Устройство для исследования кинетики процессов газовыделения из образцов литейных стержней

Устройство для исследования кинетики процессов газовыделения из образцов литейных стержней

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области литейного производства и предназначено для определения параметров газовыделения из песчано-смоляной стержневой смеси на этапах ее приготовления и отверждения литейных стержней и, соответственно, прогнозирования загазованности стержневых отделений литейных цехов.

Известна конструкция устройства для определения скоростей газовыделения из стержней на этапе их отверждения, состоящая из электроаспиратора, стержневого ящика, трубопроводов, поглотительного прибора с пористым стеклянным фильтром со специальным раствором в пробирках [1]. Аспирация воздуха, загрязненного токсичными газами, производится через поглотительные растворы в пробирках с заданной скоростью с помощью электроаспиратора с последующим определением концентраций токсичных газов газоаналитическими методами по известным методикам, которые в настоящее время получили наибольшее применение [2].

Недостатком известного устройства является то, что его конструкция не позволяет точно определять параметры газовыделения из стержневой холоднотвердеющей смеси на этапе ее приготовления, а также не позволяет более информативно определять параметры газовыделения из стержневой смеси горячего твердения, измерять распределение температуры по объему образца литейного стержня в процессе его отверждения, не позволяет обеспечить надежность и точность получения экспериментальных данных и упростить их математическую обработку, так как не предусматривает компьютеризацию этапов исследования.

Известна конструкция устройства для определения скоростей газовыделения из образцов литейных стержней на этапе их отверждения, принятая за прототип, состоящая из источника газа-носителя, трубопроводов, ротаметра для регулирования расхода газа-носителя, металлической гильзы с отверждеваемым образцом литейного стержня, крышки с двумя отверстиями. Полость, образованная между отверждеваемым образцом литейного стержня и крышкой, сообщается линией связи с пробоотборником, а также с датчиком определения концентрации токсичного газа в газе-носителе и с атмосферой [3].

Недостатком известного устройства является то, что его конструкция не позволяет получать нужный объем информации о процессах газовыделения из исследуемых образцов литейных стержней как холодного, так и горячего отверждения с учетом различных этапов исследования, включая этап приготовления стержневой смеси и этап отверждения стержней.

Кроме этого известное устройство не обладает достаточной точностью получения экспериментальных данных и достаточной надежностью их математической обработки, так как не предусматривает автоматизацию этих процессов.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение информативности и точности измерений параметров газовыделения из исследуемых образцов литейных стержней как холодного, так и горячего отверждения с учетом различных этапов исследования, включая этап приготовления стержневых смесей и этап отверждения литейных стержней при организации автоматического режима обработки экспериментальных данных и расчета параметров газовыделения из образцов.

Дополнительной технической задачей, решаемой изобретением, является возможность проведения исследования различных диффузионных процессов массопереноса в процессе выделения токсичных веществ из образцов литейных стержней.

Поставленная техническая задача решается тем, что устройство для исследования кинетики процессов газовыделения из образцов литейных стержней, содержащее гильзу с образцом литейного стержня, герметично собранную с днищем и крышкой, в которой предусмотрены два отверстия, одно из которых через датчик расхода и регулирующий элемент связано линией связи с источником газа-носителя, а также со свободной полостью гильзы под крышкой, другое отверстие через переключающий элемент связано линией связи с датчиком определения концентраций токсичных веществ и с атмосферой, согласно изобретению устройство дополнительно снабжено нагревательным элементом, системой обработки экспериментальных данных и набором приспособлений, соответствующих определенному этапу исследований образца, а крышка гильзы выполнена в виде набора крышек для установки соответствующего приспособления с использованием выполненного в каждой из крышек третьего отверстия, при этом датчики расхода газа-носителя и определения концентраций токсичных веществ подключены к системе обработки экспериментальных данных, а нагревательный элемент совмещен с гильзой.

Техническая задача решается также тем, что на этапе приготовления стержневой смеси соответствующее приспособление выполнено в виде лопастного смесителя с приводом.

Техническая задача решается также тем, что на этапе отверждения образца соответствующее приспособление выполнено в виде набора датчиков температуры, распределенных по объему образца.

Дополнительная техническая задача решается тем, что на этапе исследования диффузионных процессов массопереноса токсичных веществ в процессе газовыделения из литейного стержня образец выполнен в виде отвержденной тонкослойной мембраны из исследуемой стержневой смеси, закрепленной в верхней части гильзы, и источника выделения токсичных веществ, имитирующего стержневую смесь, установленного вблизи мембраны со стороны днища, а соответствующее приспособление выполнено в виде заглушки.

