Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 14
1.1 Характеристика формовочных глин . 14
1.2 Характеристика водно-глинистых суспензий . 24
1.3 Добавки в водно-глинистые суспензии . 30 Выводы . 37
2. Методика проведения исследований 38
2.1. Исследования глин 38
2.2. Исследование водно-глинистых суспензий 40
2.3. Исследование формовочных смесей . 47
2.4. Расчет гидродинамических показателей трубопровода 53 Выводы . 55
3. Исследование влияния понизителя вязкости углещелочного реагента (УЩР) на свойства бентонитовых водно-глинистых суспензий . 56
3.1. Исследование свойств исходной бентонитовой глины Латненского месторождения . 56
3.2. Влияние УЩР на изменение условной вязкости бентонитовых водно-глинистых суспензий 58
3.3. Влияние УЩР на изменение динамической вязкости бентонитовых водно-глинистых суспензий . 61
3.4. Микрофотографии водно-глинистой суспензии 78
Выводы . 81
4. Гидродинамика водно-глинистых суспензий в трубопроводах.. 83
Выводы . 97
5. Разработка составов смесей с применением высококонцентри рованных водно-глинистых суспензий 99
5.1. Разработка составов смесей с применением высоко-концентрированных водно-глинистых суспензий 99
5.2. Промышленное испытание результатов исследования... 105
5.3. Определение загрязнения воздушной среды в произ
водственных помещениях . 111
Выводы . 114
Общие выводы 116
Список используемых источников 119
- Характеристика водно-глинистых суспензий
- Исследование водно-глинистых суспензий
- Влияние УЩР на изменение условной вязкости бентонитовых водно-глинистых суспензий
- Промышленное испытание результатов исследования...
Введение к работе
Актуальность работы. Литейное производство является основной заготовительной базой машиностроения, где основным способом получения отливок является лить в песчано-глинистые формы. В качестве связующего компонента в формовочных смесях применяется глина, которая может быть добавлена в смесь в сухом виде, либо в виде предварительно приготовленной водно-глинистой суспензии.
Использование водно-глинистой суспензии позволяет использовать глину эффективнее из-за более равномерного обволакивания зрен песка. Также при использовании суспензии снижается расход глинистого связующего, сокращается продолжительность перемешивания смеси в смесителях благодаря отсутствию сухой фазы, создаются возможности для комплексной автоматизации процессов транспортирования исходных материалов и смесеприготовления, улучшаются условия труда.
В литейном производстве стремятся использовать высококонцентрированные суспензии, так как они содержат более высокое количество глины в свом составе, что обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики формовочной смеси, а оптимальное содержание влаги позволяет получать качественные литейные формы. Однако в случае использования высококонцентрированных суспензий литейное производство сталкивается с проблемами, связанными с их дозированием и транспортированием по трубопроводу к месту смесепри-готовления, так как они обладают высокой вязкостью по сравнению с низкоконцентрированными суспензиями.
Для решения данной проблемы нашли применение вещества, обладающие поверхностно-активными свойствами и понижающие вязкость суспензии. Однако использование большинства из них затруднено, так как некоторые вещества не обеспечивают длительного воздействия на водно-глинистые суспензии, другие – вызывают образование пены, для погашения которой нужны специальные реагенты. Одним из наиболее доступных и дешевых понизителей вязкости водно-глинистых суспензий является углещелочной реагент (УЩР). Ис-3
пользуя УЩР в составе водно-глинистых суспензий, становится возможным повысить содержание глины в суспензиях и при этом обеспечить их подвижность для транспортирования к смешивающим агрегатам.
Таким образом, анализ механизма взаимодействия понизителя вязкости УЩР с глинистой фазой суспензий, а также углубленное изучение влияния УЩР на реологию водно-глинистых суспензий и на физико-механические и технологические свойства формовочной смеси является актуальной задачей.
Диссертационные исследования проведены при финансовой поддержке совместной программы Министерства образования и науки РФ и русско-германской службы обменов DAAD по программе «Михаил Ломоносов II» по проекту № 15024 во время стажировки у профессора Ю. Баста в Техническом университете горной академии, г. Фрайберг (Германия), 2011–2012 гг.
