Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса защиты атмосферы от промышленных загрязнений в литейном производстве 11
1.1. Рекуперация органических веществ 11
1.2. Очистка газов от твердых частиц 14
1.3. Типы конструкций фильтров для очистки газов от твердых частиц 25
1.4. Цели и задачи исследования 28
Глава.2. Оценка действующих напряжений в пористых цилиндрических фильтрах 30
2.1. Оценка напряжений в СВС - фильтрах генерируемых механическим воздействием 30
2.2. Механические напряжения тепловой природы в изделиях из СВС-материалов 39 2.3. Назначение требований к физико-механическим характеристикам изделий из СВС-материала 42
2.4. Выводы по главе 2 52
Глава 3. Методики проведения экспериментальных исследований. Экспериментальные установки для определения эффективности нейтрализации продуктов термодеструкции пенополистироловой модели 53
3.1. Программа и методики проведения экспериментальных исследований. 53
3.2. Установка и методика для определения состава продуктов термодеструкции и кинетики газовыделения 55
3.3. Экспериментальные установки и методики для определения технологических характеристик СВС- материала и исходных компонентов 56
3.3.1. Результаты определение гранулометрического состава 56
3.3.2. Методика определения проницаемости СВС-материала 59
3.3.3. Исследование механических свойств пористых проницаемых материалов 63
3.3.3.1. Исследование прочности материала на ударный изгиб 63
3.3.3.2. Исследование прочности материалов на радиальное сжатие 64
3.3.3.3. Исследование прочности материала на осевое сжатие 65
3.3.4. Исследование высокотемпературного окисления 65
3.4. Оценка эффективности применения фильтра из СВС-материапа для нейтрализации продуктов термодеструкции пенополистироловой модели.. 66
3.4.1. Технологическая схема получения СВС-материала 66
3.4.2. Расчет оптимальной толщины сухого наполнителя 67
3.4.3. Определение эффективности конденсации паровой фазы продуктов термодеструкции пенополистирола 69
3.4.4. Оценка эффективности очистки газовой фазы продуктов термодеструкции от частиц пироуглерода СВС-материалом 69
3.4.5. Оценка эффективности нейтрализации газовой фазы 72
3.4.6. Исследование влияния газопроницаемости СВС-элемента на газовый режим формы 73
3.4.7. Изменение величины зазора в зависимости от количества циклов СВС-элемента 74
3.5. Выводы по главе 3 74
4. Результаты экспериментальной оценки эффективности применения пористых проницаемых элементов из СВС - материала для нейтрализации продуктов термодеструкции пенополистирола 75
4.1. Результаты определения состава продуктов термодеструкции пенополистирола 75
4.2. Исследование технологических характеристик СВС-материала 77
4.2.1. Результаты определения пористости СВС-материала 77
4.2.2. Оценка влияния гранулометрического состава на размер пор СВС- материала 78
4.2.3. Исследование влияния концентрации окалины стали на механическую прочность 80
4.2.4. Результаты определения газопроницаемости 81
4.2.5. Исследование механических свойств пористых проницаемых материалов 82
4.2.5.1. Исследование прочности материала на ударный изгиб 82
4.2.5.2. Исследование прочности материалов на радиальное сжатие 82
4.2.5.3. Исследование прочности материала на осевое сжатие 82
4.2.6. Исследование процессов высокотемпературного окисления СВС -материала 83
4.3. Оценка эффективности очистки продуктов термодеструкции пенополистирола 87
4.3.1. Расчет температурного поля в стенке формы 87
4.3.2. Результаты оценки эффективности конденсации паровой фазы продуктов термодеструкции модели 88
4.3.3. Исследование влияния газопроницаемости СВС-элемента на газовый режим формы 89
4.3.4. Результаты исследования эффективности очистки газовой фазы продуктов термодеструкции пенополистирола от частиц пироуглерода 90
4.3.4.1. Определение распределения частиц пироуглерода по размерам.. 90
4.3.4.2. Определение влияния толщины стенки, пористости и извилистости пористого элемента из СВС - материала на качество очистки 92