Решение поставленной технической задачи достигается благодаря дополнительному введению в конструкцию устройства наборов приспособлений и крышек для их установки. Это позволяет вести исследования образцов как на этапе приготовления стержневой смеси, так и на этапе отверждения образцов. Кроме того, благодаря тому, что устройство снабжено нагревательным элементом, совмещенным с гильзой, появляется возможность вести исследования образцов из стержневой смеси как холодного, так и горячего твердения.

Применяемые для снятия характеристик газовыделения датчики на этапе приготовления смеси в совокупности с набором датчиков температуры, характеризующих одно из приспособлений с соответствующей крышкой на этапе отверждения образцов, позволяют повысить общую информативность исследований, связанную как с кинетикой процесса газовыделения, так и с кинетикой распределения температуры по объему исследуемого образца. Повышение точности при исследованиях достигается применением в устройстве системы обработки экспериментальных данных, которая позволяет вести их обработку автоматически в экспресс-режиме. Решение дополнительной технической задачи, связанной с другими этапами исследования для уточнения влияния толщины образца на кинетику диффузионных процессов массопереноса токсичных веществ в образце в процессе его отверждения, становится возможным при выполнении образца в виде отвержденной тонкослойной мембраны из исследуемой смеси, имитирующей поверхностную пленку связующего между зернами кварцевого песка в смеси, и источника выделения токсичных веществ, имитирующего выделение вредных веществ при отверждении образца.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства для определения скоростей выделения токсичных веществ из стержневой смеси на этапе ее приготовления; на фиг.2 приведена схема устройства для исследования кинетики выделения токсичных веществ из образца литейного стержня на этапе его отверждения; на фиг.3 приведена схема предлагаемого устройства для исследования закономерностей диффузионных процессов массопереноса токсичных веществ через капиллярно-пористую среду образца литейного стержня в виде тонкослойной мембраны; на фиг.4 изображены графики, иллюстрирующие кинетику газовыделения из холоднотвердеющей стержневой смеси на этапе ее приготовления - кривая "а", а также на этапе холодного отверждения образца литейного стержня - кривая "в".

При этом на фиг.4. приняты следующие обозначения: W1 - массовая скорость выделения токсичных веществ на этапе приготовления стержневой смеси; W2 - массовая скорость выделения токсичных веществ на этапе отверждения литейного стержня; t - текущее время, которое отсчитывается с момента начала приготовления стержневой смеси в смесителе; to - продолжительность приготовления стержневой смеси; tк - момент окончания процесса выделения токсичных веществ из литейного стержня.

Устройство для исследования кинетики процессов газовыделения из образцов литейных стержней (см. фиг.1.) содержит гильзу 1 с образцом 2 литейного стержня, герметично собранную с днищем 3 и крышкой 4. В последней предусмотрены два отверстия 5 и 6, одно из которых - отверстие 5, через датчик 7 расхода и регулирующий элемент 8 связано линией 9 связи с источником 10 газа-носителя, а также со свободной полостью 11 гильзы 1 под крышкой 4. Другое отверстие 6 через переключающий элемент 12 связано линией 13 связи с датчиком 14 определения концентраций токсичных веществ и с атмосферой. Устройство дополнительно снабжено системой 15 обработки экспериментальных данных, в которую входят плато 16 сбора экспериментальных данных и персональный компьютер 17, а также набором приспособлений 18 и 19 (см. на фиг.2). Каждое из приспособлений 18 и 19 соответствует определенному этапу исследований кинетики газовыделения из образца: на этапе приготовления стержневой смеси и на этапе отверждения образца литейного стержня, соответственно. Для имитации процессов газовыделения в случае горячего способа отверждения образца 2 в виде стержня устройство дополнительно снабжено нагревательным элементом 20. Причем крышка 4 гильзы 1 выполнена в виде набора крышек 4 и 4′ для монтажа соответствующего приспособления 18 или 19 с использованием выполненного в каждой из крышек 4 и 4′ третьего отверстия 21. При этом датчики 7 и 14 расхода и определения концентраций токсичных веществ, соответственно, подключены к системе 15 обработки данных, а нагревательный элемент 20 совмещен с гильзой 1.

На этапе приготовления стержневой смеси соответствующее этому этапу приспособление 18 выполнено в виде лопастного смесителя 22 с приводом 23.

На этапе отверждения образца соответствующее этому этапу приспособление 19 выполнено в виде набора датчиков 24, 25 и 26 температуры, распределенных по объему образца.