Цель работы. Целью данной работы является снижение реологических параметров водно-глинистых суспензий (напряжение сдвига, динамическая вязкость) за счт введения в их состав понизителя вязкости – УЩР, исследование свойств песчано-глинистых смесей на основе этих водно-глинистых суспензий, разработка составов формовочных смесей для получения качественного литья.
Задачи исследований:
-
Изучить влияние УЩР на свойства бентонитовых водно-глинистых суспензий.
-
Получить зависимости касательных напряжений от градиентов скорости для водно-глинистых суспензий при различном количестве вводимого в их состав УЩР.
-
Дать оценку типу водно-глинистых суспензий, характеру течения потока суспензий, а также их поведению при течении суспензии по трубопроводу.
-
Исследовать физико-механические и технологические свойства формовочных смесей с добавлением водно-глинистых суспензий с понизителем вязкости УЩР.
-
Разработать предложения по применению водно-глинистых суспензий с добавлением УЩР, обеспечивающих необходимые физико-механические и технологические свойства формовочных смесей.
-
Провести промышленные испытания разработанных составов формовочных смесей для стального литья, содержащих в своем составе водно-глинистые суспензии с добавлением понизителя вязкости УЩР.
Объект исследований. Объектами исследования являлись формовочная бентонитовая глина марки С1Т2, ГОСТ 28177-89 Латненского месторождения Воронежской области, а также приготовленные из этой глины водно-глинистые суспензии различной концентрации. В качестве химического реагента для воздействия на реологию суспензий был использован УЩР. Проводились исследования 7, 10, 12, 15 мас.% водно-глинистых суспензий без УЩР и суспензий, содержащих в своем составе УЩР, а также формовочных смесей, в состав которых входила оборотная смесь и в качестве освежения песок, взятый с 90 горизонта Орловского месторождения Волгоградской области, и водно-глинистая суспензия.
Научная новизна работы. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена совокупность научных и практических положений, обеспечивающих новые технологические решения при получении песчано-глинистой формы с использованием высококонцентрированных водно-глинистых суспензий:
– доказано, что бентонитовые водно-глинистые суспензии являются тиксо-тропными неньютоновскими жидкостями с псевдопластическим характером течения;
– выявлено, что при введении в состав водно-глинистой суспензии углеще-лочного реагента глинистые частицы диспергируют, их размеры уменьшаются с 97,46 мкм до 19,34 мкм, при этом микроструктура суспензии без добавления УЩР имеет значительное количество микротрещин размером от 3,77 мкм до 4,29 мкм, при введении УЩР их количество сокращается, а размеры микротрещин уменьшаются до 1,96 – 2,23 мкм;
– установлено, что УЩР обеспечивает снижение условной вязкости свежих суспензий (условная вязкость 7 мас.% суспензии при введении 1 мас.% УЩР снижается с 12,59 сек до 11,43 сек, что составляет 11 %; при введении 1 мас.% УЩР условная вязкость выдержанной в течение 24 часов 7 мас.% суспензии снижается на 22 % – с 16,59 сек до 12,87 сек);
– показано, что при добавлении 1, 2, 3, 4 и 5 мас.% водного раствора УЩР динамическая вязкость суспензий снижается в среднем на 64,05, 75,4, 82,1, 89,3 и 89,75 %, соответственно, по сравнению с исходной водно-глинистой суспензией. По мере увеличения интенсивности деформации вязкость системы уменьшается для всех суспензий и составляет 86,3 %, что позволяет подавать бентонитовые высококонцентрированные водно-глинистые суспензии с добавлением понизителя вязкости УЩР в смесеприготовительное отделение по трубопроводу, а также устранить осаждаемость в трубопроводах при длительных перерывах в работе;
– определены коэффициенты уравнения Гершеля-Баркли для ряда исследуемых суспензий, что позволило произвести расчт расходно-напорной характеристики трубопровода при его различном диаметре.
Практическое значение работы:
1. Определены необходимые количества УЩР для разжижения водно-
глинистых суспензий.
-
Разработаны составы формовочных смесей для стального литья.
-
Рассчитаны необходимые характеристики насосов и трубопровода для подачи суспензий к месту смесеприготовления.
