71/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 NOWA WERSJA STANOWISKA DO BADANIA REZYSTYWNOŚCI WILGOTNYCH MAS FORMIERSKICH T. SZMIGIELSKI 1 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego 65-546 Zielona Góra, ul. Szafrana 4. STRESZCZENIE W pracy opisano nowy sposób wyznaczenia krzywej wzorcowej dla wybranej masy formierskiej wyrażającej przebieg oporności elektrycznej masy w funkcji zawartości wilgoci B = f(w). Stwierdzono, że zmiany rezystancji w funkcji wilgotności można z większą dokładnością opisać zależnością dla modelu potęgowego niż wykładniczego dla W < 14% i >2%. Key words: sandmix, electrical resistivity 1. WPROWADZENIE Woda jako jeden z głównych składników syntetycznych mas formierskich z bentonitem jest składnikiem niezbędnym, którego obecność warunkuje związanie ziaren osnowy przez lepiszcze gwarantując tym samym odpowiednią wytrzymałość, przepuszczalność, płynność, osypliwość czy właściwości termofizyczne [1,2,3,4,6]. W warunkach produkcyjnych stanowi bardzo ważny wskaźnik, którego utrzymanie w określonych granicach jest podstawowym wymogiem prawidłowo realizowanego procesu technologicznego [1]. Niestety z punktu widzenia jakości odlewów otrzymywanych w formach z mas syntetycznych obecność wody okazuje się niezbyt pożądana a nieraz wręcz szkodliwa. Jej obecność w masie po zalaniu formy metalem powoduje wzrost gazotwórczości masy, tworzenie strefy przewilżonej, reagowanie z ciekłym metalem co sprzyja powstawaniu wad odlewniczych. Z punktu widzenia technologii otrzymywania odlewów, najważniejsze jest określenie w dowolnym czasie położenia strefy przewilżonej, jej wilgotności oraz grubości warstwy suchej. 1 dr inż., t.szmigielski@ibem.uz.zgora.pl
527 Wcześniejsze pomiary [2,4,6] pozwoliły ustalić charakter i przebieg zmian wilgoci wraz z temperaturą masy. Do pomiaru wilgotności stosowano zarówno metody nieelektryczne jak i elektryczne [7,9], a otrzymane wyniki przyrostu wilgoci w strefie charakteryzują się znacznymi rozbieżnościami. Dla metod nieelektrycznych od 12 do 40% według J. Szreniawskiego [4] i Z. Samsonowicza [10] oraz w przypadku metody konduktometrycznej od 26 do 200% i więcej według M. Gawlikowskiej i A. Hrbeka [2]. Tak duże różnice w wynikach są prawdopodobnie spowodowane różnymi warunkami prowadzonych eksperymentów oraz tym, że przewodność masy zależy nie tylko od stopnia jej nawilżenia. Z uwagi jednak na zalety metody konduktometrycznej jak, możliwość ciągłego odczytu i rejestracji wyników, pomiar na odległość, możliwość śledzenia ruchu wilgoci w ściance formy w czasie zalewania i po zalaniu formy ciekłym metalem [5,7] postanowiono prowadzić dalsze badania zmierzające do udoskonalenia przyrządu pomiarowego. W pracy podjęto próbę wyznaczenia krzywej wzorcowej masy określającej zależność rezystancji od stopnia jej nawilżenia, zachowując na stałym poziomie czynniki mogące mieć wpływ na wynik pomiaru. Do takich czynników można między innymi zaliczyć; geometrię formy i sposób jej wykonania, gęstość pozorną masy, kształt elektrod i odległość pomiędzy nimi, rozmieszczenie poszczególnych par elektrod i wzajemne ich położenie względem kierunku przepływu ciepła, itp.. W tym celu zaprojektowano i zbudowano układ pomiarowy pozwalający na zachowanie porównywalnych warunków pomiarów zarówno podczas wyznaczania krzywej wzorcowej jak i śledzenia wilgoci w ściance formy po zalaniu jej ciekłym metalem. 