Öntödei homokok granulometriai tulajdonságainak meghatározása képelemzéssel Dargai Viktória 1, Hartmut Polzin 2, Varga László 3, Dúl Jenő 4 1 MSc kohómérnök hallgató, 2 Dr.-Ing.Habil., 3 PhD, 4 CSc 1,3,4 Miskolci Egyetem Öntészeti Intézet, 2 Bergakademie Freiberg A szemcseméret számos termék, anyag minőségi jellemzője. Ez a granulometriai jellemző nemcsak a háztartásban fontos (pl. só vagy kávé szemcseméret), hanem ipari szempontból is nagy jelentősége van. Az öntödék számára a homok szemcsemérete az egyik fontos jellemző, amikor öntödei homokot vásárolnak. Eme jellemző meghatározására különböző mérési módszerek állnak rendelkezésükre, amelyek a szemcseméret eloszlását száraz diszperzió segítségével vagy pedig lézeres diffrakcióval végzik. [1] A száraz diszperzió alapján megkülönböztethetjük a hagyományos szemcseanalízist, azaz szitaanalízist, és képelemzéssel végzett szemcseeloszlást. Az utóbbi módszer még újnak számít, működése teljesen eltér a hagyományos módszertől. A KÉPELEMZÉSES MÓDSZER MŰKÖDÉSE [1] A képanalízis esetén alapvetően megkülönböztetjük a statikus és dinamikus képanalízist. Ez a két analízis az ISO 13322-1/2 szabványnak tesz eleget. A statikus képanalízis (ISO 13322-1) mikroszkóp működési elvén alapszik. Ebben az esetben a részecskék, szemcsék egy tartólapon vannak elterítve és egy kamera képeket készít az egyes szemcsék nagyságáról, ezzel meghatározva a részecskéket. Ennek a módszernek az előnye, hogy a gravitáció kiegyenlíti a részecskéket. Például így jól mérhető a részecskék tűs-alakja. Az optika által a részecskéket jól kontrollált mélységélességgel (Ɛ) lehet feltérképezni. Itt nagyhátránya az, hogy nagyon kevés mintát lehet egyszerre vizsgálni. Rendszerint csak néhány 1000 részecskét lehet felvenni egy képen, ami az eredményeket korlátozza. Továbbá megnehezíti a kiértékelést az átfedésben lévő részecskék. Az 1. ábrán látható a statikus képelemzés sematikus ábrája. 1. ábra A statikus képelemzés elvi felépítése [1]
A dinamikus képanalízis (ISO 13322-2) során egy rögzített helyzetű kamera a készített képeket egy adathordózónak adja át. Ennél a módszernél elkerülhető a részecskék átfedéséből adódó probléma. Nagyobb mennyiségű minta mérhető egyszerre, ezáltal az eredmények pontossága javítható. A részecskék szabadon mozognak, ha nincs, az áramlást nem vezetjük. A lefényképezett mélységélesség (Ɛ) ebben az esetben nagyobb, mint a statikus képelemzésnél. Ma leggyakrabban a részecskék 2-dimenziós detektálása a részekék vetülete által. De van lehetőség a 3-dimenziós észlelésre is. A 2. ábrán látható a dinamikus képanalízis sematikus ábrája. 2. ábra A dinamikus képanalízis elvi felépítése [1] GRANULOMETRIAI TULAJDONSÁGOK VIZSGÁLATÁNAK ÖSSZEHASONLÍTÁSA Öntödei homokok granulometriai vizsgálata hagyományos szitaanalízissel és képelemzéses módszerrel, majd az eredmények összehasonlítása és kiértékelése. A dinamikus képanalízis alapján működik a Fritsch-féle mérőberendezés az ún. Analysette 28 (3. ábra), amelyet a vizsgálataimhoz használtam. Emellett elvégeztem a szemcseméret analízist a hagyományos szitaanalízissel is. A berendezés a 3. ábrán látható. 3. ábra Analysette 28 szemcsevizsgáló berendezés [2] A FRITSCH-FÉLE MÉRŐBERENDEZÉS MŰKÖDÉSE ÉS A KIÉRTÉKELÉS MÓDSZERE [2] 2
