CC BY
125
ГГГГГгГ^ ГГ rCTfi^ гТГГГ /
-3 (56), 2010 /
а Ф. БАРАНОВСКИЙ В. А. ПУМПУР, В. М. ИЛЬЮШЕНКО, К. Э. БАРАНОВСКИЙ, ИТМ НАН Беларуси
УДК 519:669.27
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ ОТЛИВКИ ИЗ ИЧХ ПРИ ЛИТЬЕ В КОКИЛЬ, ПЕСЧАНУЮ И КОМБИНИРОВАННЫЕ ФОРМЫ
The comparative analysis of hardening of ingot of abrasion-resistant chromic iron in chill, sand and combination molds is carried out according to the results of mathematical and computer calculations.
Литые детали из износостойких хромистых чугунов (ИЧХ) широко используются в рабочих органах машин дробильно-размольного оборудования. Они работают в условиях интенсивного ударно-абразивного воздействия с перерабатываемым минеральным сырьем и быстро изнашиваются. Отливки из ИЧХ в основном изготавливают методом литья в песчаные формы. Срок эксплуатации изготовленных таким образом деталей непродолжителен. Поэтому повышение ресурса работы литых деталей из ИЧХ является актуальным.
Одно из перспективных направлений решения этой проблемы - разработка новых технологий получения отливок из ИЧХ в кокилях [1], а также комбинированных формах, стенки которых частично выполнены из песчаной смеси, а частично из металла [2]. В таких формах условия теплообмена частей отливки, контактирующих с металлическими или песчаными стенками, существенно отличаются. Это позволяет получать литую деталь со специальными физическими и эксплуатационными свойствами на тех участках, которые подвергаются наиболее интенсивному износу.
Разработка технологии получения отливок из ИЧХ в кокилях и комбинированных формах требует проведения исследований по изучению теплообмена отливки с формой для оценки скоростей ее затвердевания на металлических и песчаных поверхностях форм, интенсивности охлаждения залитого расплава, а также затвердевающей отливки до момента выбивки.
Целью настоящей работы является определение основных закономерностей затвердевания и охлаждения отливок из ИЧХ в кокиле и комбинированных формах, а также сравнительный анализ параметров их формирования с отливкой, полученной в песчаной форме из ХТС. Для решения этих задач проведено компьютерное моделирование теплообмена при затвердевании и охлаждении отливки в кокиле, песчаной и комбинированных формах.
Примем, что отливка затвердевает в форме, образованной пластинами 1-3 одинаковой толщины, которые создают полость отливки 4 (рис. 1). На границах расчетных областей теплообмен происходит при граничных условиях третьего рода с постоянными коэффициентами теплообмена.
С учетом сделанных допущений разработана математическая модель теплообмена при формировании отливки в виде длинномерного бруса прямоугольного сечения.
Щмпур В. А.
26/
г: гшшгггта
3 (56), 2010-
РЛ
ÔT1 ~дт
= А,-
( д 2Т д 2Т -'- +---
дх2 ду2
\
, i = 1,4,
(1)
T
1 Т-,
т=0
- T01, T2
т=0
- T
02'
T3 L=0 - T03, T4 L=0 - Тзал,
(2)
дЛ
дх
= 0, А,-
х=0
Т
дх
= 0, А
х=0
дТ* дх
= 0; (3)
х=0
А дТ2
А 2-
дх
дТА
А
дх
= а42(Т4 Т2) ,
= а42(Т4 Т2) ;
(4)
Ai ^
дх
А дТ2 А 2-
дх
А дТз
A3-
дх
= аос(Т1 Тое):
х= A
= а0С (Т2 ТОС ) :
(5)
х= A
= аос (Т3 Тос ) •
х=A
Рис. 1. Расчетные области и граничные условия теплообмена при затвердевании прямоугольного бруса в форме из пластин 1, 2 и 3, образующих контур отливки 4: а12 а23 -коэффициенты теплообмена между элементами формы; а41 а42 а43 - коэффициенты теплообмена отливки 4 со стенками формы; аос - коэффициент теплообмена стенок формы с окружающей средой
Уравнение теплопроводности имеет следующий вид:
Граничные условия вдоль оси ОY имеют следующий вид:
на внешней поверхности днища формы 3
дТ
Аз 3
ду
= 0;
(6)
у=0
на границе контакта отливки и поверхности днища формы
А дТз
A3-
ду
А дТ4
А 4 ~~~
ду
= а43(Т4 -Тз)-
у=z3
(7)
= а 43 (Т4- Т3);
у=z3
где р7, с7, Х7 - соответственно плотность, удельная теплоемкость и теплопроводность материала для 7-й расчетной области; Т7 - температурное поле для 1-й расчетной области.
