BADANIE KINETYKI WIĄZANIA MAS FORMIERSKICH ZE SPOIWAMI CHEMICZNYMI

Transkrypt

1 76/2 Archives of Foundry, Year 2001, Volume 1, 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN Katowice PL ISSN BADANIE KINETYKI WIĄZANIA MAS FORMIERSKICH ZE SPOIWAMI CHEMICZNYMI J. ZYCH 1 Wydział Odlewnictwa ; Akademia Górniczo-Hutnicza ul. Reymonta 23, Kraków STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań kinetyki utwardzania mas ze spoiwami chemicznymi. Badania prowadzono opracowaną przez autora metodą ultradźwiękową. 1Prędkość fali ultradźwiękowej w masach ze spoiwami zależy od stopnia ich utwardzenia i zmienia się w zakresie od 500 do 2500m/s. Wykorzystując opisaną metodę oceniono wpływ temperatury i składu spoiwa na kinetykę utwardzania wybranej, furanowej masy. Key words: kinetics, ultrasonic, moulding sand, degree of harding 1. WPROWADZENIE Dla kontrolowania poszczególnych faz procesu wiązania mas za spoiwami opracowano szereg metod technologicznych, które najczęściej zmierzają do oceny wytrzymałości na zginanie, rozciąganie lub ściskanie po określonym czasie [ 1 ]. Autor [2] opracował metodę badania procesu wiązania opartą o pomiar twardości zmieniającej się w trakcie utwardzania masy. Pomiary prowadzi się na przygotowanej do tego celu próbce masy umieszczanej w termostacie. Z pomiarów twardości powierzchni próbki wnioskuje się o zmianach mikrowytrzymałości masy. W niniejszej pracy proponuje się ultradźwiękową metodę badań procesu wiązania mas. W czasie utwardzania masa zmienia swoje właściwości sprężyste, co powoduje bardzo wyraźne zmiany jej zdolności do propagacji fal ultradźwiękowych. Dużym zmianom w tym okresie podlega przede wszystkim 1 dr inż., jzych@ galaxy.uci.agh.edu.pl

2 prędkość fali przepuszczanej przez próbkę masy. Zwiększa się ona odpowiednio do stopnia zaawansowania reakcji spoiwo-utwardzacz i związanego z nim procesem utwardzania masy. Tak więc, w oparciu o pomiar prędkości fali w czasie wiązania masy można oceniać w dowolnie wybranej chwili stopień jej utwardzenia. Opisywana metoda dotyczy badania dowolnej masy ze spoiwem, której proces wiązania przebiega według opisanego wyżej mechanizmu. 2. BADANIA WŁASNE 2.1 Metodyka badań kinetyki wiązania Wiązanie mas ze spoiwami chemicznymi rozpoczyna się w chwili zetknięcia się ze sobą wszystkich, niezbędnych dla tego procesu składników, praktycznie więc rozpoczyna się już w mieszarce. Z punktu widzenia kinetyki, niezależnie od rodzaju użytego spoiwa, reakcja wiązania przebiega podobnie. Po wstępnym okresie inkubacji reakcja zaczynają przebiegać z określoną szybkością, niekiedy dość gwałtownie. W miarę upływu czasu stężenie reagentów nieprzerwanie maleje, co skutkuje stopniowym obniżaniem się szybkości reakcji. Przyrost ilości tworzących się połączeń, posiadających właściwości sprężyste odniesiona do jednostki czasu, w którym one powstają może być miarą szybkości procesu utwardzania. Szybkość utwardzania masy można by opisywać ogólna zależnością 1; d( produkty... reakcji ) ( 1 ) V u dt W przypadku, gdy reakcja jest wyższego rzędu (niż pierwszego), szybkość jej przebiegu w dowolnej chwili opisuje równanie 2. d[ A] d[ B] a V u k *[ A] *[ B] dt dt gdzie: [A ], [ B ] stężenia substratów reakcji po czasie t k- stała szybkości reakcji Ogólniej, zgodnie z równaniem Arrheniusa, stała szybkości reakcji chemicznych jest funkcją bezwzględnej temperatury (T), energii aktywacji (E a ) i stałej gazowej R oraz stałej charakterystycznej dla danej reakcji (A ), co zbiorczo opisuje równanie 3. k A E a R* T '* e ( 3 ) b ( 2 )

