Geum.ru

И. О. Шинский, к т. н., В. С. Дорошенко, к т. н., О. И. Шинский, д т. н., И. Т. Соловко, инж

Вид материалаДокументы

Содержание


Qп= Qэ+ Qр, (4)
Т) ВТ на время формирования пеномодели (
Т) на время спекания моделей (
Подобный материал:
Технология получения литейных пеномоделей с использованием электрического поля высоких частот и жидких теплоносителей


И. О. Шинский, к.т.н., В.С. Дорошенко, к.т.н., О.И. Шинский, д.т.н., И.Т. Соловко, инж.


Рассмотрен способ литья по газифицируемым моделям. Представлены результаты исследований по вспениванию полистирола, в электрическом поле высоких частот. Изучено влияние параметров вспенивания на плотность гранул полистирола, что дает возможность проследить механизм воздействия ТВЧ на процесс вспенивания. Предложенный метод вспенивания полистирола в жидких теплоносителях сокращает время спекания полистироловых моделей в 1,2-1,6 раза по сравнению с автоклавным методом.


Lost-foam process (Evaporative patter casting) is method of castings production in present time. Polystyrenes’ pre-expansion experimental data have been shown using high frequency electric filed. It was studied influence of pre-expansion parameters on polystyrenes’ granules density that gives possibility influence mechanism of high-frequency currents oh pre-expansion process. A method of polystyrene pre-expanding in liquid heat-carriers have been developed, which allows to cut expanding time of polystyrene models in 1,2-1,6 times.


Важнейшей задачей современного производства является ускоренная переориентация его на выпуск новых изделий, удовлетворение современных требований, предъявляемых к качеству продукции, экономии материальных и топливно-энергетических ресурсов, экологической безопасности производств и технологических процессов.

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что успешное решение этой задачи в области литейного производства достигается путем широкого использования в литейной практике прогрессивных методов получения точных литых заготовок с физико-химическими методами упрочнения формы, к которым относятся все разновидности литья по газифицируемым моделям (ЛГМ).

Использование технологий ЛГМ дает возможность сократить расходы шихтовых материалов и энергоносителей на 20-40 %, формовочных и стержневых материалов - на 90-95 % за счет повторного их использования и исключить такие трудоемкие экологически безопасные процессы, как подготовка и транспортировка смесей, изготовление форм и стержней, существенно сократить объем финишных операций по сравнению с современными методами литья в песчаные формы [1, 2]. При использовании ЛГМ одновременно можно снизить массу отливок на 20-30 % и повысить выход годного до 90-95 % [3, 4].

От качества пенополистироловых моделей (ПМ), которые используют в ЛГМ, зависят размерная точность и шероховатость отливок, а состав продуктов термодеструкции пенополистирола влияет на физико-механические и потребительские характеристики литых деталей. Поэтому большое внимание направлено на изготовление ПМ высокого качества с минимальными энергетическими затратами.

Традиционно технологический процесс получения таких моделей состоит из следующих стадий: вспенивание, вылеживание на воздухе и спекание гранул в пресс-форме, охлаждение ПМ и последующее вылеживание их (стабилизация) [5, 6].

Цикл изготовления моделей автоклавным способом определяется суммарным временем продолжительности подготовительных и рабочих операций:


tц = tвсп + tвыл + tсп + tохл + tстаб, (1)

где tвсп – время вспенивания гранул;

tвыл – время вылеживания гранул;

tсп – время спекания гранул в пресс-форме;

tохл – время охлаждения пресс-формы;

tстаб – время стабилизации.


Процессы предварительного теплового вспенивания гранул и их спекания в пресс-форме традиционно проводят на специальных установках автоклавным методом или методом теплового удара (в среде пара, над кипящей водой (Т=90-95 оС) или перегретым паром (Т=110-125 оС)) [1, 3]. Но эти методы имеют ряд недостатков: значительная продолжительность процесса, необходимость сушки гранул и деталей после формирования из-за содержания влаги (tвыл, tстаб) и др. Время спекания моделей при использовании подогретой воды в качестве теплоносителя превышает 15-20 мин, что затрудняет использовать данный метод для массового производства. Автоклавный метод изготовления пеномоделей путем передачи теплоты теплопроводностью через стенки пресс-формы широко используют в многономенклатурном производстве литых заготовок, но по продуктивности он также не соответствует современным требованиям крупносерийного и массового производств отливок по газифицируемым моделям.

