6/5 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 5 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 5 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 STANDARYZACJA BADAŃ PNEUMATYCZNEJ KLASYFIKACJI MATERIAŁÓW ZIARNISTYCH A. FEDORYSZYN 1 Wydział Odlewnictwa AGH, ul. Reymonta 23, 30-059 Kraków STRESZCZENIE W referacie przedstawiono problematykę standaryzacji procedur badawczych klasyfikacji ziarnistych materiałów na przykładzie piasków odlewniczych. Omówiono zakres ustaleń dotyczących analizy sitowej. Podano warunki własnych badań rozdziału ziaren w strumieniu powietrza. Omówiono sposób opracowania wyników klasyfikacji pneumatycznej bazujący na procedurach z analizy sitowej. Key words: standards, grain distribution analysis of foundry materials, sieving method and distribution in air jet 1. WPROWADZENIE Przesiewanie i klasyfikacja przepływowa, pneumatyczna są metodami prowadzenia rozdziału zbioru ziaren w ramach analizy frakcyjnej. Podczas przesiewania ma miejsce rozdział na klasy ziarnowe określone wymiarami oczek sit kontrolnych. Wymienione metody spełniają warunki analizy frakcyjnej, na podstawie której opracowywane są średnie charakterystyki statystyczne. W przypadku przesiewania ziarnistych materiałów polidyspersyjnych standaryzacją objęto zarówno metodykę prowadzenia prób, jak i opracowywania wyników. Badania oparte o ocenę rozdziału w strumieniu powietrza nie są w takim stopniu objęte normalizacją. Wyniki badań, prowadzonych w warunkach sprzyjających pełnemu rozdziałowi, mogą z powodzeniem stanowić podstawę charakterystyki materiałów, pozostającej w ścisłym związku z przepisami dotyczącymi analizy sitowej. 1 dr hab. inż., alfa@uci.agh.edu.pl
49 2. ZAKRES STANDARDOWYCH ANALIZ SITOWYCH Ziarniste materiały polidyspersyjne charakteryzuje się średnimi wielkościami statystycznymi, wyznaczanymi na podstawie analizy frakcyjnej [6,7,14]. Analiza frakcyjna prowadzona przy użyciu zestawu sit (i=11 wg PN-83/H-11077) pozwala na określenie funkcji f(d i ) rozkładu gęstości oraz dystrybuanty Φ(d i ). Posługiwanie się funkcją Φ(d i ) zaleca przywołana norma polska oraz niemiecka DIN. Posługiwanie się funkcją dopełniającą F(d i ) = 1 - Φ(d i ) zalecają normy: polska PN-71/C-04501 oraz amerykańska AFS. W poszukiwaniu rzeczywistego rozkładu wielkości ziaren pomocnymi są siatki funkcyjne hipotetycznych rozkładów [7,14]. Norma PN-84/Z-04008 ujmuje również układ z logarytmiczną skalą średnic i skalą prawdopodobieństwa dla udziałów procentowych. Jeżeli zbiór ziaren odpowiada w przybliżeniu rozkładowi logarytmiczno - normalnemu, to przebiegi Φ(d i ) i F(d i ) są liniowe (rys.1). Pochylenie linii jest przy tym miarą jednorodności zbioru. Zaletą prostoliniowego zapisu wyników badań jest uproszczona ekstrapolacja lub interpolacja z minimalnej liczby danych (analiza przy użyciu 2 lub 3 sit). Rys.1. Wyniki analizy sitowej piasku Fig.1. Results of sand sieve analysis Ograniczenie rozważań tylko do rozkładu logarytmiczno-normalnego uzasadniają wyniki analiz opisanych w literaturze [6], jak i własnych [4,5]. W ramach badań własnych porównywano funkcje składu ziarnowego Φ(d i ) i F(d i ) z funkcjami dystrybucji rozkładów: potęgowego (funkcja GAS), Weibulla i Frechéta (RRB) oraz
