Электроконтактный способ изготовления газифицируемых моделей для литейного производства
Разработан и исследован процесс теплового воздействия на гранулы подвспененного полимера в условиях новой технологической схемы изготовления газифицируемых моделей. Рассмотрены особенности прогрева углеродного сыпучего наполнителя проходящим электрическим током. Представлен теоретический анализ элек...
Saved in:
| Published in: | Процессы литья |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49836 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Электроконтактный способ изготовления газифицируемых моделей для литейного производства / О.А. Яковышин // Процессы литья. — 2010. — № 5. — С. 48-58. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-49836 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Яковышин, О.А. 2013-09-28T17:51:49Z 2013-09-28T17:51:49Z 2010 Электроконтактный способ изготовления газифицируемых моделей для литейного производства / О.А. Яковышин // Процессы литья. — 2010. — № 5. — С. 48-58. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49836 621.74.045 Разработан и исследован процесс теплового воздействия на гранулы подвспененного полимера в условиях новой технологической схемы изготовления газифицируемых моделей. Рассмотрены особенности прогрева углеродного сыпучего наполнителя проходящим электрическим током. Представлен теоретический анализ электрических процессов, проходящих в исследуемой системе. Розроблено та досліджено процеси теплового впливу на гранули спіненого полімеру в умовах нової технологічної схеми виготовлення моделей, що газифікуються. Розглянуто особливості прогріву вуглецевого сипучого наповнювача електричним струмом. Представлено теоретичний аналіз електричних процесів, які проходять в досліджуваній системі. Developed and investigational process of the thermal affecting to granules of polymer submade to foam in the conditions of new technology of makng of polystyrene models. The features of warming up of carbon friable filler a electric current are considered. The theoretical analysis of electric processes, reeving in the investigated system is presented. ru Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України Процессы литья Проблемы технологии формы Электроконтактный способ изготовления газифицируемых моделей для литейного производства Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Электроконтактный способ изготовления газифицируемых моделей для литейного производства |
| spellingShingle |
Электроконтактный способ изготовления газифицируемых моделей для литейного производства Яковышин, О.А. Проблемы технологии формы |
| title_short |
Электроконтактный способ изготовления газифицируемых моделей для литейного производства |
| title_full |
Электроконтактный способ изготовления газифицируемых моделей для литейного производства |
| title_fullStr |
Электроконтактный способ изготовления газифицируемых моделей для литейного производства |
| title_full_unstemmed |
Электроконтактный способ изготовления газифицируемых моделей для литейного производства |
| title_sort |
электроконтактный способ изготовления газифицируемых моделей для литейного производства |
| author |
Яковышин, О.А. |
| author_facet |
Яковышин, О.А. |
| topic |
Проблемы технологии формы |
| topic_facet |
Проблемы технологии формы |
| publishDate |
2010 |
| language |
Russian |
| container_title |
Процессы литья |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| format |
Article |
| description |
Разработан и исследован процесс теплового воздействия на гранулы подвспененного полимера в условиях новой технологической схемы изготовления газифицируемых моделей. Рассмотрены особенности прогрева углеродного сыпучего наполнителя проходящим электрическим током. Представлен теоретический анализ электрических процессов, проходящих в исследуемой системе.
Розроблено та досліджено процеси теплового впливу на гранули спіненого полімеру в умовах нової технологічної схеми виготовлення моделей, що газифікуються. Розглянуто особливості прогріву вуглецевого сипучого наповнювача електричним струмом. Представлено теоретичний аналіз електричних процесів, які проходять в досліджуваній системі.
Developed and investigational process of the thermal affecting to granules of polymer submade to foam in the conditions of new technology of makng of polystyrene models. The features of warming up of carbon friable filler a electric current are considered. The theoretical analysis of electric processes, reeving in the investigated system is presented.
|
| issn |
0235-5884 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49836 |
| citation_txt |
Электроконтактный способ изготовления газифицируемых моделей для литейного производства / О.А. Яковышин // Процессы литья. — 2010. — № 5. — С. 48-58. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT âkovyšinoa élektrokontaktnyisposobizgotovleniâgazificiruemyhmodeleidlâliteinogoproizvodstva |
| first_indexed |
2025-11-24T03:28:01Z |
| last_indexed |
2025-11-24T03:28:01Z |
| _version_ |
1850839517468033024 |
| fulltext |
48 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 5 (83)
Проблемы технологии формы
УДК 621.74.045
о. А. Яковышин
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
ЭлеКтроКонтАКтный сПособ изготовлениЯ
гАзифицирУемых моДелей ДлЯ литейного
ПроизвоДствА
Разработан и исследован процесс теплового воздействия на гранулы подвспененного по-
лимера в условиях новой технологической схемы изготовления газифицируемых моделей.
