ZAGĘSZCZALNOŚĆ WAśNE KRYTERIUM STEROWANIA JAKOŚCIĄ MAS Z BENTONITEM

Transkrypt

1 ZAGĘSZCZALNOSĆ WAZNE KRYTERIUM STEROWANIA JAKOŚCIĄ MAS Z BENTONITEM ZAGĘSZCZALNOŚĆ WAśNE KRYTERIUM STEROWANIA JAKOŚCIĄ MAS Z BENTONITEM Stanisław Marian DOBOSZ 1 Wstęp Klasyczne masy formierskie ze względu na niski koszt i moŝliwość wielokrotnego uŝycia stanowię podstawowe tworzywo na formy odlewnicze. JednakŜe zmiany, jakie zachodzę w składnikach tych mas pod wpływem wysokiej temperatury ciekłego stopu powodują istotne zmiany ich właściwości technologicznych. Zmiany te warunkują wymagany stopień odświeŝenia masy. Jednym z podstawowych elementów oceny stopnia deaktywacji masy jest oznaczenie zawartości gliny aktywnej. Metody te generalnie moŝna podzielić na metody bezpośrednie i metody pośrednie. JeŜeli chodzi o metody bezpośrednie, to opierają się one zwykle o adsorpcje błękitu metylenowego, analizę sedymentacyjną czy o zmianę przewodności lub oporu elektrycznego. Metody pośrednie wykorzystuję zmianę róŝnych właściwości masy w funkcji ich wilgotności. Większość tych metod posiada jednak wiele wad, takich jak: mała dokładność, ograniczony zakres zastosowania lub teŝ są zbyt skomplikowane. Stąd teŝ w dalszym ciągu prowadzi się poszukiwania nowych kryteriów oceny stopnia deaktywacji masy [1-3]. 1. Badania własne 1.1. Wpływ stopnia deaktywacji lepiszcza na właściwości technologiczne masy W ramach badań własnych przedstawiono pomiary zagęszczalności jako alternatywną miarę zawartości gliny aktywnej. Ten bardzo popularny parametr masy, w wielu systemach sterowania, słuŝy najczęściej do szybkiego oznaczania wilgotności masy. Warto jednak ocenić takŝe jego zdolność do oceny zawartości gliny aktywnej. Masę wyjściowe stanowiła kompozycja o następującym składzie (w cz.wag.): bentonit - 10 wilgotność - 2-5% Aby określić wpływ stopnia deaktywacji lepiszcza zawartego w masie formierskiej na jej właściwości, sporządzano masy o róŝnej zawartości lepiszcza nieaktywnego (przy stałej sumie zawartości lepiszcza aktywnego i nieaktywnego, wynoszącej 10 cz.wag.). W tym celu odpowiednią część lepiszcza aktywnego przepalano w temperaturze 1223K przez 3h. Badaniom poddano masy o następujących składach (w cz.wag.): Skład masy Oznaczenie masy A bentonit - 10 bentonit (aktywny) - 8 B bentonit (nieaktywny) - 2 bentonit (aktywny) - 7 C bentonit (nieaktywny) - 3 bentonit (aktywny) - 6 D 1 prof. dr hab. inŝ. Kierownik Pracowni Tworzyw Formierskich i Ochrony Środowiska, dobosz@agh.edu.pl 33