2. STANOWISKO BADAWCZE Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono ogólny schemat stanowiska do badania zmian rezystywności masy formierskiej w funkcji jej nawilżenia. Integralną częścią układu pomiarowego jest tuleja (2) z umieszczonymi na różnych wysokościach jej obwodu trzema parami elektrod (6), obróconych względem siebie o kąt 180 ( rys. 2.). Elektrody wraz z tulejkami izolacyjnymi (5) były montowane w tulei pomiarowej po wykonaniu próbki (3). Wierzchołki wszystkich elektrod zostały umieszczone w jednakowej odległości wynoszącej 20mm. Dla dokładnego i niezmiennego przylegania masy formierskiej do powierzchni elektrod, zostały one wykonane w kształcie stożka ściętego o średnicy przy podstawie Φ= 2,2mm i kącie nachylenia α= 1,2º. Elektrody zostały wykonane ze stali 45 ulepszanej cieplnie, następnie były złocone. W czasie pomiaru tuleja (2) spoczywała na podstawce (1). Każda z elektrod pomiarowych ma wyprowadzone przyłącze elektryczne dla połączenia ze wzmacniaczem sygnału elektrycznego (9), a następnie poprzez mikroprocesorowy rejestrator (7) z komputerem (8). Badania przeprowadzono na standardowych próbkach cylindrycznych zagęszczonej masy formierskiej o stałej gęstości pozornej ρ o. Próbki formowano w tulejce (2) do stałej wysokości h = 50mm, przy stałej naważce masy Q = 155g, niezależnie od stopnia jej nawilżenia.
528 Rys.1. Schemat stanowiska pomiarowego do pomiaru oporności elektrycznej masy formierskiej: 1- podstawka, 2- tuleja, 3- próbka badanej masy, 4- denko tulei, 5- tulejka izolacyjna, 6- elektroda pomiarowa, 7- wzmacniacz sygnału z mikroprocesorowym rejestratorem, 8- komputer PC, 9- wzmacniacz sygnału elektrycznego. Fig. 1. A diagram of a measuring stand for measuring electric resistance of a moulding sand: 1 holder, 2 sleeve, 3 - sample of the tested sand, 4 - sleeve bottom, 5 - insulating sleeve, 6 - measuring electrode, 7 - signal amplifier with a microprocessor recorder, 8 - PC computer, 9 - electric signal amplifier. Postępowanie takie umożliwiało uzyskanie jednakowej gęstości pozornej masy w próbce. Powtarzalność zagęszczenia masy dla różnych wilgotności osiągana była poprzez zliczanie ilości uderzeń ubijaka LU. Do badań użyto masy formierskiej z bentonitem SPECJAL z Zębca w ilości 10% i piasku kwarcowego z Krzeszówka w ilości 90%. Stopień nawilżenia masy przyjęto w zakresie W = 2% do 14% 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. Pomiary przeprowadzono dla masy formierskiej o stałej gęstości pozornej q = 1550 kg/m 3. Rysunek 2 przedstawia zdjęcie zestawu z próbką zagęszczonej masy przygotowanego do pomiaru oporności elektrycznej. Zagęszczanie masy oraz późniejszy montaż elektrod wymaga pewnego czasu na uspokojenie stosu pomiarowego dla wyrównania wilgotności w całej objętości próbki oraz stabilizację zjawisk naprężeniowo-energetycznych na granicy elektroda-masa formierska.
529 Pomiar przewodności elektrycznej masy rozpoczynano po 120 sekundach od wprowadzenia elektrod (6) do próbki (3). Rys. 2. Widok zestawu gotowego do pomiaru przewodności elektrycznej masy. Fig.2. The set ready for measuring moulding sand electric resistance. 3. WYNIKI BADAŃ Na rysunku 3 przedstawiono zmiany oporności elektrycznej w funkcji wilgotności masy formierskiej. Naniesione punkty stanowią wartości średnie jakie uzyskano dla wybranej wilgotności masy dla wszystkich kanałów rejestrujących sygnały z poszczególnych par elektrod. Pary elektrod były umieszczone na głębokości od powierzchni czołowej próbki odpowiednio x = 3, 6 i 9mm. Na podstawie prezentowanych wyników można stwierdzić, że zależność W = f(b) dla badanych mas i dla poszczególnych kanałów rejestrujących można wyrazić zależnością opisaną funkcją wykładniczą zalecaną przez innych autorów [5,7,8,9] jak i funkcją potęgową (zaproponowaną przez autora). Zastosowanie analizy regresji liniowej przy opracowaniu wyników pozwoliło wyznaczyć prognozowane krzywe wzorcowe. Dla poszczególnych funkcji otrzymano następującą postać równań: dla wykładniczej: y = 11,757e -0,0016x dla potęgowej: y = 1005,1x -0,875 Analiza uzyskanych wartości współczynnika R 2 (rys. 3) wykazała dla przebadanych mas lepszą korelację wyników z przebiegiem krzywej wzorcowej według funkcji potęgowej.
