CC BY
28
76/
аитм и гишт/^ини!
1 (64), 2012-
7he method of physical modeling of hydrodynamic processes of alloys molding is developed. It is shown that as a liquid it is necessary to use water and diethyl ether at molding of steel, silumins, tin-base bronzes and water-glycerine solutions.
в. Ю. СТЕЦЕНКО, ИТМНАН Беларуси
методика физического моделирования гидродинамических процессов при литье сплавов
УДК 001.57:621.74.047
Гидродинамическая обстановка при заполнении литниковых систем и литейных форм носит сложный, нестационарный характер . Кроме турбулентных потоков, в движении участвуют воздушные пузыри и неметаллические включения . Для определения гидродинамических процессов и соответствующих параметров при литье сплавов целесообразно использовать метод физического моделирования на прозрачных моделях и жидкостях Это позволит не только качественно и количественно определить гидродинамическую обстановку при литье, но и упростить выбор соответствующих уравнений, их решения и проверку на адекватность
Чтобы выполнялось физическое подобие реального и модельного гидродинамических процессов, необходима инвариантность определяющих критериев подобия [1] . При литье сплавов основными параметрами, от которых зависит гидродинамика процессов, являются: V - кинематическая вязкость, g - ускорение свободного падения, V -скорость, р - плотность жидкости, р - давление, I - линейный размер, ^ - время, Др0 - разность плотностей жидкости и воздуха, Др - разность плотностей неметаллической частицы и жидкости Независимые первичные величины: I, ^ и т - масса . Тогда, согласно Пи-теореме Бэкингема, можно составить шесть определяющих критериев по-
I V2
добия: — = Sh - критерий Струхаля; — = Fr -
Ы р ^
критерий Фруда; —^ = Ей - критерий Эйлера;
— = Re - критерий Рейнольдса; = А, -
v pv2 1
критерий Архимеда для движения воздушных пу-
зырей в жидкости
. Apg/3
= Ar2 - критерий Архи-
меда для движения неметаллических частиц в жид-
gl3
кости . Учитывая, что Дро = р, получаем А^ = ——
V 2
Для модельного и реального гидродинамических процессов масштабы моделирования равны:
К = ^ . V ■ V = ^ . V- = . ¡г = р2 . К = — ; К —-; К,, =- ; К = — ; К„ =-;
l
■> "v 5 v
Р
-^р - КАр = —Р2 . Параметры с индексом 2 от-
Р1 —Р1
носятся к модельному процессу, а с индексом 1 -к реальному процессу При заполнении литниковой системы и (или) литейной формы свободной струей из ковша или заливочного устройства мож-
pv2 „
но принять р . В этом случае инвариант-
ность определяемых критериев подобия, выраженная в масштабах моделирования, приводит к системе уравнений:
К1 = к Kt >
Система
Kv - Kl > KlKv - KV >
Kl - KV
K/KAp - KpKt-
Kt - Kv = Kl >
(1)
K - K2/3
Kl - Kv > KAp - Kp.
(2)
Pv
Основными литейными сплавами являются силумины, сталь, оловянистые бронзы, чугуны . Жидкий силумин при 600-800 °С имеет: Р! = 2400 кг/м3 и v1 = 4 • 10-7 м2/с [2, 3] . Вода при 20 °С имеет
t
и
р2 = 1000 кг/м3 и v2 = 10 -10 7 м2/с . Тогда в соответствии с (2) получим Ку = 2,5, К = 1,84, КДр = 0,4 . Вода при 70 °С имеет v2 = 4 -10-7 м2/с [4] . Тогда Ку = 1, К = 1, КДр = 0,4 . Чтобы К1 < 1, необходимо в качестве модельной жидкости использовать диэтиловый эфир . При 20 °С он имеет р2 = 720 кг/м3 и V 2 = 3,2 -10 7 м2/с [4] . В этом случае К = 0,8, К = 0,86, КДр = 0,3 .
При заполнении литейных форм под давлением инвариантность определяющих критериев подобия, выраженная в масштабах моделирования, приводит к следующей системе уравнений:
К1 = к Kt >
К1 = К1 >
К1КУ = КУ > К1 = ^
КАр = Кр КР = Кр К^.
(3)
Система (3) имеет следующее решение:
К - Ки - К
К - К2/3
К1 - К V >
КАр - Кр, КР - Кр К1
1/2
(4)
Если в качестве модельной жидкости выбрать воду при 20 °С, то при физическом моделировании литья под давлением силумина в соответствии с (4) получим К = 1,8, КДр = 0,4, а КР = 0,74 . Нагретая до 70 °С вода, дает КР = 0,4 . Если в качестве модельной жидкости выбрать диэтиловый эфир, то Кр = 0,26 . Это наиболее приемлемо, поскольку модельное давление меньше реального в 4 раза
При заполнении литниковой системы и (или) литейной формы жидкой сталью 30 свободной струей при 1630-1700 °С v1 = 5,5-10-7 м2/с; р1 = 6750 кг/м3 [5] . Если в качестве модельной жидкости выбрать воду при 20 °С, то в соответствии с (2) получим = 1,82, К = 1,5, КДр = 0,15 . Чтобы уменьшить К, необходимо использовать подогретую воду или диэтиловый эфир
Оловянистые бронзы при 1000-1200 °С в среднем имеют V] = 3,3-10 7м2/с; р1 = 8100 кг/м3 [6] . Если в качестве модельной жидкости выбрать воду при 20 °С, то в соответствии с (2) имеем Ку = 3; К = 1,8; КДр = 0,12 . Чтобы уменьшить К, необходимо использовать подогретую воду или диэтило-вый эфир . Его также целесообразно использовать при физическом моделировании процесса литья оловянистых бронз под давлением
/7ггттг<1 гг гтг?ггт/7/;ггггггггт /77
-1 (64), 2012 /■■
Чугун с углеродным эквивалентом 3,8 при 1280 °С имеет v1 = 5 -10-6 м2/с, а при 1255 °С -20 -10-6 м2/с [7] . При этом р1 = 6800 кг/м3 [8] . Если при физическом моделировании процесса заполнения литниковой системы чугуном с углеродным эквивалентом 3,8 при температуре 1280 °С в качестве модельной жидкости выбрать воду при 20 °С, то в соответствии с (2) получим Ку = 0,2, К = 0,34, КДр = 0,15 . