Физика уплотнения: комплексный анализ уплотняемости при сжатии в режиме реального времени как основной переменной в управлении процессом обработки сырого песка

Реологическая и зернистая механика зеленого песка

Система глина-вода: от гидратации тромбоцитов до когезионного связывания

Механические свойства сырого песка в основном определяются микроскопическими взаимодействиями в системе связующего вещества глина-вода. Когезионная прочность песчаной смеси обусловлена уникальной структурой бентонитовой глины, состоящей из слоистых алюмосиликатных пластинок. При добавлении воды в процессе измельчения её полярные молекулы адсорбируются в межпакетном пространстве этих пластинок, вызывая их значительное набухание. 1 Этот процесс гидратации создаёт вязкие, когезионные «глино-водные мостики», которые покрывают зерна кварцевого песка и связывают их при уплотнении.

Процесс размалывания – это критически важный энергетический процесс, необходимый для активации этого механизма сцепления. Он воздействует на песчаную массу как сжимающими, так и сдвиговыми силами, что служит двум целям: разрушает агломераты глины, обнажая новые поверхности пластин для гидратации, и обеспечивает равномерное нанесение образующейся вязкой глиняно-водяной «замазки» на песчаные зерна. 3 Эффективность этого процесса определяет качество сцепления. В этой системе вода существует в двух основных состояниях: «закалочная вода», которая адсорбируется пластинками глины и структурно интегрируется в них, и «свободная вода», которая действует скорее как смазка между покрытыми зернами. 4 Только закалочная вода непосредственно способствует когезионным свойствам формы; избыток свободной воды в первую очередь способствует образованию большого количества пара при контакте с расплавленным металлом, что является основной причиной дефектов литья, связанных с газообразованием. 6

Для количественной оценки состояния связующего технологи литейного производства используют производные характеристики, такие как «доступная прочность сцепления» и «рабочая прочность сцепления». Доступная прочность сцепления, рассчитываемая на основе прочности на сжатие сырой смеси (GCS) и содержания влаги, отражает общую потенциальную связующую способность глины в системе. В отличие от этого, рабочая прочность сцепления, определяемая на основе GCS и уплотняемости, отражает количество глины, эффективно обеспечивающее прочность сцепления в текущих условиях формования. Значительное расхождение между этими двумя значениями может указывать на неэффективное размол или проблемы с соотношением глины и воды. 8

Влияние типа бентонита: сравнительный анализ натриевых и кальциевых бентонитов

Выбор типа бентонита оказывает существенное влияние на конечные свойства песчано-глинистых форм, поскольку натриевые и кальциевые бентониты демонстрируют совершенно разные свойства. Натриевый (западный) бентонит характеризуется исключительной термостойкостью, что обеспечивает превосходную прочность на сжатие в горячем состоянии и прочность на растяжение во влажном состоянии. Это делает его предпочтительным связующим для высокотемпературных ферросплавов, таких как сталь и ковкий чугун, где критически важно предотвратить появление термических дефектов, таких как эрозия песка, включения и корки расширения. 3 Напротив, кальциевый (южный) бентонит известен своей способностью быстро приобретать свойства в сыром состоянии, достигая более высокой прочности на сжатие в сыром состоянии при более низкой влажности. Он также обладает лучшей текучестью и меньшей деформируемостью, что делает его предпочтительным для производства форм со сложными деталями, глубокими карманами или для низкотемпературных цветных металлов. 3 Количественные различия суммированы в таблице 1.

Таблица 1: Сравнительные свойства систем натриевого и кальциевого бентонита

Свойство	100% натриевый бентонит	100% кальциевый бентонит	Смесь 50/50
Прочность на сжатие в сыром виде	11,8 фунтов на квадратный дюйм	14,3 фунта на квадратный дюйм	12,6 фунтов на квадратный дюйм
Зеленая деформация	1,3%	0,95%	1,1%
Прочность на растяжение во влажном состоянии	0,466 Н/см2	0,071 Н/см2	0,346 Н/см2
Прочность на сжатие в горячем состоянии (1800∘F)	575 фунтов на квадратный дюйм	110 фунтов на квадратный дюйм	320 фунтов на квадратный дюйм
Термическая стабильность	Очень хороший	Бедный	Хороший
Текучесть	Менее хорошо	Хороший	Умеренный

Данные синтезированы из источников. 3 Все значения приведены для систем с эквивалентной уплотняемостью.

