книги из ГПНТБ / Разумов, В. Н. Технология литейного производства учеб. пособие

углеродистых твердых веществ. Выделяющиеся в этот период газы вредны. В частности, вредны СО , акролеин (СН 2= С Н —СН = 0), образующийся из масляных кре­ пителей, фенол (СбН5ОН) и формальдегид (С Н 2 = 0 ), продукты разложения искусственных смол. Поэтому выделяющиеся из формы газы необходимо обезврежи­ вать. Наиболее часто их поджигают на выходе из фор­ мы, в более современных процессах их дополнительно улавливают и обезвреживают в специальных установках.

Выделение газов из органических веществ довольно подробно изучил Д . М. Колотило. Некоторые данные, полученные им, приведены ниже.

стержневые смеси в количестве от 2 до 5%. Поэтому из грамма смеси выделяется в 20—50 раз меньше газов, чем указано в таблице. Однако и при этом органические вещества создают особый газовый режим в форме.

При температурах выше 700—800° С возможно вос­ пламенение углеродистых веществ и горючих газов в по­ рах смеси. Однако, как подчеркивает Я- И. Медведев, содержание кислорода в порах к этому моменту настоль­ ко мало, что им можно окислить не более сотой доли го­ рючих веществ и газов в процессе горения образуется не более 0,5—0,6 см3/г смеси.

Э. Н. Куртеев и В. Г. Якимец обнаружили, что в при­ сутствии кислорода объем выделяющихся при термоде­ струкции органики газов уменьшается. В своих опытах по­

120

объему газов, выделившихся при деструкции одной и той же органики в среде аргона, азота и т. д. Следователь­ но, кислород в порах смеси, содержащей органику, ско­ рее приводит к уменьшению объема выделяющихся га­ зов, чем к увеличению его за счет горения углеродистых веществ.

При температурах выше 800° С образовавшиеся газы взаимодействуют с углеродистыми веществами. В част­

дят к увеличению объема газов. В результате диссоциа­ ции углеводородов, кроме того, на поверхности песчинок осаждается блестящая пленка пироуглерода.

П р и тем ператур ах выше 800° С происходит прокалка минералов, сопр овож даю щ аяся выделением кристалли ­ зационной и конституционной влаги . Некоторы е м инера­ лы при прокалке диссоциирую т на составны е окислы . В частности , карбонаты при прокалке превращ аю тся в оки­ сел м еталла, углекислоту и пары воды . Н априм ер

M g C 0 33 H 20 - v M g 0 + C 0 24 -3 H 20 . Естественно , что про­ калка минералов так ж е сл уж и т причиной выделения газов из стенок форм и стерж ней .

Твердые частицы смеси могут адсорбировать на сво­ ей поверхности значительное количество воздуха и дру­ гих газов. При нагреве смеси адсорбированные газы ос­ вобождаются и увеличивают объем газов. К сожалению, мы не располагаем какими-либо количественными ха­ рактеристиками этого процесса и потому учитываем

только увеличение объема газов из-за нагрева его в порах стенки формы или стержня.

В результате рассмотренных процессов в стенках форм и стержней, как определил В. А. Чечулин, газы имеют состав, приведенный в табл, на стр. 122.

По этим данным при наличии в смесях той или иной органики, при заливке стали, газы в основном состоят из СО и Н 2. При заливке чугуна обнаруживается еще по­ вышенное содержание углеводородов. При заливке алю­ миния в газах преобладают N2, 0 2 и С 0 2. Отсюда можно сделать вывод о том, что состав газов в первую очередь

121

8% воды

определяется степенью прогрева стенки формы и только во вторую очередь качеством органической добавки.

Мы знаем, что при тепловом взаимодействии распла­ ва с песчаной формой в последней появляется изменяю­ щееся во времени температурное поле параболического типа. Для наиболее опасного интервала времени от на­ чала контакта расплава с формой и до образования на отливке достаточно прочной твердой корки, температур­ ное поле в стенке сухой формы или стержня можно вы­ разить уравнением

контакта.

На рис. 56 показаны примерные температурные кри­ вые для сухой формы в моменты времени ті и т2. Пользу­ ясь ими, мы можем определить глубину зон, в которых происходит газовыделение за счет процессов деструкции органических веществ, прокалки минералов и т. п. Для этого надо отложить соответствующие температурные

122

А — температурные кривые и зоны газовыделення в стенке сухой песчаной формы; Б — температурная кривая и зоны распределе­ ния влаги в стенке сырой песчаной формы

интервалы процессов и определить точки пересечения их с температурными кривыми.

Следует обратить внимание на то, что в зоне контак­ та формы с расплавом газ выделяется сразу за счет всех возможных процессов, следовательно достигает максиму­ ма с первого же момента взаимодействия. В глубине стенки формы газовыделение начинается с некоторым запаздыванием и происходит более постепенно, сначала

сг

Вприведенных уравнениях приняты следующие обозначения:

И^нач — начальная абсолютная влажность смеси р стен­ ке формы;

123

/в —■ скрытая теплота испарения влаги; св— теплоемкость влаги до испарения;

4»ач — начальная температура смеси и влаги, находя­ щейся в ней;

с2— теплоемкость сухой смеси.

Вычитая полученные значения Аt из температур, най­ денных для сухой формы, найдем инстинную температу­ ру для зоны, где произошло полное высушивание смеси, т. е. на участке х\. На рис. 56 эта температура показана кривой 2.

