Способ замораживания песчаных стержней

 

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам замораживания стержней с использованием сжиженных газов, например азота. Сжиженный газ подают в толщу стержня несколькими порциями, чередуя подачу каждой порции с подачей и фильтрацией сквозь поры стержня атмосферного воздуха. После подачи порции сжиженного газа поверхностный слой формы охлаждается для отрицательных температур. Атмосферный воздух в результате теплообмена с замороженным слоем охлаждается, а затем охлаждает и внутренние слои стержня. В результате обеспечивается снижение расхода сжиженного газа при одновременном исключении коробления стержня.

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам замораживания стержней с использованием сжиженных газов, например азота.

Известен способ замораживания литейных форм и стержней, включающий подачу сжиженного газа через коллектор к поверхности стержня и последующую герметизацию коллектора для направленной фильтрации образовавшихся паров сквозь толщу стержня [1].

Наиболее близким по технической сущности является способ замораживания стержней [2] , заключающийся в том, что полость стержневого ящика, заполненного влажным песком, с одной стороны соединяют с изотермической емкостью, а с другой с вакуумным насосом, обеспечивающим фильтрацию газообразного хладоагента через поры стержня.

Эти способы позволяют использовать для замораживания не только тепловой эффект испарения жидкого азота, но и холод образовавшихся паров. Недостатком этих способов является то, что требуемое расчетное количество сжиженного газа подается к поверхности стержня непрерывно, поэтому к моменту окончания замораживания стержня, когда он приобретает необходимую эксплуатационную прочность по его сечению имеет место большой градиент температур. В местах подвода сжиженного азота температура стержня составляет около -100^oС, а в центре около - 10^oС. В тоже время известно [3], что оптимальная температура замораживания лежит в пределах -50÷-75^oС, дальнейшее снижение температуры не приводит к существенному улучшению свойств замороженных стержней, а лишь к существенному увеличению расхода жидкого азота. Такой градиент приводит также к короблению сложных тонкостенных стержней и безопочных форм после извлечения их из оснастки и соответственно к снижению размерной точности отливок.

Задачей изобретения является снижение расхода сжиженного газа (например, жидкого азота) и предупреждение коробления замороженных стержней.

Поставленная задача достигается тем, что количество сжиженного газа, необходимое для равномерного замораживания стержня на заданную глубину до заданной отрицательной температуры, подают в толщу стержня порциями, чередуя подачу каждой порции с подачей после и фильтрацией сквозь поры стержня атмосферного воздуха. Количество сжиженного газа, необходимого для замораживания стержня, определяется по уравнению теплового баланса.

Сущность предложенного способа заключается в следующем. После подачи порции сжиженного газа в стержень благодаря низкой теплопроводности смеси ее слой, прилегающий к поверхности охлаждается до отрицательных температур, близких к температуре испарения, а глубинные слои сохраняют положительную температуру. В этот момент тем же путем в стержень подают атмосферный воздух, как и сжиженный газ, за счет избыточного давления или вакуумирования полости стержневого ящика, обеспечивающих его фильтрацию через поры стержня. Вначале воздух соприкасается с замороженным низкотемпературным слоем и охлаждается до отрицательных температур, попадая затем в слой с положительной температурой, он охлаждает его. Тем самым он повышает эффективный коэффициент теплопроводности смеси и соответственно резко снижает градиент температур по сечению замораживаемого стержня. Предлагаемый способ позволяет за счет варьирования величины порций сжиженного газа временного интервала между этими порциями, скорости фильтрации паров хладоагента и атмосферного воздуха снизить расход сжиженного газа до минимума. Конкретные значения величины порций сжиженного газа, продолжительности временного интервала между этими порциями, скорости фильтрации газа сквозь поры стержня назначаются в каждом конкретном случае в зависимости от требований к производительности изготовления стержней и их качеству, конфигурации стержня грануллометрического состава песка по результатам расчетов или эксперимента.

Практическое осуществление способа показано на примере изготовления стержня весом 54 кг. Для равномерного замораживания его основной массы (50 кг) до -50^oС согласно расчета потребуется 9,4 кг жидкого азота. Полностью во избежание нежелательных напряжений стержень замораживать нельзя.

Влажность песка составляла 5%. Песок уплотняли в герметизированном стержневом ящике, снабженным термопарами, с помощью которых можно было контролировать температуру стержня в процессе его замораживания на разных расстояниях от охлаждаемой поверхности. Затем ящик соединяли с изотермической емкостью, с жидким азотом и с вакуумным насосом. Включали насос и азот начинал поступать в стержень. Опробовали несколько вариантов замораживания. В первом варианте подачу прекращали только после прохождения 9,4 кг азота, в остальных через некоторое время изотермическую емкость отключали от ящика и соединяли его с атмосферой при работающем вакуумном насосе на определенный временной интервал, затем снова подавали жидкий азот, потом прекращали подачу и подавали атмосферный воздух и так до приобретения стержнем достаточной прочности. Варианты дискретного замораживания отличались соотношением времен подачи жидкого азота и атмосферного воздуха. При первом непрерывном варианте температура после замораживания на поверхности стержня составила -190^oС, на расстоянии 14 мм от нее -130^oС, на расстоянии 40 мм -20^oС, в центре +20^oС.

Из дискретных вариантов замораживания наилучшим оказался вариант с небольшими порциями азота и короткими интервалами между ними. Здесь температура на расстоянии 4 мм от поверхности стержня составила -46^oС, на расстоянии 60 мм -23^oС и 0^oС - в центре, расход азота снизился в три раза по сравнению с первым вариантом и составил 100 г жидкого азота на 1 кг песка. Такой расход жидкого азота не является предельно низким. Его можно снизить за счет широких возможностей, присущих дискретному способу замораживания для варьирования временем и интенсивностью подачи хладоагента и хладоносителя также с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей стержней при отсутствии необходимости в сплошном их промораживании.

Заявленное изобретение является новым, т.к. не известно аналогов из отечественных и зарубежных источников информации.

Опытные использования способа замораживания песчаных стержней подтверждают промышленную применимость технического решения.

Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР 1014627, кл. В 22 С 9/00.

2. Авторское свидетельство СССР 916049, кл. В 22 С 9/00, 15/28.

3. Грузман В.М. Литье в замороженные формы. - М.: НИИМАШ, 1983.

Формула изобретения

Способ замораживания песчаных стержней, включающий подачу сжиженного газа в толщу стержня, отличающийся тем, что подачу газа осуществляют порциями, чередуя с подачей и фильтрацией сквозь поры стержня атмосферного воздуха.