ł'l ISSN ZASTOSOWANIE MIKROFALOWEGO NAGRZEW ANIA W ODLEWNICTWIE

Transkrypt

1 33/35 Solidilil,ation of Metais and Alloys, No. 33, 1997 Knepnięcie Metali i Stopów, Nr 33, 1997 PAN- Oddzial Katowice ł'l ISSN ZASTOSOWANIE MIKROFALOWEGO NAGRZEW ANIA W ODLEWNICTWIE PIGIEL Mirosław GRANAT Kazimierz Politechnika Wrocławska Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji ul. Łukasiewicza 3/5, Wrocław Streszczenie Przedstawiono porównanie suszenia rdzeni z wodnymi powłokami ochronnymi w suszarkach: konwekcyjnej i mikrofalowej. Określanie wilgotności mas formierskich metodą grawimetryczną z zastosowaniem nagrzewania mikrofalowego oraz możliwości zastosowania mikrofal do utwardzania rdzeni z piasków otaczanych. l. SUSZENIE RDZENI POKRYTYCH WODNYMI POWLOKAMI Rdzenie stosowane w formach odlewniczych muszą najczęściej posiadać pokrycie ochronne, które to gwarantuje dobrą jakość powierzchni odlewu. W zależności od rodzaju zastosowanego rozpuszczalnika, rozróżnia się dwie główne grupy pokryć : wodne i alkoholowe. Po naniesieniu pokrycia na rdzenie, rozpuszczalnik musi zostać całkowicie usunięty, ponieważ przy zalewaniu fotmy n a stąpiłoby, podobne do eksplozywnego, jego odparowanie. Zastosowanie pok1yć wodnych prowadzi do bardzo wyraźnego zmniejszenia zanieczyszczeń bezpo ś r e dniego

2 248 miejsca pracy oraz środowiska. W odlewniach niemieckich w 1993 roku zużyto około ton pokryć ochronnych. Udział wodnych pokryć ochronnych wyniósł 55% [1]. Rdzenie z pokryciami alkoholowymi nie nadają się do suszenia w mikrofalach ze względu na możliwość wybuchu mieszanki alkoholowo - powietrznej. Suszenie rdzenia z poklyciem wodnym przedstawione jest na rysunku l. t 100 l 80 Rys. l. Suszenie rdzeni z pokryciem wodnym morgia przy susttniu [o;. l Jak widać na powyższym rysunku, usunięcie 20% wilgotności końcowej pochłania 80% energii potrzebnej do całkowitego wysuszenia rdzenia. Proces suszenia rdzenia w suszarce konwekcyjnej i mikrofalowej przedstawiony jest na rysunku 1. O) gorqcq: ł powidrn Rys. 2. Suszenie rdzenia w suszarce konwekcyjnej i mikrofalowej. Gorące powietrze w suszarce konwekcyjnej odbiera 80% wilgotności z rdzenia. Pozostałe 20% wilgotności jest przemieszczane do wewnątrz rdzenia (1ys. 2a) Suszenie gorącym powietrzem wymaga dużo: miejsca, czasu i energi i.

3 249 Suszenie rdzeni za pomocą mikrofal rue zna pojęcia wilgotności "resztkowej". Mikrofale przenikają suszone rdzenie w całej objętości, a suszenie następuje od środka rdzenia na zewnątrz (rys.2b). Gwarantuje to wysuszenie rdzenia w całej jego objętości. Suszenie pokryć ochronnych w mikrofalach nie jest już "wąskim gardłem". Rysunek 3 przedstawia suszenie w suszarce konwekcyjnej (Iys.3a) i w suszarce mikrofalowej (rys. 3b ). Susząc w mikrofalach czterokrotnie skrócono czas suszenia [l]. Q) RDZENIARNIA b) RDZENIARNIA Nanoszenie pakrycia Nanoszenie pakrycia M l N u T M l N u T Dolsza obróbko ODLEW Dolsza obróbko ODLEW Rys. 3. Suszenie rdzeni w suszarce konwekcyjnej i mikrofalowej Suszenie rd2:eni w konwekcyjnej suszarce ogrzewanej gazem ziemnym 121 Suszarka ogrzewana gazem ziemnym (rys. 4) przeznaczona jest do suszenia rdzeni o ciężarze od l do 9 kg, pokrytych wodnym pokryciem. Wykonane rdzenie są pokrywane zanurzeniowo i układane na paletach krato-wych. Palety te w czterominutowych przedziałach czasowych są przemieszczane p rzenośnikiem 6 przez suszarkę, a następnie po "pustym" cyklu wprowadzane do komory chłodzenia. Pełny cykl suszenia wynosi około minut. Suszarka ogrzewana jest za pomocą palnika gazowego l z zastosowaniem mieszanki gazu ziemnego i powietrza. Podgrzane powietrze poprzez wentylator 2 kierowane jest do suszonej pa1iii rdzeni, a następnie wraca poprzez kanał znajdujący się w gómej części komory. Temperatura w sttefie suszenia może być regulowana w zakresie C. W suszarce zastosowano