Рассмотрены особенности прогрева углеродного сыпучего наполнителя проходящим элек-
трическим током. Представлен теоретический анализ электрических процессов, проходящих
в исследуемой системе.
Ключевые слова: газифицируемые модели, подвспененный полимер, углеродный сыпучий
наполнитель, электрический ток.
Розроблено та досліджено процеси теплового впливу на гранули спіненого полімеру в умовах
нової технологічної схеми виготовлення моделей, що газифікуються. Розглянуто особливості
прогріву вуглецевого сипучого наповнювача електричним струмом. Представлено теоретич-
ний аналіз електричних процесів, які проходять в досліджуваній системі.
Ключові слова: моделі, що газифікуються, спінений полімер, вуглецевий сипучий на-
повнювач, електричний струм.
Developed and investigational process of the thermal affecting to granules of polymer submade to
foam in the conditions of ne� technology of ma�ing of polystyrene models. �he features of �arm- in the conditions of ne� technology of ma�ing of polystyrene models. �he features of �arm-
ing up of carbon friable filler a electric current are considered. �he theoretical analysis of electric
processes, reeving in the investigated system is presented.
Keywords: polystyrene models, polymer submade, carbon friable filler, electric current.
Качество отливок, производимых по технологической схеме литья по газифици-
руемым моделям (ЛГМ), во многом зависит от точности размеров, чистоты поверх-
ности и прочностных характеристик газифицируемой модели (ГМ). В зависимости
от серийности производства и предъявляемых требований к отливке модель может
быть изготовлена из блочного пенополистирола (механическая обработка фрезой,
резка пенополистирола нагретой нихромовой проволокой) либо спеканием под-
вспененных гранул в пресс-форме (горячий воздух, автоклавное спекание, метод
теплового удара, ванное спекание, спекание в динамическом потоке пара, спека-
ние в поле высокой частоты) [1-6]. Анализ современного состояния производства
отливок ЛГМ-способом показывает, что преимущественно используют обработку
пенополистироловых блоков нагретой проволокой, автоклавное спекание, метод
теплового удара. Это, в первую очередь, обусловлено простотой и практичностью
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 5 (83) 49
Проблемы технологии формы
применяемого для изготовления моделей оборудования. К тому же, означенные
способы позволяют достигать хорошего качества моделей сложной конфигурации. В
рамках серийного производства ГМ изготавливаются путем нагрева подвспененных
гранул в замкнутом объеме пресс-формы, в результате происходит формообра-
зование модели с требуемыми механическими и технологическими свойствами.
При этом, к примеру, рассматривая такой широко распространенный автоклавный
способ производства моделей, можно убедиться, что процесс переноса тепла к
гранулам, находящимся в полости пресс-формы, характеризуется значительной
сложностью. Так, на начальном этапе процесса происходят нагрев расположенных
в донной части парогенератора трубчатых электронагревателей (ТЭН) током, про-
ходящим по их нихромовым спиралям, и преобразование электрической энергии в
тепловую. От внешней поверхности ТЭНов к воде тепло переносится путем тепло-
проводности и конвекции. Механизм распространения тепла в воде, которая явля-
ется капельной жидкостью, представляется как перенос энергии путем нестройных
упругих колебаний. По мере увеличения температуры воды и начала ее кипения об-
разуется пар, который по команде оператора подается в рабочую камеру автоклава,
где находится заполненная гранулами пресс-форма. Согласно кинетической теории
вещества, перенос тепла теплопроводностью в газах при обычных давлениях и
температурах определяется переносом кинетической энергии молекулярного
движения в результате хаотического движения и столкновения отдельных молекул
газа. С течением времены давление пара повышается до необходимого уровня
(обычно 0,18-0,22 МПа), что позволяет увеличить его температуру при указанных
значениях давления до 130,5-135,1 0С. Далее теплопередача от пара к наружной
поверхности пресс-формы совершается путем теплопроводности и конвекции.
При этом следует учесть, что если формообразование происходит в режиме ста-
ционарного спекания, мы имеем дело с естественной конвекцией теплоносителя в
рабочем объеме камеры. В случае применения динамического способа спекания
(в направленном потоке пара) конвекция носит искусственный характер. В стенке
пресс-формы в направлении градиента температур тепло распространяется путем
теплопроводности. Наконец, тепло от внутренней поверхности пресс-формы пере-
носится к навеске гранул пенополистирола, преимущественно, за счет теплопро-
водности и в результате проникновения пара внутрь пресс-формы в случае, если
ее конструкция предусматривает наличие вент в ее стенках.