4.3.4. Оценка эффективности нейтрализации газовой фазы продуктов термодеструкции пенополистирола 94
4.4. Выводы по главе 4 94
5. Применение СВС-материалов в литейном производстве 96
Общие выводы 110
- Типы конструкций фильтров для очистки газов от твердых частиц
- Назначение требований к физико-механическим характеристикам изделий из СВС-материала
- Оценка эффективности очистки газовой фазы продуктов термодеструкции от частиц пироуглерода СВС-материалом
- Определение влияния толщины стенки, пористости и извилистости пористого элемента из СВС - материала на качество очистки
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие и внедрение в производственный цикл машиностроения литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) обусловлено высокими технико-экономическими показателями (снижение трудозатрат, в %, на зачистку отливок до 30-50, на формовку до 25-30, на изготовление стержней до 25-100, а также до 15-20 увеличивается точность отливок, на 10-15 снижается масса на 25-30 уменьшается кап. затраты). По мнению американских специалистов, ЛГМ является одним из перспективных современных способов литья, удовлетворяющих потребности крупносерийного производства в отливках высокой точности. Производство изделий таким способом предполагает разложение пенополистироло-вой модели потоками жидкого металла в форме с образованием повышенного объема токсичных газов и паровой смеси: изопентан, бензол, толуол, этилбензол, стирол, а также Н2, N2l СО (угарный газ), CHi (метан), С2Н4-Интенсивность протекания реакций разложения углеводородов на зеркале металла и в форме и количество реагирующих с металлом конечных продуктов весьма высоки вследствие непрерывной их генерации при разложении модели в процессе заполнения формы. Таким образом, высокий экономический эффект ЛГМ перекрывается необходимостью в дорогостоящем оборудовании для улавливания, конденсации и нейтрализации продуктов разложения пенополистироловой модели.
Решением этой проблемы и альтернативой дорогостоящему оборудованию является использование фильтр-формы изготовленной из СВС-материала. Подчеркивая актуальность разработки и применения СВС- материала в процессах очистки при ЛГМ добавлю, что работа выполнена в рамках программы «Экология» СО РАН, региональной научно-технической программы «Алтай» и по Гранту.
Цель работы: Разработать фильтр-форму для литья по газифицируемым моделям и исследовать процессы нейтрализации продуктов термодеструкции пенополистирола.
Задачи исследования:
исследовать состав материала газифицируемых моделей на основе пенополистирола;
разработать пористый проницаемый материал для фильтр-формы;
определить физико-механические характеристики пористых проницаемых фильтроэлементов из металлокерамики, полученных с применением СВС-технологий;
определить эффективность применения фильтроэлементов из СВС - материала для очистки продуктов деструкции газифицируемой модели;
# - разработать конструкцию литейной формы с фильтроэлементом
из СВС - материала, провести испытания в производстве и получить качественную отливку;
определить способы регенерации фильтроэлемента литейной формы из СВС - материала;
исследовать производственный цикл фильтроэлемента из СВС -материала до регенерации.
»
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
1. Установлена способность пористого материала, полученного СВС-процессом в системе (Fe2C>3 - Si02 - А1), к нейтрализации продуктов термодеструкции пенополистирола, что позволяет совместить форму для литья по газифицируемым моделям и фильтр на основе этого материала. Фильтр-форма обеспечивает нейтра-
*
лизацию: 1) паровой составляющей на 99%, 2) газовой составляющей на 60-70%, 3) твердой на 95-99%.
Установлено, что нейтрализация продуктов термодеструкции пе-нополистирола происходит: 1)твердой фазы - за счет развитой лабиринтной структуры пор СВС-материала; 2)газовой фазы - за счет каталитического дожигания на поверхностях пор фильтров; 3)паровой фазы - за счет конденсации в порах СВС-фильтра.
