ZJAWISKO TIKSOTROPII W UKŁADACH WODNO-GLINOWYCH I WILGOTNYCH MASACH FORMIERSKICH- BADANIA ULTRADŹWIĘKOWE

Transkrypt

1 159/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 006, Rocznik 6, Nr 18 (/) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 006, Volume 6, N o 18 (/) PAN Katowice PL ISSN ZJAWISKO TIKSOTROPII W UKŁADACH WODNO-GLINOWYCH I WILGOTNYCH MASACH FORMIERSKICH- BADANIA ULTRADŹWIĘKOWE J. ZYCH Wydział Odlewnictwa; Akademia Górniczo-Hutnicza Kraków, ul. Reymonta 3, Polska STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań stabilności reologicznej past wodnoglinowych. Lepkość dynamiczną past bentonitowych wyznaczano metodą ultradźwiękową. Badania dotyczyły kinetyki zmian lepkości w tzw. okresie spoczynku (po mieszaniu). Zmiany w tym okresie są skutkiem zjawiska tiksotropii, typowym dla układów dyspersyjnych. Wykazano, że skala zmian lepkości jest na tyle znacząca, iż może mieć istotne znaczenie w technologii form wilgotnych. Badania mają oryginalny charakter zarówno w zakresie metodyki jak i uzyskanych wyników. Key words: ultrasonic, thixotropy, viscosity, reology, moulding sand 1.WPROWADZENIE Wilgotne masy formierskie, w których spoiwem są produkty pochodzące z przerobu materiałów ilastych z reologicznego punktu widzenia są tworzywami sprężysto-lepkimi. Cechy sprężyste nadaje im osnowa, lepkie - spoiwo. W materiałach ilastych w układzie woda-glina występuje zjawisko tiksotropii [1]. Układy (suspensje, pasty), w których występuje zjawisko tiksopropii są reologicznie niestabilne. Ich lepkość pozorna zależy nie tylko od szybkości ścinania, ale również od historii ścinania. Ponadto struktura układów tiksotropowych, po zakończeniu procesu mieszania, samorzutnie odbudowuje się, co prowadzi do zwiększenia lepkości, a w przypadku past i do zmniejszenia plastyczności. W pastach układów tiksotropowych, po zakończeniu ich mieszania, obserwuje się wzrost wskaźników wytrzymałości (R m, R t ). W artykule przedstawiono wyniki prac autora nad opracowaniem nowej metody badań właściwości reologicznych stężonych układów tiksotropowych zwanych pastami. Nowa metoda badań oparta jest na technice ultradźwiękowej. Stosunek wodnoglinowy w badanych pastach odpowiada temu, który występuje w realnych masach formierskich. Stosując opracowaną metodą oceniono ponadto stabilność reologiczną wilgotnych mas formierskich. 465

2 . ZJAWISKO TIKSTROPII Terminem tiksotropii określony jest każdy proces, w którym wskutek niszczenia wewnętrznej struktury układu - następuje izotermiczne zmniejszanie się tarcia wewnętrznego płynu (pasty) z upływem czasu ścinania, jak również dostatecznie powolny (dający się zmierzyć w czasie) powrót do pierwotnej konsystencji w czasie spoczynku []. Tiksotropia rozumiana jest jako zdolność do rozpływania się niektórych układów dyspersyjnych w wyniku dostatecznie silnych oddziaływań mechanicznych (mieszanie, wstrząsania) i ich zestalanie się przy braku tych oddziaływań. Jest ona charakterystyczna dla struktur koagulacyjnych, które można wielokrotnie niszczyć i które każdorazowo całkowicie odtwarzają swe właściwości [1,]. Właściwości mechaniczne struktur tiksotropowych charakteryzują wartości trzech parametrów: η o (największa efektywna lepkość struktury nienaruszonej), η min (najmniejsza efektywna lepkość struktury granicznie zniszczonej), P o (graniczne naprężenie odkształcające). Zależność lepkości efektywnej η układu tiksotropowego od przyłożonego naprężenia odkształcającego P może być przedstawione graficznie, rysunek 1. Rys. 1 Przebieg zmian lepkości układu tiksotropowego podczas ścinania i przy powrocie do stanu równowagi (model procesu) Fig. 1 Viscosity change in a thixotropic system during shearing and coming back to the equilibrium state (Model of the process) Oscylowanie układu tiksotropowego pomiędzy granicznymi stanami, odpowiadającymi minimalnej i maksymalnej lepkości przebiega z określoną kinetyką, która zależy od wielu czynników. Przejście układu od stabilnego stanu (η o ) do stanu, w którym lepkość pozorna jest najmniejsza (η min ) wiąże się z koniecznością wykonania określonej pracy niezbędnej do wielokrotnego ścinania przy wartości naprężeń większych od granicy płynięcia układu. Powrót układu do stanu stabilnego następuje samorzutnie. 3. PROPAGACJA FAL W OŚRODKACH LEPKICH (LEPKO-SPRĘŻYSTYCH) Do badań lepkości past bentonitowych i stabilności reologicznej wilgotnych mas formierskich proponuje się wykorzystanie techniki ultradźwiękowej. Prędkość fali 466

