NAGRZEWANIE, W TRAKCIE ZALEWANIA, FORMY PIASKOWEJ W OBSZARZE DZIAŁANIA STRUMIENIA CIEKŁEGO METALU

Transkrypt

1 85/14 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 14 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 14 PAN Katowice PL ISSN NAGRZEWANIE, W TRAKCIE ZALEWANIA, FORMY PIASKOWEJ W OBSZARZE DZIAŁANIA STRUMIENIA CIEKŁEGO METALU J. MOCEK 1 Katedra Technologii Form Odlewniczych Wydziału Odlewnictwa AGH Kraków, ul. Reymonta 23, Polska STRESZCZENIE Praca niniejsza zawiera wyniki badań kinetyki nagrzewania się elementów form bezpośrednio pod strumieniem metalu w czasie zapełnienia wnęki formy. Badania przeprowadzano w formach doświadczalnych przy zmiennym kącie padania strumienia ciekłego metalu. Pomiary dotyczą mas ze szkłem wodnym przy zalewaniu formy żeliwem szarym. W pracy wykazano, że intensywność nagrzewania formy w obrębie padającego strumienia zależy od kąta padania strumienia, nagrzewanie form jest szybsze wtedy, gdy kąt natarcia zbliża do 90 o. W trakcie zalewania wolniej nagrzewają się formy, w których masa jest lepiej zagęszczona. Formy takie praktycznie nie podlegają erozji głównie z dwóch powodów: dużej wytrzymałości masy i powolnego nagrzewania. W pracy wykazano również, że przy stałych warunkach eksperymentu, strumień kierowany na pionowe ścianki formy silniej je rozgrzewa niż przy ich poziomym usytuowaniu. 1. WPROWADZENIE Podstawowym zjawiskiem występującym podczas zapełniania formy piaskowej ciekłym metalem jest nagrzewanie się warstw przylegających do wnęki układu wlewowego i wnęki formy. Nagrzewanie następuje bezpośrednio przez przewodnictwo cieplne i pośrednio -drogą promieniowania. Podczas zalewania form strumień uderzający o 1 mgr inż., jmocek@ uci.agh.edu.pl

2 a 637 powierzchnię formy powoduje wzrost jej temperatury od powierzchni wnęki w głąb. Powoduje to rozszerzanie i kurczenie się osnowy piaskowej postępujące również w głąb formy za jej przewodnictwem cieplnym. Poznanie intensywności nagrzewania jest bardzo ważne z punktu widzenia jej chwilowej wytrzymałości na rozrywanie (Rm u t ). Chwilowa wytrzymałość decyduje o możliwości erozyjnego uszkodzenia powierzchni formy. Ciepło przepływające od metalu do formy napotyka na szereg oporów. Najtrudniejszy do określenia jest opór miedzy płynącym metalem a formą gdyż, wskutek braku idealnego kontaktu między nimi, zachodzi zjawisko odpowiadające istnieniu szczeliny [1 ]. Problemy związane z przepływem ciepła w formach odlewniczych nalezą do podstawowych. Na użytek pracy dotyczącej erozji form piaskowych konieczne jest doświadczalne określenie chwilowych temperatur w rejonie erozyjnego działania strumienia metalu. 2. METODYKA BADAWCZA Na zaprojektowanym przez autora stanowisku badawczym [2,4,6] przeprowadzono badania pozwalające określić kinetykę nagrzewania się wybranych elementów (tzw. wkładek) formy zalewanej żeliwem. Formy i wkładki testowe wykonywano oddzielnie do każdego pomiaru. Termoelementy (Ni-Cr Ni-Al) zamontowane były bezpośrednio we wkładkach wprost pod strumieniem ciekłego metalu i w okolicach jego oddziaływania. Badania przeprowadzono przy pionowym i poziomym skierowaniu strumienia opuszczającego układ wlewowy i przy różnych kątach padania strumienia ciekłego metalu na powierzchnię - testowaną próbkę masy tj.: - przy pionowym skierowaniu strumienia: kąt padania: 90 o, 60 o, 45 o, 30 o, - przy poziomym skierowanie strumienia : kąt padania : 90 o. Rozmieszczenie termoelementów zaplanowano w taki sposób, aby objąć całe pole podlegające erozji i na wybranych głębokościach. Ich położenie i jego opis pokazuje rysunek nr a- od 30 do 64mm Wymiar zależny od ustawienia wkładki badawczej względem wlewu doprowadzającego. Odległość końca wlewu doprowadzającego od wkładki wynosiła każdorazowo 30mm. 1. 5mm pod strumieniem 2. 8mm od powierzchni 3. 7 mm od powierzchni 4. 8 mm od powierzchni mm od powierzchni 6. 5 mm od powierzchni 7. 4 mm od powierzchni 8. 3 mm od powierzchni Rys.1 Schemat ułożenia termopar(ni-cr Ni-Al.) kontrolnych w badanej wkładce. Fig.1. Schematic drawing of the thermocouples (Ni-Cr Ni-Al) positioning in the testing sample.