4 250 szczelnie zamykane, unoszone drzwi 3 w celu zmniejszenia strat. W komorze chłodzącej wentylatory: wlotowy 4 i wylotowy 5 chłodzą wysuszone rdzenie. Bilans energetyczny określa sprawność suszarki konwekcyjnej na 13,8% \ 7 t c,, ~,, Y o~ J, f~,. ;. lja.i.al.iu.łljjm..l.-_lf!fl.lq._~_;_ui.ljlt ' 1 ~B!li_lli L111_!_~* -r ~2o:o;:;, Rys. 4. Suszenie rdzeni w suszarce konwekcyjnej Suszenie rdzeni w suszarce mikrofalowej [2] Suszarkę mikrofalową przedstawiono na 1ysunku 5. )\ l l ' 'n11n ) ~ )\ l l l l -i kicrunek ruchu poltt "'4,5m Rys. 5. Suszenie rdzeni w suszarce mikrofalowej. Jest to proces cyklicznego suszenia ciąglego przelotowego rdzeni o masie od l do 4 kg pokrytych wodnym pokiyciem. Suszarka składa się z trzech - zamontowanych w jednym ciągu - identycznych modułów. Każdy z modułów wyposażony jest w 24 magnettony o suma1ycznej mocy 28,8 kw. Rdzenie są pok1ywane zanurzeniowo i ułożon e na wielopoziomowych paletach pelforowanych l. Wlot i wylot tunelu 5 4

5 251 suszarki zamykany jest przesuwnymi, szczelnymi dla mikrofal zasuwami 2 i 3. Do transportu palet służy przenośnik rolkowy 4. Czujniki położenia włączają magnetrony komory, w której znajduje się paleta z rdzeniami. Czas nwania taktu może by ć ustawiany zależnie od wielkości rdzenia, w zakresie od 3 do 6 minut. Zatem całkowity czas suszenia tlwa 9-18 minut. System wylotowy 5 odprowadza wilgorne powietrze z wnętrza suszarki na zewnątrz. W budowie zastosowano standardowe magnetrony o mocy 1,2 kw każdy. Magnetron posiada indywidualne zasilanie, podgrzewacz magnetronu i wentylator chłodzący. Promieniowanie mikrofalowe skierowane jest bez zastosowania falowodu, bezpośrednio do komory suszenia (rysunek 6). Rys. 6. Schemat modułu suszarki. W module są zainstalowane kanały wlotowe l po bokach komory oraz kanał wylotowy 2 z wentylatorem promieniowym 3. Do chłodzenia stosowano powietrze zewnętrzne, przepływające przez magnetron 4. Powietrze ogrzane ( chłodząc magnetron) zostaje wdmuchiwane do komory i z parą wodną, poprzez wentylator 3, usuwane na zewnąn z. C iepło oddane przez magnetrony i urządzenia zasilające (o temperaturze około 60 C) wspiera konwekcyjne suszenie rdzeni. Bilans energetyczny określa sprawności suszarki mikrofalowej na 25, l%. współczy1mik 1.3. Podsumowanie obu systemów suszenia )2) Oba rodzaje suszarek nadają się do suszenia rdzeni pok1ytych wodnymi pokiyciami. Można je włączać do automatycznego cyklu produkcyjnego. Suszarka mikrofalowa, w porównaniu z suszarką gazową, ma następujące zalety: - na jej zamontowanie wymagana jest mniejsza powierzchnia (ok. 4-krotnie );

6 252 -skraca czas suszenia rdzeni (ok. 4-krotnie); -powierzchnia rdzeni posiada minima1i1ą temperaturę Możliwe jest ręczne manipulowanie nimi bezpośrednio po procesie suszenia; - w ządzenie jest gotowe do natychmiastowego rozpoczęcia pracy. Nie jest potrzebny rozruch wstępny ani wstępne podgrzewanie. Ekonomiczne jest zatem tzw. krótkotrwałe użytkowanie urządzenia; - uszkodzenie magnetronu nie powoduje prze1wania pracy urządzenia. Może być konieczne wydłużenie cyklu suszenia; - budowa modułowa pozwala na dużą elastyczność, a przez to dopasowanie urządzenia do wymogów produkcji; - wyraźnie istnieją dalsze możliwości optymalizacji procesu suszenia oraz obniżenia zużycia energii; -zużycie energii przez suszarkę mikrofalowąjest dwukrotnie niższe niż w przypadku suszarki ogrzewanej gazem; -suszenie mikrofalowe zmniejsza emisję z~mieczyszczeń do atmosfery. 2.0KREŚLENIE WILGOTNOŚCI MAS FORMIERSKlCH Z ZASTOSOWANIEM GRZANIA MIKROFALOWEGO [3,4] W Zakładzie Odlewnictwa ITMiA Politechniki Wrocławskiej, przy współpracy z firmą "Plazmatronika Service" we Wrocławiu, został opracowany i zbudowany prototyp urządzenia do automatycznego określenia wi lgotności mas formierskich wykorzystujący mikrofalowe nagrzewanie, z ciągłym pomiarem ciężaru badanej masy. Mikroprocesorowy sterownik stemje temperaturą, mocą i czasem grzania, oblicza wilgotność końcową oraz umożliwia komunikację z obsługą. Na 1ysunku 7 przedstawiono zasadę działania urządzenia do pomiruu wilgotności, zwanego grawimetrem. Składa się on z rezonatora, anteny, wagi laboratmyjnej i magnetronu. Wewnątrz rezonatora znajduje się tacka z próbką, której wilgotność ma być określona. Antena, przenosząca energię mikrofalową z falowodu do rezonatora, umieszczona jest wewnątrz dielektrycznego wspomika, który jednocześnie zapewnia mechaniczne sprzężenie pomiędzy tacką z próbką a szalką wagi. W celu zabezpieczenia przed "wyciekiem" mikrofal na zewnątrz rezonatora