Эти данные иллюстрируют фундаментальный компромисс: кальциевый бентонит обеспечивает превосходные свойства «в формованном виде» (GCS, текучесть), в то время как натриевый бентонит обеспечивает необходимую термическую стойкость, позволяющую выдерживать суровые условия литья чугуна и стали.

Роль гранулометрии: как показатель тонкости зерна (GFN) по шкале AFS определяет базовые свойства

В то время как связующая система обеспечивает сцепление, сама основа из песка определяет основные характеристики формы. Число тонкости зерен Американского литейного общества (AFS-GFN) – это средневзвешенное значение, количественно характеризующее распределение частиц песка по размерам. 12 Что ещё более важно, GFN служит прямым показателем общей площади поверхности песка в системе. 3 Эта зависимость имеет первостепенное значение: более высокое значение GFN указывает на более мелкий песок, что соответствует значительно большей общей площади поверхности на единицу веса. Такая увеличенная площадь поверхности требует большего объёма связующего глинистой воды для достижения одинаковой толщины покрытия на каждом зерне, и, следовательно, большего количества влаги и глины для достижения целевой уплотняемости. 3

Выбор подходящего GFN требует критического инженерного компромисса:

• Высокое содержание GFN (мелкозернистого песка): меньшие межзерновые промежутки между зернами обеспечивают более гладкую поверхность формы, что обеспечивает превосходное качество отливки. Однако эти же небольшие извилистые каналы изначально приводят к низкой проницаемости, что повышает риск возникновения дефектов, связанных с выделением газа, поскольку образующийся пар и связующие газы не могут легко выйти наружу. 14

• Низкое содержание GFN (крупный песок): крупные, хорошо связанные между собой пустоты обеспечивают отличную проницаемость, позволяя газам свободно выходить. Это преимущество достигается за счёт более шероховатой поверхности отливки и повышенной восприимчивости к проникновению металла, когда металлостатическое давление выдавливает жидкий металл в пустоты между песчинками. 11

Таким образом, стабильность GFN является необходимым условием стабильности всей системы сырого песка. Неконтролируемые изменения, такие как изменение подачи нового песка или накопление термически деградировавших мелких частиц, приведут к изменению площади поверхности системы. Это изменение нарушит установленную взаимосвязь между добавлением воды и уплотняемостью, что крайне затруднит управление процессом. GFN следует рассматривать как основную композиционную переменную, которая задаёт основу для всего последующего контроля физических свойств.

Более того, свойства песчаной смеси не остаются неизменными после выгрузки из мюллера. Даже в герметичном контейнере без потери влаги уплотняемость может со временем снижаться. 1 Это происходит из-за того, что в процессе мюллерования может не достигаться полная гидратация всех глиняных пластинок. Впоследствии, во время транспортировки и хранения, менее прочно связанная «свободная» вода продолжает медленно впитываться внутрь глиняных пластинок. Эта миграция превращает воду из смазочного материала в связующее вещество, делая песчаную смесь более жёсткой и менее пластичной. Эта зависимость свойств подчёркивает необходимость испытания песка на месте использования – в формовочной машине – для определения его истинного состояния в момент уплотнения.

Парадигмы измерения: от стандартизированных образцов до анализа состояния в процессе производства

Метод AFS 3-Ram: принципы, процедуры и ограничения интерпретации

Традиционным стандартом для испытаний зелёного песка является метод трёх таранов AFS, процедура, появившаяся ещё в 1920-х годах, призванная заменить субъективные оценки «на ощупь» количественной метрикой. 17 Процедура включает в себя просеивание рыхлой массы песка в стандартную трубку диаметром 2 дюйма, стряхивание излишков для создания фиксированного начального объёма и приложение фиксированной энергии путём сбрасывания груза массой 14 фунтов с высоты 2 дюйма три раза подряд. 7 Результирующее процентное уменьшение высоты определяется как уплотняемость.

