72/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 JEDNOCZESNA REJESTRACJA TEMPERATURY, WILGOTNOŚCI I CIŚNIENIA GAZÓW W WILGOTNYCH FORMACH PIASKOWYCH T. SZMIGIELSKI 1 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego 65-546 Zielona Góra, ul. Szafrana 4. STRESZCZENIE W pracy opisano metodę pozwalającą na jednoczesny pomiar i zapis zmian temperatury, wilgotności i ciśnienia w dowolnej warstwie ścianki formy po zalaniu jej ciekłym metalem. Uzyskane wyniki potwierdziły przydatność rozwiązania układu pomiarowego charakteryzującego się dużą czułością na zmiany zapisywanych parametrów. Badania wykazały możliwość śledzenie szybko zachodzących procesów termodynamicznych związanych z transportem ciepła i wilgoci również w warstwach przylegających do powierzchni styku z ciekłym metalem. Key words: sandmix, temperature, moisture, pressure, gase 1. WPROWADZENIE Warunek dobrej jakości odlewów spełniony być może wówczas, gdy dokładnie potrafimy określić między innymi własności technologiczne mas formierskich. Z kolei prawidłowe określenie własności technologicznych mas wilgotnych zależne jest od znajomości zjawisk fizycznych i fizykochemicznych zachodzących w formach w czasie zalewania ich ciekłym metalem. Efektem oddziaływania ciepła na wilgotną ściankę wnęki formy jest wzrost temperatury masy postępujący w głąb. Zmienny rozkład temperatury powoduje nieustalony rozkład wilgoci i tworzenie się strefy przewilżonej, powstawanie pary wodnej i gazów i w efekcie wzrost ciśnienia gazów, Szybkość tych zmian ma bezpośredni wpływ na zmiany własności technologicznych masy ( jak spadek wytrzymałości na rozrywanie, spadek przepuszczalności itp.) szczególnie w obszarze 1 dr inż., t.szmigielski@ibem.uz.zgora.pl
533 strefy przewilżenia co zresztą zostało udowodnione przez liczne grono badaczy [2,3,4,5,8,9,10,11,12,13]. Pod wpływem temperatury zmianie ulegają również właściwości termofizyczne mas [14]. Zmiany własności masy są zazwyczaj główną przyczyną wad powierzchniowych odlewów. Dlatego tak ważnym jest poznanie dynamiki zjawisk zachodzących w przekroju ścianki wilgotnej formy piaskowej poddanej oddziaływaniu strumienia ciepła. W pracy podjęto próbę jednoczesnego pomiaru temperatury, wilgotności i ciśnienia gazów dla wybranej warstwy masy formierskiej. Znajomość wzajemnego położenia wartości maksymalnej wilgotności w strefie jak i ciśnienia gazów względem krzywej temperatury masy, ma duże znaczenie dla poszerzenia wiedzy dotyczącej zjawiska jednoczesnego przenoszenia ciepła i wilgoci w wilgotnych formach piaskowych. W tym celu zaprojektowano i zbudowano układ pomiarowy umożliwiający jednoczesny zapis wspomnianych parametrów oraz pozwalający na zachowanie porównywalnych warunków jakim podlega masa formierska w próbce laboratoryjnej i masa w formie odlewniczej podczas zalewania ciekłym metalem. 2. STANOWISKO BADAWCZE Ogólny schemat stanowiska do jednoczesnej rejestracji zmian w ściance formy temperatury T, wilgotności W i ciśnienia P w czasie i po zalaniu wnęki formy stopem odlewniczym przedstawiono na rysunku 1. Wnękę formy doświadczalnej stanowiła tuleja (3) wykonana z masy szamotowej z użyciem odpowiedniego oprzyrządowania modelowego [17]. Górną powierzchnię wnęki formy stanowiła próbka (6), masy zagęszczanej w specjalnej tulejce (5). Tulejkę (5) wyposażono w podstawkę montażową (7) z szeregiem otworów odpowietrzających i elementów bazowych dla czujników temperatury (8) i sond metalowych (9) mierzących ciśnienie. Sposób rozmieszczenia czujników umożliwiał jednoczesny pomiar temperatury i ciśnienia (T, p) na trzech różnych odległościach x od powierzchni kontaktu metal-forma. Podstawka (7) stanowiła integralną część próbki (6) badanej masy, gwarantując powtarzalność położenia końcówek termoelementów i sond mierzących ciśnienie gazów. Wyposażenie tulejki (5) w perforowaną podstawkę (7), w której zostały umocowane sondy metalowe (9), wyeliminowało duży błąd jaki popełniano podczas pomiaru ciśnienia z użyciem sond wbijanych w zagęszczoną masę formierską. Tulejka oraz podstawka opierały się podczas ubijania masy na wydrążonej podstawce ubijaka. Podczas ubijania masy otwory sond zatykane były zatyczkami wykonanymi z drutu stalowego, które wystawały 0,5mm ponad krawędź sond. Przestrzeń jaka powstała nad sondą zapewniała równomierny przepływ gazów na mierzonym poziomie próbki. W tulejce (5) na różnych wysokościach jej obwodu od górnej krawędzi, wykonano trzy pary otworów obróconych względem siebie o kąt 180. W otworach tych umieszczano odpowiednie pary elektrod (10) wraz z tulejkami izolacyjnymi. Każda z trzech par elektrod służyła do pomiaru przewodności elektrycznej masy w trzech różnych odległościach od powierzchni kontaktu metal-forma. Położenie odpowiedniej pary elektrod odpowiadało ściśle położeniu odpowiednich końcówek czujnika mierzącego
