WPŁYW PYŁU WĘGLOWEGO NA WARTOŚĆ CIŚNIENIA GA- ZÓW W WILGOTNEJ FORMIE ODLEWNICZEJ

Transkrypt

1 31/8 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2003, Rocznik 3, Nr 8 Archives of Foundry Year 2003, Volume 3, Book 8 PAN - Katowice PL ISSN WPŁYW PYŁU WĘGLOWEGO NA WARTOŚĆ CIŚNIENIA GA- ZÓW W WILGOTNEJ FORMIE ODLEWNICZEJ STRESZCZENIE T. SZMIGIELSKI 1 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego Zielona Góra, ul. Szafrana 4. Przedstawiono wyniki rejestracji zmian ciśnienia gazów w obszarze kształtowania się strefy kondensacji w formie piaskowej nagrzewanej jednostronnie ciekłym met a- lem. Zastosowano komputerowy system umożliwiający jednoczesny zapis zmian c i- śnienia i temperatury w czasie. Key words: sandmix, temperature, condensation zone, pressure 1. WPROWADZENIE Obecna sytuacja na rynku odlewniczym stawia temu przemysłowi bardzo wys o- kie wymagania dotyczące polepszenia jakości wykonania oraz podwyższenia ekon o- micznej efektywności odlewnictwa. Stosowanie w przemyśle odlewniczym wilgotnych form zmusza nas do dobrania takich parametrów masy, by spełniała ona wszystkie wymagania prowadzące w rezultacie do otrzymania odlewów bez wad. Ciekły metal wypełniając formę oddaje swoje ciepło, które jest przejmowane przez powierzchnię wnęki formy i następnie przez masę formierską przenika do otoczenia. Fizycznym skutkiem gwałtownego uderzenia termicznego na powierzchnię formy jest wzrost temperatury masy formierskiej, co pociąga za sobą zmiany w ściance formy. Szybkość zmian zach o- dzących w przekroju formy określa zdolność wymiany ciepła między formą i metalem. Od zalania metalu do końca jego krzepnięcia, na kształtowanie jakości odlewów istotnie wpływa stan gazowy formy odlewniczej [1, 2]. Trudności związane z odprowadzeniem gazów sprzyjają tworzeniu się odlewniczych wad typu: pęcherzy gazowych, bąbli, sit o- watości oraz nakłuć. Dlatego jest konieczne dobranie takich parametrów mas formie r- 1 dr inż., t.szmigielski@iipm.uz.zgora.pl 273

2 skich i rdzeniowych, aby ilość wydzielanych gazów nie powodowała wymienionych wad [3]. W prezentowaniej pracy badano wpływ wilgotności i udziału pyłu węglowego na zmiany ciśnienia gazów w wilgotnej formie zalewanej ciekłym metalem. Badania przeprowadzono wykorzystując mikrokomputerowy system do badania zjawisk i pro - cesów odlewniczych [4]. 2. STANOWISKO POMIAROWE Ogólny schemat stanowiska do rejestracji zmian ciśnienia gazów w masie w o b- szarze kształtowania się strefy kondensacji przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego: 1, 2 - termoelementy, 3 tuleja, 4 - próbka badanej masy, 5 czujnik ciśnienia, T(t) kanały pomiaru temperatury: (1)- w metalu, (2)- w masie, P(t) kanał pomiaru ciśnienia, W(t)- kanały pomiaru wilgotności masy. Fig. 1. Scheme of the testing stand. Do ciągłej i jednoczesnej rejestracji ciśnienia i temperatury w wybranej warstwie masy o grubości x mm, stosowano czujniki pomiarowe odpowiednio: do pomiaru te m- peratury stosowano termoelementy płaszczowe 1, 2 NiCr-Ni o średnicy 0,5 mm, do pomiaru ciśnienia stosowano monolityczny czujnik typu XFPM 5 o zakresie mbar. Czujnik ten zawiera w swej strukturze wzmacniacz, oraz układ kompensacji temperaturowej. Badania przeprowadzono (zgodnie z metodyką opisaną we wcześniejszych opracowaniach autora) zakładając krok zapisywania mierzonych wielkości co 1 sekunda w czasie 240 sekund. Badania przeprowadzono na próbkach cylindrycznych wykon a- nych z mas o wilgotności w=3, 7, 9 % oraz z 5% zawartością pyłu węglowego. Skład- 274