Начальные условия на момент заполнения расплавом формы:
на границе контакта отливки и поверхности крышки формы 1
Ai дТ
ду
А дТ4
= а 41 (Т4 - Т1)
у=z3+h
ду
(8)
где Тзал - температура заливки расплава в форму; Т01, Т02, Т03 - соответственно начальные температуры крышки, боковой стенки и днища формы.
Граничные условия вдоль оси ОХ имеют следующий вид:
на оси симметрии при х = 0
на границе контакта отливки и рабочей поверхности боковой стенки формы
= а41(Т4 - Т1);
у=z3 +h
на внешней поверхности крышки формы с окружающей средой
дТ
А=аос(Т1 - Тос). (9)
У у=Z3+h+z\
В рассмотренной системе уравнений введены следующие обозначения: Тос - температура окружающей среды; а12, а23 - коэффициенты теплообмена между элементами комбинированной формы; а41, а42, а4з - коэффициенты теплообмена отливки 4 с соответствующими элементами комбинированной формы; аос - коэффициент теплообмена формы с окружающей средой.
Тепловыделение при кристаллизации сплава учитывали путем введения эффективной теплоемкости двухфазной зоны [3]:
сэ(Тл) =
на наружной поверхности элементов формы с окружающей средой
ст(Т4), ст(Т4)-Ь
ду
дТ4
сж(Тл),
т4<тс,
ТС<Т4<ТЛ, (10) Т4>ТЛ,
где ст (Т4), сж(Т4) - теплоемкость твердой и жидкой фаз отливки; д^ / дТ4 - темп кристаллизации; у -доля твердой фазы в двухфазной зоне (по квазиравновесной модели); Ь - удельная скрытая теплота кристаллизации; Тс, Тл - соответственно температура солидуса и ликвидуса.
Решение задачи (1)—(10) осуществляли методом конечных разностей по неявной схеме с использованием прямой и обратной прогонки для определения температурных полей для каждой из расчетных областей [4].
Математическая модель (1)-(10) и разработанный программный комплекс для расчета затвердевания и охлаждения прямоугольной длинномерной отливки в металлической, комбинированных и песчаной формах использованы для изучения теплообмена при формировании и охлаждении отливки из ИЧХ в виде бруса сечением 85x85 мм, который применяется как отбойная плита в центробежных мельницах для размола песка и другого минерального сырья. Расчеты выполнены для трех вариантов комбинированных форм, а также для случая затвердевания и охлаждения отливки в чугунном кокиле и песчаной форме из ХТС. Принято, что формы состоят из отдельных стенок толщиной 50 мм и между ними происходит контактный теплообмен с заданной величиной интенсивности.
Расчеты проводили для случая мгновенного заполнения формы расплавом ИЧХ при температуре 1450 °С. Температура ликвидуса расплава составляла 1250 °С, а температура солидуса - 1200 °С. Кокиль и металлические стенки комбинированных форм выполнены из серого чугуна, а песчаная форма и неметаллические стенки комбинированных форм - из холоднотвердеющей смеси. Начальная температура всех видов форм принята равной 100 °С. Интенсивность контактного теплообмена
Г^Г: гг ГЛГТ(Т/7ГггТГГГ? /97
-3 (56), 2010 / Ы
между отливкой, рабочими поверхностями кокиля и металлическими стенками комбинированных форм а4г- принята равной термической проводимости кокильной краски толщиной 0,4 мм с X = 0,4 Вт/(мК), т. е. а4 = 1000 Вт/(м2К). Коэффициент конвективного теплообмена элементов комбинированной формы с окружающей средой (воздух) аос = 30 Вт/(м2К). Коэффициенты теплообмена а^ и а2з в контактных зонах металлических стенок приняты равными 500 Вт/(м2К), между металлической и песчаной стенкой - 150, а между песчаными стенками 70 Вт/(м2К).
Вывод результатов численных экспериментов осуществляли по определению максимальных, минимальных и средних значений температур расплава, затвердевающих корок отливки, стенок формы; доли твердой фазы у, %, в отливке по мере ее образования; толщины затвердевшей корки Е, образующейся на рабочих поверхностях формы в процессе затвердевания; толщины корки Ец и скорости ее роста на центральных участках рабочих поверхностей стенок формы.
Время снятия перегрева Тр определяли от момента контакта расплава со стенками формы до его охлаждения ниже температуры ликвидуса во всем объеме отливки. Время затвердевания отливки ткр принято от момента контакта расплава с рабочей поверхностью формы до охлаждения отливки ниже температуры солидуса во всем объеме.