Таким образом, при автоклавном спекании сталкиваются с довольно продолжи-
тельной цепочкой преобразования и передачи энергии, что, несомненно, снижает
коэффициент полезного действия установки данного типа. Идеальным способом
формообразования полимерной модели можно считать такой способ, в условиях ко-
торого тепловое воздействие осуществляется непосредственно на подвспененные
гранулы, минуя все возможные промежуточные этапы теплопередачи. В некоторой
степени приведенному требованию удовлетворяет давно известная технология,
заключающаяся в преобразовании энергии электрического поля высокой частоты
в тепловую энергию, выделяющуюся вследствие диэлектрических потерь на поверх-
ности гранул, предварительно обработанных водой либо электролитом. Длитель-
ность процесса формирования модели в поле высокой частоты значительно ниже по
сравнению с остальными известными способами, поскольку прогрев и спекание
гранул происходят по всему объему навески. В то же время следует признать,
что указанный способ до настоящего времени не нашел должного применения
ввиду значительной энергоемкости и возникающих технологических трудностей
при получении моделей сложной конфигурации. Поиск путей решения задачи
сокращения технологических этапов преобразования энергии при производстве
пенополимерных моделей привел к разработке способа спекания в сыпучем
электропроводном материале [7, 8]. При пропускании электрического тока через
конгломерат углеродных частиц, в котором находится пресс-форма с гранулами
пенополистирола, благодаря контактному сопротивлению создается тепловой
50 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 5 (83)
Проблемы технологии формы
поток в дисперсной системе, направленный к стенкам пресс-формы. Известно,
что деформация пенополистирола достигает своего максимального значения при
спекании в пресс-форме в интервале температур 120-130 0С. Достижение указанных
значений температур происходит за существенно меньший промежуток времени,
чем это наблюдается в широко распространенном в производстве автоклавном
способе получения моделей. В условиях же ванного способа спекания такие тем-
пературы вообще недостижимы (за исключением того случая, когда в воду специ-
ально вводятся водорастворимые соли, либо вообще заменяют воду другим жидким
теплоносителем). Сокращение времени выхода на требуемую рабочую температуру
теплопередающей углеродной сыпучей среды объясняется более низкой удельной
теплоемкостью графита. Суть спо-
соба показана на рис. 1, на котором
схематически изображена его
упрощенная реализация с помо-
щью устройства, представляющего
собой изготовленный из диэлек-
трического материала контейнер,
состоящий из опоки 1 и крышки 2. В
опоке смонтированы специальные
основания 3, на которые устанав-
ливается пресс-форма 4, запол-
ненная вспененными гранулами
материала 5. Электропроводный
сыпучий наполнитель 6 заполняет
весь свободный внутренний объ-
ем контейнера. Электрический ток
подводится к сыпучему наполни-
телю с помощью контактов 7. Си-
стема управления 8 обеспечивает
подачу напряжения на контакты и
точную регулировку нагрева при
помощи термопары 9. При подаче
напряжения, которое в данном
случае может быть переменным
либо постоянным, по сыпучему
наполнителю проходит электри-
ческий ток, начинающий нагревать
частицы наполнителя, которые, в
свою очередь, отдают тепло через
стенки пресс-формы гранулам материала. После технологической операции фор-
мообразования модели с контактов 7 снимают напряжение, открывают шибер 10
и горячий сыпучий наполнитель попадает в полость герметичной технологической
камеры, из которой затем опять засыпается в подготовленный к спеканию модели
контейнер.
Исходя из того, что в предложенной технологической схеме изготовления ГМ
используется иной вид теплоносителя, возникает необходимость в анализе про-
цессов электрического нагрева углеродного материала, в качестве которого был
использован графит марки ЭГО. Литературные источники [9] показывают, что
ошибочно опираться на данные электрических и тепловых свойств монолитного
углеродного материала, в котором частицы связаны прочными химическими свя-
зями, и проводить аналогии с конгломератом сыпучего материала. В этом случае
перенос как электрической, так и тепловой энергии принципиально отличается. К
тому же следует отметить, что влияние свойств самого материала на протекание
указанных процессов не является столь определяющим по сравнению со свойствами
∼
(+)
∼
(-)
2
5
4
1
7
3
6
9
8
С У
1
0
10
9
Рис. 1. Схема устройства для получения моделей
новым способом: 1 – опока; 2 – крышка; 3 – основания;
4 – пресс-форма; 5 – вспененные гранулы полимера;
6 – электропроводный сыпучий наполнитель; 7 –
электроконтакт; 8 – система управления; 9 – термо-
пара; 10 – шибер
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 5 (83) 51
Проблемы технологии формы
контактов между взаимодействующими частицами. Иными словами, электрический
ток при протекании по сыпучему наполнителю встречает на своем пути не только
внутреннее сопротивление материала засыпки, но и контактное, величина которого
может существенно превосходить сопротивление монолита. Следовательно, элек-
трические свойства дисперсной системы необходимо рассматривать с точки зрения
имеющихся моделей электрического сопротивления контактирующих поверхностей
[9]. В исследованиях электрических контактов электрофизики могут опираться на
разработанные до настоящего времени две теории – Чельхина и Хольма [9, 10].
