Контроль суспензии

Категория:
Производство точных отливок


Контроль суспензии

Изменение качества керамических форм (их прочности, газопроницаемости или теплового расширения) сигнализирует обычно о нарушениях технологического процесса. Поэтому необходимо хорошо знать влияние факторов, которые приводят к нарушению четкости технологии, особенно при массовом выпуске продукции.

Поскольку в ЧССР для производства оболочковых форм используют главным образом пылевидный кварц, кварцевый песок

И ЗТиЛсиЛиКаТ, то контроль суспензии направлен на исследование свойств этих исходных материалов.

На прочность керамических форм влияют следующие параметры:
– форма и величина зерен огнеупорного порошка в суспензии и обсыпочного материала;
– концентрация условной двуокиси кремния в суспензии;
– количество связующего в суспензии;
– технология нанесения слоев и их сушка.

Данные о влиянии величины зерен пылевидных огнеупоров на свойства керамических форм рассмотрены очень подробно в технической литературе. При этом указывается, что правильный интервал зернистости пылевидного огнеупора относится к главным факторам, определяющим его прочность, и что на прочность керамических форм влияет не только величина, но и форма частиц.

Обычно считается, что при крупнодисперсном пылевидном ог-неупоре керамические формы имеют меньшую прочность при изгибе, чем при мелкодисперсном. С уменьшением величины зерна и с увеличением его удельной поверхности растет прочность керамических форм, но до определенной величины, а затем опять снижается. Это доказывают результаты исследований, проведенных на заводе ZPS г. Готвальдов.

При постоянных рабочих условиях (постоянной вязкости суспензии, зернистости обсыпочного материала, концентрации условной двуокиси кремния в связующем, при постоянной технологии нанесения слоев, сушке и прокаливании керамических форм) испытывали на прочность при изгибе керамические формы, изготовленные из пылевидного кварца с различным распределением зернистости и с различной удельной поверхностью. Из результатов видно, что максимальная прочность керамических форм достигается при удельной поверхности от 5000 до 8000 см2/г.

Пылевидный кварц изготовляют путем размола кварцевого-песка. При размоле происходит постепенное измельчение зерен песка (в результате их раскалывания и истирания). При длительном размалывании частицы становятся очень мелкими, даже почти коллоидными.

В зависимости от способа и времени размола образуется различное количество коллоидных частиц. Такие частицы имеют очень большую поверхность, которая обладает так называемой механической активацией. Так как способы размалывания поставляемого пылевидного кварца различны (мокрые или сухие), то количество коллоидных частиц будет разным. Влияние коллоидных частиц пылевидного кварца на прочность керамических форм при изгибе было исследовано на опытных образцах. Наносили слои из смеси пылевидного кварца известной зернистости и пыли с высоким содержанием коллоидного кварца. Связующим был гидролизованный раствор этилсиликата с содержанием 115 г/л условной двуокиси кремния.

Опытные образцы изготовляли в постоянных условиях (нанесение слоев, сушка и прокаливание). Пыль представляла собой почти коллоидный кремнезем — отход при производстве кристаллического кремнезема с величиной частиц до 1 мкм.

Результаты исследований показали, что с увеличением доли коллоидного кремнезема в суспензии до 5% прочность оболочек на изгиб снижается медленно, затем быстрее, а при 15% образцы практически не имели прочности.

Согласно литературным данным прочность на изгиб очень мало зависит от обсыпочного материала с малым разбросом зернистости. Но если разброс зернистости достаточно велик, то влияние на прочность больше. Отмечается также, что на прочность керамических форм влияет и форма зерен.

Практический опыт показал, что зернистость кварцевого песка для обсыпки в пределах 0,06—0,5 мм не влияет на прочность оболочковой формы в тех случаях, когда величина зерна более или менее постоянна. С увеличением в песке очень мелких частиц прочность формы повышается.

Соотношение между качеством суспензии и величиной зерна обсыпочного материала определяется вязкостью суспензии. Керамическая форма из суспензии с максимальной вязкостью, обсыпанная мелким песком, будет иметь максимальное содержание суспензии по сравнению с формой, изготовленной из суспензии с низкой вязкостью, но обсыпанной крупным песком.