Исторически основным предназначением этого метода в лабораторных условиях было создание стандартизированного цилиндрического образца размером 5 на 5 сантиметров для последующих испытаний, таких как прочность на сжатие и проницаемость в сыром состоянии. Для достижения этой фиксированной геометрии оператор должен изменять начальный вес песка в трубке до тех пор, пока процедура с тремя толкателями не даст образец точно заданной высоты. 7 Хотя этот подход бесценен для сравнительного анализа свойств материалов, он имеет фундаментальное ограничение: он отвечает на вопрос: «Сколько этого песка потребуется для создания образца стандартной плотности?». Однако он не отвечает на более практический производственный вопрос: «Какую плотность достигнет моя формовочная машина с этим песком?»

Метод онлайн-выдавливания: воспроизведение формовочной машины для полного понимания процесса

Метод онлайн-прессования представляет собой смену парадигмы как в технике измерений, так и в философии управления. Вместо удара этот метод использует калиброванный пневматический цилиндр для приложения контролируемого давления сжатия к фиксированной массе песка в испытательной камере. 17 Это действие непосредственно имитирует процесс уплотнения, используемый в современных прессах для формования высокоплотных и виброуплотнительных форм. 19

Ключевое отличие заключается в том, что конечная высота образца может варьироваться, и это изменение становится основным результатом испытания. Уплотняемость рассчитывается по формуле:

C(%)=(HначальныйHначальный−Hконечный)×100

Этот метод напрямую измеряет, как фиксированное количество песка реагирует на фиксированное количество подводимой энергии, что в точности соответствует тому, что происходит в опоке на производственной формовочной линии.7 Развертывая эти системы в режиме онлайн, непосредственно в месте использования, литейные заводы могут получать данные в режиме реального времени, которые отражают фактическое состояние песка, учитывая любые изменения, такие как потеря влаги или продолжающаяся гидратация глины, которые могли произойти во время транспортировки от мюллера.13 В таблице 2 приведены типичные целевые диапазоны свойств для системы формовки чугуна высокой плотности, контролируемой с помощью этой методологии.

Таблица 2: Целевые диапазоны свойств сырой формовочной смеси для формовки чугуна высокой плотности

Параметр	Типичное целевое значение	Допустимый диапазон
Компактность	40%	± 2%
Влага	3,2%	± 0,1%
Прочность на сжатие в сыром виде	31-36 фунтов на квадратный дюйм (214−248 кН/м2)	-
Проницаемость	> 100	-
Активная глина (МБ)	> 8%	-
АФС Клей	11-14%	-
Потеря при прокаливании (LOI)	3,5-7,5%	-

Данные синтезированы из источников. 4

Это философское различие между двумя методами имеет решающее значение. Традиционный лабораторный метод представляет собой систему с фиксированной геометрией , где колебания плотности устраняются для получения стандартного образца для испытаний. Метод онлайн-выдавливания представляет собой систему с фиксированной энергией , которая использует результирующее колебание плотности как важнейший сигнал. Это не просто более быстрая, автоматизированная версия лабораторного испытания; это более точное физическое моделирование самого производственного процесса, дающее возможность напрямую оценить будущее состояние пресс-формы.

Корреляция данных: объединение измерений из лаборатории и онлайн-систем

Несмотря на философские различия, исследования, проведённые AFS, продемонстрировали сильную статистическую корреляцию между результатами трёхплунжерного и пневматического методов прессования. 17 Как правило, для одного и того же образца песка пневматический пресс даёт несколько более высокие показатели уплотняемости. Эта сильная корреляция позволяет литейным заводам перейти от устаревших лабораторных методов контроля к современным онлайн-системам, устанавливая новые, эквивалентные целевые диапазоны, гарантируя актуальность исторических данных о процессе.