Авторы обеих концепций, несмотря на некоторые различия в представлениях о
механизме взаимодействия контактирующих поверхностей, в конечном итоге при-
ходят к одинаковым аналитическим зависимостям, описывающим сопротивление
контакта. Так, в теории Чельхина контакт представляется первоначально в виде
одноточечного соприкосновения вершин двух пирамид, которые с увеличением
прилагаемой к ним нагрузки деформируются, в результате чего число и площадь
контактных поверхностей возрастает, а сопротивление контакта соответственно
уменьшается. Электросопротивление одноточечного контакта в теории Чельхина
рассчитывается следующим образом:
1- 2= ,R kP (1)
где Р – давление на контакт, кПа; k – коэффициент, зависящий от свойств материала
контактирующих тел и степени механической обработки их поверхностей.
Согласно теории Хольма, контакт рассматривается с несколько иных позиций: он
имеет кажущуюся и истинную поверхность. Причем, под кажущейся поверхностью
подразумевается площадь всего контакта, в то время как истинная является поверх-
ностью действительного соприкосновения контактов. К тому же следует добавить,
что Хольм контактное сопротивление представляет в виде суммы поверхностного
сопротивления и сопротивления стягивания. Поверхностное сопротивление обу-
словлено наличием на контактной поверхности абсорбционных пленок. В условиях
идеально чистой поверхности величиной указанного сопротивления можно прене-
бречь [10]. В то же время сопротивление стягивания при прохождении тока при-
сутствует в любом случае и может быть определено
0= ,
2CR
a
r (2)
где ρ0 – удельное электрическое сопротивление материала; a – радиус a-пятна
(общее количество реальных мест перехода электрического тока).
Анализ зависимостей (1) и (2) показывает, что они, в принципе, являются взаимо-
заменяемыми и дополняющими друг друга. В самом деле, сопротивление контакта
будет понижаться благодаря уменьшению удельного электрического сопротивления
материала, а также с увеличением давления на контактирующие поверхности, что
одновременно сопряжено с возрастанием количества мест перехода тока а, сле-
довательно, и радиуса a-пятна.
Необходимо также отметить, что в последнее время наблюдается повышенный
интерес исследователей (в том числе и отечественных) к проблеме изучения вопро-
сов, лежащих в основе механизма нагрева сыпучих углеродных материалов, через
который проходит электрический ток, что связано со значительной практической
ценностью получаемых знаний [11-24].
С целью установления различия степени нагрева теплопередающей углеродной
среды в лабораторных условиях были проведены две серии экспериментальных
исследований, в одной из которых изучали нагрев электрическим током монолит-
ного образца (керна), во второй – сыпучего углеродного материала той же марки.
52 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 5 (83)
Проблемы технологии формы
Для этого был изготовлен технологический контейнер из изоляционного материала
(рис. 2). В обоих торцах с помощью резьбового соединения устанавливались медные
токоподводящие контакты. В центральной области одной из боковых стенок контей-
нера просверливали три отверстия на одном уровне, в которые вводили горячие спаи
ХА-термопар в кварцевых наконечниках с таким расчетом, чтобы первая термопара
регистрировала температуру на поверхности монолитного образца (либо сыпучего
наполнителя), вторая − на его оси, а третья – на половине расстояния от оси до по-
верхности. Холодные концы термопар посредством компенсационных проводов
подключали к прибору для регистрации и записи температур МИРТ-8 (разработка
отдела автоматизации ФТИМС НАН Украины). Подачу переменного напряжения на
образец и фиксацию термовременных зависимостей осуществляли одновременно.
