EKSPERYMENTALNO SYMULACYJNY SPOSÓB IDENTYFIKACJI STREFY PRZEWILŻONEJ W FORMIE. ul. Piotrowo 3, Poznań 2 Odlewnia Żeliwa FERREX Sp. z o. o.

Transkrypt

1 31/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN EKSPERYMENTALNO SYMULACYJNY SPOSÓB IDENTYFIKACJI STREFY PRZEWILŻONEJ W FORMIE Z. IGNASZAK 1, L. GRACZYK 2, P. POPIELARSKI 3 1, 3 Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Materiałów ul. Piotrowo 3, Poznań 2 Odlewnia Żeliwa FERREX Sp. z o. o. ul. Romana Maya 1, Poznań STRESZCZENIE Badania opisane w artykule dotyczą identyfikacji obecności strefy przewilżonej w masie formierskiej z dodatkiem szkła wodnego, po zalaniu takiej formy ciekłym stopem. Wykonano badania eksperymentalne, a ponadto symulacyjne za pomocą systemu Calcosoft 2D. Przeprowadzono analizę wyników oraz pierwszą próbę walidacji modelu z uwzględnieniem zmienności parametrów termofizycznych masy. Key words: foundry mould materials, water in mould sand, over moist zone, 100 ºC temperature arrest, computer simulation of solidification 1. WPROWADZENIE Woda w masach formierskich stosowana jest jako dodatek aktywujący fizycznie wiązanie za pomocą bentonitu. Występowanie wody masie ma także miejsce w przypadku innych spoiw, np. szkła wodnego, niektórych żywic, w których występuje woda związana fizycznie i/lub chemicznie [2]. Ograniczenie ilości wody w masie formierskiej wiąże się jej z wpływem na wady powierzchniowe odlewów, a w szczególności na wady pęcherzy, wady strupa, związanej z powstaniem strefy silnie przewilżonej w materiale formy (podczas zalewania i tuż po jej wypełnianiu metalem), Obecność wody ma także związek z dynamiką odbioru ciepła z odlewu, zwłaszcza w okresie zalewania (spadek temperatury w kanałach układu wlewowego) i zaraz po 1 prof. dr hab. inż., zenon.ignaszak@put.poznan.pl 2 mgr inż., graczyk@ferrex.pl, 3 dr inż., pawel.popielarski@put.poznan.pl

2 217 odlaniu, co nie doczekało się jeszcze opracowania przydatnego w symulacji tego zjawiska.. Po zalaniu formy ciekłym stopem woda z powierzchniowej warstwy formy, której temperatura zbliża się do 100 ºC, odparowuje stopniowo. Powstała w ten sposób para wodna, na skutek różnicy ciśnienia [3] jest transportowana w głąb formy i skrapla się w obszarach, gdzie temperatura nie osiągnęła jeszcze 100 ºC, uczestnicząc w ten sposób także w transporcie energii cieplnej. Ponieważ nagrzewanie materiału formy postępuje w czasie, coraz większe jego obszary osiągają temperaturę parowania wody, a po jej przekroczeniu materiał staje się zupełnie pozbawiony wilgoci, a woda migruje w głąb formy powodując jej kumulację w chłodniejszych obszarach, tworząc coraz rozleglejszą strefę przewilżoną. Masa w obszarach formy pozbawionych wilgoci, jak też w obszarach nadmiernie nawilżonych charakteryzuje się innymi niż pierwotne charakterystykami fizycznymi. Niektóre z efektów tych zjawisk mogą się objawiać w sposób czytelny (wspomniane wady w rejonie powierzchni odlewu), inne są bardziej ukryte i niedostępne wprost dla obserwatora. Pracę tę poświęcono identyfikacji zachodzących zjawisk cieplnych, w związku z propozycją ich ilościowego opisu dla potrzeb modelowania i symulacji procesu odlewania do form wilgotnych. Rozwój systemów symulacyjnych wspomagających prognozowanie jakości odlewów dzięki procedurom opartym o modelowanie ruchu ciepła i masy pozwala na wirtualną optymalizację układów wlewowych i zasilających, warunkujących wysoką jakość odlewu. Żaden jednak ze stosowanych powszechnie w skali przemysłowej systemów VP nie posiada procedur modelujących w wymiarze fizycznym ruch wilgoci w formie tj. np. nie generuje odpowiadającego mu profilu temperaturowego. Niektóre systemy symulacyjne, np. Calcosoft 2D/3D umożliwiają wprowadzenie własnych algorytmów (redagowanych w dostępnym języku programowania) w postaci tzw. user functions, pozwalających na opracowanie i zastosowanie bardziej złożonego modelu zjawisk w masie wilgotnej Strefa przewilżona, a parametry termofizyczne materiałów formy Woda odparowując z masy formierskiej pobiera ciepło, a dalej ta sama para wodna skraplając się w chłodniejszych obszarach formy ciepło to oddaje, co związane jest z powstawaniem przystanku temperaturowego 100ºC (rys. 1) o zmieniającej się rozpiętości. Przykładowe krzywe na rys. 1. ilustrują przystanki temperaturowe odpowiadające trwaniu strefy przewilżonej w trzech wybranych punktach formy wykonanej z klasycznej wilgotnej masy bentonitowej. Ze zjawiskami zachodzącymi w obszarze strefy przewilżonej wiążą się zmiany parametrów termofizycznych masy. Z pewnym przybliżeniem można założyć, że będą one dotyczyć szczególnie umownego ciepła właściwego z uwzględnieniem jego wzrostu o ciepło parowania (skraplania) wody w określonym przedziale temperaturowym (2257 kj/kg). W [4] przedstawiono rozważania dotyczące zmian ciepła właściwego w masie bentonitowej (rys. 2.).

