TERMOFIZYCZNE PARAMETRY MATERIAŁÓW IZOLACYJNYCH W ZASTOSOWANIACH DO PROJEKTOWANIA ZASILANIA ODLEWÓW I SYMULACJI ICH KRZEPNIĘCIA

Transkrypt

1 13/40 Solidification of Metals and Alloys, Year 1999, Volume 1, Book No. 40 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 1999, Rocznik 1, Nr 40 PAN Katowice PL ISSN TERMOFIZYCZNE PARAMETRY MATERIAŁÓW IZOLACYJNYCH W ZASTOSOWANIACH DO PROJEKTOWANIA ZASILANIA ODLEWÓW I SYMULACJI ICH KRZEPNIĘCIA IGNASZAK Zenon Poznan University of Technology 5, Piotrowo street, POZNAŃ, Poland e mail: ignaszak@put.poznan.pl STRESZCZENIE W artykule opisano metodykę i badania cieplnych charakterystyk materiałów izolacyjnych zastosowanych w próbnych układach odlew forma. Analiza porównawcza krzywych stygnięcia i nagrzewania z wynikami komputerowej symulacji krzepnięcia odlewu próbnego dała podstawy do identyfikacji zjawisk cieplnych i wyznaczenia współczynnika FEM, a także zastępczych, średnich wartości termofizycznych współczynników podstawowych: λ, c i ρ. Ich zastosowanie do projektowania technologii odlewów produkcyjnych i do jej optymalizacji przez symulację odlewania, w miejsce standardowych współczynników, proponowanych w bazach danych profesjonalnych kodów symulacyjnych, dało wyniki bliskie rzeczywistości i umożliwiło właściwe prognozowanie przebiegu zasilania odlewu. 1. Wprowadzenie Duży współczynnik uzysku jest bardzo pożądany przy projektowaniu technologii odlewania, stąd powszechne jest używanie materiałów izolacyjnych lub izolacyjno egzotermicznych (odpowiednio: bez lub z egzotermicznym efektem cieplnym) w postaci otulin do nadlewów. Ten obszar tematyczny ten jest przedmiotem wielu prac i publikacji. Również pod kierunkiem autora zrealizowano cykl laboratoryjnych i wdrożeniowych prac dotyczących tych zagadnień, a w [1 9] przedstawiono wyniki wieloletnich badań dotyczących m.in.: doboru surowców i optymalizacji składu mas do wykonywania otulin izolujących, właściwości termofizycznych tych mas w ustalonych i nie ustalonych warunkach cieplnych, współczynników FEM wykorzystywanych w

