2516 Solidilication of Metais and Alloys, No 25, 1995 Krzepniecie Metali i Stopów, Nr 25, 1995 PAN - Odd:dał Katowice PL ISSN

Transkrypt

1 2516 Solidilication of Metais and Alloys, No 25, 1995 Krzepniecie Metali i Stopów, Nr 25, 1995 PAN - Odd:dał Katowice PL ISSN PROJEKTOWANIE T STOSOWANIE OTULIN TYPU SANDWICH DO USPRA WNIANIA PRACY NADLEWÓW IGNASZAK Zenon, BARANOWSKI Adam Zakła d Odlewnictwa, Instytut Technologii Maszyn, Politeclmika Poznal'lska Pozna~'l, ul.piotrowo 3, POLSKA ABSTRAKT Autorzy opisują stosowanie otulin dwumateri ałowych piaskowo-izolacyjnych dla dużych nadlewów staliwnych, co przy zachowaniu pewnych warunków jest korzystniejsze od kilku warstw z prefabrykowanych płytek izolacyjnych czy egzotermiczno-izola<.;fjnych. Zaproponowano zastosowanie w roli warstwy kontaktowej materiału typu egzotermicznego. l. WPROW ADZENIE W cyklu publikacji po święco nych problemom izolowania cieplnego nadlewów [I-5] autorzy przedstawili wyniki swoich wieloletnich badań laboratoryjnych i wdrożeniowych dotyczących szczególnie: -doboru surowców i optymalizacji składu mas do wykonywania otulin izolujących, -wła ściwości termofizycznych tych mas w ustalonych i nie ustalonych warunkach cieplnych, - współczynników FEM (kb) wykorzystywanych w klasycznych obliczeniach nadlewów, -zasad komputerowego projektowania technologii z wykorzystaniem otulin warstwowych piaskowo-mikrosferowych (typu sandwich), -warunków stosowania otulin mikrosferowych przy odlewaniu żeliwa i staliwa, -efektów technicznych i ekonomicznych dla wybranych wdrożeń. Analiza zaga dnień s kutecznośc i i opłacalności związanych ze stosowaniem otulin izolacyjnych podjęta przez autorów [6,7] doprowadziła do określenia optymalnych grubości otulin dających najlepsze efekty ekonomiczne. Grubość ta zależy m.in. od modułu odlewu, jakości izolacyjnej materiału otuliny (jego parametrów termofizycznych) i relacji cenowej jednostki objętości otuliny do ciekłego metalu. W niniejszej publikacji nawiąz ując do w.w prac podjęto problem izolowania cieplnego nadlewów o dużej średnicy (powyżej 600 mm).

2 42 2. GENEZA PROBLEMU Stosowanie otulin izolacyjnych, egzotermicznych czy izolacyjno-egzotermicznych przez św i atowy przemysł odlewniczy jest od lat uznanym sposobem usprawniającym zasilanie odlewu, podnoszącym uzysk ciekłego metalu, umożliwiającym często finezyjny podział odlewu na strefy zasilania i poprawiającym śc isło ść odlewu przez jego skuteczniejsze zasilanie. Do dyspozycji projektanta-technologa są gotowe, zestawione w katalogach, handlowe wyroby tego rodzaju w postaci kołpaków, segmentów rurowych i płytek. Ich maksymalne wymiary nie przekraczają zazwyczaj: mm średnicy i 30 mm grubości dla osłon typu kołpakowego mm dla płytek. Wartości FEM (factor extension madułus - stosunek współczynników akumulacji ciep :a: masy piaskowej na formę i otaczającej nadlew otuliny), z których korzysta terh110log obliczając wielkość zredukowanego nadlewu, przypisane poszczególnym rodzajom mattri ałów otulin, wg danych podawanych przez wytwórców, nie zmieniają się ze średnicą nadlewu i odpowiadającą mu grubością otuliny. Jak wykazano w [8], wartość FEM maleje jednak dla opisanego przypadku ze wzrostem wymiaru nadlev.ru. Ponadto omawiane wartości FEM bywają zawyżone np. l (średnie wartości katalogowe) wobec (z pomiarów) [7]. Opisana sytuacja wymaga szczególnej czujności technologa. Chcąc przenieść zasady skutecznego zasilania na odlewy o modułach wykraczających poza zakres katalogowy jest się zmuszonym do korzystania z elementów w postaci płytek o wy żej podanej grubości. W jednym tylko przypadku producent sugeruje przydatność pewnego gatunku płytek izolacyjnych dla średnic nadlewów powyżej 500 mm. Wyniki prac eksperymentalnych poszerzonych o wyniki komputerowej symulacji krzepnięcia wskazują, że wartość FEM zestawu otulina-forma maleje ze wzrostem średnicy nadlewu [6, 7]. Z badań ty.: h wynika również, że powiększenie grubości otuliny przez dodanie jednej (lub więcej) Narstw podnosi wartość FEM, ale decydujący jest tutaj aspekt ekonomiczny. 3. ZASADA STOSOWANIA OTULfNY WARSTWOWEJ - DWUMATERIAŁOWEJ To oryginalne rozwiązanie zaproponowane przez autorów dla formy odlewniczej [2,8] polegało na wprowadzeniu ochronnej warstwy ogniotrwałej oddzielającej c iekły metal od właściwego materiału izolacyjnego. Podejście to umo żliwiało stosowanie dobrych i tanich materiałów izolacyjnych o niskiej ognioodporności na otuliny nadlewów do odlewów staliwnych. Nadlewy odlewów żeliwnych mogły być otulane bezpośrednio tymi materialami ze względu na zdecydowanie niższą temperaturę zalewania [4]. Zasada szukania kompromisu między właściwościami izolacyjnymi i ognioodpornością na drodze rozwiązań warstwowych bywa stosowana w izolacjach pieców do topienia i obróbki cieplnej. Jednocześnie zaproponowano wykonywanie otulin warstwowych podczas ubijania formy, korzystając z uproszczonych modeli umożliwiających realizację poszczególnych warstw otuliny nadlewu [5] co pozwala na stosowanie tego rozwiązania dla nadlewów o dowolnej wielkości.