Суспензия для этих образцов имела вязкость 40 ± 2 с (при 24 °С) по воронке Форда (диаметр отверстия 6 мм). При очень густой суспензии (65—70 с), т. е. при высоком соотношении суспензии к массе обсыпочного материала, образуется форма с низкой прочностью. Это, вероятно, можно объяснить тем, что при гелеобразо-вании суспензии, в которой относительно мало песка, происходит ее растрескивание. Сетка трещин является причиной снижения прочности керамических форм. Прочность на изгиб керамических форм, изготовленных обсыпкой кварцевым песком с величиной зерна 0,2—0,4 мм с увеличивающейся вязкостью обмазки, приведена в табл. 79.

Обсыпочный мелкий кварцевый песок также влияет на прочность керамических форм при изгибе. Для густой суспензии не пригоден мелкий обсыпочный песок, так как на слоях керамической формы такой песок плохо держится и не обеспечивает хорошую связь отдельных слоев. Керамические формы из таких слоев имеют невысокую прочность. Вязкость суспензии составляла 70 ± 2 с по воронке Форда диаметром 6 мм.

Существенное влияние на прочность при изгибе керамических форм оказывает концентрация условной двуокиси кремния в связующем. В работе указывается, что прочность силли-манитовых керамических форм повышается с увеличением в гидро-лизованном растворе этилсиликата содержания условной двуокиси

кремния. Это же относится и к керамическим формам из кремнеземистых материалов.

Вязкость суспензии при всех концентрациях условной Si02 одинакова и составляет 30 ± 2 с при 22—24 °С.

Зернистость обсыпочного песка была в пределах 0,1—0,3 мм (испытания проводили на заводе ZPS г. Готвальдов).

На газопроницаемость керамических форм влияют следующие факторы: величина и форма зерна пылевидного огнеупора и обсыпочного материала; концентрация и тип жидкого связующего; температура и время прокаливания керамических форм.

Газопроницаемость снижается с повышением дисперсности пылевидного огнеупора (это относится к пылевидным огнеупорам вообще). Подтверждением этого являются результаты испытаний корундовых форм, изготовленных из суспензии, твердой фазой которой являлся искусственный пылевидный корунд различной зернистости. Концентрация условной SiO, в связующем составляла 20% (ZPS г. Готвальдов). Вязкость суспензии при 20—24° С была 18—20 с (по воронке Форда). Для экспериментов использовали огнеупорный порошок корунда В К 280-320 и М32. В качестве обсыпочного материала применяли корундовый песок ВК 36.

Критерием газопроницаемости являлась пропитываемость прокаленных керамических форм по CSN 726010. Результаты измерений представлены в табл. 83. Величины пропитываемости не отражают газопроницаемость, определенную соответствующим измерением объема воздуха, проходящего через материал в единицу времени под постоянным давлением. Пропитываемость характеризует только открытые поры (связанные с поверхностью), в которые может проникнуть жидкость. По величинам пропитываемости можно судить лишь о качественном изменении газопроницаемости.

Влияние зернистости обсыпочного материала на газопроницаемость керамической формы из молохита описано в работе. Согласно сообщениям авторов этой работы газопроницаемость керамических форм увеличивается с увеличением величины зерна обсыпочного материала только до определенной величины, а затем с увеличением крупности зерна снова снижается, особенно при суспензиях с высокой вязкостью.

Снижение газопроницаемости керамических форм с грубым обсыпочным материалом объясняется тем, что между его частицами имеются свободные пространства, в которые при повторном погружении легко проникла суспензия. Особенно это проявляется в тех случаях, когда суспензия очень вязкая, не вытекает из зазоров и они полностью ею заполняются. Аналогичные испытания были проведены на ZPS г. Готвальдов и с кварцевыми керамическими формами. Вязкость суспензии с пылевидным кварцем составляла 30 ± 2 с при 22—24° С по воронке Форда.