50 normalnego (LGN). Wyznaczano przy tym błąd średni aproksymacji oraz współczynniki prostych w układach odpowiednich siatek funkcyjnych. Przykładowe opracowanie przedstawiono na rysunku 2. Rys.2. Charakterystyka ziarnowa badanych piasków kwarcowych - d h =0,140 0,666 mm w układzie siatki funkcyjnej rozkładu LGN Fig.2. The grain characteristic of tested quartz sands - d h =0,140 0,666 mm in grid of coordinates of LGN distribution Obecnie prowadzone prace, w ramach normalizacji europejskiej (PN-EN) oraz międzynarodowej (PN-ISO), kontynuują szczegółowe omawianie zagadnień z badań materiałów ziarnistych na drodze przesiewania. Standaryzacją objęto całą problematykę poczynając od terminologii [11], a kończąc na opracowaniu graficznym wyników analizy granulometrycznej [12]. W zbiorze PN normy dotyczące badań materiałów ziarnistych występują w grupie tematycznej 19.120 Analiza sitowa. Przesiewanie oraz 91.100 - Materiały mineralne i wyroby. W tej ostatniej odnotować należy normy od PN-EN 933-1: 2000 [9] aż do PN-EN 933-10: 2001 [10], w której to części omówiono metodykę przesiewania w strumieniu powietrza.
51 3. ZAGADNIENIA STANDARYZACJI BADAŃ W OPARCIU O KLASYFIKACJĘ PRZEPŁYWOWĄ Klasyfikacja przepływowa, pneumatyczna pozwala rozdzielić zbiór ziaren ze względu na ich masę, określoną objętością ziaren i gęstością materiału. Na podstawie wyników rozdziału można również określić średnie charakterystyki statystyczne materiału. Przykładowo w arkuszu 5 PN-75/Z-0495 [8] omówiono oznaczenie składu ziarnowego pyłu za pomocą powietrznego separatora typu Gonella. Przy jego użyciu wyznacza się dynamiczne wymiary cząstek w zakresie 5 63μm. W separatorze Gonella stosowane są metalowe rury odwiewne o średnicach wewnętrznych: 238 140 mm, 69 70 mm i 34,5 35,0 mm w zależności od przyjętego zakresu klas ziarnowych. Badania polegają na wyznaczaniu ubytków masy próbki (z dokładnością do 0,0002 g) tworzącej warstwę o objętości 10 20 cm 3. Omawianą normę wprowadzono w miejsce normy PN-66-Z-04008 omawiającej, oprócz metody odwiewania, także metody analizy ziarnowej pyłów oparte na sedymentacji w cieczy oraz odwirowywania w przeciwprądzie. Próbę odwiewania (elutriacji) można również zastosować w odniesieniu do ziarnistych materiałów, stanowiących osnowę piaskową mas formierskich. Opracowana, własna metoda pomiaru polega na wyznaczaniu zależności ubytków masy złoża w zależności od prędkości przepływu powietrza. Wyniki rozdziału ziaren, próbki 100 gramowej, na produkty D (ziarna wyniesione ze złoża) i G (pozostałe) oznaczano wielkościami γ D i γ G. Badania rozdziału prowadzono przy użyciu kolumny fluidyzacyjnej o średnicy D k =0,0578m i wysokości H k =1,9m. Warunki badań spełniają postulaty co do wpływu na unoszenie wymiarów komory oraz koncentracji strumienia piaskowo-powietrznego. Badania prowadzono w warunkach gwarantujących wyniesienie wszystkich ziaren, dla których prędkość u czynnika fluidyzującego przewyższa prędkość u z zawisania. Dotyczy to zwłaszcza czasu przedmuchiwania (t=10 minut) oraz wysokości przestrzeni separacyjnej. Przykładowe wyniki badań zamieszczono na rysunku 3. Badaniami tego typu objęto szereg odlewniczych piasków formierskich, ich frakcji oraz mieszanin trzech klas ziarnowych (frakcji głównych). Przyjmując, że rozkład wartości wielkości γ odpowiada hipotetycznemu rozkładowi logarytmiczno-normalnemu można przedstawić wyniki również przy użyciu siatki funkcyjnej, tak jak to przedstawiono na rysunku 