Ezzel a berendezéssel lehetőségünk van a szemcsék méretének mérésére, az ún. ImageSizing- Software (ISS) kiértékeli a rögzített kamera által készített képeket. A mérőberendezés a dinamikus képanalízis működési elve alapján működik, tehát a kamera képeket készít a mérés során a mintáról. A kép/másodperc arányt lehet változtatni, ezáltal a mérés pontosságát és a kiértékelés menetét lehet javítani, pontosítani. A mérhető szemcseméret tartomány: 20μm-től 20 mm-ig terjed. Továbbá a kamera által készített képek megtekinthetők a mérés után, és tanulmányozható a homokszemcsék alakja, alaktényezői. A következő ábrán látható egy kép, amelyeket a kamera készít. Jól látható, hogy az egyes homokszemcsék eltérő alaktényezővel rendelkeznek, mint például jól legömbölyített, krumpli alakú. [4] 4. ábra SH32 homokminta homokszemcséi A MÉRÉS MENETE A mintát a kúpos tölcsérbe adagoljuk, majd az automatikusan irányított vibrációs adagoló közvetlenül elvezeti a mintát a csúszdán keresztül, amely ezután egy gyűjtőtartályba kerül. Útközben a szemcseáramot egy nagy felületű LED-es panel megvilágítja és közben az ellentétes oldalon elhelyezett CCD kamera fényképez. Maga az optikai elrendezés hasonló a fénymikroszkóphoz, vagyis egy nagy kontrasztot kapunk, láthatjuk a megvilágított fehér hátteret és a fényárnyékoló részecskéket. Az elkészült képeket egy szoftver elemzi és megjeleníti a mért adatokat. A minta a mérés során sértetlenül és hiánytalanul megmarad. Az 5. ábrán látható a berendezés szerkezeti felépítése. Többféle forma-paraméter alapján történik az elmentett képeken lévő részecskék analízise. Ezeket a forma-paramétereket a szoftver automatikusan választja ki, a szemcsék alakjához legmegfelelőbbet. 3
5. ábra A Fritsch-féle mérőberendezés szerkezeti vázlata [3] 6. ábra Az egyes képek elemzése [3] A 6. ábrán láthatóak homokszemcsékről készült felvételek és az egyes szemcsékhez a szoftver által hozzárendelt ún. forma-paraméterek, ebben az esetben a piros színnel jelölt a kontúr, a zöld a körre illeszkedő átmérő és a kék pedig ellipszis alak[2]. Ezeket a tényezőket figyelembe véve történik a homokminták elemzése. A HAGYOMÁNYOS SZITAANALÍZIS [4] [5] A hagyományos szitaanalízis során adott mennyiségű homokmintát lehet vizsgálni. Ez a mennyiség 50 g minden esetben. A szitaanalízis elvégzése előtt szükséges a homokmintákon az ún. iszapolás, ami által meghatározható egy homokokra jellemző paraméter: az iszaptartalom. Ami tulajdonképpen arra ad információt, hogy az adott homokminta mennyi égetett agyagot és ásványi porokat tartalmaz, tehát olyan anyagok, amik a homok felhasználása során problémákat okozhatnak. Majd ezután a mintákat szárítani kell és elvégezhető a szitaanalízis. Az elvégzett vizsgálatoknál alkalmazott szitaméreteket az 1. táblázat tartalmazza. 4
1. Táblázat A szitaméret miliméterben megadva [5] Szita méret (mm) 1,400 < 1,400 1,000 1,000 0,710 0,710 0,500 0,500 0,355 0,355 0,250 0,250 0,180 0,180 0,125 0,125 0,090 0,090 0,063 < 0,063 A szitaanalízis kiértékelése során többféle homokra jellemző paramétert tudunk kiszámolni, amit a képelemzéses módszer használata során nem kapunk meg. A jelentősebb paramétereket a 2. táblázat tartalmazza. 