Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ НАХОЖДЕНИЯ СТАЛЬНОЙ ОТЛИВКИ «ШАР» В ОБЛИЦОВАННОМ КОКИЛЕ ДО ТЕМПЕРАТУРЫ ВЫБИВКИ

Пустовалов Д.О. 1 Лабутин В.Н. 1 Белова С.А. 1 Милованов Р.С. 1
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Для получения качественных отливок мелющих тел типа «Шар» предложено применять направленную кристаллизацию, используя частично облицованные кокили. С целью получения качественной отливки определен тип кокиля; представлены температурные поля облицованного кокиля в начале заливки и в процессе охлаждения. Произведен расчет нахождения стальной отливки «Шар» в частично облицованном кокиле до температуры выбивки с использованием общепринятых в литейной науке формул, критериев А.И. Вейника, критерия Фурье, критериев Био. Проведено сравнение расчетных данных с расчетами в программном продукте ProCAST. Программное время охлаждения составило 30,86 мин. Разница расчетного значения и полученного при использовании программного продукта ProCAST, составила 5,54 мин. Это объясняется тем, что охлаждение в программном продукте рассчитывалось для отливки, затвердевающей в полностью облицованном кокике.
приведенный размер.
температуропроводность
теплопроводность
облицовка
критерий А.И. Вейника
интенсивность теплообмена
теплообмен
температура
тонкостенный кокиль
массивный кокиль
кокиль
отливка
1. Белов В.Д. Теория литейных процессов: учебник / В.Д. Белов [и др.]; под ред. Хосена Ри. – Хабаровск: Изд-во «РИОТИП» краевой типографии, 2008. – 580 с.
2. Бураков С.Л. Литье в кокиль / С.Л. Бураков, А.И. Вейник, Н.П. Дубинин и др. Под ред. А.И. Вейника.– М.: Машиностроение, 1980. – 415 с.
3. Голод В.М. Теория, компьютерный анализ и технология стального литья / В.М. Голод, В.А. Денисов; Под общ. ред. В.М. Голода.– СПб: ИПЦ СПГУТД, 2007.– 610 с.
4. Малевич Ю.А. Теплофизические основы затвердевания отливок и слитков / Ю.А. Малевич, Ю.А. Самойлович.– Мн: Выш. шк., 1989. – 203 с.: ил.
5. Руденко А.Б., Серебро В.С. Литье в облицованный кокиль. – М.: Машиностроение, 1987. – 184 с.
Одним из путей увеличения выпуска отливок с единицы площади цеха является улучшение использования формовочно-сборочно-заливочных площадей. В значительной мере этот вопрос связан с длительностью изготовления отливок, большая часть которых приходится на выдержку их в форме от заливки до выбивки. Особенно это относится к отливкам из легированных сталей, длительность выдержки которых может во много раз превышать продолжительность формовки и сборки.

Для получения качественных мелющих тел «Шар» необходимо обеспечить направленную кристаллизацию, для чего предложено часть кокиля, приходящуюся на половину шаров, покрыть облицовкой толщиной 10 мм. Другая половина шаров (без облицовки) соприкасается с металлом водоохлаждаемого кокиля, выполняющего роль холодильника. Понятно, что при этом теплоотвод и, как следствие, время охлаждения будут отличаться от тех, когда охлаждение проводится в облицованном полностью или необлицованном кокилях.

Целью данной работы является расчет времени охлаждения отливок мелющих тел «Шар», изготавливаемых в частично облицованных кокилях.

Материалы

Химический состав сплава для отливки «Шар» приведен в табл. 1

Таблица 1

Химический состав исследуемого сплава, % (масс.)

Элемент

С

Mn

Si

Ni

Mo

Cu

P

S

Содержание, %

0,77

0,65

0,4

0,2

0,06

0,2

0,05

0,05

 

Расчет параметров проводился по общепринятым формулам, используемым в литейном производстве.

Результаты и их обсуждение

В свете определяющей роли тепловых явлений в сложном механизме формирования отливки облицованным кокилем следует называть металлическую форму с неметаллическим рабочим слоем (облицовкой) Х2, соизмеримой (величина одного порядка) с приведенным размером отливки Х1

                                                                    (1)

Толщина облицовки кокиля Х2 = 10 мм;

Приведенный размер отливки определяется по формуле

Тогда  – условие выполняется.

            Прим.: Округлили до «1» в связи с тем, что это цифры одного порядка.

Рассматриваемая форма заливается в условиях естественной гравитации, соответствует определению «кокиль», данному в ГОСТ 17819.

Облицованные кокили в зависимости от толщины стенки кокиля Х3 подразделяются на 2 группы: тонкостенные и толстостенные.

