STANOWISKO DO BADANIA WSPÓŁCZYNNIKA PRZEWODZENIA CIEPŁA MATERIAŁÓW STOSOWANYCH NA FORMY GIPSOWE W ODLEWNICTWIE PRECYZYJNYM

Transkrypt

1 35/13 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 13 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 13 PAN Katowice PL ISSN STANOWISKO DO BADANIA WSPÓŁCZYNNIKA PRZEWODZENIA CIEPŁA MATERIAŁÓW STOSOWANYCH NA FORMY GIPSOWE W ODLEWNICTWIE PRECYZYJNYM M. WIKTORSKI 1, M. PAWLAK 2, Z. NIEDŹWIEDZKI 3 Politechnika Łódzka, Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Odlewnictwa Łódź, ul. Stefanowskiego 1 STRESZCZENIE W pracy przedstawiono stanowisko do wyznaczania współczynnika przewo - dzenia ciepła oraz omówiono metodę jego obliczania. Key words: plaster, gypsum, precision casting, thermal conductivity. 1. WPROWADZENIE Postęp technologiczny oraz wymogi ochrony środowiska zmuszają producentów odlewów do poszukiwania nowych technologii i materiałów do wytwarzania odlewów. Jedną z takich technologii jest odlewanie w formach gipsowych. Zastosowanie mas formierskich stanowiących kompozycję gipsową na formy odlewnicze zapewnia uzyskanie odlewów o dużej dokładności kształtowej i wymiaro - wej oraz o małej chropowatości powierzchni, co praktycznie eliminuje obróbkę skrawaniem. Dodatkową zaletą tej technologii jest możliwość wytworzenia odlewów cienkościennych, nawet o grubości ścianek poniżej 1 mm. Zalety te powodują, że wykonywanie odlewów precyzyjnych ze stopów o niskiej i średniej temperaturze topienia w formach gipsowych jest korzystniejsze od wykonania w formach piaskowych, skorupowych czy kokilowych. Właściwości materiału formy odlewniczej mają zasadniczy wpływ na jakość odlewu. Formy gipsowe charakteryzują się specyficznymi cechami, głównie dobrą 1 mgr inż., mwik@p.lodz.pl 2 dr inż. 3 dr hab. inż., prof. P.Ł.

2 234 izolacyjnością i małą przepuszczalnością. Dobór odpowiednich dodatków do gipsu pozwala na uzyskanie kompozycji gipsowej o pożądanej wartości przewodności cieplnej materiału gotowej formy. Opracowanie odpowiedniego stanowiska badawczego oraz metodyki wyznaczania współczynnika przewodzenia ciepła λ pozwoli na ocenę tej cechy oraz jej wpływu na jakość odlewu. Wśród współczesnych metod, stosowanych do wyznaczania współczynnika przewodzenia ciepła, najczęściej stosowane są [1]: 1. Statyczna metoda gorącej płyty pozwalająca określić w badanym zakresie temperatur wartość współczynnika λ w przedziale wartości (0,005 0,5) oraz (0,5 2), W/(m K), 2. Dynamiczna metoda gorącego drutu, w zastosowaniu której istotną rolę spełnia sposób podłączenia termoelementów umożliwiający pomiar λ w przedziale (0 2), W/(m K) oraz do 20, W/(m K), 3. Metoda rozpuszczalności błysku (flash diffusivity), stosowana do materiałów wysoce przewodzących z odmianą lasserflash, stosowaną w przypadku próbek o małych wymiarach. Wyżej wymienione metody służą jednak do wyznaczania współczynnika λ w warunkach laboratoryjnych. Przedstawione w niniejszej pracy stanowisko umożliwia pomiar współczynnika λ w warunkach analogicznych do panujących w rzeczywistej formie odlewniczej podczas jej zalewania ciekłym stopem. Stanowiska zbliżone do prezentowanego, służące do pomiaru współczynnika przewodzenia ciepła opisano w materiałach AGH [2] i Politechniki Poznańskiej [3], przy czym zasadnicza różnica polega na sposobie pomiaru mocy elementu grzejnego i wyznaczeniu strumienia ciepła q wnikającego przez powierzchnię wewnętrzną kształtki doświadczalnej. Inna jest również metoda archiwizacji danych pomiarowych. 2. STANOWISKO DOŚWIADCZALNE DO WYZNACZANIA WSPÓŁCZYNNIKA PRZEWODZENIA CIEPŁA Schemat stanowiska do pomiaru współczynnika przewodzenia ciepła w warunkach przepływu ustalonego, przedstawiono na rys. 1. Elementem grzejnym jest globar o wymiarach ø16 x 460 (15), podłączony do układu kontrolno-sterującego (12). Równolegle w obwód grzejny włączony jest woltomierz (11), mierzący napięcie na długości czynnej globaru, tj. w obszarze badanej kształtki. Temperatura w sześciu ściśle ustalonych punktach wewnątrz kształtki mierzona jest za pomocą termoelementów płaszczowych typu K (4). Termoelementy zostały umieszczone w otworach o średnicy 2 mm, przy czym ich końce znajdowały się w połowie wysokości badanej kształtki. Badana kształtka (10) umieszczona jest pomiędzy kształtkami izolującymi (9). Zewnętrzne walcowe powierzchnie zestawu kształtek izolowane są matą glinokrzemia-

