19/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 BADANIA STRUKTURY ROZKŁADU GĘSTOŚCI POZORNEJ MASY W RDZENIACH WYKONANYCH ZA POMOCĄ WSTRZELIWANIA STRESZCZENIE J. DAŃKO 1, J. ZYCH 2, R. DAŃKO 3, A. SROCZYŃSKI 4 Wydział Odlewnictwa AGH, 30-059 Kraków, ul. Reymonta 23 W artykule przedstawiono badania rozkładu gęstości pozornej rdzeni sporządzonych przez nadmuchiwanie i wstrzeliwanie. Zastosowano trzy rodzaje osnowy w masach sporządzonych zgodnie z wymaganiami fenolowego procesu coldbox Ashlanda. Do oceny jakości realizowanego procesu zastosowano badania gęstości pozornej zagęszczonej masy rdzeniowej metodami tradycyjnymi, jak również za pomocą pomiaru prędkości propagacji fali ultradźwiękowej. Key words: foundry cores, core shooting, ultrasonic testing, foundry sand reclamation, 1. WPROWADZENIE Praktycznie każda technologia formy czy rdzenia wprowadza specyficzną dla siebie nierównomierność rozkładu zagęszczenia w obrębie przestrzeni technologicznej. W przypadku technologii wstrzeliwania rdzeni w oparciu o pomiar rozkładu zagęszczenia rdzenia dokonuje się oceny poprawności konstrukcji rdzennicy, jak i prawidłowości doboru parametrów pracy strzelarki. Pomiary gęstości prowadzone są praktycznie w każdym przypadku przy poszukiwaniu optymalnych rozwiązań procesu dmuchowego. W pracy [1] wykazano, że dla danego składu masy jej wytrzymałość po całkowitym utwardzeniu masy zależy przede wszystkim od stopnia zagęszczenia, miarą którego może być gęstość pozorna lub porowatość. Stwierdzono ponadto, że pomiędzy 1 prof. dr hab. inż., jd@agh.edu.pl. 2 dr inż., jzych@agh.edu.pl 3 dr inż. rd@ agh.edu.pl. 4 mgr inż.
134 gęstością pozorną utwardzonej masy ze spoiwem chemicznym a wytrzymałością na ściskanie zachodzi liniowa zależność. Podobnie liniowy charakter mają zależności pomiędzy prędkością propagacji fali ultradźwiękowej a wytrzymałością, a także pomiędzy porowatością (gęstością) a prędkością fali [2]. W prezentowanej pracy przedstawiono wyniki badań struktury zagęszczenia w rdzeniach wykonanych w klasycznej technologii cold box w zależności od zastosowanej osnowy masy rdzeniowej. 2. PROGRAM BADAŃ Strukturę zagęszczenia badano dla rdzeni wykonanych z następujących rodzajów osnowy kwarcowej: uzyskanej przez rozdrobnienie masy zużytej (nieprzepalonej), z klasycznej technologii cold-box (proces fenolowy), osnowy odzyskanej w wyniku regeneracji mechanicznej masy jak wyżej w urządzeniu doświadczalnym, czas regeneracji 10 min, osnowy odzyskanej w wyniku regeneracji termicznej masy zużytej cold-box, czas regeneracji w regeneratorze doświadczalnym 10 minut. Skład masy z której wykonywano próbki był następujący: badana osnowa 100 cz. wag., żywica fenolowo formaldehydowa Gasharz 6966 0,8 cz. wag., poliizocyjanian Aktywator 7624 0,8 cz. wag., gazowa dwumetyloetyloamina (DMEA), Katalizator GH3 Z przygotowanych mas metodą dmuchową, na stanowisku nadmuchiwarki PS-1 [3] wykonano standardowe próbki wytrzymałościowe, dla których określano: gęstość pozorną wzdłuż wysokości próbki mierzonej metodą tradycyjną, prędkość rozchodzenia się fali ultradźwiękowej na kilku różnych poziomach próbki, gęstości pozornej (metodą penetracyjną) w rdzeniu prostopadłościennym o wymiarach 197x54x47 mm wykonanym na stanowisku strzelarki SR-3D. W tym przypadku zastosowano dwa warianty usytuowania rdzenia obejmujące: wstrzeliwanie masy wzdłuż dłuższej osi symetrii rdzenia (wariant I) oraz wstrzeliwanie masy wzdłuż krótszej osi rdzenia (wariant II). 3. WYNIKI BADAŃ 3.1 Badanie gęstości pozornej masy zagęszczanej przez nadmuchiwanie Dla rdzeni wykonanych przez nadmuchiwanie w urządzeniu PS-1 określono rozkład zagęszczenia mierzonego gęstością pozorną wzdłuż wysokości próbki, który został przedstawiony na rysunku 1 dla trzech badanych rodzajów osnowy.
