagęszczanego słupa masy formierskiej, F(t) siła prasująca, x współrzędna położenia górnej warstwy słupa zagęszczanej masy formierskiej, k T współczynnik własności lepkich masy, k C współczynnik własności sprężystych masy.

3 61 Równanie (1) jest równaniem równowagi w stanach nieustalonych, tzn. występujących w czasie deformacji i zagęszczania masy, czyli podczas dynamicznego prasowania masy formierskiej. Po zakończeniu prasowania, w stanie ustalonym, siła F oraz ciężar mg są równoważone siłą wynikającą z własności sprężystych masy. W pracy [3] wykazano, że istnieje korelacja liniowa między parametrem charakteryzującym własności sprężyste masy, wyrażona np. kwadratem prędkości fali ultradźwiękowej, a jej wytrzymałością. Z kolei wytrzymałość masy formierskiej zależy głównie od zawartości lepiszcza aktywnego w masie formierskiej oraz jej wilgotności. Stąd można wnioskować, że na podstawie znajomości własności sprężystych masy formierskiej oraz jej wilgotności będzie możliwa ocena zawartości lepiszcza aktywnego w masie. W pracy [1] zaprezentowano metodykę określania współczynników k C =f(δ) i k T =f(δ) na podstawie badań ultradźwiękowych masy formierskiej. Stwierdzono, że zależność opisująca zmiany własności sprężystych w funkcji stopnia zagęszczenia masy formierskiej ma następującą postać k δ ) = k exp[ k v ( )] (2) C ( 1 2 L δ gdzie: k 1, k 2 współczynniki, v L =f(δ) prędkość rozchodzenia się fali ultradźwiękowej w masie formierskiej w funkcji jej stopnia zagęszczenia. Zależność (2) można określić na drodze badań eksperymentalnych. W tym celu niezbędne jest wykonanie pomiarów prędkości v L rozchodzenia się fali ultradźwiękowej w masie formierskiej w funkcji stopnia zagęszczenia masy. Takie badania można realizować na stanowisku laboratoryjnym, którego schemat pokazano na rys.2. Wyniki pomiarów wysokości h i próbki masy formierskiej oraz czasu przejścia przez nią fali ultradźwiękowej stanowią podstawę do obliczania wartości stopnia zagęszczania δ i prędkości v L, oraz określania zależności v L =f(δ). Wynika z powyższego, że do określania zależności (2) konieczne i wystarczające są badania ultradźwiękowe masy formierskiej. Na rysunku 3 pokazano przykładowe zależności k C =f(δ) dla mas formierskich z bentonitem Bentomak, różniących się wilgotnością. Na podstawie analizy zależności pokazanych na rys.3 można stwierdzić, że zmiana wilgotności masy powoduje znaczne zmiany jej własności sprężystych. 3. OCENA ZAWARTOŚCI LEPISZCZA AKTYWNEGO W MASIE FORMIERSKIEJ Przy stałym stopniu zagęszczania masy formierskiej o jej właściwościach sprężystych decydują zawartość lepiszcza oraz wilgotność. Z tego względu możliwe jest przedstawienie zależności zmian zawartości lepiszcza aktywnego w masie formierskiej w funkcji współczynnika jej własności sprężystych k C dla różnych wartości wilgotności masy. Omawiana zależność stanowi podstawę do określenia korelacji L=f(k C,W). Badania umożliwiające określenie korelacji k C =f(l,w) zrealizowano dla masy

4 62 formierskiej o następującym składzie: 1. Piasek kwarcowy 91,5 93,5%, 2. Bentonit Specjal 5-7%, 3. Pył węglowy - 1,5%, 4. Woda 2,95-3,80%. Rys. 2. Schemat stanowiska laboratoryjnego do pomiarów prędkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej w masie formierskiej: próbnik Tester type 543 (1), ubijak typ LU (2), komora pomiarowa (3), głowice ultradźwiękowe: nadawcza (4) i odbiorcza (5). Fig. 2. Layout of laboratory stand for measurement of ultrasonic wave velocity in moulding sand: tester type 543 (1); rammer type LU (2); measurement chamber (3); transmitting (4) and receiving (5) ultrasonic. Rys. 3. Fig. 3. Zależności k C =f(δ) dla masy formierskiej z bentonitem Bentomak i różną zawartością wody. Relationships k C = f(δ) for moulding sand with bentonite Bentomak and variable water content Uzyskane wyniki badań zilustrowano na rysunku 4a. Pokazano tam zależności zmiany zawartości lepiszcza aktywnego w masie formierskiej w funkcji jej własności sprężystych, które reprezentuje współczynnik sprężystości k C. Uzyskane zależności można opisać równaniem liniowym o postaci L = a( W ) k C (3) gdzie: a zależność współczynnika kierunkowego w funkcji wilgotności.