Поэтому актуальными являются исследования новых методов получения пеномоделей для многономенклатурного производства, которые могут существенно сократить технологический цикл спекания моделей, а также существенно упростить и повысить продуктивность их получения.

Одними из таких направлений могут быть внедрения в ЛГМ получение ПМ в токах высоких частот (ТВЧ) и жидких высокотемпературных теплоносителях (ВТ) с более высокой теплоемкостью и температурой, которая превышает температуру перегретого пара. Высокочастотный нагрев позволяет значительно сократить продолжительность подвспенивания полистирола и изготовление деталей из него за счет сокращения времени предварительного вспенивания гранул и исключения стадии их сушки, а жидкие высокотемпературные теплоносители позволяют значительно сократить изготовление моделей из пенополистирола за счет высокой теплоемкости ВТ.

В данной работе предложен на основании проведенных исследований технологический процесс изготовления пеномоделей, который в себя включает подвспенивание полистирола в электрическом поле высоких частот и изготовление моделей из этого пенополистирола в жидких высокотемпературных теплоносителях органической природы.

Механизм работы оборудования с ТВЧ происходит по такому принципу. Нагрев материалов в электрическом поле высоких частот осуществляется за счет преобразования энергии электромагнитного поля в тепловую энергию. Выделения тепла непосредственно во всем объеме материала способствует интенсивному испарению влаги внутри его. Гидродинамическое сопротивление скелета материала препятствует выходу пара, в результате чего в нагреваемом материале создается значительное избыточное давление, релаксация которого усложняет механизм переноса влаги. Электрофизические характеристики материала также изменяются в процессе нагрева. Таким образом, высокочастотный нагрев влажных материалов является сложным процессом, включающим в себя тепловые, электрические и гидродинамические явления.

Поскольку в литературе почти не описано влияние ТВЧ на полистирол, то в данной работе исследованы закономерности влияния на процесс предварительного вспенивания полистироловых гранул таких параметров как их влажность u (%), мощность ТВЧ P (кВт), время вспенивания tв (мин) на плотность ρ (г/см3) и коэффициент вспенивания Kвс, установлены закономерности влияния ВТ (Т > 120 оС) на формирование пенополистироловых моделей в пресс-формах из алюминиевых сплавов типа Д16Т, В95.

Для исследований был выбран полистирол NOVA CHEMIKAL (Франция) марки D833А с фракцией гранул 0,3 – 0,5мм. Процесс предварительного вспенивания полистироловых гранул производили на специальном оборудовании.


При решении задачи о нагреве решающее значение имеет вопрос о количественном выражении внутренних источников тепла, которое можно определить из соотношения:


W = 4,734∙10-7ε tg δ f E2м ккал/м3 час, (2)


где f – частота (мггц); Eм – напряженность электрического поля в материале (в/м); ε- диэлектрическая проницаемость; tg δ – тангенс угла потерь [7].

Отсюда видно, что мощность внутренних источников тепла зависит от параметров электромагнитного поля (f, E ) и электрофизических характеристик материала (ε, tg δ). Характеристики ε и tg δ зависят от температуры и влажности тела. Следовательно, при определенной частоте и постоянном напряжении на электродах рабочего конденсатора мощность внутренних источников тепла может быть представлена как функция переменных: температуры и влажности. Получаем W = f(t, u).

Поскольку температура тела зависит от времени нагрева и мощности электрического поля, то при исследовании изменялись влажность материала в интервале 10-50%, мощность ТВЧ – 0,1 – 0,9 кВт, время подвспенивания – 2 – 10 мин для того, чтобы определить оптимальные режимы подвспенивания полистирола.