4. Выполнено опытно-промышленное опробование разработанных составов
песчано-глинистых смесей.
5. Определены весовые концентрации пыли в рабочих зонах при использова
нии в составах формовочных смесей глины в виде водно-глинистой суспензии.
Достоверность результатов работы. Достоверность результатов обеспечена соблюдением всех методик исследования, а также использованием современного высокоточного оборудования при выполнении экспериментов, среди
которого ротационный вискозиметр Brookfield DV–II+Pro и электронный растровый двулучевой микроскоп FEI Versa 3D LoVac.
На защиту выносятся следующие научные положения:
-
Результаты исследований по использованию углещелочного реагента в составах водно-глинистых суспензий, показывающие влияние УЩР на диспергирование глинистых частиц.
-
Экспериментальные данные по влиянию УЩР на условную вязкость свежих и выдержанных в течение 24 часов суспензий, а также изменение динамической вязкости суспензий при введении различного количества УЩР в зависимости от их нагружения.
-
Коэффициенты уравнения Гершеля-Баркли для ряда исследуемых суспензий, а также результаты расчта расходно-напорной характеристики трубопровода.
-
Результаты исследований технологических и физико-механических свойств формовочных смесей для стального литья, содержащих в своем составе водно-глинистые суспензии с добавлением УЩР.
-
Результаты промышленных испытаний и рекомендуемые составы формовочных смесей.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались, рассматривались и обсуждались на семинаре стипендиатов DAAD по программам «Михаил Ломоносов II», Бонн (Германия), 2011 г.; на научном семинаре стипендиатов русско-германской службы обменов DAAD по программам «Михаил Ломоносов II» и «Иммануил Кант II», Москва, 2012 г.; на всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика литейных процессов», Новокузнецк, 2012 г.; на смотре-конкурсе научных, конструкторских и технологических работ студентов Волгоградского государственного технического университета, Волгоград, 2013 г.; на XIV, XVII и XVIII региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 2009 г., 2012 г, 2013 г.
Получен грант на выполнение НИР по программе стратегического развития ВолгГТУ, 2013 г. Результаты исследования были дважды отмечены дипломами лауреата XIV и XVIII региональных конференций молодых исследователей Волгоградской области и дипломом смотра-конкурса НИРС ВолгГТУ.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 15 работах, из них 6 – в журналах ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, 3 приложений. Содержит 131 страницу машинописного текста, 43 рисунка, 11 таблиц, список литературы состоит из 138 источников. В приложении представлены документы, подтверждающие промышленные испытания полученных результатов исследований.
Характеристика водно-глинистых суспензий
Литейное производство является основной заготовительной базой машиностроения. Подавляющее число деталей, используемых в машиностроении, производится методом литья, где наиболее распространенный способ – это литьё в песчано-глинистые формы. В качестве связующего чаще всего выступают бентонитовые глины, основообразующим минералом которых является монтмориллонит. К преимуществам использования монтмориллонита относятся [1]:
1. Повышенное количество обменивающихся ионов, что при взаимодействии с молекулами воды ведёт к увеличению расстояния между слоями кристалла, тем самым вызывая набухание глины при её увлажнении.
2. Большая развиваемая прочность при добавлении в формовочную смесь в меньшем количестве.
3. Способность монтмориллонитов к набуханию при увлажнении приводит к свойству усадки при высыхании. Поэтому монтмориллонитовые глины более пригодны для изготовления форм, не высушиваемых перед заливкой.
Песчано-глинистые формовочные смеси экологически чисты, не содержат дорогих и дефицитных компонентов, а при подборе освежающих компонентов легко восстанавливают свои свойства, благодаря чему находятся в постоянном обороте без регенерации [2]. Глина может быть добавлена в смесь в сухом виде, либо в виде предварительно приготовленной водно-глинистой суспензии. При использовании сухой глины необходимы дополнительные операции по подготовке материала, которые увеличивают стоимость формовочной глины. Кроме того, в цехе ухудшаются санитарно-гигиенические условия работы из-за высокого содержания пыли в атмосфере литейного цеха и повышается расход связующего, вызванный тем, что сухая глина не успевает прореагировать с водой в смесителях и тем самым обеспечить необходимую прочность смеси.