3 W wielu reakcjach chemicznych przyjmuje się wartość k = ln(2), co oznacza, że podwyższeniu temperatury reakcji o 10 o C wywołuje dwukrotne zwiększenie ich szybkości. W przypadku mas formierskich reakcje wiązania są znacznie bardziej skomplikowane. Kinetyka utwardzania masy w wielu przypadkach kontrolowana jest najwolniejszym ogniwem całego procesu, którym jest odparowanie wody wprowadzonej do masy przez poszczególne jej składniki lub powstającej w wyniku reakcji wiązania. Szybkość parowania wody z masy formierskiej zależy od jej przepuszczalności, od wilgotności powietrza, temperatury otoczenia, intensywności wymiany powietrza na powierzchni masy itp. Nakładanie się dwóch procesów - reakcji chemicznej i odprowadzenia wody z masy - niezmiernie utrudnia prognozowanie kinetyki utwardzania mas bez empirycznych pomiarów. Dla pośredniego badania kinetyki tego procesu w masach formierskich wykorzystano opracowaną przez autora metodę ultradźwiękową [3,4,5]. Badania ultradźwiękowe przebiegają następująco: ze sporządzonej masy formierskiej pobierana jest do próbnika pomiarowego porcja masy. Wstępnie zagęszczana masa pozostaje w próbniku przez cały okresie badań ultradźwiękowych (okres utwardzania). Na ten okres pomiarów próbka umieszczana jest pomiędzy głowicami ultradźwiękowymi. Schemat prototypowego stanowiska pomiarowego przedstawia rysunek 1. Rys.1. Schemat stanowiska pomiarowego do ultradźwiękowych badań mas ze spoiwami chemicznymi (1-statyw, 2- stały docisk głowic, 3 - głowice ultradźwiękowe, 4- próbka badanej masy). Fig. 1. Schematic illustration of the measuring-stand for the investigation of moulding sands with chemical binders (1 support, 2 steady pressure on the ultrasonic heads, 3 ultrasonic heads, 4 sample of the examined moulding sand)

4 Prędkość fali [m/s] Po umieszczeniu próbki na stanowisku badawczym dokonywane są pomiary prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej. Wyniki pomiarów przekazywane są na bieżąco do pamięci komputera współpracującego z ultradźwiękowym testerem materiałów. Częstotliwość próbkowania jest dopasowywana do szybkości zmian powodowanych utwardzaniem się masy. Pomiary prędkości wykonywane są z zastosowaniem głowic o częstotliwości 0,1 1,0 MHz. Rysunek 2 przedstawia typowy przebieg zmian prędkości fal ultradźwiękowych rejestrowany w miarę postępowania procesu wiązania masy Czas utwardzania [min] V [m/s] Sx 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Współczynnik S x Rys. 2. Typowe przebiegi zmian prędkości fali w próbkach masy furanowej w trakcie wiązania (1,2 % żywicy furtolit 1031, T ot =8-10 o C ) Fig. 2. Typical course of the wave-speed changes in samples of furan moulding sand during their setting process (1.2% of Fertility 1031 resin, ambient temperature T ot =8-10 o C) Proces wiązania mas wywołuje duże zmiany prędkości fal i tak: w chwili rozpoczęcia procesu prędkość fali mieści się w przedziale o (m/s), natomiast po zakończeniu utwardzania masy prędkość wynosi k = (m/s) i więcej. Utwardzanie masy wywołuje prawie pięciokątny wzrost prędkości. Tak duże zmiany mierzonej wielkości ułatwiają same pomiary i obniżają względny błąd pomiaru związany z klasą dokładności pomiarowej. 2.2 Wyniki badań Przeprowadzono badania kinetyki wiązania masy furanowej z żywicą furtolit Badania dotyczyły określenia wpływu temperatury i stosunku utwardzacz/żywica na szybkość procesu utwardzania masy. W opisywanych badaniach stosowano masy z osnową piaskową Szczakowa, utrzymywano stałą, przeciętnie stosowano ilość żywicy

5 (1,2%w stosunku do ilości osnowy kwarcowej). Wyniki badań przedstawiono graficznie na rysunkach 3 i 4. Przebiegi zmian prędkości propagacji fal w utwardzanej masie (rysunki 2-4) odpowiadają swoim charakterem typowym przebiegom zmian wytrzymałości masy wyznaczanej w funkcji czasu wiązania [1,2,4,5]. Prędkość fali ultradźwiękowej jest więc dobrze skorelowana z procesem utwardzania masy. Na użytek technologiczny można zaproponować sposób określania stopnia utwardzenia masy (S x ) oparty o wyniki pomiarów prędkości ultradźwiękowej fali [3]. Bezwymiarowy współczynnik S x, określający stopień utwardzania można zdefiniować zgodnie z zależnością 4: Vx Vo S x = Vmax Vo gdzie: V x - prędkość fali w próbce określona w danej chwili (t x ), V o - prędkość fali w próbce w chwili początkowej (t 0 ), V max - prędkość fali w próbce masy po całkowitym utwardzeniu (4 ) Tak zdefiniowany wskaźnik S x zawiera się w przedziale 0,0 1,0. Na rysunku 2 przedstawiono przebieg zmian prędkości fali i wartość wskaźnika S x dla przykładowo wybranej masy furanowej. Pierwsze kilka minut to okres inkubacji, w trakcie którego podnosi się temperatura masy (reakcja egzotermiczna), następnie obserwuje się dość gwałtowny przyrost prędkość i po około dwudziestu minutach reakcje zaczyna zmniejszać swoją dynamikę. W innych warunkach temperaturowych, innej proporcji utwardzacz/żywica (U/Ż) kinetyka utwardzania będzie inna. Kinetykę procesu utwardzania masy z żywicą furtolit 1031przedstawiono zbiorczo na rysunkach 3 i 4. Operacje technologiczne takie jak wyciąganie modelu z formy, usuwanie rdzenia z rdzennicy można powiązać ze stopniem utwardzenia. Z wcześniejszych badań wynika, że zadowalającą wytrzymałość masy do tych operacji technologicznych osiąga się przy wartości stopnia utwardzenia około S x = 0,45-0,50. Prowadzone badania pozwalają określić (i przewidzieć) po jakim czasie, dla wybranych warunków i rodzaju spoiwa, można wykonać te operacje. I tak np. z rysunku 3 wynika, że jeśli temperatura, w której odbywa się utwardzania masy wynosi około 35 o C to czas ten wynosi około 10min. Przy temperaturze około 23 o C czas ten jest odpowiednio dłuższy i wynosi około 30min, a dla temperatury 5 o C czas wydłuża się aż do min. Znajomość kinetyki pozwala więc nie tylko przewidywać ale i planować w oparciu o te przewidywania proces technologiczny przygotowanie form w odlewni. Podobną, porównawczą analizę można przeprowadzić odnośnie wpływu na kinetykę procesu utwardzania proporcji pomiędzy ilością utwardzacza i żywicy (stosunek U/Ż), rysunek 4.

