EA026982B1

EA026982B1 - Устройство для испытания на термическую эрозию

Info

Publication number: EA026982B1
Application number: EA201491696A
Authority: EA
Inventors: Сэм Н. Рамраттан
Original assignee: Вестерн Мичиган Юниверсити Рисерч Фаундейшн
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2017-06-30
Also published as: EP2846947A2; US9121804B2; EA201491696A1; EP3424613A1; US20130243027A1; WO2013138817A2; WO2013138817A3; EP2846947A4

Abstract

Получено устройство для испытания на термическую эрозию, содержащее вращающийся нагретый элемент, который приспособлен для вхождения в контакт с образцом формовочной смеси, размещенным в устройстве для испытания на термическую эрозию, нагревательный элемент для нагревания вращающегося нагретого элемента и электродвигатель для приведения во вращение вращающегося нагретого элемента, в котором вращающийся нагретый элемент приспособлен для вхождения в контакт с образцом формовочной смеси, в то время как вращающийся нагретый элемент вращается, вызывая эрозию образца формовочной смеси, способ испытания на термическую эрозию и способ испытания на термическую эрозию образца формовочной смеси, когда он находится в контакте с нагретым элементом.

Description

Связанные песчаные литейные стержни и литейные формы, содержащие смеси песка и глины или химических связующих веществ, и, при необходимости, огнеупорные покрытия, являются важной частью технологии литья металлов. Поведение связанных песчаных литейных стержней и литейных форм или литейных стержней из сырой формовочной смеси и форм, когда они помещены в контакт с расплавленным металлом, важно для контроля качества металлической отливки, сформированной с использованием этих песчаных литейных стержней и литейных форм. Осыпаемость формовочной смеси является одним фактором, который воздействует на качество отливки с использованием связанного песчаного литейного стержня или литейной формы.

Осыпаемость - это способность твердого вещества измельчаться на мелкие части, и осыпаемость формовочной смеси считается мерой сопротивления истиранию формовочной смеси. Осыпающаяся формовочная смесь - это формовочная смесь, которая не в состоянии выдерживать эрозионный поток расплавленного металла в процессе литья. Осыпающиеся формовочные смеси теряют зерна формовочной смеси в текущий расплавленный поток, и осыпающаяся формовочная смесь вызывает дополнительную эрозию и дефекты включений. Когда осыпаемость формовочной смеси, используемой в литейной форме, увеличивается, способность вытягивания глубоких карманов уменьшается, и формовочная смесь от верхней половины формы падает к нижней половине формы и приводит к дефекту в отливке. Песчаные формовочные смеси могут становиться очень осыпающимися, если происходит слишком большой приток стержневой формовочной смеси или новой формовочной смеси и связующего вещества в ходе процесса смешивания. Новое связующее вещество требует нескольких проходов через смеситель, прежде чем будут получены его необходимые свойства.

Осыпаемость обратно пропорциональна уплотняемости. Чем ниже уплотняемость, тем выше осыпаемость. Некоторые формовочные смеси в зависимости от их состава и влажности и/или содержания глины крайне чувствительны к влажности в отношении их уплотняемости.

Согласно существующему испытанию на осыпаемость по стандарту АР8 два образца формовочной смеси по стандарту АР8 (образцы, которые имеют цилиндрическую форму диаметром 2 дюйма и высотой 2 дюйма) размещают рядом друг с другом на цилиндрическом сите диаметром 7 дюймов, затем сито вращается в течение 1 мин, вызывая вращение образцов и трение друг о друга. Испытание обычно выполняют сразу после подготовки образца, но он может быть испытан после различных интервалов сушки воздухом. Когда образцы вращаются, формовочная смесь, истирающаяся с поверхности, собирается в поддоне. Потеря веса обычно выражается как потеря веса образцов формовочной смеси, разделенная на первоначальный вес оригинала (обоих образцов) и умноженная на 100 для получения осыпаемости в процентах. Работа Комитета по испытаниям сырой формовочной смеси по АР8 предполагает, что уровень осыпаемости менее 10% является в целом удовлетворительным для использования в формах и литейных стержнях. Если осыпаемость формовочной смеси будет больше 10%, то форма, включающая формовочную смесь, будет подвержена эрозии и образованию дефектов типа включений при использовании с расплавленным металлом.

