58/2 Archives of Foundry, Year 21, Volume 1, 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 21, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-538 PARAMETRY STOŻKA FORMOWANEGO Z MAS FORMIERSKICH I. DZWONNIK 1 Politechnika Zielonogórska, Wydział Mechaniczny, Instytut Inżynierii Produkcji i Materiałoznawstwa ul. Prof. Zygmunta Szafrana 2 65 16 Zielona Góra STRESZCZENIE Przedstawiono nowa metodę pomiaru właściwości mas formierskich w odnie-sieniu do parametrów stożka nasypowego formowanego z tych materiałów. Zaproponowana metoda polega na formowaniu stożka z strugi badanego materiału spadającego z określonej wysokości H = 1 mm na krążek o średnicy 15 mm będącego podstawę stożka nasypowego. Następnie mierzono wysokość i masę uformowanego stożka. Na zaprojektowanym i wykonanym stanowisku dokonano pomiarów parametrów stożka formowanego z mas formierskich o zmiennej wilgotności. Key words: mould mixes, coning samples 1. WSTĘP Rozwój wysokowydajnych metod formowania w masach wilgotnych opartych na piasku kwarcowym i glinie, prasowanych pod wysokimi naciskami i zagęszczanych impulsowo wyłoniła potrzebę stosowania szybkich metod pomiarów właściwości mas i form. Dotychczasowe metody pomiarów parametrów właściwości mas i form z nich wykonywanych, [1do11] nie w pełni spełniają stawiane im wymagania, szczególnie pod względem szybkości wykonywania pomiarów. Czas 1 Prof. dr hab. inż.,: I.Dzwonnik@iipm.pz.zgora.pl.
wykonywania pomiarów z wielu spośród określanych obecnie parametrów jak; wilgotność, wytrzymałość, przepuszczalność i inne trwa zbyt długo w porównaniu do ilości produkowanej masy i form, co podważa ich znaczenie w poprawnej ocenie jakości mas i form. Próby automatyzacji pomiarów właściwości mas [4, 6, 9] nie przyniosły w pełni zadawalających wyników. Jest to spowodowane głównie tym, że pomiarów dokonuje się na uformowanych kształtkach. Poszukiwania sposobów oceny jakości mas i form [1, 11, 12] zmierzają w kierunku znalezienia integralnych wskaźników opisujących właściwości mas i pozwalających na szybki i zautomatyzowany pomiar. W pracy zaproponowano ocenę jakości mas poprzez pomiary parametrów, jak; wysokość i mesę nasypowego stożka otrzymywanego z strumienia spadającej masy na podstawę o określonej powierzchni. Pomiar parametrów stożka nasypowego jest podobny do pomiarów płynności swobodnej [1, 3, 5] ale kształtowanie stożka przebiega w innych warunkach wzajemnego oddziaływania cząstek masy niż przy pomiarach płynności swobodnej. Boczne ściany stożka, podczas formowania, nie stykają się z ścianami formy. W przeprowadzonych badaniach założono, że odmienne warunki kształtowania stożka, mogą wykazać wysoką wrażliwość parametrów stożka w zależności od zmian ilościowych i jakościowych badanych mas. Celem tej pracy jest przedstawienie wstępnych wyników pomiarów parametrów stożka uformowanego z mas formierskich z dodatkiem bentonitu i pyłu węglowego o zmiennej wilgotności. 