68/14 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 14 Archiwum O dlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 14 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 CHARAKTERYSTYKA REZYSTANCYJNA WILGOTNEJ MASY FORMIERSKIEJ STRESZCZENIE T. SZMIGIELSKI 1 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego 65-546 Zielona Góra, ul. Szafrana 4. W pracy opisano sposób wyznaczenia krzywej wzorcowej dla wybranej masy formierskiej wyrażającej przebieg oporności elektrycznej masy w funkcji zawartości wilgoci. Stwierdzono, że charakterystyki rezystancji w funkcji wilgotności można opisać zależnością dla modelu wykładniczego: y = b a x dla W>2%. Wykazano, że odległość pomiędzy parą elektrod w badanym zakresie x =10 do 30 mm ma wpływ na uzyskiwane wartości rezystancji badanej masy. Key words: sandmix, electrical resistivity 1. WPROWADZENIE Wszystkie metody stosowane w technice pomiarów wilgotności mas formierskich można zaszeregować do dwu grup pomiarowych zależnie od tego, czy wykorzystano własności elektryczne czy też nieelektryczne. Zostało opracowanych szereg metod pomiarowych pozwalających określić stopień wilgotności ciała stałego, w oparciu o odparowanie wody z badanej próbki. Metody te opisuje szereg autorów, między innymi [2, 3] zwracając szczególną uwagę na trudności związane z tego rodzaju pomiarami. Podstawową wadą metod wyżej wspomnianych jest stosunkowo długi czas pomiaru. Z drugiej strony metody te gwarantują dużą dokładność pomiaru, dochodzącą do 0,1%. Ale główną wadą wszystkich metod jest niemożność wykonywania pomiarów ciągłych, możliwych jedynie na drodze elektrycznej. Szczególnie problem występuje jeśli chcemy prześledzić zjawisko przemieszczania się i kondensacji wody w wilgotnej formie, pod wpływem cieplnego oddziaływania ciekłego metalu. W strefie transportu wilgoci o temperaturze około 373K wilgotność wzrasta od wartości bardzo małych do wartości 1 dr inż., t.szmigielski@iipm.uz.zgora.pl
509 maksymalnych, znacznie przekraczających wilgotność początkową masy [1, 2, 3, 4]. Bardzo dobre rezultaty w badaniach uzyskał J. Szreniawski [4] stosując metodę polegającą na podzieleniu całej próbki na określonej grubości warstwy masy, równoległe do powierzchni kontaktu formy z metalem i na określeniu wilgoci tych warstw. Podstawową wadą metody jest konieczność bardzo szybkiego odcinania i przechowywania w szczelnych naczyniach plasterków badanej masy, przy jednoczesnym dążeniu do uzyskania jak najmniejszych ich grubości. Celem wyjaśnienia rozkładu wilgotności w formie liczni badacze między innymi [ 6, 7] zastosowali metodę konduktometryczną wykorzystującą zmianę przewodności masy wraz ze zmianą jej nawilżenia. Jakkolwiek uzyskiwane wyniki są nieporównywalne bowiem otrzymywane wartości określają przyrost wilgoci w strefie przenoszenia od 26% do 200% [2], to metoda ta jest bardzo przydatna ze względu na swoje zalety takie jak ciągłość odczytu i możliwość rejestracji wyników. Stwarza to szerokie możliwość do obserwacji przemieszczania się strefy przenoszenia bez określania zmian ilościowych przyrostu wody w tej strefie. W pracy podjęto próbę określenia zależności rezystancji masy, której można przyporządkować odpowiednie miary wilgotności przy przyjęciu stałych materiałowych masy takich jak: zagęszczenie, skład masy, sposób umieszczania elektrod, kształt i odległość pomiędzy elektrodami. 2. STANOWISKO BADAWCZE Ogólny schemat stanowiska do badania zmian rezystywności masy w funkcji jej nawilżenia przedstawiono na rysunku 1. Integralną częścią układu pomiarowego jest podstawka 2 z trzema parami elektrod rozmieszczonych wzdłuż boków trójkąta równobocznego. Dla określenia wpływu odległości pomiędzy elektrodami na oporność badanej masy formierskiej odległości pomiędzy elektrodami w poszczególnych parach zróżnicowano odpowiednio x = 10; 20; 30 mm. Elektrody 3 w kształcie stożka ściętego wykonano z pręta stalowego a następnie ulepszono cieplnie. Średnica elektrod przy większej podstawie wynosiła = 1,8 mm, kąt nachylenia tworzącej stożka = 1,2, długość czynna elektrod 30mm. Elektrody osadzono ciasno w tulejkach ebonitowych 4 wcześniej wmontowanych na stałe w podstawkę metalową 2. Każda z elektrod ma wyprowadzone przyłącze elektryczne służące do łączenia ze wzmacniaczem sygnału elektrycznego a następnie poprzez mikroprocesorowy rejestrator 6 z komputerem 7. Pomiary przewodności elektrycznej masy przeprowadzono na standardowych próbkach cylindrycznych zagęszczanych na ubijaku laboratoryjnym typu LRu. Próbki masy 5 formowano w tulejce standardowej 1 do stałej wysokości h= 50mm przy stałej naważce masy Q niezależnie od jej wilgotności W. Takie postępowania gwarantowało jednakową gęstość pozorną masy w badanej próbce. Powtarzalność zagęszczenia masy dla różnych wilgotności zapewniano poprzez zliczanie ilości uderzeń ciężarka ubijaka. Do badań użyto masy formierskiej z bentonitem SPECJAL z Zębca w ilości 10% i piasku kwarcowego z Krzeszówka w ilości 90%.
510 1 5 50 140 157 50 2 30 3 4 68 W(t) R PC 30 20 6 7 10 80 Rys. 1. Schemat stanowiska do rejestracji oporności elektrycznej masy formierskiej: 1- tuleja, 2 - podstawka, 3 - elektroda, 4 tuleja ebonitowa, 5 - próbka badanej masy, 6 - wzmacniacz sygnału z mikroprocesorowym rejestratorem, 7 - komputer PC Fig. 1. Schematic diagram of stand for the recording electrical resistiwity of the moulding sands. Stopień nawilżenia masy przyjęto w zakresie W = 2% do 15% z przyrostem co 1%. Masy przygotowywano w mieszarce laboratoryjnej zgodnie z ogólnie przyjętą normą. Po odstaniu w czasie 1 godziny masę spulchniano, następnie oznaczano jej wilgotność metodą grawimetryczną i wstępnie oznaczano wielkość koniecznej naważki masy.
511 Na rysunku 2 przedstawiono zdjęcie zestawu z próbką zagęszczonej masy przygotowanego do pomiaru oporności elektrycznej. Bardzo ważnym podczas pomiaru jest zapewnienie pełnej stabilizacji położenia elektrod względem masy. W przeprowadzanych pomiarach stabilizację osiągano poprzez pozostawienie próbki zagęszczonej masy w tulejce wraz z podstawką. Rys. 2. Widok ogólny zestawu do pomiaru przewodności elektrycznej masy Fig.2. General view equipment for measurement electrical resistivity of the moulding sand Pomiary przeprowadzono dla masy formierskiej o stałej gęstości pozorne q = 1550 kg/m 3. 3. WYNIKI BADAŃ Na rysunku 3 zależności B = f(w) przedstawiają zmiany oporności masy w funkcji wilgotności masy formierskiej, które zostały wyznaczone dla zmiennej odległości między elektrodami x = 10; 20; 30 mm. Na podstawie prezentowanych wyników można stwierdzić, że zmiana odległości między elektrodami znacznie zmienia położenie krzywej wzorcowej w układzie współrzędnych B-W. Wyniki analizy współzależności liniowej B = f(w) dla poszczególnych odległości x między elektrodami wykazały dobre dopasowanie zależności według modelu wykładniczego. Na podstawie porównania wartości współczynnika determinacji liniowej R 2 (W, lgb) widać, że dla odległości elektrod x = 20 mm(k10) model wykładniczy jest najlepiej dopasowany. W oparciu o uzyskane wyniki analizy regresji liniowej związek pomiędzy opornością elektryczną masy a stopniem jej nawilżenia dla warunków badań można wyrazić w postaci zależności: y = 18,13 e -0,002 x ; dla której R 2 = 0,9035.