Используемое в настоящее время испытание на осыпаемость по АР8 проводится при комнатной температуре и включает совместное истирание двух образцов формовочной смеси, имеющих комнатную температуру. Используемое в настоящее время испытание на осыпаемость также не учитывает давление, которое создается при отливке расплавленного металла с высоты. Используемое в настоящее время испытание на осыпаемость также не имеет какого-либо механизма или варианта, представляющего отношение металла к формовочной смеси. Таким образом, существующее в настоящее время испытание на истирание двух образцов совместно точно не отображает то, что происходит в реальной ситуации литья.

Сущность изобретения

Один объект настоящего изобретения включает в себя устройство для выполнения испытания на термическую эрозию образца формовочной смеси, включающее в себя держатель образца, который удерживает образец формовочной смеси. Вращающийся нагретый элемент расположен под держателем образца и в рабочем положении вращается электродвигателем. Вращающийся нагретый элемент приспособлен для прохождения через отверстие в держателе образца для вхождения в контакт с образцом, когда вращающийся нагретый элемент в рабочем положении вращается электродвигателем. Под держателем образца расположена воронка, при этом воронка приспособлена для сбора осыпающейся формовочной смеси, истираемой с образца при контакте вращающегося нагретого элемента с образцом. Взвешивающий элемент приспособлен для определения веса осыпающейся формовочной смеси.

Другой объект изобретения включает в себя устройство для выполнения испытания на термическую эрозию образца формовочной смеси, включающее в себя нагретый элемент. Электродвигатель в рабочем положении входит в зацепление с нагретым элементом и вращает нагретый элемент, когда на- 1 026982 гретый элемент входит в контакт с образцом формовочной смеси. Применен элемент для сбора осыпающейся формовочной смеси, истираемой с образца формовочной смеси вращением нагретого элемента.

Другой объект изобретения включает в себя способ выполнения испытания на осыпаемость образца формовочной смеси. Способ включает в себя этапы удерживания образца формовочной смеси над нагретым элементом. Образец формовочной смеси имеет коническое отверстие. Нагретый элемент и образец формовочной смеси входят в контакт, при этом нагретый элемент примыкает к коническому отверстию образца формовочной смеси. Нагретый элемент вращается на заданную величину, любая осыпающаяся формовочная смесь, истираемая с образца формовочной смеси, собирается, и осыпающаяся формовочная смесь взвешивается.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - вид сверху в перспективе варианта выполнения устройства для испытания на термическую эрозию;

фиг. 1А - вид сверху в перспективе устройства для испытания на термическую эрозию, показанного на фиг. 1, в положении для выполнения испытания на термическую эрозию;

фиг. 2 - вид сверху в перспективе основания для изготовления образца формовочной смеси с установленной на нем направляющей;

фиг. 3 - вид сверху в перспективе основания для изготовления образца формовочной смеси с направляющей и установленной на нем цилиндрической трубой;

фиг. 4 - вид сверху в перспективе основания для изготовления образца формовочной смеси с направляющей и установленной на нем цилиндрической трубой и толкателем, используемым для уплотнения формовочной смеси;

фиг. 5 - вид сверху в перспективе обжимного пресса для формовочной смеси, уплотняющего формовочную смесь в основании для изготовления образца формовочной смеси; и фиг. 6 - принципиальная схема, иллюстрирующая сбор данных, полученных устройством для испытания на термическую эрозию, показанным на фиг. 1.

Подробное описание

Предпочтительный вариант выполнения устройства 10 для испытания на термическую эрозию (ТЕТ) для контроля осыпаемости образца 12 формовочной смеси, как показано на фиг. 1-1А, содержит цилиндрическую трубу 14 для удерживания образца 12 формовочной смеси, держатель 16 трубы и образца, вращающийся нагревательный элемент 18, смонтированный с двигателем 20 переменной скорости для управления его вращением, воронку 22 для сбора осыпающейся формовочной смеси 26, которая истирается с образца 12 формовочной смеси, и взвешивающий элемент 24 для взвешивания формовочной смеси 26, которая истирается с образца 12 формовочной смеси в ходе испытания.