534 temperaturę masy jak i sondy mierzącej ciśnienie. Elektrody wraz z tulejkami izolacyjnymi były montowane w tulei pomiarowej po wykonaniu próbki. Dla dokładnego i niezmiennego przylegania masy formierskiej do powierzchni elektrod, zostały one wykonane w kształcie stożka ściętego o średnicy przy podstawie Φ= 2,2mm i kącie nachylenia α= 1,2º. Po wprowadzeniu elektrod i odwróceniu tulejki podstawką (7) do góry, w otwory bazowe wprowadzano odpowiednie igły o wymaganej długości wykonując kanały w masie dla późniejszego usadowienia w nich termoelementów (8). Tak przygotowaną próbkę (6) wraz z tuleją (5) i podstawką (7) oraz elektrodami (10) nakładano na tuleję szamotową(3) usadowioną wcześniej w kokili (1). Po wprowadzeniu końcówek termoelementów (8) w odpowiednie kanały, podłączeniu końcówek elektrod do systemu pomiarowego (11) oraz po podłączeniu przewodem elastycznym końcówki sondy (9) z przetwornikiem ciśnienia p(t), forma była przygotowana do zalania stopem odlewniczym. Rys.1. Schemat stanowiska pomiarowego: 1 kokila, 2 tuleja, 3 tuleja szamotowa, 4 wnęka formy, 5 tuleja próbki, 6 próbka, 7 podstawka, 8 termoelement, 9 sonda do pomiaru ciśnienia, 10 elektroda, 11 mikroprocesorowy rejestrator, 12 komputer PC. Fig. 1. Scheme of a measuring stand: 1 - permanent mould, 2 sleeve, 3 - chamotte sleeve, 4 - mould cavity, 5 - sample sleeve, 6 sample, 7- holder, 8 - thermo-element, 9 - pressure measuring probe, 10 electrode, 11 - microprocessor recorder, 12 - PC computer. Formę pozostawiano w spokoju na 120 sekund i następnie zalewano ciekłym metalem. Przyjęty dla potrzeb eksperymentu czas 120 sekund był niezbędny dla ustabilizowania się stanu naprężeniowo energetycznego na powierzchni masa elektroda po
535 umieszczeniu elektrod w zagęszczonej masie. Jest to tak zwany okres kondycjonowania próbki [7,16]. Formy zalewano stopem Al-Si12,5% charakteryzujący się długim przystankiem temperatury krzepnięcia (krzywa T 1 w górnej części wykresu rys. 2). Temperaturę zalewania ustalono na 750 o C. Do badań użyto odświeżanej masy formierskiej z bentonitem SPECJAL z Zębca i pyłem węglowym, stosowanej w Odlewni DOZAMET z Nowej Soli. Dla potrzeb eksperymentu przyjęto zawyżony stopień nawilżenia masy ( około W = 5 do 6%) w celu wywołania większego efektu termodynamicznego. Masy po odświeżeniu pozostawiano na 1 godzinę w celu wyrównania wilgoci, następnie spulchniano i oznaczano wilgotność metodą grawimetryczną. Po oznaczeniu koniecznej naważki masę formierską zagęszczano w tulejce (5) do gęstości pozornej q = 1440 i 1500 kg/m 3. 3. WYNIKI BADAŃ Na rysunku 2a przedstawiono odpowiednio krzywe zmian temperatury T(t) i jej pierwszej pochodnej dt/dt, wilgotności W(t) oraz ciśnienia p(t) w przekroju formy, jako funkcje czasu. Pomiar był przeprowadzony w warstwie oddalonej od powierzchni styku metal forma o x=3 mm dla gęstości pozornej masy q=1440 kg/m 3. System rejestrujący był uruchamiany automatycznie w momencie zalewania formy. Gradient temperatury spowodowany wypełniającym wnękę formy ciekłym metalem powoduje zjawisko przenoszenia ciepła w masie formierskiej. Na krzywej T(t) występuje charakterystyczny wyraźny przystanek temperatury przy około 100 o C, odpowiadający temperaturze parowania wody. Zarejestrowanie na krzywej T(t) przystanku temperatury dla warstwy x = 3 mm, świadczy o bardzo małej bezwładności użytych termoelementów jak i systemu pomiarowego. Dotychczas prezentowane przez innych badaczy [1,2,4,5,15] wyniki pomiarów rozkładu temperatury z przystankiem, dotyczyły warstw położonych na głębokości powyżej 5 do 10mm [2,6]. Z przebiegu krzywej zmian wilgoci W(t), zaobserwowano wzrost jej wartości ze wzrostem temperatury masy. Maksymalną wartość wilgoci zarejestrowano na początku przystanku temperatury po czasie około 4 sekund po czym obserwowano gwałtowny spadek, by pod koniec przystanku osiągnąć stan masy suchej. Z przedstawionej na wykresie krzywej p(t) można stwierdzić, że maksymalne ciśnienie gazów p14 (C) = 45,5 Pa dla mierzonej warstwy zarejestrowano pod koniec przystanku temperatury, tuż po przejściu strefy przewilżonej w czasie 15,2 sekundy, a temperatura masy w warstwie osiągnęła wartość T2 ( C ) = 121,4 o C.