Если из значений t сухой формы (кривая 1 рис. 56) вычесть только ту часть, которая идет на нагрев влаги до температуры испарения, т. е. вычесть

то мы получим кривую температур tm. Пересечение этой кривой с линией Аспар покажет тот участок формы, где наряду с нагревом влаги будет происходить и частичное

нится на уровне 100° С. Однако для приближенных рас­ четов этим уточнением можно пренебречь ради более простой схемы процесса, предложенной П. Н. Аксено­ вым и А. П. Труховым.

В соответствии с упрощенной схемой в зоне х2 дол­ жен соблюдаться следующий баланс тепла

124

(WH34- W ) l B= C2(tm- t HCUap),

где W— изменяющаяся влажность смеси в зоне х2; tm— изменяющаяся температура, определяемая по

вспомогательной кривой температур.

Отсюда изменение влажности в зоне х2 можно найти с помощью уравнения

IВ

В зоне Хз начинается конденсация паров, и влажность смеси уже превышает начальную. Баланс тепла и соот­ ветствующее изменение влажности в этой зоне можно представить уравнениями

Протяженность зоны х4 можно найти с помощью эпюр влажности, приравняв площади эпюр зон испарения F\, F2 площадям эпюр зон конденсации паров F3, F 4, F5. В итоге

сах и в метрах.

Получив истинную кривую температур в стенке сырой формы и установив зоны испарения и конденсации вла­ ги, можно найти остальные зоны газообразования с до­ статочной точностью. Следовательно, можно рассчитать и общее количество газов, выделившихся из стенки фор­ мы к данному моменту времени. Однако такие расчеты получаются громоздкими и не всегда достаточно точны­ ми, т. к. приходится допускать ряд предположений. Ес­ тественно, что исследователи стали искать более простые

125

методы расчета. А. Ф. Спасский и А. А. Рыжиков выде­ лили в стенке формы только две зоны: первую, где к данному моменту времени газообразование закончилось, и вторую, где идет процесс газообразования, начиная от испарения влаги и кончая прокалкой минералов. Для первой зоны объем выделившихся газов с 1 см2 поверх­ ности контакта с расплавом Ѵіуд можно найти из равен­ ства

уд— (тк)Рг 1>

где k — процент газообразующего вещества в смеси; ѵ(тк)— объем выделяющихся газов из единицы мас­ сы смеси, отнесенный к 1% газообразующего

вещества, при полном завершении газообра­ зования;

Рг— удельная плотность смеси; толщина слоя смеси в первой зоне.

Толщину первой зоны | авторы предлагают опреде­ лять по температурному полю в стенке формы, исполь­

Если допустить прямолинейный закон изменения Ѵ(Х) во всей зоне, т. е. положить

( х )

Тк—Тнг

то после интегрирования будем иметь

1

Здесь Тт соответствует температуре начала газообразо­

Г2П — Т’ гнач

Впоследнем уравнении можно без большой погрешно­ сти все величины, кроме т, принять для периода от нача­ ла контакта до образования на отливке твердой корки металла постоянными. Тогда уравнение примет простей­

ший вид

жет быть найден экспериментальным путем. Его часто называют удельной газотворностыо смеси.

Введение в расчет экспериментально найденной ве­ личины позволяет значительно уменьшить ошибки расче­ та из-за принятых допущений и упрощений реального процесса газообразования и в то же время приводит к облегчению самих расчетов.

Такое же расчетное уравнение получено, хотя и не­ сколько иным путем, П. П. Бергом и Я. И. Медведевым. Для смесей с несколькими газообразующими добавками они записывают его в следующем виде Еуд= ( а 1+ а 2+

-f-.-.+fln) V т.

Значения удельной газотворности, отнесенные к 1% газообразующего вещества, по опытным данным пример­

127

Как и следовало ожидать, наибольшее количество газов выделяется при наличии в стенке формы воды. Ор­ ганические добавки по газотворности оказались весьма различными. Наименьшее количество газов из исследо­ вавшихся авторами веществ дали связующее П и олифаоксоль.

Общее количество выделившихся из стенки формы газов при мгновенном контакте с расплавом по всей по­ верхности находится из равенства

срасплавом.

Вреальных условиях в период заливки площадь поверхности контакта sT изменяется во времени от 0 до s

Здесь г»в — вертикальная скорость движения расплава в полости формы;

П— периметр стенки формы, смоченный распла­ вом.

Полученное интегральное уравнение для конкретных случаев может быть решено со всей строгостью. Напри­ мер, для вертикально стоящего цилиндрического стерж­ ня, установленного по всей высоте формы, при ив = const

В завершение познакомимся с методом, предложен­ ным И. Б. Куманиным, Л . Я- Козловым и В. И. Самсо­ новым. Исходя из того, что массу выделившихся газов

можно представить уравнением М т— В У т, аналогич­ ным уравнению для определения количества поглощен­

128

T. e. удельный коэффициент газообразования, выражен­ ный в нормальных объемах, отнесенных к поглощенному стенкой формы теплу, — величина постоянная, зависящая только от свойств смеси. Опытным путем они установи­ ли, что ф для различных смесей колеблется в пределах от 2,1-10-3 до 9,8 -ІО-3 Нм3/МДж. Зная количество по­ глощенного стенкой формы тепла и коэффициент ф, можно найти массу выделившихся газов. Чтобы иметь возможность вести пересчет коэффициентов газовыделения ф и а, авторы предложили следующую рабочую фор­ мулу

где п — показатель степени температурной параболы для начального периода теплового взаи­ модействия — можно принимать равным

1,75— 1,76;

или проникают в расплав. На рис. 57 схематично пока­ заны возможные пути удаления газов из стенки формы и стержня в начальный и заключительный периоды за­ ливки.

Чтобы газы не проникали в расплав и не портили отливку, необходимо выдержать следующее условие