25/9 Solidiłication of Metais :md Alloys, No 25, 1995

Transkrypt

1 25/9 Solidiłication of Metais :md Alloys, No 25, 1995 Krzep11iecie Metali i Stopów, Nr 25, 1995 PAN - Oddział Katowi ce PL ISSN STABILIZACJA PODSTAWOWYCH WŁASCIWOSCI MAS FORMIERSKICH PRZY ZASTOSOWANIU AUTOMATYCZNEJ REGULACJI METODĄ UL TRADZWIĘKOW Ą MIKULCZYNSKI Tadeusz, SAMSONOWICZ Zdzisław Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji, Folitechnika Wrocław s ka Wrocław, ul. Lukasiewicza 3/5 Zaprezentowano zastosowanie metody ultradźwiękowej do pomiaru i regulacji podstawowych właściwości technologicznych klasycznych mas formierskich. Zwrócono szczególną uwagę na bardzo szybki i jednoczesny pomiar trzech podstawowych właściwości technologicznych mas oraz na zasady stabilizacji tych właściwości mas używanych w warunkach produkcyjnych. t.wstęp Wiadomym jest, że inasy formierskie podczas ich normalnego technologicznego obiegu zmieniają swoje właściwości technologiczne, ze względu na ilościowe zmiany zawartości wody oraz aktywnego lepiszcza. Dotychczasowe działania, zmierzające do utrzymania tych właściwości na stałym poziomie, polegał y na dozowaniu ustalonej, stałej ilości lepiszcza i innych suchych składników masy, oraz na dozowaniu zmiennej, re~:,'uiowanej ilości wody podczas każdego procesu przeróbki mas w mieszarkach. Takie działania przynosiły ograniczone efekty stabilizacji zwłaszcza takich właściwości technologicznych, jak wytrzymałość R., w oraz przepuszczał n ość Pw. Również wartość wilgotności nie była zadawalająco stabilna mimo stosowania różnej aparatury do jej regulacji. Jedną z podstawowych przyczyn tego zjawiska jest brak możliwości bardzo szybkiego pomiaru w/w trzech właściwości technologicznych mas, umożliwiającego automatyczne sterowanie operacjami racjonalnego dozowania poszczególnych dodatków mas formierskich podczas procesu mieszania. Ultradźwiękowy i skompute1yzowany pomiar podstawowych właściwości mas w czasie kilku sekund - który został opracowany w Zakładzie Odlewnictwa Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej - otwiera oczekiwane możliwości ich pełnej stabilizacji. W artykule zostaną opisane główne zasady umożliwiąjące wykorzystanie tego opracowania w praktyce przemysłowej.

2 60 2. BUDOWA I ZASADY PRACY URZĄDZENIA DO ULTRADŹWIĘKOWEGO POMIARU I REGULACJI PODSTAWOWYCH WłAŚCIWOŚCI MAS FORMIERSKICH Zasady pomiaru metodą ultradźwiękową podstawowych właściwości technologicznych klasycznych mas formierskich zostały opisane w literaturze (1-3]. Poniżej zostanie opisane stanowisko do pomiaru i regulacji podstawowych właściwości mas : W, R.,w. Pw. E,. Na rysunku l pokazano schemat zasadniczych członów tego stanowiska, działającego w następujący sposób: Z mieszarki, porcja wymieszanej masy formierskiej spada do spulchniarki l, z której dostaje się do dozownika objętościowego 2. Porcja odpowiednio zadozowanej masy (zmienna, regulowana objętość dozownika) jest przenoszona przy pomocy siłownika S l nad komorę pomiarową 4, zaopatrzoną w nadawczą i odbiorczą głowicę pomiarową ultradźwiękowego próbnika typu TESTER 543. Do komory pomiarowej zostaje opuszczona stopka ubijaka 5 i po kilkakrotnym automatycznym ubiciu masy następuje pomiar czasu przejścia ultradźwięków przez zagęszczoną próbkę oraz pomiar jej wysokości. Wartości tych pomiarów są automatycznie przetwarzane i przeliczane przez system komputerowy, którego zadaniemjest obli czenie wartośc i podstawowych właściwości masy formierskiej oraz sterowanie zarówno pracą stanowiska pomiarowego jak 1 automatycznymi dozownikami materiałów sypkich i wody, wchodzącymi w skład stacji przerobu mas 3 formierskich. Po każdym pomiarze następuje automatyczne wypchnięcie próbki z komory pomiarowej oraz powrót mechanizmów do pozycji wyjściowej. Należy zaznac zyć, że dla każdej receptury mas formierskich stosowanych w odlewni są wcześntej przygotowane (systemem laboratoryjnym) krzywe kalibracji w układzie : czas przejścia ultradźwięków - wilgotność, wytrzymałość, przepuszczalność oraz moduł sprężystości. Przykłady takich krzywych kalibracji pokazano na rysunkach 2, 3 i 4. Pokazane na tych rysunkach krzywe są wykonywane dla jednej, uśrednionej objętości masy, która podczas badań nie ulegała zmianom na skutek zetknięcia się z wysoką temperaturą ciekłego metalu. Dlatego powtarzalność wartości wyników pomiarów jest stosunkowo duża. Przy pomiarach mas formierskich odświeżonych używanych, w obiegu których występuje proces zalewania i stygnięcia form, stabilizacja właściwości technologicznych mas formierskich jest zachwiana, i dlatego szybkie i dokładne zbadanie ich wartości ma kolosalne zalety. \ Rys. l. Schemat urządzenia do pomiaru właściwości technologicznych mas formierskich. Fig. l. Scheme of an automated set-up for messuric basie properties of sand.