3 638 Rys. 2 Przykładowa kinetyka nagrzewania się badanej wkładki (kąt padania strumienia 90 o ) Fig.2. An example of insert part heating kinetics (the stream inclination angle = 90 o ) Formy zalewano żeliwem klasy Zl 200 o temperaturze zalewania 1420 o C. Dla wyznaczenia dodatkowo wpływu intensywności działania strumienia ciekłego metalu, w części prób przekrój wlewu doprowadzającego zwiększono o 20 % tj. z 0,5 cm 2 do 0,6 cm 2. Przykładową kinetykę nagrzewania się wkładki badawczej w punktach pomiarowych przedstawia rysunek 2. Zaplanowanie rozłożenia termopar poprzedzone było obserwacją strumienia metalu wypływającego z wlewu doprowadzającego, jego rozkładu na powierzchni wkładki. Badania te wykonano metodą tzw. formy odkrytej (bez górnej skrzynki). Potwierdziły one, że strumień ciekłego metalu opuszczający układ wlewowy rozpływa się po powierzchni form zgodnie z modelem Frommera opisującym rozkład strumienia uderzającego w przeciwległą ścianką [3]. Pomiary temperatur przedstawione na rysunku 3 potwierdzają tworzenie się na powierzchni formy (w osi strumienia) tzw. zastoiny, ujętej w w/w modelu. Nagrzewanie się masy pod zastoiną (krzywa 1) jest wolniejsze niż w miejscu tworzenia się i przepływu strug bocznych (krzywe 6 i 7). 3. MATERIAŁY UŻYTE DO BADAŃ Wkładka badawcza z poddawanej testowi masy była przygotowywana na 24 godz. wcześniej przed planowanym doświadczeniem. Gęstość pozorna wkładek wynosiła 1,55 g/cm 3 i 1,65 g/cm 3.Badania przeprowadzono na wkładkach z masy gdzie osnową był piasek kwarcowy Szczakowa o ziarnistości (0,2/0,32/0,16). Jako spoiwo używano

4 639 szkło wodne 150 w ilości 3,5%,oraz utwardzacza flodur 5 (0,4%). Ciężar odlewu wraz z układem wlewowym wynosił przy każdym doświadczeniu 25kg. Czas zalewania form wynosił średnio 32 35s, ciśnienie dynamiczne ustalone było wysokością nadstawki wraz ze zbiornikiem wlewowym i wynosiło 590mm. 4. BADANIA WŁASNE Stanowisko badawcze i metodykę badań opisano we wcześniejszych publikacjach autora [2,4,6]. W pracy przeprowadzono pomiary nagrzewania się przypowierzchniowych warstw masy w obszarach erozyjnego działania strumienia ciekłego metalu. Dążono do określenia wpływu takich czynników technologicznych, które w świetle wcześniejszych badań, mają istotny wpływ na przebieg erozji form. Badano wpływ: kąta padania strumienia ciekłego metalu, ustawienia strumienia, gęstości pozornej masy we wkładkach, natężenia strumienia. W pierwszym etapie badań porównano proces nagrzewania się form zalewanych żeliwem przy różnych kątach padania i ukierunkowan iu strumienia metalu. Przykładowe wyniki zawiera rysunek 3. Rys. 3 Kinetyka nagrzewania się form w czasie zalewania żeliwem(temperatura w punkcie uderzenia strugi metalu, 5 mm od powierzchni) Fig. 3. Kinetics of the insert heating during pouring with gray cast iron into a mould (temperature measuring point located 5mm under the mould surface) Krzywe przedstawiają temperatury form podczas zalewania w punkcie pomiarowym nr 1 (rys. 1) w miejscu gdzie występuje zdarcie formy. Punkt pomiarowy umieszczono na głębokości 5mm. Krzywe przedstawiają pomiary przy różnym ustawieniu strumienia (poziomo lub pionowo skierowany strumień) i różnych kątach padania strumienia. I tak: a) poziomy strumień prostopadle ustawiona wkładka, b) pionowo

