Компьютерное моделирование и оптимизация процесса литья слитков платины Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 1 (2014 7) 96-102

УДК 621.74:669.23: 536. 42

Компьютерное моделирование и оптимизация процесса литья слитков платины

А.П. Скуратов3*, Д.И. Махова, Е.А. Павлов6

аСибирский федеральный университет, Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

бОАО «Красцветмет», Россия, 660027, Красноярск, Транспортный проезд, 1

Received 10.10.2013, received in revised form 04.12.2013, accepted 12.14.2014

На основе программных комплексов ANSYS и ProCAST разработаны компьютерные модели литья платины в водоохлаждаемую изложницу с подвижным дном. Изучено влияние режимных параметров работы литейной установки на процесс кристаллизации слитков. Установлены количественные зависимости, позволяющие снизить величину усадочной раковины, а также исключить поверхностные и внутренние дефекты в готовых слитках платины.

Ключевые слова: компьютерная модель литья, программные комплексы ANSYS и ProCAST, слитки платины, изложница, подвижное дно, режимные параметры, усадочная раковина.

Введение

В производстве заготовок и изделий из благородных металлов существует ряд проблем, связанных с литейными дефектами, приводящими к снижению выхода, годного за счет их дополнительной механической обработки, и повышению себестоимости из-за переплава отходов. Так, при литье слитков платины могут возникать трещины на поверхности и в объеме слитка, поры и значительная объемная усадка, достигающая 15...20 %. Возникновение таких дефектов связано, как правило, с несоответствием режимных параметров литейного процесса оптимальным значениям, определить которые в промышленных условиях не всегда представляется возможным. Поэтому наиболее перспективным здесь следует считать использование аппарата математического моделирования, позволяющего избежать трудности с постановкой физических экспериментов и существенно уменьшить производственные затраты. В частности, использование системы компьютерного моделирования литейных процессов благородных металлов обеспечивает снижение брака и расходов на отработку технологии, временных затрат на внедрение новых технологий, расхода материалов, а также позволяет обеспечить гарантированно высокий уровень свойств отливок.

В работе представлены результаты математического моделирования литья слитков платины в промышленной установке с использованием программных комплексов ANSYS и ProCAST.

© Siberian Federal University. All rights reserved

* Corresponding author E-mail address: a.skuratov@mail.ru

На базе этих программ разработаны две компьютерных модели процесса, в которых решатели дифференциальных уравнений (в частности, гидродинамический и тепловой) основаны на методе конечных элементов (МКЭ). Проведена оценка степени согласованности этих моделей по результатам тепловых расчетов процесса литья. Основная цель исследования заключалась в определении оптимального комплекса режимных параметров разливки платины, позволяющего минимизировать величину усадочной раковины, количество внешних и внутренних дефектов в готовых слитках.

Теоретическая часть

На рис. 1 показана схема промышленного процесса низкоскоростного литья платины с нгправ ленной кристаллизацией [1]. Технологичес кий процесс получения с литка платины заключается в с ледующем: в индукционной печи происходит плавле ние металла с некоторым его перегревом, пгале чего тигель наклоняется и расплав сливается через воронку в медную изложницу с охлаждаемыми водой стенками. На протяжении всего слива расплавленного металла дно изложницы опускается с заданной скоростью. Далее в соответствии с технологическим регламентом готовый слиток платины некоторое время выдерживается в изложнице.

Анализ теплового состояния металла в процессе литья проводнли с использованием программного комплекеа Л№У£. Программный комплекс ProCAST позволил наряду с анализом температурного поля при кристаллизации оценить гидродинамику заполнения расплавом формы, поверхностные и внутренние дефекты отливки. Отметим, что в программных модулях РгоСЛ.!5Т прей расчете газовой о усадочной микропористооти используется метод конечных разностей, при расчете процесса зарождения и роста зеренной структуры - МКЭ и клнточные автоматы.

На рис. 2, а показана сеточная твердотельная моделе отлилги, созданаая в программном комплексе А№У$ и интегрирооанноя в модель PшCAST. Отливга прямоугольного сечения размером 0,300 х 0,104 х 0,074 м. Сетка модели состояла из 131510 элементов в виде тетраэдров. В работе все результаты моделирования представлены графически в сечении отливки 20Х (заштрихованная область на рис. 2, б).