Установлено, что добавки FeSi в шихту СВС - системы (РегОз -SiCb - Al) позволяют повысить механические свойства фильтр-формы за счет выведения вредных примесей в шлак. Так, при добавлении от 1% до 3% FeSi в шихту: а)прочность на осевое сжатие увеличивается с 17,6 до 25.8 МПа; б)прочность на радиальное сжатие увеличивается с 12,6 до 24.8 МПа; в)прочность на ударную вязкость возрастает с 0.35 до 0.40 кгм/см2.
При введении 1% NaF в шихту СВС - системы Ni - Al прочность фильтра возрастает до 3 раз. В процессе синтеза системы Ni - Al + NaF, протекающего в адиабатических условиях, наблюдается эффект обратного фронта волны горения.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ
1. Разработана конструкция литейной формы с фильтроэлементом из СВС-материала, которая обеспечивает нейтрализацию продуктов термодеструкции пенополистирола при ЛГМ, позволяя соблюдать санитарно-гигиенические условия труда в соответствии с ГОСТ12.1.005-76. Интенсивность каталитического дожигания увеличивается за счет тепла выделяемого заливаемым металлом.
Разработан состав шихт для изготовления пористого проницаемого СВС - материала, который обеспечивает необходимые физико-механические свойства фильтр-форме, улавливание продуктов термодеструкции пенополистирола при литье по газифицируемым моделям и каталитическое дожигание на поверхностях пор фильтров.
Внедрена фильтр-форма в цикл литейного производства, что позволяет существенно сократить капиталовложения на ед. продукции за счет регенерации и утилизации наполнителя формы.
Реализация результатов работы
Разработанная конструкция литейной формы с фильтроэлементом из СВС - материала для литья по газифицируемым моделям используется в ПО ФГУП «Алмаз» и в ОАО «АлтайДизель».
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях по СВС- материалам в 2001, 2002 и 2003 годах и международных научно - практических конференциях, посвященных проблемам и перспективам развития литейного, сварочного и кузнеч-но-штамповочного производств в 1999,2000,2001 и 2002 годах, в городах: Москва, Томск, Новосибирск, Барнаул.
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в 8 работах.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и списка литературы. Она содержит 123 страницы основного текста, 36 рисунков, 11 таблиц и 104 наименования литературы.
Типы конструкций фильтров для очистки газов от твердых частиц
Рекуперационные установки предназначены для улавливания и возврата в процесс растворителей из производственных или вентиляционных газов.
Улавливание растворителей приносит не только большой технико-экономический эффект, но и имеет огромное социальное значение, оздоровляя условия жизни человека и обеспечивая охрану окружающей среды. Наиболее остро стоит проблема улавливания бензола, толуола и хлорпро изводных углеводородов.
В большинстве случаев концентрация вышеперечисленных веществ невысокая (несколько грамм в одном кубическом метре и ниже), в связи с чем возрастает роль адсорбционного метода рекуперации.
Адсорбцией называют концентрирование веществ на поверхности или в объеме микропор твердого тела. В процессе адсорбции участвуют, как минимум два компонента. Твердое вещество, на поверхности или в объеме пор которого происходит концентрирование поглощаемого вещества, называется адсорбентом. Поглощаемое вещество, находящееся в газовой или жидкой фазе, называется адсорбтивом, а после того как оно перешло в адсорбированное состояние - адсорбатом. Любое твердое вещест =. во обладает поверхностью и, следовательно, потенциально является адсорбентом. Однако в технике используют твердые адсорбенты с сильно разветвленной поверхностью. Развитие внутренней поверхности в твердом теле достигается путем создания специальных условий в процессе его синтеза. Одним их процессов синтеза, обладающим значительным технологическим потенциалом, является открытый академиком А.Г. Мержановым и его научной школой [36-49] самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), являющийся эффективной основой для получения продуктов различных классов, в том числе гетерофазных и композиционных материалов.
Имея ряд общих черт с технологическими процессами традиционной порошковой металлургии, СВ-синтез характеризуется такой уникальной особенностью, как существование высокотемпературной твердо-жидкой среды в течение протекания процесса синтеза и допускающий различные типы внешних воздействий, посредством которых возможно регулирование структуры и свойств целевых продуктов.
Поскольку высокотемпературный синтез является разновидностью горения, то он начинается с инициирования этой реакции. Существует множество способов инициировать реакцию, и выбор одного из них определяется лишь удобствами, так как он не влияет на свойства продукта. Во время горения по смеси распространяется волна горения.
Продукты сгорания представляют собой высококачественные тугоплавкие соединения [49]. Для синтеза этих соединений традиционными печными методами требуются часы, волна горения справляется с этой задачей за секунды. При этом не требуется ни сложного оборудования, ни больших энергетических затрат. Добавим к этому, что чистота продукта ограничивается лишь чистотой исходных реагентов. Во многих случаях продукт содержит меньше примесей, чем исходная смесь, так как летучие примеси "выгорают" в волне горения. СВС-процесс характеризуется высокой температурой (1500-4000С) и большой скоростью распространения фронта горения (0,5-15 10 2 м/с). Для измерения распределения температур в различных зонах волны СВС применяется микротермопарная методика [51, 52]. Большие скорости горения обеспечивают высокую производительность процесса. Естественно, что указанные преимущества делают весьма заманчивым использование процессов СВС для синтеза многих ту гоплавких соединений и материалов, таких как керамика, керметы, твердые сплавы, покрытия и другие.
В основе метода лежит реакция экзотермического взаимодействия двух или нескольких химических элементов, соединений, протекающая в режиме направленного горения. Процесс осуществляется в тонком слое смеси исходных реагентов после локального инициирования реакции и распространяется по всей системе благодаря теплопередаче от горячих продуктов к "не нагретым" исходным веществам. Скорость распространения реагирующего слоя и температура реакции зависят от целого ряда физико-химических параметров. К ним относятся термодинамические параметры (теплота образования нового химического соединения, теплоемкости продуктов реакции, начальная температура процесса, состав смеси), физические параметры (теплопроводность смеси порошков, плотность брикета, внешнее давление газа, форма и размер частиц порошков, полидисперсность порошков, степень наклепа или дефектность структуры частиц компонентов, наличие внешних воздействий), технологические (равномерность перемешивания компонентов смеси, степень активации порошков), химические (степень увлажненности порошков, концентрация в них адсорбированных примесей и растворенных газов).
Большинство промышленных адсорбентов отличается «ажурной» внутренней структурой, состоящей из пор различного размера. При этом решающее влияние на адсорбирующую способность и скорость поглощения оказывает содержание мелких пор в единице объема или массы адсорбента. В зависимости от размера поры подразделяются на три типа: микро-, переходные и макропоры.
Наиболее мелкие поры - микропоры имеют размеры, соизмеримые с адсорбируемыми молекулами. Характерной чертой адсорбции в микропорах является характерное повышение энергии адсорбции в микропорах в среднем в полтора раза.
Основным типом адсорбционных рекуперационных установок остаются установки периодической адсорбции, в которых адсорбер со стационарным слоем после окончания стадии рекуперации переключается на стадию десорбции. В рабочий цикл периодического адсорбера обычно включают ряд дополнительных стадий: сушки и охлаждения адсорбента, повышения и сброса давления и т.д.
Назначение требований к физико-механическим характеристикам изделий из СВС-материала
В качестве фильтрующих тканей в промышленности широко применяли шерсть, хлопок. Они позволяют очищать газы при температуре меньше 100С. Теперь их вытесняют синтетические волокна - химически и механически они более стойкие материалы. Кроме того, синтетические волокна термопластичны, что позволяет при помощи простых термических операции проводить их монтаж, крепление и ремонт. Хлориновые фильтровальные ткани получают из СНг =СНС1 методом суспензионной или блочной полимеризации. Прочность на разрыв составляет 25-35 кгс/мм2 [16]. Однако хлориновые волокна хрупки и недостаточно устойчивы против истирания.
