Optymalizacja procesów technologicznych, w których stosowane są tworzywa zbudowane z ziarnistej osnowy i materiału wiążącego (spoiwa chemicznego, lepiszcza gliniastego itp.), wymaga znajomości kinetyki wiązania tworzywa w rzeczywistych warunkach panujących w procesie technologicznym. Typowymi przedstawicielami tej rodziny tworzyw są masy formierskie stosowane w odlewnictwie oraz tworzywa używane w ceramice i budownictwie (cementy, betony, zaprawy wapienne i gipsowe itp.). Proces wiązania (utwardzania), jego mechanizm i kinetyka są najczęściej charakterystyczne dla danego tworzywa. Wspólną cechą tej rodziny tworzyw jest to, iż w okresie wiązania obserwuje się nieprzerwany przyrost właściwości sprężystych i zwiększanie wskaźników wytrzymałości. Jednak przebieg tych zmian jest uwarunkowany wieloma czynnikami i najczęściej trudno jest przewidzieć ich kinetykę. Niekiedy w wyniku oddziaływania warunków atmosferycznych (np. wilgotnego powietrza), tworzywa ze spoiwami hydrofilowymi tracą nabytą wcześniej sprężystość i wytrzymałość. Złożoność tych zjawisk fizykochemicznych prowadzących zarówno do umacniania, jak i osłabiania wiązań powoduje, że kinetyka tych procesów w większości wypadków jest trudna do przewidzenia bez badań eksperymentalnych. W dotychczasowych rozwiązaniach przebieg zmian wytrzymałości był określany na podstawie pomiarów doraźnej wytrzymałości w okresie wiązania (odstawania) masy uformowanej w znormalizowane próbki. Niniejsza rozprawa obejmuje opis prac i badań dotyczących opracowania nowej metody monitorowania procesu wiązania tworzyw ziarnistych ze spoiwami, opartej na technice ultradźwiękowej. Za zmianami fizykochemicznymi w procesie wiązania podążają zmiany właściwości akustycznych ośrodka (tworzywa); zmienia się tłumienie i prędkość propagacji ultradźwiękowej fali. Zjawisko to zostało wykorzystane do opracowania metody ultradźwiękowej, która pozwala monitorować przebieg zmian w sposób ciągły od początku procesu, opisywać jego kinetykę, a więc wyznaczać chwilowe prędkości wzrostu sprężystości tworzywa, które są wskaźnikami zmian stopnia związania. Założone cele osiągnięto przez: – opracowanie wielu rozwiązań w zakresie metodologii prowadzenia badań przebiegów utwardzania techniką ultradźwiękową; – wyznaczenie wpływu budowy ośrodków ziarnistych na ich zdolność do propagacji fali ultradźwiękowej; wyznaczenie modeli opisujących wpływ wybranych czynników na kinetykę procesów wiązania mas formierskich ze spoiwami chemicznymi i innych tworzyw ceramicznych. Opracowana metoda badawcza, z uwagi jej uniwersalność oraz łatwość skomputeryzowania zbierania i przetwarzania wyników badań, bezobsługowy charakter samych pomiarów oraz możliwość bezpośredniego (in situ) badania przebiegu procesów może stać się w najbliższym okresie jedną z podstawowych metod badań opisywanych tworzyw. Wyniki badań ułatwiają weryfikację przyjmowanych modeli matematycznych opisujących kinetykę procesów umacniania (lub osłabiania) wywoływanych procesem wiązania, oddziaływania otoczenia, nagrzewaniem itp. Badania on line, które można nazwać analizą ultradźwiękową procesu wiązania, mogą być również źródłem informacji o mechanizmach samego procesu. Uporządkowanie i poszerzenie wiedzy w obszarze propagacji fali ultradźwiękowej w dużej rodzinie tworzyw ziarnistych ułatwia wykorzystanie opracowanej metody, zakreśla granice i możliwości jej wykorzystywania.
Wydawnictwa nie prowadzą sprzedaży książek z serii "Rozprawy Monografie". Zainteresowanych prosimy o kontakt z ich autorami.
