книги из ГПНТБ / Медведев Я.И. Технологические испытания формовочных материалов

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-

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.

В общем случае не существует непосредственной связи между

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

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

вытесняется через капилляр 6 в атмосферу. Одновременно воздух действует на водяной манометр 8. Газотворность смеси опреде­ ляется как максимальная скорость повышения давления газов,

скорости движения ртутного столба и, следовательно, скорости увеличения давления газов.

различных связующих изменяется в широких пределах; наиболь­ шее значение ее у воды, имеющей минимальную температуру газообразования.

В отличие от метода прокаливания газотворность смеси в за­ крытом сосуде можно определять в различной регулируемой атмо­ сфере, что позволяет получать более стабильные характеристики газотворности смесей. Однако условия проведения опытов и в этом случае не приближаются существенно к условиям газообразова­ ния в литейной форме [11, 103, 171].

Наибольшее распространение из этой группы методов полу­ чил метод газификации навески смеси в специальной трубчатой печи. При этом методе в отличие от метода «бомбы» постоянным остается давление газов, собираемых в специальной бюретке, а их объем, как правило, определяется при нормальных условиях или незначительно отличающихся от них.

Установка (рис. 89) для испытания имеет трубчатую электри­ ческую печь, в которую вставляют кварцевую или фарфоровую трубку внутренним диаметром 18—20 мм. Один конец трубки

соединяется с водоохлаждаемой мерной бюреткой, а другой за­ крывается пробкой. Навеску смеси помещают в фарфоровую ло­ дочку, которую, в свою очередь, устанавливают в трубку после достижения в ней определенной температуры. Выделяющийся из навески газ поступает в мерную бюретку, вытесняя из нее воду в уравнительный сосуд, укрепленный, как и бюретка, на штативе. В процессе проведения опытов уравнительный сосуд должен

Рис. 89. Схема установки для определения газотворной способности формовоч­ ных материалов:

Охлаждение водопроводной водой поступающих в бюретку газов и нивелировка уровня воды в сосудах позволяют приводить газы практически к нормальным условиям.

Температура печи замеряется, как правило, платино-платино- родиевой термопарой, связанной с гальванометром, и регулируется при помощи реостата.

На практике используют несколько вариантов установки, приведенной на рис. 89. Некоторые исследователи для создания в трубке 2 требуемой атмосферы подключают к установке источ­ ники различных газов: аппарат Киппа, баллоны и т. п. При этом трубка и бюретка предварительно продуваются соответствую­ щим газом с целью вытеснения воздуха, а затем в печь помещается навеска смеси.

Иногда для уменьшения отрицательного действия вредного объема прибора навеску исследуемой смеси помещают не в ло­ дочку, а в специальную кварцевую пробирку небольшого размера,

зов повышается с увеличением навески [10], что можно объяснить

к 1 % связующего, увеличивается в 1,5 раза. Навеска должна быть такой, чтобы все выделившиеся газы уместились в объеме калибро­

быть на отметке «нуль». Иногда используют приборы, в кото­ рых между трубкой и бюреткой ставят кран; он должен быть открыт при пуске секундомера. По мере вытеснения воды из бюретки должен опускаться уравнительный сосуд.

Смеси на данном приборе можно исследовать в двух направ­ лениях:

1. Определение общего объема газов, выделяющихся из на­ вески при полной ее газификации нагревом до максимальной тем­ пературы, т. е. определение условно называемой абсолютной газотворности.

2. Определение температуры или температурного интервала термодеструкции связующих.

При определении абсолютной газотворности смесь помещают в печь, нагретую до максимальной температуры порядка 1000— 1200° С. Более высокая температура печи гарантирует большую полноту газификации смеси, однако в этом случае трудно до­ биться равномерной работы электрической печи. Газификация навески при температуре 750—800° С не происходит до конца, и показатель газотворности получается заниженным.

Поскольку процесс газификации любых продуктов происходит во времени, то важно установить длительность проведения опы-

тов. Для сравнительных целей иногда ограничиваются определе­ нием объема газов, выделившихся в первые 2—3 мин, однако более точные результаты получаются в случае, когда газификация навески продолжается 5—10 мин или до момента полного пре­ кращения процесса газовыделения.

Для определения абсолютной газотворности смеси исполь­ зуют несколько способов обработки полученных эксперименталь­ ных данных. В большинстве случаев выделившийся объем газов делят на вес смеси. Полученный показатель (в см3/г) можно условно назвать весовой газотворностью смеси, также можно использо­

Иногда ограничиваются графическим изображением резуль­ татов опытов в координатах «объем выделившихся газов — время». В этом случае можно судить не только об абсолютной величине газотворности, но и об условной скорости газификации: чем больше угол наклона кривой, тем выше скорость газификации.

При оценке и сравнении газотворностей, приведенных в тру­ дах различных исследователей, следует учитывать условия про­ ведения опытов, в частности состав атмосферы, в которой произво­ дилась газификация навески. При сгорании, например, углерода, входящего в состав газотворных веществ, может образоваться различное количество газов в зависимости от наличия в атмосфере кислорода: при недостатке кислорода образуется СО, а при из­ бытке — С 0 2 - В первом случае образуется больше газов (рис. 90), чем во втором. Максимальное количество газов образуется в ар­ гоне, азоте, С 0 2 и в естественной среде (т. е. в атмосфере собствен­ ных газов); в чистом кислороде газотворность в 2,6 раза меньше, чем в среде инертного газа.

Поскольку в форме газификация смеси происходит практически в безкислородной среде, газотворность смеси следует также опре­ делять при отсутствии кислорода, для чего установку (см. рис. 89) продувают предварительно углекислым газом или азотом. Можно также производить газификацию в «собственной атмосфере», т. е. в атмосфере, состоящей из газов, выделяющихся из данной исследуемой смеси. С этой целью в трубке производится пред­ варительная газификация смеси.

меряют при различных температурах и строят термодеструкцион-