Использование водно-глинистой суспензии позволяет использовать глину эффективнее из-за более равномерного обволакивания зёрен песка. Также при взаимодействии глины с водой в составе суспензий увеличивается удельная поверхность глинистых частиц под воздействием сил гидратации, в результате чего достигается снижение расхода глинистого связующего, сокращается продолжительность перемешивания смеси в смесителях благодаря отсутствию сухой фазы, создаются возможности для комплексной автоматизации процессов транспортирования исходных материалов и смесеприготовления, улучшаются условия труда [2].
Использование низкоконцентрированных суспензий, которые содержат большее количество воды в своем составе, приводит к низким физико-механическим свойствам формовочных смесей и их повышенной влажности, что делает невозможным их применение при изготовлении литейных форм. Поэтому в литейном производстве стремятся использовать высококонцентрированные суспензии, которые содержат более высокое количество глины и, соответственно, меньше воды. Высокое содержание глины обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики формовочной смеси, а оптимальное содержание влаги позволяет получать качественные литейные формы, сокращает время сушки форм, если эта технологическая операция необходима, что ускоряет весь процесс, а также сокращает усадку получаемых деталей.
Однако в случае использования высококонцентрированных суспензий литейное производство сталкивается с проблемами, связанными с их дозированием и транспортированием по трубопроводу к месту смесеприготовления, так как они обладают высокой вязкостью по сравнению с низкоконцентрированными суспензиями.
Для решения данной проблемы нашли применение химические вещества, обладающие поверхностно-активными свойствами и понижающие вязкость суспензии. Однако использование большинства из них затруднено, так как некоторые вещества не обеспечивают длительного воздействия на водно-глинистые суспензии, другие – вызывают образование пены, для погашения которой нужны специальные реагенты. Одним из наиболее доступных и дешевых понизителей вязкости водно-глинистых суспензий является углещелочной реагент (УЩР), который был разработан В. C. Барановым [3] и нашел наиболее широкое применение в области использования буровых растворов при нефтедобыче. Применительно к литейному производству УЩР был впервые использован А. А. Волкомичем и Т. М. Чапчико-вой в качестве понизителя вязкости в составе формовочных смесей с целью улучшения её технологических свойств при усилении стабилизирующего действия в широком диапазоне влажности, а также ликвидации склонности к ужимино-образованию [4, 5]. Используя УЩР в составе водно-глинистых суспензий, становится возможным повысить содержание глины в суспензиях и при этом обеспечить их подвижность для транспортирования к смешивающим агрегатам.
При введении УЩР в состав водно-глинистой суспензии происходит её разжижение, что позволяет подавать суспензию к смешивающим агрегатам по трубопроводу. В процессе движения жидкости по трубопроводу она подвергается деформации и напряжению сдвига, под действием которых жидкости способны либо загустевать, либо разжижаться. Измерить данные параметры и описать зависимости вязкости и напряжения сдвига от скорости сдвига позволяют реологические исследования, выполняющиеся с помощью ротационного вискозиметра. Регулирование реологических свойств суспензии является актуальной проблемой литейного производства в области формовочных материалов и связано с возможностью стандартизации технических материалов, контроля и регулирования технологических процессов практически во всех областях современной техники и позволяет рассмотреть прикладные гидродинамические задачи течения жидкостей [6].
Исследование водно-глинистых суспензий
В данной работе исследовались водно-глинистые суспензии 7, 10, 12 и 15 мас.% концентрации. Для этого навеску глины смешивали с водой в необходимой пропорции и перемешивали. Масса получаемых суспензий всегда была одинакова для всех образцов и равнялась 300 г – изменялись лишь пропорции вода/глина. Таким образом, с увеличением концентрации бентонита в суспензии, уменьшалось количество воды, т.к. общая масса суспензии постоянна.
Поскольку глина является бентонитовой, её набухание происходит более интенсивно по сравнению с каолиновой глиной ввиду её пакетного строения, где молекулы воды легко проникают между слоями пакета, раздвигая их, тем самым способствуя набуханию. Для системы, в которой содержится 7 мас. % бентонита, процесс образования суспензии протекает более свободно и быстро, так как в данной системе достаточно свободной воды для взаимодействия с глиной и места для равномерного распределения её по всему объёму.