Как лучше показано на фиг. 1, образец 12 формовочной смеси предпочтительно содержит формовочную смесь в цилиндрической конфигурации с выемкой. Использующийся здесь термин формовочная смесь включает в себя без ограничения формовочную смесь, смесь песка и связующего вещества или смесь песка и связующего вещества с огнеупорным покрытием на ней. Соответственно, образец формовочной смеси включает в себя образец, сформированный из любого из указанных выше типов формовочной смеси. Образец 12 формовочной смеси изготовляют с использованием в целом дискообразного основания 30 с приподнятым краем 32, проходящим вверх вокруг его круговой кромки. Как показано в варианте выполнения, изображенном на фиг. 2, цилиндрическая направляющая 34, имеющая диаметр, который меньше диаметра основания 30, посажена поверх центральной части основания 30 и проходит от нее вверх. Концевая часть 33 цилиндрической направляющей 34, примыкающая к основанию 30, когда она смонтирована с основанием 30, сужается. Сужение предпочтительно проходит приблизительно на 2 дюйма по длине цилиндрической направляющей 34. Как показано в варианте выполнения, изображенном на фиг. 3, полая цилиндрическая труба 14, предпочтительно труба с внутренним диаметром стандарта 2 АР§, размещена поверх основания 30 и удерживается на месте приподнятым краем 32, оставляя отверстие 36 между направляющей 34 и полой цилиндрической трубой 14. Достаточное количество формовочной смеси для создания образца, который имеет высоту 2 дюйма и диаметр 2 дюйма, с коническим отверстием 37 в центре затем взвешивают и засыпают в отверстие 36.

Как показано в варианте выполнения, изображенном на фиг. 4, вокруг направляющей 34 размещают толкатель 38 и его вталкивают вниз вручную для набивания формовочной смеси в отверстие 36 и подготовки образца к использованию автоматизированного обжимного пресса 40 для формовочной смеси. Как показано в варианте выполнения, изображенном на фиг. 5, автоматизированный обжимной пресс 40 приводят в действие приблизительно до давления 140 фунтов на кв.дюйм, прилагаемого к образцу 12 формовочной смеси, и давление удерживается в течение приблизительно 3 с. После уплотнения образца 12 формовочной смеси основание 30, направляющую 34 и толкатель 38 удаляют от образца 12 формовочной смеси, оставляя образец 12 формовочной смеси, имеющий коническое отверстие 37, проходящее через его центр, в цилиндрической трубе 14.

Как показано в варианте выполнения устройства 10 для испытания на термическую эрозию, изображенном на фиг. 1-1а, в ходе работы образец 12 формовочной смеси и цилиндрическая труба 14 размещены на держателе 16 образца и трубы устройства 10 для испытания на термическую эрозию. Держатель 16 образца и трубы имеет отверстие 41, которое допускает прохождение вращающегося

- 2 026982 образца и трубы имеет отверстие 41, которое допускает прохождение вращающегося нагретого элемента 18 в коническое отверстие 37 образца 12 формовочной смеси, как показано на фиг. 1 и 1А. Вращающийся нагретый элемент 18 предпочтительно сформирован соответственно коническому отверстию 37 в образце 12 формовочной смеси таким образом, что он входит в контакт с образцом 12 формовочной смеси вдоль всей длины конического отверстия 37 через его центр. Например, конфигурация вращающегося нагретого элемента 18 может быть в целом конической или иметь форму усеченного конуса. Вращающийся нагретый элемент 18 предпочтительно имеет текстурированную поверхность 43 для вхождения в контакт с образцом 12 формовочной смеси для истирания образца 12 формовочной смеси. Одним примером такой текстурированной поверхности 43 является продольно-ребристая структура. Вращающийся нагретый элемент 18 нагревается до заданной температуры для моделирования температуры расплавленного металла, который был бы отлит в песчаную литейную форму при применении для отливки. Держатель 16 трубы и образца может быть опущен на вращающийся нагретый элемент 18 таким образом, чтобы образец 12 формовочной смеси был введен в контакт с вращающимся нагретым элементом 18, при этом вращающийся нагретый элемент 18 располагается внутри выемки образца 12 формовочной смеси. В качестве альтернативы, вращающийся нагретый элемент 18 может подниматься для вхождения в контакт с образцом 12 формовочной смеси. Вращающийся нагретый элемент 18 может подниматься с применением, например, гидравлического элемента 42. Вращающийся нагретый элемент 18 и образец 12 формовочной смеси предпочтительно медленно вводятся в контакт для исключения потери образца 12 формовочной смеси в результате контакта между образцом 12 формовочной смеси и вращающимся нагретым элементом 18 или в результате быстрого движения образца 12 формовочной смеси.