3 218 Rys. 1. Temperatura (T) i wilgotność (W) zmierzone w bentonitowej masie formierskiej (podano odległości w mm od powierzchni odlew- forma) [4]. Fig. 1. Temperature (T) and moisture (W) measured in bentonite-bonded moulding sand (distance in mm from casing mould interface are marked) [4]. Rys. 2. Ciepło właściwe c p w masie bentonitowej (4% wody) przy wzroście i spadku temperatury [4]. Fig. 2. Specific thermal capacity c p of bentonite-bonded moulding sand (4% water), for increasing and decreasing of temperature [4].

4 219 Uogólniając, ze zmianami ciepła właściwego powiązano w [4] następujące zjawiska zachodzące w masie formierskiej : - od 100 C intensywne parowanie wody, - od 300 do 600 C stopniowy rozkład żywicy (efekt egzotermiczny), - w temperaturze około 573 C odwracalna przemiana kwarcu α (niskotemperaturowego) w kwarc ß (wysokotemperaturowy), - między 600 a 900 C mogą zachodzić przemiany endotermiczne żywicy lub bentonitu. Na rys. 2. w obszarze 100 C widać znaczny skok zastępczego ciepła właściwego jest to wartość c p powiązana z ciepłem parowaniem wody, uwzględniona w bardzo wąskim przedziale temperaturowym. Warto również dodać, że w strefie przewilżonej na skutek zmian stanu skupienia i wzrostu ilości wody rośnie również umowna przewodność cieplna w tej strefie Funkcja źródła ciepła Model zjawiska powstawania i ruchu strefy przewilżonej może uwzględniać różne zjawiska począwszy od analizy ruchu płynu w ośrodku porowatym (równanie Darcy ego [2]), do oparcia się jedynie na modyfikacji parametrów termofizycznych ośrodka (masy)w funkcji temperatury, a także wprowadzeniu funkcji źródła ciepła. Stworzenie modelu na podstawie zagadnienia Darcy ego jest dość skomplikowane, ze względu na złożony charakter przepływu płynu w ośrodku porowatym i wymaga sprzężenia w modelem przepływu ciepła. W przypadku systemów symulacyjnych Magmasoft i NovaFlow&Solid (oba oparte o model cieplny) istnieje prostsza możliwość wprowadzania zmodyfikowanych parametrów termofizycznych materiału formy w funkcji temperatury. System Calcosoft 2D jak już zaznaczono posiada możliwość definiowania funkcji użytkownika tzw. user function. W pracy [1] model powstawania i ruchu strefy przewilżonej otrzymano w sposób analogiczny do modelu opisującego działanie otuliny egzotermicznej nadlewu, z tą różnicą, że inicjacja reakcji następuje w 100 ºC i ma ona charakter ujemnego źródła ciepła. Funkcję źródła określono w postaci ekspotencjalnej (1): Q (t) = -A τ exp(-t / τ) + A τ (1) gdzie: Q (t) - ilość ciepła, A - wartość początkowa, τ - stała czasowa, t - czas liczony od początku reakcji