О влиянии качества связующего на газопроницаемость керамических форм сообщается в работе. Газопроницаемость керамических форм из суспензии на гидрозолях меньше, чем газопроницаемость форм, изготовленных на этилсиликатных связующих с органическими растворителями.

Испытания с гидрозолем Si02 на заводе ZPS г. Готвальдов показали, что пористость керамических форм, определяемая пропи-тываемостью, значительно выше, чем пористость керамических форм из алкозолей. Из этого следует, что газопроницаемость форм с гидрозольными связующими должна быть не ниже газопроницаемости формы с этилсиликатными связующими. Такая несогласованность с литературными данными может быть объяснена различным характером связующей пленки. Связующим при этих испытаниях был Ludox SM40 с очень мелкой коллоидной дисперсией Si02 (мельче, чем имеет связующее Syton 2). Наполнитель суспензии — пылевидный кварц, обсыпочный материал — кварцевый песок. По данным работы, огнеупорным материалом был молохит.

Исследования показали, что газопроницаемость, определенная по пропитываемости, повышается, если смешиваются два огнеупорных материала с различной формой зерна, причем прочность на изгиб керамических форм не снижается. Пропитываемость керамических форм, изготовленных из смеси пылевидного кварца и молотого корунда зернистостью 280/380 с алкогольным связующим, содержащим 118 r/л условной двуокиси кремния, после прокаливания была более высокая.

Повышение газопроницаемости керамических форм подтвердилось и при практическом испытании на отливках.

Рис. 1. Сверла для дерева, отлитые в формах из кварца рундом

При повышении температуры и длительности прокаливания прочность керамических форм повышается. Газопроницаемость повышается только в том случае, если в суспензии нет веществ, снижающих температуру плавления огнеупорных материалов. В противном случае происходит снижение газопроницаемости керамических форм.

В исследованиях, проведенных на заводе ZPS г. Готвальдов, изучали влияние технологии на важнейшие свойства, такие, как прочность на изгиб и газопроницаемость. При обычном изготовлении керамических форм для первых слоев использовали более жидкую суспензию, а для последующих более густую. Для жидкой суспензии применяли мелкий обсыпочной материал, для густой — крупный.

Керамические формы можно изготовить также погружением блока сначала в жидкую, а после стекания избытка — в густую суспензию. Цель испытаний — проверить, влияет ли существенно такая технология на прочность и газопроницаемость керамических форм.

Из суспензии, состоящей из пылевидного кварца и гидролизо-ванного раствора этилсиликата с концентрацией 115 г/л условной двуокиси кремния и кварцевого песка в качестве обычного материала, изготовляли опытные образцы четырьмя различными способами при нанесении слоев:
1) первый слой — жидкая суспензия, обсыпка мелким песком. Остальные слои — густая суспензия, обсыпка крупным песком;
2) первый слой — жидкая суспензия, обсыпка мелким песком. Второй слой — густая суспензия, обсыпка крупным песком. Остальные слои — так же, как первый слой;
3) первый слой — густая суспензия, обсыпка [крупным песком. Остальные слои—жидкая суспензия, обсыпка очень мелким песком;
4) все опытные образцы сначала погружали в жидкую суспензию, а после стекания ее избытка — в более густую; обсыпка крупным песком. Вязкость суспензии определяли по вороке Форда с отверстием диаметром 6 мм при 21—23° С.

В другой серии экспериментов проверяли влияние выдержки модельного блока в суспензии и времени стекания ее избытка перед обсыпкой на те же свойства керамических форм. Из данных табл. 87 следует, что изменения в технологии не влияют существенно на свойства керамических форм.

Исследовали также влияние вязкости суспензии при постоянных условиях на газопроницаемость керамических форм при различных температурах (табл. 88). Из этих данных видно, что с повышением вязкости суспензии газопроницаемость оболочки существенно снижается при всех вариантах сушки форм. Толщина керамических оболочек была постоянной, равной 4,5 мм (±5%).

Газопроницаемость оценивали по прохождению количества газов (в см3) через 1 см2 поверхности керамической формы за 1 мин.