5 640 padający strumień - prostopadle ustawiona wkładka, c) pionowy strumień ustawienie wkładki 60 o, d) pionowy strumień ustawienie wkładki 45 o, e) pionowy strumień ustawienie wkładki 30 o. Pomiary temperatury wykazują, że proces nagrzewania badanej wkładki (formy) zależy od kąta padania strumienia (rys. 3). Szybkość nagrzewania się formy pod strumieniem ciekłego metalu rośnie wraz ze wzrostem składowej normalnej strugi. Różnica temperatur przy końcu zalewania wynosi ponad 250 o C. Najszybciej nagrzewa się forma przy prostopadłym padaniu strumienia. Przy pionowym i poziomym ustawieniu prostopadle padającego strumienia metalu występują różne czynniki sprzyjające przekazywaniu i przejmowaniu ciepła. Dla wykazania wagi tych czynników w drugim etapie badania te powtórzono dla zwiększonego przekroju strumienia metalu (o 20%), a następnie zwiększonej gęstości pozornej masy we wkładkach. Wyniki badań wpływu tych czynników pokazuje rysunek 4. Rys.4 Kinetyka nagrzewania się formy przy różnych ustawieniach prostopadle padającego strumienia ciekłego metalu: -poziome ustawienie (1 i 4), -pionowo padający strumień (2 i 3), dla gęstości pozornej wkładek 1,55g/cm 3 (krzywe 1 i 2) i 1,65g/cm 3 (krzywe 3 i 4). Fig.4. Kinetics of the mould heating at different positions of the perpendicularly arranged incident stream of molten metal: horizontal arrangement (1, 4); vertical arrangement (2,3). Apparent density of the test inserts: 1.55 [g/cm3] (curves 1,2), 1.65 [g/cm3] (curves 3,4). Krzywe 1 i 4 odnoszą się do poziomego ustawienia prostopadle padającego s trumienia, natomiast 2 i 3 pionowe do prostopadłego. Pomiary temperatury wyznaczające krzywe wykonywane były z zachowaniem następujących wartości parametrów technologicznych: dla krzywych 1 i 3 przekroje wlewów doprowadzających wynosiły 0,6cm 2 dla krzywych 2 i 4 wlewy doprowadzające odpowiednio 0,5cm 2 dla krzywych 1 i 2 gęstość pozorna badanej wkładki wynosiła 1,55g/cm 3 dla krzywych 3 i 4 gęstość pozorna badanej wkładki wynosiła 1,65g/cm 3

6 641 Analiza uzyskanych wyników wskazuje na istotny wpływ gęstości pozo rnej formy na szybkość jej nagrzewania. Im mniejsza gęstość pozorna wkładki, tym szybciej i do wyższych temperatur w czasie zalewania nagrzewają się wierzchnie warstwy formy znajdujące się bezpośrednio pod strumieniem ciekłego metalu. Zwiększenie przekroju strumienia (krzywa 4 i 1) o 20% i zmniejszenie gęstości pozornej masy z 1,65g/cm 3 do 1,55g/cm 3 powoduje, w czasie zalewania formy, nagrzewania masy do temperatury wyższej o ponad 400 o C. Dla przeanalizowania różnic intensywności nagrzewania się formy pod strumieniem przy pionowym i poziomym skierowaniu wlewu doprowadzającego sporządzono wykres pierwszej pochodnej temperatury po czasie (dt/dt) rysunek 5. Rys. 5. Pochodne nagrzewania pod prostopadle padającym strumieniem przy pionowym padaniu strumienia metalu (krzywa 1) i poziomym skierowaniu strumienia (krzywa 2). Fig. 5. Derivative of the heating under the perpendicular incident molten metal stream at: vertically arranged stream (curve 1), and horizontally arranged stream (curve 2). Wykres ten obrazuje złożoność zjawisk wpływających na prędkość nagrzewania się formy w czasie zalewania. Pierwszy okres intensywnego nagrzewania obejmuje fazę do nagrzania do 100 o C (pierwsze maksima na krzywych). Po tym okresie rozpoczyna się parowanie wody wprowadzonej do masy ze szkłem wodnym [5], przyrost temperatury praktycznie zanika (minimum na krzywych). W zależności od położenia warstwy (od głębokości) przystanek ten trwa odpowiednio długo (rys. 1). Drugi punkt maksimum na krzywych oznacza moment powrotu układu odlew- forma do klasycznego nagrzewania półprzestrzeni, ze spadającą intensywnością. Na krzywej 1, po około 23 sek. stabilizuje się szybkość nagrzewania (~10 o C/s), co należy wiązać z występowaniem tak zwanej zastoiny pod pionowo i prostopadle padającym strumieniem [3]. Zdecydowanie mniejsze przyrosty temperatury i inny ich charakter w końcowej fazie zalewania przy pionowym padaniu strumienia metalu przypisuje

