35/22
Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, № 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308ZALEŻNOŚĆ SIŁY NAPORU STRUMIENIA DWUFAZOWEGO OD PARAMETRÓW PROCESU WDMUCHIWANIA
PROSZKÓW
J. JEZIERSKI1, J. SZAJNAR2
Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Zakład Odlewnictwa, Politechnika Śląska 44-100 Gliwice, ul. Towarowa 7, POLAND
STRESZCZENIE
W artykule przedstawiono wyniki badań siły naporu dynamicznego strumienia dwufazowego. Przedstawione badania nie dotyczyły właściwego procesu wdmuchiwania (do ciekłego metalu) i były badaniami mającymi określić zakres zmienności wartości siły naporu strumienia dla różnych parametrów geometrycznych oraz przepływowych urządzenia nadawczego. Pozwoliły one określić podstawowe parametry wpływające na jej wartość.
Key words: powder injection, pneumatic transportation, liquid cast iron, diphase stream velocity, diphase stream force.
1.WPROWADZENIE
Wdmuchiwanie proszków lancą nie zanurzoną, wskazane dla realizacji niektórych zabiegów metalurgicznych niesie za sobą wiele niebezpieczeństw, wśród których największym jest trudność z uzyskaniem wystarczającego zasięgu strumienia cząstek w ciekłym stopie. W przypadku lancy zanurzonej mamy do czynienia z przypadkiem, gdy opuszczający lancę strumień dwufazowy wnika bezpośrednio do ośrodka, jakim jest ciekły stop. W przypadku lancy nie zanurzonej, strumień niesionych poprzez gaz nośny cząstek proszku wnika w głąb kąpieli metalowej dopiero po pokonaniu ośrodka przejściowego, jakim jest powietrze otoczenia. W tym momencie pojawiają się trudności zarówno przy opisie mechanizmu procesu, jak
1dr inż., jan.jezierski@polsl.pl
2dr hab. inż., jan.szajnar@polsl.pl
247
i bezpośrednio wynikające z zapewnienia technologiczności takiej metody wprowadzania reagentów.
Wiadomo, że warunkiem koniecznym uzyskania wysokich parametrów technologicznych dowolnego procesu metalurgicznego przy użyciu pneumatycznych metod wprowadzania reagentów jest równomierne rozprowadzenie ich w całej objętości obrabianego stopu. O ile dla lancy zanurzonej nie sprawia to na ogół większych problemów o tyle w drugim przypadku nie jest to często takie łatwe do uzyskania.
Pojawia się tu problem uzyskania przez strumień dwufazowy wystarczającej energii kinetycznej do pokonania oporów ośrodka ciekłego o dużej gęstości, jakim jest ciekły stop. Od jej wartości zależy w dużym stopniu wielkość uzyskiwanego zasięgu strumienia w ciekłym metalu, od którego z kolei zależy intensywność mieszania oraz asymilacji wprowadzonego reagenta. Aby wskaźniki procesu wdmuchiwania lancą niezanurzoną były na odpowiednim poziomie, należy ustalić takie wartości parametrów pneumatycznych, aby uzyskać odpowiednie prędkości strumienia na wylocie z lancy wdmuchującej. Dzięki temu siła naporu strumienia jest wystarczająca dla jego wniknięcia przez granicę ośrodków gaz-ciekły stop i osiągnięcia wystarczającego w nim zasięgu [1,2,3,4]
W Zakładzie Odlewnictwa Politechniki Śląskiej, specjalizującym się w problematyce wdmuchiwaniu proszków prowadzone są badania mające wyjaśnić charakter przepływu i wpływ dynamiki strumienia dwufazowego na osiągane rezultaty procesu [3,5,6,7,8]. W niniejszej publikacji opisano wyniki badań laboratoryjnych opartych o pomiar siły naporu strumienia dwufazowego przy użyciu przyrządu pomiarowego z komputerową jej rejestracją. Badanie te pozwoliły na dokonanie analizy zmienności siły naporu w czasie trwania procesu oraz wpływu poszczególnych parametrów na je wartość.
