УСТАНОВКА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ИЗ ЗАЛИТОЙ ЖИДКИМ МЕТАЛЛОМ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ

Полезная модель относится к области литейного производства и предназначена для моделирования процессов газовыделения из залитых жидким металлом литейных форм с целью прогнозирования загазованности заливочных отделений литейных цехов при различных условиях производства, а также прогнозирования качества отливок.
Известно устройство для определения скорости газовыделения из формовочных и стержневых смесей, которое включает в себя опоку со смесью, а также полость для заливки расплавленным металлом, и нижнюю полуформу, включающую в себя нижнюю опоку, основание и гильзу с теплоизоляционным цилиндром и с исследуемым образцом смеси, крышку с двумя отверстиями, свободную полость, образованную между исследуемым образцом, источник газа-носителя, датчики расхода газа, пробоотборник [1].
Недостатком устройства является то, что его конструкция не позволяет получать нужный объем информации о процессах газовыделения из исследуемых образцов залитых жидким металлом литейных форм, а также трудоемкость проведения исследований. Кроме этого известное устройство не обладает достаточной точностью получения экспериментальных данных и достаточной надежностью их математической обработки, так как не предусматривает компьютеризацию проведения исследований.
Известно устройство для определения параметров газовыделения из залитых жидким металлом образцов литейных форм, принятое за прототип, которое: состоит из верхней полуформы, включающей в себя опоку со смесью, полость для заливки жидким металлом и вент для удаления воздуха из нее, опорное кольцо, нижнюю полуформу, включающую в себя гильзу с теплоизоляционным цилиндром и с исследуемым образцом, источник газа-носителя, набор крышек с отверстиями для продувки газом-носителем свободной полости, образованной между исследуемым образцом и крышкой гильзы, а также для установки электронных датчиков расхода газов, температур, влажности и определения концентрации токсичных газов, подключенных к системе обработки экспериментальных данных [2].
Недостатком устройства является то, что оно не позволяет полностью автоматизировать процесс проведения экспериментальных исследований, точно дозировать подачу жидкого металла в полость, находящуюся в верхней опоке устройства, для заливки жидким металлом исследуемого образца смеси.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности измерений и расчета параметров газовыделения из залитой жидким металлом литейной формы при организации автоматического режима обработки экспериментальных данных и управления этапом заливки литейной формы жидким металлом.
Поставленная техническая задача решается тем, что установка для моделирования процессов газовыделения из залитой жидким металлом литейной формы, содержащая плавильную печь с тиглем для плавки металла, снабженную штоком с закрепленной на ней пробкой, датчиком температуры и литником, соединенную с плавильной печью верхнюю полуформу с полостью для заливки жидким металлом, нижнюю полуформу, в состав которой включены гильза с теплоизоляционным цилиндром и с исследуемым образцом смеси, фиксируемым с помощью сетки, герметично установленная крышка с тремя отверстиями и свободная полость, образованная между исследуемым образцом и крышкой гильзы, источник газа-носителя с регулирующим элементом, подключенный через датчик расхода газа-носителя и одно из отверстий в крышке к свободной полости, которая через другое отверстие в крышке связана с атмосферой либо через датчик определения влажности, либо через датчик определения концентраций токсичных компонентов, и систему обработки экспериментальных данных с подключенными к ней через плату сбора данных датчиками расхода газа-носителя, влажности и блоком датчиков температуры, размещенным в третьем отверстии крышки, причем теплоизоляционный цилиндр выполнен керамическим с внутренней закрытой кольцевой полостью, заполненной теплоизоляционным материалом, согласно полезной модели плавильная печь снабжена манипулятором, состоящим из электродвигателя и электронного блока управления, подключенного через плату сбора данных к компьютеру, при этом электродвигатель соединен через планку со штоком плавильной печи с возможностью осуществления им осевых продольных перемещений и контакта с концевыми датчиками в его крайних положениях, подключенных к электронному блоку управления, а в венте верхней полуформы размещен дополнительный датчик температуры, подключенный через плату сбора данных к компьютеру, который через плату сбора данных подключен к электронному блоку управления манипулятором плавильной печи.