135 Gęstość pozorna próbki, g/cm 3 1,62 1,6 1,58 1,56 1,54 1,52 1,5 1,48 Rdzeń z osnowy po regeneracji termicznej Rdzeń z osnowy po regeneracji mechanicznej Rdzeń z osnowy z masy zużytej 1,46 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Odległość od głowicy nadmuchiwarki, mm Rys. 1. Rozkład gęstości pozornej masy rdzeniowej wzdłuż wysokości próbki otrzymany dla badanych rodzajów osnowy. Fig. 1. Distribution of core sand apparent density along sample length obtained for tested sand basis. Analiza danych wskazuje, że dla wszystkich badanych rodzajów osnowy największą gęstość pozorną uzyskano w górnej części próbki, przy głowicy dmuchowej, podczas gdy w częściach próbki znajdujących się w dalszej odległości od głowicy dmuchowej gęstość pozorna jest mniejsza. Można także zauważyć, że największe zagęszczenie uzyskano dla masy z osnową poddaną regeneracji termicznej. Osnowa w tym przypadku ma parametry geometryczne i czystość bardzo zbliżone do parametrów świeżego piasku. Mniejsze wartości gęstości pozornej uzyskano dla masy wykonanej z osnowy po regeneracji mechanicznej, a najmniejsze dla masy, której osnowę stanowiła rozdrobniona, nie przepalona masa zużyta z tej samej technologii cold-box. Tabela 1. Parametry geometryczne badanych rodzajów osnowy Table 1. Geometric parameters of tested kinds of sand basis Osnowa d L d L S t W K [mm] [mm] [cm 2 /g] / Masa zużyta 0,264 0,338 80,17 1,43 Regenerat po regeneracji mechanicznej 0,249 0,302 86,11 1,35 Regenerat po regeneracji termicznej 0,254 0,306 84,16 1,27
136 Analizując uzyskane różnice zagęszczenia przeprowadzono analizę ziarnową stosowanych rodzajów osnowy, która jak wykazano we wcześniejszych badaniach [4] parametry geometryczne osnowy wywiera niebagatelny wpływ na właściwości technologiczne rdzeni, w tym również na stopień zagęszczenia mas z nich sporządzanych [2]. Dane dotyczące wartości charakterystycznych średnic, powierzchni właściwej badanych rodzajów osnowy oraz wskaźnika kształtu zamieszczono w tabeli 1. Rozdrobniona, nie przepalona masa zużyta, użyta na osnowę masy świeżej charakteryzuje się największą wielkością ziaren, których kształt mocno odbiega od kulistego. Osnowa po regeneracji mechanicznej ma mniejsze ziarna, częściowo zaokrąglone, natomiast po regeneracji termicznej osnowa jest najlepiej oczyszczona i najbardziej zbliżona kształtem do kuli, co stwarza możliwość najlepszego upakowania ziaren. Przeprowadzone pomiary prędkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej zmierzonej w badanych próbkach przedstawione na rysunku 2 charakter bardzo zbliżony do uzyskanych zmian gęstości pozornej próbek wzdłuż ich wysokości ( por. rys.1). 2800 2700 Rdzeń z osnowy po regeneracji termicznej Rdzeń z osnowy po regeneracji mechanicznej Rdzeń z osnowy z masy zużytej Prędkość fali [m/s] 2600 2500 2400 2300 2200 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Odległość od głowicy nadmuchiwarki [mm] Rys. 2. Wyniki pomiaru prędkości rozchodzenia fali ultradźwiękowej na różnej wysokości badanych rdzeni. Fig. 2. Results of measurement of ultrasonic wave velocity propagation at different height of tested cores.
