3/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN 164-5308 PRZEPŁYW METALU PRZEZ FILTRY CERAMICZNE A. CHOJECKI, R. HAWRANEK AGH-University of Science and Technology, 30-059 Kraków, ul. Reymonta 3 STRESZCZENIE Na zimnych modelach modelowano przepływ stopów przez filtry ceramiczne. Określono stopień hamowania strugi przez filtry komórkowe i piankowe. Stwierdzono, że zmniejszenie przepływu jest niezależne od ciśnienia. Umożliwia to uogólnianie wyników uzyskanych dla jednej wysokości słupa metalu. Nie powiodła się próba modelowania procesu zatrzymywania na filtrze cząstek zawieszonych w cieczy. Wymaga to odtworzenia identycznych wielkości napięć międzyfazowych w układzie modelowym. Tworzenie się placka filtracyjnego następuje jedynie przy stężeniu zawiesiny ponad %, co daleko odbiega od średnich stężeń wtrąceń spotykanych w stopach odlewniczych. Key words: ceramic filters, modeling, running systems. 1. WSTĘP Zastosowanie filtrów ceramicznych w układach wlewowych rozpowszechniło się w ostatnich latach, przede wszystkim w wyniku zwiększającej się produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego. Proces sferoidyzacji i modyfikacji powoduje negatywne efekty w wyniku tworzenia znacznej liczby pierwotnych wtrąceń niemetalicznych. Powstające tlenki magnezu i krzemu tworzą krzemiany typu nmgo.msio, przeważnie estantyt MgO.SiO lub forsteryt MgO.SiO [1] oraz wysokotopliwe siarczki MgS. Krzemiany występują przeważnie w postaci błonek tlenkowych, przenoszonych wraz ze strugą metalu do wnęki formy. Obniża to właściwości mechaniczne a przede wszystkim plastyczne s topu. Ze względu na dużą twardość, krzemiany utrudniają obróbkę mechaniczną odlewu, obniżając możliwą szybkość skrawania, zwiększając jednocześnie zarówno ilość energii potrzebnej do skrawania jak i zużycie narzędzi skrawających.[]. W ostatnich latach obs erwuje się coraz szersze zastosowanie filtrów w produkcji żeliwa szarego i staliwa gdzie filtr uspakaja przepływ ciekłego metalu, przyczyniając się do spokojnego wypełniania 37
formy odlewniczej, minimalizując procesy erozji układu wlewowego i wnęki formy. Istnieje szereg opracowań omawiających dynamikę przepływu i filtracyjne działanie filtrów [,3,4,5,6] nie dostarczają one jednak uzasadnionych przesłanek dla doboru rodzaju filtra, sposobu umieszczenia w układzie wlewowym a przede wszystkim nie podają wielkości ani też metody obliczania strat ciśnienia przy przepływie przez układ wlewowy z filtrem. Rozpatrzmy przepływ zawiesiny, w prostokątnym układzie współrzędnych (0x 1, Ox, Ox 3 ) w punkcie M nieściśliwej cieczy, o niezmiennej lepkości. p jest ciśnieniem w punkcie M. Siły masowe związane są jedynie z grawitacją skutkiem czego ich potencjał wynosi: gz gdzie Z stanowi wysokość punktu M względem poziomej płaszczyzny odniesienia. Wówczas we wszystkich punktach cieczy składowe prędkości i ciśnienia muszą spełniać równanie ciągłości oraz równanie bilansu energii [7]: div V=0 (DV/Dt) = -grad(p+gz)+v (1) gdzie D/Dt oznacza pełną lub cząstkową pochodną: DV V V grad Dt t rotvxv i V = rot (rot V) gdzie V jest wektorem prędkości o współrzędnych V x, V y, V z. Jedyną siłą masową działającą na element cieczy jest grawitacja, stąd jej wielkość: -gz. Na zawieszoną w cieczy cząstkę obcej fazy działają siły powierzchniowe wywierane przez ciecz, określone tenzorem T o składowych : i,j = - p i,j + ui u J () x j xi gdzie ij = 1 dla i=j i ij = 0 dla i j i,j jest naprężeniem w punkcie M położonym nieskończenie blisko punktu M powierzchni cząstki. Wielkość siły działającej na powierzchnie cząstki d, ze strony cieczy: xi d. Jej składowa po osi 0x i jest równa: x i i1n1 in i3n3 gdzie n 1, n i n 3 są cosinusami normalnej n do powierzchni cząstki d. Ponadto na cząstkę działa siła masowa - mg Z g /x i oraz siła Archimedesa gvz g /x i Równanie bilansu pędu będzie zatem mieć postać: d x m dt i Z mg x g i g, i, j S n d gdzie Z g jest wysokością środka ciężkości cząstki. j S gzn d i (3) 38