2. STANOWISKO BADAWCZE I METODYKA BADAŃ
W celu określenia wartości siły naporu dynamicznego strumienia dwufazowego gazowo-proszkowego przeprowadzono eksperymenty z wykorzystaniem stanowiska badawczego przedstawionego na rys. 1. Zostało ono oparte o typowy podajnik transportu pneumatycznego wysokociśnieniowego a analizowany układ wprowadzania proszku (lanca pionowa stalowa połączona z podajnikiem elastycznym przewodem gumowym) odpowiada procesowi wdmuchiwania proszków lancą niezanurzoną. W układzie zastosowano specjalnie zaprojektowany tensometryczny przyrząd do pomiaru wartości siły naporu strumienia atakującego powierzchnię pomiarową. Dzięki opcji ciągłej rejestracji i przekazywania danych do komputera, możliwe było opracowanie wykresów zmienności wartości siły w całym okresie transportu proszku.
W eksperymentach wykorzystywano lance wdmuchujące o trzech średnicach wewnętrznych: 5,6; 6,1 i 7,6 mm i długości 1m. Materiałem sypkim użytym w badaniach był polistyren o średniej wielkości ziaren 0,4mm. Prowadzone badania są kontynuacją badań autorów nad zagadnieniami wdmuchiwania proszków lancami nie
248
zanurzonymi, dlatego też można było znacznie zmniejszyć ilość zmiennych (na podstawie wniosków z wcześniejszych badań), których wpływ na analizowane zjawiska przewidywano.
Rys. 1. Schemat stanowiska badawczo-pomiarowego: 1- podajnik transportu pneumatycznego, 2- układ zasilania gazem nośnym, 3-lanca, 4-tensometryczny przyrząd do pomiaru siły naporu, 5- elektroniczny rejestrator wartości siły, 6- komputer.
Fig. 1. Research stand scheme: 1-chamber feeder, 2-carrier gas supply, 3-injection lance, 4- tensometric device for force measurement, 5- electronic force register, 6-computer.
Przyjęto następujące zmienne niezależne:
- ciśnienie zasilania p1 = 0,1; 0,2; 0,3; MPa,
- ciśnienie wewnątrz podajnika p4 = od 0,05 do 0,3MPa co 0,05MPa, - średnia wielkość cząstki dcz = 0,4mm,
- odległość lancy od powierzchni pomiarowej H = 10; 40; 80 mm.
Takie parametry pracy układu są możliwe i właściwe z punktu widzenia osiągnięcia zakładanych efektów technologicznych, na co wskazują wyniki wcześniejszych badań.
Pojedynczy eksperyment zasadniczo nie różnił się od typowych procesów wdmuchiwania lancą niezanurzoną opisanych dokładnie w [3]. Istotną różnicę stanowiła jedynie końcowa część procesu, w której materiał proszkowy zamiast wniknąć wgłąb ciekłego stopu, uderzał w powierzchnię tensometrycznego urządzenia pomiarowego. W prowadzonych eksperymentach dokonano analizy następujących wielkości opisujących przemieszczanie mieszaniny gaz-proszek:
- masowe natężenie przepływu gazu transportowego, - masowe natężenie proszku,
- stężenie masowe mieszaniny dwufazowej,
249
- prędkość gazu u wylotu z lancy,
- dynamiczny napór strumienia mieszaniny gaz-proszek.
3. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ
Ciągła rejestracja siły naporu pozwoliła na stworzenie wykresów jej zmienności (powstało 27 wykresów), przykładowe przedstawiono na rys. 2 i 3.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,
czas t[s]
siła naporu F[mN]
5 p1=0,1 p4=0,05 p1=0,1 p4=0,1 p1=0,1 p4=0,15 p1=0,1 p4=0,2 p1=0,1 p4=0,25 p1=0,1 p4=0,3
Rys.2. Przebieg zmian siły naporu w czasie dla lancy o średnicy 6,1mm i odległości od powierzchni pomiarowej 10mm dla ciśnienia p1=0,1MPa.
Fig. 2. Way of stream force’s changing for the lance with inside diameter equal 6,1mm and a distance from measuring surface equal 10mm and pressure p1=0,1MPa.