3 61 3. PRZYGOTOWANIE STACJI PRZEROBU MAS DO WPROWADZENIA 1YCZNF..J STABILIZACJI WŁAŚCIWOŚCI TECHNOWGICZNYCH AUTOMA- Zadane wartości właściwości technologicznych każdej masy formierskiej otrzymać można tylko dla ustalonych udziałów procentowych poszczególnych jej składników. Ponieważ podczas obiegu masy używanej, na skutek działania wysokiej temperatury ciekłego metalu, następuje zachwianie równowagi w ilości tych składników, jest stosowane wyrównanie powstałych braków poszczególnych składników podczas procesu przeróbki w mieszarce. Dozowniki stosowane do tego celu są różnej konstrukcji, często nie przystosowanej do automatycznej i dokładnej re!,'lllacji ilości dozowanego - zwłaszcza sypkiego - materiału. Dlatego podstawowym warunkiem możliwości uzyskania pozytywnych rezultatów automatycznej stabilizacji właściwości technologicznych masy formierskiej jest stosowanie dozowników o dużej dokładności dozowania. NaJbardziej dokładnymi dozownikami stosowanymi obecnie w wielu odlewniach są dozowniki wagowe. Powszechnie stosowane dozowniki objętościowe, np. typu celkowego, można stosować po ich przeróbce. Są one stosowane najczęściej do dozowania lepiszczy lub pyłu węglowego. Badania takich dozowników dow iodły, że przy zastosowanym sterowaniu czasowym i dozowaniu małych ilości składnika sypkiego, np. 1-5 kg, względny błąd dozowania dochodzi nawet do!8%. Po zastosowaniu impulsowego systemu sterowania błąd dozowania zmniej szył się do 7,0%. Dozowanie dużych ilości materiału sypkiego powinno odbywać się tylko przy zastosowaniu dozowników wagowych, które dają najmniejsze b łędy dozowania. Przepływowe dozowniki wody, które są ogólnie stosowane w stacj ach przerobu mas formierskich, najczęściej są dostosowane do sterowania automatycznego i nie wymagają wprowadzenia zmian. 4. PRZEBIEG WGICZNYCH AUTOMATYCZNEJ STABILIZACJI MAS FORMIERSKICH WŁAŚCIWOŚCI TECHNO- Podstawą do automatycznej stabilizacji właściwości technologicznych masy formierskiej są krzywe korelacji wykonane dla ustalonego, recepturowego jej składu. Przy kład takich krzywych, wykonanych dla wybranej receptury, pokazano na rysunkach 2, 3 i 4. Ustalając zalecane wartości wskaż11ika wytrzymałości z dopuszczalnymi odchyłkami, otrzymuje się potrzebne wartości wilgotności i odpowiadający tym wartościom czas przejścia ultradźwięków. Podczas obiegu masy używanej, każdorazowa jej porcja zadozowana do mieszarki jest uzupełniana określoną ilością lepiszcza, piasku kwarcowego oraz innych dodatków. Tylko ilość wody jest dozowana na podstawie pomiaru czasu przejścia ultradźwięków przez zagęszczoną próbkę pobraną z mieszarki po czasie wstępnego wymieszania jej zawartości. Ponieważ podczas technologicznego obiegu masy formierskiej następuje ilościowo niekontrolowane obniżenie zawartości aktywnego lepiszcza, dodatekjego stałej porcji w procesie przeróbki w mieszarce nie zawsze jest trafiony. Może to powodować zmiany wartości wskaźnika wytrzymałości oraz związane z tym przesuwanie się obranej wcześniej krzywej kalibracji pokazanej na rysunku 3, co ma pewien (wprawdzie niewielki) wpływ na utrzymanie recepturowej zawartości wody.