Другими технологическими факторами, которые влияют на основные свойства керамических форм, являются сушка слоев, продолжительность и температура прокаливания. Прочность керамических форм с наполнителем—пылевидным кварцем при сушке на воздухе составляет 3,1—3,3 МПа; после отверждения аммиаком — только 1,48—1,56 МПа. В качестве связующего использовали гидролизованный раствор этилсиликата с разбавителем — спиртом.

У керамических форм, изготовленных из суспензии с гидрозолем кремнезема, также происходит изменение прочности, если их отверждают химическим способом вместо спокойной сушки на воздухе. В табл. 89, по данным английской литературы [16], даны для сравнения свойства керамических форм из молохита и гидрозоля (SYNTON 2х) с 30% Si02, высушенных на воздухе и отвержденных химическим способом. Наибольшую прочность имели керамические формы с гидрозолем Si02, которые высушивались спокойно на воздухе.

Контроль суспензии ограничивается измерением вязкости. В большинстве стран вязкость суспензии определяют по времени истечения суспензии из воронки Форда типа В или из вискозиметра Zahn . Только в исключительных случаях (согласно литературным данным) измеряется динамическая вязкость

в сантипуазах на вращающемся вискозиметре Брукфильда.

В ЧССР используют воронку Форда. Форма и размеры такой воронки и способ измерения в ЧССР, как и в некоторых других странах, нормализованы.

Рис. 2. Схема усовершенствованного вискозиметра Zahn

Замеренные величины вязкости должны быть всегда дополнены данными о величине отверстия воронки и температуры при определении вязкости.

В Англии диаметр отверстия воронки обозначается цифрой, которая ставится у буквенного обозначения типа воронки Форда — воронки В2, В3, В4, Въ.

Вискозиметр Zahn имеет сменные втулки с пятью различными диаметрами. При определении вязкости по воронке Форда за конец измерения принимают момент, когда струя суспензии прерывается, переходя в отдельные капли; при измерении вязкости вискозиметром Zahn окончанием измерения считают момент времени, когда на снижающемся уровне суспензии показывается острие стержня, установленного на дне воронки.

Важным фактором при измерении времени истечения суспензии является температура, так как с ее изменением изменяется и время истечения. Согласно данным работы время истечения значительно сокращается при повышении температуры. Так, если время истечения суспензии из воронки Форда В4 при 26° С составляет 130 с, то вязкость снижается при повышении температуры до 36° С до 96 с.

Время истечения суспензии имеет, естественно, объективное значение только при условии, что состав связующего и зернистость пылевидного огнеупора не изменяются. В противном случае суспензия при одинаковом времени истечения будет иметь различные соотношения между пылевидным огнеупором и связующим и изготовленные керамические формы будут иметь различные свойства. Поэтому данные о вязкости суспензии должны всегда сопровождаться сведениями о концентрации условной Si02 в связующем, а также о составе и зернистости пылевидного огнеупора или о его величине удельной поверхности.

С увеличением концентрации условной Si02 в жидком связующем и величины поверхности пылевидного огнеупора при постоянном отношении связующего и пылевидного огнеупора время истечения суспензии будет увеличиваться.

Из анализа всех этих условий, влияющих на вязкость суспензии, следует, что вязкость не может быть определяющим фактором для оценки качества керамической формы. Поэтому изыскивают методики, которые позволили бы найти зависимость качества керамических форм от их прочности и газопроницаемости.

Контроль исходных материалов для приготовления суспензий. В предыдущей главе был рассмотрен ряд факторов, которые оказывают влияние на качество керамических форм. Установлено, что качество керамических форм зависит прежде всего от стандартного качества используемых исходных материалов. Значит, одним из важнейших этапов входного контроля является контроль всех исходных материалов. Поэтому исследователи всех стран стремятся создать производственные способы испытания исходных материалов для осуществления быстрого и точного контроля производства керамических форм.