На этапе исследования диффузионных процессов массопереноса токсичных веществ образец выполнен в виде тонкослойной мембраны 27 из исследуемой стержневой смеси, закрепленной в верхней части гильзы 1, и источника 28 выделения токсичных веществ, имитирующего стержневую смесь, установленного вблизи мембраны 27 со стороны днища 3. При этом приспособление, соответствующее любой из крышек 4 и 4′, выполнено в виде заглушки 29. При монтаже тонкослойной мембраны 27 и источника 28 выделения токсичных веществ могут быть использованы вспомогательные установочные элементы 30 и 31 конструкции.

Устройство работает следующим образом.

На этапе приготовления стержневой смеси для образца 2 в гильзу 1, собранную герметично с днищем 3, засыпаются необходимые компоненты исследуемой стержневой смеси и после установки крышки 4 производится их перемешивание с помощью соответствующего приспособления 18 в виде лопастного смесителя 22 с приводом 23, который устанавливается в отверстие 21 с уплотнением в крышке 4 согласно заданной технологии приготовления холоднотвердеющей стержневой смеси. Затем осуществляется продувка свободной полости 11 через отверстие 5 крышки 4 по линии 9 связи газом-носителем от источника 10 через регулирующий элемент 8. Затем смесь газа-носителя с токсичными веществами, выделяющимися из стержневой смеси на этапе ее приготовления, поступает через отверстие 6 в крышке 4 по линии 13 связи в атмосферу посредством переключающего элемента 12. Заданная скорость продувки свободной полости 11 газом-носителем и значения концентраций токсичных веществ в газе-носителе измеряются датчиком 7 расхода и датчиком 14 определения концентраций, соответственно, данные с которых через плато 16 сбора данных системы 15 обработки данных поступают в персональный компьютер 17. Значения расхода газа-носителя или иначе объемной скорости продувки свободной полости 11 и значения концентраций токсичных веществ, которые фиксируются соответствующими датчиками 7 и 14 в процессе проведения исследований, записываются в соответствующий файл экспериментальных данных.

Примерный характер кинетики изменения скорости W1 газовыделения из холоднотвердеющей стержневой смеси на этапе ее приготовления приведен на фиг.4 - кривая "а".

Для расчета параметров газовыделения из стержневой смеси на этапах ее приготовления и отверждения литейных стержней используется специально разработанная программа, которая предусматривает проверку однородности дисперсии в различных экспериментальных точках (т.е. погрешности опытов при определении скорости газовыделения из стержня в различных экспериментальных точках не должны сильно отличаться) по критерию Кочрена и проверку адекватности выбранной математической модели экспериментальным данным по критерию Фишера [3].

По результатам исследований, зная скорость газа-носителя и концентрацию токсичного вещества в исследуемых пробах, рассчитывается скорость газовыделения токсичных веществ из образца.

Скорость выделения i-го токсичного вещества из стержневой смеси на этапе ее приготовления W1i(t) и на этапе отверждения литейного стержня W2i(t) соответственно равны

W1i(t)=10^-3·Wгн·Ki(t), мг/(кг·мин);

W2.i(t)=10^-3·Wгн·Ki(t), мг/(дм²·мин)

где Wгн - скорость газа-носителя, л/мин; Ki(t) - концентрация i-го токсичного вещества, выделяющегося из образца в газе-носителе, мг/м³.

После приготовления стержневой смеси крышка 4 с приспособлением 18, предназначенным для приготовления смеси, демонтируется. Затем формируется образец 2 литейного стержня путем уплотнения, после чего на гильзу 1 монтируется другая крышка 4′ с соответствующим приспособлением 19 в виде набора датчиков 24, 25 и 26 температуры, распределенных по объему образца 2. Далее производится продувка свободной полости 11 между крышкой 4′ и образцом 2 литейного стержня, изготовленного, например, из холоднотвердеющей стержневой смеси. В случае изготовления образца литейного стержня из стержневой смеси горячего твердения продувка свободной полости 11 между крышкой 4′ и образцом 2 литейного стержня производится с одновременным его нагревом с помощью нагревательного элемента 20.

Показания датчика 7 расхода газа-носителя Wгн и датчика 14 концентраций токсичного вещества в газе-носителе, а также набора датчиков 24, 25 и 26 температуры, распределенных по объему образца, обрабатываются также, как на первом этапе, и записываются в соответствующий файл экспериментальных данных.

Примерный характер кинетики изменения скорости W2 газовыделения на этапе холодного отверждения образца литейного стержня приведен на фиг.4 - кривая "в".