536 a). b). Rys.2. Zmiana temperatury T(t), pochodnej temperatury dt/dt, wilgotności W(t), oraz ciśnienia p(t) dla masy z pyłem węglowym o wilgotności 5,6%. Odległość warstwy masy od wnęki formy x = 3mm i gęstości pozornej q: a). 1440 kg/m 3, b). 1500 kg/m 3. Fig.2. Change of temperature T(t), temperature derivative dt/dt, humidity W(t) as well as of the pressure p(t) for a moulding sand with coal dust with the humidity of 5,6%. The distance of the sand from the mould cavity x=3 mm and apparent density q: a). 1440 kg/m 3, b). 1500 kg/m 3.
537 Na rysunku 2b przedstawiono przebiegi zmian temperatury T(t) i jej pierwszej pochodnej dt/dt, wilgotności W(t) oraz ciśnienia p(t) w warstwie oddalonej od powierzchni styku metal forma o x=3 mm, dla gęstości pozornej masy q=1500 kg/m 3. Na krzywej zmian temperatury T(t) zarejestrowano po 4 sekundach od uruchomienia systemu przystanek temperaturowy trwający około 7 sekund. Maksymalną wartość wilgoci zarejestrowano również jak i dla masy o mniejszej gęstości na początku przystanku temperatury, przy czym na krzywej zaobserwowano drugie maksimum o niższej wartości niż pierwsze. Na obecnym etapie badań wyjaśnienie tego zdarzenia jest problematyczne i wymaga dalszych badań sprawdzających. Pomiar zmian ciśnienia p(t) potwierdził i w tym przypadku wzrost wartości ciśnienia pod koniec przystanku na krzywej temperatury T(t), a temperatura masy w warstwie w momencie wystąpienia maksymalnej wartości ciśnienia p14 (C) = 85,9 Pa osiągnęła wartość T2(C) = 170,3 o C. Należy zauważyć, że wzrost gęstości pozornej masy spowodował wyraźny wzrost ciśnienia gazów, wzrost temperatury masy ( punkt C) oraz dłuższy (o parę sekund) czas, po którym masa w warstwie osiąga stan suchy. 4. PODSUMOWANIE Opisany układ pomiarowy okazał się przydatny w badaniach wilgotnych mas formierskich poddanych oddziaływaniu strumienia ciepła. Zastosowane w nim rozwiązania umożliwiły śledzenie i jednoczesne rejestrowanie zmian temperatury i związanych z jej gradientem zmian wilgotności masy, jak i zmian ciśnienia gazów. Uzyskane rezultaty dla badanej warstwy masy oddalonej zaledwie o x = 3mm od powierzchni styku z ciekłym metalem, potwierdzają jego przydatność w badaniach i śledzenia szybkozmiennych procesów termodynamicznych w wilgotnych formach odlewniczych. W oparciu o wyniki przedstawione na rysunku 2a i 2b można zauważyć wyraźne przyśpieszenie narastania ciśnienia w warstwie, w momencie opuszczania jej przez strefę przewilżenia. Wartości maksymalne ciśnienia zarejestrowano poza przystankiem temperatury w strefie masy suchej, przed powierzchnią parowania. Natomiast wzrost wilgotności masy w warstwie występuje na początku przystanku temperatury i tworzenia się strefy przewilżenia. Powyższe spostrzeżenia były opisywane dość licznie w literaturze fachowej w większości przypadków w formie hipotez, bądź konkretnych wniosków z badań, w których warunki przeprowadzanych eksperymentów znacznie odbiegały od warunków rzeczywistych jakim podlega forma odlewnicza wypełniona ciekłym metalem. Opisane i zarejestrowane zjawisko transportu ciepła z wyraźnym przystankiem temperatury dla warstwy oddalonej o x = 3mm od powierzchni styku metal-forma, świadczy o dużej czułości układu rejestrującego. Wyniki badań wielu autorów dotyczące zmian temperatur dla warstw położonych na głębokościach mniejszych od 6mm a nawet do 10mm przedstawiają jedynie załamanie na krzywej w granicach 100 do 200 o C.
