Определение качества бентонита - методика испытаний немецкого общества литейщиков VDG - MERKBLATT P 69

Снисарь В. П.

Определение качества бентонита для формовки по-сырому является не такой простой задачей, как может показаться на первый взгляд.  По сути главным показателем качества бентонита является его удельный расход на 1 т. годного литья, но определить эту величину можно только по результатам работы формовочной линии за достаточно продолжительный период времени. А для определения качества бентонита при входном контроле материалов приходится пользоваться несколькими показателями качества, каждый из которых  по разному влияет на удельный расход бентонита. К тому же существуют несколько разные методики их определения.

В странах экс-СССР, в том числе и в Украине,  до настоящего времени действует ГОСТ 28177-89 «Глины формовочные бентонитовые. Общие технические условия» [1].   Согласно этого документа маркуобразующими являются три показателя качества формовочной смеси, состоящей из 95% кварцевого песка и 5% бентонита:

1. Предел прочности при сжатии в сыром состоянии;
2. Предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги;
3. Термическая устойчивость.

В указанном стандарте предусмотрено 36 марок бентонита с разными комбинациями вышеуказанных свойств, но наибольшим спросом пользуется марка П1Т1. При этом практика показывает, что бентопорошок разных производителей, полностью соответствующий требованиям к этой марке, может очень существенно отличаться по удельному расходу бентонита на тонну годного литья одинакового сортамента (вес отливок, толщина стенок, вид металла).  Следовательно, имеет место существенная неоднозначность определения качества материала согласно этого стандарта.

На европейском рынке бентопорошков для литья в сырую песчано-бентонитовую форму есть множество торговых марок этого продукта при отсутствии единого стандарта его качества. Советский принцип «несоблюдение стандарта преследуется по закону», задекларированный в начале каждого стандарта, здесь не актуален. А роль главного ревизора за соблюдением стандартов играет конкурентная среда. Чаще всего европейские производители бентонита для литейного производства декларируют качественные показатели согласно Методики немецкого общества литейщиков, известной как «VDG - MERKBLATT P 69». Этот документ регламентирует методы испытаний, но не указывает производителю, какие значения каких показателей он должен обеспечивать.

В указанной методике определяется адсорбционная активность бентонита по поглощению метиленового голубого красителя  (нем. Methylenblauwert), а также испытывается формовочная смесь, состоящая из 95% песка и 5% бентонита.  Основными определяемыми показателями являются те же, что и в ГОСТ 28177-89 «Предел прочности при сжатии в сыром состоянии (нем.Druckfestigkeit grün, англ.Green Сompression Strenght)», «Предел прочности при разрыве в зоне конденсации влаги (нем.Naɮzugfestigkeit, англ.Wet Tensile Strenght)»,  а также дополнительно показатель «Предел прочности в высушенном состоянии (нем. Druckfestigkeit trocken)», не предусмотренный ГОСТом 28177-89.

Последний показатель является важной характеристикой бентонита при его использовании в технологии литья в сырую форму, так как косвенно характеризует поведение формовочной смеси на участке  выбивки -  после высыхания формы под воздействием тепла отливки.  Низкое значение этого показателя свидетельствует об ожидаемой  легкости дезинтеграции формы и малых потерях формовочной смеси на участке выбивки.

Следует также обратить внимание на существенную разницу в подготовке образов для испытаний согласно требований этих нормативных документов.   В Методике «VDG -P 69» прочностные показатели формовочной смеси определяются при ее уплотняемости 45±1%,  тогда как в ГОСТе точное значение уплотняемости при фиксировании прочностных показаний не регламентировано - хотя известно, что все прочностные свойства формовочной смеси изменяются в зависимости от ее уплотняемости. 

Также следует обратить внимание на то, что в  Методике «VDG -P 69» общее время перемешивания формовочной смеси ограничено 6 минутами, тогда как согласно ГОСТа смесь нужно перемешивать 20 минут при закрытой крышке смесителя, а затем еще неограниченное время при открытой крышке - до момента достижения максимальной прочности вмеси.