На этапе исследования диффузионного процесса массопереноса токсичных веществ для уточнения его механизма в капиллярно-пористой среде образца 2 (фиг.3) используется отвержденный образец в виде тонкослойной мембраны 27, который изготавливается путем нанесения на сетку очень тонкого слоя исследуемой стержневой смеси или исследуемой холоднотвердеющей смолы, смешанной с катализатором отверждения. Образец в виде тонкослойной мембраны 27 имитирует пленку связующего между зернами кварцевого песка. Причем образец в виде тонкослойной мембраны 27 предварительно выдерживается на воздухе до полного прекращения процесса выделения токсичных веществ из него, только после этого он закрепляется в верхней части гильзы 1 с использованием соответствующего приспособления в виде заглушки 29 с применением крышки, например крышки 4′. При этом источник 28 выделения токсичных веществ, имитирующий стержневую смесь, устанавливается вблизи мембраны 27 со стороны днища 3 с использованием вспомогательного установочного элемента 31. Причем соответствующее приспособление виде заглушки 29 устанавливается в крышке 4′ в отверстие 21. После этого свободная полость 11, образованная между тонкослойной мембранной 27 и крышкой 4′ гильзы 1, продувается газом-носителем. Показания датчика 7 расхода газа-носителя Wгн и датчика 14 концентраций токсичного компонента в газе-носителе через плато 16 сбора данных поступают на компьютер 17 системы 15 обработки данных и также записываются в соответствующий файл данных.

Для уточнения влияния толщины образца 2 литейного стержня на процесс диффузионного массопереноса через капиллярно-пористую среду образца устройство позволяет исследовать образцы различной толщины.

Многочисленные эксперименты, проведенные различными исследователями, показали, что влияние массы образца на скорость выделения токсичных веществ незначительно. Следует заметить, что газообразование в процессе отверждения образца литейного стержня происходит во всем его объеме. В капиллярно-пористой среде образца имеет место механизм молекулярной диффузии токсичных веществ, и пленка связующего между зернами кварцевого песка, которая формируется в процессе отверждения образца литейного стержня, может оказывать существенное влияние на характер диффузионного массопереноса в образце литейного стержня. Состояние пленки связующего в поверхностных слоях образца литейного стержня может оказывать определяющую роль на процесс выделения токсичных веществ из него.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить информативность и точность измерений параметров газовыделения из исследуемых образцов литейных стержней как холодного, так и горячего отверждения с учетом различных этапов исследования, в том числе на этапе приготовления стержневой смеси и на этапе отверждения литейных стержней, а также дополнительно - на этапе исследования различных диффузионных процессов массопереноса в процессе выделения токсичных веществ из образцов литейных стержней. Кроме этого изобретение позволяет организовать автоматический режим обработки экспериментальных данных и расчета параметров газовыделения из образцов литейных стержней.

Источники информации

1. Экология литейного производства / Под. ред. А.Н.Болдина, С.С.Жуковского, А.Н.Поддубного, А.И.Яковлева, В.Л.Крохина.: Учеб. пособие для вузов. - Брянск: Изд-во БГТУ, 2001. С.272.

2. Сборник инструктивно-методических материалов по санитарно-гиеническим вопросам. Т YI (часть II). Охрана атмосферного воздуха.

3. Погосбекян Ю.М., Герасимов Г.Я., Погосбекян М.Ю., Паповян М.Н. // Известия Вузов. Черная металлургия. №5, 2006. С.53-56 (прототип).

1. Устройство для исследования кинетики процессов газовыделения из стержневых смесей, содержащее гильзу с образцом литейного стержня, герметично соединенную с днищем, отличающееся тем, что устройство снабжено набором крышек, в каждой из которых выполнено первое отверстие, соединенное через датчик расхода и регулирующий элемент с источником газа-носителя и свободной полостью гильзы под крышкой, второе отверстие, соединенное через переключающий элемент с датчиком определения концентраций токсичных веществ и с атмосферой, третье отверстие для установки приспособлений, соответствующих определенному этапу исследований образца газовыделения, при этом устройство снабжено нагревательным элементом, установленным в гильзе, и системой обработки экспериментальных данных, а датчик расхода газа-носителя и датчик определения концентраций токсичных веществ подключены к системе обработки экспериментальных данных.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на этапе приготовления стержневой смеси установлено приспособление в виде лопастного смесителя.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на этапе отверждения стержневой смеси установлено приспособление в виде набора датчиков температуры, распределенных по объему образца.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при исследовании диффузионных процессов массопереноса токсичных веществ, выделившихся из стержневой смеси, установлено приспособление в виде заглушки, устройство снабжено источником токсичных веществ, установленным в гильзе вблизи образца литейного стержня со стороны днища, при этом образец литейного стержня выполнен в виде отвержденной тонкослойной мембраны из исследуемой смеси и закреплен в верхней части гильзы.