STANOWISKO DO BADANIA WYMIANY CIEPŁA W UKŁADZIE ODLEW- FORMA METALOWA

Transkrypt

1 5/10 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 10 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 10 PAN Katowice PL ISSN STANOWISKO DO BADANIA WYMIANY CIEPŁA W UKŁADZIE ODLEW- FORMA METALOWA J. MUTWIL 1 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego Zielona Góra, ul. Szafrana 4. STRESZCZENIE Opisano stanowisko do badania wymiany ciepła pomiędzy odlewem walca a cylindryczną formą metalową. Pomiar temperatury realizowany jest w czterech punktach odlewu i pięciu punktach formy. Temperaturę w ściance formy można mierzyć termoelementami wprowadzanymi wzdłuż i prostopadle do izoterm. Key words: heat transfer, metal mould, thermal field 1. WPROWADZENIE Empiryczne badania wymiany ciepła w układzie odlew-forma zawsze sprowadzają się do wielopunktowego pomiaru temperatury. Z uwagi na panujące w układzie warunki termiczne i fizyczne pomiary te dokonuje się metodami termoelektrycznymi. Mierząc temperaturę powierzchni i wnętrza ciał, powinno się - z uwagi na dokładność pomiaru - przestrzegać często trudną do spełnienia regułę wprowadzania czujników wzdłuż izoterm [1]. Istotność tej reguły jest tym większa, im mniejsza jest przewodność cieplna ciała w stosunku do przewodności cieplnej termoelementu. Wprowadzając termoelementy prostopadle do izoterm, popełnimy więc mniejszy błąd w pomiarach temperatury w ściance kokili niż formy piaskowej. W pomiarach temperatury wewnątrz ciał wielkość błędu wynikająca z nieizotermicznego wprowadzenia termoelementów, niezależnie od wspomnianej relacji przewodności, rośnie wraz z średnicą termoelektrod, a maleje wraz ze wzrostem odległości spoiny pomiarowej od powierzchni ciała [1]. W pomiarach temperatury wewnątrz ciał odrębnym i poważnym problemem jest precyzyjne umieszczanie spoin pomiarowych we wskazanych punktach układu. Chcąc w badaniach modelowych na przykład wprowadzić wzdłuż izoterm termoelementy do 1 dr hab. inż., prof. UZ, jmutwil@iipm.uz.zgora.pl

2 46 metalowej ścianki formy cylindrycznej, odprowadzającej ciepło jednokierunkowo (odlew walca nieskończonego), zmuszeni jesteśmy do precyzyjnego wykonania w niej głębokich otworów o małej średnicy. Niezbędną wysokość formy można nieco zmniejszyć, ograniczając pokryciami izolacyjnymi osiowe odprowadzanie ciepła [2], lecz i tak nie wyeliminuje to konieczności precyzyjnego wykonania stosunkowo głębokich otworów. W zastosowaniach przemysłowych, z uwagi na złożoną geometrię układów rzeczywistych, rzadko można wprowadzić termoelementy wzdłuż izoterm, dlatego też najczęściej wprowadzane są one prostopadle do ścianki. Wymienione uwagi pokazują, że w wielu przypadkach zmuszeni będziemy do oszacowania wartości temperatury mierzonej termoelementami wprowadzanymi prostopadle do izoterm. Poniżej opisano stanowisko do badania wymiany ciepła w układzie: odlew walcacylindryczna forma metalowa, które umożliwia porównanie temperatur ścianki formy mierzonych jednocześnie termoelementami wprowadzanymi wzdłuż, jak i prostopadle do izoterm. 2. OPIS STANOWISKA I PRZYKŁADOWYCH POMIARÓW Schemat stanowiska przedstawiono na rysunku 1. Zgodnie ze schematem temperatura mierzona jest w połowie wysokości w czterech punktach odlewu i w pięciu punktach ścianki kokili, co umożliwi ustalenie empirycznych funkcji opisujących pole temperatur w odlewie i formie Rys. 1. Schemat stanowiska: 1-forma metalowa, 2-warstwa zakrzepła, 3-ciekly metal, 4-wyłożenie izolacyjne, 5-termoelementy płaszczowe, 6-mikroprocesorowy rejestrator PDOC-16, 7-komputer Fig. 1. Experimental arrangement: 1- metal mould, 2- solidified shell, 3- liquid metal, 4- insulating lining, 5- mantle thermocouples, 6- microprocessor recorder PDOC-16, 7- computer