3 235 nową o grubości 15 mm (8), a ich czołowe powierzchnie zabezpieczono przekładkami izolacyjnymi o grubości 30 mm (5). Rys. 1. Schemat stanowiska do pomiaru współczynnika przewodzenia ciepła: 1- komputer, 2- multiport, 3- ekranowane przewody termoparowe, 4- termoelement typu K, 5- przekładki izolacyjne, 6- uszczelnienie azbestowe, 7- chłodnica miedziana zacisku prądowego, 8- mata zewnętrzna, izolacja z włókna glinokrzemianowego, 9- kształtka izolacyjna, 10- kształtka doświadczalna, 11- woltomierz, 12- układ kontrolno sterujący, 13- przewody zasilające, 14- zacisk prądowy, 15- globar, 16- płyta dociskowa, 17- śruba ściągająca płyty, 18 autotransformator. Fig. 1. Diagram of a stand to search coefficient of thermal conductivity. Ponadto zastosowane uszczelnienie azbestowe (6) eliminuje przepływ powietrza w szczelinie. 3. BADANIE TESTOWE STANOWISKA 3.1. Badania wstępne Badania wstępne obejmowały ocenę rozkładu temperatury na długości czynnej globaru, w szczególności w obszarze kształtki doświadczalnej. Układ kształtek zastąpiono rurką wykonaną z Al 2 O 3 o wymiarach ø 30 / 5 x 270, wewnątrz której umieszczano globar. W rurce tej wywiercono 9 otworów ø 1,5 w równych odległościach od siebie, w których osadzono termoelementy (NiCr-NiAl).

4 l, mm 50 l, mm 236 Układ zaizolowano matą glinokrzemianową o grubości 20 mm, w celu spowolnienia odpływu ciepła na zewnątrz układu. Pomiary wykonywano po upływie 1 h, mierzonej od momentu ustalenia się temperatury układu. Następnie wyznaczono charakterystykę temperaturową globaru. Celem badań była ocena rozkładu temperatury na długości globaru. Rozkład temperatury, w zakresie badanego zestawu kształtek, przedstawiono na rys. 2. a) b) rurka z Al2O globar t, O C t, O C 740 Rys. 2. Wyniki pomiaru temperatury na wysokości a) zestawu kształtek doświadczalnych, b) kształtki badanej. Fig. 2. The results of measurement a temperature on the height: a) the aggregate of samples experimental, b) sample. Analiza wyników badań wykazuje, że względna różnica temperatury na wysokości kształtki doświadczalnej nie przekracza 2,03 %. Można zatem przyjąć z wystarczającą dokładnością liniowy rozkład temperatury na wysokości badanej kształtki Materiał użyty do badań Kształtki doświadczalne (9, 10) wykonano z gipsu α CaSO 4 0,5H 2 O, o nazwie handlowej Hartform HF 1, niemieckiej firmy Formula [4]. Kształtki o wymiarach ø100 / 20 x 50 charakteryzuje jednakowa gęstość (przy sporządzaniu zaczynu gipsowego przeznaczonego do ich wykonania przyjęto stosunek wodno-gipsowy 0,34 [5]. Kształtki suszono przez 48 godzin w warunkach otoczenia, w celu usunięcia wody niezwiązanej. Następnie poddano je obróbce cieplnej dla uzyskania struktury anhydrytu II. Celem tego procesu jest zahamowanie przemian fazowych w materiale kształtki, które są przyczyną naprężeń wewnętrznych mogących powodować pękanie kształtek Metodyka badań Nagrzewany prądem globar emituje ciepło, które przepływa przez badaną kształtkę. Wartości temperatury kształtki, zmierzone w poszczególnych punktach pomiarowych archiwizowano z częstotliwością 1 s przez okres trwania pomiaru. Ich analiza wartości umożliwiła określenie czasu po którym przepływ ciepła ustala się.