5 METODYKA BADAŃ Badania składały się z dwóch części eksperymentu i symulacji.. Wykonanie eksperymentu polegało na pomiarze pola temperatur w formie oraz w odlewie z żeliwa wysokochromowego, będącego źródłem ciepła, wyposażonych w odpowiednie elementy pomiarowe. Badanym materiałem była kwarcowa masa formierska z dodatkiem śrutu żeliwnego, w której jako spoiwo zastosowano szkło wodne (6%) [5]. Z uwagi na fakt występowania wody wolnej jak i konstytucyjnej w spoiwie masa ta charakteryzuje się zachodzeniem zjawisk podobnych do tych w masie wilgotnej bentonitowej. W drugiej części wykonano badania symulacyjne wykorzystując system Calcosoft 2D Badania eksperymentalne Do przeprowadzenia badań eksperymentalnych konieczne było wykonanie specjalnego rdzenia pomiarowego z badanej masy na szkle wodnym. Termoelementy chromel alumel umieszczone zostały w odległościach 5, 7 i 12 mm oraz w środku odlewu. Odlewem (źródłem ciepła) była płyta z żeliwa wysokochromowego o wymiarach mm. Akwizycję danych przeprowadzono za pomocą komputerowej centrali pomiarowo rejestrującej CASTOR 2. Wyniki pomiaru zostały zapisane w postaci pliku tekstowego, a następie, po ich opracowaniu i analizie, przeniesione do systemu Calcosoft 2D, w celu wykonania badań symulacyjnych Badania symulacyjne Dla przeprowadzenia badań symulacyjnych konieczne było wprowadzenie geometrii układu odlew forma. Z uwagi, ze grubość płyty jest dziesięciokrotnie mniejsza od jej wymiarów gabarytowych, można przyjąć, że przepływ ciepła następuje tylko w układzie 1D. Schemat geometrii z siatką MES i rozmieszczonymi termoelementami pokazano na rys. 3. Rys. 3. Geometria układu odlew forma z siatką MES i termoelementami [1]. Fig. 3. Cast/mould geometry with FEM mesh and thermoelement positions. Do obliczeń symulacyjnych przyjęto wstępnie następujące parametry materiału formy: ciepło właściwe objętościowe c ρ = 2,2 MJ/m 3 K oraz przewodność cieplną λ = 2,6 W/(m K), na podstawie [1]. Włączenie funkcji źródła ciepła w algorytmie user function następuje przy 100 ºC.

6 ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ I WALIDACJA Korzystając z założonych parametrów przeprowadzono pierwsze symulacje. Wynik obrazujący zmienność temperatur w miejscach lokalizacji termoelementów pokazuje rys. 4. Należy podkreślić, że w każdym przypadku walidacja temperaturowa dot. formy była realizowana pod warunkiem uzyskania zgodności czasów krzepnięcia (walidacja energetyczna, [2]). Dokładnie opisano to w [6]. Rys. 4. Wynik jednej z pierwszych symulacji porównanie wyników z eksperymentem [1, 6]. Fig. 4. Result of one of first simulation comparison of results with experiment [1, 6]. Porównanie przebiegów temperatur z symulacji dla poszczególnych punktów pomiarowych wskazuje na różnice w stosunku do przebiegów eksperymentalnych, w szczególności, jeśli chodzi o czas trwania przystanku temperaturowego 100 C. Próba walidacji modelu zjawiska przepływu ciepła i masy polegała tutaj na dopasowaniu krzywych temperaturowych otrzymanych w wyniku symulacji do krzywych eksperymentalnych (rzeczywistych). W tym celu dokonano sztucznego podziału formy na podobszary 7 warstw o grubości odpowiednio: 2; 2; 2; 2; 1,5; 5 i pozostałe 120,5mm.. W każdym podobszarze założono inną wilgotność wyjściową im dalej od powierzchni rozdziału odlew forma tym wartość wilgotności była większa. Niektórym podobszarom odpowiadały adresy termoelementów temperatury z eksperymentu. Wykonując kolejne symulacje doprowadzono do zbliżenia wyników symulacji z wynikami eksperymentu, co uzyskano dla następujących parametrów: -wilgotności w poszczególnych podobszarach (od 1 do 7) odpowiednio: 16, 22, 28, 34, 40, 40 i 40%, - zastępcze ciepło właściwe 0,7 MJ/m 3 K (stałe) - przewodność cieplną 3 W/(m K) (stałe) Zdawano sobie przy tym sprawę, że przyjęte wartości wilgotności odbiegają od jednorodnej, pierwotnej zawartości wilgoci wynikającej z zawartości szkła wodnego w masie formierskiej. Przyjęty rozkład wilgotności został uzyskany na podstawie licznych