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA niki suche masy to: bentonit bułgarski w ilości 8% i piasek kwarcowy Krzeszówek. Rejestracji zjawisk fizycznych T(t) i P(t) dokonywano w warstwie masy na głębokości 10 mm od powierzchni styku metal forma, dla gęstości pozornej masy q= 1530kg/m 3. Próbkę badanej masy zalewano aluminium technicznym w ilości 100g o temperaturze 973 K. Udział aluminium technicznego w eksperymencie gwarantował stały strumień ciepła nagrzewanej masie w okresie kiedy w formie zachodzą istotne procesy termofizyczne. Sygnały pomiarowe z czujników ciśnienia i temperatury przekazywane są do połączonego z mikrokomputerem mikroprocesorowego rejestratora [4]. 3. PRZYKŁAD POMIARU Poniżej zaprezentowano przykładowe ilustracje zmian ciśnienia P(t) i temperat u- ry T(t) w masach o wilgotności początkowej w = 7 i 9% bez udziału pyłu węglowego (rys. 2.) i w masach z 5% zawartością pyłu (rys. 3). Pomiary przeprowadzono dla stałych warunków badań w płaszczyźnie pomiarowej w odległości x = 10mm od czoła nagrzewanej próbki masy. Otrzymane wykresy pozwoliły wnioskować o charakterze zmian rozkładu temperatury oraz kinetyce zmian w jednos tronnie napromieniowanej próbce wilgotnej masy formierskiej. Porównując krzywe zmian temperatury i ciśnienia można wyróżnić okresy charakterystyczne i wzajemnie sobie odpowiadające dla obydwu krzywych. Mianowicie punkt P odpowiadający maksymalnej wartości ciśnienia występuje w zakresie temperatur parowania wody(odcinek BD na krzywych temperatury i jej pochodnej). Widać wyraźnie, że początkowy proces wydzielania gazów jest zbieżny z momentem powstania kontaktu formy z metalem. Badania przedstawione na rysunku 2a i 2b wykazały ścisłą zależność między czasem wystąpienia maksimum ciśnienia gazu w ściance formy jak i wartością tego ciśnienia, a początkową zawartością wody w masie. Przykładowo dla masy o wilgotności W= 7% ciśnienie wzrosło do 0,45 mbara w 71-tej sekundzie eksperymentu (rys.2a), natomiast dla masy o wilgotności wyjściowej W= 9% ciśnienie wzrosło do 0,46 mbara w 55-tej sekundzie eksperymentu (rys.2b). Badania przedstawione na rysunku 3a i 3b wykazały ścisłą zależność między czasem wystąpienia maksimum ciśnienia gazu w ściance formy jak i wartością tego ciśnienia, a początkową zawartością wody w masie jak również udziałem pyłu węglowego w ilości 5%. Przykładowo dla masy o wilgotności W= 7% ciśnienie wzrosło do 0,88 mbara w 51-tej sekundzie eksperymentu (rys.3a), natomiast dla masy o wilgotności wyjściowej W= 9% ciśnienie wzrosło do 1,10 mbara w 45-tej sekundzie eksperymentu (rys.3b). Analizując przebiegi ciśnień uzyskiwane zarówno dla mas o różnej zawartości wody jak i z udziałem pyłu węglowego, należy stwierdzić, że charakter krzywych jest podobny, jednak różna jest dynamika przyrostu ciśnienia. Dla badanych mas szybkości przyrostu ciśnienia wynoszą odp o- wiednio: dla wilgotności w= 7% 0,010 mbar/s do 0,049 mbar/s dla masy o w = 9% z u- działem 5% pyłu węglowego. Ponadto należy zauważyć, że maksimum ciśnienia występuje w czasie rozwiniętej strefy kondensacji, przy czym czas występowania maks i- mum nie jest stały. Dla masy bez udziału pyłu i z 7% zawartością wody maksimum ciśnienia osiągnięto po czasie 71 sekund, natomiast w przypadku masy z udziałem pyłu 275