5 63 Poszczególne zależności L=f(k C ) są reprezentatywne dla masy o ściśle określonej wilgotności. Stąd można określić korelację jaka istnieje między współczynnikami kierunkowym a i wilgotnością masy formierskiej (rys. 4b). Po jej podstawieniu do równania (3) otrzymuje się zależność L=f(k C,W) przedstawiającą korelację między zawartością lepiszcza aktywnego w masie formierskiej i jej właściwościami sprężystymi oraz wilgotnością. Analizowana zależność dla badanej masy formierskiej ma postać L( k, W ) = (1,41 W 3,94) (4) C k C Podczas wyznaczania zawartości lepiszcza aktywnego w masie formierskiej z zależności L=f(k C,W), jak już wiadomo, konieczna jest znajomość wilgotności badanej masy. Obecnie problem pomiaru wilgotności nie jest zagadnieniem trudnym gdyż istnieją szybkie i dokładne metody pomiaru wilgotności, do których można zaliczyć np. metodę impulsową [4]. Charakteryzuje się ona bardzo krótkim czasem (ok. 10s) i bardzo dużą dokładnością pomiaru, wynoszącą ±0,15% H 2 O. W związku z tym, że również czas potrzebny do określenia wartości współczynnika k C jest krótki (rzędu kilku minut) można stwierdzić, że prezentowana metoda oceny zawartości lepiszcza w masie formierskiej ma znaczne zalety. Można do nich zaliczyć krótki czas i dużą dokładność oznaczania zawartości lepiszcza aktywnego w masie formierskiej. a) b) Rys. 4. Fig. 4. Zależności: L=f(k C ) (a) i a=f(w) (b) dla masy formierskiej o różnej wilgotności W=2,95-3,35-3,80. Relationships L = f(k C ) (a) and a = f(w) (b) for moulding sand with variable humidity W = 2,95-3,35-3,80 %. 4. ZAKOŃCZENIE O właściwościach technologicznych masy formierskiej decyduje rodzaj oraz skład masy. W przypadku określonego rodzaju masy formierskiej o jej właściwościach decyduje przede wszystkim ilość i jakość lepiszcza oraz wilgotność masy. Znajomość zawartości lepiszcza aktywnego w masie formierskiej oraz jej wilgotności pozwala na ocenę jej właściwości technologicznych. Zatem właściwości

6 64 technologiczne masy można ocenić na podstawie znajomości wyników pomiarów wilgotności oraz zawartości lepiszcza aktywnego w masie formierskiej. Przedstawiona w pracy nowa metoda oceny zawartości lepiszcza aktywnego w masie została oparta na wynikach badań ultradźwiękowych masy formierskiej. Badania ultradźwiękowe pozwalają na określenie właściwości sprężystych masy, o których decyduje poza wilgotnością zawartość lepiszcza aktywnego w masie formierskiej. Biorąc pod uwagę ten fakt można, znając wyniki pomiarów wilgotności W i współczynnika sprężystości k C, obliczyć z zależności L=f(k C,W) zawartość lepiszcza aktywnego w masie formierskiej. Do podstawowych zalet opracowanej metody należy krótki czas i duża dokładność oznaczania bardzo istotnego parametru charakteryzującego masę formierską. LITERATURA [1] M. Ganczarek: Model matematyczny procesu dynamicznego prasowania mas formierskich, Praca doktorska, Raporty ITMiA PWr, Wrocław 2003, Ser. PRE Nr 3. [2] D. Nowak: Modelowanie matematyczne i eksperymentalna weryfikacja procesu impulsowego zagęszczania mas formierskich. Raporty ITMiA PWr, Wrocław 2005, Ser. PRE Nr 6. [3] T. Mikulczyński: Zastosowanie metody ultradźwiękowej do badania mas i materiałów formierskich, Prace Naukowe Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej nr 54, Seria: Monografie nr 15, Wrocław [4] M. Bogdan, T. Mikulczyński, D. Nowak, R. Więcławek: Humidity measurement of loose materials, 5th International Conference on Measurement, Smolenice Castle EVALUATION OF ACTIVE BINDER CONTENT IN MOULDING SAND BY MEANS OF ULTRASONIC METHOD A new method is presented for active binder content evaluation in moulding sand. The evaluation is based on ultrasonic research of the moulding sand, which permits determining the k C factor that characterises elastic properties of the sand. On the ground of the L = f(k C ) relationship and the known humidity of the sand it is possible to determine the active binder content from reference characteristics L = f(k C,W). The main advantage of the presented method is simple and short-time measurement. Recenzent: prof. dr hab. inż. Jan Lech Lewandowski.