NOWA METODA POMIARU WILGOTNOŚCI MAS FORMIERSKICH

Transkrypt

1 12/5 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 5 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 5 PAN Katowice PL ISSN NOWA METODA POMIARU WILGOTNOŚCI MAS FORMIERSKICH T. MIKULCZYŃSKI 1, Z. SAMSONOWICZ 2, R. WIĘCŁAWEK 3 ITMiA Politechniki Wrocławskiej, ul. Łukasiewicza 3/5, Wrocław STRESZCZENIE W pracy przedstawiono nową metodę pomiaru wilgotności mas formierskich, która została opracowana w Laboratorium Podstaw Automatyzacji Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej. Key words: sandmix humidity, measurement of sandmix humidity new method 1. WSTĘP Właściwości technologiczne masy formierskiej mają istotne znaczenie dla jakości wykonywanych form. Decydują zatem także o jakości wytwarzanych odlewów. Stąd niezmiernie ważny w odlewnictwie jest problem pomiaru i regulacji podstawowych właściwości technologicznych mas. Szczególnie istotne znaczenie ma stabilizacja wilgotności masy na zadanym poziomie. Zmiany wilgotności masy powodują znaczne zmiany innych właściwości masy, np. wytrzymałości lub przepuszczalności. Znane i stosowane metody pomiaru wilgotności mas formierskich mają wady i ograniczenia [1,2]. Laboratoryjne metody są długotrwałe, metody chemiczne mało dokładne, większość metod fizycznych i elektrycznych jest bardzo wrażliwa na zmiany np. składu masy formierskiej, podobnie jak techniki jądrowe oraz techniki ultradźwiękowe pomiaru [4, 5]. Stąd wciąż poszukiwane są nowe metody pomiaru wilgotności masy [3], które charakteryzowałyby się bardzo krótkim czasem i dużą 1 prof. dr hab. inż.: itma@itma.pwr.wroc.pl 2 prof. dr hab. inż.: itma@itma.pwr.wroc.pl 3 dr inż.: rafal@itma.pwr.wroc.pl

2 94 dokładnością pomiaru oraz nieznaczną wrażliwością na zmiany składu masy formierskiej. Do takich metod można zaliczyć nową metodę pomiaru wilgotności mas formierskich, która została opracowana w Laboratorium Podstaw Automatyzacji Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej. Ocena wilgotności nową metodą polega na wykorzystaniu wyników pomiarów wybranych ciśnień w komorach głowicy do dynamicznego prasowania mas formierskich podczas dynamicznego prasowania próbki badanej masy formierskiej. Do oceny wilgotności została wykorzystana zależność p=f(w), która przedstawia korelację: ciśnienie w komorze powrotnej głowicy do dynamicznego prasowania mas formierskich (dalej ciśnienie powrotne) wilgotność masy formierskiej. Na podstawie wyników badań wstępnych można stwierdzić, że prezentowana metoda charakteryzuje się dużą dokładnością oraz bardzo krótkim czasem pomiaru wilgotności mas formierskich. 2. STANOWISKO BADAWCZE Pomiary wybranych parametrów dynamicznego prasowania mas formierskich wykonywano na stanowisku laboratoryjnym, którego schemat pokazano na rys. 1. W skład stanowiska wchodzą: głowica do dynamicznego prasowania mas formierskich (1) konstrukcja nośna (2) tuleja pomiarowa 100x250mm (3) Głowica do dynamicznego prasowania jest zbudowana z następujących podzespołów: siłownika pneumatycznego (7), zbiornika akumulacyjnego (5), samoczynnego zaworu impulsowego (6), płyty prasującej (8) i zaworu rozdzielającego (4). Stanowisko zostało wyposażone w tor pomiarowy przeznaczony do pomiaru ciśnień dynamicznych w wybranych punktach głowicy prasującej, który składa się z piezoelektrycznych czujników ciśnień (9) i wzmacniaczy ładunku (10) firmy Kiestler oraz komputera PC z kartą pomiarową typu TAD 05 (11). Przebieg wykonywania pomiarów wybranych parametrów głowicy dynamicznie prasującej podczas zagęszczania próbki badanej masy formierskiej był następujący: po zadozowaniu próbki masy do tulei pomiarowej (3) i osiągnięciu przez głowicę stanu gotowości do pracy (zadanej wartości ciś nienia w zbiorniku akumulacyjnym i całkowitego powrotu do pozycji wyjściowej płyty prasującej (8)) inicjowano jej ruch roboczy, w wyniku przesterowania zaworu rozdzielającego (4). Zmiana położenia zaworu powoduje nagłe otwarcie wylotu zbiornika akumulacyjnego i duże przyspieszenie tłoka siłownika oraz płyty prasującej. Podczas prasowania masy układ pomiarowy rejestrował zmiany ciśnień w wybranych punktach głowicy prasującej.

3 Rys. 1. Schemat stanowiska pomiarowego: głowica dynamicznie prasująca (1), konstrukcja nośna (2), tuleja pomiarowa (3), zawór rozdzielający (4), zbiornik akumulacyjny (5), zawór impulsowy (6), siłownik pneumatyczny (7), płyta prasująca (8), piezoelektryczne czujniki ciśnień (9), wzmacniacze ładunku (10), komputer PC z kartą pomiarową typu TAD 05 (11) Fig. 1. Scheme of measurement stand: dynamical pressing head (1), supporting structure (2), measurement sleeve (3), selector valve (4), accumulating tank (5), impulse valve (6), pneumatic servo (7), press plate (8), piezoelectric pressure pick-up (9), charge amplifier (10), PC computer with tad-05 type interface card 3. OCENA WILGOTNOŚCI MAS FORMIERS KICH Badania zmian ciśnienia w komorze powrotnej głowicy prasującej - występujące podczas procesu zagęszczania próbek masy formierskiej - zrealizowano dla różnych wartości ciśnienia początkowego w zbiorniku akumulacyjnym, zmieniających się w zakresie p 0 = MPa. Na rysunku 2 zamieszczono zależności zmian ciśnienia w komorze powrotnej głowicy prasującej w funkcji czasu, zarejestrowane podczas prasowania próbek mas formierskich mającej różną wilgotność, która zmieniała się w zakresie W=0.3 4,6%. Na podstawie analizy prezentowanych zależności można stwierdzić, że zwiększenie wilgotności masy formierskiej powoduje zwiększenie maksymalnej

4 ciśnienie [MPa] 96 wartości ciśnienia w komorze powrotnej głowicy prasującej. Uwzględniając wykazaną zależność można stwierdzić, że do oceny wilgotności masy formierskiej można wykorzystać zależność p m =f(w), która przedstawia korelację: maksymalna wartoś ć ciśnienia w komorze powrotnej głowicy (dalej ciśnienie powrotne) wilgotność masy formierskiej. Zależności p m =f(w) dla masy formierskiej z bentonitem Bentomak, wyznaczoną na podstawie wyników pomiarów dla różnych wartości ciśnienia początkowego w zbiorniku akumulacyjnym głowicy, zmieniającego się w zakresie p 0 =0,3; 0,5; 0,6 MPa, pokazano na rys. 3. 1,0 0,8 Skład masy: 1. piasek kwarcowy 2. bentonit Bentomak - 6% 3. pył węglowy - 1,5% 4. woda - 0,3 4,6% 0,6 p m 0,4 0, czas [ms] Rys. 2. Zależności zmian ciśnienia w komorze powrotnej głowicy w funkcji czasu, zarejestrowane podczas prasowania próbek masy formierskiej o zmiennej wilgotności W=0,3-4,6 % H 2 O, dla ciśnienia początkowego p 0 =0,6 MPa Fig. 2. Time dependence of pressure in head s return chamber, recorded during pressing sandmix pieces with variable rate of humidity W=0,3-4,6 % H 2 O, initial presure p 0 =0,6 MPa 4 ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Zależność p m =f(w), stanowiącą podstawę oceny wilgotności masy formierskiej z 6% bentonitu Bentomak, wyznaczono na podstawie wyników pomiarów ciśnienia powrotnego p m jednej próbki masy formierskiej o określonej wartości wilgotności. Taki sposób określania krzywej korelacji p m =f(w) narzuciła wielkość naważki próbki konieczna do wykonania jednego pomiaru badanej masy formierskiej, która wynosiła ok. 3,0 kg. Sporządzenie większej ilości masy (o stałej wilgotności) niż 6,0 kg jest w

5 maksymalne ciśnienie [MPa] 97 warunkach laboratoryjnych niezmiernie uciążliwe, dlatego wartość błędu bezwzględnego pomiaru ciśnienia powrotnego określono na podstawie analizy wyników pomiarów kilkunastu próbek masy ( o stałej wilgotności) sporządzonej w warunkach przemysłowych w Oddziale odlewni ZM LEGMET w Legnicy. 1,2 1 0,8 Skład masy: 1.piasek kwarcowy 2.bentonit Bentomak - 6% 3.pył węglowy - 1,5% 4.woda - 0,3-4,6% 0,6 Pm 0,4 0,2 0.6 MPa 0.5 MPa 0.3 MPa 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 wilgotność [%] Rys. 3. Zależności p m =f(w) dla masy formierskiej z bentonitem Bentomak wyznaczone dla różnych wartości ciśnienia początkowego p 0 =0,3; 0,5; 0,6 MPa Fig. 3. Dependence p m =f(w) for bentonite sandmix Bentomak determined for different value of initial pressure p 0 =0,3; 0,5; 0,6 MPa Wybrane wyniki pomiarów ciśnienia powrotnego dla masy używanej o wilgotności W=2,39 % zamieszczono w tabeli 1. Tabela 1. Wyniki pomiarów ciśnienia p 0 dla masy używanej o W=2,39 % Table 1. Pressure measurement results p 0 for W=2,39 % sandmix ciśnienie powrotne [MPa] pomiar średnia błąd bezwzględny 0,279; 0,279; 0,263; 0,269; 0,271; 0,289; 0, Przyjetą do oceny wilgotności zależność p m =f(w), uzyskaną z użyciem ciśnienia p 0 =0,6 MPa, można aproksymować wielomianem: p m = W W W W W (1)

6 98 który obowiązuje w zakresie wilgotności W=0,3 4,6 %. Zależność tą pokazano na rysunku 4. Na rysunku 4 pokazano także granice przedziałów ufności, określone na poziomie ufności 95 %, wyznaczone przy pomocy programu Statistica. Graniczny błąd pomiaru wilgotności wynosi 0,2 % H 2 0. Rys. 4. Zależność p m =f(w) dla masy formierskiej z bentonitem Bentomak Fig. 4. Dependence p m =f(w) for bentonite sandmix Bentomak 5. ZAKOŃCZENIE Na podstawie uzyskanych wyników badań można stwierdzić, że opracowana metoda pomiaru wilgotności materiałów formierskich ma szereg zalet w porównaniu ze znanymi metodami. Cechuje ją duża dokładność pomiaru, która w zakresie wiolgotności W 1% wynosi 0,2% H 2 0, natomiast dla wilgotności W>1% bląd pomiaru mieści się w granicach 0.14% H 2 0. Ze względu na wykazane zalety nowej opracowanej metody oceny wilgotności dalsze badania będą skoncentrowane nad jej zastosowaniem do automatycznych pomiarów wilgotności mas formierskich LITERATURA [1] Lewandowski L., Przygotowanie form odlewniczych: masy formierskie i rdzeniowe, WNT Warszawa, [2] Lewandowski L., Masy formierskie i rdzeniowe, WNT Warszawa, [3] Wiederhold P.R., Water vapor measurement. Methods and Instrumentation, Marcel Dekker, Inc., New York, 1997.

7 99 [4] Mikulczyński T., Zastosowanie metody ultradźwiękowej do badania mas i materiałów formierskich, Prace Naukowe Inst. Technol. Masz. i Autom. PWr., Nr 54, Seria: Monografie Nr 12, Wrocław [5] Samsonowicz Z., Mikulczyński T., Ultrazvukové merení nekterŷch vlastností formovací smesi, Slévárenství 1986, R. 34, Nr 5. SUMMARY NEW METHOD MEASUREMENT OF SANDMIX HUMIDITY In work new method measurement of sandmix humidity has been shown. The method has been worked out in Basis Automation Laboratory of Institute of Production Engine and Automation of Wroclaw University of Technology Recenzował Prof. Józef Gawroński