Для этого контейнер 1, заполненный гранулами полистирола, помещали в поле высокочастотного нагрева 2, степень нагрева гранул в котором зависит от диэлектрической проницаемости материала, с помощью регуляторов 3 и 4 изменяли мощность и время. Энергия поля ТВЧ вследствие диэлектрических потерь превращается в теплоту [8]. Поскольку полистирол, имея низкое значение тангенса угла диэлектрических потерь, в поле высокой частоты не нагревается, то практически не происходит процесс вспенивания сухих гранул. Для повышения величины диэлектрических потерь делали предварительную обработку гранул электролитом, в качестве которого использовалась техническая вода. В результате такой обработки гранулы пенополистирола покрывались тонкой пленкой воды, причем необходимо было, чтобы она равномерно обволакивала все гранулы. Тонкий слой воды под воздействием ТВЧ нагревался и передавал свое тепло гранулам, в результате происходило их расширение и вспенивание по всему объему, что позволило получить гранулы с равномерной плотностью [8, 9].

После каждого вспенивания при заданных условиях плотность ρ подвспененных гранулах определяли путем взвешивания 100 см3 гранул на аналитических весах с ценой деления ±0,001 г и последующего расчета по формуле:


ρ=, (3)


где М – масса гранул, г;

V – объем гранул, см3.

Объем гранул измеряли с помощью мерного цилиндра ГОСТ 1440-74 Е.

В отличие от других способов, при получении подвспененого пенополистирола в электрическом поле высокой частоты вода испаряется, и гранулы получаются практически сухими, что позволяет исключить стадию вылеживания гранул.

Полученные данные эксперимента, а именно Vп – объем гранул перед вспениванием (для всех опытов Vп = 10 мл); Vк – объем гранул после вспенивания; u – влажность гранул; P – мощность высокочастотного нагрева; Kвс – коэффициент вспенивания; tв - время вспенивания; mк – масса после вспенивания; r - плотность гранул после вспенивания, были обработаны и выбраны наиболее оптимальные режимы вспенивания, при которых получается наименьшая плотность гранул, а именно, при ρ = 0,028 необходимо tв =10 мин, Р = 0,6 – 0,8 при u= 30– 50% (см. табл.1, 2, 3).


Таблица 1 – Исходящие и полученные параметры при вспенивании в ТВЧ при const u=30%, Vп = 10 мл.

№
P, кВт
τв, мин
Vк, мл
mк, г
ρ, г/см3
Kвс



№
P, кВт
τв, мин
Vк, мл
mк, г
ρ, г/см3
Kвс

1.
0,4
10
120
5,07
0,042
12
13.
0,7
10
140
5,71
0,04
14

2.
0,4
7
130
5,49
0,042
13
14.
0,7
7
130
5,37
0,041
13

3.
0,4
5
115
4,51
0,039
11,5
15.
0,7
5
130
4,09
0,031
13

4.
0,4
2
110
5,24
0,047
11
16.
0,7
2
120
6,15
0,051
12

5.
0,5
10
150
6,03
0,04
15
17.
0,8
10
140
3,93
0,028
14

6.
0,5
7
150
5,14
0,034
15
18.
0,8
7
140
4,72
0,033
14

7.
0,5
5
150
5,28
0,035
15
19.
0,8
5
120
5,14
0,042
12

8.
0,5
2
130
5,25
0,04
13
20.
0,8
2
120
5,27
0,044
12

9.
0,6
10
130
6,59
0,05
13
21.
0,9
10
150
4,86
0,032
15

10.
0,6
7
120
4,87
0,04
12
22.
0,9
7
140
6,19
0,044
14

11.
0,6
5
120
4,33
0,036
12
23.
0,9
5
130
5,71
0,044
13

12.
0,6
2
100
5,46
0,054
10
24.
0,9
2
130
5,08
0,039
13



Таблица 2 – Исходящие и полученные параметры при вспенивании в ТВЧ при const u=40%, Vп = 10 мл.