7 253 D REZONATOR Jńbko ontena.,,. 1/4A tocko 8 A 1ft,< l c waga Rys. 7 Zasada działania urządzenia do pomiam wilgotności. zastosowano układy dławika mikrofalowego, złożonego z trzech części : A, B i C. Podobne rozwiązanie dławika zastosowano przy wyjściu dielektrycznego wspornika z falowodu. W górnej części komory rezonatora zamontowano układ stroika. Jego położenie może być ustalane przez użytkownika. Pomiar temperatury wykonywany jest za pomocą pirometru. Określenie wilgotności mas formierskich metodą grawimetryczną z zastosowaniem mikrofal skróciło proces pomiam o s, zachowując jej dokładność. 3. MIKROFALOWE UTWARDZANIE RDZENI(5,6) Informacje literaturowe wskazują na potrzebę i możliwości utwardzania rdzeni odlewniczych z wykorzystaniem nowych czynników, inicjujących i przyspieszających procesy wiązania piasków z żywicą i szkłem wodnym, np. energii elektromagnetycznej o częstotliwo ściach w paśmie mikrofal. Mikrofale powodują przyspieszenie procesu wiązania. Przyspieszenie procesu powstania wiązań polimerowych spowodowane jest zarówno efektem termicznym związanym ze zamianą części energii mikrofalowej na ciepło, jak i z efektem nietemperaturowym związanym z rezonansowym pobudzaniem do drgań tworzących się łańcuchów polimerowych. Proces utwardzania żywic przebiegać może przy niższych temperaturach i jest znacznie szybszy. Nastąpi ograniczenie zużycia energii do utwardzania rdzenia oraz skrócenia czasu wiązania. Autorzy artykułu chcą opracować koncepcję urządzenia technicznego (rdzennicy), które mogłoby wejść na wyposażenie zmechanizowanej strzelarki lub nadmuchiwarki. Urządzenie to. wykorzystujące energię mikrofal do szybkiego

8 254 utwardzania rdzeni, charakteryzowałoby się małym zużyciem energii, dużą wydajnością i ograniczeniem emisji zanieczyszczeń do atmosfery. Na ten cel autorzy otrzymali środki finansowe z Komitetu Badań Naukowych. 4. ZASTOSOWANIE MllffiOF AL W METALURGII PROSZKÓW [7) Istnieje możliwość wykorzystania mikrofal do wytwarzania wyrobów ze sproszkowanych materiałów ceramicznych i metalowych. W zależności od składu spiekanego materiału, możliwe jest stosowanie nagrzewania mikrofalowego o częstotliwości 2,45 GHz. Natomiast znane są przypadki zastosowania nagrzewnia mikrofalowego o częstotliwości 2,8+8,3 GHz. Tym sposobem mogą być wytwarzane wyroby ceramiczne, w skład których wchodzi Ah0 3, Zr0 2, Si 3 N4, SiC a z materiałów metalowych mogą to być Al, (np. A l O Al), Co, szczególnie przy procesie wytwarzania płytek z węglików spiekanych (np. WC- 6 Co). 5. LITERATURA (l] MWT Gesellschaft ftlr Industrielle Mikrowellentechnik GmbH, Sondweg 51, [2) llmberger F., Rosenbauer G., Trocknung wassergeschlichteter, Giesserei 83 (1996), Nr 5-4, s [3] Pigiel M., Opracowanie mikrofalowego pomiaru wilgotności materiałów sypkich, Raport ITMiA PWr, seria: Sprawozdania, Nr 16/96, Wrocław [4] Pigiel M., Określanie wilgotności mas formierskich przy zastosowaniu nagrzewania mikrofalowego, Materiały Konferencyjne PAN, Krzepnięcie Metali i Stopów, Rzeszów 1996, s [5] Grudziński K. i in., Mikrofalowe utwardzanie podkładek fundamentowych silników okrętowych odlewanych z tworzywa chemoutwardzalnego EPY, Postępy w Elektrotechnologii, Szklarska Poręba (6] Jelinek P., Pi'inos ceskoslovenskeho slevarenstvi k che1nizaci ryroby forem a jader na bazi alkalicl<ych ld'emicitanu, Slevarenstvi nr 2/96, s [7] Willert - Porada M., Gerdes T., Radiger R., Kolaska H., Einsatz von Mikrowellen zurn Sintern pulvermetallurgischer Produkte, Metali 50, Nr , s