PL219714B1 - Płyta chłodząca - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest płyta chłodząca sterująca procesem krzepnięcia oraz chłodzenia odlewów, korzystnie montowana na stanowisku odlewania.

Wynalazek znajduje zastosowanie, zwłaszcza przy wykonywaniu odlewów w formach piaskowych, a także w formach ceramicznych, w których spełnia jednocześnie rolę tak zwanej obróbki materiałowej.

Wykonywanie odlewów w formach odlewniczych polega na wprowadzeniu do formy odlewniczej płynnego metalu, gdzie metal ten krzepnie oddając ciepło do formy. Podczas tego krzepnięcia przebiegają w formie złożone procesy chemiczne i fizyczne. Rozłożony przestrzennie i czasowo proces krzepnięcia materiału odlewanego wpływa decydująco na tworzącą się strukturę otrzymanego odlewu i jego właściwości mechaniczne.

Istotną rolę w trakcie krzepnięcia odlewu w formie na jego właściwości mechaniczne, w tym na naprężenia własne odlewu odgrywa przestrzenny i czasowy przebieg chłodzenia odlewanego materiału. Po zalaniu formy płynnym metalem, materiał odlewany w krótkim czasie nagrzewa formę. W miarę wydłużania się czasu przebywania odlewu w formie maleje szybkość ochładzania się odlewu. Czas chłodzenia materiału odlewanego jest stosunkowo długi w porównaniu do czasu jego krzepnięcia. W przypadku odlewów o znacznych objętościach często czas schłodzenia odlewu do temperatury umożliwiającej rozpoczęcie procesu wybijania odlewu wynosi kilka dni, a nawet kilka tygodni.

W znanym stanie techniki do materiałów przyspieszających odprowadzanie ciepła z odlewu należą ochładzalniki rozmieszczone w formie piaskowej. Stosowane ochładzalniki są wykonane zazwyczaj z materiałów o znacznej akumulacji ciepła, najczęściej z żeliwa lub z tego samego materiału co odlew. Ochładzalniki są rozmieszczane w formie na zewnątrz odlewu i w jego wnętrzu. Ochładzalniki zewnętrzne umieszczane są w formach tak, aby przylegając do powierzchni odlewu nie stapiały się z odlewem. Ochładzalniki wewnętrzne umieszcza się bezpośrednio we wnęce formy. Stanowią one po zalaniu formy ciekłym metalem wewnętrzną część odlewu. Wielkość każdego ochładzalnika dobierana jest z uwzględnieniem grubości odlewu i wielkości węzłów cieplnych. Jednakże zakres stosowania ochładzalników sprowadza się do ograniczenia węzłów cieplnych i dość często do rozdzielenia stref zasilania odlewu.

Z polskiego opisu patentowego nr 186 378 o tytule „Sposób odlewania odlewów metalowych do odprowadzenia ciepła z odlewu znana jest chłodnica denna stanowiąca niezależny układ rurowy do lokalnego lub dennego odprowadzania ciepła z odlewu. Odbieranie ciepła lokalnego lub dennego z odlewu następuje w wyniku przepływu przez układ rurowy sprężonego powietrza. Niezależne lokalne układy rurowe oraz denny układ rurowy stanowią układ chłodzenia odlewu realizowany w kilku wyznaczonych strefach przestrzennych formy i jest regulowany w każdej strefie niezależnie od siebie.

Wadą znanych ze stanu techniki urządzeń i materiałów przyspieszających odprowadzanie ciepła z odlewu jest zbyt wolny przebieg procesu chłodzenia materiału odlewanego. Przy stosowaniu znanego ze stanu techniki układu chłodzenia poprzez niezależne lokalne układy rurowe jest niezadawalająca prędkość procesu chłodzenia oraz skomplikowana konstrukcja montażu lokalnych układów rurowych. Te znane ze stanu techniki urządzenia i materiały nie niwelują występujących w trakcie krzepnięcia i następnie w trakcie chłodzenia naprężenia własnego wewnątrz odlewu.

