УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ИЗ ЗАЛИТЫХ ЖИДКИМ МЕТАЛЛОМ ОБРАЗЦОВ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ

Полезная модель относится к области литейного производства и предназначена для определения параметров газовыделения из залитых литейных форм с целью прогнозирования загазованности заливочных отделений литейных цехов при различных условиях производства.
Известна конструкция устройства скорости для определения скорости газовыделения из формовочных и стержневых смесей, в которой имеется верхняя полуформа, а нижняя полуформа, в состав которой включены гильза с теплоизоляционным цилиндром и образец исследуемой смеси. Установка снабжена калиброванной шайбой и V-образным манометром [1].
Недостатком известной устройства является то, что для измерения скоростей газовыделения неразбавленных формовых газов из исследуемых смесей используется диафрагма, тарированная по воздуху. В то же время химический состав, влажность и вязкость неразбавленных формовых газов, выделяющихся из исследуемых смесей, значительно отличаются от свойств воздуха, что вносит существенную погрешность в измерение скоростей газовыделения из залитых металлом формовочных и стержневых смесей.
Кроме того, конструкция не позволяет учесть погрешности эксперимента, связанные с различием условий термодеструкции смесей, а также фильтрации газов на границе образца смеси и нижней полуформы и внутри исследуемого образца смеси.
Известна конструкция устройства для определения скорости газовыделения из формовочных и стержневых смесей, принятая за прототип, состоящая из верхней полуформы, которая включает в себя опоку со смесью, а также полость для заливки расплавленным металлом, и нижней полуформы, включающей в себя металлическую полуформу, гильзу с теплоизоляционным цилиндром и исследуемым образцом. В состав устройства входят также крышка с двумя отверстиями, источник газа-носителя для продувки свободной полости между образцом и крышкой, а также пробоотборник для определения состава газовой смеси, связанный с атмосферой, и основание [2].
Недостатком устройства-прототипа 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 информативностью и точностью получения экспериментальных данных и их математической обработки, так как не предусматривает компьютеризацию при проведении исследований.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение информативности проведения исследований и точности измерений параметров газовыделения из исследуемых образцов залитых литейных форм при организации автоматического режима обработки экспериментальных данных и расчета параметров газовыделения из образцов.
Дополнительной технической задачей является возможность снижения трудоемкости и материалоемкости проведения исследований.
Поставленная техническая задача решается тем, что устройство для определения параметров газовыделения из залитых жидким металлом образцов литейных форм, содержащее верхнюю полуформу с полостью для заливки жидким металлом и нижнюю полуформу, в состав которой включены гильза с теплоизоляционным цилиндром и исследуемым образцом, фиксируемым с помощью сетки, герметично установленная крышка с двумя отверстиями, и свободная полость, образованная между исследуемым образцом смеси и крышкой гильзы, источник газа-носителя с регулируемым 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 через датчик определения концентраций токсичных компонентов, и основание, согласно полезной модели устройство дополнительно снабжено системой
обработки экспериментальных данных и подключенными к ней совместно с датчиком расхода газа-носителя через плато сбора данных датчиком определения влажности газов и блоком распределенных в объеме исследуемого образца датчиков температуры, установленным в выполненном дополнительно в крышке гильзы третьем отверстии, при этом свободная полость дополнительно связана непосредственно с атмосферой с помощью переключающего устройства, а датчик определения влажности газов установлен в линии связи свободной полости с атмосферой между отверстием в крышке и переключающим устройством, причем теплоизоляционный цилиндр выполнен керамическим с внутренней закрытой кольцевой полостью, заполненной теплоизоляционным материалом.
Техническая задача решается тем, что согласно полезной модели верхняя полуформа выполнена одноразовой в виде опоки, заполненной формовочной смесью.
Техническая задача решается также тем, что устройство дополнительно снабжено плавильной печью с графитовым тиглем для плавки металла, при этом плавильная печь снабжена трубкой с графитовым наконечником и датчиком температуры и закреплена на верхней полуформе, а датчик температуры подключен к системе обработки данных через плато сбора данных.
В частном случае согласно полезной модели для решения дополнительной задачи, а именно, возможности снижения трудоемкости и материалоемкости верхняя полуформа выполнена многоразовой из керамического огнеупорного материала.