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Ruch zawiesiny zawierającej N cząstek jest zatem określony przez 4+6 N równań z 4+6N niewiadomymi. Rozwiązanie takiego układu napotyka na poważne problemy dlatego wprowadza się daleko idące uproszczenia, które umożliwiają prowadzenie badań modelowych. W przypadku przepływu metalu zawierającego wtrącenia niemetaliczne, dopuszczalne jest przyjęcie, że udział cząstek jest niewielki (w rzeczywistości kilkadziesiąt do kilkuset ppm), i ich obecność nie wpływa na ruch cieczy. Wówczas możliwe jest określenie rozkładu prędkości w kanale i wyznaczenie wielkości oporów układu wlewowego z filtrem lub bez filtra, poprzez modelowanie, przy czym kryteriami podobieństwa są jedynie liczby Reynoldsa i Frouda. Wyniki modelowania mogą być stosowane dla określenia oporów przy przepływie metalu przez różne stosowane w praktyce odlewniczej filtry. Niestety zasada działania filtrów polega na tym, że na ich powierzchni dochodzi do znacznego wzrostu s tężenia zanieczyszczeń. Trajektorie cząstek odchylają się od linii prądu, skutkiem czego dochodzi do tworzenia się placka filtracyjnego a przez to zmiany geometrii układu. Utrzymanie podobieństwa modelowania procesu wymaga spełnienia równości liczb: i / i d i /d, dla wszystkich cząstek obiektu i modelu. Stężenie cząstek musi być w obu przypadkach jednakowe. W mechanizmie tworzenia warstwy osadu zwanej plackiem filtracyjnym znaczny udział biorą siły adhezji. Następuje proces koagulacji zanieczyszczeń. Te procesy są praktyczne niemożliwe do ujęcia w równaniach opisujących dynamikę przepływu dlatego konieczne jest poszukiwanie rozwiązań poprzez eksperyment. Celem pracy autorów jest przeanalizowanie w jakim stopniu filtry wpływają na zwiększenie oporów przepływu przez układ wlewowy czyli na szybkość podnoszenia metalu we wnęce formy oraz określenie, jaki winien być stosunek czynnych przekrojów, aby wpływ filtra na szybkość wypełniania formy był praktycznie pomijalny.. METODYKA BADAŃ Autorzy zdecydowali się na przeprowadzenie badań modelowych na zimnych modelach. Kryteriami podobieństwa są liczby Reynoldsa i Frouda : w. d Re = Fr = w g x d które powinny być zbliżone w przypadku obiektu i modelu. W rzeczywistości niemożliwe jest spełnienie warunku równości obu liczb kryterialnych jednocześnie. 39
Jeżeli: w 1 d 1 = w d to jeżeli w 1 w, a zatem d 1 d w1 d 1 w d Dlatego autorzy przygotowali model dla którego przy przepływie wody spełniona by ła jedynie równość liczb Reynoldsa. Model ten przedstawiono na rysunku 1. Stanowisko pomiarowe (rys.1) składa się z: formy trwałej i układu wlewowego wykonanych z przeźroczystego tworzywa sztucznego, z rdzenia z termoelemtami umieszczonego we wnęce formy oraz z rejestratora i komputera zbierającego dane. Forma zalewana była od góry z trzech różnych wysokości: h = 13, 0 i 7cm. Komora filtracyjna skonstruowana była tak, aby możliwa była zmiana filtra oraz jego przekroju. Stosunek przekrojów wlewu doprowadzającego do przekroju wlewu głównego i przekroju wlewu doprowadzającego za filtrem