W trakcie krzepnięcia odlewów w wyniku krystalizacji metalu następuje powstawanie określonej struktury metalograficznej w odlewanym wyrobie. Znana jest zależność rozdrobnienia ziaren struktury wraz ze wzrostem szybkości odprowadzenia ciepła. Uzyskanie w odlewie rozdrobnionej struktury skutkuje uzyskaniem wzrostu wytrzymałości i twardości tworzywa wlanego do formy.

Przyspieszenie procesu krzepnięcia, zwłaszcza krzepnięcia i chłodzenia w formach odlewniczych jest szczególnie istotne w rejonach węzłów cieplnych, w których ze względów technologicznych nie jest możliwe zastosowanie nadlewów.

Płyta chłodząca materiał odlewany w formach odlewniczych według wynalazku posiada odpowiednio dobraną konstrukcję oraz dowolny kształt podstawy dobierany w zależności od wielkości i kształtu odlewu. Płyta chłodząca pozwala na sterowanie procesem krzepnięcia i procesem chłodzenia odlewów w formach odlewniczych, zwłaszcza w formach piaskowych. Płyta chłodząca wykonana jest z materiału łatwo pochłaniającego energię cieplną, takiego jak między innymi stal lub inny stop. Korzystnie płyta chłodząca stanowi dolną część formy lub stanowi podstawę pod formy przed ich zalaniem płynnym metalem. W miejscach zalewania form jest zamontowana jedna lub więcej płyt chłodzących. Na zamontowaną płytę chłodzącą, w zależności od wielkości jej powierzchni umieszcza się

PL 219 714 B1 formę lub formy odlewnicze. Odpowiednia konstrukcja płyty chłodzącej jest dobierana do kształtu odlewu, dla którego jest przeznaczona forma odlewnicza, zwłaszcza forma piaskowa. Korzystnie dla potrzeb wynalazku pomiędzy płytą chłodzącą a formą odlewniczą zabudowana jest dodatkowo komora przepływu medium chłodzącego. Korzystnie od spodu płyty chłodzącej zamontowanej w miejscu zalewania form, poniżej zainstalowanej płyty chłodzącej zabudowana jest komora przepływu medium chłodzącego. W komorze tej następuje dodatkowe chłodzenie spodniej powierzchni płyty chłodzącej. Wnętrze metalowego korpusu płyty chłodzącej posiada wydrążone kanały, których kształt jest uzależniony od rodzaju chłodzonego odlewu, od założonej prędkości chłodzenia odlewu i od usytuowania w odlewie węzłów cieplnych. Kanały te stanowią otwory wzdłuż płyty chłodzącej i/lub w poprzek płyty chłodzącej i/lub stanowią spiralę i/lub wężownicę lub posiadają inny niezbędny kształt przyspieszający odbiór energii cieplnej przez przepływające przez kanał lub kanały medium chłodzące. Korzystnie płyta chłodząca posiada dwa rodzaje niezależnych od siebie kanałów o odpowiednio dobranym kształcie przebiegu wewnątrz korpusu. Przez jeden z tych kanałów przepływa medium chłodzące zarówno korpus płyty jak i zewnętrzne ściany odlewu, natomiast przez kanał drugi przepływa medium chłodzące o niższej temperaturze dla chłodzenia metalowego korpusu płyty chłodzącej. Celem przyspieszenia chłodzenia odlewu wewnętrzne kanały posiadają odpowiednio dobrane otwory przelotowe dla medium chłodzącego, do których są montowane dysze o różnej konstrukcji. Otwory te są umiejscowione od strony styku płyty chłodzącej z warstwą masy formierskiej oddzielającej płytę chłodzącą od zewnętrznych ścian odlewu lub są w bezpośredniej bliskości ścian ceramicznej formy odlewniczej. Otwory przelotowe dla montażu dysz w zależności od potrzeb są zaślepiane lub otwierane zwłaszcza w miejscach występowania węzłów cieplnych odlewu. Otwarcie otworu powoduje wydmuch chłodnego sprężonego powietrza lub innego medium gazowego w kierunku warstwy oddzielającej powodując jej dodatkowe schłodzenie. Instalowane w otworach dysze posiadają końcówki umożliwiające skierowanie wydmuchiwanego medium pionowo w górę i/lub w kierunku prostopadłym do dyszy i/lub są ustawiane pod żądanym kątem w stosunku do ścian odlewu. Dla form ceramicznych medium wydmuchiwane przez dysze w kierunku ceramicznych ścian formy stanowi korzystnie mocno schłodzona woda, którą polewane lub zraszane są ściany formy ceramicznej już w trakcie procesu zalewania formy płynnym metalem. Zabudowane w otworach płyty chłodzącej dysze posiadają różną wysokość uzależnioną od wysokości samego odlewu jak i od posadowienia formy odlewniczej na płycie chłodzącej. Korzystnie w warstwie masy formierskiej oddzielającej płytę chłodzącą od ścian odlewu są zabudowane kanały dla umieszczenia w nich dysz wydmuchujących, zainstalowanych w otworach przelotowych płyty chłodzącej.