530 Wilgotność [%] 14 12 10 8 6 4 2 R 2 = 0,7614- dla funkcji w ykł. R 2 = 0,8929- dla funkcji potęg. 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Oporność masy B [Bity] Wartość uśredniona dla w szystkich kanałów Wykł. (Wartość uśredniona dla w szystkich kanałów ) Potęg. (Wartość uśredniona dla w szystkich kanałów ) Rys. 3. Zależności oporności elektrycznej B i wilgotności W masy formierskiej. Fig. 3. Relationship between electrical resistivity B and dampness W of the moulding sand 4. PODSUMOWANIE Opisany układ pomiarowy okazał się przydatny do sporządzania krzywej wzorcowej dla mas formierskich. Z uwagi na wpływ różnych czynników na wynik zależności B = f(w), należy z całą bezwzględnością zachować stałe warunki eksperymentu. Jest to warunek podstawowy mówiący o sensowności pomiaru. Analiza uzyskanych wartości współczynnika R 2 wykazała lepszą korelację wyników dla funkcji potęgowej niż zalecana przez innych autorów [8,9] zależność wykładnicza. Stromy przebieg krzywej wzorcowej świadczy o dużej czułości metody pomiarowej na zmianę wilgotności masy w badanym zakresie. Z analizy prognozowanej funkcji potęgowej jak i wykładniczej wynika, że pomiar oporności mas formierskich metodą konduktometryczną staje się mało dokładny dla dużych wilgotności powyżej 14% i małych poniżej 2%. Z uwagi na znaczny wpływ różnych czynników na oporność elektryczną masy, przy ocenie metodą konduktometryczną zmian wilgotności masy nagrzewanej, należy zawsze korzystać z charakterystyki krzywej wzorcowej sporządzonej dla konkretnej masy i przy zachowaniu porównywalnych warunków badań.
531 LITERATURA [1] Dobosz S.,M.: Woda w masach formierskich i rdzeniowych, Wyd. Naukowe AKAPIT, Kraków, 2006. [2] Rzeczkowski M.: Analiza zjawisk cyrkulacji wody w wilgotnych formach piaskowych pod wpływem temperatury, Zeszyty Naukowe WSInż, nr 47 (monografia), Zielona Góra, 1977.. [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.: Charakterystyka rezystancyjna wilgotnej masy formierskiej, Archiwum Odlewnictwa, vol. 4, nr 14, 2004, s. 508-513. [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] Pach A.: Możliwość pomiarów wilgotności mas formierskich na drodze elektrycznej, Przegląd odlewnictwa, nr 1, 1959, s. 2-8. [8] Strumiłło Cz.: Podstawy teorii i techniki suszenia, WNT Warszawa, 1975. [9] Miłek M.: Pomiary wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi, Wyd. Pol. Zielonogórskiej, Zielona Góra, 1998. [10] Samsonowicz Z.: Pomiary przepuszczalności mas formierskich w wysokich temperaturach, Zeszyty Naukowe Pol. Wrocławskiej, Mechanika IX, Nr 56, 1963, str. 93. NEW VERSION OF A STAND FOR TESTING RESISTIVITY OF DAMP MOULDING SANDS SUMMARY The paper presents a new method of determining the analytical curve for a selected moulding sand expressing the course of the sand electric resistance in the humidity content function of B= f(w). It was found out that changes in the sand resistance in the humidity function can be more accurately described with a dependence for a power model than for an exponential model of W<14% and >2%. Recenzował Prof. Zdzisław Samsonowicz