2 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urządzenia odlewnicze bentonit (nieaktywny) - 4 bentonit (aktywny) - 5 bentonit (nieaktywny) - 5 bentonit (aktywny) - 4 bentonit (nieaktywny) - 6 E G W praktyce - w masie uŝywanej - w wyniku deaktywacji. lepiszcza nie tylko powstaje pył, ale takŝe zachodzi proces oolityzacji. Aby otrzymać warstwę zoolityzowaną sporządzono masy, w których skład wchodziła masa przepalona i odpowiednia ilość składników świeŝych, przy czym suma zawartości lepiszcza aktywnego i nieaktywnego takŝe wynosiła 10 cz.wag. Składy tych mas były następujące (w cz.wag.): Skład masy Oznaczenia masy piasek kwarcowy (świeŝy) -80 H masa przepalona o składzie: piasek kwarcowy -20 bentonit - 2 bentonit (aktywny) - 8 piasek kwarcowy (świeŝy) -60 K masa przepalona o składzie: piasek kwarcowy -40 bentonit - 4 bentonit (aktywny) - 6 piasek kwarcowy (świeŝy) -40 L masa przepalona o składzie: piasek kwarcowy -60 bentonit - 6 bentonit (aktywny) - 4 piasek kwarcowy (świeŝy) -60 M masa przepalona o składzie: piasek kwarcowy -40 bentonit - 4 bentonit (aktywny) -10 Kształtki laboratoryjne dla poszczególnych oznaczeń zagęszczano przez prasowanie przy jednostkowym nacisku prasującym 2,0 MPa. Wyjątkiem był tylko pomiar zagęszczalności wykonywany przy nacisku 1,0 MPa, co wynikało z konstrukcji aparatu. Dla kaŝdej z wymienionych mas formierskich przeprowadzono cykl badań, obejmujący określenie: - wilgotności W, wytrzymałości na ściskanie Rcw, wytrzymałości na rozciąganie Rmw, wytrzymałości na rozciąganie w strefie przewilŝonej Rk, gęstości pozornej ρ0, osypliwości S0, zagęszczalności Z, straty praŝenia, zawartości gliny aktywnej. Oznaczenie wytrzymałości na rozciąganie w strefie przewilŝonej przeprowadzono przy uŝyciu aparatu typu SPNF, a zagęszczalności przy uŝyciu aparatu typ PVG produkcji firmy G. Fischera. Zawartość gliny aktywnej określano metodę adsorpcji błękitu metylenowego. Na rysunku 1 przedstawiono wpływ stopnia deaktywacji lepiszcza na wytrzymałość na ściekanie. Jak widać im większa jest zawartość lepiszcza aktywnego tym wytrzymałość jest wyŝsza. ZbliŜony charakter zmian otrzymano dla wytrzymałości na rozciąganie (rys. 2). MoŜna jednak zauwaŝyć, Ŝe wpływ ilości lepiszcza aktywnego jest bardziej intensywny w przypadku wytrzymałości na rozciąganie niŝ wytrzymałości na ściskanie. 34

3 ZAGĘSZCZALNOSĆ WAZNE KRYTERIUM STEROWANIA JAKOŚCIĄ MAS Z BENTONITEM Rys. 1. Wpływ stopnia przepalania masy na wytrzymałość na ściskanie (lepiszcza nieaktywne w postaci pyłu) Podobny wpływ stopnia deaktywacji lepiszcza obserwujemy na rysunku 3, przedstawiającym zmiany wytrzymałości na rozciągania w strefie przewilŝonej. Na następnych rysunkach (rys. 4,5,6) przedstawiono analogiczne wykresy otrzymane dla mas, w których przepalono bentonit razem z piaskiem, czyli dla mas gdzie lepiszcze występowało w postaci pyłu i warstwy zoolityzowanej. Porównując wartości na rysunkach 1 i 4 widać wyraźnie, ze masy, w których lepiszcze nieaktywne jest tylko w postaci pyłu, charakteryzuje się wyŝszymi wartościami wytrzymałości na ściskanie. W przypadku wytrzymałości na rozciąganie (rys. 2 i 5) róŝnice te nie występują. Świadczy to o tym, Ŝe wytrzymałość na rozciąganie jest bardziej miarodajną próba oznaczania siły wiązania, a przez to lepszą wytyczną do określania stopnia odświeŝania masy. W przypadku wytrzymałości na ściskanie, lepiszcze nieaktywne, występując w postaci pyłu, zwiększa siły tarcia wewnętrznego, co wywołuje obserwowane róŝnice. W przypadku wytrzymałości w strefie przewilŝonej (rys. 3 i 6).stwierdzono, Ŝe masy, w których lepiszcze nieaktywne jest w postaci pyłu i warstwy zoolityzowanej, mają niŝsze wartości tej wytrzymałości niŝ masy z lepiszczem nieaktywnym w postaci pyłu. Przemawia to za przydatnością, tej metody pomiaru wytrzymałości do oceny stopnia deaktywacji masy. Na wykresach naniesiono takŝe zaleŝności dla masy "M", tj. masy, którą poddano operacji odświeŝania. Zawierała ona tyle samo lepiszcza aktywnego co masa wyjściowa (10 cz. wag.), z tym, Ŝe oprócz tego zawierała jeszcze 4 części wagowe lepiszcza nieaktywnego w postaci pyłu i warstwy zoolityzowanej. Masa ta ma jednakowe z masą wyjściową wartości wytrzymałości na rozciąganie i wytrzymałości w strefie przewilzonej, natomiast wyŝsza ma wytrzymałość na ściskanie. Jest to więc kolejne potwierdzenie poprzednich obserwacji, Ŝe ten ostatni rodzaj wytrzymałości reprezentuje głównie siły tarcia wewnętrznego, a nie siły wiązania masy. W związku z tym wytrzymałość na ściskanie nie powinna być jedynym kryterium oceny mas odświeŝanych, jest juŝ od dawna sygnalizowane w literaturze, a co niestety często ma miejsce w praktyce przemysłowej. 35