Aby zapewnić odpowiednią wielkość pochłaniania energii cieplnej przez płytę chłodzącą i przyspieszyć przebieg procesu chłodzenia, jako medium przepływające wewnątrz kanałów elementu chłodzącego jest stosowany przepływ gazu korzystnie powietrza o dobranym do danego odlewu ciśnieniu i temperaturze w stosunku do wielkości odlewu i/lub w stosunku do ilości węzłów cieplnych w odlewie. Korzystnie dla potrzeb niniejszego wynalazku jako medium przepływające przez kanały płyty chłodzącej stosuje się skroplone gazy, korzystnie skroplony azot lub inne płyny mające wysoką zdolność akumulacji ciepła.

Dla każdego kształtu odlewu jest zakładana prędkość, ciśnienie i temperatura przepływu medium chłodzącego jak i prędkość, ciśnienie i temperatura medium opuszczającego dysze zamontowane w otworach elementu chłodzącego.

Zaletą płyty chłodzącej według wynalazku jest przyspieszenie procesu krzepnięcia i chłodzenia odlewu w formach piaskowych jak i w formach ceramicznych szczególnie w miejscach występowania węzłów cieplnych. Otrzymane odlewy poprzez przyspieszenie procesu krzepnięcia z możliwością jego sterowania posiadają wysoką jakość, praktycznie nie występują w tych odlewach wady odlewnicze. Ponadto chłodzenie węzłów cieplnych w rejonach odlewu w których ze względów technologicznych nie jest możliwe zastosowanie nadlewów jest realizowane z dobrym rezultatem poprzez zastosowanie płyty chłodzącej. W formach piaskowych uzyskuje się równomierne i kontrolowane chłodzenie odlewu, podniesienie właściwości mechanicznych tworzywa odlewu, zlikwidowanie lub znaczne ograniczenie obróbki cieplnej odlewu. Płyta chłodząca według wynalazku w zależności od swojej wielkości i w zależności od wielkości formy pozwala jednocześnie sterować chłodzeniem odlewu w jednej lub w kilku formach odlewniczych. Odlewy chłodzone w sposób sterowany poprzez płytę chłodzącą według wynalazku po wybiciu z formy są bez wad skurczowych.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania został pokazany na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia płytę chłodzącą w widoku z góry oraz jej przekrój z dyszami o różnej wysokości i o róż4

PL 219 714 B1 nym kierunku strumienia medium chłodzącego, Fig. 2A przedstawia przekrój przez formę piaskową posadowioną na płycie chłodzącej wyposażonej w różnej wysokości dysze i zamontowanej na stanowisku zalewania, Fig. 2B przedstawia widok z góry formy i płyty chłodzącej z zaznaczonymi wewnętrznymi kanałami, Fig. 3A przedstawia przekrój przez formę piaskową z odlewem posiadającym kształt okrągły, którego forma posadowiona jest na płycie chłodzącej wyposażonej w dysze o różnych kierunkach strumienia, Fig. 3B przedstawia formę w widoku z góry z zaznaczeniem kształtu elementu odlewanego oraz przebiegu kanałów w płycie chłodzącej.