wynosił 1: 1,1: 1,1, przekroju roboczego filtra do przekroju wlewu przed filtrem zmieniano w zakresie od 1 do 5. Pomiar polegał na rejestrowaniu szybkości podnoszenia się lus tra cieczy w formie przy pomocy termoelementów umieszczonych w rdzeniu na zadanej wysokości. Do badań użyto filtrów ceramicznych: prasowanych (komórkowych) o oczkach kwadratowych 1,5 i,mm, labiryntowych oraz piankowych 10ppi i 0ppi o wymiarach 50x50x0 [mm]. Rys. 1 Stanowisko badawcze: a) schemat stanowiska z układem pomiarowym; b) fotografia stanowiska. Fig. 1. Test stand. a) scheme of stand with measuring device, b) photography of the teste device. 3. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Zmierzony czas zalewania objętości przepływającej przez belkę wlewową o danym przekroju pozwalał wyznaczyć średnią prędkość przepływu cieczy: V rzecz. Prędkość teoretyczną wyznaczono z wzoru Torricellego: V teor gh (1) 40
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Porównanie prędkości teoretycznej z prędkością rzeczywistą pozwala wyznaczyć współczynnik sprawności badanego układu wlewowego: V rzeczywiste Na podstawie zmierzonych wartości rzeczywistych przepływów wyliczono wielkości strat przepływu ujęte współczynnikiem. Zestawiono je w tablicy 1. Rysunek przedstawia przykładowo prędkość przepływu cieczy w przypadku zastosowania różnych filtrów dla wysokości zalewania 7 cm. Zestawienie wyników podano w tablicy 1. Straty powodowane przez sam układ komora-filtr (dla danego przekroju) wyliczono z porównania szybkości przepływu przez system z zamontowanym filtrem V rzeczf z szybkością przepływu przez pusta komorę bez filtra V rzeczp. Rzeczywista prędkość wypływu cieczy modelowej w układzie wlewowym z filtrem jest pomniejszona o dodatkowe opory: Vrzecz. P 0. ghśr V gh rzeczf V calk teor. V V śr rzeczywiste teor. () V gh rzeczf (4) 0 f śr Tablica 1. Wpływ rodzaju filtra oraz współczynnika rozszerzenia komory filtracyjnej K na wielkość strat przepływu. Table 1. Influence of the filter and enlarging of filter chamber K on the fluid flow reduction coefficient. Rodzaj filtra Stosunek przekroju filtra do przekroju wlewu doprowadzającego K=1 K=5 Wysokość wlewu w cm 13 0 7 13 0 7 0,54 0,69 051 0,915 0,910 0,87 Piankowy 0 ppi Piankowy 10 0,90 0,94 0,300 0,915 0,910 0,911 ppi komórkowy 0,470 0,490 0,46 0,96 0,974 0,959 (sitkowy) 1,5 mm komórkowy 0,487 0,50 0,499 0,996 0,998 0,951 (sitkowy), mm 41
Prędkość przepływu [cm/s] Uzyskane wyniki pozwalają na stwierdzenie, że filtr powoduje znaczne zwiększenie oporów przepływu strugi przez układ wlewowy. Opory te zależą przede wszystkim od geometrii komory filtra, charakteryzowanej przez stosunek przekroju komory do przekroju wlewu w którym ten filtr jest umieszczony. Jeżeli stosunek ten przekroczy wartość 4 5 opory ulegają stabilizacji. Wynik ten potwierdza praktyczne doświadczenie wielu autorów, że optymalny stosunek przekroju filtra do przekroju wlewu winien wynosić około 5. Nie zauważono natomiast wpływu energii kinetycznej, a zatem w praktyce wysokości wlewu głównego i gęstości metalu. Wynik taki był oczekiwany, jest on bowiem zgodny z wynikami analizy teoretycznej i potwierdza tym samym możliwość badania oporów filtra na zimnych układach modelowych. Analiza danych podanych w tablicy 1 wskazuje, że największe straty przepływu występują przy zastosowaniu filtra piankowego 0 ppm, najmniejsze zaś przy filtrach komórkowych. Różny współczynnik oporu powoduje, że dla utrzymania żądanego i uzasadnionego technologicznie czasu zalewania