水质对湿型砂性能有何影响?


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水 溶性盐或电解盐,仅仅是美国各地铸造厂湿型砂铸造工艺日常使用的自来水中发现的部分矿物污染物。膨润土是湿型砂铸造的主要
粘结化合物,要使其具有良好的粘结性能,首先要用助剂进行活化。好的活化剂必须满足3个要求:

• 明显溶于水,溶解度至少为1g试剂/100g水。

• 由阴离子组成,与阳离子(Na+)反应生成不溶性化合物。

• 为离子交换提供小的一价阳离子。

电解盐对湿型砂的物理特性的影响在之前的研究中做了分析,特别是湿拉强度。湿拉强度测试有助于确定铸型在浇注后湿型砂凝结区的抗拉强度。之前的研究表明,加入蒸馏水的湿型砂样品湿拉强度不受影响,与其相比,随着井水中所含的电解盐的增加,湿拉强度降低。

过去的研究需要解决的问题是,水中的电解盐是否在粘土-水结合后引起拉伸强度下降。这可能是由于钠基膨润土的阴离子(带负电荷的离子)性质及其在水中电解盐必需的阳离子(正电荷离子)发生了交换。阴离子和阳离子反应形成中和的化合物。这种反应的例子是钠(Na+)和氯(Cl-)化学反应形成最基本的食盐(NaCl)。

过去进行的个别的电解盐对湿型砂湿拉强度影响的研究表明,盐对湿拉强度产生即时影响效应,湿拉强度在一开始下降。然而,随着时间的推移,湿拉强度逐渐增加。这是由于系统内存在特定的电解盐而不是受实际的浓度影响。

最近,在北爱荷华州金属铸造中心(爱荷华州 锡达福尔斯)进行了试验,以评估美国自来水和井水中常见的污染物对湿型砂性能的影响。从国内不同地区采集了16个水样,并设计了一系列实验来评估实测污染物对湿型砂的影响。

接收到的水样被送到外部实验室,用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)检测污染物。

实验室测定的钠、氯、镁和钙是在方法检测极限(MDL)以上检测到的主要污染物。图1所示是按区域分类的水样中检测到的平均污染物浓度。从结果看,与其他地区相比,美国西南地区的水质中的钠、氯和钙浓度较高。与其他三种污染物相比,检测到的镁浓度较低,但仍高于MDL水平。其他污染物如磷和钾在MDL水平以下才检测到,因此影响不大。

从图2所示的结果中选出了高、低含量的4种污染物,并进行了9个实验,其中1个使用蒸馏水作为参照样品。水样是通过在蒸馏水中掺入污染物制成的。
在每个实验中,使用基于砂重的7%西部膨润土和基于粘土重量的20%的石英砂制备新批次的湿型砂。使用三孔筛55GFN细度的硅砂作为基础骨料。
浇注30级厚板铸件以评估和比较9种湿型砂混合物的性能。铸件设计的砂铁比为5:1。

掺杂水样的pH值

实验检测了掺杂污染物水样的pH值。与参照样品相比,污染物掺杂量处于低水平时,pH值轻微上升。从水样2、3和4的pH值检测发现,添加较多的镁、钙和氯气使pH值显著上升。然而,与其他污染物相比,添加钠对pH值有更大的影响。实验发现,所有含钠较高的水样的pH值约为11.65-11.89。
湿型砂的特性湿型砂的抗压强度结果如图2所示。除样品3外,所有样品呈现相似的抗压强度。样品3的平均湿抗压强度为17psi(磅/平方英寸)。可以观察到,样品3具有较高的氯含量,其他污染物含量较低。

如图3所示,湿拉强度的检测结果与湿压强度类似。除样品3和样品4外,所有样品的湿拉伸强度结果相似。样品3和4的湿拉伸强度为0.303N/cm2和0.330N/cm2。其他样品的湿抗拉强度在0.380-0.410N/cm2范围内。

图4显示了所有样品的湿剪切强度检测结果。与其他样品相比,参照样品在6.33psi下具有更高的湿剪切强度。与在湿抗压强度和湿拉伸强度结果中看到的趋势类似,样品3在3.817psi下具有相对较低的湿剪切强度。与参照样品相比,样品4、7和8也检测到较低的剪切强度,范围从4.5-4.7psi。
渗透性检测结果如图5所示。与其他样品相比,可以观察到参照样品具有非常高的渗透性,为206.3。而样品2和3的AFS渗透性为约125,而其他样品测得的渗透性在138-150范围内。

图6所示为所有样品的烧失量(LOI)实验结果。除样品3外,其他样品具有相似的烧失量,范围从1.07-1.14%。样品3的烧失量稍高,为1.37%。
所有样品的容积密度检测结果如图8所示。所有样品具有类似的结果,范围从93.4磅/立方英尺-94.6磅/立方英尺。

虽然研究表明污染物对湿型砂性能有一些不利影响,特别是在湿压强度、湿拉强度和湿剪切强度方面,但对测试铸件的性能几乎没有影响。
一些污染物也可能具有积极的作用,如钠或钙可以改善湿型砂的性能。但是,还需进行大量的重复性研究才能验证初步的科研结果。 ■
本文基于第122届美国铸造大会上发表的(18-009)号论文“水质对湿型砂性能有何影响”。这项研究得到美国铸造协会资助。