Образец 12 формовочной смеси посажен на вращающийся нагретый элемент 18 и удерживается на нем его собственным весом, или образец 12 формовочной смеси может быть закреплен на месте относительно вращающегося нагретого элемента 18 таким образом, что заданное давление может прилагаться к образцу 12 формовочной смеси вращающимся нагретым элементом 18. Вращающийся нагретый элемент 18 может вращаться с разными скоростями электродвигателем 20. Вращающийся нагретый элемент 18 тогда вращается от около 1/4 оборота до около одного оборота, в ходе чего вращение вращающегося нагретого элемента 18 вызывает трение относительно образца 12 формовочной смеси, осыпание и эрозию части формовочной смеси. Предпочтительно обеспечивается достаточное вращение, чтобы получить измеримые и воспроизводимые результаты. Дополнительно скорость вращения предпочтительно выбирают таким образом, чтобы увеличить воспроизводимость потерь формовочной смеси с тем же самым типом образца 12 формовочной смеси.

Под вращающимся нагретым элементом 18 расположена воронка 22 таким образом, что когда истираемая формовочная смесь 26 падает с образца 12 формовочной смеси, она задерживается в воронке 22. Воронка 22 предпочтительно выполнена из стекла или пластмассы. Взвешивающий элемент 24 измеряет вес формовочной смеси, собранной в воронке 22. Вес истираемой формовочной смеси 26, а также ее появление может контролироваться в течение всей продолжительности испытания на термическую эрозию.

В течение и после процедуры контроля окраска формовочной смеси может наблюдаться оператором испытаний. Повышенные температуры воздействуют на содержание глины и негативно влияют на него или на химическое связующее вещество в формовочной смеси. В образце 12 из сырой формовочной смеси, который истирается при комнатной температуре, истираемая формовочная смесь имеет цвет газовой сажи, который является таким же цветом, как у формовочной смеси, используемой в образце 12 формовочной смеси, когда она выходит из смесителя. Когда образец 12 формовочной смеси испытывают при 300°С, истираемая формовочная смесь имеет серый цвет, и когда образец 12 формовочной смеси испытывают при 700°С, истираемая формовочная смесь имеет светло-серый цвет.

Как показано на фиг. 6, устройство 10 для испытания на термическую эрозию измеряет массовое поверхностное истирание образца 12 формовочной смеси при повышенной температуре. Устройство 10 для испытания на термическую эрозию включает в себя датчик 50 для измерения истекшего времени испытания, датчик 52 для измерения температуры вращающегося нагревательного элемента 18 и датчик 54 для измерения веса формовочной смеси, истираемой с образца 12 формовочной смеси, предпочтительно в режиме реального времени. Данные, собранные датчиками 50, 52, 54, передаются в систему 56 сбора информации. Система 56 сбора информации регистрирует данные, собранные этими датчиками 50, 52, 54, возможно, непрерывно в течение продолжительности испытания. Предпочтительно, когда данные собраны системой 56 сбора информации, системой 56 сбора информации также генерируется графическое отображение 58, такое как кривая, показывающая изменение веса образца 12, как функции времени.

