10/12 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2004, Rocznik 4, Nr 12 Archives of Foundry Year 2004, Volume 4, Book 12 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 PROBLEMATYKA POMIARU TEMPERATURY W UKŁADZIE ODLEW-FORMA STRESZCZENIE J. MUTWIL 1 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego 65-546 Zielona Góra, ul. Szafrana 4. Omówiono zagadnienie precyzyjnego instalowania termoelementów o małej bezwładności w piaskowych i metalowych formach odlewniczych. Przedstawiono przykładowy pomiar temperatury w układzie odlew-forma piaskowa. Key words: heat transfer, casting- mould system, thermal field 1. WPROWADZENIE Pomiary temperatury w układzie odlew-forma z uwagi na panujące warunki termiczne i fizyczne realizowane są praktycznie wyłącznie za pomocą termoelementów. Aby ograniczyć wpływ termoelementu na pole temperatury układu powinno się przestrzegać regułę wprowadzania czujników równolegle do izoterm [2]. Wprowadzenie termoelementów prostopadle do izoterm będzie powodowało tym większy błąd pomiaru im mniejsza będzie przewodność badanego ciała i głębokość usytuowania spoiny p o- miarowej, a większa średnica termoelektrod [2]. Pomiary temperatury w układzie o d- lew-forma można podzielić na kontrolne i modelowe. W pomiarach kontrolnych oc e- niamy poprawność przebiegu procesu technologicznego na podstawie wystąpienia oczekiwanych temperatur w wybranych punktach kontrolnych. W badaniach modelowych dokonujemy pomiaru temperatury w wybranych punktach geometrycznie prost e- go układu modelowego, by na tej podstawie ocenić np. wartość parametró w termofizycznych układu. W pomiarach kontrolnych geometria układu jest narzucona i zazwyczaj złożona, w badaniach modelowych geometrię układu kształtujemy tak, aby można było sprowadzić zagadnienie do analizy jedno- lub dwuwymiarowego przepływu ciepła. Błąd oszacowania temperatury w układzie nie musi wynikać tylko z zaburzenia przez 1 dr hab. inż., prof. UZ, j.mutwil@iipm.uz.zgora.pl
czujnik rzeczywistego pola temperatury, często bowiem większe błędy wynikają z małej precyzji pozycjonowania spoin pomiarowych w założonych miejscach układu. Chcąc na przykład w badaniach modelowych wprowadzić wzdłuż izoterm termoelementy płaszczowe do odprowadzającej ciepło jedynie promieniowo ścianki metalowej formy cylindrycznej (odlew walca nieskończonego), zmuszeni jesteśmy do precyzyjn e- go wykonania w niej głębokich otworów o małej średnicy. Podobny problem musimy rozwiązać w przypadku formy piaskowej, choć tu dodatkowo można próbować instalować termoelementy na etapie jej zagęszczania [1, 3]. W badaniach modelowych bardzo istotnym parametrem jest temperatura panująca na granicy odlew-forma, a właściwie różniące się najczęściej między sobą temperatury: powierzchni odlewu i wewnętrznej powierzchni formy. Pomiar temperatury powierzchni ciał stałych za pomocą termoelementów zaliczano zawsze do zadań szczególnie trudnych [2], nawet jeśli dostęp do powierzchni był nieograniczony. Tym trudniejszym wydaje się pomiar temperatury powierzchni odlewu bądź formy i trudno jest znaleźć w literaturze opisy nie budzących zastrzeżeń pomiarów bezpośrednich. Najczęściej temperaturę powierzchni odlewu lub formy wyznacza się więc analitycznie [3, 4] bądź numerycznie [1] na podstawie zmierzonej lub obliczonej temperatury wewnątrz tych ośrodków. Autor niniejszej pracy próbował zbudować instalacje doświadczalne do modelowych badań wymiany ciepła w układzie odlew-forma piaskowa oraz odlew-forma metalowa. W obu przypadkach pomiar temperatury w odlewie i formie odbywał się za pomocą termoelementów wprowadzanych równolegle do izoterm. Na rzecz form piaskowych opracowano [3] sposób wykonywania sześciennych kostek z badanej masy, w których instalowano cztery termoelementy już na etapie ich zagęszczania (rys. 2a). Termoelementy typu K wykonywano z drutu 0.3 mm, a ich spoiny pomiarowe odległe były od powierzchni kostki odpowiednio o 2, 4, 6, 8 