3 47 Ponieważ termoelement stykający się początkowo ze ścianką formy zostanie uwięziony przez warstwę zakrzepłą i w wyniku skurczu metalu będzie się poruszał wraz z nią (z powierzchnią odlewu), można założyć, że będzie mierzył temperaturę powierzchni odlewu. Temperatura zewnętrznej ścianki formy może być mierzona lub - jak temperatura ścianki wewnętrznej - obliczona po wyznaczeniu funkcji empirycznej opisującej pole temperatury w ściance kokili. Aby umożliwić w badaniach ocenę wpływu średnicy odlewu i grubości ścianki kokili wykonano trzy formy o średnicach wewnętrznych: 40, 34, 28 mm. Każda z kokil posiadała średnicę zewnętrzną 61 mm i wysokość 50 mm. Zdjęcie kokili o średnicy 28 mm przedstawiono na rysunku 2. Jak widać na zdjęciu odlew walca odtwarza dzielona tuleja cylindryczna osadzana na wydrążonej podstawce instalowanej na pierścieniu stojaka. Podstawka, jako element wymienny, jest wspólna dla wszystkich trzech form. Oznacza to, że bez względu na średnice odlewu, pomiar temperatury odbywać się będzie w tym samym jego miejscu dla pierwszych trzech termoelementów (w podstawce widoczne są cztery otwory 1.2 mm do wprowadzania termoelementów; pierwszy otwór jest w osi, każdy następny odległy jest od poprzedniego o 4 mm). Ostatni termoelement leżący najbliżej ścianki formy, można - tak jak pokazuje to schemat z rysunku 1-odgiąć, aby spoina pomiarowa się na niej opierała. Widoczne w podstawce wydrążenie pozwala zagęścić w nim zaprawę szamotową, którą następnie się wypraża. Zaprawa ogranicza wymianę ciepła w kierunku osiowym. Rys. 2. Kokila o średnicy wewnętrznej 28 mm Fig. 2. Metal mould with an internal diameter 28 mm Na powierzchni bocznej i czołowej kokili widoczne są otwory 1.2 mm przeznaczone do wprowadzenia termoelementów płaszczowych 1.0 mm typu K, mierzących temperaturę ścianki formy. Otworów na powierzchni bocznej wykonano pięć, a ich czoła odległe są od wewnętrznej powierzchni ścianki o: 0.5; 2.5; 4.5; 6.5; 8.5 mm. Do