5 Ø 100 Ø Jako przepływ ustalony przyjęto stan, w którym wskazania poszczególnych termoelementów nie zmieniają się w czasie 1 h. W gotowych kształtkach doświadczalnych (po obróbce cieplnej) wykonano otwory o wymiarach ø 2x25, korzystając z szablonu zapewniającego pełną powtarzalność ich rozmieszczenia. Ten sam szablon wykorzystano do wykonania otworów przelotowych w górnej kształtce izolacyjnej. Rozmieszczenie otworów w kształtce doświadczalnej przedstawiono na rys r3= 26 r2= 19 r4= 33 r1= 12 r5= 40 r6= 47 Rys.3. Schemat rozmieszczenia otworów dla termoelementów w kształtce. Fig. 3. The schema of position holes for thermocouples inside the simple. Podczas pomiaru temperatur w ustalonym zakresie, dokonywano odczytu wartości napięcia prądu na woltomierzu (11) i natężenia na układzie kontrolno - sterującym (12). W oparciu o te pomiary wyznaczono strumień ciepła q. Wyniki pomiarów przedstawiono w tablicy 1. Tabela 1. Wartości parametrów ustalonych doświadczalnie dla zakresów temperatur , O C Table 1. The results of experimental parameters for ganges temperature , O C L.p. U, V I, A q, W/m 2 Zakres temp., O C 1 2,00 9, , ,60 12, , ,20 15, , OBLICZANIE WSPÓŁCZYNNIKA PRZEWODZENIA CIEPŁA 4.1. Metodyka obliczeń Obliczenie wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ w warunkach przepływu ustalonego, przeprowadzono przy następujących założeniach [6]: 1. Nagrzewający się od wewnątrz wydrążony walec o grubości ściany r w r r z, jest nieskończenie długi;

6 Ciepło właściwe c, współczynnik przewodzenia ciepła λ oraz gęstość materiału ρ, są stałe; 3. Przez powierzchnię wewnętrzną r=r w przepływa do walca stały strumień cieplny q; 4. Temperatura powierzchni zewnętrznej t z jest stała i równa wszystkim punktom walca w chwili początkowej. Funkcja t(r, τ), określająca zmienne w czasie pole temperatury w wydrążonym walcu, spełnia równanie różniczkowe: gdzie: 2 t 1 t 1 t 2 r r r c Po uwzględnieniu warunków początkowych i brzegowych: t(r,0) = t z ; t q ; t(r z, τ) = t z, r r r w otrzymujemy, dla stacjonarnego w czasie pola temperatury, równanie postaci: t( r, ) t z q r w rz ln r gdzie: t r temperatura w punkcie t w, O C, t z temperatura w punkcie t z, O C, q strumień ciepła, W/m 2, r w wew. promień wydrążonego walca, m, r z zew. promień wydrążonego walca, m, r dowolna odległość od źródła ciepła, m. Uwzględniając w równaniu (2) k= q r w oraz wielkość ln r z jako argument, r otrzymujemy zależność liniową, z której można wyznaczyć współczynnik kierunkowy prostej k, np. metodą najmniejszych kwadratów. Dla zadanej mocy prądu przepływającego przez globar z równania (2) mierzymy wartości temperatury w poszczególnych punktach pomiarowych. Następnie w oparciu o równanie (2) wyznaczamy współczynniki kierunkowe prostej (k 1,...,k n, dla odpowiednich zakresów. Wartość średnią współczynnika kierunkowego prostej k obliczono z wzoru (3). k 1 n śr k i n i1 Natomiast strumień ciepła q obliczono z wzoru (4): q U I F (4) (1) (2) (3)