4 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urządzenia odlewnicze Rys. 2. Wpływ stopnia przepalania masy na wytrzymałość na rozciąganie (lepiszcze nieaktywne w postaci pyłu) Rys. 3. Wpływ stopnia przepalania masy na wytrzymałość w strefie przewilŝonej (lepiszcze nieaktywne w postaci pyłu) Wpływ sposobu deaktywacji masy wyraŝa się równieŝ w zmianach gęstości pozornej. Masy zawierające lepiszcze nieaktywne tylko w postaci pyłu mają wyŝsze wartości gęstości pozornej. Wskazuje to na znaczny udział lepiszcza nieaktywnego 36

5 ZAGĘSZCZALNOSĆ WAZNE KRYTERIUM STEROWANIA JAKOŚCIĄ MAS Z BENTONITEM w formie zoolityzowanej na ziarnach osnowy. Pomiary osypliwości nie wykazują istotnych róŝnic i trudno na ich podstawie formułować bardziej ogólne wnioski. Rys. 4. Wpływ stopnia przepalania masy na wytrzymałość na ściskanie (lepiszcze nieaktywne w postaci pyłu i warstwy zoolityzowanej) Rys. 5. Wpływ stopnia przepalania masy na wytrzymałość na rozciąganie (lepiszcze nieaktywne w postaci pyłu i warstwy zoolityzowanej) 37

6 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urządzenia odlewnicze Rys. 6. Wpływ stopnia przepalania masy na wytrzymałość w strefie przewilŝonej (lepiszcze nieaktywne w postaci pyłu i warstwy zoolityzowanej) 1.2. Zagęszczalność masy jako miara stopnia jej deaktywacji Pomiary zagęszczalności prowadzono głównie pod kątem ich przydatności dla określenia stopnia deaktywacji masy i sposobu odświeŝania. Dla porównania wykonano takie pomiary zawartości gliny aktywnej metodą adsorpcji błękitu metylenowego oraz pomiary straty praŝenia (tab. l). W metodzie błękitu metylenowego wartości wyznaczano w oparciu o dwie krzywe wzorcowe. Pierwsza z nich oparta była o miareczkowanie układu "woda-piasek-bentonit", a druga "woda-bentonit". Jak widać, wyniki uzyskane metoda adsorpcji błękitu metylenowego daję niŝsze wartości lepiszcza aktywnego, niŝ to wynika z faktycznej jego ilości. RóŜnice te są większe w przypadku, gdy lepiszcze jest w postaci warstewki zoolityzowanej na ziarnach piasku. Z kolei zastosowanie metody opartej o krzywa wzorcowe, uzyskane w układzie "wodabentonit", daje bardziej prawidłowe wyniki. Wiadomo jednak, ze metoda błękitu metylenowego daje dobre wyniki tylko w przypadku bentonitów o wysokiej zawartości montmorylonitu, do których badany bentonit się nie zalicza, a co tłumaczy otrzymane róŝnice. Wyniki badań zagęszczalności zamieszczono na rysunkach 7 i 8. Jak widać, przy zwiększeniu wilgotności masy jej zagęszczalność rośnie i osiąga maksimum. Wyznaczenie tego maksimum moŝe być źródłem istotnych informacji. Obserwujemy bowiem, Ŝe próba ta czule reaguje na zmianę zawartości lepiszcza aktywnego. Im większa jest jego zawartość tym wyŝsza jest wartość maksimum zagęszczalności. Wszystkie przedstawione na rysunkach masy posiadają tą samą (10 cz.wag.) sumaryczną zawartość bentonitu, a róŝnią się tylko ilością gliny aktywnej. SpostrzeŜenia te dotyczą zarówno masy z lepiszczem nieaktywnym w postaci pyłu, jak i w formie warstwy zoolityzowanej. 38