4 48 wprowadzania termoelementów w izotermach wykonano cztery otwory pionowe, a odległość ich osi od wewnętrznej powierzchni ścianki wynosiła odpowiednio: 2.5; 4.5; 6.5; 8.5 mm. Kokile wykonano ze stali WCL i ulepszono cieplnie (hartowanie z temperatury 1030 C; odpuszczanie końcowe w 650 C). Poniżej przedstawiono wybrane ilustracje wyników pomiaru temperatur w okresie krzepnięcia i stygnięcia siluminu AK11 zalanego do kokili 28 mm. Ilustracje wybrano celowo tak, aby wskazać zasadnicze problemy związane z uzyskiwaniem wiarygodnych wyników badań. Na wszystkich rysunkach linie zmian temperatury w poszczególnych punktach układu przedstawiono w kolorze. Każdej temperaturze przypisano inny kolor linii, a numer termoelementu którym ją zmierzono wydrukowano w tym samym kolorze w dolnej części rysunku. Termoelementy mierzące temperaturę odlewu (T1-T4) instalowano tak, jak opisano to wcześniej i przedstawiono na rysunku 1. Termoelementy o numerach 5-9 instalowano w otworach bocznych ścianki formy (odległość od ścianki wewnętrznej rosła wraz z numerem termoelementu: 0.5; 2.5; 4.5; 6.5; 8.5 mm). Termoelementami o numerach obsadzono pierwsze trzy otwory pionowe (2.5; 4.5; 6.5 mm). Na rysunku 3 przedstawiono przykładowe zestawienie wszystkich zarejestrowanych temperatur. Na rysunku tym pionowymi liniami przerywanymi zaznaczono odpowiednio: moment, w którym doszło do wyrównania temperatury w odlewie i moment, w którym temperatura odlewu zrównała się z temperaturą ścianki formy. Przerywaną linią poziomą zaznaczono najwyższą temperaturę formy. Rys. 3. Temperatury zarejestrowane w odlewie (T1-T4) i ściance kokili 28 mm (T5-T12); początkowa temperatura formy 110ºC Fig. 3. Temperatures registered in casting (T1-T4) and in metal mould 28 mm (T5-T12); initial mould temperature 110ºC

5 49 a) b) Rys. 4. Dane z rysunku 3: a) wyznaczone z funkcji empirycznej temperatury powierzchni wewnętrznej T(0, i zewnętrznej T(16.5, kokili; b) wyznaczone z funkcji empirycznych temperatury w odlewie i w ściance formy Fig. 4. Data from Fig. 3: a) from an empirical function determined temperatures of internal T(0, and external T(16.5, surface of mould; b) from an empirical functions determined casting and mould temperatures

6 50 a) b) Rys. 5. Temperatura zmierzona w odległości 2.5 mm od wewnętrznej powierzchni formy (prostopadle (T6) i równolegle (T10) do izoterm): a) dane z rys. 3; b) kokila 28 mm, temperatura początkowa formy 220ºC Fig. 5. Temperature measured at the distance of 2.5 mm from internal mould surface (vertical (T6) and parallel (T10) to the isotherms: a) data from Fig. 3; b) metal mould 28 mm, initial mould temperature 220ºC

7 51 Na rysunku 4a przedstawiono dane z rys. 3 ograniczone do pierwszych 180 sekund i po wyeliminowaniu linii temperatur ścianki mierzonych termoelementami umieszczonymi w izotermach (T10-T12). Na rysunku tym, poza krzywymi zarejestrowanymi, naniesiono dodatkowo dwie linie obrazujące wynikający ze wzoru (1) i zarejestrowanych temperatur (T5-T9) hipotetyczny przebieg temperatury powierzchni wewnętrznej T(0, i zewnętrznej T(16.5, kokili. T( x, a( [ a( b( ]exp[ w( x] (1) T( x, a( [ a( b( ]exp[ w( (1 x / g)] (2) Występujące we wzorze (1), a dla odlewu we wzorze (2), zależne od czasu współczynniki a, b, w wyznaczane są w oparciu o zarejestrowane zmiany temperatury w układzie. Zadanie to wykonuje oparty na metodzie najmniejszych kwadratów algorytm biblioteczny programu, napisanego przez autora do przetwarzania rejestrowanych za pomocą systemu PDOC-16 pomiarów. Program komputerowy pozwala również na graficzną prezentację dla wskazanych czasów temperatury na przekroju odlewu i ścianki kokili, co przedstawiono na rysunku 4b. Widoczny we wzorze (2) parametr g to połowa grubości odlewu. Na rysunku granice odlewu i formy obrazują pionowe linie kropkowane, a kolorowe okręgi reprezentują zarejestrowane w danej chwili wartości temperatury w kokili, zaś kwadraty w odlewie. W obszarze wykresu wydrukowano też -w tym samym kolorze co linie - wartości czasu, dla którego zostały one wykreślone. Przebieg poszczególnych linii temperatury w odlewie i formie dla wskazanych czasów pokazuje, że funkcje (1) i (2) dobrze oddają pole temperatur w układzie. Wzajemne położenie poszczególnych kwadratów i okręgów wskazuje ponadto, że w poszczególnych punktach układu w analizowanym czasie pomiar temperatury był formalnie prawidłowy. Na rysunku 5 przedstawiono jednak zestawienie temperatury ścianki zmierzonej w odległości 2.5 mm od wewnętrznej powierzchni kokili termoelementem umieszczonym prostopadle (T6) i równolegle do izoterm (T10). Dla pomiaru z części (a) rysunku termoelement umieszczony izotermicznie wykazał istotnie niższą temperaturę (o 43 ºC w czasie wskazanym linią przerywaną), dla pomiaru z części (b) sytuacja była odwrotna i niższą temperaturę zanotował termoelement umieszczony prostopadle do izoterm. Podobne relacje odnotowano dla par termoelementów umieszczonych w odległości 4.5 i 6.5 mm od powierzchni wewnętrznej kokili. Chociaż, jak zaznaczono wcześniej, przedstawione wykresy przedstawiają przykład ekstremalnej niezgodności, to dla całej serii przeprowadzonych badań często tego typu odstępstwa obserwowano. Przeprowadzone badania wykazały też, że sposób wprowadzenia termoelementów nie miał tu istotnego znaczenia, co dobrze ilustrują krzywe z obu części rysunku 5. Istotne znaczenia miała natomiast początkowa temperatura obu połówek kokili (otwory do wprowadzania termoelementów w izotermach były w jednej połówce formy, a pozostałe w drugiej), co też dobrze widoczne jest na rysunku 5. Różna początkowa temperatura obu połówek

