Газопроницаемость - что это, методы определения, измерение, ГОСТы

Любой материал, соприкасаясь с внешней средой, может поглощать из нее газ или, наоборот, выделять их в окружающую среду.

Что такое газопроницаемость?

Под газопроницаемостью понимается свойство материала поглощать газообразные компоненты воздуха и других газов, присутствующих в окружающей среде.

Все зависит от разницы давлений в месте соприкосновения пограничного слоя материала и окружающего газосодержащего пространства. Наличие этого условия является основным для проникновения газов в тело.

Газовый поток всегда направляется от большего давления в меньшую сторону.

Степень газопроницаемости

На степень газопроницаемости влияет:

• атомное строение материала;
• его физическое состояние: твердое, жидкое газообразное;
• его химическая природа;
• химические характеристики окружающих газов и их температура.

Типы газопроницаемости

Газопроницаемостью в той или иной степени обладают все материалы. В зависимости от строения структуры материала и величины разницы давлений (перепада) выделяют 3 ее типа:

1. диффузионный - представляет насыщение газа твердым телом, при отсутствии в нем пор. Например, это происходит в полимерных пленках и покрытиях из полимеров. Газы скапливаются в пограничной прослойке материала. Далее происходит их диффузия внутрь материала через всю его толщину и выделение с другой стороны наружу.
2. молекулярная эффузия - представляет собой насыщение газом через поры материала, имеющих диаметр значительно меньше величины допустимого разгона молекул газовой среды.
3. ламинарный поток газа - образуется при условии нахождения в газовой среде твердого тела, имеющего поры, значительно превышающие величину допустимого свободного движения газовых молекул.

Определение показателя газопроницаемости

Газопроницаемость материалов характеризуется коэффициентом проницаемости К, измеряемом в м4/сек.н или см/сек.ат. Он представляет количество газа, прошедшего при наличии нормальных условий (по температуре и давлении) за 1 секунду через единицу площадки материала, расположенной перпендикулярно к газовому потоку, при разнице давлений в единицу величины. 

Коэффициент К существенно зависит от химических характеристик самого газа.

Для ламинарного характера газового потока, беспрепятственно проникающего в поры материала, справедливо применяются законы, действующие для потока жидкостей. Основным из них является закон фильтрации Дарси, который интерпретируется формулой: К =Q•h/F•∆p•Т, где:

• К - газопроницаемость;
• Q - объем газа, проникающего за время Т в образец материала, высотой h, через поперечное сечение F при разнице давлений ∆p.

Величину проницаемости газа особенно важно отслеживать при производстве литых изделий в металлургической области. Это касается формовочных и стержневых смесей, используемых для изготовления форм при отливке изделий из металлов.

Назначение и характеристики формовочных и стержневых смесей

Способность формовочных и стержневых смесей поглощать газ, выделяемые во время охлаждения отливки важна потому, что при недостатке газопроницаемости формообразующих смесей возникает опасность образования газовых раковин в отливаемом изделии.

Для устранения недостаточного поглощения газа подбирают нужный состав смесей для форм и стержней. Наиболее подходящим материалом в качестве наполнителя является кварцевый песок. Связующим материалом для поддержания формы служит глина. Но она ухудшает газопроницаемость формы, поэтому в состав смеси ее вводят не больше 12%.

Учитывается также размер песчаной фракции. Крупная фракция песка обеспечивает высокий уровень газопроницаемости, его используют при отливке изделий больших размеров. Это позволяет отвести значительное количество газов, образующихся в производстве крупногабаритного литья.

Мелкозернистый песок применяют для формовочных смесей и стержней в производстве небольших литых изделий.

Стержни используются для формирования внутренних поверхностей изделий. Они находятся в экстремальных условиях, поскольку окружены со всех их сторон расплавленным металлом. Поэтому стержневые смеси должны включать компоненты, придающие им высокие свойства прочности и газового поглощения. Глину, исполняющую связующую роль, используют только для формирования стержней, предназначенных для больших отливок простой конфигурации.

Для сложных небольших отливок стержни готовят из смесей, с добавками связующих компонентов из смол, жидкого стекла и других веществ.

Чтобы повысить газопроницаемость, нередко в смесь добавляют 2-3% опилок из древесины, либо торф.