Техническая задача решается также тем, что в частном случае согласно полезной модели устройство дополнительно снабжено датчиком расхода неразбавленных формовых газов, установленным в линии связи свободной полости с атмосферой между датчиком определения влажности газов и переключающим устройством.
Решение поставленной технической задачи достигается благодаря тому, что устройство дополнительно снабжено системой обработки экспериментальных данных и подключенным к ней рядом датчиков совместно с датчиком расхода газа-носителя, а именно, датчиком определения влажности газов и блоком датчиков температуры, распределенных по объему исследуемого образца, и в частном случае - датчик расхода неразбавленных формовых газов, датчик температуры расплавленного металла в плавильной печи. При этом появляется возможность фиксировать сигналы со всех датчиков и обрабатывать их в экспресс-режиме с помощью компьютера с большой точностью.
Кроме того, конструктивное выполнение теплоизоляционного цилиндра гильзы с внутренней закрытой кольцевой полостью, заполненной
теплоизоляционным материалом позволяет предотвратить нагрев боковых поверхностей исследуемого образца смеси, и, следовательно, достовернее оценить скорости газовыделения из исследуемого образца в результате процессов термодеструкции (пиролиза) вследствие нагрева образца через поверхность контакта "жидкий металл - исследуемый образец смеси".
Дополнительная техническая задача, а именно, возможность снижения трудоемкости и материаломкости, решается тем, что в частном случае верхняя полуформа выполнена многоразовой, позволяя получить экономию рабочего времени, а также и материалов.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - то же в частном случае при использовании в составе устройства плавильной печи; на фиг.3. приведена схема устройства с использованием многоразовой верхней полуформы с плавильной печью в частном случае; на фиг.4 - дана схема устройства для определения параметров газовыделения в случае с неразбавленными формовыми газами.
На чертежах приняты следующие обозначения: δ - геометрический размер (толщина) полости для заливки жидким металлом, моделирующий преобладающую толщину стенки отливки; h - геометрический размер исследуемого образца смеси, моделирующий преобладающую толщину стенки литейной формы; Wфг - скорость выделения формовых газов из
исследуемого образца смеси вследствии процессов термодеструкции (пиролиза), которые имеют место при заливки образца жидким металлом.
Кроме того, стрелками показано направление движения как газа-носителя, так и формовых газов.
Устройство для определения параметров газовыделения из залитых жидким металлом образцов литейных форм (см. фиг.1) содержит верхнюю полуформу 1, в которой предусмотрены стояк 2 для заливки полости 3 жидким металлом между верхней полуформой 1 и нижней полуформой (на черт. не обозначена), а также венты 4 для удаления воздуха из полости 3. Верхняя полуформа 1 в виде опоки 5 со смесью и с полостью 3 фиксируется совместно с нижней. В состав нижней полуформы включены гильза 6 с теплоизоляционным цилиндром 7 и исследуемым образцом 8 смеси, закрепленным в гильзе 6 с помощью сетки 9, герметично установленная крышка 10 с двумя отверстиями 11 и 12 и свободная полость 13, образованная между исследуемым образцом 8 смеси и крышкой 10 гильзы 6. В состав устройства входит также источник 14 газа-носителя с регулирующим элементом 15 в виде, например, вентиля, подключенный линией связи 16 через датчик 17 расхода газа-носителя и одно из отверстий в крышке 10, а именно, отверстие 11, к свободной полости 13. Последняя через другое отверстие 12 в крышке 10 связана линией связи 18 с атмосферой через датчик 19 определения концентраций
токсичных компонентов. Вся конструкция устройства опирается на основание 20. Согласно полезной модели устройство дополнительно снабжено системой 21 обработки экспериментальных данных в виде компьютера, а также подключенными к ней совместно с датчиком 17 расхода газа-носителя через плато 22 сбора данных датчиком 23 определения влажности газов и блоком 24 датчиков 25, 25', 25'', 25''' температуры в виде набора термопар и терморезисторов. Блок 24 датчиков температуры установлен в третьем отверстии 26, дополнительно выполненном в крышке 10 гильзы 6.