При увеличении концентрации суспензии в системе увеличивается содержание глины и, соответственно, уменьшается количество воды. Следовательно на взаимодействие с большим процентом глины затрачивается меньшее количество свободной воды. Бентонит набухает и занимает весь объём, в котором частички глины расположены плотнее и на меньшем расстоянии друг от друга. Вследствие этого суспензии 12 мас.% и 15 мас.% концентрации представляют собой пасты.
Замер показаний условной вязкости водно-глинистых суспензий производился после их приготовления и через 24 часа. За время суточного выдерживания происходит диспергирование, то есть измельчение глинистых агрегатов в суспензии. Частички глины перераспределяются таким образом, что молекулярные связи, действующие между ними, усиливаются. Таким образом, выдержка суспензии в течение суток способствует образованию пространственной структуры [31, 38]. Это ведёт к повышению показаний вязкости, из-за чего определять показания в ряде случаев не представляется возможным. Однако именно выдержанные в течение 24 часов суспензии рекомендуется применять в литейном производстве ввиду их большей степени диспергирования и, как следствие, более сильного межмолекулярного взаимодействия.
Также приготовлялся водный 15 мас.% раствор УЩР. Использование УЩР в виде раствора позволяет равномерно распределить его по объёму суспензии, что сокращает время химической реакции и обеспечивает более полное взаимодействие УЩР с глиной. При использовании раствора УЩР концентрацией более 15 % содержание щелочи в реагенте становится достаточным, чтобы вызвать коагуляцию системы, то есть в суспензии могут образоваться агрегаты глинистых частиц, возникающие под действием сил сцепления [86]. В водно-глинистые суспензии раствор УЩР добавлялся в различном количестве от 1 до 5 мас.% и более в зависимости от концентрации исходных суспензий. Водно-глинистые суспензии не могут применяться в производстве без определения их свойств. Главным свойством является вязкость суспензии. Вязкость – это свойство газов и жидкостей оказывать сопротивление необратимому перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении и других видах деформации [6, 45, 96]. Таким образом, вязкость характеризует подвижность суспензии. Различают условную, динамическую, кинематическую вязкости.
Исходные суспензии и суспензии с добавлением УЩР исследовались на условную и динамическую вязкости. Измерения условной вязкости производились с помощью вискозиметра ВЗ-4, а динамической вязкости – при помощи ротационного вискозиметра Brookfield DV-II+Pro.
Метод определения вязкости водно-глинистой суспензии при помощи вискозиметра истечения
Условная вязкость измерялась согласно [97], она определялась как время истечения известного объёма жидкости через выходное отверстие воронки определенного диаметра [98]. Для определения вязкости использовался вискозиметр ВЗ-4.
На рисунках 2.1, 2.2 изображена установка для определения вязкости. В верхней цилиндрической части имеется желобок для слива избытка испытуемого материала. Воронка помещена в кольце подвижного кронштейна, передвигающегося по стойке, которая закреплена на опорной плите. Опорная плита имеет два установочных винта для приведения воронки в строго вертикальное положение. Объём вискозиметра составляет 200 мл. Вискозиметр представляет собой цилиндрический сосуд с конусным основанием, имеющим в центре срезанной части корпуса выливное отверстие (сопло) диаметром 4 мм.
Влияние УЩР на изменение условной вязкости бентонитовых водно-глинистых суспензий
Таким образом, градиент скорости — - это скорость, с которой соседние слои жидкости движутся друг относительно друга, и называется скоростью сдвига. Обозначается и измеряется в обратных секундах (сек 1). Выражение - обозначает силу, действующую на площадь, необходимую для осуществления сдвига, то есть касательное напряжение. Это выражение обозначается г и называется напряжением сдвига. Единицей измерения является дин/см2 или Н/м2. Роль коэффициента пропорциональности ц в данном случае играет динамическая вязкость. Она является реологической константой и определяет способность жидкости сопротивляться течению. Используя эти упрощенные выражения и подставив их в формулу (3.1) получим: откуда где ц - динамическая вязкость, мПас; г напряжение сдвига, Н/м3, - скорость сдвига, сек1.