4. W oparciu o wyniki badań wyznaczano wartości charakterystycznej prędkości przepływu, przy której ma miejsce 50% ubytek masy złoża; tak wyznaczona średnia γ prędkość u z unoszenia ziaren odpowiada rozdziałowi połowicznemu γ D = γ G = 0,5. Dotyczy to ziarna granicznego o średniej średnicy d 50. Porównując przebieg funkcji γ D =f(u) lub γ G =f(u) z F(d i ) lub Φ(d i ) można uzyskać pełną charakterystykę zachowania się ziaren w strumieniu powietrza w powiązaniu i w oparciu o ustalenia przypisane badaniom przez przesiewanie. Charakterystyka ta obejmuje wskaźniki charakteryzujące stopień jednorodności składu granulometrycznego:
52 rozstęp: d = (d 75 -d 25 ); u = (u 75 -u 25 ), Rys.3. Wyniki rozdziału ziaren wyodrębnionej klasy ziarnowej - d i =0,15 0,21 mm Fig.3. Grain distribution results of selected grain coarseness sand - d i =0,15 0,21 mm Rys.4. Wyniki rozdziału ziaren piasków kwarcowych w zależności od prędkości powietrza Fig.4. Sand grain distribution results in dependence on air stream velocity
53 rozproszenie prawdopodobne: E pd = 1/2 (d 75 -d 25 ); E pu = 1/2 (u 75 -u 25 ), rozrzut wielkości ziaren: d = d 75 /d 25 ; u = u 75 /u 25, rozdział wielkości ziaren: Sod χod ; Sou χou. Wartości poszczególnych wielkości w wymienionych wskaźnikach wyznaczano z funkcji składu ziarnowego i F, z przebiegu których oznaczano wielkości ziaren 75- i 25-procentowych. Podstawiano wymienione wielkości tak, aby uzyskać dodatnie wartości wskaźników, a ponadto aby d > 1. Uwagi te dotyczą również wskaźników charakteryzujących zachowanie się ziaren w strumieniu powietrza. Wartości parametrów odnoszących się do 75- i 25-procentowego wynoszenia ziaren wyznacza się w oparciu o funkcje G i D. Metodyka i technika określania ubytków masy złoża podczas przepływu przez próbkę materiału formierskiego jest wykorzystywana między innymi przy ocenach skuteczności pracy urządzeń regeneracyjnych, skłonności masy zużytej do regeneracji i stopnia uwolnienia ziaren osnowy z otoczek zużytego materiału [1 3, 13]. W ocenach tych określa się ilości pylistych składników wynoszonych przez strumień powietrza przepływający przez próbkę materiału w poszczególnych etapach jego obróbki (przed regeneracją, po regeneracji oraz klasyfikacji). Prędkość przepływu powietrza odpowiada prędkości unoszenia ziaren uważanych za technologicznie szkodliwe. Na podstawie przeprowadzonych badań ustalono prędkość strumienia powietrza w wartości 1 m/s, co gwarantuje odpylenie próbki (usunięcie frakcji d i 0,16 mm) w czasie 4 minut. Podobne warunki prowadzenia badań zalecono przy posługiwaniu się aparatem testowym do badania procesu regeneracji mechanicznej [3]. 4. PODSUMOWANIE Stosowanie jednolitych warunków badań pozwala na bezpośrednie zestawianie i porównywanie wyników badań oraz jednoznaczne charakterystyki materiałów. Standaryzacji w tym zakresie służy propozycja realizacji klasyfikacji zbioru ziaren próbki 100 gramowej w strumieniu powietrza w warunkach pełnego, niezakłóconego rozdziału. Warunki takie zapewniają podane parametry kolumny oraz określony czas elutriacji. Prezentowany sposób opracowania wyników próby pozostaje w ścisłym związku z zakresem unormowań dotyczących analizy sitowej. Przedstawione warunki badań od szeregu lat są konsekwentnie przestrzegane przy ocenie procesu regeneracji osnowy piaskowej z zużytych mas formierskich.