Более того, использование обеих систем может стать мощным диагностическим инструментом. Сравнивая показания автоматического тестера в мюллере с результатами ручного испытания песка, взятого из бункера формовочной машины, литейный цех может точно определить степень изменения свойств, например, высыхания или дальнейшей гидратации, происходящего в процессе транспортировки. 13 Эти данные могут помочь в корректировке целевых показателей мюллера или выявить неэффективность системы транспортировки песка.

Насыпная плотность: унифицированная основная переменная уплотненной формы

Прямая связь: как уплотняемость под давлением определяет достижимую насыпную плотность

Основная ценность измерения уплотняемости при сжатии в режиме онлайн заключается в её прямой и однозначной связи с конечной насыпной плотностью (ρb) уплотнённого песка. При фиксированной начальной массе песка (m), помещённого в цилиндрическую испытательную камеру с фиксированным радиусом (r), насыпная плотность зависит исключительно от конечной высоты уплотнения (Hf):

ρb=Vfinalm=πr2Hfm

Поскольку уплотняемость также является прямой функцией Hf, она служит точным индикатором насыпной плотности в реальном времени, которую песок достигнет при стандартном усилии формования.17 Более высокое значение уплотняемости напрямую соответствует меньшему

Hf и, следовательно, более высокая насыпная плотность. Эта плотность является основной физической переменной, определяющей все остальные критические механические и термические свойства готовой формы.

Влияние плотности на измерение электрической влажности: выявление распространенного источника ошибок контроля

Автоматизированные онлайн-датчики влажности обычно работают, измеряя электропроводность или ёмкость уплотнённого образца песка. Электрический ток в основном протекает через сплошные плёнки закалочной воды, покрывающие песчинки и глинистые пластинки. 5 Эффективность этой проводимости сильно зависит от близости проводящих частиц.

По мере увеличения уплотняемости увеличивается насыпная плотность, что заставляет песчинки сближаться. Это уплотнение создаёт большее количество, более короткие и тесные токопроводящие пути. В результате из двух образцов песка с одинаковым массовым содержанием воды образец, уплотнённый до более высокой плотности, будет демонстрировать более высокие показания кажущейся влажности. Опубликованные исследования в области литейного производства подтверждают, что увеличение насыпной плотности всего на 0,1 г/см³ может привести к увеличению показаний электрической влажности на 0,1–0,2%.

Это явление может создать пагубный контур обратной связи в автоматизированных системах управления. Если кратковременное событие приводит к повышению уплотняемости, более плотный образец будет показывать более высокую кажущуюся влажность. Система управления, запрограммированная на поддержание фиксированного значения влажности, интерпретирует это как «слишком влажный» песок и уменьшит количество добавляемой воды в следующей партии. Эта новая партия будет существенно суше, что приведет к низкой уплотняемости и риску появления рыхлости и эрозионных дефектов, что приведет к неконтролируемым колебаниям системы. Это показывает, что управление системой подачи песка, основанное только на показаниях электрического датчика влажности, в корне ошибочно; основной целью управления должна быть уплотняемость.

Физика проницаемости: обратная нелинейная функция объема межзерновых пустот

Проницаемость — это свойство, позволяющее газам, образующимся при заливке (пару влаги и пиролизным газам связующих веществ), выходить через форму. Она характеризует взаимосвязь и объём пустот между песчинками и определяется законом Дарси. 7

Влияние насыпной плотности на проницаемость является прямым и значительным. Поскольку более высокая уплотняемость приводит к более высокой насыпной плотности, зерна песка упаковываются плотнее, что резко уменьшает общий объём пустот и сужает каналы, соединяющие их. Эта зависимость является как обратной, так и крайне нелинейной. Данные AFS и литейной литературы неизменно показывают, что, хотя изменение уплотняемости с 35% до 40% может лишь незначительно снизить проницаемость, дальнейшее увеличение с 45% до 50% может вызвать резкое падение, потенциально толкая песок через «обрыв проницаемости». 18 Для типичного песка железной системы это изменение может снизить проницаемость с безопасного значения 140 до критически низкого значения 100, создавая высокую вероятность возникновения дефектов, связанных с захваченным газом.

