21.Роль влаги в смеси, ее связь в формовочных материалов, прямые косвенные методы определения влажности

Влажность характеризует процентное содержание влаги в сме-

сях. Величина влажности определяет значение многих других

свойств смеси и оказывает прямое влияние на качество получаемых

отливок, например, при повышенной влажности смесей в отливках

могут возникать газовые раковины. В формовочных и стержневых

смесях различают следующие виды влаги: химически связанную, по-

верхностно-связанную и свободную.

Химически связанная влага входит в состав минеральных компо-

нентов смеси (песка и глины). При ее удалении в процессе высоко-

температурного воздействия на смесь первоначальные свойства ми-

неральных компонентов утрачиваются вследствие разрушения их

кристаллической решетки. Например, при нагреве песчано-глинис-

той смеси до температуры 300–700оС происходит необратимая де-

гидратация глины, сопровождаемая потерей ею связующих свойств.

Рис. 1.2. Виды влаги, удерживаемой на поверхности компонентов смеси:

1 – поверхностно-связанная; 2 – свободная; 3 – капиллярно-связанная;

4 – адсорбированная; 5 – жесткая

Поверхностно-связанная влага (рис. 1.2) подразделяется на капил-

лярно-связанную и адсорбированную. Адсорбированная влага удер-

живается на поверхности смеси электростатическими силами. Тол-

щина слоя влаги может доходить до 0,5⋅10-6м (0,5 мкм). Чем ближе

адсорбированная влага расположена к поверхности частички смеси,

тем больше она отличается по физическим свойствам от обычной

влаги. Например, влага, находящаяся непосредственно на поверх-

ности частички, толщиной в 3–4 молекулы воды, что составляет

примерно (8÷12) 10-10м (8–12 А), имеет точку кипения выше 100оС,

температуру затвердевания – ниже 0, а плотность – больше 1. Такую

влагу обычно называют “жесткой” или “нежидкой”. Более отдален-

ные поверхностные слои адсорбированной влаги по своим физиче-

ским свойствам приближаются к обычной капельно-жидкой воде.

Капиллярно-связанная влага удерживается на поверхности части-

чек смеси капиллярными силами. Свободная влага может быть уда-

лена из смеси под воздействием силы тяжести. Эта влага характерна

для сильно увлажненной смеси или регенерированного мокрым спо-

собом формовочного песка. Метод определения влаги формовочного песка

В соответствии с ГОСТ 29234.5–91 величину влажности смеси В (%)

определяют по изменению массы в процессе сушки навески смеси

при 105–110 до постоянной массы и подсчитывают по формуле B=(M-M1/m)*100

где М и М1 – масса смеси до и после сушки, г.

Определяют содержание только поверхностно-связанной и сво-

бодной влаги в смеси, адсорбированная влага удаляется лишь час-

тично, так как “жесткая” вода при этом не испаряется.

Пористость характеризуется отношением объема пустот (пор) к

общему объему смеси и выражается в процентах. Величина пористо-

сти смеси в основном определяет степень развития процессов про-

никновения жидкого металла или его оксидов в глубь формы, т. е.

вероятность возникновения пригара на поверхности смеси определя-

ется главным образом степенью уплотнения смеси и содержанием в

ней глины или других мелкозернистых добавок. Пористость уплот-

ненных формовочных смесей находится в пределах 25–50%.

Газопроницаемость является одним из важнейших свойств смеси

и характеризует способность ее пропускать газы. При недостаточной

газопроницаемости смеси затрудняются условия удаления газообраз-

ных продуктов из полости формы в процессе ее заливки. Газопрони-

цаемость смесей зависит от размера зерен формовочного песка, со-

держания в них мелкозернистых добавок, степени уплотнения и

влажности. По ГОСТ 29234.11–91 определение газопроницаемости смеси

производят путем пропускания воздуха через стандартный образец,

изготовленный из испытуемой смеси.

Газотворность характеризует способность смеси выделять газы

при нагреве до высоких температур (1250c)

 Описание и выбор метода измерения влажности

Методы измерения-влажности принято делить на прямые и косвенные. В прямых методах производится непосредственное разделение влажного материала на сухое вещество и влагу. В косвенных методах измеряется другая величина, функционально связанная с влажностью материала. Косвенные методы требуют предварительной калибровки с целью установления зависимости между влажностью материала и измеряемой величиной.

5.2.1 Метод высушивания

Наиболее распространенным прямым методом является метод высушивания, заключающийся в воздушно-тепловой сушке образца материала до достижения равновесия с окружающей средой; это равновесие условно считается равноценным полному удалению влаги. На практике применяется высушивание до постоянного веса; чаще применяют так называемые ускоренные методы сушки

В первом случае сушку заканчивают, если два последовательных взвешивания исследуемого, образца дают одинаковые или весьма близкие результаты. Так как скорость сушки постепенно уменьшается, предполагается, что при этом удаляется почти вся влага, содержащаяся в образце. Длительность определения этим методом составляет обычно от нескольких часов до суток и более. В ускоренных методах сушка ведется в течение определенного, значительно более короткого промежутка времени, при повышенной температуре (например, стандартный метод определения влажности зерна сушкой размолотой навески при +130°С в течение 40 мин). В последние годы для ускоренной сушки ряда материалов стали применять инфракрасные лучи, а в отдельных случаях—диэлектрический нагрев (токи высокой частоты). Определению влажности твердых материалов высушиванием присущи следующие методические погрешности: а) При высушивании органических материалов наряду с потерей гигроскопической влаги происходит потеря летучих; одновременно при сушке в воздухе имеет, место поглощение кислорода вследствие окисления вещества. б) Прекращение сушки соответствует не полному удалению влаги, а равновесию между давлением водяных паров в материале и давлением водяных паров в воздухе. в) Удаление связанной влаги в коллоидных материалах невозможно без разрушения коллоидной частицы и не достигается при высушивании. г) В некоторых веществах в результате сушки образуется водонепроницаемая корка, препятствующая удалению влаги.