mm. Tak przygotowane kostki instalowano następnie we wnęce formy testowej tak, aby odtwarzały fragment ścianki formy do odlewania płyty pion o- wej. Aczkolwiek badania wstępne potwierdziły poprawność techniki formowania kostki wraz z termoelementami, to zastosowanie proponowanej koncepcji do większej serii badań okazało się problematyczne. Operacja przygotowania formy testowej o takim samym jak kostka stopniu zagęszczenia, a następnie umieszczenie w niej przygotowanej kostki oraz podłączenie do końcówek termoelementów przewodów kompensacyjnych okazały się zbyt czasochłonne. Ponieważ w badaniach modelowych cała forma powinna być wykonana z identycznej, świeżej masy badania te powodowały też duże jej zużycie. Do badań w formach metalowych przygotowano cylindryczne kokile d o odlewania walców 40, 34, 28 mm [4]. W każdej kokili wykonano otwory 1.2 mm do wprowadzania termoelementów płaszczowych mierzących temperaturę ścianki. Osie czterech otworów były równoległe do osi walca i odległe od wewnętrznej powierzchni formy odpowiednio o 2.5; 4.5; 6.5; 8.5 mm. W połowie wysokości ścianki formy nawiercono promieniowo również cztery otwory poziome, których dna odległe były od wewnętrznej powierzchni formy, jak osie otworów pionowych. Takie rozwiązanie miało pozwolić ocenić wpływ sposobu wprowadzania termoelementów na wskazania 88
ARCHIWUM ODLEWNICTWA temperatury, bo w warunkach przemysłowych w wielu przypadkach zmuszeni jesteśmy do szacowania wartości temperatury mierzonej termoelementami wprowadzanymi prostopadle do izoterm. Przeprowadzone badania nie pozwoliły na ustalenie żadnych prawidłowości, co tłumaczono tym, że otwory poziome i pionowe wykonano w dwu ró ż- nych połówkach formy [4]. Poniżej opisano koncepcje nowych stanowisk do modelowych badań wymiany ciepła w układzie odlew-forma. 2. OPIS NOWYCH STANOWISK BADAWCZYCH W dążeniu do wyeliminowania wymienionych wyżej mankamentów wcześniejszej wersji stanowiska do badania wymiany ciepła w układzie odlew-forma piaskowa przyjęto, że ta ostatnia powinna być monolityczną formą cylindryczną do odlewania walca, która po ustawieniu na ceramicznej cegle izolacyjnej i wprowadzeniu od góry termoelementów byłaby gotowa do zalania ciekłym metalem (rys. 2b). a) b) c) Rys. 1. Stanowisko do przygotowania cylindrycznych form piaskowych: a) urządzenie do zagęszczania form metodą prasowania; b) widok urządzenia po demontażu zespołu prasującego i wykonaniu otworów na termoelementy; c) przygotowana forma do badań Fig. 1. Stand for preparation of cylindrical sand moulds: a) equipment for mould ramming with press method; b) view of arrangement after disassembly of press unit and carrying out of holes for thermocouples installing; c) mould prepared for examination 89
Forma zagęszczana jest poprzez prasowanie (rys. 1a) z pewnym naddatkiem wysokości. Po zdemontowaniu zespołu prasującego i usunięciu nadstawki (pierścień powyżej strzałki) usuwana jest naddatkowa warstwa masy. W kolejnym kroku w miejsce usuniętej nadstawki zakładana jest pokrywa posiadająca otwór spasowany suwliwie z wystającym (rys. 1b) z masy metalowym rdzeniem. Pokrywa ma grubość 16 mm i nawiercone przelotowe otwory 1.2 mm. Wprowadzając w otwory te spasowany z nimi suwliwie i wykonany z ulepszonej cieplnie stali WCL nakłuwak, wykonać można w formie otwory do izotermicznego wprowadzania termoelementów płaszczowych. Rysunek 1b pokazuje stanowisko po nakłuciu otworów i zdjęciu pokrywy, a 1c gotową formę wyjętą z urządzenia. W wersji podstawowej techniką tą wykonywać można formy o wymiarze 90* 30*60 mm i otworach na termoelementy o osiach oddalonych od powierzchni formy o 3, 6, 9, 12, 18, 24 mm. Otwory nakłuwane są do połowy wysokości formy. a) b) Rys. 2. Elementy piaskowych form testowych: a) kostka sześcienna wraz z termoelementami; b) forma cylindryczna wraz z termoelementami.fig. 2. Components of sand test moulds: a) cubical sand block with thermocouples; b) cylindrical sand mould with thermocouples 90