К тонкостенным облицованным кокилям относят формы, которые удовлетворяют условию

                                                                     (2)

 

Приведенный размер кокиля Х3 = 70 мм;

Тогда  – толщина стенки тонкостенного кокиля соизмерима с приведенным размером отливки.

К толстостенным облицованным кокилям относят формы, которые удовлетворяют условию

 >> 1                                                                   (3)

Условимся, что тепловые расчеты будем вести для тонкостенного облицованного кокиля, принудительно охлаждаемого водой.

Каждое решение задачи теплообмена в системе «отливка–форма» пригодно для анализа процесса формирования отливки в определенных литейных формах.

Для оценки существенных в термическом отношении факторов, Вейником А.И. предложены 2 метода. Первый основан на анализе интенсивности теплообмена между отливкой и формой, второй – на анализе относительной теплоаккумулирующей способности отливки и элементов (слоев) формы.

Математическим выражением интенсивности теплообмена служат критерии А.И. Вейника

                                                    (4, 5)

где β – коэффициент теплопередачи через слой формы, непосредственно примыкающей к отливке; l1 и l3 – коэффициенты теплопроводности материалов отливки и кокиля соответственно.

Математическим выражением относительной теплоаккумулирующей способности отливки и формы являются параметрические критерии (1) – (3).

Физический смысл критериев (4) и (5) – они выражают меру отношения перепада температур в отливке dТ1 и в кокиле dТ3 соответственно к температурному напору облицовки DТ2.

Физический смысл критериев (1) – (3) можно определить так: они выражают относительную теплоаккумулирующую способность слоев формы.

Первые 2 критерия определяют возможность исключения из описания процесса теплообмена перепадов температур dТ1 и dТ3.

Критерии (1) – (3) определяют возможность исключения из описания процесса теплоаккумулирующей способности отдельных элементов формы:

                                                                   (6)

где l2 – коэффициент теплопроводности слоя облицовки, примыкающего непосредственно к отливке; Х2 – толщина облицовки, мм.

Подставляя выражение (6) в формулы (4) и (5), получаем

                                                                 (7, 8)

Подставляя в формулы (7) и (8) следующие данные

– для отливки                       Х1 = 16,7 мм = 0,0167 м                    l1 = 55 Вт/(м×К)

– для облицовки                   Х2 = 10 мм = 0,01 м               l2 = 0,68 Вт/(м×К)

– для кокиля              Х3 = 70 мм = 0,07 м               l3 = 42 Вт/(м×К)

получаем

;          

Для облицованного кокиля получаем

<< 1;               << 1

Отсюда вывод: отношение толщин слоев формы к толщине стенки отливки определяет не только теплоаккумулирующую способность слоев формы, но и меру интенсивности охлаждения отливки и нагрева формы.

Облицованные кокили образуют класс форм, для которых теплоаккумулирующая способность облицовки соизмерима с теплоаккумулирующей способностью отливки. При этом отливка охлаждается, а металлическая стенка кокиля нагревается с малой интенсивностью.

Отсюда следует, что перепады температур по сечению стенки отливки dТ1 и кокиля dТ3 пренебрежимо малы по сравнению с температурным напором в облицовке DТ2. Поэтому можно представить законы изменения температур отливки и кокиля в виде функций одной переменной – времени t.

Практическое отсутствие зависимости температурных полей отливки и металлического слоя кокиля от пространственной координаты позволяет абстрагироваться от конкретных геометрических форм этих тел и учитывать в расчетах только их объемы и площадь поверхности охлаждения.

Возможность расчета охлаждения отливки по стадиям (отвод теплоты перегрева, затвердевания и охлаждения до температуры выбивки) позволяет преодолеть трудности, связанные с тем, что изменение температуры вызывает изменение термофизических свойств материалов отливки и формы. На каждой стадии изменение температуры существенно меньше, чем за весь процесс. Поэтому в пределах одной стадии термофизические свойства тел, участвующих в теплообмене, можно считать с известным приближением постоянными. Таким образом, эти свойства являются кусочно-постоянной функцией температуры. Поэтому процесс теплообмена в системе «отливка–облицованный кокиль» сводится к одномерной задаче теплопроводности при граничных условиях третьего рода (рис. 1), которые являются уравнениями теплового баланса на границах элементов рассматриваемой системы.

На рис. 2 представлена система «отливка – облицованный кокиль», которая была разработана с целью обеспечения направленной кристаллизации.

 

Рис. 1. Температурное поле отливки и облицованного кокиля

Рис. 1. Температурное поле отливки и облицованного кокиля

Рис. 2. Система

«отливка – облицованный кокиль»

На практике часто необходимо знать не постадийный характер изменения температуры отливки и длительности каждой стадии, а общее время охлаждения отливки до температуры выбивки.

Для тепловых расчетов будем пользоваться не шаровой отливкой, а цилиндрической с приведенным радиусом Rцил = 2Rшара.