2 126 klasycznych obliczeniach technologicznych, zasad komputerowego projektowania technologii z wykorzystaniem otulin warstwowych (typu sandwich), warunków stosowania otulin przy odlewaniu żeliwa i staliwa, efektów technicznych i ekonomicznych dla wybranych wdrożeń. W tym artykule opisano badania dotyczące nowych materiałów izolacyjnych. Zrealizowano je na próbnych układach odlew forma, z rejestracją temperatury w wybranych punktach. Wyznaczone współczynniki FEM oraz zastępcze wartości cieplnych współczynników podstawowych (λ przewodność, c ciepło właściwe, ρ gęstość), zastosowane do projektowania i optymalizacji technologii odlewania, umożliwiły właściwe prognozowania przebiegu zasilania odlewów produkcyjnych. 2. Opis problemu Analiza zagadnień skuteczności i opłacalności związanych ze stosowaniem otulin izolacyjnych [7,8] doprowadziła do określenia praktycznych zasad optymalizacji grubości otulin, dających najlepsze efekty ekonomiczne. Ustalono, że grubość ta zależy m.in. od modułu odlewu, jakości izolacyjnej materiału otuliny (jego parametrów termofizycznych) i relacji cenowej jednostek objętości: otuliny do ciekłego metalu. W odlewnictwie światowym, do cieplnego izolowania nadlewów średnich i ciężkich odlewów, są stosowane powszechnie materiały izolacyjne (bez efektu egzotermicznego) zawierające składniki ziarniste i włókniste wiązane żywicami. Są one tańsze od lekkich materiałów szamotowych, np. o gęstości kg/m 3. W otulinach dla małych nadlewów efekt egzotermiczny jest najczęściej obecny. Oddziaływanie izolacyjne, także z efektem egzotermicznym, możliwe jest do globalnego ujęcia przy nie tylko pomocy FEM, ale i odpowiednio dobranych podstawowych parametrów λ, c i ρ [6], jako że nawet w otulinach, w których zachodzi reakcja egzotermiczna, nie zachodzi zjawisko podgrzewania metalu w nadlewie. FEM factor extension modulus to współczynnik powiększenia modułu, będący stosunkiem współczynników akumulacji ciepła: masy piaskowej na formę i zespołu otulina masa piaskowa, otaczającego nadlew. Z FEM korzysta technolog, obliczając wielkość zredukowanego nadlewu. Istnieje przy tym wiele nieporozumień odnośnie wyboru odpowiedniej metody wyznaczania rzeczywistej wartości FEM. W katalogach wytwórców, poszczególnym rodzajom materiałów izolacyjnych przypisane są arbitralnie wartości FEM, niezależnie od wymiarów nadlewu i rzadko z uwzględnieniem grubości otuliny. Jak wykazano w [7,8], wartość FEM maleje w sposób oczywisty ze wzrostem wymiaru nadlewu. Co więcej, katalogowe wartości FEM w większości bywają zawyżone na przykład do (o około 20%) wobec (z pomiarów Z.Ignaszaka). Opisana sytuacja wymaga więc szczególnej czujności, aby nie zaprojektować zbyt małego nadlewu. Ponadto, coraz powszechniej stosowane kody symulacyjne do optymalizacji technologii wg metod opartych o modele cieplne (Fouriera Kirchhoffa), niepokojąco zaniedbują problem jakości baz danych. Widać to także na przykładzie

3 127 nieodpowiednich charakterystyk materiałowych izolacji cieplnych w tych bazach. Prowadzi to całkowicie błędnej oceny zachowania się ciekłego metalu w nadlewie i może być przyczyną złego wnioskowania o skuteczności zasilania. 3. Metodyka badań Badania materiałów izolacyjnych i izolacyjno egzotermicznych dla hutnictwa i odlewnictwa prowadzone są najczęściej na małych próbkach lub/i w warunkach odbiegających od realiów formy odlewniczej. Następujące parametry oraz cytowane laboratoryjne lub warsztatowe metody oceny są najczęściej stosowane przez światowych producentów tych materiałów: KIW (końcowa wartość izolacyjna, [kw/m 2 ]), oznaczana laboratoryjnie na aparaturze Carbitec (znanej też pod nazwą Amitec), pozorna przewodność cieplna [W/mK], z wykorzystaniem metod stanu ustalonego, FEM test porównawczy czasów krzepnięcia, polegający na wykonaniu odlewów kulistych o module do 25 mm, FEM test porównawczy położenia jamy skurczowej podczas zasilania odlewów o kształcie sześcianu (moduł odlewu 21 mm). Są stosowane także inne metody, ale i one dają zawyżone lub niepewne wartości FEM, gdy chodzi o większe moduły nadlewów. W badaniach opisanych w niniejszym artykule zastosowano metodą uwzględniającą ten problem [10]. Wstępnie oceniano KIW materiałów, a badania główne polegały on na pomiarze krzywych stygnięcia odlewu staliwnego 200 x 200 x 800 mm przy pomocy zdwojonego układu termoelementów. Jednocześnie rejestrowane były krzywe wzrostu temperatury bezpośrednio na zapleczu materiału izolacyjnego. Z czasów krzepnięcia prostopadłościennych odlewów staliwnych, otulonych całkowicie badanymi materiałami (schemat na rys. 1) i ich odniesieniu do czasu krzepnięcia odlewu, o identycznym module krzepnącym w masie piaskowej określa się: FEM izol pias rzecz = τ solid /τ solid = bmasy piaskowej / bizol. zastepczy formy dwu warstwowej Zarejestrowane krzywe temperaturowe umożliwiły porównanie z wynikami obliczeń numerycznych (program symulacyjny), a po analizie iteracyjny dobór współczynników spełniających energetyczny i temperaturowy warunek zgodności. Warunki takiego testu pozwalają uwzględnić większe i zmienne z wysokością odlewu ciśnienie metalostatyczne oraz czasowo temperaturowe warunki kontaktu ze staliwem odpowiadające większemu modułowi odlewu (50 mm). Ocenie podlega także stan metalizacji materiału izolacyjnego, deformacja odlewu oraz kształt i usytuowanie jamy skurczowej. 4. Analiza wyników Badano 2 materiały włóknisto ziarniste (B i C) pochodzące od znanych wytwórców europejskich

4 128 Wyniki w postaci krzywych stygnięcia zarejestrowanych w geometrycznym środku odlewów i w odległości 50 mm od ich powierzchni pokazano na rys.1a. Na wykresach rys.1 b i c pokazano krzywe z obliczeń symulacyjnych, dla współczynników wyznaczonych na drodze iteracyjnej (rozwiązanie zagadnienia odwrotnego). W poniższej tablicy przedstawiono wyznaczone współczynniki zastępcze. Rodzaj Czas krzepnięcia FEM eksp. i symul. Współczynniki zastępcze materiału eksper./symul. (b pias/b izol+piask) λ c ρ b* Masa piaskowa 3000s/2987s 1 i Izolacja B 4680s/4616s 1.25 i Izolacja C 4920s/ i Izolacja X *? /36286s? i 3.48! ! Staliwo niskowęglowe, Tlik=1513 C, Tsol=1476 C, Ciepło fazy stało-ciekł.=8122j/kgk izolacja X jest przykładem materiału z bazy danych jednego z kodów symulacyjnych stosowanych szeroko w odlewnictwie światowym (nie podano rodzaju ani pochodzenia) λ [W/mK], c [J/kgK], ρ [kg/m 3 ], b* = (λ c ρ) 1/2 [J/s 1/2 m 2 K] Nie przystające zupełnie do realiów odlewania, bardzo duży czas krzepnięcia i niska wartość FEM materiału X, świadczy prawdopodobnie o nieświadomości autorów odlewniczych kodów symulacyjnych odpowiedzialnych za bazy danych i wynika z formalnego traktowania współczynników podstawowych. W aspekcie tak poważnego problemu, staje się rzeczą drugorzędną czy stosuje się ich wartości stałe, odpowiednio uśrednione, czy też zmienne z temperaturą i czasem, które najlepiej opisują zmienność parametrów cieplnych formy [12]. Autor uważa, że jedynym wyjściem z tej sytuacji jest zwrócenie większej uwagi na jakość baz danych, głównie materiałów formy [11]. Problemu nie rozwiąże nawet najlepsze laboratorium, stosujące poprawne metody wyznaczania poszczególnych parametrów, czy najbardziej markowe źródło, jeżeli nie uzna się, że należy uwzględnić warunki i zjawiska destabilizujące proces cieplny w strefie kontaktu metal materiał izolacyjny. Stosowana postać modelu Fouriera jest ułomna (uproszczona). Nie oznacza to nieefektywności, pod warunkiem, że odpowiedzialność za zgodność symulacji z rzeczywistością spada na współczynniki z bazy danych. Warto zatem przystąpić do rewizji poglądów na rozwój i stosowanie kodów symulacyjnych i warunki ich praktycznej aplikacji [12,13,14] oraz eliminowanie niewłaściwych wartości z tych baz. a Sand Insul.mater. B and C centre Temperature, C mm Casting 60 Th les PtRh centre sand 50mm Th les Chr Alum Time, min

5 129 b. c. Temperature, C casting-experim casting-simul insul.boundry- insul.boundry-experim Material B time, sec emperature, C insul.boundry-simul casting-simul Rys.1 Krzywe T stygnięcia (a) oraz porównanie z wynikami symulacji (b, c) insul.boundry-experim Material C time, sec casting-experim