538 LITERATURA [1] Wolf H., Engler S., Schrey A., Wolf G.: Wärmetransport in Formen bei der Erstarrung und Abkühlung von Mittel- und Groβguβ aus Gusseisen, Giessereiforschung 54, 2002, nr 4, s. 101-113. [2] Rzeczkowski M.: Analiza zjawisk cyrkulacji wody w wilgotnych formach piaskowych pod wpływem temperatury, Zeszyty Naukowe WSInż, nr 47(monografia), Zielona Góra, 1977. [3] Orłowicz W., Borla K., Kołodziej E.: Badanie wytrzymałości bentonitowych mas formierskich na rozciąganie w strefie kondensacji, Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 25, 1995, s. 129-137. [4] Szreniawski J.: Rozkład wilgotności w piaskowej formie odlewniczej w zależności od czasu przebywania w niej metalu, Archiwum Hutnictwa PAN, Warszawa 1965, tom nr 1. [5] Szreniawski J.: Piaskowe formy odlewnicze, WNT Warszawa, 1968. [6] Schroder A., Macherauch E.: Gerat zur Messung Zugbestikeite-Temperatur und Feachtigeitsrerteilung in stimseitig auf-gereirten tongebunden Formstoffprufkorpern, Giesserei forschung, 1975, 27, nr 2, s. 69-73. [7] Pach A.: Możliwości pomiarów wilgotności mas formierskich na drodze elektrycznej, Przegląd Odlewnictwa, nr 1, 1959, s. 2-8. [8] Rzeczkowski M.: Oznaczanie wytrzymałości w strefie kondensacji, Przegląd Odlewnictwa, nr 10, 1972, s.344-347. [9] Samsonowicz Z., Rzeczkowski M.: Nowa laboratoryjna metoda badania skłonności mas formierskich do tworzenia strupów, Przegląd Odlewnictwa, nr 7-8, 1969, s. 243-246. [10] Samsonowicz Z.: Zmiany zachodzące w masie formierskiej pod wpływem wysokiej temperatury ciekłego metalu, Przegląd Odlewnictwa, nr 7, 1964, s. 193-199. [11] Samsonowicz Z.: Pomiary przepuszczalności mas formierskich w wysokich temperaturach, Zeszyty Naukowe Pol. Wrocławskiej, Mechanika IX, Nr 56, 1963, str. 93. [12] Dzwonnik I.: Właściwości mas bentonitowych w strefie kondensacji z naniesionym pyłem węglowym metodą ID, Przegląd Odlewnictwa, nr 5-6, 1981, s. 153-157. [13] Chowdiah M., P.: Die Feuchtigkeitstransportzone und ihre Bewegung in tongebundenen Formen, Giesserei, t. 58, nr 19, 1971, s. 582-590. [14] Ignaszak Z.: Właściwości termofizyczne materiałów formy w aspekcie sterowania procesem krzepnięcia odlewów, Rozprawy nr 211, Politechnika Poznańska, Poznań, 1989. [15] Ahmet Avci Von, Schröder A., Macherauch E.: Die physikalischen Vorgange beim Erhitzen tongebundener Formen, Giesserei Forschung, nr 1, 1979, s. 9-14. [16] Lisowski M.: Pomiary rezystywności i przenikalności elektrycznej dielektryków stałych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2004.
539 [17] Poźniak Sł.: Praca magisterska, Wydział Mechaniczny, Uniwersytet Zielonogórski, Zielona Góra, 2005, (maszynopis). SUMMARY SIMULTANEOUS RECORDING OF TEMPERATURE, HUMIDITY AND GAS PRESSURE IN DAMP SAND MOULDS The paper presents a method allowing a simultaneous measuring and recording of changes in temperature, humidity and pressure in any layer of a mould sheet after it has been cast with a liquid metal. The results obtained confirmed suitability of the measuring system solution characteristic for its high sensitivity to the changes of the parameters being recorded. The test showed possibility of tracing quick occurrence of thermodynamic processes connected with transport of heat and humidity also in the layers adhering to the surface of contact with the liquid metal. Recenzował Prof. Zdzisław Samsonowicz