Intensyfikacja wiązania fosforanowego przez przedmuchiwanie gorącym powietrzem

Seria: H U TN I CT W O z. 15 Nr kol. 546

Grze go rz PUCKA, W ł a d y sł a w C I C H O C K I Instytut Inżyni er ii Ma t eri ał ow ej

IN T EN S YF I K AC 3 A W I Ą Z A N I A F O SF OR AN OWE GO PRZEZ PR Z E DM UC HIW AN IE G OR Ą C Y M POW IE TR ZEM

S t r e s z c z e n i e . W pra cy p r ze ds ta wio no badania nad inteneyfikacją wi ąz ani a kwarcowych mas fosforanowych na za pro j ek t o wa n ym i w y k o n a ­ nym urządzeniu. Urządzen ie to wyk or zy s t an o do ustalenia parametr ów utwa rd zan ia kw ar cow yc h mas fos for an ow ych przed mu chi wa ny ch gorącym po wi et r z em na pod sta wi e takich w ł a ś c i w oś c i technologicznych mas rdze­

niowych, jak wy trz y m ał o ść na ściskanie- R® i ro zciąganie R®, w za ­ leżn oś ci od z aw a r to ś ci spoiwa i ro boczego ciśnienia powietrza o te m per at ur ze 100°C.

Ws tą p

Dakość od le wów za l eż y w znacznym stopniu od rodzaju mat er ia łów użytych do w yk o na nia rdzeni odlewniczych. W g ru pie tych ma t er i ał ó w istotną rolę od gr ywają ciekła lub sypkie syntety cz ne lub nat uralne ma t e ri a ły o r ga n ic z ­ ne i nieorganiczne, które po siadają wł a sn o ś c i w i ążą ce - zwane spoiwami.

Wy c ho d zą c n ap r ze c i w po trzebom pr ze mys łu odlewniczego, w Instytucie In­

ży ni er i i Mat er iałowej P ol i te c h ni k i śląskiej pr z ep ro wa dzo no badania nad us ta len ie m op ty ma l n yc h p ar ame tr ów w yk on yw a ni a form i rdzeni odlew ni czy ch z mas w ią z a ny c h spoiwe m nie stosow an yc h dotąd w krajowej prak ty ce odlew­

niczej - fosforan g li no wy st ab il i z ow a ny tl enkami chromu.

Fosforan g l ino wy st a bi l iz o w an y tl enkami chromu jest spoiwem nieor ga ­ nicznym, ciekłym, w i ąż ą c y m przez odwodnienie, II klasy, higrosko pi jny m w stanie n i e z w i ą z a n y m » po u twa rd ze niu W wo d z i e nie rozpuszcza się. Kwarcowa masa z tym spoiwem uzyskała patent PRL nr 73 104 (V).

Podstawowe wł a ś ci w oś c i te chn ol og icz ne tych mas przed st aw ion o w tablicy 1 [2j. Na po dstawie badań stwierdzono, że op tym al ną temperaturą ut w ard za­

nia tych .mas Jest temper at ura 1 8 0 ° C ; czas utwar dz ani a można ustalić w oparc iu o w s ka źn ik: 100 mm gr ubości ścianki na 1 h.

W trakcie stosowania okaza ło się, że kwar cow a masa fosforanowa ma bar­

dzo kor zy stn y ze spół w ł a ś ci w oś c i zarówno po utward zen iu Jak i po zalaniu ciekłym metale m (szczególnie stopami żelaza). Są to: w ys oka wy trzymałość, o g n i o o d p o r n o ś ć , przepuszc za lno ść , ba rdzo dobre odw zo ro w a ni e powierzchni, bardzo mała osypllwość, pr ak tyc zn ie brak hi gr os kop ij no ści po utwardzeniu, a prz y tym znik om a ga z otw ór cz ość i bardzo łatwa wybijalność. Te w ła ś c i w o ­