2. Táblázat Homok paraméterek [5] Név Iszaptartalom (%) Átlagos szemcseméret (mm) Egyenletességi fok (%) Fajlagos felület (cm 2 /g) Finomsági szám Jelölés SG MK GG S th AFS A KÉPELEMZÉSES ÉS A HAGYOMÁNYOS SZITAANALÍZIS ÖSSZEHASONLÍTÁSA A szitaanalízisek során különböző homokmintákat vizsgáltunk, amelyek közül az összehasonlításra kiválasztottak eredményeit a 3. táblázat tartalmazza. 3. Táblázat A homokmintákat jellemző paraméterek értékei Homokminták SG MK GG Sth AFS GBM 45 0,43 0,371 70,5 65,94 41 SH32 finom, regenerált 0,46 0,254 90,06 91,45 53 SH32 0,15 0,389 81,06 61,03 38 SH32 regenerált 0,1 0,36 86,85 65,19 40,5 SH34 0,77 0,235 81,54 98,88 57 SH34 regenerált 0,13 0,209 61,96 112,93 64 5
Szitán átesett homok aránya (%) A képelemzéses módszer egyik nagy hátránya, hogy ezek közül a paraméterek közül egyik paramétert sem számolja a szoftver. Az átlagos szemcseméret és az egyenletességi fok a kész diagram alapján meghatározható, de a többi paraméter számításához nem áll rendelkezésre elég adat, aminek az oka az eltérő mérési módszeren alapszik. A 7. ábra jól szemlélteti hogyan olvasható le a kumulatív görbéről az egyenletességi fok és a közepes szemcseméret. 7. ábra Kumulatív görbe kiértékelése A 8. ábrán látható egy homokminta kumulatív görbéje mindkét módszer adatai alapján. Jól látható, hogy az Analysette 28 görbéje kis mértékben tér el a hagyományos szitaanalízissel készített görbéhez képest. 100 SH-32 homok 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Szita-analízis ANALYSETTE 28 0 0,10 1,00 Szitaméret (mm) 8. ábra A hagyományos szitaanalízis és az Analysette 28 kumulatív görbéi 6
ÖSSZEFOGLALÁS A képelemzéses szitaanalízis jelenleg a legújabb vizsgálatok közé tartozik a granulometriai tulajdonságok meghatározásában. Látható, hogy sok előnye és egyben hátránya is van ennek a módszernek. Emellett a hagyományos módszernek is megvannak előnye és hátránya is. Az elvégzett vizsgálatok szerint az Analysette 28 esetén hasznosítható (a képek alapján) a szemcsék alaktényezői, amelyet ezzel a berendezéssel nagyon könnyű meghatározni. A hagyományos szitaanalízis által számolt és mért adatokat használják az iparban az egyes homokok osztályozására, besorolására. Ezek fontos granulometriai tulajdonságok. Az eredmények összehasonlítása alapján a két módszer együttes használata, a homokok granulometriai tulajdonságainak vizsgálata sokkal pontosabb értéket és új paramétereket ad meg, mintha csak az egyik módszert használnánk. Lehetséges, hogy a jövőben a képelemzéses módszer és a hozzá tartozó szoftver fejlődni fog és képes lesz olyan paraméterek megadására is, amelyet jelenleg csak a hagyományos szitaanalízissel tudunk meghatározni. IRODALOMJEGYZÉK [1] Dr. rer. nat. Wolfgang Witt, Dr.-Ing. Ulrich Köhler, Dr.-Ing. Joachim List: Hochgeschwindigkeits Bildanalyse zur Charakterisierung von Partikelgrösse und Form [2] http://www.fritsch-sizing.de/uploads/tx_downloads/e_analysette_28_imagesizer.pdf [3] http://www.fritschsizing.de/fileadmin/redakteur/downloads/reports_sizing/dynamic_image_analysis/partikelan alyse_mit_der_kamera.pdf [4] Dr. Tóth Levente: FORMA- ÉS MAGKÉSZÍTÉSI ISMERETEK oktatási segédlet [5] Dr.-Ing.Habil. Hartmut Polzin, Prof. Em. Dr.-Ing. Habil.Dr.h.c. Werner Tilch: Grundlagen der Formstoffe (Vorlesungsunterlagen) [6] http://www.giessereilexikon.com/giessereilexikon/?tx_contagged%5bsource%5d=default&tx_contagged%5buid%5d=872&tx_c ontagged%5bbackpid%5d=3&chash=d1456fcdb01e085f346a4bfed2a723b3 7