Рис. 1. Схема процесса слива расплава платины

Механизм теплопереноса описы1вается в моделях нелинейным трехмерным уравнением теплопроводно сити, где полная производная температуры по времени учитывает движение расплава в изложнице по оси координат ОТ.:

йТ 1 (д/ дТ\ д / дТ\ д / дТ\ }

= (р(Т) • су(Т)) Ьрт^ ++ д^(Т)д») ■+ дь) + 4 (1)

Здесь ^ = ^ + ул(т) д (едг, х) - функция, характеризующая объемный источник теплоты! фазового перехода, Вт; ул - скорость движения дна изложницы (скорость литья), м/с. Принято, что величина д. прямо пропорциональна локальной скорости затвердевания сплава [2]. Решение уравнения (1) при выдаржке металла в изложнице существенно упрощается, так как сначения ул и дг равны нулю.

Па верхней пло скости слитка в сечении ХОУ принимались граничные условия первого рода (температура поверхности принята равной температуре перегрева расплава), на всех остальных поверхностях слитка - третьего рода .

В обще м случае коэффициент теплопередачи от поверхности слитка к охлаждающей воде Ктп рассчитывали по выражению

_ 1

_ 11 ди, да*) ;т' (2)

а± Хи Хе а2

где а1 и а2 - соответственно коэффициент теплоотдачи от слитка к внутренней стенке изложницы! и от ее наружной стенки к охлаждающей воде, Вт/(м2К); 5„ и 5„ соответственно толщина стенки изложницы и средняя тффективная величина воздушного зазора между стенкой изложницы! и кристаллизующимся слитком, м; и соответственно коэффициенты теплопроводности медной изложницы и воздуха, Вт/(мК).

Как видно из выражения (2), при расчете величины Ктп учитывали образование газового зазора между стенками изложницы и боковыми поверхностями кристаллизующейся отливки. В газовом) зазор е при расчете величины! Р1 принимали теплообмен только излучением. Кроме

того, учитывали то обстоятельство , что образующийся зазор неодинаков по высоте слитка и в процессе слива металла изменяется по следующему закону [4]:

где т - время затвердевания, с; х - координата, направленная по нормали к поверхности слитка; ^ = сЦт) - толщина оболочки слитка по температуре солидус, м; °(х,т) - температурное поле оболочки; во = РДО - температурный ктэффициент линейного расширения твердой платины,

При разработке математических моделей принято, что процесс заполнения однокомпо-нентным гомо генным расплавом про исходит равномерно по всему попоречному сечению изложницы без гидравлического удара струи о поверхность жидкой фазы.

Проведена количественная оценка воздействия трех основных режимных параметров на кристаллизацию слитеа: скорость литья ул (скорость движения дна изложницы), температура раз ливаемого металла Тр и интенсивность охлаждения изложницы qв. В качестве критерия оптимальноео управления процдес ом принято условие минимизации величины усадочной раковины. Диапазон изменения параметров соответствовал техническим характеристикам промышленной установки: ул от 0,02 до 0,012 м/с (время литья тл от 15 до 25 с), Тр - от 2042 до 2192 К, дв - от 100 до 600 кВт/м2. Параметр дв принимается пропорциональным задаваемой в моделях величине коэффициента Ктп, который изменялся в диапазоне от 200 до 3500 Вт/(м2 •К). Отметим, что, изменяя расход воды в установке, можно управлять плотностью теплового потока дв на охлаждаемой внешней поверхности изложницы и, соответственно, процессом кристаллизации. Теплофизические свойства платины принимались по данным [5].

На рис. 3,а показано температурное поле отливки, полученное в базовом варианте расчета, соответствующем промышленным условиям: ул = 0,02 м/с (тл = 15 с); Тр = 2092 К; дв = 100 кВт/м2. Видно, что фронт кристаллизации значительно смещен вниз ко дну изложницы, что является основным признаком возникновения усадочной раковины.

Проведена оценка влияния каждого из исследуемых режимных параметров (при фиксировании двух других) на тепловое состояние процесса литья. Установлено существенное влияние изменения всех трех параметров и, как следствие, температурно-временных условий на расположение фронта кристаллизации и возникновение поверхностных и внутренних дефектов в слитке платины. Так, например, анализ температурных полей при увеличении Тр и ул свидетельствует о вероятности возрастания усадки отливки и возникновения горячих трещин. При этом увеличение скорости отвода теплоты в верхней части изложницы за счет интенсификации величины дв выравнивает скорость кристаллизации по высоте расчетного сечения слитка и соответственно уменьшает величину усадочной раковины. Отметим, что характер влияния исследуемых режимных параметров хорошо согласуется с имеющимися теоретическими положениями и опытом литья цветных металлов [6].

