REJESTRACJA ZMIAN WILGOTNOŚCI W PIASKOWEJ FORMIE NAGRZEWANEJ JEDNOSTRONNIE

Transkrypt

1 30/8 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2003, Rocznik 3, Nr 8 Archives of Foundry Year 2003, Volume 3, Book 8 PAN - Katowice PL ISSN REJESTRACJA ZMIAN WILGOTNOŚCI W PIASKOWEJ FORMIE NAGRZEWANEJ JEDNOSTRONNIE STRESZCZENIE T. SZMIGIELSKI 1 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego Zielona Góra, ul. Szafrana 4. W pracy opisano metodę ciągłej rejestracji zmian wilgotności wraz z temperaturą w warstwie wilgotnej formy zalanej ciekłym metalem. W opracowaniu przedstawiono związek czasu występowania strefy kondensacji z wilgotnością wyjściową masy formierskiej. Key words: sandmix, temperature, condensation zone 1. WPROWADZENIE Podstawowym zjawiskiem podczas zapełniania wnęki formy ciekłym metalem jest bezpośrednie i pośrednie oddziaływanie energii kinetycznej i cieplnej na formę. Fizycznym skutkiem gwałtownego uderzenia termicznego na powierzchnię wnęki fo r- my jest wzrost temperatury masy formierskiej postępujący od jej powierzchni w głąb. Ten nieustalony rozkład temperatury powoduje między innymi nieustalony rozkład wilgoci, powstawanie pary wodnej i gazów. W konsekwencji tego, ze zjawiskiem odparowania i kondensacji wody wiążą się zmiany ciepła właściwego masy przy stałej objętości, oraz pozostałe wskaźniki termofizyczne masy formierskiej [1]. Dlatego tak ważnym staje się określenie zmiany rozkładu wilgoci w piaskowej formie odlewniczej i jej wpływu na zastępcze współczynniki masy formierskiej, a w końcowym efekcie na proces technologiczny otrzymywania odlewu. Niniejsze opracowanie jest w szczególności poświęcone metodzie pozwalającej na ciągłą i jednoczesną rejestrację temperatury i zmiany wilgotności w wybranej warstwie masy, po zalaniu formy ciekłym metalem. Badania zostały przeprowadzone w oparciu o mikrokomputerową rejestrację sygnałów pomiarowych [2]. Do rejestracji sygnałów zmian wilgotności masy 1 dr inż., t.szmigielski@iipm.uz.zgora.pl 267

2 wykorzystano zjawisko zmiennej oporności elektrycznej w funkcji wilgotności ośrodka porowatego jakim jest masa formierska. 2. STANOWISKO POMIAROWE Ogólny schemat stanowiska do rejestracji zmian wilgotności masy w strefie kondensacji przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego: 1-metal, 2-termoelementy, 3- elektrody do pomiaru oporności elektrycznej masy formierskiej, 4- tuleja z suchej masy formierskiej, 5-próbka badanej masy 6 przewody Fig. 1. Scheme of the testing stand Do rejestracji zmian wilgotności masy zaadaptowano elektryczne metody pomiarowe [3], wykorzystujące zjawisko fizyczne jakim jest między innymi przewodność elektryczna zależna od stopnia nawilżenia danego materiału. W tym celu w Zakładzie Tec h- nologii Bezubytkowych i Materiałoznawstwa Uniwersytetu Zielonogórskiego opracowano i zbudowano czujnik, będący układem dwóch elektrod zanurzanych w masie formierskiej przy zachowaniu stałej odległości pomiędzy elektrodami. Elektrody 3 w kształcie stożkowym, wykonane z drutu stalowego o średnicy 2mm, podłączono za pomocą przewodów 6 z elektrycznym członem pośredniczący, wyposażonym w źródło zasilania energią elektryczną o napięciu 9V. Czujnik ma trzy pary elektrod. Zestaw 268

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA 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 stosowano termoelementy płaszczowe 2 NiCr- Ni o średnicy 0,5 mm. Termoelementy 2 jak i elektrody 3 podłączano z komputerem poprzez mikroprocesorowy rejestrator sygnałów pomiarowych [3]. Badaną masę w pos - taci cylindrycznej próbki 5 o wymiarach znormalizowanych umieszczano w wysuszonej tulei 4 wykonanej z masy z bentonitem z dodatkiem szkła wodnego. Dla precyzyjnego umieszczania czujników pomiarowych w badanej masie, w tulei 4 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 5. Elektrody 3 umieszczano w jednej płaszczyźnie po obu stronach tulei, w linii przechodzącej przez środek próbki masy na głębokości 10 mm każda. Sygnały pomiarowe z elektrod i temperatury przekazywane są do połączonego z mikrokomputerem mikroprocesorowego rejestratora. 3. PRZYKŁAD POMIARU Poniżej zaprezentowano przykładowe ilustracje zmian przewodności elektrycznej nagrzewanej masy formierskiej o wilgotności początkowej w = 3% (rys. 2) i wilgotności początkowej w = 5% oraz 10% zawartości pyłu węglowego ( rys. 3). W obu eksperymentach formy zalewano aluminium hutniczym o temperaturze zalewania 1053K (780 o C). Końcówki czujników pomiarowych umieszczano w warstwie masy na głębokości x = 5mm. W części (a) obu rysunków zamieszczono krzywe ilustrujące zmiany w czasie: temperatury metalu T(t) i jej pochodnej T (t). W części (b) zamies z- czono krzywą ilustrującą przewodność elektryczną masy wyrażoną umownie wielkością sygnału przetworzonego w bitach. Obecnie prowadzone są pomiary mające na celu opracowanie charakterystyki wzorcowej wyrażającą chwilową wilgotność masy w funkcji sygnału przetworzonego w bitach. Na rysunkach zaznaczono symbolami literowymi charakterystyczne etapy przebiegu zjawiska. W części (a) obu rysunków odp owiednie litery oznaczają: A moment pojawienia się ciekłego metalu we wnęce formy, B pierwsze maksimum na krzywej pierwszej pochodnej temperatury, maksymalna szy b- kość nagrzewania masy, C początek przystanku temperaturowego formy, ciepło dostarczone do warstwy podtrzymuje proces parowania wody, D proces parowania wody stopniowo zanika z powodu odparowania wody w głębsze warstwy formy, o b- serwujemy ponowny przyrost temperatury masy formierskiej, E drugie maksimum na krzywej pochodnej temperatury związane jest prawdopodobnie d odatkowym oddawaniem ciepła przez resztkowe ilości przegrzanej pary wodnej. W części (b) obu rysunków przedstawiono krzywe chwilowej przewodności elektrycznej masy formierskiej w czasie. Poszczególne oznaczenia literowe na krzywej pozwalają na wyróżnienie pięciu faz przebiegu zjawiska fizycznego w rozpatrywanej warstwie masy: faza pierwsza (a c) - oporność elektryczna w miarę stabilna, oczekiwanie na zalanie i początkowy okres nagrzewania masy, faza druga (c-d) 269

4 a) b) Rys. 2. Zarejestrowany przebieg zmian temperatury i przewodności elektrycznej masy o początkowej wilgotności W= 3%, masa bez pyłu węglowego. Fig. 2. Recorded range of changes of temperature and electric conductivity of the mass of initial moisture of 3% and 0% of coal dust. 270

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) b) Rys. 3. Zarejestrowany przebieg zmian temperatury i przewodności elektrycznej masy o początkowej wilgotności W= 5% i 10% zawartości pyłu węglowego. Fig. 3. Recorded range of changes of temperature and electric conductivity of the mass of initial moisture of 3% and 10% of coal dust 271

6 oporność masy gwałtownie spada co jest związane ze wzrostem wilgotności masy i utworzeniem się strefy kondensacji pary wodnej, faza trzecia ( d f) utrzymywanie się strefy o maksymalnej wilgotności w warstwie, minimum oporności elektrycznej masy, faza czwarta ( f g) (rys.2 lub (f h)(rys.3) postępujący wzrost wartości oporności elektrycznej masy, efekt stopniowego odparowywania wody w głębsze warstwy masy, faza piąta (g--)(rys.2) lub ( h--)(rys.3) maksymalna wartość oporności elektrycznej, odpowiednia dla masy suchej. 4. PODSUMOWANIE Zastosowanie metody elektrycznej opornościowej do ciągłej rejestracji zmian wilgotności masy formierskiej, w warunkach występowania strefy kondensacji wydaje się być celowe. Z wstępnych pomiarów jednoznacznie wynika,że jest to metoda o bardzo dużej czułości i powtarzalności wyników. Uzyskano w sposób jednoznaczny ch a- rakter przebiegu zmian oporności elektrycznej masy w strefie kondensacji. Obecnie prowadzone są badania mające na celu opracowania charakterystyki wyrażającej zale ż- ność wartości sygnału rejestrowanego w bitach w funkcji wilgotności masy. LITERATURA [1] Ignaszak Z.: Termofizyczne parametry materiałów izolacyjnych w zastosowaniach do projektowania zasilania odlewów i symulacji ich krzepnięcia, Krzepnięcie Metali i Stopów, vol. 1, nr 40, 1999, s [2] Mutwil J., Żygadło M.: Mikrokomputerowy system do badania zjawisk i procesów odlewniczych, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol. 20, nr 1, 2000, s [3] Pach A.: Możliwości pomiarów wilgotności mas formierskich na drodze elektryc z- nej, Przegląd Odlewnictwa, nr 1, 1959, s RECORDING OF CHANGES OF MOISTURE IN A SAND MOULD HEATED ONE-SIDEDLY SUMMARY This work describes a method of continuous recording of changes of moisture and temperature in any layer of a damp sand mould filled with liquid metal. This study presents the relation of the time of appearance of the condensation zone with the initial moisture of the moulding sand. Recenzował: prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 272