Датчики температуры 25-25''' распределены в объеме исследуемого образца 8 смеси. При этом свободная полость 13 дополнительно связана непосредственно с атмосферой с помощью переключающего устройства 27 в виде, например, трехходового крана, а датчик 23 определения влажности газов установлен в линии 18 связи свободной полости 13 с атмосферой между отверстием 12 в крышке 10 и переключающим устройством 27. Причем теплоизоляционный цилиндр 7 выполнен керамическим огнеупорным с внутренней кольцевой полостью 28, заполненной теплоизоляционным материалом, например, каолиновой ватой. Предусмотрено, что внутренняя кольцевая полость 28 закрыта керамической огнеупорной крышкой 29.
Размер свободной полости 13 по высоте определяется расстоянием
между исследуемым образцом 8 смеси, который изготавливается в теплоизоляционном цилиндре 7, и крышкой 10 и может быть задан с помощью керамической подставки 30.
В устройстве в частном случае верхняя полуформа 1 может быть выполнена, как частный случай, одноразовой в виде опоки 5, заполненной формовочной смесью (см. фиг.1).
Кроме того, устройство может быть дополнительно снабжено плавильной печью 31 и огнеупорной крышкой 32 с графитовым тиглем 33 для плавки металла. При этом плавильная печь 31 снабжена трубкой 34 с графитовым наконечником 35 и датчиком 36 температуры, вмонтированным внутри трубки 34, для измерения температуры жидкого металла. Трубка 34 с закрепленным графитовым наконечником 35 служит для подачи жидкого металла в верхнюю полуформу 1 через литник 38, который соединяется со стояком 2 верхней полуформы 1. При этом центровочные штыри 39 служат для фиксации плавильной печи 31 на верней полуформе 1, а датчик 36 температуры в виде термопары подключен к системе 21 обработки экспериментальных данных через плато 22 сбора данных (см. фиг.2 и 3).
В устройстве в частном случае верхняя полуформа 1 может быть выполнена многоразовой из керамического огнеупорного материала (фиг.2 и 3). При этом верхняя полуформа 1 и нижняя фиксируются с помощью
корпусного кольца 5'.
В основном случае и в каждом из частных случаев устройство может быть дополнительно снабжено датчиком 40 расхода неразбавленных формовых газов, установленным в линии 18 связи свободной полости 13 с атмосферой между датчиком 23 определения влажности газов и переключающим устройством 27 (см. фиг.4).
Устройство для определения параметров газовыделения из залитых литейных форм работает следующим образом.
После заливки полости 3 верхней полуформы 1 жидким металлом через литейный стояк 2 происходит вытеснение воздуха через венты 4 в атмосферу (см. фиг.1).
Под влиянием высоких температур в исследуемом образце 8, изготовленном в теплоизоляционном керамическом цилиндре 7, помещенным в гильзу 6, происходят процессы газообразования, фильтрации и выделения формовых газов в свободную полость 13 между сеткой 9 и крышкой 10, в которой токсичные компоненты формовых газов смешиваются с газом-носителем, (например, аргоном), поступающим от источника 14 газа-носителя по линии 16 связи через регулирующий элемент 15 в виде вентиля и отверстие 11 в крышке 10. При этом датчик 17 расхода газа-носителя, предварительно тарированный по расходу выбранного газа-носителя, фиксирует расход газа-носителя, значения
которого устанавливаются с помощью регулирующего элемента 15. Затем образованная в свободной полости 13 газовая смесь газа-носителя с формовыми газами, выделяющимися из образца 8 смеси, через отверстие 12 в крышке 10 по линии 18 связи поступает через переключающееся устройство 27 непосредственно в атмосферу, либо через датчик 19 определения концентраций i-го токсичного газа в различные моменты времени. Установленный в линии 18 связи датчик 23 определения влажности газов, фиксирует значения влажности смеси газа-носителя и формовых газов.
Зная расход газа-носителя Wгн и концентрацию токсичного газа Ki в газовой смеси, можно рассчитать массовую скорость Wi выделения i-го токсичного газа из образца 8 смеси, используя выражение
Wi=0,001·Wгн·Ki, мг/мин,
3
где Wгн - скорость газа-носителя, л/мин; Ki - концентрация токсичного компонента в газовой смеси, мг/м.
Кроме этого, при исследовании устройство позволяет фиксировать изменение температуры как на границе "жидкий металл - образец смеси" и на границе "образец смеси - свободная полость", так и в различных точках объема образца 8 смеси посредством блока 24 соответствующих датчиков температуры, например, 25 и 25'; 25'' и 25''', установленного в отверстии 26 крышки 10.