76 G. Pucka, W. Cichoński

ści spowodowały, że kwarcowa masa fosforanowa jest stosowana w od le wni c­

twie przede wsz ys tki m przy wy kon y w an i u rdzeni [

3

Przegląd sposobów w y twa rz an ia mas przez przedmu ch iw ani e powietrzem

Nowym sposobem utwardzania mas p i as ko wo -ży wi cz nyc h jest pr ze dm uch iw a­

nie ich zimnym powietrzem (Cold air - procesś) [4j, który oparty jest na zasadzie de hyd ratecji spoiwa. Po kontakcie z przedmu ch iwa nym suchym po ­ w i et rz em lub gazem powłoka spoiwa bardzo szybko traci wolnę wodę. Mostki

spoiwa przy tym za gęszczają się i łączę m ię dzy sobą ziarna piasku kwarco­

wego. ;

d.B. Brown i N. Bate [

5

wi et r z em (Warm - air - process). Stwierdzili, że dla sprawnego przebiegu procesu konieczne Jest wy k or z yst yw an ie dużej obję to ści nagrzan eg o powie­

trza, rzędu 500 dm2 na 1 kg masy. Czas ut wardzania szybko wzrasta ze w z r o ­ stem grubości ścianki! 2-krotne zwięks ze ni e grub oś ci powoduje 4-krotne w y­

dłu że nie czasu utwardzania. Bardzo ważne Jest ro zp rowadzenie powietrza na całej obj ętości rd zennicy drogę ukieru nk owa ne go pr zechodzenia pr zed muc hi ­ wa neg o powietrza. Wy n i ki badań wykazały, że główną nie dogodnością o maw ia­

nego procesu Jest mała szybkość ut wardzania rdzeni o grubości ścianki po­

wyżej 45 mm.

Tec hnologia SYNCOR ¡6j jest nową, oryginalną metodą wykony wa nia rdze­

ni. W sp orządzanych masac h według technologii S YNC OR zastosowano specjal­

ne spoiwo dla piesku kwarcowego 1 uzyskano odmienny od dotychczasowych system wiązania o sn owy masy rdzeniowej. Wi ą z a n i e osnowy następuje poprzez pr z epł yw powietrza o temperaturze otoczenia. Ut wardzanie rdzeni w ten spo­

sób jest procesem krótkotrwałym, w yn osz ąc ym 10 -180 s. W procesie SYNCOR

Ś

nie stosuje się żadnego ka tal izatora chemicznego, co powoduje, że przygo ­ towana masa nie mus i być natychmiast zużyta.

Budowa i zasada działania urządz eni a do intensyf ik acj i procesu wiązania kwarco wy ch mas fosforanowych

Masy ze spoiwem fosforanowym gl i now o- ch rom ow ym są masami termoutwar­

dzalnymi, to znaczy masami w i ąz an ymi w wy ni ku dost ar cza ni a ciepła z zew­

nątrz. Utw ardzanie tych mas od bywa się dotychczas w komorach cieplnych.

środek rdzenia utwardza się na drodze przechodzenia (przewodzenia) cie­

pła od ścianek zewnętrznych rdzenia do jego wnętrza. Wy pe łni acz e cera ­

miczne mas rdzeniowych, np. p i ase k kwarcowy, maję mał y ws pó łc z y nn i k p r z e ­ wodz en ia ciepła, dlate go też czas procesu utward za nia kwarcowy ch mas fos­

foranowych jest sto su nk owo długi. Dodać je d nak że należy, że masy ze spoi­

wem fosforanowym glin owo -c hr omo wy m charakteryzi ją się najkrótszym cza­

sem ut wardzania w porównaniu z in­

nymi ma sa mi ze spoiwami t er mou tw ar ­ dzalnymi st osowanymi obecnie w od­

lewnictwie. Cel em skrócenia pro ce ­ su utwar dz ani a do minimum za p r o­

jekt ow ano i wyko na no urządzenie do utward za nia kwarcowych mas rdze­

niowych przez przedm uch iw an ie ich gorą cy m powietrzem.

U rz ądz en ie do intensyf ika cji pro­

cesu w ią z a ni a kw arc owy ch mas fos­

foranowych (rys. l) zbu dowane jest z płyty roboczej , na której d o ko ­ nuje się utw ardzania kształtek w y ­ trzymałośc io wyc h (walcowe, ós em ko­

we, podłużne), pulpitu stero wn i­

czego, instalacji powietrznej i elektrycznej. Instala cja powie- Rys. 1. Ur zą dz e ni e do prze dm uch iw a- trzna składa się z przew od u dopro- nia kw ar cow ych mas fo sforanowych w s dza 1aceoo «oreżona oowietrze wv- gorącym pow iet rz e m (widok z przodu) "s dza j ą ce g o sprężone powietrze, w y­

miennika cie plnego z trzema sek­

cjami gr z ew c z ym i oraz sk rzyń pow ie trznych umi es zcz on yc h pod stanowiskami do pr z e dm uc hiw ani a znajdu jąc yc h się na płycie roboczej. Pulpit sterujący oraz instalacja elekt ry czn a pozwala na sterowanie 1 kon tr olo wa ni e pracy sekcji g rze wcz yc h wy mie n n ik a cieplnego.