Поставленная техническая задача решается также тем, что литник между плавильной печью и верхней полуформой снабжен нагревательным элементом.
Кроме того, установка размещена на стеллаже, имеющем полки, причем на верхней полке установлена плавильная печь с манипулятором.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена общая схема предлагаемой установки с ее отдельными узлами; на фиг.2 приведена структурная схема управления электродвигателем манипулятора [3].
фг
На чертежах приняты следующие обозначения: § - геометрический размер (толщина) полости для заливки жидким металлом; h -геометрический размер исследуемого образца смеси, моделирующий преобладающую толщину стенки литейной формы; W - скорость выделения формовых газов из залитого жидким металлом образца исследуемой смеси.
Кроме того, стрелками показано направление движения, как газа-носителя, так и формовых газов.
Установка для моделирования процессов газовыделения (фиг.1) состоит из стеллажа 1, на верхней полке 2 которого установлена плавильная печь 3 с тиглем 4 для плавки металла 5, снабженную штоком 6 с закрепленной на нем пробкой 7, закрывающей отверстие (на черт. не обозначено) в тигле 4, и датчиком 8 температуры. Плавильная печь 3 снабжена манипулятором (на черт. не обозначен), состоящим из электродвигателя 9 и электронного блока 10 управления. Причем электродвигатель 9 соединен через планку 11 со штоком 6 с возможностью осуществления им осевых перемещений. На второй полке 12 стеллажа 1 устанавливается литейная форма, состоящая из верхней полуформы 13, а также нижней полуформы (на черт. не обозначена). Верхняя полуформа 13 содержит литник 14 с нагревательным элементом (на черт. не обозначен), стояк 15, полость 16 для заливки жидким металлом 5, а также венты 17 для удаления воздуха из полости 16, в одной из которых размещен дополнительный датчик 18 температуры.
Литник 14 соединяет плавильную печь 3 через стояк 15 с полостью 16 для заливки жидким металлом. Верхняя полуформа 13 в виде опоки 19 со смесью фиксируется совместно с нижней полуформой с помощью корпусного кольца 19'. В состав нижней полуформы включены гильза 20 с теплоизоляционным цилиндром 21 и исследуемым образцом 22 смеси, фиксируемым в гильзе 20 с помощью сетки (на чертеже не обозначена), герметично установленная крышка 23 с тремя отверстиями (24, 24′, 24′′) и свободная полость 25, образованная между исследуемым образцом 22 смеси и крышкой 23 гильзы 20. Размер свободной полости 25 по высоте определяется расстоянием между исследуемым образцом 22 смеси, который изготавливается в теплоизоляционном цилиндре 21 и крышкой 23 и может быть задан с помощью подставки 26.
На нижней полке (на чертеже не обозначена) стеллажа 1 устанавливается контроллер (не обозначен на чертеже) плавильной печи 3, источник 27 газа - носителя с регулирующим элементом 28 в виде, например, вентиля, подключенный газовой линией связи 29 через датчик 30 расхода газа-носителя и одно из трех отверстий в крышке, а именно, отверстие 24, к свободной полости 25. Последняя через другое отверстие 24′′ в крышке 23 связано линией 31 связи с атмосферой либо через датчик 32 определения влажности, либо через переключающееся устройство 33 и датчик 34 определения концентраций токсичных компонентов, который устанавливается на лабораторном столе (на черт.  обозначен). Электронный блок 10 управления манипулятором устанавливаются на лабораторном столе. На лабораторном столе также устанавливается плата 35 сбора данных и персональный компьютер 36. Датчики температуры 8 и 18 связаны электрической линией связи (на черт. не обозначена) через плату 35 сбора данных с персональным компьютером 36. В третье отверстие 24′ в крышке 23 устанавливается блок 37 датчиков 37′…37′′′′ температуры в виде термопар и терморезисторов, которые распределены в объеме исследуемого образца 22 смеси, а также в свободной полости 25. Причем теплоизоляционный цилиндр 21 выполнен керамическим огнеупорным с внутренней кольцевой полостью (на черт. не обозначена), заполненной каолиновой ватой или каолиновым картоном и закрыт керамической крышкой 21′.
