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微波硬化水玻璃砂的传热传质机制及温度场模拟

于涛  
【摘要】:微波硬化水玻璃砂可充分发挥水玻璃的粘结潜力,显著减少水玻璃的加入量,改善水玻璃砂溃散性能及旧砂再生性能,具有硬化时间短,硬化强度高,操控性能好等许多优势,被认为是最可能实现绿色铸造的型砂种类。但目前针对微波硬化水玻璃砂工艺的基础性研究相对较少,针对微波硬化水玻璃砂的机理及材料研究不够深入,加之微波硬化水玻璃砂的强吸湿特征,故一直未能实际应用。本文深入研究微波加热硬化水玻璃砂的传热传质机制及特点具有重要理论与实际意义。 本文采用光纤温度传感器构建了可用于微波加热环境下对水玻璃砂试样内温度场进行单点接触式即时测量的温度检测系统,对不同尺寸的圆柱体和正方体水玻璃砂试样内温度场进行了实测。结果表明:微波硬化水玻璃砂样内部温度场呈“内高外低”的正温度梯度分布;温度最高点通常在试样中心偏下的位置;试样的尺寸及形状对内温度场分布有一定影响,但不影响“内高外低”的温度分布总体规律。 根据现有的微波加热理论及研究数据,以及水玻璃砂的自身特点,预设了微波加热硬化水玻璃砂的传热传质机制,推导出了相应的传热传质数学模型,将此数学模型与微波电磁模型耦合得到微波硬化水玻璃砂电磁-热质模型。以该数学模型为基础,采用时域有限差分法和MATLAB软件,对不同尺寸的圆柱体和正方体水玻璃砂试样内温度场进行了计算机模拟仿真。将模拟结果与实测结果进行对比,验证了预设的微波加热硬化水玻璃砂传热传质机制的正确性和合理性。 研究测试了微波硬化水玻璃砂工艺参数对型砂内温度场分布特征及水玻璃砂型性能的影响。结果表明:对微波硬化水玻璃砂温度高低有显著影响的工艺参数包括加热时间、加热功率及水玻璃加入量,但所有工艺参数均不影响型砂内部温度分布规律,而微波硬化温度及水玻璃加入量是影响水玻璃砂型性能的主要因素。在此基础上,对微波硬化水玻璃砂的优化工艺提出了初步方案。


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