IDENTYFIKACJA TERMOFIZYCZNYCH WŁAŚCIWOŚCI MAS FORMIERSKICH Z DODATKIEM MIKRO-OCHŁADZALNIKÓW. Al. Piastów 19, Szczecin

Transkrypt

1 17/14 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 14 Archiwum O dlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 14 PAN Katowice PL ISSN IDENTYFIKACJA TERMOFIZYCZNYCH WŁAŚCIWOŚCI MAS FORMIERSKICH Z DODATKIEM MIKRO-OCHŁADZALNIKÓW A. DROTLEW 1, Z. IGNASZAK 2 G. BIEŃKO 3, P. POPIELARSKI 4 1, 3 Instytut Inżynierii Materiałowej Politechniki Szczecińskiej, Al. Piastów 19, Szczecin 2, 4 Instytut Technologii Materiałów Politechniki Poznańskiej ul. Piotrowo 3, POZNAŃ STRESZCZENIE Możliwość prognozowania właściwości materiałów jest coraz częściej związana z komputerową symulacją procesów fizycznych zachodzących podczas ich wytwarzania. Aby było to możliwe, niezbędna jest znajomość szeregu parametrów charakteryzujących środowisko wytwórcze. W artykule podano metodykę wyznaczania i równania regresji, w funkcji grubości ścianek odlewu, podstawowych parametrów termofizyc z- nych, wiązanych szkłem wodnym kwarcowych mas formierskich zawierających mikroochładzalniki. Key words: thermal conductivity, 1. WSTĘP Zużycie ścierne, szczególnie zużycie z udziałem cząstek stałych, ma bardzo istotny wpływ na trwałość części maszyn i urządzeń. W przemyśle energetycznym wiele z takich części pracuje dodatkowo w warunkach wpływu wysokich temperatur. 1 dr inż., drotlew@ps.pl 2 prof. dr hab. inż., zenon.ignaszak@put.poznan.pl 3 mgr inż., grzegorz.bienko@ps.pl 4 mgr inż., pawel.popielarski@put.poznan.pl

2 133 Dogodną formą doboru materiałów do zadanych warunków pracy byłaby symulacja procesu ścierania za pomocą sprzężonych modeli fizycznych tego procesu. Uzyskanie takiej możliwości wymaga znajomości zarówno odporności na zużycie w funkcji warunków pracy szerokiej gamy materiałów, jak również dokładnej znajomości mechanizmów fizycznych decydujących o szybkości zużywania. Z dotychczasowych badań wynika, że bardzo istotny wpływ na procesy ścierania ma udział procentowy i morfologia fazy utwardzającej. Dla ferrytycznych stopów typu Fe-Cr-C wzrost udziału węglików skutkuje znacznym spadkiem zużycia w zakresie niskich kątów padania ścierniwa i jego wzrostem dla kątów wysokich. Wzrost dyspersji węglików, powoduje bardzo istotne zmniejszenie zużycia przy dużych kątach padania ścierniwa. Powyższe wnioski zostały opracowane na podstawie badań grupy stopów o jednakowej jakościowo strukturze, lecz o różnym składzie chemicznym [1]. Aby otrzymać jednoznaczny opis wpływu morfologii węglików na odporność na ścieranie strugą ścierniwa w zakresie temperatur C celowe jest wykonanie badań na próbkach o jednakowym składzie chemicznym i takiej samej jakościowo strukt u- rze. Taki materiał badawczy można uzyskać sterując krzepnięciem i stygnięciem odlewu za pomocą właściwości termofizycznych form odlewniczych podczas procesu wytwarzania próbek i późniejszą, odpowiednią obróbką cieplną. Niniejsze badania miały na celu opracowanie wyjściowych formuł matematycznych opisujących podstawowe parametry termofizyczne wiązanych szkłem wo d- nym mas formierskich na bazie piasku kwarcowego z dodatkiem mikro-ochładzalników w postaci śrutu żeliwnego, ujęte w funkcji grubości ścianek odlewu i zawartości śrutu w masie. 2. OKREŚLENIE TERMOFIZYCZNYCH WŁASCIWOŚCI MAS FORMIERS KICH. ZARYS METODYKI W ramach zrealizowanej pracy, zaprojektowano i wykonano, niezbędne do Rys. 1. Część formy przygotowana do złożenia Fig. 1. Piece of mould, before assembly