7 ZAGĘSZCZALNOSĆ WAZNE KRYTERIUM STEROWANIA JAKOŚCIĄ MAS Z BENTONITEM Tab.1 Zestawienia wyników oznaczania gliny aktywnej i strat praŝenia Zawartość gliny aktywnej Rodzaj masy formierskiej A B C D E G H K L M Metoda błękitu etylenowego Rzeczywista Straty praŝenia krzywa I krzywa II cz.. wag. % % % % , ,363 5,454 4,545 3,636 7,272 5,454 3,636 8,773 7,90 5,55 5,15 4,70 3,70 3,25 5,00 3,70 3,00 6,85 8,10 5,80 5,40 5,00 4,00 3,60 4,25 4,00 3,35 7,05 0,928 0,716 0,667 0,635 0,569 0,489 0,700 0,546 0,394 0,784 Krzywa I dotyczy składu "woda-piasek-bentonit". Krzywa II dotyczy składu "woda-bentonit". Rys. 7. Wpływ stopnia przepalania masy na na zagęszczalność (lepiszcze nieaktywne w postaci pyłu) 39

8 Odlewnictwo XXI wieku technologie, maszyny i urządzenia odlewnicze Rys. 8. Wpływ stopnia przepalenia masy na zagęszczalność (lepiszcze nieaktywne w postaci pyłu i warstwy zoolityzowanej) 2. Wnioski końcowe Analiza metod pośrednich określenia zawartości lepiszcza aktywnego opartych o pomiary wytrzymałości na ściekanie i rozciąganie - nie zamieszczona z uwagi na objętość publikacji - wykazała przybliŝony charakter tej oceny stopnia deaktywacji masy. Natomiast metoda oparta o pomiary straty praŝenia wymaga nowego ujęcia i dalszego dopracowania. MoŜna więc z tych badań wyciągnąć wniosek, Ŝe pomiary zagęszczalności mogę stanowić istotny element oceny zawartości lepiszcza aktywnego czyli być pomocne przy ustalaniu stopnia odświeŝania masy. Mając na uwadze takie elementy, jak: prostota wykonania oznaczenia, bardzo dobra powtarzalność wyników i udzielanie wielu innych istotnych informacji - próba zagęszczalności powinna stanowić powszechny parametr oceny masy szczególnie dla technologii prasowania przy uŝyciu wysokich nacisków. 3. Literatura 1.Dobosz St.M.: Woda w masach formierskich i rdzeniowych, wydawnictwo Naukowe AKAPIT, Kraków Rudy Cz., Fedoryszyn A., Kaźmierczak: Nowoczesny system przygotowania masy formierskiej na przykładzie odlewni Venture Industris Grudziąc. X Konferencja Odlewnicza TECHNICAL 2007, s Rudy Cz.: Technologia sporządzania mas formierskich bentonitowych w mieszarkach turbinowych, VIII Konferencja Odlewnicza TECHNICAL 2005, s