Время, в течение которого по образцу пропускали электрический ток, равнялось
20 с. Напряжение холостого хода источника ТДМ-401 составляло 51,2 В. Поскольку
величины токов в эксперименте достигали нескольких сотен ампер, для их измере-
ния применяли амперметр переменного тока со шкалой на 600 А и трансформатор
тока ТК-40 (0,66 кV, 600/5, 10 VA). На рис. 3 представлены графические результаты
экспериментов. При сравнении графиков а, б, в обращает на себя существенное
внимание отличие температур во всех трех точках. Так, в опыте а, несмотря на то,
что по монолитному образцу графита протекал ток около 280 А, значение темпера-
Рис. 2. Схема методики исследова-
ния нагрева сыпучего наполнителя/
монолитного образца электрическим
током: а – вид сбоку; б – вид сверху;
1, 2, 3 – ХА-термопары; 4 – техно-
логический контейнер; 5 – токо-
подводящий контакт; 6 – сыпучий
наполнитель/монолитный образец;
7 – кварцевый наконечник; 8 – при-
бор для регистрации и записи
температуры
1 ~ U ~ U
МИРТ-8
б
7
8
1
~ U ~ U 1 2 3
a
1 2 3 4
5
6
∼ U∼ U
∼ U∼ U
а
б
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 5 (83) 53
Проблемы технологии формы
40
30
20
10
0
1
2
2
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Время, с
Т
е
м
п
е
р
а
ту
р
а
,
0
С
0
100
200
300
250
150
50
1
2
3
0 500 1000 150 0 2000 2500
Т
е
м
п
е
р
а
ту
р
а
,
0
С
Время, с
а
400
300
200
100
0
0 500 1000 1500 2000 2500
1
2
3
Время,с
Т
е
м
п
е
р
а
ту
р
а
,
0
С
б
в
Рис. 3. Нагрев графитного образца пропускаемым электрическим током: а – монолитный
образец; б – порошок графита; в – порошок графита под давлением груза; 1 – термопара,
регистрирующая температуру образца на его поверхности; 2 – термопара, регистрирую-
щая температуру в центре образца; 3 – термопара, регистрирующая температуру в точке,
расположенной на половине расстояния от центра к поверхности
54 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 5 (83)
Проблемы технологии формы
туры в центре образца на 125-й секунде опыта равнялось всего 40 0С, в то время как
в опыте б, где исследовался сыпучий графит, к этому времени температура была
253 0С, а в опыте в – 341 0С. Этот факт объясняется ранее упомянутым свойством
сыпучего электропроводного материала, а именно, контактным сопротивлением.
Обратим внимание, что падение напряжения на монолитном образце составляло
2 В, на неуплотненном сыпучем − 47,8 В, а на сыпучем графите, находящемся под
давлением груза, – 26 В. Из литературных источников [15, 16] известно, что степень
перегрева контакта сильно зависит от контактного напряжения. Поскольку вели-
чина контактного напряжения неуплотненного графита значительно превосходит
значение напряжения на монолитном образце, то даже при существенно меньшем
токе (20 А) удается достичь большей температуры исследуемого материала. Что
же касается уплотненного сыпучего графита, в этом случае вследствие падения
его электрического сопротивления при подаче напряжения ток самопроизвольно
повышается и соответственно растет тепловая мощность исследуемой системы.
В процессе проведения экспериментов по термометрированию столкнулись
с интересной особенностью сыпучего углеродного материала, заключающейся в
сохранении неизменного значения контактного сопротивления после снятия прило-
женной к нему механической силы. Иными словами, в опыте в значение контактного
сопротивления (проходящий электрический ток) углеродного материала, находя-
щегося под воздействием груза, оказывающего давление 13,8 кПа, не изменялось
после снятия механической нагрузки. Это явление, называемое электроконтактной
памятью, на примере термоантрацита глубоко изучено и детально освещено в ра-
ботах отечественных исследователей [18, 22, 24]. Поэтому по аналогии с термоан-
трацитом можно предположить, что контактное пятно взаимодействующих частиц
графита, сформированное под избыточным давлением, остается неизменным при
понижении механического усилия на контакт ввиду того, что графит не обладает
эластичностью. Следовательно, для уменьшения контактного сопротивления и обе-
спечения равномерности нагрева эффективно использование кратковременного
пригружения навески сыпучего материала.
Далее оказалось необходимым изучить следующее важное обстоятельство. По-
скольку технологически для изготовления пенополистироловой модели, согласно
электроконтактному способу спекания, по электропроводному наполнителю контей-
нера необходимо пропустить электрический ток, он, несомненно, будет протекать
и через находящуюся в нем пресс-форму. Это обусловлено тем, что пресс-формы
преимущественно изготавливают из алюминиевых сплавов, являющихся превос-
ходными проводниками электрического тока. Ввиду вышеизложенного проанализи-
руем электрическую ситуацию в контейнере на предмет возможности шунтирования
тока по массе пресс-формы, что, в свою очередь, может повлиять на увеличение
проходящего по цепи тока и, как результат, к выходу питающего источника из строя.