Przykładowa płyta chłodząca 7 posiada płaski kształt o podstawie prostokąta, w którego korpusie wydrążony jest kanał 12 o kształcie podwójnej wężownicy dla przepływu medium chłodzącego. Pomiędzy kanałem 12 posadowiony jest kanał 13 dla przepływu medium chłodzącego o niższej temperaturze. Kanał 12 posiada wzdłuż swojego przebiegu otwory przelotowe w których zamontowane są dysze szczelinowe 11 i/lub dysze proste 8 i/lub dysze z regulowanym kierunkiem wypływu 9 i/lub dysze wielopunktowe 10. Forma piaskowa 1 posadowiona na płycie chłodzącej 7 posiada od spodu pomiędzy dnem formy 1 a górną powierzchnią płyty chłodzącej 7 komorę przepływu medium chłodzącego 5. Płyta chłodząca 7 jest zamontowana na stanowisku odlewania, które od spodniej powierzchni płyty chłodzącej 7 posiada komorę przez którą przepływa medium chłodzące spodnią powierzchnię płyty chłodzącej 7. Pomiędzy płytą chłodzącą 7 a dnem odlewu 2 znajduje się warstwa oddzielająca 3 formy piaskowej 1 do wnętrza której do kanałów piaskowych 4 wprowadzone są dysze 8, 9 i 10.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Płyta chłodząca materiał odlewany w formach odlewniczych posiadająca płaski kształt, wewnątrz której posadowione są elementy rurowe o kształcie wężownicy przez które przepływa powietrze, znamienna tym, że płaski kształt płyty posiada podstawę o dowolnym kształcie, przy czym płyta chłodząca (7) posiada korpus wewnątrz którego wydrążony jest kanał (12) o dowolnym kształcie jego przebiegu przez płytę lub kanały (12) o kształcie podwójnej wężownicy i/lub o kształcie spirali i/lub wydrążone wzdłuż lub w poprzek płyty chłodzącej (7), przy czym pomiędzy kanałem (12) posadowiony jest kanał (13), natomiast kanał (12) posiada wzdłuż swojego przebiegu na powierzchni styku płyty chłodzącej (7) z warstwą oddzielającą (3) otwory przelotowe, w których zamontowane są dysze o różnej konstrukcji.
2. 2. Płyta według zastrz. 1, znamienna tym, że do otworów przelotowych w kanałach (12) płyty chłodzącej (7) zamontowane są dysze szczelinowe (11) i/lub dysze proste (8) i/lub dysze z regulowanym kierunkiem wypływu (9) i/lub dysze wielopunktowe (10).
3. 3. Płyta według zastrz. 1, znamienna tym, że forma piaskowa (1) posadowiona na płycie chłodzącej (7) posiada od spodu pomiędzy dnem formy (1) a górną powierzchnią płyty chłodzącej (7) komorę przepływu medium chłodzącego (5).
4. 4. Płyta według zastrz. 1, znamienna tym, że jest zamontowana na stanowisku odlewania, które od spodniej powierzchni płyty chłodzącej (7) posiada komorę przepływu medium chłodzącego spodnią powierzchnię płyty (7).
5. 5. Płyta według zastrz. 1, znamienna tym, że pomiędzy płytą chłodzącą (7) a dnem odlewu (2) jest warstwa oddzielająca (3) formy piaskowej (1), wewnątrz której w kanałach (4) umiejscowione są dysze proste (8), dysze z regulowanym kierunkiem przepływu (9) oraz dysze wielopunktowe (10).