6 Wnioski Zaproponowana metoda pomiarowa i uśredniająca interpretacja w definiowaniu współczynników FEM i zastępczych (λ, c, ρ) na drodze identyfikacji numerycznej, ujmuje globalnie efekt cieplnego oddziaływania między stopem a wieloskładnikowym materiałem izolacyjnym lub izolacyjno egzotermicznym. Te parametry, odpowiadające intensywności zjawisk w materiale, są niezbędne jako elementy materiałowej bazy danych i warunkują wykorzystanie wyników komputerowej symulacji procesu odlewania do optymalizacji zasilania, z zastosowaniem otulin [15]. Aparat matematyczny (procedura modelu odwrotnego) istniejący już w niektórych kodach symulacyjnych (na przykład w kodzie Procast) lub planowany w innych, nie rozwiązuje całkowicie problemu. Prowadząc takie badania, należy zdać sobie sprawę z wpływu statycznych i dynamicznych błędów pomiarowych i ich związku ze specyficznymi zasadami i techniką instrumentacji eksperymentu odlewania. Bibliografia 1. Ignaszak Z., Baranowski A.: Ocena właściwości cieplnych wybranych ceramicznych materiałów izolacyjnych. Krzepnięcie Metali i Stopów, t.7, Ossolineum, Wrocław Baranowski A., Ignaszak Z.: Mikrosferowe masy izolacyjne - zastosowanie w odlewnictwie. Przegląd Odlewnictwa, t.39, nr 5, Ignaszak Z. i inni: Aspekty ognioodporności mieszanin mikrosferowych. Hutnik, r.lvi, nr 7-8, Ignaszak Z. i inni: Technologia izolowania cieplnego nadlewów masą mikrosferową w produkcji odlewów żeliwnych. Przegląd Odlewnictwa, t.39, nr 5, Ignaszak Z. i inni: Izolowanie cieplne nadlewów masą mikrosferową w produkcji odlewów staliwnych. Przegląd Odlewnictwa, nr 3, Ignaszak Z., Baranowski A.: Projektowanie i stosowanie otulin typu Sandwich do usprawniania pracy nadlewów, Krzepnięcie Metali i Stopów, z.25, wyd.pan, Katowice 1995, str Ignaszak Z., Baranowski A.: Skuteczność i opłacalność stosowania izolacji cieplnej w formach. Przegląd Odlewnictwa, nr 5, Baranowski A., Ignaszak Z., Prunier J-B.: Optimisation de l'utilisation des materiaux isolants dans le moule. FFd'Aujourd. 147, aout/septembre 1995, str Ignaszak Z., Klewski M.: Materiały izolacyjne dla odlewów wielkogabarytowych. Materiały II Międzynarodowej Konferencji Nauka dla Przemysłu Odlewniczego, AGH Ignaszak Z., Popielarski P.: Etude sur les matériaux isolants et iso-exothermiques. Raporty wewnętrzne, grupa Ferry Capitain, lipiec 1997 i lipiec 1998.

7 Ignaszak Z.: Simulation model sensivity to quality of material properties. Krzepnięcie Metali i Stopów, Ignaszak Z.: Aplikacyjne uwarunkowania rozwoju modelowania i symulacji procesów odlewania. Proceedings Konferencji sprawozdawczej Komitetu Hutnictwa PAN, Krynica, Ignaszak Z., Beszterda B.: Kody symulacyjne w odlewnictwie. Przygotowania do wdrożenia w Odlewni Żeliwa Śrem S.A., Przegląd Odlewnictwa nr 7 8, Ignaszak Z.: Optymalizacja procesu technologicznego a procedury post processingu w odlewniczych kodach symulacyjnych. Proceedings Konferencji naukowo technicznej "Projektowanie Procesów Technologicznych" PPT'98, org. przez KBM Oddział PAN w Poznaniu i PP, Poznań Czerniejewo Prunier J. B., Ignaszak Z.: Optimisation d une traverse de bien d équipement en GJS 500, en collaboration avec le client, par simulation de remplissage et de solidification. Artykuł na sympozjum GIFA, Dusseldorf Recenzował Prof. dr hab. inż. Stanisław Jura Prof. dr hab. inż. Przemysław Wasilewski