Единицей измерения динамической вязкости является Пуаз (П). Материал, испытывающий напряжение сдвига, равное 1 дин на квадратный сантиметр и вызывающий скорость сдвига, равную 1 обратной секунде, имеет вязкость, равную 1 Пуазу. Эквивалентной размерностью в системе СИ является мили-паскаль-секунда (мПас) [101].
Все системы, которые подчиняются выше изложенному закону Ньютона, то есть в которых вязкость линейно зависит от скорости вращения, называются ньютоновскими. Графически ньютоновские жидкости представлены на рисунке 3.4.
График 3.4,а показывает, что зависимость между напряжением сдвига и скоростью сдвига представляет собой прямую линию. На графике 3.4,б видно, что вязкость жидкости сохраняется постоянной при изменяющейся скорости сдвига. Примерами ньютоновской жидкости могут служить вода и тонкое моторное масло.
Однако большинство жидкостей, используемых в промышленности, не подчиняются закону Ньютона, другими словами, отношение не является постоянной величиной. В таких системах при изменении скорости сдвига, напряжение сдвига не меняется в такой же пропорции и в том же направлении. Вязкость таких систем меняется при варьировании скорости сдвига.
Неньютоновские жидкости представляют собой смесь молекул различных форм и размеров. Находясь в жидкости, по мере движения в потоке, их размеры, формы, способность к сцеплению, ориентация частиц дисперсной фазы будут определять, насколько большое усилие должно быть приложено, чтобы сдвинуть их. То есть неньютоновские жидкости начинают течь только при приложении опре 65 деленного касательного напряжения, называемым статическим напряжение сдвига, при котором система выводится из равновесия [117, 118].
Существует несколько типов неньютоновских жидкостей, классифицирующихся по характеру изменения вязкости при варьировании скорости сдвига [6, 101-122]: псевдопластическая; дилатантная; пластическая.
Псевдопластическая жидкость характеризуется уменьшением вязкости при увеличении скорости сдвига и увеличением напряжения сдвига при возрастании скорости сдвига, как показано на рисунке 3.5. Этот тип поведения жидкости также называют «утонение сдвига».
У дилатантной неньютоновской жидкости при возрастании скорости сдвига, увеличивается вязкость системы. Дилатантный тип поведения жидкости, представленный на рисунке 3.6, называют «утолщение сдвига».
Пластические неньютоновские жидкости в статическом состоянии ведут себя как твердые вещества. Для того чтобы жидкость начала течь необходимо приложить достаточное усилие, называемое предельным напряжением сдвига, которое больше статического напряжения сдвига. После приложения предельного напряжения сдвига и начала движения системы, характеристики у пластической жидкости могут быть такими же, как и у ньютоновской жидкости, псевдопластической и дилатантной. Вязкость такой системы уменьшается по мере увеличения скорости сдвига, графики поведения пластической жидкости представлены на рисунке 3.7..
а) зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига; б) зависимость вязкости от скорости сдвига Рассмотренные типы неньютоновских жидкостей классифицируются в зависимости своего поведения при изменении скорости сдвига. Однако эта классификация не учитывает временной показатель. Вязкость некоторых неньютоновских жидкостей меняется со временем при постоянной скорости сдвига.
Как показано на рисунке 3.8 жидкости, вязкость которых уменьшается со временем при постоянной скорости сдвига, обладают свойством тиксотропии, противоположным тиксотропии является реопексия – возрастание вязкости с течением времени при постоянной скорости сдвига.
Промышленное испытание результатов исследования...
Смеси исследовались на предел прочности при сжатии во влажном состоянии, уплотняемость, текучесть по пробе Орлова, газопроницаемость по стандартным методикам [89-92, 97]. Полученные результаты представлены на рисунках 5.1 – 5.5. Влажность смесей на основе 7, 10, 12 мас.% суспензии в среднем равнялась 5 %, что говорит о том, что УЩР стабилизирует смеси по влажности. Влажность 15 мас.% суспензии колебалась в пределах 4 – 4,5 %.