3 w ośrodkach stratnych (lepkich, lepko-sprężystych) podąża za lepkością ośrodka. Dla fal podłużnych rozchodzących się tylko w kierunku osi x w ośrodku lepkim można zapisać ogólne równanie reologiczne ruchu w postaci [ 5 ]: 3 ξ 1 ξ ξ ρ o = + η (1.1) t β ad x x t gdzie: β ad - wsp. ściśliwości adiabatycznej η- lepkość dynamiczna ξ - przesunięcie cząstki z położenia równowagi Po wprowadzeniu zespolonego współczynnika sprężystości K równanie to daje rozwiązania, które pozwala wyznaczać prędkość falową [5]. Przy bardzo wysokiej lepkości ośrodka (ω r»1) równanie 1. przyjmują postać 1.3. K + r + r C (1 ω ) ( 1 ω 1) L = (1.) ρ o ω r gdzie: η r =, K- zespolony współczynnik sprężystości, ω -częstotliwość K ω η c L = (1.3) ρ o 4. BADANIA ZJAWISKA TISOTROPII W PASTACH UKŁADÓW WODNO- GLINOWYCH 4.1. Metodyka pomiarowa W masach formierskich lepiszcze występujące w układzie wodno glinowym ma postać pasty. Stężenie pasty zależy od zawartości wody w masie (najczęściej od 3,0 do 6,0%) i ilości bentonitu (6,0-10,0%) i zawiera się w przedziale od ~55 do 75%. Lepkość pasty przy takim stężeniu jest na tyle duża, że jej pomiar przy użyciu reometrów rotacyjnych lub kapilarnych jest praktycznie niemożliwy [1,6]. Do badań lepkości autor proponuje wykorzystanie techniki ultradźwiękowej, w której badanym parametrem jest prędkość fali podłużnej (c L ). Lepkość past można określać z zależności 1.3, w oparciu o pomiar prędkości fali (c L ) i pomiar gęstość pozornej pasty (ρ o ). Przy monitorowaniu kinetyki zjawiska tiksotropii w pastach konieczne są pomiary lepkości w trybie on line. W tym celu, w badaniach ultradźwiękowych, w krótkich odstępach czasowych, określana jest prędkość fali. Pomiary rozpoczyna się bezpośrednio po sporządzeniu pasty lub po kolejnym jej mieszaniu. W dotychczasowych badaniach autora w podobny sposób monitorowano proces utwardzania mas ze spoiwami chemicznymi [7,8] lub badano kinetykę zmian ich właściwości w formach po zalaniu metalem [9]. Miernik ultradźwiękowy we współpracy z komputerem pozwala rejestrować przebiegi zmian prędkości fali nieprzerwanie [10]. Opisana metodyka badawcza została zastosowana do badań zjawiska tiksotropii w pastach bentonitowych [11]. 4.. Badań ultradźwiękowe (monitorowanie zjawiska tiksotropii) Zjawisko tiksotropii podczas odstawania past objawia się przyrostami ich lepkości. Potwierdzają to wyniki badań zamieszczone na rysunku. Analizowano zmiany 467

4 w czasie odstawania lepkości past o różnym stężeniu. Pasty stężone zmieniają swoją lepkość o wyraźnie większe wartości. Mocna pasta (75% bentonitu) zwiększa w ciągu 3h lepkość dynamiczną o około 17,0 kp, natomiast słaba (33%) zwiększa jedynie o około 3,0 kp. Zasadnicza część zmian lepkości następuje w pierwszym okresie (~1h). Rys.. Przyrosty lepkości past bentonitowych o stężeniu 33-75% w okresie odstawania: bentonit zawierający 75% montmorylonitu, T= 0 o C Fig.. Increments of viscosity of bentonite pastes with concentration 33-75% during the resting period. Bentonite contained 75 wg.% of montmorillonite, T=0 o C 4.3. Cykliczność zjawiska tiksotropii Układy tiksotropowe charakteryzują się zdolnością do cyklicznego odtwarzania swoich właściwości. Przeprowadzone badania past bentonitowych potwierdzają występowanie tego zjawiska również w tych ośrodkach. Pokazuje to rysunek 3. Przebiegi zmian lepkości w kolejnych cyklach odstawania są do siebie bardzo podobne. Zmiany lepkości pociągają za sobą zmianę innych własności reologicznych (np. plastyczności) i wytrzymałościowych [11]. 5. STABILNOŚĆ REOLOGICZNA WILGOTNYCH MAS BENTONITOWYCH W przypadku badań ultradźwiękowych mas formierskich należy rozpatrywać zmiany dynamicznego modułu sprężystości, który jest modułem zespolonym. Jego wartość zależy od sprężystych cech osnowy kwarcowej i reologicznych właściwości pasty utworzonej z lepiszcza, w tym od lepkości dynamicznej pasty. Cechy sprężyste osnowy kwarcowej nie podlegają żadnym zmianom w masie po jej sporządzeniu. Dlatego jakiekolwiek zmiany modułu dynamicznego obserwowane w zagęszczonej próbce masy powodowane są zmianami zachodzące układzie wodno-glinowym. Na rysunku 4 pokazano wyniki pomiarów ultradźwiękowych w próbkach masy zagęszczonych w próbniku pomiarowym bezpośrednio po sporządzeniu masy. Moduł dynamiczny masy w okresie około h zwiększa się o około 5%. 468