54 LITERATURA [1] Bodzoń L., Dańko J., Żurawski L.: Ruchowa metoda oceny skuteczności urządzeń do regeneracji masy. Przegląd Odlewnictwa nr 1. Kraków (1989), s. 33. [2] Dańko J., Łucarz M.: Obróbka regeneracyjna i klasyfikacja pneumatyczna jako podstawa do oceny jej przydatności do regeneracji mechanicznej. Krzepnięcie Metali i Stopów, nr. 25. Komisja Odlewnicza PAN, Katowice, Bielsko-Biała, Częstochowa, Opole (1995), s. 95. [3] Dańko J.: Badania aparatu do oceny stopnia uwolnienia osnowy z otoczek zużytego materiału wiążącego. Materiały XXII Konferencji Naukowej. Wydział Odlewnictwa AGH (1997), s. 39 [4] Fedoryszyn A.: Analiza rozdziału ziarn materiałów w odlewniczych urządzeniach fluidyzacyjnych. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH. Rozprawy, Monografie 87, Kraków (1999). [5] Fedoryszyn A.: Charakterystyki ziarnowe podstawą oceny jakości osnowy piaskowej mas formierskich. Krzepnięcie Metali i Stopów, t. 26. Komisja Odlewnicza PAN, Katowice, Bielsko-Biała, Częstochowa, Opole (1996), s. 231. [6] Lewandowski L.: Materiały formierskie i rdzeniowe. PWN. Warszawa (1991). [7] Orzechowski Z.: Przepływy dwufazowe, jednowymiarowe, ustalone, adiabatyczne. PWN. Warszawa (1990). [8] PN-75/Z-04097-Arkusz 05: Badania składu ziarnowego pyłów. Oznaczanie składu ziarnowego pyłu za pomocą powietrznego separatora typu Gonella. [9] PN-EN 933-1:2000 Badania geometrycznych właściwości kruszyw. Oznaczanie składu ziarnowego. Metoda przesiewania [10] PN-EN 933-10: 2001 Badanie geometrycznych właściwości kruszyw. Część 10: Ocena przesiewu-gradacja wypełniaczy (przesiewanie w strumieniu powietrza). [11] PN-ISO 2395: 2000 Sita kontrolne i analiza ziarnowa. Terminologia. [12] PN-ISO 9276-1: 2001. Przedstawianie wyników analizy granulometrycznej. Część 1: Przedstawianie graficzne. [13] Szlumczyk H., Jura S., Piątkiewicz Z., Janerka K.: Ocena skuteczności stosowania regeneratora liniowego dla odzysku osnowy mas wiązanych szkłem wodnym. Krzepnięcie Metali i Stopów, nr. 25. Komisja Odlewnicza PAN, Katowice, Bielsko-Biała, Częstochowa, Opole (1995), s. 101. [14] Sztaba K.: Przesiewanie. Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice, 1993.
55 SUMMARY STANDARDIZATION OF RESEARCH PROCEDURES OF GRAIN MATERIALS PNEUMATIC CLASSIFICATION In the paper some problems of classification research procedure standardization of grain materials have been presented. As example the classification process of foundry quartz sand has been taken into account. The range of determination concerning sieve analysis has been described. The own research conditions of grains classification in air stream as well as the method of results elaboration based on sieve analysis procedures have been described. Recenzował Prof. Stanisław Jura