Sprężone pow ietrze w wy n ik u pr zep ły wu przez wy mi en n i k c ie pln y zostaje podgrzane do żądanej tem pe ra t ur y ( 0 - 2 0 0 ° C ) , a nas tępnie dop ro wadzone do skrzyni powietrznej st an owi sk a roboczego z za f or mo wa nym i kształtkami. Prze­

pływające gorące sprężone pow ietrze pow od uje ich utwardzenie, a następnie wypływa przez skrz yn ię powietrzną doc iskową , gdzie następuje pomiar tem­

peratury. Po miar ci śnienia d oko ny wa ny jest w skrzyni powietrznej stano­

wiska roboczego.

Badania kwarcowy ch mas fosforanowych utwar dz any ch przez pr zed muchiwanie gorącym powiet rze m

Urządzenie to po służyło do ustalenia optyma ln yc h parame tr ów utwa rdz a­

nia kwarcowy ch mas fosforanowych tym sposobem oraz pr zebadania p o ds ta wo ­ wyc h wł aś ci w o śc i t ec hn ol ogi cz ny ch mas rdzeniowych takich, jak w y t r z y m a ­

78 G. Pucka, W. Cichoński

łość na ściskanie Rc i rozciąganie R r w z al eż no ś ci od za wa rto ści spo­

iwa (od 3 do 5%) oraz ciśnienia roboczego powietrza zmieniającego się w granicach 2-4 a t , przy jego stałej tem pe raturze równej 100°C.

Badania nad ustaleniem o pt ym al ­ nego czasu utwardzania kwarcowych mas rdzeniowych prowadzono na rdze­

niach próbnych o kształcie wa l co ­ wym, których średnica zmieniała się od 50 do 100 mm co 25 mm, a wy s o ­ kość od 50 do 150 mm co 25 mm; tem­

peratura przedm uch iw an ego powie­

trza była stała i wy nosiła 100°C, ciśnienie robocze powietrza było równe 3 at. Uzyskane zależności przed stawiono na rysunku 2. Oak widać z rysunku, wraz ze wzrostem w y so ko śc i rdzenia próbnego czas u tw ardzania wzrasta niezależnie od Jego średnicy, przy czym dla sta­

łych wys okości najkrótsze czasy uzyskano prz y średnicy 75 mm; po­

wyżej tej wa rtości czasy ut wardza­

nia (dla danych wysokości) w z r a ­ stają. Oznacza to, że w zakresie średnic 50 do 100 mm znajduje się minimum.

Na podstawie przeprowadzonych badań ustalono, że czas utwa rdz a­

nia kształtek wal cowych i ós emk o­

wych mas rdzeniowych wynosi odpo­

wied ni o 40e 1 308.

Badania wł aściwości wy trz ym ał o ­ ściowych prowadzono dla mas o różnej zawartości spoiwa fosforanowego (3,4 i 5%) . przy zmiennej wartości ciśnienia roboczego powietrza ( 2 , 3 1 4 at.).

Te mperatura powietrza przedmuchiw an eg o była stała i wynosiła 100°C.

Na rysunkach 3 1 4 przedstaw io no uzyskane zależności. Oak widać z ry­

sunków, w łaś ci wo ści wy t rz y ma łoś ci ow e wzr astają wraz ze wzro st em zawarto­

ści spoiwa, natomiast maleją wraz ze wzrostem ciśnienia roboczego powie­

trza.

Spadek wł aś ci woś ci w yt r z ym a łoś ci ow ych dla'stałej zawartości spoiwa Jest pr op or c j on a ln y do wzrost u ciśnienia roboczego powietrza.