Входящий в состав манипулятора электронный блок 10 управления состоит из микроконтроллера 38 с усилителем 39 мощности с концевыми датчиками 40 и 41, с которыми контактирует шток 6 в крайних своих положениях при перемещениях (см. фиг.2).
Установка для моделирования процессов газовыделения из залитой жидким металлом литейной формы работает следующим образом.
После загрузки в тигель 4 шихтовых материалов и их плавления при достижении температуры заливки жидкого металла 5 в полость 16 верхней полуформы 13 электрический сигнал с датчика 8 температуры, вмонтированного в шток 6, через плату 35 сбора данных поступает в персональный компьютер 36, с помощью которого по программе подается звуковой сигнал или команда "Поднять шток для заливки жидким металлом литейной формы" и, соответственно, электрический сигнал от компьютера 36 через плату 35 сбора данных подается в электронный блок 10, который управляет электродвигателем 9 манипулятора и, соответственно, шток 6 автоматически поднимается.
В процессе заливки полости 16 верхней полуформы 13 жидким металлом 5 через литник 14 и стояк 15 происходит постепенное вытеснение воздуха из полости 16 через венты 17 в атмосферу (см. фиг.1), и когда уровень жидкого металла 5 достигает уровня установки датчика 18 температуры (термопары), электрический сигнал от него через плату 35 сбора данных поступает в персональный компьютер 36, и согласно программе подается звуковой сигнал или команда "Опустить шток" и, соответственно, подается электрический сигнал от компьютера 36 через плату 35 сбора данных в электронный блок 10, который управляет двигателем 9 манипулятора и, соответственно, шток 6 автоматически опускается.
Работать на установке можно и в ручном режиме при отключенном манипуляторе. В этом случае подъем и опускание штока производится по звуковым командам компьютера.
Электрический сигнал от персонального компьютера 36 через плату 35 сбора данных передается на микроконтроллер 38, далее на усилитель 39 мощности и, соответственно, на вход электродвигателя 9. После этого шток 6 поднимается для открытия отверстия в днище тигля 4 и заливки жидким металлом образца 22 исследуемой смеси. Причем осевое перемещение штока 6 вверх для подачи жидкого металла 5 в полость 16 ограничивается концевым датчиком 40, а осевое перемещение штока 6 вниз для закрытия отверстия (на черт. не обозначено) в днище тигля 9 для прекращения подачи жидкого металла в литейную форму ограничивается концевым датчиком 41. Итак, концевые датчики 40, 41 ограничивают перемещение штока 6 в вертикальной плоскости. Причем электронный блок 10 управления манипулятором также задает необходимую скорость перемещения штока 6.
Под влиянием высоких температур в исследуемом образце 22 происходят процессы газообразования, фильтрации и выделения формовых газов в свободную полость 25 между сеткой и крышкой 23, в которой токсичные компоненты формовых газов смешиваются с газом-носителем (например, аргоном), поступающим от источника 27 газа-носителя с регулирующим элементом, например, в виде вентиля 28 по линии 29 газовой связи через датчик 30 расхода газа-носителя и отверстие 24 в крышке 23. При этом электронный датчик 30 расхода газа-носителя, предварительно тарированный по расходу выбранного газа-носителя, фиксирует расход газа-носителя, значения которого устанавливаются с помощью регулирующего элемента в виде вентиля 28. Затем образованная в свободной полости 25 газовая смесь газа-носителя с формовыми газами, выделяющимися из образца 22 исследуемой смеси, по газовой линии связи 31 через отверстие 24" в крышке 23, далее через датчик 32 влажности через переключающееся устройство 33 поступает непосредственно в атмосферу, либо через датчик 34 определения концентрации каждого i-го токсичного газа Ki в различные моменты времени. Установленный в газовой линии 31 связи датчик 32 определения влажности газов фиксирует значение влажности смеси газа-носителя и формовых газов.