WILGOTNOŚĆ [%] 512 14 12 10 8 6 R 2 = 0,8428 R 2 = 0,9035 R 2 = 0,9031 4 2 KANAŁ 9 KANAŁ 10 KANAŁ 11 Wykł. (KANAŁ 9) 0 Wykł. (KANAŁ 10) Wykł. (KANAŁ 11) 0 200 400 600 800 1000 OPORNOŚĆ MASY B [BITY] Rys. 3. Zależności oporności elektrycznej B i wilgotności W masy formierskiej: K9 - x = 10mm, K10 x =20mm, K 11 x =30mm. Fig. 3. Relationship between electrical resistivity B and dampness W of the moulding sand 4. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania oporności elektrycznej masy formierskiej w zależności od jej nawilżenia potwierdziły znaną zależność między tymi parametrami wyrażoną przy pomocy funkcji wykładniczej. Opisany układ pomiarowy okazał się przydatny do sporządzania krzywej wzorcowej wybranej masy formierskiej. Optymalną odległość pomiędzy elektrodami dla przyjętych warunków badań ustalono dla wartości x = 20mm. Stromy przebieg krzywej wzorcowej świadczy o dużej czułości układu pomiarowego na zmianę wilgotności masy w badanym zakresie. Z analizy funkcji wykładniczej wynika, że pomiar oporności masy dla dużych wilgotności powyżej 20% i małych poniżej 2% staje się mało dokładny. LITERATURA [1] Aksjonow P.N.,Truchow A.P.: Litiejnoje proizwodstwo, nr 5, 1972. [2] Rzeczkowski M.: Analiza zjawisk cyrkulacji wody w wilgotnych formach piaskowych pod wpływem temperatury, Zeszyty Naukowe WSInż, nr 47 (monografia), Zielona Góra, 1977..
513 [3] Orłowicz W., Borla K., Kołodziej E.: Badanie wytrzymałości bentonitowych mas formierskich na rozciąganie w strefie kondensacji, Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 25, 1995, s. 129-137. [4] Szreniawski J.: Rozkład wilgotności w piaskowej formie odlewniczej w zależności od czasu przebywania w niej metalu, Archiwum Hutnictwa PAN, Warszawa 1965, tom nr 1. [5] Szmigielski T.: Wilgotność masy formierskiej w strefie kondensacji, Archiwum Odlewnictwa, vol. 3, nr 10, 2003, s. 249-254. [6] Schroder A., Macherauch E.: Gerat zur Messung Zugbestikeite-Temperatur und Feachtigeitsrerteilung in stimseitig auf-gereirten tongebunden Formstoffprufkorpern, Giesserei forschung, 1975, 27, nr 2, s. 69-73. [7] Gawlikowska M.: Ocena jakości bentonitu na podstawie badań w strefie przewilżonej, Prace Instytutu Odlewnictwa, 1972, nr 1, s. 88-89. SUMMARY RESISTANT CHARACTERISTICS OF DAMP MOULDING SAND The paper describes a method of determining an analytical curve for a chosen moulding sand presenting a run of (electric) conductivity of the moulding sand in a dampness content function. It was found out that the characteristics of conductivity in the dampness function can be described by the following dependence y = b a x for W>2%. It was proved that the distance between a pair of electrodes in the range in question x =10 to 30mm has much less influence on the achieved values of the tested moulding sand resistance than it had been assumed. Recenzował Prof. Józef Gawroński