2. OPIS BUDOWY I DZIAŁANIA PRZYRZĄDU Na rys.1 przedstawiono schemat przyrządu do kształtowania i pomiarów parametrów stożka nasypowego z piasku lub masy formierskiej. Głównym zadaniem przyrządu jest zapewnienie możliwości uzyskiwania powtarzalnych warunków formowania stożka, przez spadającą strugę badanego materiału z określonej wysokości na podstawę o znanej średnicy. Badany materiał może być dozowany porcjami lub jednorazowo w całości o znanej masie. Spadający materiał na podstawę w części się na niej zatrzymuje a w części spada poza podstawę. W ten sposób otrzymuje się stożek o znanej średnicy podstawy, wystarczy zmierzyć jego masę i wysokość stanowiących główne parametry uformowanego stożka. Omawiany przyrząd (rys.1) składa się z nośnego pionowego słupa (6) zamocowanego do podstawy. Do niego przymocowano wspornik (8) podtrzymujący rurę zsypową (7) wraz z lejem zsypowym (9) i siatką 1). W osi rury (7) na podstawie przyrządu ustawiono elektryczną wagę (2) z krążkiem (3) na którym formowano i ważono, stożek (5) z badanego materiału. Część spadającego materiału z krążka (3) zbiera się w zbiorniku (1). Do pomiaru wysokości uformowanego stożka (5) zain-stalowano nastawną listwę pomiarową (4) zamocowaną na do
słupa (6) w sposób umożliwiający formowanie i pomiar wysokości stożka. Podczas formowania stożka, listwa pomiarowa (4) jest odchylana poza średnicę krążka (3). Rys.1. Schemat przyrządu do formowania i pomiarów parametrów stożka nasypowego (opis w treści). Fig.1. Scheme of device for forming and measuring parameters of conical sample (description in the text) 3. METODYKA I ZAKRES BADAŃ. Przed każdym pomiarem dokonywano sprawdzenia położenia osi rury (7). Z osią podstawy stożka (3). rys.1. Zsynchronizowanie tych osi zapewnia prawidłowe kształtowanie stożka nasypowego. Następnie przygotowywano odpowiedni materiału do badań. Polegało to na odważeniu odpowiedniej ilości mieszaniny piasku z bentonitem i pyłem węglowym o wilgotności od do 6,2%. Odważano sześć próbek materiału po 1g każda i dodatkowo. jedną o masie 6g, następnie, odważoną próbkę badanego materiału wsypywano na siatkę (1) leja zsypowego (9). skąd rurą zsypową (7) spada na krążek (3). Po każdej porcji przesypanego materiału mierzono wysokość i masę uformowanego stożka. Na jeden punkt pomiarowy wykonywano pięć pomiarów a średnią obliczano z trzech wyników wybranych przez odrzucenie największej i najmniejszej wartości. Na bazie piasku grubego Sieradz Warta-2K-,3-, 21-,42-M75 sporządzono masy formierskie, 1M o składzie; 9% piasku + 1% bentonitu bułgar-
skiego i 2M o składzie, 84% piasku kwarcowego +1% bentonitu bułgarskiego + 6% pyłu węglowego o wilgotności od do 6, 2%. Masę formierską, w miarę potrzeb, przecierano przez to sito o oczkach 4x4m. 4. OMÓWIENIE WYNIKÓW Na podstawie wielokrotnie powtarzanych pomiarów ustalono i przyjęto, że wysokość spadającego materiału badanego, H=1 mm. Rozstęp uzyskiwanych wyników pomiarów masy stożka nasypowego wynosi 2 g, a dla jego wysokości 8 mm. Wyniki pomiarów parametrów uformowanych stożków z mas formierskich przedstawiono na rys.2 do 7. 5 45 4 35 3 25 2 15 1 2 M = 84% p.k.+1% bentonit+6% p.węglowy m s [g] piasek gruby wilgotność % 2,4% 4,3% 5,5% 6,2% 5 m [g] 1 2 3 4 5 6 6 Rys.2. Masa stożka nasypowego (m s ) z masy 1M, suchej i wilgotnej w zależności od ilości i wielkości porcji masy (m) zastosowanego do formowania. Fig.2. Mass of cone (m s ) made of dry and green sand-mix 1M versus the amount and the size of sand portion (m) used during the forming. 5 45 4 35 3 25 2 15 1 m s [g] wilgotność % 2,4% 4,3% 5,5% 6,2% 1 M = 9% p.k.