- Spis treści
-
Streszczenie 9
Summary 11
1. Przegląd prac dotyczących obszaru tematycznego pracy 13
1.1. Charakterystyka i zakres prac opisanych w literaturze przedmiotu 13
1.2. Charakterystyka i zakres prac własnych 15
2. Stan wiedzy z zakresu tematycznego 18
2.1. Masy formierskie jako ośrodki wielofazowe, niejednorodne, lepko-sprężyste 18
2.2. Procesy fizykochemiczne o charakterze ciągłym zachodzące w masach formierskich 20
2.2.1. Procesy zachodzące w trakcie mieszania i odświeżania 20
2.2.2. Procesy zachodzące po zagęszczeniu masy w formach i rdzeniach 21
2.2.3. Zmiany właściwości masy w wierzchniej warstwie formy 23
2.2.4. Zmiany właściwości masy po zalaniu formy metalem 24
2.3. Propagacja fal ultradźwiękowych w ośrodkach uziarnionych (wielofazowych), charakteryzujących się silnym tłumieniem 25
2.3.1. Rodzaje fal 25
2.3.2. Prędkość rozchodzenia się fal w ośrodkach bez strat (liniowo‑sprężystych) 26
2.3.3. Rozchodzenie się fal ultradźwiękowych w porowatych ośrodkach uziarnionych 28
2.3.3.1. Prędkość fali 28
2.3.3.2. Tłumienie fali w ośrodkach ziarnistych i porowatych 30
2.4. Modele reologiczne masy formierskiej a propagacja fali sprężystej 33
2.5. Związki pomiędzy parametrami propagacji fali a wskaźnikami wytrzymałości mas 39
2.6. Wnioski z analizy materiałów i prac 41
3. Tezy, cel i zakres pracy 43
3.1. Tezy pracy 44
3.2. Cel i zakres pracy 45
4. Propagacja fal w ośrodku dwufazowym – model uproszczony 47
4.1. Obliczenia zmian prędkości fali w ziarnistym ośrodku dwufazowym (przykład) 49
5. Badania ultradźwiękowe mas klasycznych 52
5.1. Badania lepiszcza w postaci pasty wodno-glinowej 52
5.2. Badania zjawiska tiksotropii w pastach bentonitowych 54
5.3. Badania zjawiska tiksotropii w wilgotnych masach bentonitowych 60
5.4. Ocena stanu form wykonanych z mas wiązanych bentonitem 64
5.4.1. Ocena gęstości pozornej i porowatości mas 65
5.4.2. Ocena właściwości mechanicznych masy zagęszczanej w formie 69
5.4.3. Ocena przepuszczalności masy zagęszczanej w formie 71
5.4.4. Ocena sprężystości masy zagęszczonej w formie 73
5.4.5. Podsumowanie 77
5.5. Badania kinetyki zmian sztywności form wykonanych z mas syntetycznych po zalaniu ich ciekłym metalem 78
5.5.1. Metodyka badań 78
5.5.2. Wyniki badań form po zalaniu metalem 81
6. Badania wiązania i utwardzania mas ze spoiwami chemicznymi 86
6.1. Koncepcja badań, metodyka pomiarów i bezwymiarowe kryteria oceny stopnia utwardzenia mas 87
6.1.1. Budowa stanowisk pomiarowych 87
6.1.2. Metodyka badań kinetyki utwardzania mas ze spoiwami chemicznymi 91
6.2. Badania wpływu podstawowych czynników na kinetykę utwardzania SMS 94
6.2.1. Wpływ temperatury osnowy (masy) 95
6.2.2. Wpływ wilgotności osnowy 104
6.2.3. Wpływ stosunku utwardzacz – żywica 110
6.2.4. Wpływ warunków wymiany gazów 114
6.3. Badania kinetyki utwardzania mas przedmuchiwanych aktywnymi gazami 118
6.3.1. Utwardzanie przy dmuchu ciągłym – wpływ czynników technologicznych 119
6.3.2. Utwardzanie przy dmuchu pulsacyjnym – wpływ parametrów cyklu 127
6.3.3. Zależność pomiędzy stopniem utwardzenia a wytrzymałością masy 133
6.4. Badania zachowania mas po wykonaniu elementów formy w zmiennych warunkach otoczenia (wilgotności i temperatury) 134
6.4.1. Badania masy ze szkłem wodnym 136
6.4.2. Wpływ wielkości ziarna osnowy na przebieg zmian w warstwie wierzchniej formy 141
6.4.3. Badania mas ze spoiwami organicznymi 142
6.5. Badania form wykonanych z mas ze spoiwami chemicznymi po zalaniu ich metalem 143
6.6. Ocena stanu form wykonanych z mas ze spoiwami chemicznymi 147
6.6.1. Ocena stopnia utwardzenia masy w formie (rdzeniu) 148
6.6.2. Ocena jakości formy (rdzenia) w pełni utwardzonej 149
6.6.3. Kształtowanie wytrzymałości mas ze spoiwami i jej ultradźwiękowa kontrola 155
7. Badania kinetyki wiązania odlewniczych mas ceramicznych 163
7.1. Badania kinetyki utwardzenia w cienkich warstwach 164
7.2. Badania kinetyki utwardzania bez kontaktu z otoczeniem 167
8. Badania on line procesów wiązania w elementach formy 168
8.1. Koncepcja przemysłowych badań SMS 168
8.2. Koncepcja przemysłowych badań SMSz (cold-box) 169
8.3. Koncepcja przemysłowych badań form ceramicznych (technologia wytapianych modeli) 170
9. Inne obszary i możliwości zastosowań opracowanej metody badań ultradźwiękowych 172
10. Podsumowanie i wnioski końcowe 173
Literatura 178