5 Umacnianie się gliniastego lepiszcza jako skutek zwiększania się lepkości pasty w okresie odstawania wywołuje szereg konsekwencji w procesie wytwarzania i wykorzystania mas formierskich. Masy zagęszczone tuż po ich sporządzeniu zwiększają swoją wytrzymałość w miarę upływu czasu [11]. Rys. 3. Zmiana, w kolejnych cyklach po mieszaniu, względnej lepkości dynamicznej pasty zawierającej 55% bantonitu. T = 0 o C Fig. 3. Change of the relative dynamic viscosity of a paste containing 55 wg. % of bentonite in successive resting cycles after the mixing. T=0 o C Rys. 4. Przebieg zmian (względnego) modułu dynamicznego sprężystości E d masy wilgotnej w kolejnych cyklach odstawania po mieszaniu. T = 0 o C Fig. 4. The Relative Young modulus change during successive resting cycles after the mixing. T=0 o C 469

6 6. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania pozwalają wyciągnąć szereg wniosków szczegółowych Ważniejsze z nich to: zjawisko tiksotropii występujące w pastach może być monitorowane przy użyciu techniki ultradźwiękowej, w oparciu o pomiary prędkości podłużnej fali skala zmian lepkości zależy od stężenia pasty, im wyższe stężenie tym większe zmiany jej lepkości ( i wytrzymałości) szybkość, z jaką postępuje odbudowa struktury tiksotropowej po jej ścinaniu (mieszaniu) zależy od rodzaju i stężenia pasty oraz jej temperatury. LITERATURA [1] Kembłowski Z.; Reometria płynów nienewtonowskich. WNT. W-wa (1973). [] Malkin A.Ju.: Rheology Fundamentals ChemTec Publishing, Canada (1994). [3] Hutera B., Lewandowski J.L., Drożyński D.: Znaczenie parametrów reologicznych suspensji wodno-bentonitowej dla wytrzymałości masy klasycznej, XXV Konf. Naukowa z okazji Święta Odlewnika (001) s [4] Śliwiński A.: Ultradźwięki i ich zastosowanie. WNT, Warszawa (001). [5] Kembłowski Z, Kiljański T.: Ćwiczenia laboratoryjne z reometrii technicznej. Politech. Łódzka, Skrypt Uczelniany (1993) [6] Zych J. : Sposób badania procesu utwardzania mas formierskich lub rdzeniowych ze spoiwem. Zgłoszenie patentowe; P (z dnia ). [7] Zych J.: Ultraschallmethode bei der Verfahrenkontrolle der Bindung chemisch gebundener Formsande. Giesserei Rund. 47, (000), nr1/, s [8] Zych J.: Prüfen von kunstharz-und wasserglasgebundenen Formsanden mit der Ultraschallmethode. Giesserei Erfahrungsaustausch; t.44, (000), nr 4, s.1-6. [9] Zych J.: Research of kinetics of hardening of chemical bonding mould sand by ultrasonic method. Acta Metallurgica Slovaca, t.7, (001), nr 3, s [10] Zych J.: Strefa przewilżona w masach ze szkłem wodnym - ultradźwiękowe badania kinetyki jej tworzenia. Przegląd Odl. t.53, (003), nr 1, s [11] Zych J.: Thixotropie von Bentonitpasten und Nassformsanden- Ultraschalluntersuchungen, Giessereiforschung t. 57 (005), nr 3, s THIXOTROPY PHENOMENON IN WATER-CLAY SYSTEMS AND GREEN MOULDING SAND-ULTRASONIC STUDIES SUMMARY The work present results of studies concerning the reological stability of water-clay pastes. The dynamic viscosity of bentonite pastes was assesed by an ultrasonic method. The studies were focused on kinetics changes at so called restoring period. Changes occuring in that period are the result of thixotropy phenomenon, which is common in dispersed system. It is shown that the degree of the viscosity change is distinctive enough to play an important role in the green moulding sand technology. The studies were original both in a methodology and obtained results. Recenzował: Prof. Józef Dańko 470