№
P, кВт
τв, мин
Vк, мл
mк, г
ρ, г/см3
Kвс



№
P, кВт
τв, мин
Vк, мл
mк, г
ρ, г/см3
Kвс

1.
0,2
10
120
4,61
0,038
12
17.
0,6
10
150
5,06
0,033
15

2.
0,2
7
115
4,04
0,035
11,5
18.
0,6
7
120
3,9
0,032
12

3.
0,2
5
110
4,04
0,036
11
19.
0,6
5
80
5,26
0,065
8

4.
0,2
2
100
5,16
0,051
10
20.
0,6
2
50
4,43
0,088
5

5.
0,3
10
130
5,49
0,04
13
21.
0,7
10
90
6,46
0,071
9

6.
0,3
7
130
6,65
0,051
13
22.
0,7
7
130
5,96
0,045
13

7.
0,3
5
120
5,33
0,044
12
23.
0,7
5
130
6,32
0,048
13

8.
0,3
2
100
7,03
0,0703
10
24.
0,7
2
120
8,15
0,067
12

9.
0,4
10
140
4,96
0,035
14
25.
0,8
10
130
5,66
0,043
13

10.
0,4
7
130
5,17
0,039
13
26.
0,8
7
130
6,96
0,053
12

11.
0,4
5
120
5,4
0,045
12
27.
0,8
5
140
8,68
0,062
14

12.
0,4
2
120
5,92
0,049
12
28.
0,8
2
100
8,46
0,084
10

13.
0,5
10
140
4,93
0,035
14
29.
0,9
10
140
8,69
0,062
14

14.
0,5
7
130
5,64
0,033
13
30.
0,9
7
150
8,97
0,059
15

15.
0,5
5
140
5,62
0,04
14
31.
0,9
5
150
8,15
0,054
15

16.
0,5
2
120
5,48
0,045
12
32.
0,9
2
140
9,19
0,065
14



Таблица 3 – Исходящие и полученные параметры при вспенивании в ТВЧ при const u=50%, Vп = 10 мл.

№
P, кВт
τв, мин
Vк, мл
mк, г
ρ, г/см3
Kвс



№
P, кВт
τв, мин
Vк, мл
mк, г
ρ, г/см3
Kвс

1.
0,2
10
110
9,61
0,087
11
17.
0,6
10
150
7,18
0,047
15

2.
0,2
7
150
10,4
0,069
15
18.
0,6
7
140
6,98
0,049
14

3.
0,2
5
120
9,16
0,076
12
19.
0,6
5
130
8,97
0,069
13

4.
0,2
2
80
9,13
0,114
8
20.
0,6
2
120
7,77
0,064
12

5.
0,3
10
120
6,19
0,051
12
21.
0,7
10
130
7,47
0,057
13

6.
0,3
7
130
7,26
0,055
13
22.
0,7
7
150
7,12
0,047
15

7.
0,3
5
130
7,4
0,056
13
23.
0,7
5
140
5,52
0,039
14

8.
0,3
2
120
8,02
0,066
12
24.
0,7
2
100
9,38
0,093
10

9.
0,4
10
140
6,31
0,045
14
25.
0,8
10
150
6,26
0,041
15

10.
0,4
7
130
5,4
0,041
13
26.
0,8
7
130
6,89
0,053
13

11.
0,4
5
140
6,85
0,048
14
27.
0,8
5
130
6,07
0,043
14

12.
0,4
2
130
8,56
0,065
13
28.
0,8
2
100
9,44
0,094
10

13.
0,5
10
140
6,71
0,047
14
29.
0,9
10
150
6,76
0,045
15

14.
0,5
7
140
6,94
0,049
14
30.
0,9
7
150
6,65
0,044
15

15.
0,5
5
130
6,98
0,053
13
31.
0,9
5
140
7,2
0,051
14

16.
0,5
2
120
7,73
0,064
12
32.
0,9
2
140
7,6
0,054
14



Графическая интерпретация данных, характеризующая влияние времени вспенивания (tв), мощности ТВЧ (P), влажности гранул (u) на плотность гранул.

Уменьшается плотность гранул при увеличении времени (а, б, в), а именно при повторном подвспенивании (а¢, б¢, в¢), поэтому при максимальном времени 10, 12 мин достигалась наименьшая плотность гранул.