7 642 się przewodzeniu dostarczanego ciepła od strumienia przez stojącą w zastoinie porcję metalu. Przy poziomo ustawionym wlewie doprowadzającym zastoina się nie tworzy. W czasie zalewania następuje intensywniejsze nagrzewanie formy. Potwierdzają to obserwacje prowadzone w badaniach formy odkrytej. Poziomo ustawiony strumień bezpośrednio uderza o wkładkę, a następnie rozpływa się promieniowo po pionowo ustawionej powierzchni. Formowanie strumieni bocznych, spływających po powierzchni, wypełniających wnękę formy następuje poza obszarem erozyjnego działania strumienia. 4. PODSUMOWANIE Intensywność nagrzewania się formy z masy wiązanej szkłem wodnym w czasie jej zalewania bezpośrednio pod strumieniem metalu zależy przede wszystkim od takich czynników technologicznych jak: kąt padania ustawienia strumienia metalu (poziome, pionowe) gęstość pozorna masy formy, przekrój wlewu doprowadzającego. Składowa normalna ciśnienia dynamicznego strumienia metalu wpływa bezpośrednio na intensywność nagrzewania się formy pod strumieniem metalu. Przy prostopadłym natarciu strumienia tworzy się zastoina, która opóźnia proces nagrzewania formy. Wraz ze wzrostem gęstości pozornej masy zwiększa się przewodność cieplna formy, zwiększa się czas potrzebny na odparowanie wody z warstw przypowierzchniowych wnęki formy w głąb formy. Nagrzewanie warstw na powierzchni narażonych na erozję przebiega wtedy wolniej. Za wzrostem przekroju wlewu doprowadzającego w badanym zakresie rośnie intensywność nagrzewania formy pod strumieniem metalu. Praca finansowana przez KBN. praca własna nr LITERATURA [1] Szreniawski J.: Piaskowe formy odlewnicze, WNT Warszawa (1968)s [2] Zych J., Mocek J.: Zjawisko erozji w formach wykonywanych z mas ze spoiwami chemicznymi, Archiwum Odlew., PAN Katowice (2002), v. 2, Nr 3, s [3] Dańko J.: Maszyny i urządzenia do odlewania pod ciśnieniem ( Wybrane problemy teorii zapełniania wnęki formy ciśnieniowej), Uczelniane wydawnictwo naukowo dydaktyczne Kraków (2000), s [4] Mocek J., Zych J., Chojecki A.: Study of erosion phenomena in sand moulds poured with cast iron, International Journal of Cast Metals Research, 2004 Vol. 17, No 1, s

8 643 [5] Zych J.: Strefa przewilżona w masach ze szkłem wodnym ultradźwiękowe badania kinetyki jej tworzenia, Przegląd odlewnictwa, Kraków 2003, nr 11-12, s [6] Mocek J.: Badanie zjawiska erozji form piaskowych zalewanych żeliwem szarym, Archiwum Odlewnictwa, PAN Katowice (2002), 2002 v. 2, nr 5, s [7] Lewandowski J.: Tworzywa na formy odlewnicze, Wydawnictwo Akapit, Kraków 1997, s THE HEATING, DURING FILLING OF THE MOULD CAVITY,. OF MOULD PARTS PLACED DIRECTLY UNDER THE STREAM OF MOLTEN METAL SUMMARY The work presents results of the investigations of the heating kinetics of mould parts placed directly under the stream of molten metal, during filling of the mould cavity. The investigations were carried in the test moulds with various angles of the molten metal stream. Tests were performed on water-glass bonded moulding sands poured with gray cast iron. It was shown, that the intensity of mould heating near the molten metal stream depends on the stream inclination angle, and heating is faster when the angle approaches 90 o. The slower heating rate during filling with molten metal is present in moulds with the better moulding sand densification. Erosion of that moulds is virtually neglectable due to high moulding sand strength, and slow heating rate. In the work it was also shown, that in the constant testing conditions, the mould walls subjected to the molten metal stream were heated more when they were arranged vertically then horizontally. Recenzował Prof. Józef Gawroński