Porównując dane zawarte w tablicy 1 [23 z uzyskanymi za leżnościami na rys. 3 1 4 , można stwierdzić, że masa na osnowie piasku rzecznego, przy stałej zawartości spoiwa, ma po przedmUchaTiiu gorącym po wi et rze m znacznie

¿rtdnjea rdzeni prótnt/ch

Rys. 2. Czas ut wardzania rdzeni p r ó­

bnych w zal eż noś ci od ich wy so kości i ś r ed ni cy przy stałym ciśnieniu ro­

boczym powietrza 3 at. Temperatura powietrza 100°C

Rys. 3. W yt r zy m a ło ś ć na ściskanie mas kwarcowych wi ęz an y c h spoiwem fosforanowym gl i now ym stabili­

zowan ym tlenkami ch ro mu w zal eż noś ci od z a war to ­ ści spoiwa i ci śnienia roboczego powietrza. Tem­

peratura powietrza 100°C, czas utward za nia 40s

t

ciśn ie n ie ■ ot

Rys. 4. W yt rz yma łoś ć na ro zcięganie mas kwarcowych wi ęz any ch spoiwem fosforanowym gli no wym stabil i­

zowany m tlenkami chromu w zal eż no ś c i od zawartości spoiwa i ciś ni eni a rob oczego powietrza. Te m p er a tu ­

ra powietrza 100°C, czas ut wa rdz ani a 30 s

ID

tensyfikacjawiężeniafosforanowego.

8 0

G. Pucka, W. Cichoński

wyższe wł aś ci w o śc i wy tr zy m a ło ś c io w e w porównaniu z tymi samymi w ł a ś c i w o ś ­ ciami uzyskanymi po utw ardzaniu w komorze cieplnej. Zauważyć przy tym na­

leży, Ze nawet na jniższe wa rtości wła śc i wo ś ci wyt rz ym a ł oś c io w y ch mas ut wa rdzanych gorącym powiet rze m pod ciśnieniem 4 at, są wyższe od na j wy ż ­ szych uzyskanych po utwar dze ni u w komorze cieplnej.

Wy ni k i badań fraktograf ic zn ych mas utwardzonych w komorach cieplnych oraz przez przedmu ch iwa ni e gorącym powiet rz em zam ie szczono na rys. 5 i 6.

Rys. 5. Przykład przełomu próbki z termoutwardzalnej kwarcowej mssy fos­

foranowej. Skani ng (temp. utward za ni a 180°C, czas utwardzania 40 min. w komorze c i e p l n e j )

Rys. 6. Pr zełomy próbek mas związanych spoiwem fosforanowym glinowym sta­

biliz ow any m tlenkami chromu. Skani ng (piasek rzeczny - temp. powietrza 100°C, ci śn ienie robocze powietrza 2 at.)

Prze pr ow a dz o ne badania poz walaj? na sformułow an ie następującej tezy o mechani zm ie więz ani a kwa rc ow ych mas fo sforanowych ut war dzanych goręcym po- wiet r z e m :

Po procesie mies za nia mas y spoiwo otacza ziarno na całej jego po wi e r z­

chni. W wy niku ubi jan ia masy tworzę się połęczenia szyjkowe, które p oz w a­

laj? masie uzyskać pewn? w yt r z ym a ło ś ć na wilgotno. Natomiast podczas u- twardzania masy przez prz ed m uc h i wa n ie spr ęż ony m powietrzem następuje p r z e ­ m ie szc ze ni e spoiwa z po wi erz ch ni ziarn w miejsca, które stwarzaj? warunki do ut wo rz e n ia nowych szyjek przy jed no czesnej zmianie kształtu szyjek p o ­ wst ał ych w proc es ie z a gę sz cz ani a masy. W tej sy tuacji spoiwo, które o t a ­ czało p ow ie rz chn ię ziarn a zostaj e zużyte na z bu dow an ie d od atk owy ch połę- czeń szyjkowych, które pow odu j? po dw yższenie wła śc i wo ś ci w y t r z y m a ł o ś c i o ­ wych po utwardzeniu. W r a z ze w zr o st e m ciś nienia rob oczego powietrza n a ­ stępuje zmiana ks ztałtu pr zełomu szyjek. Im wyższe ciśnienie, tym większe zn i ek s zt a ł ce n ie pr zełomu szyjki. Zn i ek s z ta ł ce n i e to spowod ow ane jest p rz e ­ mi e szc za ni em spoiwa w miejs ca bardziej korzystne do budowy p oł ęc ze ń sz y j­

kowych. Mimo iż powie rz ch nia pr z eł om ów p o łę cz eń szyjkowych po pr ze d m uc h i­

waniu jest mn i ej sza od powier zc hn i szyjek utwar dz any ch klasycznie, to J e ­ dnak zw ięk s z on a ilość połęczeń szyjkow ych w optym aln yc h mi ejs ca ch między ziarnami p o wo du je po dwy ższenie wł aś ci w o śc i wytrzym ał ośc io wy ch.