7 239 gdzie: F powierzchnia wew. kształtki, liczona dla r w, m 2, U napięcie zmierzone na wysokości kształtki badanej, V, I natężenie prądu przepływającego przez globar, A. Wartość współczynnika przewodności cieplnej λ, badanego materiału, obliczono z wzoru (5): q rw (5) k śr 5. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Wyniki badań przeprowadzonych na stanowisku doświadczalnym, dla mocy zasilania układu grzewczego P = 0,10; 0,15; 0,20 kw, z uwzględnieniem średniej odległości punktów pomiarowych od źródła ciepła rn rn 1 r śr przedstawiono 2 w tablicy 2. Tabela 2. Wartości λ w funkcji średniej odległości od źródła ciepła (r śr ) Table 2. The value λ in function of average distance from source of warmth (r śr ) Odl. r śr, P, kw λ, mm P 1 = 0,10 P 2 = 0,15 P 3 = 0,20 W/(m K) 15,50 0,69 0,63 0,62 λ 1 22,50 0,75 0,67 0,65 λ 2 29,50 0,64 0,62 0,62 λ 3 36,50 0,55 0,59 0,56 λ 4 43,50 0,89 0,96 0,59 λ 5 λ śr 0,70 0,69 0,61 Z analizy wyników badań można wnioskować, że w przypadku badanej formy gipsowej współczynnik przewodzenia ciepła jest stosunkowo niewielki λ=0,61 0,70 W/(m K) i zmniejsza się wraz ze zwiększającym się strumieniem ciepła q. Oznacza to, że w przedziałach o wyższej średniej temperaturze współczynnik λ również jest mniejszy. 6. PODSUMOWANIE Opracowana metoda wyznaczania współczynnika przewodzenia ciepła λ może być stosowana do oceny właściwości technologicznych materiałów form odlewniczych z kompozycji gipsowych. Dobrze uwzględnia panujące warunki w rzeczywistej formie odlewniczej, charakteryzując się przy tym dużą powtarzalnością pomiaru współczyn - nika przewodzenia ciepła.

8 240 Prosta budowa i uniwersalność stanowiska sprawia, że może być ono użyte również do badania innych materiałów formierskich stosowanych na formy odlewnicze. Stanowisko umożliwia również badanie przewodności cieplnej w stanie nieustalonym. LITERATURA [1] J. Blumm: Measuring Thermal Conductivity. Selb / Bavaria Germany Item/0,2710,78925,00.html. [2] L. Lewandowski: Materiały formierskie badania. Cz. II. Skrypty uczelniane 1233, Wydawnictwo AGH Kraków 1992 r. str [3] K. Hess, Z. Ignaszak: Przewodnictwo cieplne mas formierskich w funkcji temperatury. Międzynarodowe sympozjum Krzepnięcie metali i stopów, Gliwice 6-9 XI 1980 r., str [4] Gips Hartform HF1 BPB Formula GmbH D Walkenried Niemcy, marzec 2000 r. [5] PN-86/B Spoiwa gipsowe. Metody badań. Oznaczanie cech fizycznych. [6] E. Kącki: Równania różniczkowe cząstkowe w zagadnieniach fizyki i techniki. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne Warszawa 1992 r. A STAND TO SEARCH COEFFICIENT OF THERMAL CONDUCTIVITY FOR MATERIALS APPLIED ON PLASTER MOULDS IN PRECISION CASTING SUMMARY The stand for thermal conductivity coefficient determination as well as its calculation method have been presented. Results of plas ter moulding composition for precision casting have been published. The stand reproduces casting mould under real conditions well. Moreover, it can be used for all types of moulding sands. Recenzent: prof. dr inż. Tadeusz Olszowski.