3 43 Oba poruszone aspekty wychodzą więc naprzeciw stosowaniu otulin warstwowych dla dużych nadlewów. Aby ułatwić projektowanie otulin warstwowych opracowano wykres umo ż liwiający wyznaczenie FEM w funkcji wzg lędnych grubości piaskowej warstwy ochronnej i grubości otuliny (stosunek odpowiednich gn1bości i modułu nadlewu)[:\) Bezwzględną grubość warstwy ochronnej ustala się w zależności od dopuszczalnej maksymalnej temperatury mięknięcia i topienia materiału izolacyjnego [3]. Ro zw iąza nie to sprawdzono w warunkach przemysłowych doprowadzając do pełnego pilotowego wdrożenia dla odlewu staliwnego tłoka i znaczących oszczędnośc i w stosunku do rozwiązania bez otuliny [5]. 4. STOSOWANIE OTULIN WARSTWOWYCH (DWUMATERIAŁOWYCH) PlASKOWO- IZOLACYJNYCH Okazuje się, że wprowadzenie otulin warstwowych może mieć miejsce i tam, gdzie stosuje się JUŻ szeroko otulanie nadlewów. Material o niskim współczynniku przewodności cieplnej a jednocześnie niskiej ognioodpornośc i jest często zdecydowanie tańszym surowcem a i jego stosowanie w proponowanym zestawie warstwowym może być zdecydowanie tańsze od rozwiązań polegających na stosowaniu wyrobów gotowych (płytki), które dla dużych nadlewów stosuje się w dwóch lub więcej Jednolitych materialowo warstwach. Przygotowanie technologii otulin warstwowych wymaga skorzystania z wykresu w celu określenia FEM i doboru geometrycznego modułu nadlewu. W niektórych przypadkach korzysta się z symulacji komputerowej krzepnięcia sprawdzając przebieg krzep ni ęc i a całego odlewu szczególni e gdy poza otulinami stosuje się ochładza lniki lub inne metody sterowania krzepnięciem Wartości współczy nników termofizycznych do tych ob li czeń zna leż ć mo żna w cytowanych wyżej pracach i innych opracowaniach ośrodka. W tabelach l i 2 scharakteryzowano dwa przykłady stosowania nadlewów z ot:tlinami warstwowymi Tabela l. Porównanie efektów stosowania dwóch rodzajów otulin dla odlewu A Odlew korpus ze staliwa niskostopowego Masa odlewu 5000 kg l nadlew <jl 550mmx500 (porównywany, izolowany od góry zasypkami egzo i izolacyjną) + 6 nadlewów $250mmx300 (łącznie ok.3500 kg) Rodzaj otuliny Płytka izolacyjna handlowa Otulina warstwowa dla nadlewów ><b 500 mm piaskowo-izolacyjna Grubość 60mm masa piaskowa 25 mm (l warstwa) masa izolacyjna 140 mm FEM 1.4 (dane producenta) (z badań autorów) (z badań autorów) Czas krzepnięcia nadlewu 8.5 godz. 10 godz. (wartość z svmulacii)