+1% bentonit piasek gruby 5 m [g] 1 2 3 4 5 6 6 Rys.3. Masa stożka nasypowego (m s ) z masy 2M, suchej i wilgotnej w zależności od ilości i wielkości porcji masy (m) zastosowanego do formowania. Fig.3. Mass of cone (m s ) made of dry and green sand-mix 2M versus the amount and the size of sand portion (m) used during the forming. Na rys.2 i 3 przedstawiono zmiany masy stożków formowanych z mas formierskich 1M, na rys.3 masy stożków uformowanych z masy 2M. Z rysunków tych wynika, że masa uformowanych stożków mało zależy od wilgotności mas, zależy natomiast od składu i od ilości masy użytej do formowania. Przebieg zmian wysokości stożków w zależności od ilości masy formierskiej, ma charakter nie liniowy. Przy użyciu 5g masy do formowania, masa stożków z masy 1M zwierała się w granicach 4 do 45g a z masy 2M była mniejsza i wynosiła, od 35 do 4g i mało zleżała od wilgotności mas. Zmiany wysokości formowanych stożków, mają podobny przebieg jak dla ich mas ale bardziej zależą od składu mas i od ich wilgotności. Przy użyciu masy 1M w ilości 5g, wysokość stożków dla masy o wilgotności %, h s =29mm a dla wilgotności =6,2% otrzymano wysokość stożka =11mm. Dla masy 2M o wilgotności = %, h s =36mm, a dla wilgotnej =6,2%, h s =57mm.
2 M = 84% p.k.+1% bentonit + 6% p.węglowy piasek gruby hs [mm] 8 wilgotność 7 % 6 2,4% 4,3% 5 5,5% 6,2% 4 3 2 1 m [g] 1 2 3 4 5 6 6 14 12 1 8 6 4 2 h s [mm] wilgotność % 2,4% 4,3% 5,5% 6,2% 1 M = 9% p.k.+1% bentonit piasek gruby m [g] 1 2 3 4 5 6 6 Rys.4. Wysokość stożka nasypowego (h s ) z masy 1M, suchej i wilgotnej w zależno-ści od ilości i wielkości porcji masy (m) zastosowanego do formowania. Fig.4. Height of cone (h s ) made of dry and green sand-mix 1M versus the amount and the size of sand portion (m) used during the forming Rys.5. Wysokość stożka nasypowego (h s ) z masy 2M, suchej i wilgotnej w zależno-ści od ilości i wielkości porcji masy (m) zastosowanego do formowania. Fig.5. Height of cone (h s ) made of dry and green sand-mix 2M versus the amount and the size of sand portion (m) used during the forming Krzywe zmian wysokości formowanych stożków (rys.4) usytuowały się w dwóch przedziałach, w przedziale niskich wilgotności od do 2,4% i w przedziale o wyższej wilgotności od 4,3 do 6,2%. W przedziale niskich wilgotności, wysokości stożków wyniosła 29 do 41mm a dla mas o wilgotności od 4,3 do 6,2% wysokość zawierała się w granicach 88 do 11mm. W przedziale średnich wilgotności od 4,3 do 5,5% różnica wysokości stożków wyniosła 4mm, a dla wilgotnością od 5,5 do 6,2%, różnica ta wynosiła 19mm. Zmiany wysokości stożków formowanych z masy 2M (rys.5) wykazały podobny charakter jak dla masy 1M, ich wysokość wzrasta wraz ze wzrostem masy użytej do formowania. Zachowana została prawidłowość uzyskiwania większych wysokości stożków dla masy o wyższej wilgotności, ale bez wyraźnych podziałów na obszary. Wysokość stożków z masy 2M o wilgotności % (przy użyciu 5g masy do formowania) h s =36mm przy wilgotności=6,2% h s =57mm. W celu pogłębienia analizy wpływu wilgotności mas formierskich na parametry wilgotności formowanych stożków sporządzono wykresy zmian wysokości i masy stożków uformowanych z masy 1M i 2M w zależności od wilgotności tych mas i od ilości masy użytej do formowania m =3 i 5g (rys.6 i 7).