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys. 3. Cylindryczna forma metalowa Fig. 3. Cylindrical metal mould Na rysunku 3 przedstawiono nową wersję formy metalowej, która w odróżnieniu od wcześniejszego rozwiązania [4] jest dwusegmentowa. Dzielony segment dolny służy jedynie do podwojenia wysokości odlewu. Wykonane elektrodrążeniem otwory 1.2 mm do wprowadzania termoelementów występują natomiast w dzielonym segmencie górnym. W odróżnieniu od wcześniejszego rozwiązania zarówno otwory pionowe, jak i poziome wykonano w tej samej połówce dzielonej tulei (osie otworów pionowych i dna otworów poziomych są odległe o 1.5, 3, 5, 7, 12 mm od powierzchni wewnętrznej formy). Kolejną różnicę stanowi identyczny jak dla formy piaskowej (rys. 2b) sposób (od góry) wprowadzania termoelementów do pomiaru temperatury odlewu. Zmniejsza to ilość osiowo odprowadzanego ciepła z odlewu, szczególnie gdy kokila ustawiana jest na ceramicznej podkładce izolacyjnej. Na rysunku 4 pokazano przykład zarejestrowanych temperatur w eksperymencie, w którym silumin AK11 zalano do piaskowej formy przedstawionej na rysunku 2b. 91
Rys. 4. Temperatury odlewu (T1-T3) i ścianki (rys. 2b) cylindrycznej formy piaskowej (T4-T9); materiał odlewu: silumin AK11; materiał formy: wilgotna (3.5%) bentonitowa masa formierska Fig. 4. Temperatures of casting (T1-T3) and wall (fig. 2b) of cylindrical sand mould (T4-T9); casting material: silumin AK11; mould material: green (3.5%) sand Formę wykonano z wilgotnej (3.5%) masy bentonitowej bez pyłu węglowego. Zmierzone w odlewie temperatury praktycznie się pokrywają, mimo że temperatura T1 mierzona była w osi walca, T3 przy ściance, a T2 w połowie promienia (7. 5 mm). Istotnie się różniły natomiast temperatury T4-T9 zmierzone w ściance formy (odległość termoelementów od wewnętrznej powierzchni formy, odpowiednio: 3, 6, 9, 12, 18, 24 mm). Na krzywych temperatury ścianki formy dobrze uwidocznił się efekt przemieszczania się strefy przewilżonej. Widoczna na rysunku pochodna temperatury po czasie odp owiada temperaturze w osi odlewu. 92
ARCHIWUM ODLEWNICTWA 3. PODSUMOWANIE Przedstawione w pracy propozycje stanowisk do badania wymiany ciepła w układzie odlew- forma stanowią modyfikację wcześniejszych rozwiązań autora. Do badań z udziałem form piaskowych stworzono oprzyrządowanie pozwalające metodą prasowania wykonywać gotowe formy cylindryczne dla odlewu testowego w formie walca. Termoelementy płaszczowe małej bezwładności do pomiaru temperatury ścianki formy instalowane są w precyzyjnie nakłuwanych pionowych otworach 1.2 mm. Cylindryczna forma testowa ustawiana jest na izolacyjnej podkładce ceramicznej, a termoelementy płaszczowe do pomiaru temperatury metalu wprowadzane są od góry, co istotnie ogranicza ilość ciepła odprowadzanego osiowo z odlewu. Podobne rozwiązania zastosowano na stanowisku z formami metalowymi, wprowadzając jednak dodatkowe otwory do instalowania termoelementów usytuowanych prostopadle do izoterm, co pozwoli ocenić wpływ sposobu instalowania termoelementów w kokilach na wskazania temperatury. LITERATURA [1] Ignaszak Z.: Virtual Prototyping w Odlewnictwie Bazy danych i walidacja, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2002. [2] Michalski L., Eckersdorf K.: Pomiary temperatury, WNT, Warszawa (1986) [3] Mutwil J.: Badania wymiany ciepła w układzie odlew-forma piaskowa, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2003., vol. 23, nr 1, s. 93-104. [4] Mutwil J.: Stanowisko do badania wymiany ciepła w układzie odlew-forma metalowa, Archiwum Odlewnictwa, 2003., vol. 3, nr 10, s. 45-52. 93
PROBLEMS OF TEMPERATURE MEASUREMENTS IN CASTING-MOULD SYSTEM SUMMARY A problem of accurate installing of the low thermal inertia thermocouples in sand and metal moulds has been discussed. Exemplary measurement of temperature in casting-sand mould system has been presented. Recenzował: prof. dr hab. inż. Andrzej Jopkiewicz 94