WILGOTNOŚĆ MASY FORMIERSKIEJ W STREFIE KONDENSACJI

Transkrypt

1 33/10 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 10 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 10 PAN Katowice PL ISSN WILGOTNOŚĆ MASY FORMIERSKIEJ W STREFIE KONDENSACJI STRESZCZENIE T. SZMIGIELSKI 1 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego Zielona Góra, ul. Szafrana 4. Opisano stanowisko do ciągłej rejestracji zmian wilgotności masy w strefie kondensacji. Zastosowano mikroprocesorową rejestrację sygnałów pomiarowych. Przedstawiono przykładowe ilustracje zmian wilgotności masy w warstwach oddalonych od powierzchni czołowej próbki. Key words: green-sand mould, condensation zone, temperature 1. WPROWADZENIE Po zalaniu formy ciekłym metalem powstają warstwy masy o bardzo zróżnicowanej temperaturze i wilgotności, przy czym wartości tych parametrów w poszczególnych strefach masy, pod wpływem styku z ciekłym metalem i promieniowania cieplnego, ulegają bardzo szybkim zmianom ilościowym i jakościowym. Zmiany ilości wilgoci w poszczególnych strefach są ściśle powiązane ze zmianami temperatury tych stref. W strefie o temperaturze przekraczającej 373K wilgotność jest bliska zeru ( w rozważaniach teoretycznych jest często przyjmowana równa zero [1]). W strefie transportu wilgoci, o temperaturze około 373K ( w tej strefie utrzymuje się stała temperatura, równa temperaturze wrzenia wody) wilgotność wzrasta od wartości bardzo małych do wartości maksymalnych, przekraczających często znacznie wartość wilgotności początkowej masy. Poza tym obszarem, w warstwach formy położonych dalej od powierzchni styku z metalem, temperatura jest niższa od 373K, a wilgotność maleje do wilgotności początkowej [2]. Zjawiska transportu wilgoci i powstawania strefy kondensacji były badane już wielokrotnie. Największe zainteresowanie tymi zjawiskami przypadło na koniec lat 60-tych i początek lat 70-tych [1, 3, 4, 5]. W latach późniejszych ukazały się nieliczne prace[6, 7, 8,] poświęcone strefie kondensacji, które 1 dr inż., t. szmigielski@iipm.uz.zgora.pl

2 250 ograniczały się do opracowania metod pomiaru zmian temperatury i wilgotności. Za wyjątkiem prac prowadzonych przez M. Rzeczkowskiego [2], Von Ahmet Avciego, A. Schrodera, i E. Macheraucha [8], M. Gawlikowskiej [6], I. Dzwonnika[7] nie były szerzej publikowane żadne prace związane z problemami rozkładu wilgoci w formach z wilgotnych mas formierskich. Wiadomym jest, że te nieustalone procesy przenoszenia ciepła i wilgoci prowadzą do zróżnicowania między innymi wytrzymałości na rozrywanie masy formierskiej [9]. Jeżeli wytrzymałość ta jest zbyt mała w stosunku do powstających naprężeń termicznych i ciśnienia gazów w zewnętrznych warstwach wnęki formy to w obszarach tworzącej się strefy kondensacji powstają wady typu naderwania bądź wręcz oderwania masy, które z kolei prowadzą do wad powierzchniowych w odlewach ( np. wada strupa). Wady te zwykle prowadzą do zabrakowania odlewów. Prezentowane w literaturze dość liczne prace poświęcone zjawiskom cieplnym występujących w nagrzewanych wilgotnych formach dotyczą wyników, które zostały osiągnięte dla różnych mas przy różnorodnych warunkach prób, iż nie można wykluczyć sprzecznych wyników. Przy tym stanie wiedzy ciągła ocena procesów fizycznych przebiegających przy nagrzewaniu wilgotnych mas formierskich wydaje się ciągle ze wszech miar pożądana. Brak danych doświadczalnych uzyskanych w ujednoliconych i w pełni porównywalnych warunkach jest powodem do podjęcia przeze mnie szerokich badań w tym zakresie. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki pomiarów z jednoczesnej rejestracji zmian temperatury i wilgotności masy w strefie kondensacji w warstwach odpowiednio oddalonych od powierzchni czołowej próbki masy. 2. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO Ogólny schemat stanowiska do badania zmian temperatury i wilgotności w wilgotnej formie odlewniczej po zalaniu jej ciekłym metalem przedstawiono na rysunku 1. Do rejestracji zmian wilgotności masy zaadaptowano elektryczną metodą pomiarową [11], wykorzystując zjawisko fizyczne jakim jest między innymi przewodność elektryczna zależna od stopnia nawilżenia danego materiału. W tym celu w Zakładzie Technologii Bezubytkowych i Materiałoznawstwa Uniwersytetu Zielonogórskiego opracowano i zbudowano czujnik, będący układem dwóch elektrod zanurzanych w masie formierskiej przy zachowaniu stałej odległości pomiędzy elektrodami. Elektrody w kształcie stożkowym, wykonane z drutu stalowego o średnicy 2mm, podłączono za pomocą przewodów z elektrycznym członem pośredniczący W(t), wyposażonym w źródło zasilania energią elektryczną o napięciu 9V. Czujnik ma trzy pary elektrod. Zestaw trzech par elektrod umożliwia w zależności od potrzeb, jednoczesną rejestrację zmian przewodności masy, dla trzech różnych warstw masy oddalonych od powierzchni styku metal-forma. Dla rejestracji temperatury masy stosowano termoelementy płaszczowe NiCr-Ni o średnicy 0,5 mm. Termoelementy jak i elektrody podłączono z komputerem CPU poprzez mikroprocesorowy rejestrator sygnałów pomiarowych [10]. Badaną masę w postaci cylindrycznej próbki 2 o wymiarach znormalizowanych umieszczano w tulei 1 wykonanej z masy z bentonitem z dodatkiem szkła wodnego.