Кроме того, при прохождении тока преимущественно по массе пресс-формы может
образоваться локальная тепловая зона максимального нагрева, что сформирует рез-
кий градиент температур между наружной и внутренней областями формирующейся
модели. Для этого технологическую схему электроконтактного спекания представим
следующим образом (рис. 4, а). Параллельные ветви заменим эквивалентным со-
противлением. В этом случае электрическая схема преобразится к виду (рис. 4, б)
и общее сопротивление цепи будет определяться суммой трех последовательных
сопротивлений. Допустим, что сопротивление пресс-формы настолько мало, что
слагаемое
Н2 П-ф
H2 П-Ф
0
R R
R R
×
+
® . Сделаем также допущение, что RН1 = RН2 = RН3 = RН (при
одинаковых геометрических размерах областей, представленных указанными ре-
зисторами, это вполне логично). Тогда ток I
1
, протекающий по указанной цепи при
приложении напряжения U, находим из следующей зависимости:
1
Н
.
2
U
I
R
= (3)
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 5 (83) 55
Проблемы технологии формы
Для сравнительной оценки проведем
подобный анализ схемы, в которой со-
противление пресс-формы заменим
сопротивлением Rдоб сыпучего углерод-
ного наполнителя (рис. 4, в). При этом
Rдоб = RH1 = RH2 = RH3 = RH и указанную
схему можно привести к виду (рис. 4,
г). В условиях приложения к полученной
схеме напряжения U проходящий по ней
ток I
2
определим по формуле
2
H2,5
U
I
R
=
.
(4)
Анализируя уравнения (1) и (2), при-
ходим к выражению
1
2
1,25,
I
I
= (5)
иными словами, даже при тех макси-
мально “неблагоприятных” допущениях,
принятых нами ранее, ток, проходящий
в контейнере с расположенной в нем
пресс-формой, будет превышать ток в
контейнере аналогичных размеров, но
заполненного только электропровод-
ным наполнителем, ориентировочно в
1, 25 раза. Следовательно, при выборе
источника питания по максимально
рассчитанному значению тока не должно быть никаких опасений по поводу пере-
грузок в процессе работы (в случае изменения соотношения размеров контейнера
и пресс-формы).
Опираясь на результаты работы [20], касающиеся изучения дросселирования
потока угольной шихты в электрокальцинаторе, проведем теоретический анализ
процесса электроконтактного нагрева сыпучего углеродного наполнителя и рас-
положенной в нем пресс-формы. Представим электроконтактный способ спекания
в виде эквивалентной электрической схемы. Она будет, в принципе, аналогичной
ранее рассмотренной схеме (рис. 4), но более детализированной (рис. 5 а, б). В
результате проведенных преобразований общее сопротивление цепи определим
из выражения
ОБЩ ТК1 ТК2
СК1 СК2
СПФ1 СПФ2СК1 СК2
ТПФ1 ТПФ2
СПФ1 СПФ2
1
= + + .
+ 1
+
+ +
+
R R R
R R
R RR R
R R
R R
××
(6)
Количество теплоты Q1, образованное при прохождении электрического тока I
по углеродному наполнителю и пресс-форме в течение времени t, определим из
известной зависимости
Q1 = I2 RОБЩ t. (7)
Количество теплоты Q2, полученное системой “углеродный наполнитель-пресс-
форма-гранулы пенополистирола” можно представить в следующем виде:
Рис. 4. Электрическая модель электрокон-
тактного способа спекания: а – исходная с сопро-
тивлением пресс-формы; б – преобразованная;
в – исходная без сопротивления пресс-формы
с дополнительным сопротивлением; г – преоб-
разованная; R
H1
, R
H2
, R
H3
, R
доп
– сопротивление
углеродного наполнителя; R
П-Ф
– сопротивление
материала пресс-формы
а
б
в
г
56 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 5 (83)
Проблемы технологии формы
2 Н Н ПФ ПФ ПП ПП= ( + + с ) ,Q c m с m m k TD (8)
где сН, сПФ, сПП – теплоемкости соответственно углеродного наполнителя, материала
пресс-формы, пенополистирола, Дж/(кг · К); mH, mПФ, mН – масса соответственно угле-
родного наполнителя, пресс-формы, навески пенополистирола, кг; k – коэффициент,
определяющий степень отличия конечной температуры гранул пенополистирола от
температуры токопроводного наполнителя; ∆T–разность между конечной и исходной
температурами системы, К.