4 '20 [ :W M 9 ~.~0--~2~~ ~3~~~~~~.o--~s:o~~s~:o~w--( -i.j Rys.2. Krzywa korelacji do pomiaru wilgotności masy formierskiej. Fig.2.Correlation plot for determining dampness of sand (M~~] t 600 l 500 r 400 ~ 300t~~~--~~~~~L , ,10 0~2 0,11, R~ [MPo] Rys. 3. Krzywa korelacji do pomiaru wytrzymałości masy formierskiej. Fig.3. Correlation plot for determining strength of sand. Aby zapobiec destabilizacji zadanych wartości właściwości technologicznych, podczas każdorazowego pomiaru zagęszczonej próbki masy formierskiej są badane i zapamiętywane wartości między innymi wskaźnika wytrzymałości oraz modułu sprężystości. Wartości te są zbierane np. z pięciu pomiarów i komputerowo oceniane jako stabilne, wzrastające lub z tendencją spadkową. Spadek mierzonej wartości poniżej ustalonej powoduje wysłanie sygnału do bloku sterującego, który jednorazowo zmieni nastawę dozownika lepiszcza tak, by zwiększyć ilość jego dodatku, natomiast wzrost wartości wytrzymałości spowoduje zmniejszenie tej ilości. p W rm~~a 3.Z3 L 2,89.~. ::: Lf.._.,,..,. 360 :Bl v(rn/s] Rys. 4. Krzywa korelacji do pomiaru przepuszczalności masy formierskiej. Fig.4. Correlation plot for determining permeability of sand. R"' c Rys. 5. Wpływ zmiany składu masy używanej na krzywą korelacji do pomiaru wytrzymałości masy formierskiej. Fig.5.Effect ofvariation in sand composition on the strength correlation plot.

5 63 W przypadku, gdy skład aktualnie przerabianej masy używanej odpowiada składowi recepturowemu (zależność a), to wartość modułu sprężystości określonego metodą ultradźwiękową wynosi E, = Ę (z). Stąd wartość wskaźnika wytrzymałości, określona na podstawie zależności (a) wynosi R., w= R., w (z). Jeśli w czasie obiegu masy formierskiej zmniejszy się ilość aktywnego lepiszcza i wartość jej wytrzymałości spadnie, to ocena wartości wskaźnika wytrzymałości dla tych zmienionych warunków powinna być oparta na krzywej korelacji obowiązującej dla składu aktualnie przerabianej masy formierskiej. Zależność tą (b) pokazano na rysunku 5 linią przerywaną, a wartości modułu sprężystości i wytrzymałości oznaczono przez E, (r) oraz R., w (r). Jednak nieznajomość tej charakterystyki wzorcowej, odpowiadającej aktualnemu składowi masy powoduje, że pomiar R" w jest w dalszym ciągu oparty na zależności (a) odpowiadającej recepturowemu składowi masy. Dlatego zmierzona wartość wytrzymałości R.: w (u) jest większa od rzeczywistej wartości wytrzymałości oraz mniejsza od wymaganej (założonej) wartoś ci. Łatwo jednak zauważyć, że zachodzi następująca korelacja: w której :R" w = R., w (z) - R" w (r) = E, (Z) - E, (r) Ę k = współczynnik Zależność (l) może być wykorzystana do wyznaczenia nastawy korygującej ilość dozowanego lepiszcza tak, by wartość wskaźnika wytrzymałości masy odpowiadała wartości recepturowej. (l) 5. ZAKOŃCZENIE W artykule opisano zasady automatycznego pomiaru i regulacji podstawowych właściwości technologicznych mas formierskich przy wykorzystaniu ultradźwiękowej techniki pomiarowej. Zwrócono uwagę na bardzo szybki - kilkusekundowy i jednoczesny pomiar trzech podstawowych technologicznych właściwości masy oraz zasady stabilizacji tych właściwości podczas obiegu masy używanej. LITERATURA [I] Samsonowicz Z., Mikulczyński T., Ultrazvukove mereni nekterych vlastnosti formovacich smesi, Slevarenstvi 1986, R.34, cis. 5, s [2] Mikulczyński T., Automatyczne urządzenie ultradźwiękowe przeznaczone do pomiaru wybranych właściwości technologicznych mas formierskich, Prace Naukowe Inst.Technol.Masz. i Automat. PWr, Nr 52, Seria: Konferencje Nr 20, Wrocław 1993, s

6 64 [3] Mikulczyński T., Zastosowanie metody ultradźwiękowej do badań mas i materiałów formierskich, Prace Naukowe Inst. Techno!. Masz. i Automat. PWr, Nr 54, Seria: Monografie Nr 15, Wrocław FIXING BASIC PROPERTIES OF MOULDING SANDS USING ULTRASONIC PROBE-BAS El> AUTOMA TIC PROCES S CONTROL An ultrasonic probe method is presented for measuring and controlling basie processing properties of conventional molding sands. Emphasis is put on the principal advantage of the method- fast and concurrent measurement of three basie properties of sands- and on principles of fixing these properties throughout the production process.