Toplotne lastnosti eksotermno - izolacijskih materialov
Thermal Properties of the Exothermic - Insulating Materials
J. Medved1, NTF-OMM, Ljubljana
J. Čevka, EXOTERM, Kemična tovarna Kranj
V. Gontarev, P. Fajfar, NTF-OMM, Ljubljana
Prejem rokopisa - received: 1995-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1995-12-22
Eksotermno - izolacijski materiali delujejo eksotermno, izolacijsko ali kombinirano. Energija, ki se sprošča pri eksotermni reakciji in izolacijska sposobnost zmanjšujeta odvod toplote. Uporabljajo jih v jeklolivarnah, livarnah železovih zlitin, livarnah neželeznih kovin in drugod. Izdelani so v obliki posipnih sredstev ali že oblikovanih izdelkov (nastavki za napajalnike, plošče, obloge...). Preiskave eksotermno - izolacijskih materialov s pečjo Carbitec, DTA in termično analizo so pokazale prednosti uporabe teh materialov.
Ključne besede: eksotemno - izolacijski materiali, peč Carbitec, termična analiza. DTA
Exothermic - insulating materials act exothermally, isolatively and combinedly. The heat loss is reduced by the heat liberated during the exothermic reaction and by the insulating capability. They are manufactured as the powder agents or as the shaped products (feeder extension, plates, linings,...) and are used in the foundries (the steel, the iron-alloys and the non-ferrous foundries) and elsewhere. The benefits of the use of the exothermic - insulating materials have been shown by testing them in the Carbitec furnace and by the DTA and the thermal analysis respectively.
Key vvords: exothermic - insulating materials, Carbitec furnace, thermal analysis, DTA
1 Uvod
Eksotermno - izolacijski materiali so že dolgo časa poznani v jeklolivarnah, livarnah železovih litin in tudi v livarnah neželeznih litin. Materiali, ki se uporabljajo pri izdelavi eksotermno - izolacijskih materialov, delujejo eksotermno, izolacijsko ali kombinirano. Toplota, ki se sprošča pri eksotermni reakciji, in izolacijska sposobnost teh materialov zmanjšujeta oziroma upočasnita odvajanje toplote v okolico, s tem pa se podaljša čas strjevanja taline. V livarnah lahko uporabimo manjše napajalnike z enakim učinkom napajanja, kar vpliva na izboljšanje izkoristka litine. Eksotermno - izolacijski nastavki za napajalnike morajo odgovarjati naslednjim zahtevam: og-njevzdržnost, eksotermnost, izolacijska sposobnost, gostota, trdnostne lastnosti, oblika in dimenzijska točnost ter vpliv na okolico.
Eksotermni materiali so sestavljeni iz mešanic, ki ob prisotnosti kisika eksotermno reagirajo. Eksotermni reaktant (navadno aluminij) z zgorevanjem sprošča toploto in jo oddaja v okolico. Del potrebnega kisika za reakcijo dovajamo s trdimi nosilci kisika, kot so Fe2C>3, MniCh, Ba20 itd. Drugi del potrebnega kisika za reakcijo pride iz zraka. Z raznimi dodatki lahko uravnavamo vžigno temperaturo in hitrost gorenja. Hitrost gorenja je v prvi vrsti odvisna od stehiometričnega razmerja med aluminijem in trdnimi nosilci kisika, njihovo reakcijsko sposobnostjo in zrnatosti mešanice.
1 Mag. Jože MEDVED, dipl.inž.mct. NTF-OMM. Univerza v Ljubljani IO(K) Ljubljana. Aškerčeva 12
Dva eksotermna (R 05, R 85) in dva izolacijska materiala (fer, izo) smo preiskovali s pečjo Carbitec, termično analizo in diferenčno termično analizo (DTA).
2 Rezultati opravljenih preiskav
2.1 Peč Carbitec
Za preiskave in določevanje kakovosti eksotermno -izolacijskih zmesi je primerna metoda, katero izvajamo s pečjo Carbitec firme Carbolite. S takšno pečjo lahko primerjalno določimo toplotno tehnološke lastnosti vzorca iz preiskovane eksotermno - izolacijske zmesi. Za meritve izdelamo testno ploščo z dimenzijami 224 x 224 x 25 mm, ki jo položimo na segreto SiC ploščo v peči Carbitec na temperaturo 1693 K. Regulacija peči je izvedena tako, da vzdržuje konstantno temperaturo SiC plošče. Z zasledovanjem porabe električne energije za vzdrževanje konstantne temperature SiC plošče dobimo značilno krivuljo, ki opisuje vedenje eksotermno - izolacijskih materialov.