Контроль пылевидного кварца состоит в определении влажности, количества примесей, щелочности и зернистости. Наибольшая допускаемая влажность 1% (если она выше, необходимо пылевидный кварц сушить). Содержание примесей в пылевидном кварце должно быть минимальным; согласно данным работы молотый p-кварц, используемый в США, состоит из 99,8% Si02 и примесей: 0,11% А1203, 0,033% Fe203, 0,022% ТЮ2 и СаО и MgO (следы). Кварцевые порошки, используемые в ЧССР, не отличаются такой чистотой. Содержание в них А1203 и Fe203 бывает выше. Так как эвтектика с низкой температурой плавления в системе Si02—А1203 образуется при 5% А1203, то при нагреве кварца до 1300° С практически не образуется соединений с низкой температурой плавления, а только твердые растворы [20]; это не влияет на огнеупорность и на газопроницаемость керамических форм, содержащих 0,25—0,30% А1203 или Fe203. Но это может сказаться на хрупкости керамических форм, так как Fe203 при температуре 575—900° С диффундирует в кристаллическую решетку Si02. Содержание окислов кальция и магния в пылевидном кварце ЧССР бывает больше указанного.

Совершенно не допускается содержание элементарного железа которое окисляется в кислой среде жидкого связующего и сдвигает рН до неустойчивой области, чем вызывает преждевременное гелеобразование связующего. Живучесть суспензии при этом сокращается. При прокаливании керамических форм железо окисляется, а его соединения с кислородом (FeO, Fe203) образуют с Si02 соединения с низкой температурой плавления. Это сопровождается появлением дефектов на поверхности отливок.

Количество щелочных примесей в наполнителе должно быть минимальным. Высокая щелочность сокращает живучесть суспензии. Щелочность можно снизить повышением содержания кислоты в суспензии по эквиваленту, соответствующему количеству, потребному для связывания ионов Са++ или других веществ, повышающих концентрацию ионов ОН”.

Опыт показал, что щелочность, вызываемая СаО при его содержании до 0,035%, не уменьшает живучесть суспензии. Щелочность определяют кипячением навески пылевидного кварца в определенном количестве кислоты децинормальной концентрации. Неизрасходованную кислоту оттитровывают децинормальным раствором едкого натра. Кислоту, израсходованную для нейтрализации растворенных щелочей, пересчитывают на содержание СаО (в %).

По CSN 721531 зернистость пылевидного огнеупора определяют просеиванием на ситах по CSN 721263; мельчайшие частички (до 0,06 мм) определяются седиментационными испытаниями по Andreasen или Casagrand (CSN 721127). Эти способы простые, но требуется длительное время испытания для того, чтобы получить правильные и воспроизводимые результаты.

Долю мелких частиц можно определить и другими способами. Имеются сообщения о проведении ситового анализа и очень мелких огнеупорных порошков — до величины зерна около 2 мкм; при этом применяют металлические плетеные сетки. Ситовой анализ проводят мокрым способом и результаты сравнивают с результатами других способов.

Наиболее простым является способ определения с помощью седиментационных весов; на них определяют количество частиц, осадившихся за определенное время. Специальные фирмы изготовляют седиментационные весы с автоматическим регистрированием результатов взвешивания, как, например, седиментационные весы фирмы Sartorius-Werke G. М. В. Н. (Геттинген, ФРГ).

Долю мелких частиц в пылевидном огнеупоре можно определить и турбидиметрическим способом, основанным на измерении интенсивности света при прохождении его через дисперсионную среду с частицами пылевидного огнеупора. Анализ проводится при помощи фотоэлектрического турбидиметра Вагнера. Преимущество турбидиметрического способа по сравнению с остальными седиментационными способами состоит в существенном сокращении времени анализа.

Для получения точных кривых распределения величины зерна и крупных частиц рекомендуется комбинировать турбидиметри-ческий способ с седиментационным взвешиванием. Седиментационные методы обычно не позволяют точно определять частицы менее 2 мкм. Седиментация таких мелких частиц длится долгое время, и определенные величины не точны вследствие броуновского движения молекул.