12 h s [mm] 45 m s [g] 1 4 1M 3 35 1M 5 8 3 2M 3 2M 5 25 6 2 4 15 1M 3 1 1M 5 2 5 2M 3 W [%] 2M 5 W [%] % 2,4% 4,3% 5,5% 6,2% % 2,4% 4,3% 5,5% 6,2% Rys.6. Masa stożka nasypowego (m s ) z mas 1M i 2M, uzyskanego z porcji mas (m) =od 3 do 5g w zależności od ich wilgotności. Fig.6. Mass of cone (m s ) made from sandmixes 1M and 2M, used in portions from 3 g to 5 g versus the humidity of mixes Rys.7. Wysokość stożka nasypowego (h s ) z mas 1M i 2M, uzyskanego z porcji mas (m) = od 3 do 5g w zależności od ich wilgotności. Fig.7. Height of cone (h s ) made from sandmixes 1M and 2M, used in portions from 3 g to 5 g versus the humidity of mixes Z rysunków tych wynika, że wysokość uformowanych stożków jest większa dla masy typu 1M od wysokości stożków z masy 2M i nie zależy od ilości masy użytej do formowania. Dla masy 1M wysokość stożków była większa, niż dla masy 2M, szczególnie dla wilgotności w przedziale od 2,4 do 6,2%. Z rys.7 wynika, że wysokość stożków uformowanych z masy 1M o wilgotności od do 2,4%, dla porcji o masie m= 3g użytej do formowania, zawierała się w granicach 28 do 32m. W miarę wzrostu wilgotności do 6,2% wysokość stożków powoli wzrasta, aby osiągnąć wysokość dla masy 1M=74mm, a dla masy 2M h s =44mm. Przy użyciu 5g masy do formowania, z masy o wilgotności 6,2% typu 1M maksymalna wysokość stożka wynosiła 111mm a dla masy 2M o wilgotności 6,2% była niższa i wynosiła h s =57mm. Z rys.11. wynika że masa uformowanych stożków z mas 1M jest wyższa od masy stożków z mas 2M w całym zakresie wilgotności. Podobne zależności zmian masy stożków, można zauważyć dla 3 i 5g masy użytej do formowania stożków. Większe masy stożków uzyskano dla 5g niż dla 3g masy używanej do formowania. Największe różnice mas uformowanych stożków uzyskano dla mas formierskich suchych i dla mas o wilgotności 6,2%. Dla suchej masy typu 1M i dla porcji m=3g, masa uformowanych stożków wynosiła 237g a dla masy 2M m s =2g. Przy użyciu 5g masy do formowania uzyskano odpowiednio dla 1M, m s =378g a dla masy 2M, m s =314g.
