Расчет геометрических параметров на эвм

Геометрические параметры сыпучих формовочных материалов рассчитываются, как правило, по результатам одного из методов анализа. Однако каждый метод дает точные результаты только для определенной фракции. Оценить же полидисперсные материалы одним или хотя бы двумя методами практически невозможно. Формовочные материалыв основном являются полидисперсными. Поэтому широко практикуются в ГОСТах и специальной литературе «запредельные» значения: менее 0,063 мм, менее 1 мкм вплоть до нанофракции, и т.д. (хотя в этих областях находится наиболее активная часть материала, требующая особо тонких исследований).

Следовательно, для материалов требуется использовать в комплексе результаты двух–трех методов, позволяющих объективно оценить истинные параметры определенных фракций. Выбор методик зависит от материала. Так, для формовочных песков, имеющих частицы с размером от 1–2 мм до долей микрона, необходимо пофракционное исследование: ситовый анализ – для фракций > 100 мкм; седиментационные, электрические, оптические методы – для фракций 100–1 мкм; электронно-микроскопические или рентгеновские методы – для фракций 1–0,001 мкм и менее.

При выборе методик важно учитывать физическое состояние частиц материала. При повышенной активности частиц размером от долей микрона до ангстремов они могут представлять собой плотно прилегающую «рубашку» на более крупных частицах (например, на зернах песка). При неправильно выбранном методе исследования такие агрегаты будут фиксироваться как единое целое. Агрегаты из высокоактивных тонкодисперсных частиц также будут оцениваться как самостоятельные частицы. Тогда расчеты среднего размера, удельной поверхности, коэффициента угловатости, пористости будут, соответственно, давать завышенные значения.

Чтобы с достаточной точностью управлять физико-химическими свойствами полидисперсных материалов, нужно знать пофракционный вклад частиц в каждый из определяемых параметров. Между тем расчет всех перечисленных параметров для каждой фракции и в среднем для пробы материала трудоемок, даже в случае использования результатов только одного вида анализа (15–20 чел/ч). Если же в расчеты закладывать результаты комплекса анализов и по узким фракциям, то трудоемкость возрастает в десятки раз.

На кафедре «Литейное производство» ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (г. Красноярск) разработана программа «Активность», позволяющая объективно оценивать геометрическую активность сыпучих материалов. Расчеты в данной программе могут производиться по результатам любого из трех анализов, комплекса двух или всех трех анализов. Диапазоны размеров частиц задают по желанию исследователя. При этом в основу расчетов среднего размера частиц положена формула П.П. Берга:

D _ср = Σ N _s1 · q_i / Σ q_i,

где Σ N _s1 · q_i – сумма произведений модуля мелкости зерен и массы частиц; Σ q ₁ – сумма массы частиц отдельных фракций в заданных диапазонах размеров.

Расчет среднего диаметра частиц по результатам седиментационного анализа производится по формуле

,

где H_i – высота падения частиц, мм; t _i – время осаждения частиц, мин; х – коэффициент, постоянный для каждого материала

х = 9,81 · (γ₁ – γ₂) / 18 h,

γ₁ – удельный вес исследуемого материала, г/см³; γ₂ – удельный вес жидкости, г/см³; h – вязкость жидкости, П. (пуаз).

При вводе в машину удельной поверхности, определенной методом воздухопроницаемости, рассчитывается коэффициент угловатости (ГОСТ 29234.12-91):

K _угл = S _геом / S _расч.

 

Если же вводить дополнительную удельную поверхность, определенную методом адсорбции S _общ, учитывающую внешнюю и внутреннюю поверхность в микропорах и трещинах, то рассчитываются дополнительно коэффициенты пористости К _пор и микрорельфа поверхности К _пов.

Для комплексной оценки геометрических параметров зерновых и дисперсных материалов была разработана программа в системе программирования Borland Delphi 7.

Программа состоит из следующих блоков: 1) анализ зерновых и дисперсных материалов по микрофотографии; 2) анализ зерновых и дисперсных материалов по результатам ситового анализа; 3) сравнение результатов микроскопического и ситового анализов; 4) расчет коэффициентов формы и микрорельефа.

В первом блоке разработанной программы полученные при помощи электронного микроскопа микрофотографии сканируют и проецируют на них ряд окружностей (рис. 21), диаметр которых выбирается в соответствии с размером частиц, подлежащих подсчету. Анализ начинают с частиц с наименьшим диаметром, затем диаметр окружностей постепенно увеличивают. После расстановки окружностей производится автоматический подсчет количества частиц по каждому диаметру.

 

 

Рис. 21. Расстановка и подсчет окружностей

при микроскопическом анализе песка

По полученным данным программа рассчитывает значения фракционного состава, среднего размера частиц материала, удельной поверхности и модуля мелкости. Фракционный состав исследуемого материала может быть представлен в виде таблицы или в виде гистограммы. В программе предусмотрено сравнение обеих методик (рис. 22), делается вывод о фракционном составе исследуемого материала.

Рис. 22. Зерновой состав песка

по результатам микроскопического и ситового анализов

 

Кроме гранулометрического состава сыпучих материалов, на технологические свойства составов на их основе оказывают влияние форма и микрорельеф частиц материалов. Поэтому в программе для оценки формы и микрорельефа частиц предусмотрен расчет коэффициентов их угловатости, шероховатости поверхности, пористости и раковистости по данным микроскопического и ситового анализов.

Комплексный подход в оценке геометрических параметров сыпучих формовочных материалов в будущем может быть дополнен более точными количественными характеристиками, но на сегодняшний день он достаточно объективно позволяет оценить активность материала в последующих физико-механических связях в смесях, в красках и на границе «металл–форма» только за счет размера и микрорельефа частиц.