Файл: Медведев Я.И. Технологические испытания формовочных материалов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 163
Скачиваний: 1
Г л а в а V I I I
ГАЗОТВОРНОСТЬ СМЕСЕЙ
ПРОЦЕССЫ ГАЗООБРАЗОВАНИЯ ПРИ НАГРЕВЕ СМЕСИ
Под газотворностью понимается способность формовочных материалов выделять газы при нагревании. Источниками газо образования являются следующие процессы, происходящие в форме при заливке ее металлом [10, 95].
1. Испарение влаги и других жидких продуктов, содержащихся в смеси. Процесс испарения влаги является основным в случае использования сырых форм и стержней; кроме воды, в смесях могут присутствовать другие испаряющиеся жидкости, которые вводятся или вместе со связующими (растворители) или в виде специальных добавок для придания смесям определенных тех нологических свойств.
2. Сгорание различных органических материалов, входящих в состав смесей. Объем газов, образующихся в форме и стержнях в результате сгорания, составляет в общем объеме выделяющихся газов, очевидно, незначительную величину, так как необходимый для процесса горения кислород в порах формы практически от сутствует (за исключением начального периода времени). Горе ние углерода, как показывают анализы газов (см. табл. 2 и 3), выделяющихся из форм, происходит с образованием СО, т. е. с выделением большего объема газообразных продуктов (по сравне нию с объемом С 0 2 ) .
3. Газификация и перегонка различных твердых и жидких материалов, происходящие при отсутствии кислорода и повышен ных температурах. На протекание процессов газификации и пере гонки в форме указывает присутствие в газах углеводородов типа СпНт, различных маслообразных продуктов и других кон денсируемых газов. Процесс газификации органических материа лов сопровождается также образованием водяных паров.
4. Выделение воды, входящей в состав минералов: конститу ционной, кристаллизационной и цеолитной. Конституционная вода и кристаллизационная вода выделяются при определенных
температурах с соответствующими эндотермическими температур ными остановками, а цеолитная вода выделяется постепенно. Кроме воды, из некоторых минералов, входящих в состав формовоч ной смеси, выделяются газы. Эти источники газообразования особенно заметны в смесях, содержащих глину, бентонит и не которые примеси: гипс, асбест, известь и т. п. (табл. 26). В жидко-
|
|
|
|
|
|
Таблица 26 |
||
Содержание |
химически связанной воды |
и некоторых |
газов |
|
||||
в песках, глинах и минералах, |
входящих в состав |
смесей |
|
|||||
|
|
|
В ы д е Т е м п е р а т у р а |
К о л и ч е с т в о |
|
|||
М и н е р а л |
Х и м и ч е с к а я ф о р м у л а л я ю щ и й с я |
в ы д е л е н и я |
|
|||||
г а з а в в е с . % |
||||||||
|
|
|
г а з |
г а з а в ° К |
||||
|
|
|
|
|
||||
Слюда- |
K 2 0 - 3 H 2 O 6 S i 0 2 X |
3H2 0 |
413—473 |
10,4 |
|
|||
мусковит |
|
X 2Нг О |
2H2 0 |
873—1123 |
7,0 |
|
||
|
|
|
2 Н 2 0 |
443—483 |
26,0 |
|
||
Гидрокарбо |
MgCCy з н 2 о |
Н 2 0 |
673—723 |
13,0 |
|
|||
нат магния |
|
|
с о 2 |
933—983 |
32,0 |
|
||
Кальцит |
|
СаС03 |
с о 2 |
1133—1283 |
44,0 |
|
||
известняк |
|
|
с о 2 |
933—983 |
52,0 |
|
||
Магнезит |
|
MgC03 |
с о 2 |
1063 |
24,0 |
|
||
Доломит |
C a C 0 3 M g C 0 3 |
с о 2 |
1213 |
24,0 |
|
|||
Сидерит |
|
FeC03 |
с о 2 |
858 |
38,0 |
|
||
Глауконит |
К, |
Mg (Fe, Al), X |
з н 2 |
о |
773—1073 |
13,0—16,0 |
|
|
Гидраты окис |
X |
Si0 4 - 3H 2 0 |
|
|
|
18 m |
|
|
nFe2 03 • mH2 0 |
т Н 2 |
0 |
398—573 |
100 |
||||
лов железа |
160«+18m |
|||||||
Гидраты |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
окислов алю |
яА12 Су mH2 0 |
т Н 2 |
0 |
523—793 |
18m |
100 |
||
миния |
102«+18m |
|||||||
Двуводный |
CaS04 -2 2 0 |
1.54,0 |
338—410 |
|
||||
14,72 |
|
|||||||
гипс |
Ca S O 4 0,5 4 2 O |
0,5Н2 О |
443—483 |
6,21 |
|
|||
Полуводный |
|
|||||||
гипс |
|
CaS04 |
|
|
|
58,81 |
|
|
Безводный |
|
s o 3 |
1023—1373 |
|
гипс
стекольных смесях в интервале температур 300—850° С может происходить выделение углекислого газа в результате протекания реакций [55]
Na 2 C0 3 + Si0 2 = Na 2 S03 + С 0 2 ;
Na2 COs = Na 2 0 + C0 2 .