Методы определения газопроницаемости

Методы, используемые для установления показателя проницаемости газа, зависят от материалов, для которых необходимо получить эту характеристику.

Относительно газового поглощения формовочных и стержневых смесей применяют две основных методики определения степени газопроницаемости этими материалами:

1. косвенный метод;
2. прямой метод.

Косвенный способ замера основан на определении объема газа, который выделяется из испытуемого образца под воздействием на него высоких температур до 750-1200 °С, созданных в электропечи.

После нагрева печи до определенной температуры в нее помещается испытуемая измельченная смесь, помещенная в специальную трубчатую колбу, которую быстро закрывают. Выделяющийся из смеси газ, устремляется в мерную кювету, с которой соединен один конец колбы, вытесняя воду, находящуюся в ней.

Одновременно в момент помещения образца в печь и его герметизации в колбе секундомером засекают время начала вытеснения газом воды. Объем, вытесненной из кюветы воды, за определенный промежуток времени и будет показателем объема выделившегося газа.

Прямой метод определения газопроницаемости образца в виде песчаной формовочной смеси или стержня заключается в непосредственном контакте с расплавленным металлом, тепловое действие которого, производит сжигание или расплавление органических компонентов, находящихся в образце.

При помощи счетчика фиксируется количество выделенных газов и скорость процесса их выделения. 

Устройство (конструкция) прибора определения газопроницаемости 

Для определения газопроницаемости формообразующих оболочек и стержней используют приборы, принцип действия которых основан на косвенном методе.

Конструктивная схема прибора для определения газопроницаемости

Все элементы прибора смонтированы на одной станине 1. На ней закреплены:

• резервуар (бак) для воды - 2;
• трубка, размещенная в баке - 3;
• направляющий колпак колокола, с необходимым запасом воздуха – 4;
• калиброванный груз, уложенный на колокол, для создания давления под колоколом 980,7 Па (10 см водяного столба) – 5;
• воздуховод, связанный с трубкой (3) – 6;
• кран трехходовой для регулировки подачи воздуха из рабочего пространства под образцом в трубку – 7;
• резиновая пробка для размещения гильзы для образца – 8;
• гильза – 9;
• испытуемый образец – 10;
• заглушка воздуховода – 11;
• манометр для воды – 12;
• резервуар для манометра с водой.

В случае отсутствия газопроницаемости в образце, давление в системе будет составлять 980,7 Па. Воздух не будет расходоваться.

Если же воздух будет проникать в образец, далее, проходя сквозь него, он будет выходить в атмосферу, и давление внутри системы понизиться на величину улетучившегося воздуха. 

Для получения точности результата воздушный поток пропускается сквозь образец определенного размера под не меньше 3 раз при разной скорости его потока. За результат принимается средний показатель трех проведенных замеров

Популярные приборы для измерения газопроницаемости

Прибор 04316

Для определения показателя проницаемости газа широко распространены приборы, относящиеся к колокольному типу. 

Фото - Прибор газопроницаемости марки 04316

Такой прибор применяют для исследования газопроницаемости формовочных смесей и стержней. Может эксплуатироваться при температуре воздуха от 15 до 35оС и его влажности 40-89%.

Модель 04315-M

Модель марки 04315-M, относящаяся к компрессорной разновидности устройств.

Фото - Модель марки 04315-M

Принцип работы заключается в замере показаний перепада давления, возникающего в результате прохождения через образец воздуха, который нагнетается работающим компрессором. Процесс осуществляется автоматически, задействованы всего две кнопки. 

Прибор ПСХ-10М

Прибор марки ПСХ-10М, используется для замера газопроницаемости тел, имеющих дисперсное строение.

Фото - Прибор ПСХ-10М

Панель прибора содержит клавиатуру для введения необходимых параметров, а также есть дисплей. Это позволяет работать автономно.

ГОСТы

Определение газопроницаемости проводится в соответствии с требованиями нормативной документации ГОСТ 11573-98 «Изделия огнеупорные. Метод определения коэффициента газопроницаемости».

В части, касающейся определения показателя коэффициента газопроницаемости, ГОСТ 11573-98 полностью соответствует международному стандарту ИСО 8841-91 «Плотные огнеупорные изделия. Определение газопроницаемости»