4 44 Masa nadlewu po o d c i ęci u 940 kg 8 18 kg Ubvtek metalu w nadlewie 18% 25% Koszt mat e riału na o tu li n ę Koszt wykonania otuliny Tabela 2 Efektv stosowania otuliny warstwowej dla odlewu B (weryfikacja). Odlew: korpus prasy Masa odlewu: 5000 kg l nadlew d>700mmx600 (masa ok2000kg) (izolowany od góry zasypkamiegzo i izolacyjną) Rodzaj otuliny Otulina warstwowa piaskowo-izolacyjna Grubość masa piaskowa 30mm+izolacyjna 17Smm FEM u Ubvtek metalu w nadlewie 38% Koszt mate ri ału i robocizny porównywalny z nadlewem dla odlewu A Jak wynika z obu zestawień tablicowych dwumateriałowe otuliny warstwowe 3ą konkurencyjne w stosunku do handlowych materiałów izolacyjnych. Nadlew dla odlewu A dobierany był wg doświadczeń odlewni stosującej jedną warstwę płytek, s tąd był on :ta du ży gdy użyto otuliny lepszej (warstwowej), gdyż celem było porównanie obu rozwią z tń. t4a uwagę zasługuje fakt lepszego zasilenia drugiego odlewu A przy otulinie warstwowej 1. Nyższy stopień opróżnienia) mimo, że pierwszy był również zaakceptowany Jako odlew bez wad. Nadlew dla odlewu B obliczono już ściśle według FEM dla otuliny warstwowej u zys kując wysoki ubytek metalu w nadlewie 38%. Szerokie stosowanie otulin warstwowych wymaga pewnego przygotowania sp r zętowego (mieszarka szybkoobrotowa typu c iągłego, zbiorniki transportowe, zestawy modeli) i organtzacyjnego. Sporadyczne i niewła śc iwe podejśc i e do tego rozwiązania mo że spowodować znaczny wzrost kosztów jego stosowania a jest to spowodowane główni e wysokim ud ziałem robocizny i operacji manualnych (portablica l). Jedynie tam gdzie rozwiązano ten problem otuliny warstwowe we szły na stałe do produkcji. 5. IDENTYFIKACJA PROCESU KRZEPNIĘCIA W OTULINACHWARSTWOWYCH Stosowanie pogrubionego otulania dużych nadlewów dwoma lub więcej rzędami płytek wymaga pewnego naświetlenia. Dla materiałów czysto izolacyjnych powiększanie grubości izolacji prowadzi w oczekiwanym kierunku t.j. zw i ększenia FEM (decyduje wskaźnik ekonomiczny). Niektóre odlewnie wycofały się jednak z używania gotowych dobrych elementów izolacyjnych ze względu na ich ce n ę prawie tak wysoką lub nawet wyższą od wyrobów izolacyjno-egzotermicznych (dalej bę d ziemy ja dla uproszczenia n azywać egzotermicznymi). Zatem gdy trzeba izo l ować du ży nadlew powstaje dylemat czy kilka jednolitych warstw z materiału egzotermicznego speł n i podobnie swoj ą ro l ę.

5 Aby odpowiedzieć na to pytanie przeprowadzono badania krzepnięcia odlewu w formie wykonanej z użyciem takiego materiału. Celem była identyfikacja nie tylko FEM ale przede wszystkim parametrów termofizycznych materiału egzotermiczno-izolacyjnego tak aby w dalszej części badań można było dokonać uogólnienia symulując krzepnięcie układów odlewforma o innej wielkości i geometrii [ 10]. W sposób uproszczony potraktowano przebieg zjawisk w otulinie egzotermicznoizolacyjnej podczas modelowania przepływu ciepła w obliczeniach symulacyjnych krzepnięcia. Nie wnikając w modelowanie procesu cieplnego z obecnością źródeł ciepła (przypadek reakcji egzotermicznej) i opierając się na wynikach własnyc h badań [li] przyjęto, że cieplny efekt egzotermiczny zostanie wyrażof!y w sposób następujący : -inicjacja reakcji nastąpi po przekroczeniu przez materiał 500 oc, -do tego czasu przewodność i pojemność cieplna zbliżone są do parametrów masy kwarcowej, -przekroczenie 500 C spowoduje lokalną zmianę parametrów: pojemności cieplne_! przez okres trwania reakcji egzotermicznej oraz współczynnika przewodności cieplnej do końca procesu kr zepn ięci a. Na drodze nume1ycznej identyfikacji parametrów otuliny określono : 45 _przewodność cieplna l pojemność cieplna właściwa lub zastępcza _przed reak c ją l W/mK l O J/m3K podczas reakcji 900 sec 0.7 W/mK J/m 1 K po reakcji 0.7 W/mK J/mJK Stwierdzono przy tym, że stosowana przez Niyamę [12] zasada upraszczająca daje wyniki znacznie odbiegające od waliości zbadanych eksperymentalnie. Stosując powyższe parametry modelowano krzepnięcie staliwnego nadlewu o średnicy l m a w tabeli 3 podano wyliczone na tej podstawie wartości FEM dla poszczególnych zestawów warstwowych jednolitych 1 dwumateriałowych oraz waliości gęstości odlewu staliwnego z eksperymentu [ 13]. Tabela 3 z estaw1eme waiiosci. FEM. - 1 gęstosef sta l Iwa dl a wyl b rany_c h przypa dk ow ' otu l 111 warstwowyc h Otulina ESO 3xESO E50+2xM50 P25+MI25 m. piaskowa FEM Gęstość kg/dm kg/dm kg/dm3 E50, MSO, M 125, P25- odpowiednio warstwy: egzotermiczna, izolacyjna i piaskowa o grubości wyrażonej w mm 6. PODSUMOWANIE Z przeprowadzonych badań i przedstawionych rozważań wynika, że:.stosowanie dwumateriałowych otulin piaskowo-izolacyjnych do dużych nadlewów jest przy zachowaniu opisanych wamnków atrakcyjnym sposobem poprawy jakości zasilania,