В общем, следует констатировать, что процедура подготовки образца формовочной смеси в Методике «VDG -P 69» больше приближена к реальным условиям смесеприготовления в формовочной линии, тогда как ГОСТ ориентирован на определение максимально возможной прочности при условиях приготовления формовочной смеси, недостижимых в реальной формовочной линии – в основном из-за очень длительного времени перемешивания. Более детально о различиях в методике подготовки тестовых образцов формовочной смеси можно посмотреть в [2].  Ниже  приведен перевод VDG - MERKBLATT P 69.  

1. Область применения.

Указанные методики применяются для контроля постоянства свойств связующих глин (бентонитов). Определение влагосодержания и поглощения индикатора метиленового голубого (МГ) проводятся на чистых бентонитах, а прочностных свойств - с помощью лабораторной формовочной смеси.

2. Определение влагосодержания.

2.1. Приборы:

Лабораторные весы с точностью до 0,01 г; сушильный шкаф; эксикатор

2.2. Проведение испытания

20 грамм бентонита взвешивается с точностью до 0,05 г и в фарфоровой лодочке устанавливается в сушильный шкаф, где высушивается до постоянной массы. После этого проба охлаждается в эксикаторе и взвешивается.

2.3. Влагосодержание (ВС)

3. Определение МГ (титрирование)

Метод титрирования для определения поглощения МГ является хорошо зарекомендовавшей себя на практике методикой входного контроля бентонитов.

Также может проводиться определение МГ по измерению пропускания света сквозь раствор.

3.1. Приборы и химикаты

•  Аналитические весы
•  800 мл стакан
•  1000 мл мерная колба
•  Фильтр (белая лента) для фильтрования и титрования
•  Полиэтиленовая бутылка для хранения раствора МГ
•  300 мл колба (колба Эрленмайера)
•  50 мл мензурка
•  Подогреваемая магнитная мешалка мощностью 500 Ватт с цилиндрическим вращающимся магнитом
•  10 мл пипетка
•  50 мл мерный стакан
•  стеклянная палочка
•  Индикатор МГ (МГ для адсорбционных испытаний фирмы Мерк)
•  Стандартный бентонит (Образец может быть получен в институте литья Дюссельдорф)
•  Насыщенный раствор тетранатрийфосфата ( Na4P2O7 10 H2O)
•  Дистиллированная вода
•  1% H2SO4

3.2. Приготовление раствора МГ

Приготавливается 0,5 % раствор. Для приготовления 1000 мл раствора нужно растворить (по возможности полностью) 5 г МГ в 600 мл теплой воды. После 24 часов перелить в 1000 мл стакан. Остаток/осадок прокипятить в 100 мл воды, после охлаждения профильтровать и довести общий объем раствора до 1000 мл. Рекомендуется приготовление раствора в объемах, соответствующих месячной потребности. Хранить в темном месте. Перед применением концентрацию раствора проверить на стандартном бентоните в соответствии с п. 3.3. (минимум двойное определение). Расчет выполняется в соответствии с п. 3.4.

3.3. Проведение испытаний

Расход индикатора МГ проверяется как минимум на двух пробах.

500 мг бентонита в состоянии поставки взвешивается с точностью до 1 мг. Добавляется 50 мл воды и 5 мл тетранатрийфосфата. Колба устанавливается на мешалку и доводится до кипения. После охлаждения до комнатной температуры добавляется 10 мл 1 %  H2SO4 и взбалтывается в течении 30 секунд. После этого из бюреты дозируется около 80% ожидаемого расхода МГ, после чего раствор перемешивается в течении 30 минут и производится титрирование.

Примечание: при испытании «новых» бентонитов исходную концентрацию обычно снижают. Это иногда приводит к несколько продолжительному титрированию, однако позволяет избежать «перетитрирования».