Механика зеленой силы: экспоненциальный рост за счет межчастичного контакта

Прочность на сжатие в сыром состоянии (GCS) песчаной формы — это максимальное сжимающее напряжение, которое она может выдержать до разрушения. Эта прочность определяется совокупной силой сцепления миллионов глиняно-водяных мостиков, действующих в точках контакта между соседними песчинками. 7

Влияние насыпной плотности на показатель GCS очень сильное и экспоненциальное. С увеличением плотности количество точек контакта между зернами в единице объёма резко увеличивается. Это создаёт гораздо более прочную, сцепленную структуру, способную выдерживать более высокие нагрузки. Следовательно, показатель GCS сильно и напрямую коррелирует с насыпной плотностью. 27 Песчаная смесь, которая кажется слабой, может просто находиться в состоянии низкой плотности. Например, тот же состав песка может иметь показатель GCS

120 кН/м² (приблизительно 17 фунтов на кв. дюйм) при уплотняемости 35%, но при уплотнении до 45% прочность может увеличиться до 170 кН/м² (приблизительно 25 фунтов на кв. дюйм) без изменения состава. Это подчёркивает, что прочность зависит не только от состава, но и от состояния уплотнения, которое наилучшим образом измеряется по уплотняемости.

Структура для прогнозирования и устранения дефектов

Понимание того, что уплотняемость является прямым показателем конечной плотности формы, а плотность определяет все остальные свойства, позволяет создать мощную систему прогнозирования и предотвращения дефектов литья. Эта система выходит за рамки простого реагирования на дефекты и позволяет проактивно контролировать физическое состояние формы. Наиболее практическое применение этих знаний — диагностическая система, как подробно описано в таблице 3.

Таблица 3: Комплексная структура анализа дефектов литья

Название дефекта	Внешний вид	Первичная причина состояния песка	Ключевой показатель уплотняемости	Вторичные показатели параметров песка	Механизм формирования	Рекомендуемые корректирующие действия
Удары / проколы	Гладкие, сферические или овальные полости, часто подповерхностные, выявляемые после механической обработки. 29	Низкая проницаемость плесени	Высокий (>48-50%)	Высокая кажущаяся влажность, низкая проницаемость (<100)	Выделяющиеся пар и газы связующего вещества задерживаются плотной структурой формы. Давление газов превышает металлостатическое давление, что приводит к образованию пузырьков в жидком металле. 6	Уменьшите целевой показатель уплотняемости для повышения проницаемости. Проверьте добавление воды по методу Мюллера. Проверьте наличие избыточного количества мелких частиц или горючих веществ (потерь проницаемости). 18
Эрозия песка / включения	Песчинки неправильной формы, внедренные в поверхность или внутреннюю часть отливки. 15	Низкая прочность формы / Высокая хрупкость	Низкий (<35-38%)	Низкий GCS, высокая рассыпчатость (>11%)	Слабая, малоплотная поверхность формы не может противостоять эрозионному воздействию текущего металла. Частицы песка смываются и задерживаются в отливке. 6	Увеличьте целевой показатель уплотняемости для повышения плотности и прочности формы. Проверьте содержание глины (тест с метиленовым синим) и эффективность размалывания. 15
Проникновение металла	Шероховатая поверхность отливки с зернами песка, внедренными в металлическую матрицу. 32	Высокая проницаемость плесени / Низкая плотность	Низкий (<35-38%)	Низкий GCS, низкая твердость формы	Большие пустоты между неплотно упакованными зернами песка позволяют жидкому металлу выдавливаться в стенку формы под действием металлостатического давления. 18	Увеличьте целевой показатель уплотняемости для создания более плотной поверхности формы. Рассмотрите возможность использования более мелкого базового песка (с более высоким показателем GFN) или покрытия формы. 32
Движение стенки плесени/сгущения	Отливка имеет слишком большой размер, неточные размеры и может иметь признаки «ложной усадки». 18	Низкая прочность формы	Низкий (<35-38%)	Низкий GCS, низкая твердость формы	Слабая, малоплотная стенка формы не может противостоять металлостатическому давлению головки жидкого металла, что приводит к расширению полости формы. 6	Значительно увеличьте целевой показатель уплотняемости для повышения плотности и жёсткости формы. Обеспечьте надёжную поддержку и закрепление опоки. 18
Расширение парши	Тонкий металлический слой, отделенный от тела отливки слоем песка. 18	Низкая прочность в горячем состоянии / плохая термостойкость	Любой (часто в ассортименте, но с плохим связующим)	Низкая прочность на растяжение во влажном состоянии	На границе формы и металла слой песка быстро расширяется. Если зона конденсации за ним имеет низкую прочность, этот слой может деформироваться и оторваться, что позволит металлу затекать за него. 3	Обеспечьте достаточное содержание натриевого бентонита для достижения высокой WTS. Проверьте содержание морского угля/углеродсодержащей добавки. Избегайте чрезмерной уплотняемости. 18