Pri naših preiskavah smo ugotavljali kakovost različnih eksotermno - izolacijskih materialov in jih primerjali s čistim kremenčevim peskom, kot najpogostejšim formarskim materialom. Dobljeni rezultati meritev na peči Carbitec so podani na sliki 1. Iz krivulj je razvidno, da je za začetek eksotermne reakcije oziroma za začetek vpliva izolacije preiskovanega materiala potreben določen čas, ki smo ga poimenovali občutljivost in ga merimo v časovnih enotah ter je povezan s hitrostjo gorenja ter izolacijske sposobnosti eksotermno - izolacijske zmesi. S potekom eksotermne reakcije se zmanjša potrebna količina dovedene energije
J. Medved, et al: Toplotne lastnosti eksotermno
Slika 1: Krivulje Carbitec za eksotemno - izolacijske materiale Figure 1: Carbitec curves for exothermic - insulating materials
za vzdrževanje konstantne temperature SiC plošče. Po končani eksotermni reakciji je delež dovedene energije odvisen od izolacijskih sposobnosti zmesi.
Krivulje eksotermnih zmesi in čistega kremenčevega peska so podane na sliki 1 (desno), iz katerih sta razvidna močan eksotermni odklon in dobra izolacijska sposobnost mešanice. Eksotermna reakcija poteče po določeni inkubacijski dobi, ki smo jo poimenovali občutljivost mešanice. Občutljivost mešanice je odvisna od gorljivosti in tudi od izolacijskih sposobnosti.
Toplotno tehnološke lastnosti čistih izolacijskih materialov za izolacijske napajalnike podajata krivulji "Carbitec" na sliki 1 (levo). Občutljivost izolacijskih materialov je primerljiva z občutljivostjo eksotermnih. Čas, kije potreben za popolno izolacijo SiC plošče, pa je za 2 do 3-krat daljši, kot je pri eksotermnih materialih. Pod popolno izolacijo smatramo razmere, pri katerih ni potrebno dovajati električne energije za vzdrževanje konstantne temperature SiC plošče. Tudi končna izolacijska sposobnost mešanice po 30 minutah preiskušanja je tako pri eksotermnih, kakor tudi pri izolacijskih mešanicah za nastavke napajalnikov, boljša od primerjalnega kremče-vega peska za 2 do 3-krat.
1400 Q 1300
O
R 1200 U
s
"S 1100
u
4>
B" 1000
s
o
H 900
S termično analizo smo izdelali ohlajevalne krivulje bele temprane litine. Za meritve smo izdelali lončke oziroma nastavke z geometrijskim modulom strjevanja 0,83 cm in prostornino 97 cm3 iz preiskovanih materialov. Lončki so bili izdelani iz vseh preiskovanih materialov. Vanje smo vgradili termoelement PtRhlO v horizontalni smeri.
Meritve smo izvedli v livarni bele temprane litine s stopnjo nasičenosti od 0,79 do 0,83. Značilne ohlajevalne krivulje za posamezne preiskovane materiale ter primerjava ohlajevalne krivulje za peščeno mešanico, izdelano po CO2 postopku, so podane na sliki 2.
Iz slike ohlajevalnih krivulj je razvidno, da eksotermno - izolacijski materiali močno podaljšajo čas strjevanja taline glede na lonček iz peska.
2.5 Diferenčna termična analiza (DTA)
Z DTA smo preiskovali eksotermne materiale zaradi ugotovljanja mehanizma eksotermne reakcije. Vzorce smo zatehtali tako, da je količna aluminija in Fe203 v vseh primerih enaka. Kot primerjavo smo preiskali tudi mešanico aluminija in Fe203. Rezultati so prikazani na sliki 3.
DTA krivulje materialov vsebujejo dve področji eksotermnih vrhov. Prvo področje med 300 in 500°C predstavlja alumofluoridne reakcije, kjer reagira del aluminija in dodani fluoridi. Drugo področje med 800 in 1000°C predstavlja aiumotermično reakcijo med preostalim aluminijem in trdnim nosilcem kisika in kisikom iz zraka. Ta vrh zasledimo tudi na krivulji, ki predstavlja mešanico Al + Fe203. Endotermni vrh pri 660°C predstavlja taljenje aluminija.