5. Выделение растворенных в металле газов (в основном водорода) при понижении температуры отливки и образование газов на поверхности раздела металл — форма в результате протекания различных химических реакций между металлом и формовочным материалом, например реакции между FeO и С, идущей с образованием СО. В некоторых случаях газообмен формы с металлом направлен в сторону отливки.
6. Диссоциация продуктов газовыделения; например при вы соких температурах возможна диссоциация паров воды с образо ванием кислорода и водорода, а также метана с образованием сажистого углерода и водорода.
7. Расширение воздуха, содержащегося в порах смеси и в по лости формы. Воздух, заключенный в порах, не играет заметной роли, так как его объем в 10—150 раз меньше объема выделяю щихся газов. При отсутствии в форме выпоров и прибылей воз дух, заключенный в полости формы, может оказать заметное
влияние на газовый режим. 8. Выделение (поглощение)
сорбционных газов в литейной форме, содержащей различные адсорбенты; может происходить как физическая, так и химиче ская адсорбция. Глины и бенто ниты способны впитывать до 20 вес. % воды; жидкое стекло— до 150%; сульфитная барда — до 70%; древесные угли — до 500%.
При нагреве сорбционные газы покидают поверхность ад сорбента, усиливая процесс газообразования. К сорбционным явлениям можно отнести и гигроскопичность веществ.
В основе всех перечислен ных источников газообразова ния лежат различные по своей природе физические и химиче ские процессы. В дальнейшем
эти процессы, происходящие в форме, будут называться одним условным термином — газообразование. Для индивидуальных (чистых) веществ применяется термин термодеструкция, механизм которой рассмотрен в работе [65].
Согласно работе [95] ведущим процессом в сырых формах является испарение влаги, а в высушенных и оболочковых фор мах — перегонка органических веществ. Наряду с зонами гази фикации веществ, в форме имеются зоны с пониженной темпера турой, где происходит частичная конденсация влаги и некоторых легкоконденсируемых газов [59, 86]. Таким образом, впереди движущегося фронта газообразования существует подвижная зона повышенной концентрации газотворных веществ (рис. 87).
Процесс газообразования в формовочных и стержневых сме сях характеризуется следующими факторами, которые имеют непосредственное отношение к появлению газовых раковин в от-
ливках: общим объемом образующихся газов, скоростью газо образования, температурой и химическим составом газов.
Объем |
газов, выделяющихся из смеси, нарастает во времени |
||
и зависит |
от объема смеси, |
нагретой |
до температуры газообразо |
вания, и |
от газотворности |
веществ, |
входящих в состав смеси. |
В общем случае не существует непосредственной связи между
объемом |
выделяющихся газов |
и образованием |
газовых |
раковин |
в отливках. |
|
|
|
|
Для |
раскрытия механизма |
формирования |
газового |
режима |
в форме и появления газовых раковин важнее знать скорость газообразования, чем общий объем образующихся газов. Объем фильтрующихся газов зависит также от их температуры
Начальная температура образующихся в смеси газов примерно равна температуре газообразования веществ; так, для механически связанной воды она составляет около 100° С, а для кристаллиза ционной воды, содержащейся, например, в гипсе CaS04 -2H2 0, около 200° С; газификация твердых связующих, как правило, происходит в широком интервале температур.