Устройство 10 для испытания на термическую эрозию, описанное здесь, более близко воспроизводит реакцию формы из формовочной смеси, когда она используется для отливки расплавленного металла. Устройство 10 для испытания на термическую эрозию позволяет оператору оценивать реакцию образца 12 формовочной смеси, когда на него воздействует тепло в ходе истирания. Поскольку типы формовочной смеси, используемой для формы, в целом содержат глину и/или другие связующие вещества, тепло может значительно изменять осыпаемость формовочной смеси. Когда глины и другие связующие вещества нагреваются на поверхности раздела между формой и металлом формы, они изменяют естественные свойства и разрушаются. Поэтому измерение осыпаемости при ожидаемой температуре на по- 3 026982 верхности раздела между формой и металлом дает более точное определение практических рабочих характеристик формы. Описанные здесь испытания также принимают во внимание давление, которое создается при отливке расплавленного металла с высоты в форму, также давая более точное представление о фактических обстоятельствах, возникающих, когда расплавленный металл отливают в песчаную литейную форму. Результаты испытаний различных систем из песка и связующего вещества могут быть сравнены для определения относительной эрозионной стойкости образцов.

Один объект настоящего изобретения включает в себя устройство для осуществления испытания на термическую эрозию образца формовочной смеси, включающее в себя держатель образца, который удерживает образец формовочной смеси. Вращающийся нагретый элемент расположен под держателем образца и в рабочем положении вращается электродвигателем. Вращающийся нагретый элемент приспособлен для прохождения через отверстие в держателе образца для вхождения в контакт с образцом, в то время как вращающийся нагретый элемент в рабочем положении вращается электродвигателем. Под держателем образца расположена воронка, при этом воронка приспособлена для сбора осыпающейся формовочной смеси, истирающейся с образца в результате контакта вращающегося нагретого элемента с образцом. Взвешивающий элемент приспособлен для определения веса осыпающейся формовочной смеси.

Другой объект изобретения включает в себя устройство для осуществления испытания на термическую эрозию образца формовочной смеси, включающее в себя нагретый элемент. Электродвигатель в рабочем положении входит в зацепление с нагретым элементом и вращает нагретый элемент, когда нагретый элемент входит в контакт с образцом формовочной смеси. Элемент применен для сбора осыпающейся формовочной смеси, истираемой с образца формовочной смеси вращением нагретого элемента.

Другой объект изобретения включает в себя способ выполнения испытания на осыпаемость образца формовочной смеси. Способ включает в себя этапы удерживания образца формовочной смеси над нагретым элементом. Образец формовочной смеси имеет коническое отверстие. Нагретый элемент и образец формовочной смеси вводят в контакт, при этом нагретый элемент примыкает к коническому отверстию образца формовочной смеси. Нагретый элемент вращается на заданную величину, при этом любая осыпающаяся формовочная смесь, истираемая с образца формовочной смеси, собирается, и осыпающаяся формовочная смесь взвешивается.

В предшествующем описании были описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения. Однако специалисту в данной области техники будет понятно, что могут быть осуществлены различные модификации и изменения без отхода от объема настоящего изобретения, указанного ниже в формуле изобретения. Соответственно, описание и фигуры должны быть расценены в иллюстративном, а не ограничивающем смысле, и все такие модификации предусматриваются как включенные в объем настоящего изобретения. Эффекты, преимущества, решения проблем и любой элемент(элементы), которые могут вызвать или делать более явным любой эффект, преимущество или решение, не должны рассматриваться как критические, требуемые или существенные признаки или элементы любого или всех пунктов формулы изобретения. Изобретение ограничено исключительно прилагаемой формулой изобретения, включая любые изменения, внесенные в ходе нахождения на рассмотрении этой заявки и всех эквивалентов формулы изобретения после рассмотрения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство для осуществления испытания на термическую эрозию образца (12) формовочной смеси, причем устройство содержит держатель (16) образца, выполненный с возможностью удерживания образца (12) формовочной смеси и снабженный отверстием для прохождения истирающего элемента (18), расположенного под держателем (16) образца, при этом истирающий элемент (18) выполнен с возможностью вращения электродвигателем (20), нагрева в ходе испытания на термическую эрозию до заданной температуры и контактирования с образцом (12) с прижатием к образцу (12) с заданным давлением, воронку (22), расположенную под держателем (16) образца и выполненную с возможностью сбора осыпающейся формовочной смеси, истираемой с образца (12) в результате контакта вращающегося нагретого истирающего элемента (18) с образцом (12), и взвешивающий элемент (24), выполненный с возможностью определения веса осыпающейся формовочной смеси в ходе испытания на термическую эрозию.
2. Устройство по п.1, в котором электродвигатель (20) представляет собой электродвигатель переменной скорости.
3. Устройство по п.1, в котором истирающий элемент (18) имеет текстурированную контактную поверхность (43) для контактирования с образцом (12).
4. Устройство по п.3, в котором текстура контактной поверхности (43) истирающего элемента (18) включает в себя выступающие продольные ребра.
5. Устройство по п.1, в котором взвешивающий элемент (24) выполнен с возможностью измерения веса осыпающейся формовочной смеси по меньшей мере от двух раз в ходе испытания на термическую