Z a koń cz en ie

Uzys ka ne w yn i ki badań nad i n te ns yfi ka cj ę więzania fosf ora no we go przez prz ed mu c h iw a ni e goręcym powietr ze m p o t w i e r dz i ły słuszność koncepcji p r o ­ jektu i w y k o n aw s t wa urzpdzenia ora z przyjętej me todyki badawczej. Z a s t o ­ sowanie sprężonego, go ręcego powietrza jako czynnika u tw a r dza ję ce go kw ar­

cowe ma s y fosforanowe pozwala na bardzo znacz ne skrócenie czasu u tw a rd z a ­ nia (do ki l k ud zi es ięc iu sekund) przy je d n oc z es n y m wzro śc ie w łaś ci wo ści wyt rzymało śc i o w y c h .

Wz ro st wł a ś ci w oś c i w yt r zy m a ło ś ci o w yc h kw arc ow yc h mas fosforanowych utw ar dz a n yc h przez p rz e dm uc hi wan ie goręcym pow ie tr zem tłumaczyć należy zja wi sk i em p rz e m ies zc za nia się spoiwa po p ow i e rz c hn i a ch ziarn w miejsca umo żl iw i a ję c e budowę d od atk ow yc h p oł ęc zeń szyjkowych at»a-z-wz;nocnienie po­

łęczeń ist ni ej ą cy c h wcześniej.

Zn ac zne skrócenie czasu u tw ar dz ani a prz y wzroście właści wo śc i w y t r z y ­ m a ło śc io wyc h i Je d no c z es n ym obn iżeniu temper at ur y utw ardzania ze 180° do 100°C pozwala wn i os k o wa ć o ce lo woś ci podjętej tematyki. Zal eż noś ć p r z e d ­ stawiona na rys unkach wskazuje, że szcze gół ow e badania tego procesu p o ­ w i n n y uwzglę dni ać jeszc ze wp ł yw tempera tu ry i ilości pr zed m uc h i wa n eg o p o ­ wietrza, Jako wilg ot noś ci , wz ajemnej z a le ż no ś c i powie rz chn i do p r o w a d z a j ą ­ cej, odp ro wad zaj ąc ej powietrze, powie rz chn i prz ekroju rdzenia. Badanie wp ływu tych i j,nnych cz y nn ik ów (np. rodzaj piasku) stanowi kolej ny etap pod ję tyc h prac.

82 G. Pucka, W. Cichoński

LITERATURA

[1] Gierek A. , Pucka G. ! Patent PRL nr 73 104.

[2] Pucka G. ! Praca doktorska. Poli tec hn ik a ślęeka Gliwice. Wy dz ia ł Me t a ­ lurgiczny. Kato wi ce 1975.

[3] Gierek A . , Pucka G

. 1

[4] Ekspress informacja Nr 11/75.

[

5

[6j Piszak 3., Harpula 3. i in.: No wy sposób wy ko ny wan ia rdzeni - tech­

nologia "S Y NC O R” . 41 Cong re s inf. foundrle, Liege 1974, nr 12.

HHTEHCHiHKAUKfl $OC$ATHO0 CBH3KH nyTEM ILPOH/BKH EQPff'MM B03H7X0M

P e

3

B

$ocg?aTHUx Ma.cc aa sanpoeKTHposaHHOM h H3roiOBJieHHOM ycipoficiBe. 3to yc- TpoflciBo Suno Hcnojib30BaHO fljia onpeflejieHHH napaMeipos ynpoHHeHHH KBapueBux

$o o $a iH hx _{M acc} np ojyTux ropaqaM B03ayxon, Ha ocHOBaHHH Xanax TexHojiorH'iec- K H X CBOftCTB ClepiHeBLDC MaCO KaK» npOHHOCTb spa CBCaTHH P° H npH paCTJHteHHH P p b 3aBHCHMOcTH c

oi

padoaero

xeMnepaiypa KOToporo 100°C.

THE INT EN SI FIC AT IO N OF THE PHO SPHATE BINDING BY BLOWING W I T H HO T AIR

S u m m a r y

The article presents the investigations of the In te nsification of the quartz phosphate ma sses binding whi ch has been done on the designed and performed device. This Ins ta llation was used to determine the parameters of hardening of the quartz phosphate masses blowed wi th hot air. These parameters were est ablished on the basis of such technolog ic al properties as com pressive st rength R®, tensile strength R® for different bond bin­

ding ma terial contents and working pressure of the air and the tem per at u­

re 100°C.