Величину ∆T найдем из уравнения теплового баланса, согласно которому Q1 = Q2
2
ОБЩ
Н Н ПФ ПФ ПП ПП
,
I R t
T
c m с m с m k
D =
+ +
(9)
таким образом, ∆T зависит от длительности и величины пропускаемого тока, ма-
териала и массы составных частей электрической цепи. Изменяя любой из приве-
денных параметров, можно влиять на величину и динамику роста ∆T. К примеру, в
нашем случае был рассмотрен вариант схемы, в которой пресс-форма представляла
собой токопроводный элемент. В то же время существующие технологические ре-
шения в области материаловедения позволяют изготовить пресс-форму из такого
диэлектрического материала, как BN (нитрид бора). Изделия, изготовленные из BN,
способны сохранять электроизоляционные свойства при высоких температурах. Так,
при температуре 2000 К удельное сопротивление BN составляет всего 5 Ом · м [9].
Практическая реализация предложенного способа спекания была осуществлена
при изготовлении двух видов моделей (использовались пресс-формы модельного
участка), рис. 6. Нужно отметить, что в условиях автоклавного способа они спека-
лись приблизительно одинаковое время. Модель, представленная на фотографии
слева, формировалась в течение 70 с, другая − 60 с. Хронометраж процесса позволил
установить, что в случае предельно интенсивной производительности автоклава
ГК-100 время подачи напряжения на ТЭНы составляет не менее 47 с на каждый
цикл спекания. Тогда работа по нагреву воды до парообразования и достижения
Рис. 5. Эквивалентная электрическая схема электроконтактного
способа спекания: R
НТ1
– сопротивление углеродного наполнителя
у первого торца контейнера; R
ТПФ1
– сопротивление материала
первого торца пресс-формы; R
НС1
– сопротивление углеродного
наполнителя у первой стенки контейнера; R
СПФ1
– сопротивление
материала первой стенки пресс-формы; R
СПФ2
– сопротивление
материала второй стенки пресс-формы; R
НС2
– сопротивление
углеродного наполнителя у второй стенки контейнера; R
ТПФ2
– со-
противление материала второго торца пресс-формы; R
НТ2
– сопро-
тивление углеродного наполнителя у второго торца контейнера
R
HC1
R
СПФ1
R
ТПФ2 R
HТ2R
HТ1
R
ТПФ1
R
CПФ2
R
HC2
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 5 (83) 57
Проблемы технологии формы
им давления 0,185 МПа составит
564 кДж (без учета затрат энергии
на нагрев воды в начале смены).
Формообразование указанных
моделей с помощью электрокон-
тактного способа спекания про-
ходило в течение такого же про-
межутка времени, однако работа
по нагреву сыпучего углеродного
наполнителя и пресс-формы в нем
составила 11,9 кДж. Переменный
ток (I ≈ 19 А) пропускался по си-
стеме в течение 14 с. Напряжение
на зажимах контейнера равнялось
45 В. Существенная разница в за-
трачиваемой энергии на нагрев
в обоих случаях объясняется не
только различием теплоемкостей
теплопередающих сред, но и раз-
ными рабочими объемами, в кото-
рых располагались пресс-формы.
Так, в автоклаве ГК-100 объем камеры составляет 108 мм3, объем контейнера для
электроконтактного способа был равен 2,04 · 105 мм3. Таким образом, соотношение
“рабочий объем спекания-объем пресс-формы” в условиях спекания в ГК-100 обеих
приведенных моделей составлял 1797,37:1 и 998,54:1 соответственно. В электро-
контактном способе, позволяющем легко варьировать размеры рабочей области,
указанное соотношение было иным − 3,66:1 и 2,03:1 соответственно.
Учитывая результаты экспериментальных исследований, необходимо отметить
следующее. Процесс спекания модели, согласно предложенному способу, осу-
ществляется за счет передачи тепла через стенки пресс-формы теплопроводно-
стью. Следовательно, с увеличением толщины стенки модели будет снижаться
качество спекания ее внутренних слоев. В данном случае модель получается
качественной, если при диаметре исходных гранул 0,4-0,6 мм толщина стенки
не превышает 20 мм. Вместе с тем, разработанный способ имеет ряд преимуществ
по сравнению как с автоклавным, так и с ванным способами:
− экономия электроэнергии, поскольку теплоемкость графита (керна) в 5,6 раза
меньше теплоемкости воды;
− экономия расходных материалов, в данном случае воды, которая в электро-
контактном способе не используется;
− модель после извлечения из технологической камеры получается сухой;
электроконтактный способ, в отличие от ванного спекания, позволяет повысить тем-
пературу рабочей теплопередающей среды (графита) до температуры 120-130 °С, то
есть температуры максимальной пластической деформации пенополистироловых
гранул;
− оснастка, оборудование для данного способа производства ГМ отличаются
простотой, имеется возможность для каждого типоразмера пресс-формы приме-
нять свою технологическую камеру спекания, то есть для меньшей пресс-формы
используется меньшая камера, для большей – соответственно большая;
− повышается безопасность работы с оборудованием вследствие отсутствия
избыточного давления рабочей среды.