8 52 kokili nie była jednak jedyną przyczyną opisywanych różnic we wskazaniach termoelementów, bo odnotowano przypadki pomiarów to potwierdzających. Przypuszczalnie istotną rolę odgrywa tu również lokalny współczynnik wnikania ciepła, który w każdym eksperymencie może się różnie kształtować (błonki tlenkowe, szczelina gazowa itp.). 3. PODSUMOWANIE Przedstawione stanowisko pozwala na badania wymiany ciepła pomiędzy odlewem walca a cylindryczną formą metalową. Pomiar temperatury realizowany jest w czterech punktach odlewu i pięciu punktach formy. Temperaturę w analogicznych miejscach ścianki formy można mierzyć jednocześnie termoelementami płaszczowymi wprowadzanymi wzdłuż i prostopadle do izoterm. Przeprowadzone badania wykazały, że w przypadku zastosowania płaszczowych termoelementów dobrze dopasowanych do otworów wykonanych w formie metalowej sposób ich wprowadzenia (wzdłuż lub prostopadle do izoterm) nie ma zasadniczego znaczenia dla dokładności pomiaru. Obserwowane, istotne różnice we wskazaniach były powodowane natomiast różną temperaturą początkową w miejscach pomiaru oraz prawdopodobnie różnym lokalnym współczynnikiem przejmowania ciepła. Powyższe spostrzeżenie wykazało, że w badaniach nad wpływem sposobu instalowania termoelementów na wskazywane temperatury dna otworów do ich wprowadzania powinny być zlokalizowane blisko siebie. LITERATURA [1] Michalski L., Eckersdorf K.: Pomiary temperatury, WNT, Warszawa (1986) [2] Longa W., Urbanik E., Kapturkiewicz W.: Stygnięcie i krzepnięcie odlewówlaboratorium, Skrypt AGH nr 623, Kraków (1978). TEST STAND FOR INVESTIGATION OF HEAT TRANSFER IN CASTING- METAL MOULD SYSTEM SUMMARY A test stand for investigation of heat transfer between the conical casting and cylindrical metal mould has been described. The temperature measurement is conducted in four places of casting and five places of mould. The temperature of mould wall can be measured with the help of thermocouples inserted parallel and vertical to the isotherms. Recenzował Prof. Przemysław Wasilewski