Но на плотность гранул влияет не только время, но и мощность электрического поля (Р), где наименьшая плотность гранул получается при Р=0,6 – 0,8 кВт, что в свою очередь зависит от влажности гранул u.

Из всего сказанного можно сделать вывод, что нужно необходимое количество тепла Q для того, чтобы определенное количество объема электролита, которым обрабатываются гранулы, перешло из жидкого состояния в газообразное и через, соответственно, определенное время расширились гранулы полистирола до необходимой плотности, что можно выразить такой математической моделью:

Qп= Qэ+ Qр, (4)



где Qп – общее количество энергии;

Qэ – количество энергии необходимое для перехода электролита из жидкого в газообразное состояние;

Qр - количество тепла необходимое для расширения гранул полистирола.


Но чтобы получить гранулы с наиболее низкой плотностью от 0,01 г/см3 до 0,025 г/см3, подвспененные гранулы, полученных при выше упомянутых режимах, подвергли повторной обработке высокочастотным нагревом при увлажнении водой, а для увеличения выделения тепла, которое непосредственно влияет на размягчение гранул и их расширение, в воду добавляли 2 – 5% (по массе воды) поваренной соли. Поскольку пар образовывался на поверхности гранул и его количество было невелико, то он мог свободно удалятся по мере образования при нагреве воды, в результате происходило расширение гранул и вспенивание их по всему объему, что позволило получить гранулы с равномерной плотностью и почти сухими, аналогично работе [10].

Сравнительная характеристика подвспененных гранул из пенополистирола, полученных ТВЧ и при нагревании паром, представлена в табл. 4.


Таблица 4. Свойства пенополистирола, полученных при обработке паром и ТВЧ.


Способ обработки
Продолжительность обработки, мин
Кажущаяся плотность, г/см3
Водопоглощение, вес.%

ТВЧ
10
22,8
123,7

12
18,6
124,1

Пар
15
27,7
175,2

17
24,1
179,4



Анализ полученных результатов показал, что высокочастотный нагрев позволяет значительно сократить продолжительность вспенивания гранул, получить их равномерной плотностью и исключить стадии их сушки, в отличии от вспенивания паром.

После того, как были получены гранулы нужной плотности, их использовали для изготовления пеномоделей в высокотемпературных жидких теплоносителях.

Для этого разработали оригинальную методику исследования влияния температуры ( Т) ВТ на время формирования пеномодели (с), которая дает возможность установить оптимальные режимы спекания [11]. Суть ее состоит в следующем : спекание пенополистирола 7, который засыпали в пресс-форму либо контейнер 3, происходило в ВТ 2, который нагревали с помощью электрического нагревателя сопротивления 1 в закрывающемся контейнере 4; температуру ВТ определяли с помощью регулятора степени нагрева 6 и контролировали термопарой типа ТХА 5.

При исследовании изменяли температуру теплоносителей в интервале 110-160 оС и время спекания моделей с, одновременно определяли качество поверхности пеномоделей по методикам, изложенным в работах [2, 4].

Графическая интерпретация данных, характеризующая влияние температуры жидкого теплоносителя ( Т) на время спекания моделей (с) (по сравнению с автоклавным методом и методом теплового удара в среде пара), влияние давления водяного пара (Р) на с по классическим методам спекания моделей .


Математическая модель этих характеристик описывается уравнением

с = - 17 + 142  + 8,333  – 750 Р, (5)

где 2 - средняя толщина стенки модели, мм; - плотность модели кг/м3; Р - давление теплоносителя, МПа [4, 9].

Анализ полученных результатов исследованных процессов подвспенивание гранул и спекание моделей показал, что при использовании жидких ВТ время подвспенивания сократилось в 2-3 раза, а время спекания моделей – в 1,2-1,6 раза по сравнении с автоклавным методом. Такое сочетание двух указанных технологических операций нами предложено впервые, информации о таком суммировании операций в литературе не обнаружено. Характеристики предложеного технологического процесса получения пенополистироловых моделей по качеству соответствуют методу “теплового удара”, который используется при изготовлении пеноизделий на автоматическом оборудовании. При этом качество поверхности моделей, полученных этим методом, при визуальном сравнении было не ниже, чем у моделей, полученных автоклавным методом, и практически не отличались от качества моделей, полученных методом теплового удара.