гн
Зная расход газа-носителя W и концентрацию токсичного газа Ki в газовой смеси, можно рассчитать массовую скорость Wi выделения i-токсичного газа из образца 22 смеси, используя выражение
Wi=0.001·Wгн·Ki, мг/мин,
гн
3
где W -скорость газа-носителя, л/мин; Ki - концентрация токсичного компонента в газовой смеси, мг/м.
Сигналы от электрических датчиков 8, 18, 34, а также блока 37 датчиков поступают к системе обработки экспериментальных данных в виде компьютера 36 посредством платы 35 сбора данных, записываются в файл базы экспериментальных данных, а затем автоматически обрабатываются согласно программе. Применяемый в составе гильзы теплоизоляционный цилиндр 21, закрытый керамической крышкой 21′, с внутренней кольцевой полостью, заполненной каолиновой ватой или каолиновым картоном, позволяет предотвратить нагрев боковой поверхности образца 22 смеси.
Помимо исследования процесса газовыделения из залитой литейной формы установка позволяет исследовать кинетику изменение температуры, как на границе металл-форма, так и в различных частях отливки, а также проведя параллельные металлографические исследования, можно построить эмпирическую математическую модель зависимости величины зерна отливки от скорости кристаллизации отливки, которая имеет вид:
кp
где A, m - эмпирические коэффициенты; d - размеры зерна; W -скорость кристаллизации металла. В [4] получено выражение, определяющее зависимость средней величины зерна <d> металла от теплофизических свойств металла и от теплоаккумулирующей способности литейной формы. Полученный в работе [4] результат позволяет прогнозировать прочностные свойства отливок на стадии их проектирования технологического процесса их изготовления.
Помимо исследования кинетики процесса газовыделения из образцов 22 исследуемой смеси с плоской поверхностью контакта с жидким металлом (фиг.1) на установке можно исследовать процесс газовыделения образцов смеси с криволинейной поверхностью контакта с жидким металлом, что позволяет ввести поправочные коэффициенты при расчете параметров газовыделения из залитых литейных форм, по известной методике [5].
Организованная таким образом работа установки позволяет более точно и информативно определять параметры газовыделения из залитых литейных форм, так как предусмотрена автоматическая запись и обработка сигналов с датчиков в экспресс-режиме. Такая схема проведения исследований по определению параметров газовыделения целесообразна как для прогнозирования загазованности промышленных помещений литейных цехов [6] и загрязнения окружающей среды промышленными выбросами литейных цехов [7], так и для прогнозирования качественных показателей отливок [4].
Таким образом, предлагаемая полезная модель повышает точность измерений и расчета параметров газовыделения из залитой жидким металлом литейной формы при организации автоматического режима обработки экспериментальных данных и управления этапом заливки формы жидким металлом.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №2247624,, 7МПК В22С 9/00, публ. 2005 (аналог).
2. Патент на полезную модель РФ №64958, МПК В22С 9/00, публ. 2007 (прототип).
3. Фрунзе А.В. Микроконтроллеры? Это же просто!. М: ООО "ИД СКИМЕН", Т.2, 2002.
4. Погосбекян Ю.М. Методы формообразования заготовок литьем и обработкой давлением в автостроении. М: МАДИ (ГТУ). 2002.
5. Медведев Я.И., Погосбекян Ю.М. Расчет загазованности заливочных отделений // Литейной производство. 1977. №6. С.33-34.
6. Погосбекян Ю.М., Паповян М.Н., Успенский М.Д. Газовыделение в литейных цехах и прогнозирование загазованности производственных помещений //Известия Вузов. Черная металлургия, №1, 2005. С.52-56.
7. Погосбекян Ю.М. К вопросу рассеяния промышленных выбросов металлургических заводов в окружающей среде//Известия Вузов. Черная металлургия, №3. 1992. С.82-85.