Фильтрующие рукава из некоторых синтетических тканей с помощью термической обработки выполняются в виде гармошки, что значительно увеличивает их фильтрующую поверхность при тех же размерах фильтра. Стали применятся ткани из стекловолокна, которое выдерживает температуру до 250С. Однако хрупкость таких волокон ограничивает сферу их применения.
Рукавные фильтры очищают от пыли следующими методами: механическим встряхиванием, обратной продувкой воздухом, ультразвуком и импульсной продувкой сжатым воздухом. Главным достоинством рукавных фильтров является высокая эффективность очистки, достигающая 99% для всех размеров частиц. Гидравлическое сопротивление тканевых фильтров составляет обычно 0,5 - 1,5 кПа.
Развитие производств металлокерамических изделий открыло новые перспективы в пылеочистке. Металлокерамический фильтр ФМК предназначен для тонкой очистки запыленных газов и улавливания ценных аэрозолей из отходящих газов предприятий промышленности. Фильтрующие элементы, закрепленные в трубной решетке, заключены в корпус фильтра. Они собираются из металлокерамических труб. На наружной поверхности фильтрующего элемента образуется слой уловленной пыли. Для разрушения и частичного удаления этого слоя предусмотрена обратная продувка сжатым воздухом. Перегородки из шамота хорошо сопротивляются воздействию разбавленных и концентрированных минеральных кислот и водных растворов их солей, но мало устойчивы к действию щелочных жидкостей [15].
Волокнистый туманоуловитель предназначен для технологической и санитарной очистки газов от капель тумана и растворимых аэрозольных частиц. Применяется в производстве серной и термической фосфорной кислот. В качестве насадки использовано новое синтетическое волокно. Аппарат имеет цилиндрическую или плоскую форму, работает при высоких скоростях фильтрации и поэтому имеет небольшие габариты.
Электрофильтры. Если напряженность электрического поля между пластинчатыми электродами превышает критическую, которая при атмосферном давлении и 15С равна 15кВ/см, молекулы воздуха, находящегося в аппарате, ионизируются и приобретают положительные и отрицательные заряды. Ионы движутся к противоположно заряженному электроду, встречают на своем движении частицы пыли, передают им свой заряд и те, в свою очередь, направляются к электроду. Достигнув электрода, частицы пыли теряют свой заряд. Осевшие на электроде частицы образуют слой, который удаляют с его поверхности при помощи удара, вибрации, отмывки и т.д. Постоянный электрический сигнал высокого напряжения подают в электрофильтр на коронный электрод и осадительный электрод. Каждому значению напряжения соответствует определенная частота искровых разрядов в межэлектродном пространстве электрофильтра. В то же время частота разрядов определяет степень очистки газа.
По конструкции электрофильтры подразделяют на трубчатые и пластинчатые. В трубчатых электрофильтрах запыленный газ пропускают по вертикальным трубам, по оси которых натянут коронарный электрод. Осадительный электрод - сама труба, на внутренней поверхности которой оседает пыль. В пластинчатых электродах коронирующие электроды -провода натянуты между параллельными плоскими пластинами, являющимися осадительными электродами. В электрофильтрах улавливают пыль с частицами выше 5 мкм. Их рассчитывают так, чтобы очищаемый газ находился в электрофильтре в течении 6 - 8 с.
Большое значение для бесперебойной работы электрофильтров имеет система удаления осажденной пыли из аппарата. В сухих электрофильтрах для очистки поверхности электродов от пыли используют механизм встряхивания ударно - молоткового типа. Пыль ссыпается в сборные бункера, откуда выводится в сухом виде или в виде пульпы. В мокрых электрофильтрах пыль с поверхности электродов смывается водой вместе с уловленными каплями. Шлам удаляют из нижней части аппарата.
В районах с умеренным климатом электрофильтры разрешается размещать вне здания, на постоментах, а в суровых климатических условиях - в помещениях легкой конструкции. Для устранения конденсата влаги на стенках корпус электрофильтров теплоизолируют.