- 4 026982 эрозию до приблизительно непрерывного измерения в ходе испытания на термическую эрозию и с возможностью передачи данных системе сбора информации.
6. Устройство по п.1, в котором воронка (22) сформирована из прозрачного материала.
7. Устройство по п.1, в котором истирающий элемент (18) имеет в целом коническую форму или форму усеченного конуса.
8. Устройство по п.1, также содержащее средства (42) для подъема истирающего элемента (18) для вхождения в контакт с образцом (12) формовочной смеси в ходе испытания на термическую эрозию и приложения заданного давления к образцу (12) формовочной смеси в ходе испытания на термическую эрозию.
9. Устройство по п.1, в котором истирающий элемент (18) вращается в диапазоне от приблизительно 1/4 до приблизительно 1 об/с, находясь в контакте с образцом (12) формовочной смеси.
10. Устройство по п.9, в котором истирающий элемент (18) выполнен с возможностью поддержания при температуре в ходе испытания на термическую эрозию, которая приближена к температуре литья расплавленного металла.
11. Способ для осуществления испытания на термическую эрозию образца (12) формовочной смеси с использованием устройства по любому из пп.1-10, содержащий этапы на которых удерживают образец (12) формовочной смеси, при этом образец формовочной смеси имеет коническое отверстие (37), над истирающим элементом (18);

нагревают истирающий элемент (18) до заданной температуры испытания;

вводят нагретый истирающий элемент (18) и образец (12) формовочной смеси в контакт, при этом истирающий элемент (18) примыкает к коническому отверстию (37) образца (12) формовочной смеси;

вращают нагретый истирающий элемент (18) с заданной скоростью;

собирают осыпающуюся формовочную смесь, истираемую с образца (12) формовочной смеси; и взвешивают осыпающуюся формовочную смесь.
12. Способ по п.11, также содержащий этап наблюдения цвета осыпающейся формовочной смеси.
13. Способ по п.11, в котором этап взвешивания осыпающейся формовочной смеси выполняют в непрерывном режиме в ходе испытания на осыпаемость.
14. Способ по п.13, также содержащий этап выполнения графического отображения веса осыпающейся формовочной смеси относительно истекшего времени в ходе испытания на осыпаемость.
15. Способ по п.11, в котором этап вращения истирающего элемента (18) на заданную величину включает в себя вращение нагретого элемента от 1/4 до приблизительно 1 об/с, в то время как истирающий элемент (18) находится в контакте с образцом (12) формовочной смеси.
16. Способ по п.11, в котором нагревание истирающего элемента (18) до заданной температуры испытания включает нагрев до температуры отливки расплавленного металла, причем истирающий элемент (18) прижимают к образцу (12) формовочной смеси с заданным давлением.
17. Способ по п.11, также содержащий этапы применения конической цилиндрической направляющей и полой трубы, съемно соединенной с, в целом, дискообразным основанием, при этом коническая цилиндрическая направляющая проходит, в целом, перпендикулярно от центральной части дискообразного основания, и полая труба расположена радиально снаружи от конической цилиндрической направляющей, при этом образовано пространство между конической цилиндрической направляющей и полой трубой;

уплотнения формовочной смеси в пространство между конической цилиндрической направляющей и полой трубой для формирования образца формовочной смеси.