Режим высокой уплотняемости/высокой плотности: прогнозирование и предотвращение дефектов, связанных с газом

Если онлайн-тестеры показывают стабильно высокую уплотняемость (например, 42–45%), то полученная форма будет твёрдой, плотной и прочной, но, что особенно важно, с низкой проницаемостью. По мере заполнения полости расплавленным металлом, сильный нагрев мгновенно испаряет влагу из песка, вызывая значительное расширение объёма за счёт превращения воды в пар. Одновременно любые углеродсодержащие добавки и органические связующие вещества пиролизуются, выделяя дополнительные газы. 25 В форме с низкой проницаемостью эти газы не могут выйти через песок. Внутреннее давление газа нарастает до тех пор, пока не превысит локальное металлостатическое давление жидкого металла, вызывая появление пузырьков в отливке. Эти захваченные пузырьки проявляются в виде таких дефектов, как

удары , точечные дефекты и газовая пористость . 6 Пример из литейного цеха по производству ковкого чугуна наглядно продемонстрировал эту связь: отклонение процесса, вызвавшее снижение проницаемости, привело к увеличению на 40 % количества отходов, связанных с газом. Эта проблема была решена путем восстановления проницаемости с помощью коррекции системы песка. 25

Режим низкой уплотняемости/низкой плотности: прогнозирование и предотвращение нарушений стабильности формы

Напротив, низкие показатели уплотняемости (например, <35–38%) указывают на мягкую, пористую и структурно слабую форму. Хотя такая форма может обладать превосходной проницаемостью, её механическая целостность недостаточна для выдерживания усилий заливки. Низкая плотность означает меньшее количество точек контакта между зернами, что приводит к слабому когезионному сеточному взаимодействию. 15 Это состояние приводит к нескольким различным видам разрушения:

• Эрозия и песчаные включения: Кинетическая энергия струи металла физически смывает песок со стенок и литников формы. Этот песок затем попадает в полость литейной формы, где он задерживается в виде включений. 6

• Проникновение металла: большие, взаимосвязанные пустоты в структуре с низкой плотностью обеспечивают легкий путь для выдавливания жидкого металла в стенку формы под металлостатическим давлением, что приводит к образованию шероховатой, покрытой песком поверхности, очистка которой требует больших затрат. 32

• Разбухание и смещение стенок формы: Низкая прочность в сыром состоянии не позволяет отливке противостоять статическому давлению жидкого металла. Стенки полости формы деформируются и расширяются, что приводит к получению отливок с неточным размером и избыточным весом. 6

В этом режиме низкой плотности показания высокой проницаемости являются вводящим в заблуждение и нерелевантным параметром. Форма разрушается механически под воздействием эрозионных сил задолго до того, как давление газа становится основной проблемой. Это иллюстрирует критически важную иерархию свойств: достаточная прочность в сыром состоянии является необходимым условием для качественной отливки. Только после достижения механической стабильности проницаемость становится следующим ограничивающим фактором.