Для определения конечного пункта при титрировании добавляют 1 мл раствора МГ , перемешивают в течении 2 минут и титрируют (наносится капля раствора МГ на фильтровальную бумагу). После появления первых признаков образования «ореола» перемешивают еще 2 минуты без добавления МГ и снова титрируют.  Если ореол остается, то опыт заканчивают или же, для точности, добавляют еще 1 мл раствора МГ и перемешивают в течении 4 мин, после чего титрируют.

При титрировании с помощью стеклянной палочки наносится капля раствора МГ на фильтровальную бумагу. Капля распространяется на поверхности бумаги в форме круга, в центре которого находится голубой осадок МГ.  При постепенном увеличении концентрации раствора (добавлении раствора МГ) изменяется окраска кольца вокруг капли следующим образом:

• Бесцветная – до тех пор пока бентонит не насыщен МГ
• Светло голубая – соответствует насыщенному состоянию/ конечная точка измерения.
• Голубая (очень широкий ореол) – перетитрированный раствор, т.е. в растворе находится свободный МГ, не адсорбированный бентонитом.

3.4. Расчет

3.4.1. Концентрация раствора МГ:

где AS   - расход раствора МГ для стандартного бентонита в мл;

BS  - количество стандартного бентонита, г;

CS - влагосодержание стандартного бентонита, %;

D – заданное значение МГ для стандартного бентонита,  мг/г;

Е – экспериментально определенное значение МГ для стандартного бентонита, мл/г;

F – концентрация раствора МГ, мг/мл.

3.4.2. Значение МГ

где А – расход раствора МГ на исследуемый бентонит, мл;

В – навеска исследуемого бентонита, г;

С – влажность исследуемого бентонита, %.

Пример:

Заданное значение МГ для стандартного бентонита D = 310 мг/г;

Экспериментально определенное значение МГ для стандартного бентонита;

Е = 63 мл/г;

Концентрация раствора МГ   F = 310 мг/г /63 мл/г = 4,92 мг/мл;

Навеска исследуемого бентонита В = 0,553 г;

Влагосодержание испытуемого бентонита  С= 8,1 %;

Расход раствора МГ на исследуемый бентонит, А = 31 мл.

3.4. Точность измерений составляет ± 5 %

4. Определение прочностных характеристик

4.1. Приборы

•  Лабораторные весы с точностью до 0,1 г
•  Весы для песка с точностью до 10 п
•  Лабораторный катковый смеситель
•  Емкость для смеси с крышкой
•  Сито с размером ячейки 3,15 мм
•  Гильза для изготовления образцов диаметром 50 мм (ISA Toleranz H7:+0,025 mm) с гладкой внутренней поверхностью
•  Подставка
•  Выталкиватель образца
•  Копер лабораторный с массой груза 6,666 кг и высотой падения 50 мм
•  Прибор для определения прочности формовочной смеси на сжатие
•  Сушильный шкаф и эксикатор
•  Прибор для определения прочности смеси в зоне конденсации влаги
•  Прибор/ приспособление для определения уплотняемости

4.2. Приготовление лабораторной смеси

- 100 массовых частей (3000 г) сухого кварцевого песка без глинистой составляющей

(применяется песок F 32  со средним размером зерен песка 0,24 мм и модулем мелкости 58; или марка песка,  применяемая на данном предприятии)

- 5 массовых частей бентонита (как альтернатива 10 массовых частей иной глины)

- Дистилированная вода

Бентониты применяют в исходном виде (в состоянии поставки). Количество вводимого сырого бентонита (D) рассчитывается с учетом его влажности по формуле:

А – количество мч. сухого бентонита на 100 мч сухого песка;

В – масса сухого песка, г;

С – Влажность бентонита, %.

Смесь готовится в смесителе по инструкции прозводителя. Кварцевый песок смешивается с водой в течении 1 минуты, затем вводится бентонит. Общее время перемешивания составляет 6 минут.