Analizując charakter zmienności siły można zauważyć charakterystyczne dwa piki – na początku i na końcu procesu wdmuchiwania proszku. Zwłaszcza dobrze widoczny jest końcowy wzrost wartości siły związany z transportem ostatniej porcji proszku opuszczającej lancę z dużo większą prędkością. Pierwszy (widoczny nie w każdym przypadku) pik związany jest natomiast z początkowym uderzeniem strumienia cząstek w powierzchnię pomiarową, po którym następowała stabilizacja wartości siły.
Jednak widoczne są, zwłaszcza dla pewnych wartości ciśnień w układzie, drobne pulsacje wartości siły naporu, choć jak widać z wykresów na odcinku ustabilizowanych parametrów przepływowych można przyjąć niewielką jej zmienność. Ponieważ jednak najistotniejszy dla procesu wdmuchiwania proszków jest zakres stabilnych warunków przepływowych, dla dalszych analiz (statystycznych) odrzucono wartości siły odpowiadające zarejestrowanym pikom.
250
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
czas t[s]
siła naporu F[mN]
p1=0,3 p4=0,05 p1=0,3 p4=0,1 p1=0,3 p4=0,15 p1=0,3 p4=0,2 p1=0,3 p4=0,25 p1=0,3 p4=0,3
Rys. 3. Przebieg zmian siły naporu w czasie dla lancy o średnicy 7,6 mm i odległości od powierzchni pomiarowej 80mm dla ciśnienia p1=0,3MPa.
Fig. 3. Way of stream force’s changing for the lance with inside diameter equal 7,6mm and a distance from measuring surface equal 80mm and pressure p1=0,3MPa.
Wyniki pomiarów umożliwiły przeprowadzenie analizy wpływu poszczególnych parametrów procesu na analizowaną wartość siły naporu. Poniżej przedstawiono uzyskane zależności opisujące jej wartość oraz wykresy przedstawiające graficznie tendencje zmian w zależności od wartości ciśnień w instalacji wdmuchiwania (ciśnienie zasilania p1 oraz ciśnienie w podajniku komorowym p4).
Siła dynamicznego naporu strumienia dla wypływu tylko gazu nośnego, lanca o średnicy 5,6mm umieszczona w odległości 10mm:
F = 0,022 + 2,46 p1 + 1,52 p4 (1) Siła dynamicznego naporu strumienia dla wypływu tylko gazu nośnego, lanca o średnicy 5,6mm umieszczona w odległości 40mm
F = -0,016 + 1,81 p1 + 0,97 p4 (2) Z analizy otrzymanych równań oraz zamieszczonych dalej wykresów (rys. 4 i 5) wynika, że najsilniej na wartość siły naporu strumienia dwufazowego na wylocie z lancy wpływa wartość ciśnienia zasilania p1. Jego zwiększanie powoduje mimo zmniejszenia się wartości masowego stężenia mieszaniny większą wartość siły naporu.
251
0 0,05 0,1 0,15
0,2 0,25 0,3 0 0,1
0,2 0,3 0,0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
F [mN]
p4 [MPa]
p1 [MPa]
Rys. 4. Zależność siły dynamicznego naporu gazu nośnego od ciśnień w układzie, lanca 5,6mm, odległość 10mm.
Fig. 4. Dependence between carrier gas force and pressures in installation, lance 5,6mm, distance 10mm.
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0 0,1
0,2 0,3 0,0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
F [mN]
p4 [MPa]
p1 [MPa]
Rys. 5. Zależność siły dynamicznego naporu gazu nośnego od ciśnień w układzie, lanca 5,6mm, odległość 10mm.
Fig. 5. Dependence between carrier gas force and pressures in installation, lance 5,6mm, distance 40mm.
252
Zależność 3 oraz następnie rys. 6 przedstawiają wpływ koncentracji masowej mieszaniny µ oraz prędkości gazu na wylocie z lancy wk na wartość siły naporu dynamicznego strumienia gazowo-proszkowego.