Сигналы с датчиков 17, 23, 19 и 25-25''' поступают к системе 21 обработки экспериментальных данных в виде компьютера посредством плато 22 сбора данных, записываются в файл базы экспериментальных данных, а затем автоматически обрабатываются согласно программе.
Применяемый в составе гильзы 6 керамический теплоизоляционный цилиндр 7, выполненный с керамической крышкой 29 и с внутренней закрытой кольцевой полостью 28, заполненной теплоизоляционным материалом, в частности, асбестовой крошкой или каолиновой ватой, позволяет предотвратить совместно с керамической подставкой 30 нагрев боковой поверхности образца 8 смеси со стороны гильзы 6. Последняя воспринимает тепло элементов верхней полуформы 1.
Организованная таким образом работа устройства позволяет более точно и информативно определять параметры газовыделения из залитых жидким металлом образцов литейных форм, так как предусмотрена автоматическая запись и обработка сигналов с датчиков в экспресс-режиме.
Верхняя полуформа 1, как частный случай, может быть выполнена одноразовой в виде опоки 5, заполненной формовочной смесью (см. фиг.1), что дает возможность проще моделировать тепловой режим залитой жидким металлом литейной формы, особенно в цеховых условиях.
В частном случае, когда устройство дополнительно снабжено
плавильной печью 31 с графитовым тиглем 33, трубкой 34 с графитовым наконечником 35, установленным на трубке 34 совместно с датчиком 36 температуры и закрывающим и открывающим отверстие для подачи жидкого металла в верхнюю полуформу 1 через литник 38. При этом заливка верхней полуформы 1 жидким металлом 37 требуемой температуры происходит практически без потерь. Сигналы с датчика 36 температуры также направляются через плато 22 сбора данных в систему 21 обработки экспериментальных данных и записываются в файл базы экспериментальных данных наряду с сигналами с других датчиков. То есть, в данном случае помимо повышения информативности одновременно появляется возможность повысить точность проведения исследований процесса газовыделения из образцов 8 смеси (см. фиг.2 и 3).
Согласно полезной модели, в частном случае, когда верхняя полуформа 1 может быть выполнена многоразовой из керамического огнеупорного материала (см. фиг.3), появляется возможность дополнительно снизить трудоемкость при проведении исследований, так как при таком подходе один комплект верхней полуформы 1 используется при многократно проводимых исследованиях. При этом снижается в целом и материалоемкость устройства. В этом случае верхняя полуформа 1 может быть выполнена, например, из шамотного кирпича или шамотно-волокнистых плит. В лабораторных условиях именно такое устройство будет предпочтительнее. При дополнительном снабжении устройства
будет предпочтительнее. При дополнительном снабжении устройства датчиком 40 расхода неразбавленных формовых газов (см. фиг.4) данная конструкция позволяет проводить исследования по определению параметров газовыделения без использования газа-носителя. При этом в линии связи 16 с помощью регулирующего элемента 15 перекрывается подача газа-носителя от источника 14 в свободную полость 13, а датчик 17 расхода газа-носителя отключается от системы 21 обработки экспериментальных данных. Такая схема проведения исследований по определению параметров газовыделения целесообразна как для прогнозирования загазованности промышленных помещений литейных цехов [3] и загрязнения окружающей среды промышленными выбросами литейных цехов [4], так и для оценки вероятности газовых дефектов в отливках. Параметры газовыделения рассчитываются по известной методике [5].
Таким образом, предлагаемая полезная модель повышает в целом информативность процесса исследований газовыделения и точность измерения параметров газовыделения из исследуемых образцов залитых литейных форм, причем в режиме автоматической обработки экспериментальных данных и расчета газовыделения из образцов.
Источники информации
1. А.С. СССР №193131, М кл. В22С 9/00, публ. 1967. (аналог)
2. Патент РФ №2247624,, 7 МПК В22С 9/00, публ. 2005 (прототип).
3. 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.
4. Погосбекян Ю.М. К вопросу рассеяния промышленных выбросов металлургических заводов в окружающей среде // Известия Вузов. Черная металлургия №3, 1992. С.82-85.
5. Медведев Я.И., Погосбекян Ю.М. Определение скорости газовыделения из литейных форм // Известия Вузов. Черная металлургия, №7. 1977. С.152-154.