Количественная связь между объемом выделяющихся газов в формах и стержнях и газовым давлением выражается формулами (6), (24) и (25). Для их использования необходимо знать соответ ствующие теоретически обоснованные коэффициенты, характери зующие процесс газообразования в литейной форме. Эти коэф фициенты определяются или непосредственно из опыта, или из опыта с дополнительными расчетами. Все имеющиеся методы оп ределения газотворных свойств формовочных материалов можно свести к двум принципиально различным группам.
Первая группа включает косвенные методы, имевшие до по следнего времени повсеместное распространение. Они основаны на замере объема газов, выделяющихся из навески смеси, подвер гающейся воздействию высокой температуры (750—1200° С). По лучаемые значения газотворности являются сравнительными и не могут быть использованы для теоретических расчетов.
Вторая группа включает прямые методы, основанные на макси мальном приближении условий газификации исследуемой смеси к условиям, существующим в форме при заливке ее металлом. По классификации П. П. Берга, косвенные методы определяют газотворность смесей, а прямые — газотворность форм и стерж ней [10].
КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОТВОРНОСТИ
Самый ранний метод косвенного определения газотворности смеси основан на определении потери веса при прокаливании веществ. Прокаливание производится в воздушной атмосфере и сводится к удалению из навески всех видов воды, полному сго ранию органических веществ с выделением С 0 2 , СО и других га зов, образующихся при горении, и газификации неорганических
веществ — примесей типа извести, гипса, асбеста и т. п. Газотворность смеси в этом случае выражают в % летучих веществ от веса образца. Поскольку газы не улавливаются, их общий объем, скорость выделения и химический состав не известны.
Кроме того, что данный метод не дает возможности определить объем выделяющихся газов и скорость газовыделения, условия его проведения (интенсивность теплового воздействия, состав атмосферы, полнота протекания физико-химических процессов) не соответствуют условиям газообразования в форме при заливке металла, поэтому он используется редко, несмотря на его простоту и доступность.
Другой метод определения газотворности смеси основан на принципе «бомбы». Навеску смеси помещают в нагревае-
Рис. 88. Установка Орнста для определения газотворной способности смесей при нагреве (а) и лодочка для смеси (б)
мый до требуемой температуры сосуд, плотно закрываемый крыш кой. По мере повышения температуры усиливается газообразо вание в смеси и повышается давление газов, замеряемое маноме тром; температура газов фиксируется термопарой. Как правило, навеску смеси помещают в сосуд до начала нагрева. В случае проведения сравнительных исследований, при которых о вели чине газотворности судят непосредственно по давлению, возникаю щему в «бомбе» (без расчета объема выделившихся газов), реко мендуется предварительно определить характеристику самого прибора, а при оценке результатов — учитывать влияние дав ления на процесс газообразования.
Некоторым видоизменением метода «бомбы» является метод
определения |
газотворности, |
предложенный |
И. |
Орнстом |
[201 ]. |
|
Навеску |
смеси, объемом |
в уплотненном |
состоянии |
0,48 см3, |
||
формируют |
в керамической |
лодочке 2 (рис. 88) и |
помещают |
|||
в трубку /, |
нагреваемую в |
печи Марса. Трубку |
предварительно |
|||
продувают углекислым газом через трехходовой кран 3. |
|
|||||
Стенки лодочки сравнительно большой толщины изолируют |
||||||
навеску от |
воздействия высокой температуры, поэтому газифи |
|||||
кация смеси в первые 10—15 |
сек происходит по открытой |
поверх |
ности навески. При повышении газового давления в трубке / (краны 4 и 7 открыты) приводится в действие ртутный затвор 5; воздух в правом колене затвора 5 под давлением столбика ртути