Следовательно, Rцил » 33 мм.

В тепловом отношении данные отливки обладают одинаковым временем затвердевания.

Проведем расчет времени затвердевания отливки в частично облицованном кокиле в соответствии с процессами, протекающими при заливке сплава (рис. 3).

Исходные данные для расчета:

– показатель параболы на графике распределения теплоты в теле отливки n = 1;

– приведенный размер отливки R1 = 0,033 м;

– толщина облицовки Хоб = 0,01 м;

– плотность материала облицовки ρ2 = 1400 кг/м3;

– скорость заливки u = 0,042 м/с (рис. 3);

– температура металла перед заливкой Tзал = 1853 К;

– температуры ликвидуса и солидуса Tл = 1733 К; Tс = 1638 К;

– температура кристаллизации как среднее значение температур ликвидуса и солидуса для данного сплава Tкр = 1686 К;

– температура выбивки Tвыб = 1050 К;

– температура кокиля T2н = 423 К;

– температура окружающей среды Tс = 293 К;

– удельная теплоемкость жидкого сплава C'1 = 920 Дж/(кг∙К);

– удельная теплоемкость отливки C1 = 753 Дж/(кг∙К);

– удельная теплота кристаллизации r1 = 251000 Дж/кг;

– удельная теплоемкость материала облицовки C2 = 560 Дж/(кг∙К);

– плотность твердого материала отливки ρ1 = 7860 кг/м3;

– плотность жидкого материала отливки ρ'1 = 7400 кг/м3;

– плотность материала кокиля ρ3 = 7000 кг/м3;

– масса блока отливок M1 = 22 кг;

– масса кокиля M3 = 250 кг;

– коэффициент теплопроводности отливки λ1 = 54,5 Вт/(м∙К);

– коэффициент теплопроводности материала кокиля λ3 = 42 Вт/(м∙К);

– теплоаккумулирующая способность отливки b1 = 11743 Вт∙с1/2/(м2∙К);

– теплоаккумулирующая способность облицовки b2 = 954 Вт∙с1/2/(м2∙К).

 

Рис. 3. Схема температурного поля облицованного кокиля на стадии заливки

На стадии затвердевания процесс описывается выражениями:

– для определения объема затвердевшего металла V1

                                (9)

где F0 – критерий Фурье; D, N1, N2, m3 – расчетные коэффициенты, определяемы по ниже представленным формулам:

 

– время затвердевания отливки можно определить из формулы

                                  (10)

где Qоб – коэффициент температуропроводности материала облицовки;

qкр и q2н – температуры кристаллизации сплава и кокиля, отсчитанные от температуры окружающей среды;

N0, N1, N2, L1 и L2 – коэффициенты, рассчитанные по ниже приведенным формулам;

aоб – коэффициент температуропроводности материала облицовки;

lоб – коэффициент теплопроводности материала облицовки;

F1 – площадь поверхности охлаждения отливки;

R1 – половина толщины или радиус стенки отливки;

t – время затвердевания отливок.

 

где m2 – расчетный коэффициент

 

 

где Bi1. Bi2 – критерий Био для отливки и облицовки соответственно

;

;

где a1, a2, a3 – коэффициенты теплоотдачи на поверхностях отливки, облицовки и кокиля соответственно.

 

a2®¥

 

где у – координата, отсчитываемая от фронта потока;

b – коэффициент аккумуляции тепла,

– отливки ;

– кокиля

 

Учитывая расчеты, приведенные выше и формулы (9 и 10) определяем расчетное время охлаждения отливки, проведя поэтапно математические расчеты:

                                      

Время затвердевания отливки от момента заливки металла в форму до температуры выбивки

Программное время охлаждения составило 30,86 мин. Разница расчетного значения и полученного при использовании программного продукта ProCAST, составила 5,54 мин. Это объясняется тем, что охлаждение в программном продукте рассчитывалось для отливки, затвердевающей в полностью облицованном кокиле.

Выводы

Рассчитали время затвердевания блока отливок, полученного заливкой металла в кокиль, частично облицованный с целью изменения направления кристаллизации и, как следствие, получения бездефектных отливок.


Рецензенты:

Беленький В.Я., д.т.н., профессор, декан МТФ ПНИПУ, г. Пермь;

Сиротенко Л.Д., д.т.н.,  профессор кафедры МТиКМ ПНИПУ, г. Пермь.


Библиографическая ссылка

Пустовалов Д.О., Лабутин В.Н., Белова С.А., Милованов Р.С. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ НАХОЖДЕНИЯ СТАЛЬНОЙ ОТЛИВКИ «ШАР» В ОБЛИЦОВАННОМ КОКИЛЕ ДО ТЕМПЕРАТУРЫ ВЫБИВКИ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=22938 (дата обращения: 25.02.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074