Влажность смеси выбирается с учетом получения уплотняемости смеси 45 % ±1% или насыпной плотности 0,825г/см3 ± 0,015 г/см3

Испытуемая смесь выдерживается в течении 1 часа в закрытой емкости, затем просеивается через сито и снова закрывается. Приготовленная смесь должна обладать уплотняемостью     45±1%. Значение определяется как среднее арифметическое значение результатов трех измерений.

Отбираются две пробы по 50 г для определения влажности смеси.

 4.3. Изготовление образцов

4.3.1. Общие сведения

Для определения прочности изготавливаются цилиндрические образцы высотой и диаметром 50 мм. Для этого навеска смеси засыпается в гильзу и уплотняется тремя ударами копра. Для предотвращения прилипания и устранения трения гильза полируется силиконовым разделителем. Копер устанавливается на стабильном прочном фундаменте.

4.3.2. Образец для определения сырой и сухой прочности на сжатие

Из приготовленной по п. 4.3.1. смеси отбирается навеска такой массы, чтобы высота образца после уплотнения составляла 50 ±0,3 мм. После уплотнения образец аккуратно извлекается из гильзы.

4.3.3. Образец для испытаний прочности в зоне конденсации влаги.

Образец изготавливается аналогично 4.3.2., но применяется гильза с кольцом. Образец не извлекается из гильзы. При снятии уплотненной гильзы с подставки следить, чтобы не нарушилась сплошность  контакта кольца со смесью.

4.3.4. Масса навески

Навеска смеси должна быть такой массы, чтобы высота образца после уплотнения составляла 50 ±0,3 мм. Масса определяется с точностью до 0,5 г.

4.4. Методы определения свойств

4.4.1. Общие сведения

Испытания проводят сразу же после изготовления каждого образца. Увеличение нагрузки должно быть медленным и постоянным.  За результат измерений принимают среднее арифметическое значение результатов трех измерений. Если отдельные значения отличаются от среднего более чем на ±5 % проводят еще 2 измерения и рассчитывают среднее результатов 5-ти измерений.

4.4.2. Сырая прочность на сжатие

Образец устанавливается или укладывается между подвижной и неподвижной опорами и нагружается (прибор Георг Фишер или Польский вариант). Показания прочности в момент разрушения образца – прочность на сжатие.

4.4.3. Сухая прочность на сжатие.

Для определения готовятся 5 образцов, которые высушиваются в печи при температуре 150oC в течении 3 часов. Затем образцы охлаждаются в эксикаторе и испытываются.

4.4.4. Прочность в зоне конденсации влаги

Гильза с кольцом (и уплотненной смесью) устанавливается в прибор и его верхняя  торцевая часть нагревается с помощью плиты-нагревателя (310oC ±10 oC) в течении 25-30 секунд (время подбирается/устанавливается таким образом, чтобы поверхность обрыва кольца была ровной и сплошной). После снятия плиты происходит разрыв образца в области гильза – кольцо.

Нарастание нагрузки до разрушения происходит со скоростью 0,05 Н/см2.

5. Отчет о результатах измерений

В отчете должны отражаться следующие пункты:

•  Название/описание пробы
•  Место и время отбора пробы
•  Влажность бентонита округленно до 0,1 %
•  Значение МГ в мг/г высушенного бентонита
•  Состав испытуемой смеси
•  Влажность испытуемой смеси
•  Марка применяемого кварцевого песка
•  Масса навески образца
•  Название приборов
•  Сырая прочность на сжатие
•  Сухая прочность на сжатие
•  Прочность в зоне конденсации влаги
•  Точность измерений
•  Время и дата испытаний

Литература:

1. ГОСТ 28177-89 Глины формовочные бентонитовые. Общие технические условия.
2. Снисарь В.П. Бентонит в литейном производстве - методы испытаний и перспективы использования. Литье Украины. №7, 2015г. с.4-6.