- Archives of Foundry Engineering

Archives of Foundry,
Year 2006, Volume 6, № 22
Archiwum Odlewnictwa,
Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22
PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308
72/22
JEDNOCZESNA REJESTRACJA TEMPERATURY,
WILGOTNOŚCI I CIŚNIENIA GAZÓW
W WILGOTNYCH FORMACH PIASKOWYCH
T. SZMIGIELSKI1
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., [email protected]
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 T1 w górnej części wykresu – rys. 2).
Temperaturę zalewania ustalono na 750oC.
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/m3.
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/m3.
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 100oC,
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 ) = 121,4oC.
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/m3, b). 1500 kg/m3 .
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/m3, b). 1500 kg/m3 .
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/m3.
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) = 170,3oC.
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 200oC.
538
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
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.
Rzeczkowski M.: Analiza zjawisk cyrkulacji wody w wilgotnych formach
piaskowych pod wpływem temperatury, Zeszyty Naukowe WSInż, nr
47(monografia), Zielona Góra, 1977.
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.
Szreniawski J.: Rozkład wilgotności w piaskowej formie odlewniczej w
zależności od czasu przebywania w niej metalu, Archiwum Hutnictwa PAN,
Warszawa 1965, tom nr 1.
Szreniawski J.: Piaskowe formy odlewnicze, WNT Warszawa, 1968.
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.
Pach A.: Możliwości pomiarów wilgotności mas formierskich na drodze
elektrycznej, Przegląd Odlewnictwa, nr 1, 1959, s. 2-8.
Rzeczkowski M.: Oznaczanie wytrzymałości w strefie kondensacji, Przegląd
Odlewnictwa, nr 10, 1972, s.344-347.
Samsonowicz Z., Rzeczkowski M.: Nowa laboratoryjna metoda badania
skłonności mas formierskich do tworzenia strupów, Przegląd Odlewnictwa, nr 78, 1969, s. 243-246.
Samsonowicz Z.: Zmiany zachodzące w masie formierskiej pod wpływem
wysokiej temperatury ciekłego metalu, Przegląd Odlewnictwa, nr 7, 1964, s. 193199.
Samsonowicz Z.: Pomiary przepuszczalności mas formierskich w wysokich
temperaturach, Zeszyty Naukowe Pol. Wrocławskiej, Mechanika IX, Nr 56,
1963, str. 93.
Dzwonnik I.: Właściwości mas bentonitowych w strefie kondensacji z
naniesionym pyłem węglowym metodą ID, Przegląd Odlewnictwa, nr 5-6, 1981,
s. 153-157.
Chowdiah M., P.: Die Feuchtigkeitstransportzone und ihre Bewegung in
tongebundenen Formen, Giesserei, t. 58, nr 19, 1971, s. 582-590.
Ignaszak Z.: Właściwości termofizyczne materiałów formy w aspekcie
sterowania procesem krzepnięcia odlewów, Rozprawy nr 211, Politechnika
Poznańska, Poznań, 1989.
Ahmet Avci Von, Schröder A., Macherauch E.: Die physikalischen Vorgange
beim Erhitzen tongebundener Formen, Giesserei Forschung, nr 1, 1979, s. 9-14.
Lisowski M.: Pomiary rezystywności i przenikalności elektrycznej dielektryków
stałych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2004.
539
[17]
Poźniak Sł.: Praca magisterska, Wydział Mechaniczny,
Zielonogórski, Zielona Góra, 2005, (maszynopis).
Uniwersytet
SIMULTANEOUS RECORDING OF TEMPERATURE, HUMIDITY
AND GAS PRESSURE IN DAMP SAND MOULDS
SUMMARY
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