現(xiàn)代鑄造生產(chǎn)需要使用砂芯，而環(huán)保意識的日益增長以及更嚴(yán)格的法規(guī)為無機(jī)、無排放粘合劑系統(tǒng)的開發(fā)提供基礎(chǔ)，系統(tǒng)中砂芯需要加熱干燥和固化。在熱芯盒法中，熱量在芯盒中產(chǎn)生并傳遞到砂粘合劑混合物中。然而，熱芯盒法表現(xiàn)出兩個主要的技術(shù)缺點。

第一個缺點是石英砂的導(dǎo)熱率非常低，約為 1 W/(m·K)。由于由外向內(nèi)傳熱，該過程非常耗時，可能導(dǎo)致截面硬度過高并因此產(chǎn)生質(zhì)量問題。出于這個原因，應(yīng)用高達(dá) 523.15 K 或更高的芯盒溫度來加速熱傳遞。熱芯盒法的第二個缺點是砂芯干燥本身不能直接測量和實時數(shù)字化。相反，它只能通過記錄外圍參數(shù)來被動測量。

ACS 砂芯工藝流程

新的專利先進(jìn)砂芯解決方案(ACS)工藝旨在實現(xiàn)節(jié)省時間和節(jié)約能源的砂芯干燥和固化。ACS 工藝具有所有無機(jī)粘結(jié)劑體系的共同特性：以水為基礎(chǔ)能夠?qū)щ?。關(guān)鍵因素是開發(fā)導(dǎo)電芯盒材料，其導(dǎo)電性可調(diào)整到砂-粘結(jié)劑混合物的導(dǎo)電性。當(dāng)施加電壓時，電流均勻地流過芯盒和砂粘合劑混合物，如圖 1 所示。

更準(zhǔn)確地說，電流通過砂粒之間的導(dǎo)電粘結(jié)劑時由于其固有的電阻，砂芯均勻加熱而不形成加熱不均產(chǎn)生的高硬度截面。這是基于焦耳第一定律的歐姆加熱。在串聯(lián)過程中，導(dǎo)電芯盒通過這一定律加熱，能加速干燥過程。這是另一個重要的優(yōu)勢，因為對于ACS工藝，不再需要芯盒內(nèi)復(fù)雜的加熱設(shè)備，從而簡化了芯盒的構(gòu)造。

借助這一新工藝，熱量首次直接作用在砂芯中。由于必要的熱量通過均勻分布的粘合劑產(chǎn)生并傳遞到相鄰的砂中，石英砂的低導(dǎo)熱率不再是限制工藝因素。此外，電氣參數(shù)首次能夠進(jìn)行全面的實時監(jiān)控，并記錄干燥全過程。使用?FLOW-3D，可以模擬 ACS 過程，量化過程的收益，滿足工業(yè)應(yīng)用的重要標(biāo)準(zhǔn)。

實驗設(shè)計及結(jié)果

該實驗?zāi)Ｐ突?Starobin 等人的工作，但使用FLOW-3D?中的機(jī)電模型對其進(jìn)行了擴(kuò)展。以下研究集中于不考慮吹掃（purging）的單流體模擬。

第一步，使用無機(jī)砂粘合劑混合物對模擬模型進(jìn)行實驗研究和驗證，以研究加熱和溫度相關(guān)的導(dǎo)電率。測量了達(dá)到 373.15 K 所需的時間以及輸入砂芯的功率和能量。根據(jù)實驗分析結(jié)果，建立了一個基本的仿真模型。出于謹(jǐn)慎考慮，基本結(jié)果僅以定性方式呈現(xiàn)。結(jié)果如圖 2 所示，表明測量值與模擬值高度一致。

基于驗證的結(jié)果，ACS 工藝和模擬使用簡單的大容量幾何圖形顯示，與熱芯盒法相比，它說明了 ACS 先進(jìn)工藝開發(fā)的基本原理和巨大潛力。幾何對齊可以從圖 3 中得到。

模擬了三種情況：（1）熱芯盒法過程；(2) 使用冷工具 (293.15 K) 的 ACS 冷啟動過程；(3) 考慮到焦耳效應(yīng)導(dǎo)致的工具加熱的 ACS 系列過程。所有三維模型均以 1 mm 的單元尺寸離散化。表 1 總結(jié)了計算方案的最重要細(xì)節(jié)。

結(jié)果與討論

圖 4 顯示了熱芯盒法的溫度和水分變化，清楚地顯示出由外而內(nèi)的熱傳遞和相應(yīng)的水分減少過程。

模擬進(jìn)行了 120 秒，模擬結(jié)束時砂芯中心仍存在水分；在實踐中，循環(huán)時間的設(shè)定提前終止了干燥過程，此時砂芯由于不均勻的加熱形成了殼，砂芯中心殘留水分。

總結(jié)與展望

演示的模型顯示了?FLOW-3D?具有準(zhǔn)確模擬砂芯干燥過程的能力，以及與傳統(tǒng)熱芯盒法相比，新工藝在芯干燥和固化方面效果更出色。即使新的模擬設(shè)置仍處于開發(fā)階段并需要更多的真實案例實驗，它與迄今為止的實驗測量結(jié)果非常吻合。

盡管仍有待采取的步驟，但可以說，使用?FLOW-3D?模擬 ACS 過程的能力標(biāo)志著建立基于歐姆加熱的砂芯干燥過程的一個重要里程碑，并展示了該過程對無機(jī)砂芯的制造。

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