charakterystyka rezystancyjna wilgotnej masy formierskiej

Archives of Foundry,
Year 2006, Volume 6, № 22
Archiwum Odlewnictwa,
Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22
PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308
71/22
NOWA WERSJA STANOWISKA DO BADANIA
REZYSTYWNOŚCI WILGOTNYCH MAS FORMIERSKICH
T. SZMIGIELSKI1
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., [email protected]
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 ρo. 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, 6elektroda pomiarowa, 7- wzmacniacz sygnału z mikroprocesorowym rejestratorem, 8komputer 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/m3.
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 R2 (rys. 3) wykazała dla przebadanych
mas lepszą korelację wyników z przebiegiem krzywej wzorcowej według funkcji
potęgowej.
530
14
R2 = 0,7614- dla funkcji w ykł.
12
Wilgotność [%]
R2 = 0,8929- dla funkcji potęg.
10
8
6
4
2
0
0
200
400
600
800
Oporność masy B [Bity]
1000
1200
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 R2 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]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
Dobosz S.,M.: Woda w masach formierskich i rdzeniowych, Wyd. Naukowe
AKAPIT, Kraków, 2006.
Rzeczkowski M.: Analiza zjawisk cyrkulacji wody w wilgotnych formach
piaskowych pod wpływem temperatury, Zeszyty Naukowe WSInż, nr 47
(monografia), Zielona Góra, 1977..
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.
Szreniawski J.: Rozkład wilgotności w piaskowej formie odlewniczej w
zależności od czasu przebywania w niej metalu, Archiwum Hutnictwa PAN,
Warszawa 1965, tom nr 1.
Szmigielski T.: Charakterystyka rezystancyjna wilgotnej masy formierskiej,
Archiwum Odlewnictwa, vol. 4, nr 14, 2004, s. 508-513.
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.
Pach A.: Możliwość pomiarów wilgotności mas formierskich na drodze
elektrycznej, Przegląd odlewnictwa, nr 1, 1959, s. 2- 8.
Strumiłło Cz.: Podstawy teorii i techniki suszenia, WNT Warszawa, 1975.
Miłek M.: Pomiary wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi, Wyd.
Pol. Zielonogórskiej, Zielona Góra, 1998.
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