Некоторые из указанных погрешностей можно уменьшить сушкой в вакууме при пониженной температуре или в потоке инертного газа. Однако для вакуумной сушки требуется более громоздкая и сложная аппаратура, чем для воздушно-тепловой.

При наиболее распространенной сушке (в сушильных шкафах) имеются погрешности, зависящие от применяемой аппаратуры и техники высушивания. Так, например, результаты определения влажности зависят от длительности сушки, от температуры и атмосферного давления, при которых протекала сушка. Температура имеет особенно большое значение при использовании ускоренных методов, когда понижение температуры сильно влияет на количество удаленной влаги. На результаты высушивания влияют также форма и размеры бюкс и сушильного шкафа, распределение температуры в сушильном шкафу, скорость движения воздуха в нем, возможность уноса пыли или мелких частиц образца и т. д. Для материалов, подвергающихся перед определением влажности измельчению, большое значение имеет убыль влаги в образце в процессе измельчения. Эта убыль особенно велика, если при размоле имеет место нагрев образца. С другой стороны, возможно поглощение влаги из окружающей среды в промежутках времени между окончанием сушки и взвешиванием образца.

В итоге высушивание представляет собой чисто эмпирический метод, которым определяется не истинная величина влажности, а некая условная величина, более или менее близкая к ней. Определения влажности, выполненные в неодинаковых условиях, дают плохо сопоставимые результаты. Более точные результаты дает вакуумная сушка, выполняемая обычно в камере при пониженном давлении (25 мм рт. ст. и ниже) до постоянного веса.

5.2.3 Экстракционные методы

Экстракционные методы основаны на (извлечении влаги из исследуемого образца твердого материала водопоглощающей жидкостью (диоксан, спирт) и определении характеристик жидкого экстракта, зависящих от его влагосодержания: удельного веса, показателя преломления, температуры кипения или замерзания и т.п. В электрических экстракционных методах измеряются электрические свойства (удельное сопротивление, диэлектрическая проницаемость) экстракта. Экстракционные методы дают наилучшие результаты в применении к материалам, мелко измельченным или обладающим пористой структурой, обеспечивающей проникновение экстрагирующей жидкости в. капилляры.

5.2.4 Химический метод

Основой химических (методов является обработка образца твердого материала реагентом, вступающим в химическую реакцию только с влагой, содержащейся в образце. Количество воды в образце определяется по количеству жидкого или газообразного продукта реакции. Наиболее распространенными химическими методами являются карбидный (газометрический) метод и применена реактива Фишера.

В первом методе измельченный образец влажного материала тщательно смешивают с карбидом кальция в избыточном количестве, причем имеет место реакция:

22. механческие свойства смеси в сухом состоянии и при высоких температурах, методы испытаний и факторы определяющие свойства.. Твердость характеризует способность поверхностного слоя форм

или стержня противостоять проникновению более твердого тела (ме-

таллического шарика). Поверхностная твердость формы или стержня

зависит от степени уплотнения смеси, количества и качества связую-

щих материалов, а также от режимов их упрочнения. Оценку твер-

дости производят с помощью специальных приборов-твердомеров и

выражают в условных единицах. Прочность характеризует способность смеси сохранять задан-

ную конфигурацию полости литейной формы в период ее изготовле-

ния и транспортирования, а также при заливке. В соответствии с

ГОСТ 29234–91 прочность смесей оценивают предельной величиной

нагрузки, при которой разрушается уплотненный образец смеси. Раз-

личают прочность смесей во влажном, упрочненном, нагретом и

прокаленном состояниях. Прочность смеси во влажном состоянии зависит главным образом

от количества и состояния содержащейся в ней глины, а также от ве-

личины влажности, зернового состава формовочного песка, степени

уплотнения смеси и некоторых других факторов. На рис. 1.4 приве-

дена схема методов оценки прочности смеси во влажном состоянии.

Наиболее часто прочность смеси во влажном состоянии оценивается

при сжатии (см. рис. 1.4,а), реже при срезе (см. рис. 1.4,б), изгибе

(см. рис. 1.4,в) и растяжении (см. рис. 1.4,г). Прочность смеси в упрочненном состоянии (имеется в виду проч-ность, которую приобретает образец смеси после тепловой сушки

или химического отверждения) зависит от типа и количества свя-

зующих материалов, содержащихся в смеси, а также от зернового

состава формовочного песка, степени уплотнения смеси, режимов ее

упрочнения и целого ряда других факторов, влияние которых будет

рассмотрено ниже. На рис. 1.5 приведена схема методов оценки

прочности смеси в упрочненном состоянии. Наиболее часто данное

свойство смеси оценивается при разрыве образца (см. рис. 1.5,а)

и сжатии (см. рис. 1.5,б), реже при срезе (см. рис. 1.5,в) и изгибе

(см. рис. 1.5, г). Рис. 1.5. Схема методов оценки прочности смесей в упрочненном состоянии:

а – при растяжении; б – при сжатии; в – при срезе; г – при изгибе

Прочность смесей в прокаленном состоянии характеризуется в

основном способностью стержня, изготовленного из данной смеси,

удаляться из полости отливки при ее извлечении из формы и очистке

и зависит главным образом от природы связующего материала смеси

и его количества, от интенсивности теплового воздействия сплава

отливки на стержень и других факторов.