Из графика зависимости предела прочности при сжатии от количества вводимого в суспензию УЩР (рисунок 5.1) видно, что с увеличением количества раствора УЩР, предел прочности повышался для всех смесей. Для смесей с водно-глинистыми суспензиями 7 и 12 мас.% предел прочности при сжатии во влажном состоянии повышался в среднем на 5,9 %; для смесей с 10 и 15 мас.% суспензиями – на 1,25 % (рисунок 5.1). Также чем выше концентрация используемых суспензий, тем выше значения предела прочности, поскольку большее количество глинистых частиц участвуют во взаимодействии с зёрнами песка.
При использовании в смеси суспензии 7 мас.% концентрации предел прочности равнялся 82,38 КПа. При добавлении к данной суспензии 1 мас.% раствора УЩР предел прочности смеси возрастал на 5,7 % и составлял 87,28 КПа. Суспензия с добавлением раствора УЩР является активированной, т.к. глинистые частицы, являясь прореагировавшими с УЩР, обладают большей степенью диспергирования, следовательно, глинистая фаза, содержащаяся в суспензии, имеет большую удельную площадь поверхности, что обеспечивает увеличение числа взаимодействий между глиной и зёрнами огнеупорного наполнителя, и ведёт к возрастанию предела прочности формовочной смеси. Дальнейшее увеличение содержания УЩР в 7 мас.% суспензиях не оказывает заметного влияния на предел прочности смеси, т.к. глинистые частицы уже являются прореагировавшими и их дальнейшее взаимодействие с УЩР происходит не существенно.
Газопроницаемость всех исследуемых смесей колеблется в пределах 102-111 ед. Максимальный разброс значений не превышает 0,6 %. Это говорит о том, что введение УЩР не закупоривает поры формовочной смеси и тем самым не влияет на её пропускную способность. Таким образом, во время использования смеси не будут создаваться препятствия для удаления газообразных продуктов из полости формы в процессе заливки её жидким металлом, и, следовательно, исключаются газовые дефекты получаемых отливок.
Из графика 5.3 видно, что смесь, содержащая 15 мас.% водно-глинистую суспензию обладает большей газопроницаемостью по сравнению со смесями, где содержание глинистых составляющих ниже, т.е. теми, где используется 7, 10 и 12 мас.% суспензии. Согласно [1, 107] на газопроницаемость влияет не только количество глинистых составляющих, но и их распределение по поверхности зёрен.
В том случае, если глинистые частицы распределяются равномерно тонким слоем по поверхности зерна, происходит увеличение его условного диаметра, что ведёт к повышению газопроницаемости. В противном случае – часть глинистого материала располагается между зёрнами песка и забивает поры, тем самым снижая газопроницаемость [107].
Анализируя график, представленный на рисунке 5.3, можно сказать, что увеличение газопроницаемости формовочных смесей при увеличении концентрации используемых суспензий вызвано равномерным распределением глинистых частичек по поверхности зёрен смеси.
Кроме того на газопроницаемость влияет степень дисперсности глин, т.к. при этом облегчается распределение глинистых составляющих по поверхности зёрен [1, 107]. При увеличении содержания раствора УЩР наблюдается некоторое повышение газопроницаемости смеси, которое происходит благодаря воздействию УЩР на глинистую фазу суспензии. Это говорит о том, что воздействие рас твора УЩР на водно-глинистую суспензию вызывает её диспергацию, то есть измельчение глинистой фазы суспензии.
С увеличением концентрации суспензии уплотняемость формовочных смесей снижается (рисунок 5.4), в то время как насыпная плотность растёт (рисунок 5.5). По мере возрастания концентрации водно-глинистых суспензий, количество глины по массе, которая содержится в их составе, увеличивается. Следовательно, формовочные смеси, содержащие суспензии различной концентрации, имеют различную массу в одном и том же объёме смеси, и эта масса тем больше, чем больше концентрация добавляемых суспензий. В свою очередь это ведёт к увеличению насыпной плотности. Таким образом, наибольшее значение насыпной плотности имеют смеси с 15 мас.% суспензией, наименьшее – 7 мас.% суспензия.