Natomiast dla mas o wilgotności 6,2% i m=3g masy formierskiej użytej do formowania, uzyskano następujące masy stożków uformowanych, dla 1M, m s =248g a dla masy 2M, m s =219g Przy użyciu m=5g masy do formowania, masa stożków z masy typu 1M wynosiła 36g a z masy 2M była równa 39g. 5. WNIOSKI 1. Zaproponowana metoda badań właściwości mas formierskich przez pomiar parametrów uformowanego stożka, z spadającego strumienia materiału, jest nową obiecującą metodą w poszukiwaniu wskaźników opisujących jakość badanego materiałów w postaci ziarnistej w zależności od składu ilościowego i jakościo-wego tych materiałów. 2. Skonstruowany i wykonany przyrząd (rys.1), spełnił postawione mu wymagania; umożliwił formowanie stożków mas formierskich o zmiennym składzie ilościowym i jakościowym, dozowania badanego materiału o znanej masie, porcjami lub jednorazowo, Dozowanie materiału porcjami. do formowania stożka, pozwoliło na śledzenie procesu kształtowania stożków w zależności od ilości użytego materiału do formowania. 3. Uzyskane wyniki pomiarów parametrów mas formierskich z piasku grubego i bentonitu -1M i masy z tego samego piasku i bentonitu z dodatkiem pyłu węglowego -2M, wykazały, że przebieg zmian masy uformowanych stożków w zależności od ilości masy użytej do formowania, ma podobny przebieg i charakter zbliżony do liniowego i mało zależy od wilgotności mas. Dla 5g masy 1M użytej do formowania stożków, uzyskano stożki o masie 35 do 4g Dla mas 2M, masy uformowanych stożków były mniejsze i wynosiły od 3 do 35g. 4. Charakter zmian wysokości stożków, dla obydwu mas, jest podobny. Uzyskane wyniki pomiarów wysokości stożków, wykazały większą wrażliwość na zmiany wilgotności badanych mas formierskich, niż dla pomiarów mas formowanych stożków. Generalnie, wysokość formowanych stożków, z tej samej ilości masy użytej do formowania, jest większa dla mas bez pyłu węglowego od wysokości stożków z mas z pyłem węglowym. LITERATURA [1] F.Gittus: Flow Properties of Foundry Sand, Iron end Steel. nr11 i 12, (1953). [2] F.Hoffman: Einflisse der granulometrischen und mineralogischen Zusammensetzung von Giessreisanden, Giesserei nr3, t.46 s.49-54, (1959). [3] L.Lewandowski: Badania nad płynnością syntetycznych mas formierskich. Z.N. AGH, Kraków nr38 Metalurgia i Odlewnictwo (1961). [4] H.W.Dietert, S.A.Brewester: Stratght Line Approach to Sand Conteol. Modern
Castings s.117-128, April (1966). [5] L.Lewandowski: Materiały formierskie. WNT, Warszawa (197). [6] Z.Samsonowicz, Z.Koralewicz, T.Mikulczyński: Ocena niektórych własności glin formierskich metoda ultradźwiękową. Prace Komisji Metalurgiczno- Odlewniczej PAN, Metalurgia 3, s.7, Kraków (1983). [7] L.Lewandowski: Masy formierskie i rdzeniowe. PWN, Warszawa (1991). [8] I.Dzwonnik: Badania fizyko - chemicznych zjawisk w wilgotnych formach napylanych, pyłem węglowym WSI, Monografia nr556, Zielona Góra (1991). [9] S.MDobosz: Powierzchniowa struktura kwarcowych piasków formierskich. VII Ogólnopolska Konf. WSI, s69-75, Zielona Góra (1992). [1] T.Mikulczyńki: Zastosowanie metody ultradźwiękowej do badań materiałów formierskich. Politechnika Wrocławska, Monografia nr15, (1994). [11] T.Michta Stawiarska: Wskaźnik Dieterta możliwości kompleksowej oceny klasycznych mas formierskich. Monografia nr88, Politechnika Zielonogórska, (1998). [12] S.Sano, MSato: Imono. nr4, t.45 s.314 (1973). [13] G.Fischer: Aktiengesellchaft, CH-821 Schaffhausen, Postfach, 671. PARAMETERS OF CONE FORMED FROM HIGH-SILICA SAND-MIXES SUMMARY A new method for the determination of properties of mould mixes, which is based on measuring the parameters of coning samples formed with these materials, has been presented. The proposed method consists in forming of cone with the material being poured down from the height of 1 mm onto the cone base, which is a disk of the diameter 15 mm. The testing device, especially designed and prepared for this goal, was used to measure the height and the mass of cone formed from fine and coarse-grained well as from sand mix of variable humidity. Recenzował Prof. Józef Gawroński