137 Przykładowe wyniki badania rozkładu gęstości w rdzeniu o wymiarach 197x54x47 mm, wstrzeliwanym od góry przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Pola rozkładu gęstości w rdzeniu o wymiarach 197x54x47 mm, wstrzeliwanym od góry sporządzonym na osnowie: a) nieprzepalonej masy zużytej, b) poddanej regeneracji mechanicznej czas regeneracji 10 min, c) poddanej regeneracji termicznej czas regeneracji 10 min. Fig. 3. The area of core sand apparent density distribution in core 197x54x47 mm, filled by shooting from the top using the sand: a) on the basis of unburned used sand, b) on basis after mechanical reclamation treatment lasting 10 minutes, c) on basis after thermal reclamation treatment lasting 10 minutes. W analizowanym rozkładzie gęstości wyraźnie uwidacznia się wpływ rodzaju zastosowanej osnowy masy. Podobnie jak w próbkach rdzeni podłużnych zagęszczanych przez nadmuchiwanie, również w tym przypadku najkorzystniejsze wyniki uzyskano dla osnowy poddanej regeneracji termicznej (rys. 3c), a najmniej korzystne dla osnowy będącej rozdrobnioną, nie przepaloną masą zużytą cold-box (rys. 3a). Strefa największych wartości zagęszczenia występuje w osi działania otworu strzałowego w odległości (0,3 0, 5) wysokości od dna rdzennicy. 4. PODSUMOWANIE W masach do klasycznej technologii cold-box wartość wytrzymałości masy na zginanie może być traktowana jako jeden ze wskaźników oceny jakości osnowy, w tym również jakości regeneratu tylko w przypadku świeżej osnowy piaskowej lub osnowy poddanej regeneracji termicznej. Określenie wartości wyłącznie tego parametru masy bez uwzględnienia np. strat prażenia osnowy może prowadzić do błędnej oceny jakości regeneratu oraz systemu regeneracji mechanicznej, który nieskutecznie eliminuje efekt kumulacji spoiwa na ziarnach osnowy w kolejnych cyklach jej eksploatacji.
138 Analiza anizotropii zagęszczenia dla osnowy o różnym stanie czystości (piasek świeży) i przygotowania (regenerat) może stanowić podstawę do korekty parametrów procesu wstrzeliwania rdzeni, głównie przez odpowiedni dobór powierzchni otworów strzałowych i odpowietrzających oraz ich rozmieszczenia we wnęce rdzennicy. Porównanie zastosowanej tradycyjnej, penetracyjnej metody określania gęstości pozornej oraz metody pośredniej polegającej na pomiarze prędkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej w badanych rdzeniach i korelacji tych wartości z wzorcami zagęszczenia daje obraz bardzo zbliżony do uzyskanego w pomiarach tradycyjnych. Badania zrealizowano w ramach pracy własnej AGH, nr11. 11.170.169 LITERATURA [1] Zych J.: Nowa nieniszcząca metoda kontroli jakości elementów form wykonywanych z mas ze spoiwami chemicznymi. Archiwum Odlewnictwa (Kielce) vol. 3 (2002) nr 5, s. 132-13 [2] Zych J., Dańko J.: Non-destructive method of core examination to determine the uniformity of sand compaction and the distribution of strength and permeability. International Conference Modern Methods of Core Production, 15 16. 04. 03, Milovy, Czechy. [3] Dańko J., Sroczyński A., Kruczkowski W.: Badanie parametrów zmodernizowanego stanowiska nadmuchiwarki PS-1, XXIV Konferencja Naukowa z okazji Święta Odlewnika 2000, 23-24 listopad 2000, Kraków, s. 61-66. [4] Dańko R.: Podstawy teoretyczne i technologiczne doboru optymalnych sposobów regeneracji suchej zużytych mas formierskich. Rozprawa doktorska, Wydział Odlewnictwa, Kraków 2006. [5] Zych J. : Sposób badania procesu utwardzania mas formierskich lub rdzeniowych ze spoiwem, Zgłoszenie patentowe; P.-334 715 (z dnia 27.07.99) TESTING OF CORE SAND DENSITY DISTRIBUTION IN CORES MANUFACTURED BY MEANS OF CORE SHOOTING TECHNIQUES SUMMARY The results of core sand density distribution inside the cores manufactured by blowing and shooting techniques have been presented in the article. Three kinds of silica basis were used in testing core sands prepared according to phenolic Ashland cold-box process. The measurement of core sand apparent density obtained inside core volume identified both by the traditional methods as by the ultrasonic valve velocity propagation have been adopted as a validation factors of process quality. Recenzował Prof. Stanisław M. Dobosz