Широкое применение электрофильтры нашли, в частности, в процессах получения термической фосфорной кислоты. Получение фосфорной кислоты основано на химическом процессе окисления элементарного фосфора кислородом с последующей гидратацией образовавшегося фосфорного ангидрида в ортофосфорную кислоту. Образующиеся при окислении фосфора газы нагреты до температуры 1500 - 2000С. Их охлаждают кислотой и водой непосредственно или через стенку. Реакция гидратации фосфорного ангидрида обычно происходит в процессе охлаждения газов. При охлаждении система достигает состояния пересыщения, образуется туман, частицы которого подвергаются седиментации и агрегации. Туман улавливают в электрофильтрах при высоких температурах. Вместо электростатического осаждения в некоторых случаях используют осаждение частиц в турбулентном потоке, применяя скрубберы Вентури, а также = фильтрацию.
Оценка эффективности очистки газовой фазы продуктов термодеструкции от частиц пироуглерода СВС-материалом
Для изготовления каталитических блоков нейтрализаторов использовались следующие материалы: оксид хрома по ОСТ 829-82; порошок алюминия по ТУ 485-22-87 марки АСД-1; окалина стали 18ХНВА с размером частиц 60. ..65мкм; порошок хрома ПХ-1 по ТУ882-76; порошок никеля ПНК-ОТ-1 по ГОСТ9722 Дня тонкого измельчения компонентов шихты использовали семейство конусных инерционных дробилок (КИД).
В барабан дробилки загружали порошок алюминия. В течении 30 минут происходила механическая активация. Тоже самое проделывали с порошком никеля. После активации оба порошка смешивали в пропорции 80 - 20 соответственно. Порошки смешивали обычным способом в стандартном смесителе. Время смешивания порошков составляло 3-4 часа. Емкость смесителя заполняли на 1/2 - 1/3 объема. Скорость вращения смесителя составляла 50 - 60 об/мин, что составляет 30 - 40 % от критической. Для интенсификации смешивания в смеситель помещали шары в ко-=- личестве 1/4 - 1/3 массы. После смешивания смесь засыпали в подготовленную форму. Реакцию инициировали при помощи термита.
Моделирование эксперимента производилось со следующими начальными условиями: минимальное содержание составляющих продуктов термодеструкции пенополйстирола в сухом наполнителе, минимальный выброс продуктов термодеструкции пенополйстирола в атмосферу. Первая задача решается расчетом оптимальной толщины сухого наполнителя, т.е. необходимо чтобы вся толщина песка прогрелась до температур испарения продуктов термодеструкции пенополйстирола (316С). 3.4.2 Расчет оптимальной толщины сухого наполнителя
Существенную роль в получении качественных отливок занимает скорость удаления продуктов газификации модели от границы металл — форма. Это, в свою очередь, зависит от градиентов температуры и давления в стенке формы и от ее толщины (а следовательно, сопротивления) зернистого материала вокруг отливки. От соотношения этих параметров в порах формы может возникнуть диффузионный или конвективный поток продуктов вторичных процессов испарения и газификации. Условием перехода диффузионного потока в конвективный, в зернистом слое, является неравенство Gr Pr 680. Оценка произведения Gr Pr для условий литейной формы из сухого кварцевого песка 1К02А при заливке ее сталью показало, что Gr Pr=O,8O6 10"3. Таким образом, после заполнения формы в результате процессов вторичного испарения и газификации в стенках формы образуется весьма слабый поток парогазовой смеси, направленный от границы металл - форма вглубь формы.