Интерпретация окна процесса: количественный анализ четырёх партий песка

Следующий анализ четырёх различных партий песка иллюстрирует, как использовать уплотняемость в качестве основного критерия для прогнозирования результатов литья. Целевое окно процесса представлено партией A.

Партия	Уплотняемость (%)	Насыпная плотность (г/см³)	Влажность (онлайн-чтение)	Проницаемость	Прочность (GCS, кН/м²)	Анализ и прогнозируемый результат кастинга
А	40	1.58	3,3%	145	150	Целевое технологическое окно. Свойства хорошо сбалансированы. GCS достаточен для обеспечения размерной стабильности и устойчивости к эрозии, а проницаемость достаточна для отвода выделяющихся газов. ОЖИДАЙТЕ КАЧЕСТВА ОТЛИВОК.
Б	50	1.68	3,5%	105	190	ОПАСНО: Переуплотнение. Высокая прочность обманчива. Критически низкая проницаемость (105) создаёт высокую вероятность скопления пара и газов в ядре, что приводит к образованию пор и прорывов, особенно на сложных или плохо вентилируемых участках.
С	34	1.49	3,1%	180	115	ОПАСНО: Недостаточное уплотнение. Форма имеет ненадёжную конструкцию. Низкая проницаемость (115) не выдерживает металлостатического давления, что приводит к проникновению металла, эрозии песка, образованию включений и разбуханию отливки. Высокая проницаемость не имеет значения из-за механического разрушения.
Д	45	1.61	3,4%	130	165	Отклонение процесса — Внимание! Эта партия плотнее и прочнее целевой. Хотя она, вероятно, приемлема для простых отливок, она приближается к зоне риска газовых дефектов, характерной для партии B. Это может быть ранним предупреждением об изменении содержания мелких фракций или активной глины.

Партия D демонстрирует более тонкое использование данных об уплотняемости. Если операторы замечают устойчивую тенденцию к увеличению потребности в воде для поддержания целевой уплотняемости 42%, это служит мощным опережающим индикатором. Это означает, что общая площадь поверхности песка увеличивается, вероятно, из-за накопления мелких частиц или мертвой глины. Это позволяет инженерам выявить и устранить первопричину (например, отрегулировать пылеулавливание, увеличить количество добавляемого песка) до того, как изменение состава станет достаточно значительным, чтобы привести к дефектам.

Расширенные темы по контролю и характеристике зеленого песка

Влияние углеродсодержащих добавок на термическую стабильность и газовыделение

Помимо первичной системы «песок-глина-вода», решающую роль играют добавки. Морской уголь (пылевидный каменный уголь) и другие углеродсодержащие материалы добавляют в литейные пески для чугуна для улучшения качества поверхности отливок. Под воздействием тепла расплавленного металла эти добавки испаряются, создавая газообразную подушку из восстановительных газов на границе раздела формы и металла. Это явление, известное как образование «блестящего углерода», предотвращает смачивание зерен кремнезема жидким металлом, тем самым предотвращая реакции песка с металлом и обеспечивая гладкую и чистую поверхность отливки. 35

Однако это преимущество имеет существенное последствие: эти добавки являются основным источником газа. Исследования показали, что увеличение содержания морского угля с 1% до 2% может увеличить общий объём выделяющегося газа более чем на 15%. 33 Этот дополнительный объём газа должен безопасно выводиться через проницаемую структуру формы. Это создаёт системный баланс: литейное производство не может увеличивать содержание морского угля для улучшения качества поверхности, не учитывая влияние на газовую нагрузку. Для компенсации этого может потребоваться снижение целевого показателя уплотняемости с целью преднамеренного повышения проницаемости, что обеспечит больший путь выхода для дополнительного газа. Это показывает, что ни одна переменная в системе сырой формовочной смеси не может быть скорректирована изолированно.

Динамические механические свойства: хрупкость, прочность на разрыв во влажном состоянии и термическая эрозия

Хотя GCS является основным показателем прочности, другие динамические свойства обеспечивают более детальное понимание поведения формы в тяжелых условиях литья.