Величину зерна можно определять и при помощи вычислительных машин, например прибором Coulter-Counter. К суспензии анализируемого порошка добавляют электролит (NaCl), чтобы она была электропроводна, и измеряют сопротивление между двумя сосудами, разделенными капиллярной стенкой. По этому капилляру проходит суспензия. При проходе каждой частицы увеличивается сопротивление, изменение которого регистрирует электронный прибор. Максимальное увеличение сопротивления характеризует величину зерна. Если известна величина зерна, то можно определить величину удельной поверхности, и наоборот.

Наиболее часто для измерения удельной поверхности частиц применяют способы, основанные на адсорбции мономолекулярных слоев. Самым обычным является определение удельной поверхности частицы адсорбцией азота в соответствующих устройствах.

Способ BET используют только для частиц с относительно большой удельной поверхностью. Для кремнезема, например, такой поверхностью обладают частицы размером менее 20 мкм.

Кроме ранее приведенных приборов для измерения величины зерна иностранные фирмы предлагают много различных приборов. Некоторые из них работают в автоматическом режиме, такие, как гранулометр TURZ62 производства VEB Transformatoren und Rontgenwerke (Дрезден, ГДР); седиграф — модель 5000 производства Micromeritics Corp. (США); фотоседиментометр производства Microscal Ltd. (Лондон, Англия); турбидиметр производства Evans Electro Scienium Ltd. (США); автоматический анализатор величины зерна SF 82, ASTMD-422 производства Matodo Testing Machine Co. (Токио, Япония).

Чтобы контроль зернистости пылевидного кварца был целесообразным, требуется знать допускаемые отклонения в величинах зерен. По опыту ZPS г. Готвальдов оказалось наивыгоднейшим следующее распределение величины зерна в пылевидном кварцевом порошке:

Контроль этилсиликата и спирта. Обычно контроль этилсиликата 40 ограничивают определением плотности пикнометром, которая характеризует содержание условной двуокиси кремния,и определением концентрации соляной кислоты методом титрования. Рекомендуется также определять содержание фракции с температурой кипения до 110 °С и содержание низкомолекулярных веществ.

Для этилсиликата 40 производства ГДР (завода VEB Chemie-Werk Niinch-ritz) по стандарту TGL 21405 характерны следующие величины: плотность при 20° С 1,04—1,06 г/л, температура воспламенения 60° С, содержание Si02 38—42%, НС1 не более 0,1%, низкомолекулярных веществ не бол ее 15%. Это чистая несмешиваемая с водой и смешиваемая со спиртом в любом соотношении жидкость, смесь этокси-полисилоксанов (преимущественно додекаэтоксиполисилоксанов).

По данным завода ZPS г. Готвальдов в этилсиликате 40 может быть до 8% фракции с температурой кипения до 110 °С.

Изготовители рекомендуют оценивать пригодность этилсиликата для приготовления связующего определением времени геле-образования. Этот параметр определяют следующим образом. В пробирке смешивают последовательно 10 мл пробы этилсиликата с 2 мл этилового спирта и 4 мл концентрированной соляной кислоты. Раствор в пробирке тщательно перемешивают, чтобы он стал гомогенным, и затем пробирку с раствором устанавливают в термостат, где выдерживают при 20 ± 0,5° С. Начало гелеобра-зования определяют по моменту очень медленного течения раствора при наклоне пробирки. Время гелеобразования — это промежуток от начала испытания до полного гелеобразования (прекращение движения раствора при наклоне пробирки).

В безводном этиловом спирте (CSN 660835), денатурированным добавкой 2% технического бензина, определяют содержание спирта спиртометром. При производственных испытаниях рекомендуется определять пригодность спирта для приготовления связующего следующим образом: 200 мл этилсиликата разбавляют 100 мл’ испытываемого этилсиликата спирта, добавляют 20 мл воды и 1 мл концентрированной соляной кислоты. Всю смесь хорошо перемешивают интенсивным встряхиванием колбы, в которой находится жидкость. Если температура раствора начинает значительно повышаться (40—45° С), то это свидетельствует о прохождении гидролиза. Одновременно аналогично определяют пригодность этилсиликата для приготовления связующего.

Все испытания исходных материалов подробно описаны в специальной литературе.

Рис. 4. Оптимальный гранулометрический состав пылевидного кварца

Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум