POMIAR CIŚNIENIA W STREFIE KONDENSACJI. T. SZMIGIELSKI 1, M. ŻYGADŁO 2. Politechnika Zielonogórska

Transkrypt

1 73/44 Solidification of Metals and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No. 44 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 44 PAN Katowice PL ISSN POMIAR CIŚNIENIA W STREFIE KONDENSACJI T. SZMIGIELSKI 1, M. ŻYGADŁO 2. Politechnika Zielonogórska STRESZCZENIE W pracy opisano system pomiarowy i metodę jednoczesnego zapisu ciśnienia i temperatury w dowolnej warstwie wilgotnej masy formierskiej w czasie zalewania formy ciekłym metalem. Badania wykazały odmienny przebieg krzywej ciśnienia w obszarze strefy kondensacji od przebiegów krzywych prezentowanych we wcześniejszych publikacjach innych autorów. 1. WPROWADZENIE Fizycznym skutkiem gwałtownego uderzenia cieplnego na powierzchnię wnęki formy jest wzrost temperatury masy formierskiej postępujący od jej powierzchni w głąb. Według [1] para wodna, która tworzy się w warstwach bezpośrednio przylegających do powierzchni kontaktu metal forma, na skutek różnicy potencjałów przemieszcza się w kierunku warstw o niższej temperaturze. W czasie tego przemieszczania następuje przemiana termodynamiczna pary nasyconej suchej w parę przegrzaną, która przy stałym ciśnieniu wykazuje wzrost temperatury i powiększenie objętości właściwej. Jeżeli opisane zjawiska zachodzą dla warstwy masy formierskiej w małym przedziale czasu dla dużego gradientu temperatury, to w wyniku przemiany termodynamicznej wytwarza się taka ilość mieszaniny pary przegrzanej i powietrza w strefie masy suchej i strefie kondensacji, że nie znajduje swobodnego ujścia. W takim przypadku zaistnieją warunki odpowiadające przemianie izochorycznej, a zatem w strefach tych powinien nastąpić wzrost ciśnienia mieszaniny pary przegrzanej i gazów. Rozbieżności w wynikach badań przeprowadzonych przez różnych autorów[1, 2, 3, 4, 7, 8] prowadzą do wniosku o konieczności weryfikacji dotychczasowych wyników i 1 dr inż.- T.Szmigielski@wm.pz.zgora.pl 2 mgr inż.-m.zygadło@wm.pz.zgora.pl

2 538 przeprowadzenie badań przy użyciu nowoczesnych i dokładniejszych urządzeń pomiarowo rejestrujących. W artykule przedstawiono wyniki badań rozkładu ciśnienia mieszaniny pary wodnej i powietrza przy jednoczesnej rejestracji temperatury, wykonane w oparciu o system pomiarowy SPR-2 zbudowany w Zakładzie Materiałoznawstwa i Technologii Ubytkowych Politechniki Zielonogórskiej 2. STANOWISKO POMIAROWE Rys. 1 Schemat blokowy stanowiska badawczego 1 - metal, 2 - termopara, 3 - tuleja, 4 badana masa formierska, 5 - czujnik ciśnienia, T - kanał pomiaru temperatury, P - kanał pomiaru ciśnienia. Fig. 1. Scheme of the testing stand T - temperature measurement channel, P pressure measurement chanel Zastosowanie systemu SPR-2 System pomiarowy SPR-2 jest przeznaczony głównie do rejestracji i przetwarzania danych pomiarowych otrzymywanych w trakcie badań procesów zachodzących w formach odlewniczych[6]. Oprogramowanie podstawowe systemu zapewnia przesyłanie zmierzonych wartości do komputera PC, w którym jest zainstalowane oprogramowanie zarządzające pracą całego systemu pomiarowego. Z uwagi na możliwość wykorzystania systemu do badań długotrwałych, możliwa jest ciągła wizualizacja wartości mierzonych sygnałów w trakcie trwania pomiarów. W celu zmniejszenia błędu pomiarowego można w prosty sposób dokonać kalibracji torów pomiarowych z przyrządami wzorcowymi.

3 Koncepcja systemu pomiarowego Ogólną budowę systemu w postaci blokowej przedstawiono na rysunku 2. Głównym członem systemu pomiarowego jest blok sterowania zawierający mikroprocesor, moduł dekodera adresowego, blok pamięci RAM i EPROM, blok komunikacji RS-232 z separacją galwaniczną. Rys. 2. Schemat blokowy systemu pomiarowego SPR-2. Fig. 2. Diagram of measurement system SPR-2 W systemie pomiarowym wykorzystano mikroprocesor typu 80C51, który realizuje podstawową obsługę systemu pomiarowego w oparciu o program zawarty w bloku pamięci EPROM. Zastosowane układy zapewniają pomiar temperatury z dokładnością 0,5% i pozostałych wielkości z dokładnością 0,05% Czujniki pomiarowe W rozwiązaniu prototypowym systemu, możliwy jest pomiar temperatury z termoparami typu NiCr - Ni lub Fe-CuNi. Jako czujnik pomiarowy do pomiaru temperatury otoczenia w celu przeprowadzenia programowej kompensacji zimnych końców, wykorzystano półprzewodnikowy czujnik temperatury typu KTY Czujnikiem do pomiaru ciśnienia jest monolityczny czujnik typu XFPM o zakresie 0-250mbar. Czujnik ten zawiera w swej strukturze wzmacniacz, oraz układ kompensacji temperaturowej. Napięcie wyjściowe czujnika wynosi 4.5V przy błędzie nieliniowości dla pełnej skali 2.5%.

4 METODA I ZAKRES BADAŃ Badania przeprowadzono zgodnie z metodyką opisaną we wcześniejszych opracowaniach autora[4, 5] zakładając krok zapisywania mierzonych wielkości co 0,5 sekundy w czasie 180 sekund. Badania przeprowadzono na próbkach cylindrycznych wykonanych z masy o wilgotności w=6%. Składniki suche masy to: bentonit bułgarski w ilości 8% i piasek kwarcowy Krzeszówek w ilości 92%. Rejestracji zjawisk fizycznych T(t) i P(t) dokonywano w warstwie masy na głębokości 10 mm od powierzchni styku metal forma, odpowiednio dla gęstości pozornej masy q= 1570; 1620 i 1670 kg/m 3. Próbkę badanej masy zalewano aluminium technicznym w ilości 100g o temperaturze 973 K charakteryzujący się długim przystankiem temperatury krzepnięcia. 4. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ Wyniki z rejestracji przebiegu krzywej temperatury T(t) i ciśnienia P(t) przedstawiono na rysunku 3 a, b, c. Porównując krzywe zmian temperatury i ciśnienia można wyróżnić okresy charakterystyczne i wzajemnie sobie odpowiadające w obydwu krzywych. Mianowicie punkt P odpowiadający maksymalnej wartości ciśnienia występuje w zakresie temperatur parowania wody(odcinek BD na krzywej dt/dt) [4]. Zmiany ciśnienia zachodzące w czasie dla wszystkich przebadanych gęstości pozornej masy mają podobny charakter. Analizując przebiegi ciśnień uzyskiwane dla mas o różnej gęstości pozornej (rys.3a, b, c) widać, że wzrost gęstości masy powoduje już w początkowym okresie parowania wody (odcinek BC na krzywej dt/dt ) szybki wzrost ciśnienia osiągając wartość P max na początku przystanku temperatury, na krzywej T(t) a)

5 541 b). c) Rys. 3. Rozkład temperatury i ciśnienia w wilgotnych formach piaskowych na głębokości x=10mm od czoła nagrzewanej próbki: a) q=1570kg/m 3, b) q=1620kg/m 3, c) q=1670kg/m 3. Fig. 3. Distribution of temperature and pressure in green sand mould 10 mm deep from the head of the heated sample.

6 542 W oparciu o charakter linii przebiegu zmian ciśnienia P(t), można z dużym prawdopodobieństwem stwierdzić, że ruch mieszaniny pary wodnej i powietrza ma charakter falowy w strefie kondensacji. Zastosowany w pomiarach system SPR-2 okazał się bardzo czułym urządzeniem reagującym na niewielkie zmiany ciśnienia (0,1 mbara), związane prawdopodobnie z ruchem gazów w ośrodku porowatym jakim jest masa formierska. Możliwość jednoczesnego zapisu przebiegu ciśnienia i temperatury pozwala na dokładne umiejscowienie pewnych charakterystycznych zmian ciśnienia w formie, ściśle związanych ze zmianami temperatury formy wilgotnej. LITERATURA [1] M. Rzeczkowski: Określanie zjawisk fizycznych i fizyko-chemicznych czasie powstawania wad powierzchniowych w wilgotnych formach piaskowych pod działaniem wysokiej temperatury. WSInż Monografia, Zielona Góra (1973). [2] J.I. Miedwiediew: Gazowe procesy w formie odlewniczej. Maszinostrojenie, Moskwa (1980). [3] Z. Samsonowicz: Pomiary przepuszczalności mas formierskich w wysokich temperaturach. Zeszyty Naukowe Pol.Wrocławskiej, Wrocław (1963). [4] T. Szmigielski: Kondensationszone in zweischichtigen formen. Materiały V Międzynarodowej Konferencji w Zilinie, Rajecke Teplice (1999), s [5] T.Szmigielski: Efect of filtration on distribution of temperature and transport of moisture inside green sand moulds at their filling with molten metal. Acta metallurgica Slovaca, 5, Koszyce (1999), S [6] J. Mutwil: Mikroprocesorowy system pomiarowy do badań procesu krzepnięcia metali i stopów oraz wypełniania wnęki formy. Archiwum TBM, PAN-Oddział w Poznaniu. Poznań (1990), Nr 8, s [7] Von Ahmet Avci, A. Schroder, E. Macherauch: Die physikalischen Vorgänge beim Erhitzen tongebundener Formen. Giesserei Forschung 1979,nr 1, s [8] Von Ahmet Avci, A. Schroder, E. Macherauch: Temperatur-, Feuchtigkeits-,.Gasdruck-und Zugfestigkeitsverteilungen beim Erhitzen tongebundener Formsande. Giesserei Forschung 1979,nr 1, s.1-8. THE MEASUREMENT OF PRESSURE IN THE CONDENSATION ZONE SUMMARY The measuring system and the method of simultaneous measurement of temperature and pressure in arbitrary layer of green sand mould while it is filled up with liquid metal have been described in the paper. The investigations revealed a dissimilar pressure curve in the condensation zone to curves presented in the previous works. Reviewed by prof. Władysław Orłowicz