7 222 symulacji (walidacja energetyczna i temperaturowa) [6]. Porównanie obu grup wyników przedstawiono na rys. 5. Rys. 5. Wynik symulacji dla formy porównanie wyników z eksperymentem [1]. Fig. 5. Result of simulation for mould comparison of results with experiment. Z powyższego zestawienia można wnioskować, że stopień dopasowania wyników symulacji do wyników eksperymentu jest najlepszy dla punktu odpowiadającego termoelementowi w odległości 12mm. Rozbieżności dwóch pierwszych krzywych (pozycja termoelementów odpowiednio: 5 i 7 mm) mogą wynikać z niewłaściwego oszacowania wilgotności w tych podobszarach. Zgodność czasów krzepnięcia była przy tym doskonała. Kompletne wyniki tych badań przedstawiono w [6]. 4. PODSUMOWANIE Opisano pierwsze próby walidacji modelu powstawania strefy przewilżonej jedynie za pomocą modelu cieplnego z uwzględnieniem jednego źródła ciepła przemiany (parowanie) okazała, że trzeba w takim przypadku korzystać z dość egzotycznych wartości wstępnego rozkładu wilgotności i parametrów termofizycznych, aby uzyskać oczekiwane zbliżenie wirtualnego profilu temperaturowego strefy przewilżonej do rzeczywistości. W szczególności: - opisane badania pozwoliły na uzyskanie obok bardzo dobrego zbliżenia czasów krzepnięcia, dość dobrego stopnia dopasowania wyników badań symulacyjnych do wyników eksperymentu tylko dla wybranego termoelementu, - wilgotność wyjściową w poszczególnych warstwach dobierano uwzględniając długości eksperymentalne przystanków temperaturowych, co bez ujęcia w modelu ruchu pary i jej kondensacji oznaczało w konsekwencji wolniejszy wzrost temperatury w masie formierskiej, co zmuszało do zawyżania wartości zastępczego λ, w stosunku do definicyjnej wartości [2],

8 223 - z uwagi na fakt, że badania symulacyjne obejmowały pobieranie ciepła przez parującą wodę, po uwzględnieniu w planowanym kolejnym etapie badań modelu kondensacji pary wodnej, uzyska się rzeczywiste charakterystyki termofizyczne masy λ i cρ bardziej zbliżone do wynikających z ujęcia definicyjnego tych współczynników, nawet w zastępczej wersji. LITERATURA [1] J.Ciura Optymalizacja baz danych materiałowych systemów symulacyjnych Virtual Prototyping stosowanych w odlewnictwie praca dyplomowa pod kierunkiem Z. Ignaszaka, Poznań [2] Z. Ignaszak Virtual Prototyping w odlewnictwie bazy danych i walidacja Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2002 [3] T. Szmigielski Badania cisnienia gazów w róznych warstwach wilgotnej formy odlewniczej Archiwum Odlewnictwa 2004 str [4] H. Wolff, S. Engler, A. Schrey, G. Wolf Wärmetransport I Formen bei der Erstarrung und Abkühlung von Mittel- und Groβguβ aus Guβeisen, Giessereiforschung nr [5] Z.Ignaszak Identyfikacja termofizycznych właściwości mas formierskich specjalnego przeznaczenia, z dodatkiem mikro ochładzalników, (współpraca: P.Popielarski). Raport z badań dla Politechniki Szczecińskiej (niepublikowany), Poznań, [6] L.Graczyk, J.Ciura, Z.Ignaszak Sposób eksperymentalno symulacyjnej identyfikacji ruchu strefy przewilżonej. Publikacja na CD i referat wygloszonu na VIII Modelling of Casting and Foundry Processes.Simulation Codes Interpretation Of Simulation Results October 2004, POZNAN-ŚREM (Poland). EXPERIMENTAL SIMULATING METHOD OF OVER MOIST ZONE IDENTIFICATION IN THE MOULD SUMMARY The study described in paper concerns the identification of the over moist zone presence in mould sand with the addition of the water glass after pouring of this mould with liquid alloy. Experimental and simulation examinations were made with the use of the system of Calcosoft 2D. Analysis of results and the first trial of the validation of the model were carried with taking into consideration the changeability of mould sand parameters. Recenzował Prof. Józef Gawroński