Отсюда следует, что для повышения скорости удаления продуктов газификации и испарения модели от границы металл - форма нужно в стенке формы увеличить градиенты температуры и давления, что при прочих равных условиях достигается снижением толщины дисперсного материала (песка) вокруг отливки. Данная технология предполагает, что вокруг отливки имеется слой песка равный приведенному размеру тела отливки (отношение объема к площади), что в свою очередь определяет область применения данной технологии: это отливки, имеющие постоянное сечение по длине, с внутренними или внешними поверхностями, описываемыми уравнениями первого или второго порядков в различном их сочетании. В работе был проведен расчет по Вейнику А.И. температурного поля в стенке формы из несвязанного кварцевого песка для отливки из стали с температурой заливки 1 =1800 К, площадью граничной поверх-ности отливки F 1=0,463 м ; начальной температурой формы Тн=293 К; те-плоаккумулирующей способностью формы с газифицируемой моделью Ь2=2088 Вт с0,5/(м2-К). Результаты экспериментов отображены в Главе 4. С . учетом оптимальной толщины сухого наполнителя была сконструирована литейная форма и проведены испытания по эффективности улавливания продуктов термодеструкции пенополистирола. 3.43. Определение эффективности конденсации паровой фазы продуктов термодеструкции пенополистирола Для этого была изготовлена форма, которая содержит крышку 1, контейнер 2, элемент из СВС-материала 3, сыпучий наполнитель 4, пенополистироловую модель 5, цапфы б, литниковую систему 7, днище 8. После сборки форма поворачивается на цапфах б и происходит заливка. Металл, поступая в форму через литниковую систему (питатель) 7, воздействует на пенополистироловую модель 5 тепловым потоком, что приводит к деструкции модели и выделению большого объема паровой и газовой фазы. Конденсируясь, паровая фаза накапливается в сыпучем наполнителе (песке) 4 и вторично испаряясь, при прогреве песка, конденсируется в элементе 3, сделанном из СВС-материала.
Оценка эффективности улавливания производилась следующим образом: первоначально, т.е. до заливки, взвешивался СВС-элемент и сухой наполнитель. Зная массу модели и количество образующихся фаз, из диаграммы (Рисунок 4.1), определяем эффективность улавливания продуктов термодеструкции по разнице веса СВС-элемента до заливки и после. Исследование эффективности конденсации паровой фазы в СВС-элементе ограничивается температурой 700 С. Как видно из диаграммы (Рисунок 4.1) состояния фаз продуктов деструкции, с увеличением температуры происходит активное уменьшение количества паровой составляющей и увеличение твердой составляющей, т.е. объема частиц пироуглерода. Отсюда следует, что использование СВС-элемента, в качестве конденсатора, целесообразно при заливке низкотемпературных сплавов.
Определение влияния толщины стенки, пористости и извилистости пористого элемента из СВС - материала на качество очистки
Была разработана конструкция литейной формы (опока-контейнер) и съемный насос-горелка рис. 5.1. с учетом исходных данных для проектирования и предварительных расчетов. Данная технология предусматривает слой сухого наполнителя (песка) вокруг отливки, соответствующий приведенной толщине стенки отливки. Это позволяет в процессе охлаждения отливки прогреть весь песчаный слой до температур выше 500С и тем самым провести полное испарение сконденсировавшейся паровой фазы, которая вновь конденсируется в СВС-элементе.
Часть газовой фазы нейтрализуется, а остальная попадает в кольцевую полость между внутренними 4 и наружными 2 стенками контейнера и окисляется (сгорает) в горелке 1.
Контейнер выполнен с двойными боковыми стенками. Внутренние стенки - элемент формы, выполненный из СВС-материала, наружные 2 выполнены с отверстиями для подсоса воздуха при работе насос-горелки. В нижней части контейнера крепится днище-плунжер с облицовкой смеси из ЖСС и выполненной в нем литниковой системой.
Заливка производится по методу выжимания при погружении нижнего торца формы в чашу ( ванну ) с жидким металлом.