Поскольку использовался жидкий теплоноситель органической природы, поэтому для возможной оценки влияния его на качество отливки была получена экспериментальная партия отливок из серого чугуна и стали.

На поверхности полученных отливок, а также после анализа микроструктуры их металла, не удалось обнаружить отличий от таких же отливок, полученных по моделям автоклавным способом.

Поэтому метод спекания моделей в жидких теплоносителях по показателям качества отливок сравним с методом теплового удара, а с учетом повышения производительности при изготовлении моделей рекомендован нами для использования в производстве. Для этого необходимо создать новый класс недорогого оборудования для массового производства пенополистироловых моделей и других изделий с использованием жидких теплоносителей.

Цикл изготовления моделей предложенным технологическим процессом определяется суммарным временем следующих операций:

tц' = tвсп' + tсп' + tохл' + tстаб', (6)

где tвсп' – время вспенивания гранул;

tсп' – время спекания гранул в пресс-форме;

tохл' – время охлаждения пресс-формы;

tстаб' – время стабилизации.

При этом длительность цикла от подготовки бисерного полистирола до изготовления моделей (формула (6)) сокращается практически на порядок по сравнению с традиционными методами (формула (1)):

tц' < tц, (7)


потому что tвыл → 0, а tвсп' < tвсп, tсп' < tсп.

Таким образом, технологический процесс сочетающий вспенивание в электрическом поле высоких частот гранул полимера со спеканием моделей в жидких теплоносителях дает возможность сократить длительность цикла изготовления отливок по газифицируемым моделям на порядок по сравнению с традиционными методами. Потому что исключается стадия вылеживания подвспененных гранул (tвыл' < 2 часа, а традиционным способом tвыл = 24 часа ) и уменьшается время подвспенивания полимера и спекания моделей в 1,2 – 1,6 раза по сравнению с автоклавным способом. Предложенный технологический процесс повышает производительность изготовления моделей, он рекомендован нами для использования в ЛГМ. Для его внедрения в производство необходимо спроектировать и изготовить новое недорогое оборудование по новому технологическому циклу.


Литература:


1. Shinsky I.O. // Международный конгресс литейщиков (МКТАЛ). - США: Филадельфия,

1996 (19-23 апреля). - С. 47.

2. Chiorean H., Shinsky I.O. //Metallurgy and New Materials. - 1996. - Vol. IV, № 1. - P. 29.

3. H.Ciorean, I.O.Shinsky. // Revista de turnatorie. - 1995. - № 1. - P. 34.

4. Киореан Х., Шинский И.О. // Процессы литья. - 1996. - № 2. - C. 82.

  1. I.O.Shinsky. “Theory and practice of Lost Foam Process (LFP)”. /из сборника докладов 62го Международного Конгресса литейщиков (МКТАЛ), США, Филадельфия, 19-23 апреля 1996г., стр.47-52.
  2. H.Chiorean, I.O.Shinsky. Metallurgy and New Materials, vol IV.- 1996.- №1.- p.29-40.
  3. Жмакин Н.П. Исследование свойств и физических параметров влажных капиллярно-пористых материалов при высокотемпературном нагреве в электрическом поле высокой частоты: Автореф. дис. …канд. техн. наук: /Белорусский полит.ин-т. – Минск, 1963. – 6 с.
  4. Павлов В.А. Пенополистирол. – М., 1973. –с.239.
  5. В.С. Шуляк, С.А. Рыбаков, К.А. Григорян. Производство отливок по газифицируемым моделям – М., 2001. – с.324.
  6. Немков В.С. Пласт. массы. – 1965. - №11, 19.
  7. Соловко И.Т., Кротюк С.О., Пащенко В.Н. // Процессы литья. - 2003. - № 3. - C. 58.