3 Prihranek pri uporabi eksotermno - izolacijskih materialov
Uporaba eksotermno - izolacijskih materialov je tem bolj ekonomična, čim večji so stroški za izdelovanje kakovostne litine in tem večjo volumsko krčenje ima litina.
800
0 100 200 300 400 500 600 700
Čas (s)
Slika 2: Ohlajevalne krivulje eksotermno - izolacijskih materialov Figure 2: Coling curves for exothermic - insulating materials
Slika 3: DTA eksotermnih materialov Figure 3: DTA for exothermic materials
Slika 4: Prihranek taline pri uporabi eksotermno - izolacijskih nastavkov za napajalnike
Figure 4: Melt saving by using of the exothermic - insulating feeder extensions
Prednost uporabe eksotermno - izolacijskih materialov ni samo pri ulivanju jeklolitine, temveč tudi pri drugih železovih in neželezovih litinah.
Prihranek pri uporabi eksotermno - izolacijskih nastavkov za napajalnike lahko izrazimo s preprostim izrazom:
1
p=-
r)o - izkoristek litine pred uporabo eksotermno - izolacijskih materialov
Tli - izkoristek po uporabi eksotermno - izolacijskih materialov Ari = Tli - ijo
R - strošek izdelovanja litine (SIT/tono litine) S - izvrednotena vrednost povratnega materiala (SIT/tono litine)
E - dodatni stroški zaradi uporabe eksotermno - izolacijskih materialov
V prej navedenem izrazu so upoštevani samo neposredni stroški za izdelovanje taline na žlebu peči. Na splošno lahko razdelimo stroškovna področja na: - stroški energije za taljenje litine, vzdrževanje temperature v zbiralnikih litine, vzdrževanje temperature litine v livnih pečeh,....
-	stroški vhodnih surovin za vložek
-	poraba ognjevzdržnih materialov
-	stroški transporta v livarni
-	stroški brušenja
-	stroški porabe bentonita glede na obremenitev for-marske mešanice (kg litine/kg formarske mešanice)
-	stroški delavcev.
Prihranek taline v kg in njegova matematična odvisnost od modula strjevanja je shematično prikazan na sliki 4.
4 Sklep
Preiskave eksotermno - izolacijskih materialov s pečjo Carbitec, DTA in termično analizo so pokazale prednosti uporabe teh materialov. Ti materiali zaradi eksotermnih in izolacijskih sposobnosti močno podaljšujejo čas strjevanja taline. Dodatek izolacijskih komponent k eksotermnim mešanicam omogoča tudi dobro izolacijsko sposobnost eksotermnih materialov. Eksotermna reakcija poteka v dveh stopnjah: najprej pri nizkih temperaturah alumofluoridna, nato pa pri visokih še alumotermična reakcija.
V livarnah uporaba teh materialov zmanjšuje potrebno količino litine v napajalnikih in podaljšuje napajalno cono. Pri uporabi nastavkov za napajalnike se izkoristek taline bistveno izboljša. Možnost dobave tipiziranih izdelkov pa omogoča takojšnjo uporabo na formarskih linijah.
Uporabljene preiskovalne metode omogočajo optimalno sestavo ter konstantno kakovost pri proizvodnji eksotermno - izolacijskih materialov.
5 Literatura
1	K. Jiirgen Grabb, H. Eppstein: Kostenvergleich von Naturspeisern und Speisern mit exotherm Einsatzen fiir Gusseisen mit Kuelgraphit, Giesserei, 77, 1990, 9, 312-316
2	The Foseco Foundryman's handbook, Ninth Edition, FOSECO (F.S.) Limited, Pergamon Press., 1986
3	Robert Wlodawer: Gelenkte erstarung von Gusseisen, Giesserie-Ver-lag GmbH, Dusseldorf 1977
"•R. A. Johns: Einfache und zvveckmassige Speisertechnik fiir Stahlguss, Giesseri-Praxis. 1981, 7, 115-126
5 F. Pavlin, A. Smolej, S. Malovrh, T. Kolenko: Usmerjeno strjevanje ulitkov z izolacijskimi masami, FNT Univerza v Ljubljani 1978
6N. Wukovich, J. Briggs: Do your feeding aids pass the test, Modem Casting, 77, 1987, 9, 33-36
Alj
V
(R-S)-E