6 Stopień utw ardzenia Sx 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 U/Ż=0,40 (35 C) U/Ż=0,40 (23 C) U/Ż=0,40 ( 5 C) Czas utwardzania [min] Rys. 3. Kinetyka utwardzania masy furanowej w trzech różnych temperaturach; (żywica furtolit 1031, stosunek składników spoiwa; utwardzacz/ żywica U/Ż=0,40 ). Fig. 3. Kinetics of the setting process of the furan sand at three various temperatures (resin Furtolit 1031, relation: hardener/resin U/Ż=0.4) Stopień utwardzenia S x 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 U/Ż=0,2 U/Ż=0,3 U/Ż=0,4 U/Ż=0,6 U/Ż=0, Czas utwardzania [min] Rys. 4 Kinetyka utwardzania masy furanowej w temperaturze 23 o C; (żywica furtolit 1031, stosunek składników spoiwa; utwardzacz/ żywica U/Ż=0,40 0,80 ). Fig. 3. Kinetics of the setting process of the furan sand at temperature 23 o C (resin Furtolit 1031, relation: hardener/resin U/Ż= )

7 3. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania pozwalają wnioskować, że poprzez pomiar prędkości fali w masie formierskiej ze spoiwem chemicznym można oceniać przebieg procesu jej wiązania i utwardzania. Prędkość fali jest funkcją stopnia zaawansowania procesu utwardzania, w wyniku którego tworzące się mostki pomiędzy ziarnami osnowy piaskowej nadają masie właściwości sprężyste i wytrzymałość. Metoda badań ultradźwiękowych może być wykorzystana na wiele sposobów: do oceny kinetyki wiązania dowolnej masy i opracowania na tej podstawie zaleceń technologicznych, dla oceny stopnia związania masy (stopnia jej utwardzenia) w formie lub rdzeniu, dla oceny wpływu różnych czynników na przebieg wiązania masy, itd. Ultradźwiękowa metoda badań masy ma szereg zalet: jest metodą nieniszczącą, łatwą do zautomatyzowania, nowoczesną. Kinetykę procesu wiązania można oceniać na jednej próbce, jest to więc metoda mało pracochłonna. Ponadto jest to metoda stosunkowo prosta. Z uwagi na zmienne warunki głównie temperaturowe panujące w odlewni czas wstępnego utwardzania masy (do chwili wyciągania modelu) może wahać się w szerokim zakresie. Należy go skontrolować. Podobnej kontroli powinien polegać czas pełnego utwardzenia masy. Poprzez pomiar ultradźwiękowy każdy z tych czasów może być wyznaczany w trakcie przygotowania i utwardzania elementów formy, baz ich uszkodzenia. Proces wiązania i utwardzania masy może być monitorowany w dowolnych odstępach czasowych lub w sposób ciągły. LITERATURA [1] Lewandowski J.L.: Materiały formierskie WNT Warszawa [2] Boenisch D. : Das Formmstoffreaktrometer Härtungsüberwachtung von Kaltharzen und Polyurethanbindern Giesserei t.70 (1983), nr 4, 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 Ultraschallmethode Giesserei Erfahfungsaustausch; t.44, (2000), nr 4, s Praca finansowana przez KBN w ramach projektu badawczego Nr 7 T08B

8 RESEARCH OF KINETICS OF SETTING OF MOULDING SAND WITH CHEMICAL BINDERS SUMMARY In this work there are presented results of measuring the kinetics of setting of chemical bonded moulding sand, tested by ultrasonic method. In this work the original method of mould sand estimation has been elaborated. This method bases on measurements of the selected parameters of ultrasonic waves. The velocity of ultrasonic waves in this moulding sand is dependent on degree of hardening and changes in wide range ( m/s, sometimes more.) The method enables estimation of kinetics of setting and can be employed in the practice. Recenzował Prof. Józef Gawroński