3 251 Rys. 1. Schemat stanowiska do rejestracji zmian wilgotności masy w strefie kondensacji: 1- tuleja z masy ze szkłem wodnym, 2- badana masa, 3- metal, W(t)- układ pomiarowy przewodności elektrycznej masy formierskiej, Rejestrator- mikroprocesorowy zestaw do zapisu danych analogowych, CPU- komputer PC Fig. 1. Schematic diagram of stand for the recording of changes of mould moisture in condensation zone: 1- cylinder with the moulding sands with water glass, 2- tested mould sand, 3- metal, W(t)- of measuring system of electric conductivity of mould sand, Rejestrator- microprocessor recorder, CPU- microcomputer Dla precyzyjnego umieszczania czujników pomiarowych w badanej masie, w tulei 1 wykonywano otwory bazowe w trakcie jej formowania. Termoelementy jak i elektrody umieszczano w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku przepływu ciepła. Termoelementy wprowadzano tak, aby ich końcówki pomiarowe znajdowały się w osi cieplnej próbki masy 2. Elektrody (para elektrod) umieszczano w jednej płaszczyźnie po obu stronach tulei, w linii przechodzącej przez środek próbki masy na głębokości odpowiednio 5, 10, 15 mm, każda para elektrod. Sygnały pomiarowe z elektrod i termoelementów przekazywane były do połączonego z mikrokomputerem mikroprocesorowego rejestratora. 3. PRZYKŁAD POMIARU Poniżej zaprezentowano przykładowe przebiegi zmian temperatury (krzywe 1, 2, 3) i wilgotności masy (krzywe 9, 10, 11) w strefie kondensacji kształtującej się w kolejnych warstwach, oddalonych od czoła próbki. Formy doświadczalne zalewano aluminium technicznym o temperaturze zalewania 1023K. Na rysunku 2a przedstawiono krzywe temperatura czas dla masy o wilgotności początkowej W = 3%,

4 252 a) b) Rys. 2. Rozkład temperatury T(t) i wilgotności W(t) w wilgotnych formach piaskowych na głębokości odpowiednio x = 5, 10, 15 mm od czoła badanej próbki. Masa o wilgotności początkowej W: a) 3%, b) 6% Fig. 2. Temperature and dempness distribution in damp sand moulds at the depth of x = 5, 10, 15 mm from the front of the tested sample. Moulding sand of initial moisture W: a). 3%, b). 6%

5 253 natomiast na rysunku 2b dla masy o wilgotności początkowej W = 6% z 5% zawartością pyłu węglowego. Krzywe te charakteryzują się tym, że przy około 373K występują przystanki, których ukształtowanie i długość występowania jest spowodowane odparowaniem, dyfuzją i kondensacją wody związanej mechanicznie. Przyrost temperatury masy po danym czasie oddziaływania ciepła krzepnącego a następnie stygnącego odlewu jest tym mniejszy, im większa odległość od powierzchni kontaktu masy z odlewem. Pomiary przeprowadzone dla masy o wilgotności początkowej w = 6% z dodatkiem pyłu węglowego w ilości 5% ( rysunek 2b) dały jakościowo podobne wyniki do przedstawionych na rysunku 2a. Jednak przystanki temperatury jakie wystąpiły są zdecydowanie dłuższe. O 15 sekund stwierdzono dłuższy przystanek dla warstw oddalonych od czoła próbki na odległość x=5mm, o 35 sekund dla warstw oddalonych o x= 10mm, oraz o 75 sekund dla warstw oddalonych od czoła próbki na odległość x= 15mm. Powyższe rezultaty uzyskano dla jednakowych gęstości pozornych mas, które wyniosły 1600 kg/m 3. Wyniki pomiarów zmian wilgotności zarejestrowano na krzywych (9, 10, 11) oznaczonych numerami kanałów rejestratora, przypisanym odpowiedniej parze elektrod. Elektrody umieszczono w zagęszczonej próbce w warstwach oddalonych od czoła próbki, w których umieszczono poszczególne termoelementy NiCr-Ni. Krzywe rosną z upływem czasu i w miarę zwiększania się odległości od powierzchni czołowej próbki osiągając wartości maksymalne, w czasie przypadającym na tworzenie się przystanku temperaturowego. Przebiegi krzywych opisują czasowo i miejscowo zmienną strefę kondensacji, którą można uznać za strefę o maksymalnej wilgotności masy. Zarejestrowane wartości znacznie przekraczają wilgotność początkową masy. Wszystkie krzywe przechodzą przez maksimum i mają porównywalną tendencję w przebiegu, niezależnie od wilgotności początkowej masy i z ewentualną zawartością pyłu węglowego (rys.2b). Jak należało się spodziewać masa o wyższej wilgotności początkowej osiąga wyższą wilgotność w strefie kondensacji i później osiąga stan masy suchej. 3. PODSUMOWANIE Przy podgrzewaniu wilgotnej masy z bentonitem zachodzą procesy odparowania, dyfuzji i kondensacji, które wyzwalają przemieszczanie się wilgoci i wpływają na strumień cieplny. Dlatego wytwarzające się nieustalone pola temperatur charakteryzują się przystankami a nieustalone rozkłady wilgotności miejscowo podniesionym rozkładem koncentracji wilgotności (strefa kondensacji) Rozkłady temperatur i wilgotności są od siebie zależne. Strefa kondensacji przesuwa się wraz z upływem czasu w głąb próbki, wydłuża się jej czas trwania i rośnie jej wilgotność. Dla wszystkich rozpatrywanych warstw masy maksymalną wilgotność strefa kondensacji osiąga na początku przystanku temperatury. Przy czym wartości maksimum wilgoci wzrastają wraz ze wzrostem odległości od powierzchni styku metal-forma. Wzrasta również czas, po którym masa osiąga stan suchy. W dalszych planowanych badaniach koniecznym staje się opracowanie wzorcowej charakterystyki rezystancji w funkcji wilgotności względnej dla badanej masy. Pozwoli to na bezpośredni pomiar wilgotności

6 254 wyrażony w % w warunkach nieustalonych. Na obecnym etapie badań (rys.2 krzywe w(t) po stronie spadkowej wilgotności po czasie ) widać wyraźnie, że przetworzony sygnał przewodności elektrycznej masy i wyrażony bezpośrednio w % wilgotności wnosi dość znaczny błąd dla wilgotności poniżej 2%, która w jakimś stopniu stanowi próg wykrywalności wilgoci w granicznej strefie parowania. Pomimo stwierdzonych niedoskonałości metody, główną zaletą metody impedancyjnej jest możliwość obserwacji przemieszczania się strefy kondensacji, ciągłość odczytu, rejestracja wyników oraz duża czułość w warunkach nieustalonych. LITERATURA [1] Aksjonow P.N.,Truchow A.P.: Litiejnoje proizwodstwo, nr 5, [2] Rzeczkowski M.: Analiza zjawisk cyrkulacji wody w wilgotnych formach piaskowych pod wpływem temperatury, Zeszyty Naukowe WSInż, nr 47 (monografia), Zielona Góra, [3] Chowdiach M.,P.: Giesserei, nr 19, 1971, s [4] Hrbek A., Hawliczek F., Jeniczek L.: Zona rekondensacji, 34 MKO, Moskwa, Maszynostrojenie, 1971, s [5] Szreniawski J.: Przegląd Odlewnictwa, nr 3, [6] Gawlikowska M., Ryglicki R.: Prace Instytutu Odlewnictwa, nr 2-3, [7] Dzwonnik I.: Przegląd Odlewnictwa, nr 5-6, [8] Von Ahmet Avci, Schroder A., Macherauch E.: Giesserei Forschung, rocznik 31, zeszyt nr 1, 1979, s [9] Orłowicz W., Borla K., Kołodziej E.: Badanie wytrzymałości bentonitowych mas formierskich na rozciąganie w strefie kondensacji, Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 25, 1995, s [10] Mutwil J., Żygadło M.: Mikrokomputerowy system do badania zjawisk i procesów odlewniczych, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol. 20, nr 1, 2000, s [11] Szmigielski T.: Rejestracja zmian wilgotności w piaskowej formie nagrzewanej jednostronnie, Archiwum Odlewnictwa, vol. 3, nr 8, 2003, s SUMMARY MOISTURE OF MOULD IN CONDENSATION ZONE Work posts for constant recording of mould moisture changes in condensation zone are described. The microprocessor recorder has been used to register the measure signals. Typical examples (pictures or drawings) of moisture changes in the moulding sands in remote layers of the front of the tested sample are shown. Recenzował Prof. Zbigniew Górny