odlewu, konieczne staje się powiększenie wymiarów układów wlewowych, zależnie od rodzaju stosowanego filtra. W uzupełnieniu badań, autorzy podjęli próbę modelowania zjawiska filtracji cieczy przy przepływie przez filtry ceramiczne. Do wody wprowadzono 1% masowy bentonitu GECO. Stwierdzono, że żaden z zastosowanych filtrów nie zatrzymuje cząstek. niesionych przez strugę. Nie dochodzi do tworzenia placka filtracyjnego. Badania powtórzono z zastosowaniem trocin dębowych o wielkości cząstek poniżej 00 m 180,00 160,00 140,00 10,00 100,00 80,00 60,00 Pusta komora F.p ia n k. 0 p p i F.p ia n k.1 0 p p i F.p ra so w a n y1,5 F.p ra so w a n y, F. w ytła cza n y 40,00 0,00 0,00 0 1 3 4 5 6 Stopień rozszerzenia komory filtra K Rys.. Wpływ rodzaju filtra i stopnia rozszerzenia komory filtra K na szybkość przepływu Fig.. Influence of the filter and enlarging of filter chamber K on the reduction of the liquid flow [cm/s]. 4
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Również w tym przypadku wynik był negatywny. Filtracja rozpoczynała się dopiero po wprowadzeniu powyżej % masowych trocin. Wyniki te można wyjaśnić dobrą zwilżalnością wprowadzanych do cieczy zanieczyszczeń. Potwierdzają one, że zatrzymywanie cząstek o wymiarach mniejszych niż oczka filtra możliwe jest jedynie w warunkach bardzo ograniczonej zwilżalności. Podkreślają, że warunkiem skuteczności działania jest dostosowanie materiału filtra zarówno do rodzaju filtrowanego metalu jak i zawartych w nim wtrąceń niemetalicznych. 4. WNIOSKI Przeprowadzone badania wykazały, że straty prędkości a zatem ciśnienia wywołane przez filtr ceramiczny zależą przede wszystkim od rodzaju filtra. Filtr komórkowy powoduje mniejsze straty niż piankowe, szczególnie 0ppi. Drugim istotnym czynnikiem jest stosunek powierzchni filtra do powierzchni przekroju kanału. Opór maleje ze wzrostem tego stosunku i stabilizuje się dopiero dla wartości około 5. Wyjaśnia to przyjętą praktykę odlewniczą przyjmowania stopnia rozszerzenia komory filtracyjnej w zakresie 4 do 6. Potwierdzono przydatność modelowania przepływu przy zastosowaniu zimnych modeli. Modelowanie zjawiska zatrzymywania cząstek niemetalicznych przy przepływie przez filtr wymaga odtworzenia w modelu podobieństwa zjawisk powierzchniowych co napotyka na istotne problemy. LITERATURA [1] Staronka A., Holzer M., Piekarska M., Podstawy fizykochemii procesów metalurgicznych i odlewniczych. Skrypt, Wyd. AGH nr 18, Kraków 1991. [] Bechny L., Vrabel S. : Filtracja materialov na odlitky. Wyd. Zilinska Universita, Zilina 000. [3] Taylor K.C., Baier A., Ciesielski B. : Przegląd Odlewnictwa 003, nr, s. 44-49. Pischel R.P.: Foundry Management & Technology 003, nr 4, s. 4-3. [4] Yang Y., Maeda Y., Nomura H. Takita M.: Int. J. Cast Metals Res. 1997, v.10, pp 165-170. [5] Yang Y., Nomura H., Takita M.: Int. J. Cast Metals Res. 1996, v.9, pp 165-170 [6] Fortier A.: Mechanique des suspensions. Wyd. Masson, Paris 1967. 43
SUMMARY FLOW OF THE METAL THROUGH THE CERAMIC FILTERS The flow of liquid metal through the ceramic filters has been studied using the simulation. The water was used as a modelling liquid. It was found that the reduction of the flow depends on the filter kind and the enlarging of filter chamber. The coefficient of the flow reduction for the foam and extruded filters has been evaluated. Badania zrealizowano w ramach pracy statutowej 11.11.170.47, finansowanej przez Ministerstwo Nauki I Informatyzacji. Recenzował: prof. dr hab. inż. Edward Guzik 44