Обобщенные результаты расчета теплообмена при формировании отливки из ИЧХ в чугунном кокиле, трех типах комбинированных форм и форме из ХТС приведены в таблице.
Охлаждение перегретого расплава происходит со скоростью, среднее значение которой в форме из ХТС составляет 0,53 К/с, в кокиле - 4,9, а в комбинированных формах - от 2 до 4 К/с. Не-
расчетные значения параметров формирования отливки из ИЧХ в чугунной, песчаной и комбинированных формах
Номер типа формы Тип формы Время полного затвердевания отливки Ткр., с Время охлаждения перегретого расплава в форме Тр, с Время охлаждения отливки в форме до 700 °С, Т, с Скорость охлаждения перегретого расплава 5р, К/с Скорость затвердевания отливки на стенках формы и, мм/с Скорость образования твердой фазы в отливке dу/dТ, %/с Скорость охлаждения отливки в диапазоне температур 800-700 °С 5о, К/с
песчаной чугунной
1 Чугунный кокиль 196,5 40,6 374 6,5-3 - 0,42-0,29 1,9-0,56 1,8-1,6
2 Комбинированная: стенка 1 - ХТС, стенки 2 и 3 - чугун 248 50,4 520 4,6-2 0,15-0,06 0,39-0,22 1,7-0,46 1,6-1,45
3 Комбинированная: стенка 2 - ХТС, стенки 1 и 3 - чугун 271 61,9 980 3,4-1,9 0,12-0,05 0,31-0,2 1,5-0,42 0,37-0,3
4 Комбинированная: стенки 1 и 2 - ХТС, стенка 3 - чугун 521 108 1460 2,5-1,6 0,08-0,06 0,27-0,16 0,54-0,16 0,23-0,19
5 Песчаная (ХТС) 1508 382 6900 0,65-0,48 0,046-0,0247 - 0,11-0,05 0,07-0,065
28/
г^г: г: гшшгггта
3 (56), 2010-
100
80
60
о4
40
20
/
ч/ - /
/\ 4 5
____'
- - - - - -
200
400
600
800
1000
1200
1400
Рис. 2. Кинетика образования твердой фазы у, %, от объема отливки из ИЧХ в формах 1-5 типов (см. таблицу)
посредственно у металлических стенок комбинированных форм интенсивность охлаждения расплава в 1,3-1,5 раза выше, чем ее среднее значение для отливки.
Более высокие скорости охлаждения расплава в кокиле и комбинированных формах по сравнению с песчаной создают благоприятные условия для увеличения числа центров кристаллизации в расплаве, формирования структуры отливки с более мелкими зернами металлической матрицы и карбидной фазы, повышения плотности литого металла.
Затвердевание отливки является важнейшим параметром, определяющим формирование ее кристаллического строения и свойств. На рис. 2 приведены результаты расчета кинетики образования твердой фазы во всем объеме затвердевающей отливки у, %, на протяжении всего периода кристаллизации расплава в форме.
Характерной особенностью затвердевания отливки в кокиле и комбинированных формах является то, что образование твердой фазы в отливке начинается значительно раньше, чем расплав во всем рабочем пространстве формы охладится ниже температу-
ры ликвидуса Тл, т. е. при наличии в форме перегретого расплава. Так, на момент полного охлаждения перегретого расплава в кокиле (40,6 с) образуется почти 41% твердой фазы у, а в комбинированных формах типа 2, 3 и 4 величина у составляет 36, 25,4 и 17,8% соответственно. В песчаной форме полностью затвердевшая корка появляется практически только после полного снятия перегрева.
Скорость образования твердой фазы dу/dт во всех случаях уменьшается по мере роста продолжительности охлаждения отливки. Скорость образования твердой фазы в кокиле в первые 30 с теплообмена составляет 1,9 %/с, а в конце затвердевания уменьшается до 0,56 %/с. В комбинированных формах интенсивность образования твердой фазы зависит от соотношения количества металлических и песчаных стенок формы. Так, для формы, у которой металлическим является только дно, интенсивность затвердевания почти в 3 раза ниже, чем в форме, где всего одна песчаная стенка. Скорость образования твердой фазы в песчаной форме составляет 0,11-0,05 %/с, что в 11-17 раз меньше, чем в кокиле.