3 134 przeprowadzenia wytopów badawczych, oprzyrządowanie odlewnicze. Umożliwiło ono rozpięcie w masie formierskiej, równolegle do płaszczyzny odlewanych płyt, szeregu termopar pomiarowych oraz zainstalowanie we wnęce formy termopar kontrolujących temperaturę wnętrza odlewu. Przygotowaną do złożenia połówkę formy wraz z umieszczonymi w niej termoparami przedstawia rys.1. Po wykonaniu kompletu form umieszczono je w skrzynkach i unieruchomiono klasyczną masą formierską. Do rejestracji zmian temperatury zastosowano profesjonalna Centralę do Akwizycji Danych CASTOR-2, prod. Firmy AGIL (Francja) z oprogramowaniem o nazwie Mesure. Na podstawie zarejestrowanych przebiegów, uczestniczący w opracowaniu metodyki i badaniach w warunkach rzeczywistych zespół prof. Ignaszaka wykonał symulacyjne badania odwrotne, opracowując zestaw parametrów termofizycznych charakteryzujących badane masy formierskie [2, 3] z zastosowaniem systemu Calcosoft 2D. Określono wartości pojemności cieplnej C [J/m 3 K], przewodności cieplnej [W/m 2 K] oraz względnego współczynnika akumulacji ciepła b rel w stosunku do masy referencyjnej (bez śrutu). Wartości te zestawiono w tabeli 1. Tabela 1. Parametry termofizyczne badanych mas formierskich Table 1. Thermo-physical parameters of the tested moulding sands Zawartość śrutu % Grubość płyty b [mm] rel b rel C [J/m 3 K] [W/m 2 K] C [J/m 3 K] [W/m 2 K] C [J/m 3 K] [W/m 2 K] 6 1,58E6 1,05 1 1,81E6 1,3 1,10 2,22E6 2,5 1, ,58E6 1,5 1 1,81E6 1,75 1,18 2,22E6 1,6 1, ,58E6 1,6 1 1,81E6 1,85 1,11 2,22E6 2,65 1,58 3. OPRACOWANIE WYNIKÓW BADAŃ Parametry termofizyczne mas formierskich powiązano na drodze zastosowania metody regresji drugiego rodzaju z zawartością śrutu w masach oraz z grubością odlewów. Zastosowano metodę dołączania i odrzucania członów funkcji przy poziomie ufności 0,05. Opracowane równania oraz wartości korelacji (R) i testu F Snedecora (F) podano niżej. Wszystkie aproksymacje prowadzono na wartościach standaryzowanych w przedziale zmienności 0,5-1,5 wg relacji X=(X i -X min ) / (X max -X min ) + 0,5. Jedynie określenie funkcji opisującej pojemność cieplną C wykonano na wartościach rzeczywistych w pakiecie Excel [4]. b rel

4 P O J EM N O Ś Ć C IEP LN A C [J /m W ZG LĘDNY W S PÓ ŁC ZYNNIK AKUMULAC C IEPŁA b 135 C = (0,0001 X 2 %śr + 0,0041 X %śr + 1,6) 10 6 (1) R 2 = 1, b rel = EXP ( 0, ,2477 X 2 %śr ) (2) R = 0,986, F = 216 = EXP (0,434 0,399 X gr X %śr + 0,533 X 2 %śr +0,615 ln (X gr)) (3) R = 0,995, F = 142 gdzie symbole oznaczają: C pojemność cieplną, przewodność cieplną, b rel względny współczynnik akumulacji, X %śr zawartość śrutu w masie formierskiej, X g grubość odlewu. Odpowiednie charakterystyki pojemności cieplnej i względnego współczynnika akumulacji zamieszczono na rys. 2, natomiast przewodności cieplnej na rys. 3. a) b) a ,80 1,60 3 K] Z A W A R T O Ś Ć Ś R U T U, % 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0, Z A W A R TO Ś Ć Ś R U TU, % Rys. 2. Wpływ zawartości śrutu w masie formierskiej na: a - pojemność cieplną C, b - względny współczynnik akumulacji ciepła b rel. Fig. 2. Influence of the shot moulding sand on: a - thermal capacity C, b - relative coefficientof heat storage b rel Zmiana obu parametrów, zarówno pojemności cieplnej C jak i względnego współczynnika akumulacji ciepła b rel są zależne od wzrostu zawartości śrutu w masie formierskiej i im więcej go jest, tym wartości parametrów są wyższe. Zmiany te są istotne. W pierwszym przypadku jest to wzrost wartości o 40, a w drugim o 60% w stosunku do masy referencyjnej. Należy stwierdzić, że różnice te mogą mieć znaczny wpływ na zmiany w mikrostrukturze odlewów.

5 136 Rys. 3 Wpływ zawartości śrutu w masie formierskiej oraz grubości płyty na przewodność cieplną. Fig. 3. Influence of the shot contents in moulding sand and cast wall thickness on thermal conductivity. Przewodność cieplna jest zależna nie tylko od cech związanych z masą formierską, ale także związanych z wielkością źródła ciepła, które jest reprezentowane w tym przypadku przez grubość odlewu. Wpływ grubości odlewu jest tym bardziej istotny im mniej śrutu znajduje się w masie. Dla masy referencyjnej następuje stały wzrost przewodności cieplnej wraz z grubością płyty, natomiast dodatek śrutu do masy skutkuje bardzo isto t- nym wzrostem wartości dla wszystkich badanych grubości odlewów. Przy maksymalnej zawartości śrutu w masie zaobserwować można, po początkowym wzroście, stan nasycenia i brak dalszego wzrostu w funkcji grubości odlewu. Trudne do wyjaśnienia jest odstępstwo wartości (por. tabela 1) od ogólnego układu dla płyty o grubości 55 mm przy maksymalnej zawartości śrutu w masie formierskiej. Spodziewano się tam wartości pośredniej, lokującej się pomiędzy sąsiednimi punktami. Obliczony poziom przewodności cieplnej był znacznie niższy od oczekiwanego i na tym etapie badań nie wyjaśniono tego faktu. Punkt ten został pominięty przy opracowaniu równania regresji (3) opisującego zależność od grubości płyt i zawartości śrutu w masie formierskiej.

6 WNIOSKI 1. Wykonane badania pozwoliły na określenie podstawowych właściwości termofizycznych mas formierskich na bazie szkła wodnego w funkcji udziału śrutu żeliwnego zastępującego piasek oraz w zależności od grubości odlewu. 2. Stwierdzono, że zmiany pojemności cieplnej i współczynnika akumulacji ciepła zależą od udziału śrutu w masie i rosną wraz ze wzrostem jego ilości, co podano ilościowo. 3. Przewodność cieplna badanych mas zależy zarówno od udziału śrutu w masie jak i od grubości odlewów. Jej wartość istotnie rośnie wraz z grubością odlewu dla mas bez śrutu, a dla mas zawierających powyżej 35% śrutu wykazuje wzrost dążący do nasycenia. Przyrost udziału śrutu w masie powoduje istotny wzrost przewodności cieplnej dla całego zakresu zmienności grubości odlewów. LITERATURA [1] A.Drotlew: Zastosowanie teorii Bittera do opisu zużycia abrazyjnego ferrytycznych stopów Fe-Cr-C w temperaturze 450 C, Praca doktorska, Politechnika Szczecińska, Szczecin 1999r. [2] Z.Ignaszak: Identyfikacja termofizycznych właściwości mas formierskich sp e- cjalnego przeznaczenia z dodatkiem mikro-ochładzalników załącznik do sprawozdania z Grantu nr: 4 T08B , 2003r. [3] Z.Ignaszak Virtual Prototyping w odlewnictwie. Bazy danych i walidacja. Monografia. W ctwo Pol.Pozn., Poznań 2002 [4] A.Drotlew, G. Bieńko Wpływ parametrów termofizycznych na parametry stereologiczne fazy węglikowej w stopie wysokochromowym. Grant KBN nr: 4 T08B , Szczecin Praca wykonana została w ramach grantu 4 T08B finansowanego przez KBN. SUMMARY IDENTIFICATION OF THERMO PHYSICAL PROPERTIES OF MOULDING SAND WITH MICRO-COOLER ADDITION Possibility of material properties forecasting is connected with the simulation of physical processes which proceed during manufacture. To this aim the knowledge of many parameters characterizing the manufacture environment in necessary. In this paper the methodology and the relationship between basic thermo-physical parameters of quartz sand with silicate binder and with different quantity of micro-coolers for wall thickness of casting was described by regression equations. Recenzował Prof. Józef Gawroński