6 46 2.W przypadkach wysokich kosztów robocizny ochronną warstwę pia~ową zastąp i ć mo żna handlową płytką egzotermiczną uzyskując jeszcze wyższą wartość FEM, 3.Stosowanie pojedynczej warstwy handlowych płytek egzotermiczno-izolacyjnych o podanej grubości jest niewy sta r czające dla dużych nadlewów (znacze obniżenie FEM), 4.Ze względu na relatywnie niski FEM jak i wysoki koszt stosowanie kilku. warstw w.w płytek nie JeSt zalecane. LITERATURA [l] lgnaszak Z 1 m. Wła ściwości fizykocieplne tworzyw mikrosferowych ze spoiwem krzemianowym. Gospodarka Paliwami i Energią, 1984, nr 11, s.8. [2] Ignaszak Z i in. Microsphere materials with silicale binder. Proceedings of Second International Conference on the Use Fly Ash and Silica Fume, Madryt [3] Baranowski A, lgnaszak Z. Mikrosferowe masy izolacyjne-zastosowanie w odlewnictwie. Przegląd Odlewnictwa, 1989, nr S, s.167 [41 Ignaszak Z. i in. Technologia izolowania cieplnego nadlewów masą mikrosferową w produkcji odlewów że liwny c h. Przegląd Odlewnictwa, 1989, nr S, s [S) Baranowski A. 1 m. Izolowanie cieplne nadlewów masą mikrosferową w od1ewach staliwnych. [6) Baranowski A, lgnaszak Z. : OptymalizacJa izolowania cieplnego nadlewów. Archiwum Technologii Budowy Maszyn, 1992, z.9, wyd P ANOddział Poznań [7] Ignaszak Z., Baranowski A Skuteczność i opłacalność stosowania izolacji cieplnej w formach Przegląd Odlewnictwa, 1993, nr 5, s. l69. [8) Baranowski A, lgnaszak Z. i inni : Patent polski nr 1S2243 [9] Ignaszak Z. Caracteristiques thermiques des sables. (resume). Expose presente, pendant la lll Reunion d u groupe de travail: "Simulation de la Solidification et Remplissage", Centre Technique des Industries de la Fonderie, Sevres, mars [10] Ignaszak Z. ISOL-4. Badania materiałów na otuliny do nadlewów. Raport wewnętrzny Ferry-Capitain [11) Ignaszak Z. Badania porównawcze ró żnych materiałów egzotermicznych. Rap< li wewnętrzny Ferry-Capitain [ 12) Niyama E. i in. : A Method od Shrinkage Prediction and!ts Application to Steel t::asting Practice. Materiał y Międzynarowej KonferencJi Odlewniczej, art. l O, Chicago [ 13] Ignaszak Z.. Poudre l et 2. Badania eksperymentalne nad zasilaniem. Raport wewnętrzny Ferry-Capitain ABSTRACT DESIGN AND APPLICATION OF SANDWICH SlDELINER TO IMPROVE THE RISER FEEDING The application of bi-material: sand-insulating sizeliners for big steel risers is described. In special conditions this solution is more efficient than few layers of prefabricated insul~ting Jr exothermic-insulating plates.the introduction of exothermic materiał, as the eontael ltyer in this bi-material solution, is proposed.