Рост корки на стенках кокиля, а также на металлических и песчаных стенках комбинированных
60
40 %
щ
20
1 2
3 <> / / / 5
1 У \3_ 4^
200
400
Т,с
(500
1000
1400
Рис. 3. Рост корок ИЧХ при затвердевании в формах 1-5 типов на поверхностях стенок из чугуна (сплошная линия) и ХТС
(штриховая линия)
форм происходит неравномерно по оси ОХ (см. рис. 1). На рис. 3 приведены результаты расчетов толщин корок, намерзших в центральной зоне поверхности стенок формы (Х = 0). Рост корки начинается через некоторый промежуток времени после контакта расплава с поверхностью формы при охлаждении его до температуры солидуса. На стенках кокиля корка начинает образовываться через 25 с, а на металлических стенках комбинированных форм в зависимости от соотношения количества металлических и песчаных стенок - через 25, 48 и 70 с для типов форм 2, 3 и 4 соответственно. На песчаных стенках этих форм затвердевание корок начинается через 50, 70 и 130 с соответственно. Образование затвердевшей корки на стенках песчаной формы начинается только через 560 с, когда в объеме отливки содержится около 18% твердой фазы.
Скорости затвердевания корок на металлических стенках кокиля и комбинированных форм на начальной стадии затвердевания отличаются в меньшей степени, чем на завершающей. В частности, корка толщиной 10 мм образуется на поверхности кокиля и металлических стенках комбинированных форм за 50-100 с со средней скоростью 0,4-0,29 мм/с. Затем неравномерность скоростей роста корок возрастает. Затвердевание отливки на песчаных стенках комбинированных форм начинается позже, чем на металлических и с более низкими скоростями. Так, затвердевание корки толщиной 10 мм на песчаных стенках таких форм происходит со средней скоростью 0,095; 0,08 и 0,047 мм/с для типов форм 2, 3 и 4 соответственно. Следует отметить, что интенсивность роста корки на песчаных стенках комбинированных форм в 1,3-1,7 раза выше, чем в песчаной форме, так как при взаимодействии с металлическими стенками формы температура расплава быстро понижается. Рост корки на стенках формы из
ХТС начинается только через 200 с после снятия перегрева (рис. 3) и происходит при наличии большого количества твердой фазы в расплаве со скоростью в 4-9 раз меньшей скорости затвердевания на металлических стенках комбинированных форм.
Охлаждение затвердевшей отливки в форме. На рис. 4 показано изменение средней калориметрической температуры Тср затвердевшей отливки при охлаждении в форме до 500 °С. Скорость охлаждения отливки в кокиле непосредственно после затвердевания составляет около 2 °С/с, а в песчаной форме - около 0,5 °С/с. В интервале температур 800-700 °С скорость охлаждения отливки в кокиле в 25 раз выше, чем в земляной форме. В комбинированных формах типов 2, 3 и 4 интенсивность охлаждения отливки в интервале температур 800-700 °С в 12,8, 5,3 и 3,3 раз выше, чем в форме из ХТС.
Таким образом, проведенное математическое моделирование и компьютерные расчеты теплообмена отливки из хромистого чугуна в кокилях, комбинированных и песчаной формах позволили определить основные параметры ее затвердевания и охлаждения. Установлено, что в кокиле и комбинированных формах значительная часть отливки затвердевает при наличии в ней перегретого расплава, а в песчаной форме твердая корка образуется после снятия перегрева из расплава, содержащего в значительных количествах твердо-жидкую фазу. Скорость затвердевания отливки в кокиле превышает скорость затвердевания в песчаной форме в 7-9 раз. Скорость затвердевания отливки в комбинированных формах больше, чем в песчаной. Она зависит от соотношения числа металлических и песчаных стенок в форме. На металлических стенках скорость затвердевания в 3-7 раз, а на песчаных стенках в 1,3-1,7 раза больше, чем
оп /дгггг^ г: гсшг г /лтгг гт
ии/ 3 (56),2010-
в песчаной форме. Скорость охлаждения затвердевшей отливки в диапазоне температур 800-700 °С в песчаной форме ниже, чем в кокиле почти в 25 раз, а в комбинированных - от 4 до 17 раз.
Методика и результаты проведенных исследований используются при разработке технологических регламентов литья деталей из ИЧХ с повышенным ресурсом работы.
Литература
1. Б а р а н о в с к и й К. Э., И л ь ю ш е н к о В. М., С т а н ю л е н и с Ю. Л. Литье деталей из износостойких хромистых чугунов для центробежных мельниц в комбинированные формы и кокили // Литье и металлургия. 2009. № 3. С. 162-164.
2. А н и с о в и ч Г. А., Ж м а к и н Н. П. Охлаждение отливки в комбинированной форме. М.: Машиностроение, 1969.
3. К а ц А. М., Ш а д е к Е. Г. Теплофизические основы непрерывного литья слитков литых металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1983.
4. С а м а р с к и й А. А. Введение в численные методы. М.: Высш. шк., 1987.