• Хрупкость: Этот тест измеряет хрупкость поверхности уплотнённого песка, отражая его стойкость к истиранию на краях и углах формы. Хрупкость обратно пропорциональна уплотняемости; небольшое снижение уплотняемости (высыхание) может привести к резкому её увеличению, повышая риск образования дефектов, связанных с включениями песка. 10

• Прочность на разрыв во влажном состоянии (WTS): Во время заливки влага из сырого песка отводится от горячего интерфейса, образуя зону конденсации непосредственно за сухим слоем песка. WTS измеряет прочность на разрыв в этой критической зоне. Высокая прочность на разрыв, ключевая характеристика натриевого бентонита, необходима для предотвращения дефектов расширения, таких как корки и вмятины. 3

• Термическая эрозия: этот усовершенствованный тест измеряет сопротивление истиранию поверхности песчаного образца при повышенных температурах, обеспечивая более реалистичную имитацию эрозионного воздействия текущего металла, чем испытания при комнатной температуре, такие как испытания на хрупкость. 10

Будущее борьбы с выносом песка: выводы из компьютерного моделирования (ЦМР/МКЭ)

Будущее оптимизации процесса формования песчано-глинистых смесей лежит в области компьютерного моделирования, позволяющего проводить виртуальные испытания и оптимизировать процессы формования. Применяются два основных метода:

• Метод дискретных элементов (DEM): Этот подход моделирует сырой песок как совокупность миллионов отдельных взаимодействующих частиц. DEM исключительно хорошо подходит для моделирования зернистого потока песка при заполнении полости формы, прогнозирования начальных изменений плотности и понимания поведения песка во время «выброса» в высокоскоростных процессах формования. 20

• Метод конечных элементов (МКЭ): этот метод рассматривает песок как сплошную среду с заданными механическими свойствами. МКЭ используется для моделирования фазы уплотнения или сжатия при формовании, прогнозируя конечное распределение плотности, напряжений и твёрдости формы по всей её длине на основе геометрии модели и приложенного давления. 40

В совокупности эти инструменты моделирования позволяют инженерам-литейщикам оптимизировать компоновку моделей, конструкцию литниковых систем и параметры формовочной машины для достижения равномерного уплотнения и минимизации риска дефектов, связанных с плотностью, еще до изготовления хотя бы одной физической формы.

Заключение

Переход от традиционного лабораторного испытания формовочной смеси к онлайн-измерениям в процессе производства методом прессования представляет собой фундаментальное изменение в контроле качества формовочной смеси. Этот сдвиг основан на изменении философии: от создания стандартизированного образца фиксированной геометрии к точному моделированию уплотнения с фиксированной энергией непосредственно в формовочной машине. Изменчивость плотности конечного образца, ранее считавшаяся экспериментальным шумом, теперь корректно идентифицируется как критический сигнал.

В ходе данного анализа установлено, что уплотняемость, измеряемая методом онлайн-прессования, является наиболее прямым и практичным показателем конечной насыпной плотности песка в форме. Эта насыпная плотность является основной физической переменной, которая объединяет и определяет все остальные критические свойства формы. Показания кажущейся влажности, газопроницаемости и прочности на сжатие в сыром состоянии не являются независимыми переменными, которые следует оценивать по отдельности; они являются вторичными эффектами плотности, достигнутой в процессе прессования.

Используя уплотняемость в качестве опорной точки для интерпретации, литейные заводы могут избежать ловушек наивных стратегий контроля, таких как погоня за заданным значением кажущейся влажности, и начать контролировать фактическое физическое состояние формы. Этот комплексный подход обеспечивает мощную основу для проактивного прогнозирования результатов литья. Высокая уплотняемость предупреждает о надвигающемся риске газовых дефектов из-за низкой проницаемости, в то время как низкая уплотняемость сигнализирует об опасности нарушения стабильности формы, такой как эрозия, проникновение и разбухание. Поддерживая уплотняемость в четко определенном технологическом окне, литейные заводы могут стабилизировать свои песчаные системы, привести управление процессом в соответствие с металлургическими реалиями и добиться значительного снижения дорогостоящих литейных дефектов.