Сверху контейнера после формовки модели в сухом кварцевом песке, крепится крышка 3 и насос горелка 1. Последняя состоит из корпуса, кожуха горелочного тунеля футерованного карбидо-кремниевым огнеупо-ром, сопла, двух патрубков для подачи воздуха и природного газа, коллектора и завихрителя. Расчет насоса горелки выполнен исходя из следующих данных для проектирования. Металл отливки сталь с Т =1800 К, толщина стенки отливки 5=10.8 мм, плотность пенополистироловой модели 7=25-30 кг/м3; молекулярная масса полистирола М=4500 г/моль; количество кислорода Ог на сжигание одного моля полистирола Qo2=l,86 литра на грамм массы модели т„=79,797г; масса воздуха в модели тв=3,328г; масса полистирола модели mn= 76,469 г. Суммарный объем продуктов разложения модели и объема воздуха Vs = V V y 0,2808м , температура нагрева газовой фазы принята 700С исходя из наибольшей (1«,= 605С) температуры самовоспламенения угарного газа, входящего в состав. Температура парогазовой фазы в полости формы 300С. В качестве эжектирующей среды является воздух, а продукты разложения и часть воздуха на их горение являются эжектируемой фазой. Природный газ подается под тем же давлением, что и эжектируемая среда - воздух. Технические характеристики насос-горелки: - избыточное давление воздуха Па - 6000; - расход воздуха, м/с — 0,0337; - максимальное расчетное разряжение, Па - 5000; - производительность, м3/с - 0,00523; - принятый КПД эжектора, % - 3,25; - давление природного газа, Па - 5600; - время нагрева обезвреживаемой фазы в высокотемпературной зоне, - с-0,5; - расчетная эффективность очистки, % - 90 - 99. Рассматриваемая технология предусматривает последовательность выполнения следующих операций: 1. Установка в контейнер 2 гильзы 4 (СВС-элемента) и модели 6, затем помещение стержня 5 внутрь модели бив пазы на гильзе 4 с зажимом клемм. 2. Засыпка модели 6 кварцевым песком с помощью устройства для засыпки и уплотнение вибрацией. 3. Установка и фиксирование крышки 3 и насоса-горелки 1. 4. Зажигание горелки с помощью запального устройства. 5. Заливка формы - контейнера с оптимальной скоростью 5 м/с. 6. Отключение насоса-горелки после кристаллизации отливки через 260 с. 7. Выбивка отливки: время выдержки до выбивки составляет порядка 700с. Использование предлагаемой технологии позволяет нейтрализовать продукты разложения пенополистироловои модели путем конденсации паровой фазы в СВС-элементе, улавливании твердой фазы и окисления газовой фазы в горелке и, тем самым, предотвратить выброс вредных веществ в атмосферу. Это позволяет улучшить санитарно-гигиенические показатели; уменьшить расход сухого наполнителя в несколько раз за счет уменьшения толщины слоя песка вокруг отливки; сократить энерго затраты благодаря многократному использованию формовочного материала без регенерации. Другая область применения СВС-материала это вопросы вентиляции формы. Известно, что вента это элемент литейной оснастки: модели, стержневого ящика, опоки либо вентиляционных плит, насадок пескодув-но-пескострельных машин и др. Она служит для выхода воздуха или газов, например, в процессе заливки при ЛГМ. Вента представляет собой втулку, торец которой выполнен со щелями до 0,25 мм или закрыт сеткой, через которые свободно проходит воздух и не проходит стержневая смесь или сыпучий наполнитель (песок). Корпус венты запрессовывают в отверстия литейной оснастки; изготавливают литьем из сплавов Al, Си, Zn, Fe ИЛИ пластмассы, обработкой резанием, либо резанием с последующей сборкой. В соответствии с гостом, диаметр вент составляет 6-25 мм. Из вышеуказанного следует, что процесс изготовления системы вентиляции в литейной оснастке состоит из 3 операций: - производство (изготовление) вент; это трудоемкий и дорогостоящий процесс, требующий специальной оснастки и оборудования; кроме того, например, сетчатые венты плохо вписываются в контуры полостей оснастки и могут провисать; - сверление и подготовка отверстий в стенках оснастки; - монтаж (запрессовка) вент в отверстия (гнезда) оснастки; Изготовление системы вентиляции при помощи СВС-процесса и материалов позволяет совместить две операции: изготовление и монтаж вент в отверстиях стенок оснастки; сократить технологический цикл, энерготрудоемкость и, как следствие, себестоимость отливки.