4 węglowego i 9% zawartością wody maksimum uzyskano w czasie 45 sekund po zalaniu formy ciekłym metalem. a) b) Rys. 2. Zarejestrowany przebieg zmian temperatury i ciśnienia w wilgotnych formach piaskowych na głębokości x = 10mm od czoła nagrzewanej próbki masy o początkowej wilgotności W= 7%(rys. 2a) i w = 9%(rys. 2b) masy bez pyłu węglowego. Fig. 2. Recorded range of changes of temperature and pressure in green sand mould 10 mm deep from the head of the heated sample of initial moisture of 7% (fig.2a) and w = 9% (fig.2b) and 0% of coal dust 276

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) b) Rys. 3. Zarejestrowany przebieg zmian temperatury i ciśnienia w wilgotnych formach piaskowych na głębokości x = 10mm od czoła nagrzewanej próbki masy o początkowej wilgotności W= 7%(rys. 2a) i w = 9%(rys. 2b) oraz 5% pyłu węglowego. Fig. 3. Recorded range of changes of temperature and pressure in green sand mould 10 mm deep from the head of the heated sample of initial moisture of 7% (fig.2a) and w = 9% (fig.2b) and 5% of coal dust. 277

6 4. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania wykazały zależność między wielkością maksimum ciśnienia i szybkością jego przyrostu, a zawartością wody masie formierskiej i udziałem pyłu węglowego. Wzrost ciśnienia w pierwszym okresie spowodowany jest między innymi szybkim odparowaniem wilgoci i przejściu pary w głębsze warstwy próbki. W okresie ustalonego przebiegu krzywej temperatury krzywa ciśnienia w miarę łagodnie dąży do maksimum. Osiągnięcie maksimum ciśnienia prawdopodobnie odpowiada całkowitemu przechodzeniu przez punkt pomiarowy strefy kondensacji i związane jest ono z lokalnie największym udziałem pary wodnej w strefie. Po przejściu przez punkt pomiarowy strefy kondensacji, krzywa ciśnienia bardzo łagodnie opada nie osiągając poziomu ciśnienia przed zalaniem formy. Okres ten jest związany z ponownym wzrostem temperatury masy suchej. Zastosowany w pomiarach system rejestracji mikrokomputerowej okazał się bardzo czułym narzędziem reagującym na niewielkie zmiany ciśnienia (0,1 mbar). Możliwość jednoczesnej rejestracji temperatury i ciśnienia pozwala na dokładną identyfikację zjawisk występujących w formie będącej pod wpływem czynników dynamicznych. LITERATURA [1] Miedwiediew J.I.: Gazowe procesy w formie odlewniczej, Maszinostrojenie, Moskwa, 1980, s. 3-9, [2] Von Ahmet Avci, Schroder A., Macherauch E.: Die physikalischen Vorgänge beim Erhitzen tongebundener Formen, Giesserei Forschung, nr 1, 1979, s [3] Dobiejewska E.: Badania materiałów formierskich i rdzeniowych, Politechnika Wrocławska, Wrocław, [4] Mutwil J., Żygadło M.: Mikrokomputerowy system do badania zjawisk i procesów odlewniczych, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol. 20, nr 1, 2000, s THE INFLUENCE OF THE AMOUNT OF COAL DUST ON THE PRESSURE OF GASES IN A DAMP SAND SUMMARY This part presents the results of recording of changes of the pressure of gases in the area of formation of the condensation zone in a sand mould heated one-sidedly with liquid metal. A computer system which enables simultaneous recording of changes of pressure and temperature in time was used. Recenzował: prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 278