Siła dynamicznego naporu strumienia dla wdmuchiwania polistyrenu, lanca 5,6mm, odległość 10mm:
F = -0,731 + 0,021 • wk + 0,024 • µ (3)
30 40 50 60 70 80 90100110 120130140 12 18
24 30
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
F [mN]
wk [m/s]
u [kg/kg]
Rys. 6. Zależność siły dynamicznego naporu mieszaniny gaz-proszek od masowego stężenia mieszaniny oraz prędkości gazu na wylocie z lancy dla wdmuchiwania polistyrenu, lanca 5,6mm, odległość 10mm.
Fig. 6. Dependence between gas-powder mixture force, mixture mass concentration and gas in lance outlet velocity for injection of polystyrene, lance 5,6mm, distance 10mm.
Z analizy zależności siły naporu od prędkości gazu na wylocie z lancy wk oraz koncentracji µ wynika, że obie te wielkości wpływają na badaną siłę rosnąco. Należy więc w praktyce dążyć do zapewnienia jak największej prędkości strumienia przy dużej jego koncentracji co w pewnym sensie się wyklucza, gdyż prędkość przy znaczącym wzroście koncentracji strumienia dwufazowego maleje.
Decydujące w tym przypadku o wzajemnej proporcji wartości tych parametrów muszą być wówczas wskaźniki technologiczne, jak np. czas wdmuchiwania, którego wielkość silnie zależy od masowego stężenia wdmuchiwanej mieszaniny.
4. WNIOSKI
Na podstawie badań siły dynamicznego naporu strumienia sformułowano następujące wnioski i uwagi do dalszych badań:
253
1. Prędkość gazu na wylocie lancy zależy przy ustalonej geometrii układu przede wszystkim od średnicy lancy wdmuchującej.
2. Wartość siły naporu strumienia dwufazowego rośnie wraz ze wzrostem ciśnień a maleje wraz z oddaleniem wylotu lancy od powierzchni pomiarowej.
3. Można zaobserwować (na wykresach zmienności siły w czasie) duże wahania wartości siły i charakterystyczne dwa piki – na początku i pod koniec procesu.
4. Znaczny wpływ na wartość siły naporu strumienia dwufazowego ma stężenie masowe mieszaniny i prędkość strumienia na wylocie lancy.
LITERATURA
[1] Jezierski J., Jura S., Janerka K., Pneumatyczne wprowadzanie żelazokrzemu do ciekłego żeliwa. Archiwum Odlewnictwa, Nr 1 (1/2),2001.
[2] Jezierski J., Jura S., Janerka K., Pneumatyczne wprowadzanie FeCr do ciekłego żeliwa. Archiwum Odlewnictwa, Rok Nr 1 (2/2),2001.
[3] Jezierski J., Pneumatyczne wprowadzanie dodatków stopowych do ciekłego żeliwa. Praca doktorska, Politechnika Śląska, Gliwice 2002.
[4] J. Jezierski. Pneumatic injection of ferroalloys into liquid cast iron. 12-th Metallurgical & Material Conf. 20-22.05.2003r. Hradec n. Moravici. Czechy.
[5] J. Jezierski, S. Jura, Wdmuchiwanie żelazostopów do ciekłego żeliwa. Acta Metallurgica Slovaca, 7, 2001.
[6] Jezierski J, Jura S, Janerka K.: Wskaźniki technologiczne wprowadzania dodatków stopowych do ciekłego żeliwa, Mat. Międz. Konf. Transport Pneumatyczny TP 2002, Gliwice, 2002
[7] Jezierski J, Jura S, Janerka K., Wykorzystanie drobnych frakcji żelazostopów poprzez ich wstrzeliwanie do ciekłego żeliwa. IX Międzynarodowa Konferencja Odlewników WSPÓŁPRACA’03, Kraków, 28-30.04.2003.
[8] J. Jezierski. Pneumatic powder injection into liquid alloys as a tool of quality improving. 13-th Met. & Material Conf., Hradec n. Moravici. Czechy 2004.
DEPENDANCE BETWEEN DIPHASE STREAM FORCE AND PARAMETERS OF POWDER INJECTION PROCESS
SUMMARY
In the article has been presented the results of the experiments with diphase stream force on the liquid medium surface. The experiments shown are not a exact ones (injection into liquid metal) but are the model description of that problem. The aim was to show how some parameters affect on the diphase stream force changing.
Recenzował Prof. Józef Gawroński