Рис. 6. Фото моделей
58 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 5 (83)
Проблемы технологии формы
1. Литье по газифицируемым моделям / Под ред. Ю. А. Степанова. − М.: Машиностроение,
1976. − 224 с.
2. Озеров В. А., Шуляк В. С., Плотников Г. А. Литье по моделям из пенополистирола. − М.:
Машиностроение,1970. − 183 с.
3. Шуляк В. С., Рыбаков С .А., Григорян К. А. Производство отливок по газифицируемым
моделям. − М.: МГИУ, 2001. − 330 с.
4. Кирпиченков В. П. Технологический процесс литья по газифицируемым моделям. − М.:
НИИмаш, 1971. −100 с.
5. Тупчиенко В. И., Мандрик Е. А., Шеховцова Л. С. Способ формования моделей из пенополи-
стирола в паровом потоке // Литье по газифицируемым моделям. – Киев: ИПЛ АН Украи-
ны, 1979. − С.126-129.
6. Мандрик Е. А. Новые направления в технологии точного литья с применением пенополи-
меров: Дис. … д-ра техн. наук. − Краматорск, 1996. − 254 с.
7. Яковышин О. А. Новый технологический процесс изготовления газифицируемых моделей
для литейного производства: Тез. докл. // Новітні матеріали та технології. − Киев: ИМФ
НАНУ, 2006. − С. 129.
8. Пат. 82444 UA, МПК B29C 33/00. Спосіб формування виробів / О. А. Яковишин. − Опубл.
10.04.08, Бюл № 7.
9. Лутков А. И. Тепловые и электрические свойства углеродных материалов. − М.: Метал-
лургия, 1990. − 176 с.
10. Хольм Р. Электрические контакты. − М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1961. − 464 с.
11. Лакомский В. И. Постоянная Лоренца углеродного материала катодных блоков алюминие-
вого электролизера // Пробл. спец. электрометаллургии. − 1998. − № 3. − С. 57-62.
12. Лакомский В. И. Математическая модель расчета удельного электрического сопротивле-
ния зернистого термоантрацита в зависимости от его фракционного состава // Современ-
ная электрометаллургия. − 2003. − № 3. − С. 48-51.
13. Быковец В. В., Лакомский В. И. Удельное электрическое сопротивление термоантрацита
// Там же. − 2003. − № 4. − С. 49-51.
14. Быковец В. В., Лакомский В. И., Кириленко В. П. Удельное электрическое сопротивление
кускового термоантрацита в тонком слое // Там же. − 2004. − № 1. − С. 47-49.
15. Лакомский В. И., Быковец В. В. О контактном нагреве термоантрацита в электрокальци-
наторе // Цв. металлы. − 2004. − № 1. − С. 52-54.
16. Лакомский В. И., Григоренко Г. М. Особенности нагрева термоантрацита в электрическом
поле переменного тока // Современная электрометаллургия. − 2004 .− № 3. − С. 53-55.
17. Лакомский В. И., Лебедев В. А. Зависимость контактного электрического сопротивления
термоантрацита от температуры и давления // Там же. − 2004. − № 4. − С. 46-48.
18. Лакомский В. И. Вольтамперная характеристика термоантрацитовых контактов // Там же.
− 2004. − № 4. − С. 48-51.
19. Лакомский В. И., Цыбулькин Г. А. Аналитическая модель удельного сопротивления элект-
ропроводного сыпучего материала // Там же. − 2005. − № 1. − С. 46-49.
20. Петров Б. Ф. Дросселирование потока угольной шихты в электрокальцинаторе // Там же.
− 2005. − № 1. − С. 49-54.
21. Лакомский В. И., Кутузов С. В. О температурной зависимости электросопротивления
термоантрацита // Там же. − 2006. − № 1. − С. 41-44.
22. Лакомский В. И. Зависимость удельного электрического сопротивления дробленого
термоантрацита от давления // Доп. Національної академії наук України. − 2006. − № 4.
− С. 96-103.
23. Патон Б. Е., Лакомский В. И. Производство электродного термоантрацита в электропечах
шахтного типа // Цв. металлы. − 2008. − № 1. − С. 55-60.
24. Лакомський В. Й. Явище електроконтактної пам’яті термоантрациту // Доп. Національ-
ної академії наук України. − 2008. − № 12. − С. 88-91.
Поступила19.03.2010
|