Серией расчетов установлены температурно-временные условия литейного процесса, снижающие вероятность образования брака в виде значительной усадочной полости отливки

(3)

1/К.

Рез ультаты и их обсуждение

В

.иенко

ШЛИ

ивенн Т1ИЙ 1иива

тЮбЛИЗ

I

и

| т* юг

3

и)

Рис. 3. Темпер атурное поле в расчетном сечении о тлпвки при времени слива 15 с (а) и 20 с (б)

агни

Г4 Св п ГЧТОД» ¡Б* 1

1

1

1

1 ЛСс-М

«

■

г ж*«о?

■ ■ 5«1:»ЗМ

га

41 А)

Рис. 4. Температурно е поле в расчетном сечении отливки по окончании слива расплава

(рис. 3 ,б). При этом определено следующее оптимальное сочетание режимных параметров литья платины: ул = 0,016 м/с (тл = 20 с); Тр = 2112 К; дв = 600 кВт/м2.

Проведена оценка степени адекватности результатов тепловых расчетов, полученных в моделях ANSYS и ProCЛST. Установлено, что характер и численные значения температурных полей в обеих моделях оказались достаточно близки (рис. 4). Так, например, в моделях получен

рис. 5. Температурное поле в расчетном сечении отливки и величина усадочной раковины после выдержки слитка в кристаллизаторе

ярко выраженный параболический характер распределения температурного поля в сечении отливки ТОХ по окончанип слива. При это м координаты точки «А» по оси ОТ, лежащей на изе-терме жидкого металла 2003 К, относительно верхнего среза слитка отличаются в моделях на 0,005 м (см. рис. 4).

Дальнейшая оценка литейного процесса проведена с использованием компьютерной модели РшСА8Т, где наряду с тепловым расчетом определялись размеры усадочной раковины и вероятность возникновения пор в объеме слитка. Установиено, что при выйраннык режимнык параметрах литья иоверхностных и внутренних дефектов отливки платины1 не обнаружено. Величина усадочной раковины не превышает 3 % от объема слитка. Па рис. 5 белой пунктирной линией обозначена зона возникновения усадочной раковины, глубина лунки которой равна 8 мм.

Заключонне

Па основе программных комплексов ANSYS и РшСА8Т разработаны компьютерные модели литья платины в промышленной установке. Сравнительный анализ полученных температурных полей в отливках показал хорошую сходимость в моделях результатов решения тепловой задачи.

Изучено влияние режимных параметров работы литейной установки на процесс получения слитков: скорость литья или движения дна изложницы, температура перегрева расплава и интенсивность охлаждения изложницы. В результате исследования температурно-временных зависимостей установлено оптимальное сочетание технологических режимов литья, позволяющее исключить поверхностные и внутренние дефекты, а также снизить величину усадочной раковины в готовых слитках платины.

Список литературы

[1] Андронов В.П. Плавильно-литейное производство драгоценных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1974. 320 с.

[2] Самойлович Ю.А. Формирование слитка. М: Металлургия, 1977. 160 с.

[3] Лисиенко В.Г., Самойлович Ю.А. Теплотехнические основы технологии и конструирования машин непрерывного литья заготовок: учебное пособие. Красноярск: Изд-во КГУ, 1986. 120 с.

[4] ШестаковГ.Н. // Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Воронеж, 2011. 17 с.

[5] Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: справочное изд. М.: Металлургия, 1989. 384 с.

[6] Баландин Г. Ф. Теория формирования отливки. Основы тепловой теории. Затвердевание и охлаждение отливки: учебник для вузов. М.: Изд-во МВТУ им. Н. Э. Баумана, 1998. 360 с.

Computer Simulation

and Optimization Casting Process

Ingot Platinum

Alexander P. Skuratova, Dmitry I. Makhova and Yevgeny A. Pavlovb

aSiberian Federal University, 79 Svobodny Str., Krasnoyarsk, 660041, Russia

bKrastsvetmet

1 Transportny Proezd, Krasnoyarsk, 660027, Russia

On the basis of ANSYS software complexes and ProCAST developed computer model casting platinum in a water cooled mold with movable bottom. We studied the influence of operating parameters ofwork of the foundry installation on the crystallization of ingots. Installed quantitative dependences allowing to reduce the magnitude of the shrink shell, and also exclude the surface and internal defects in the ready ingot platinum.

Keywords: computer model casting, software packages ANSYS and ProCAST, platinum ingots, a water cooled mold, mobile bottom, the regime parameters, shrink shell.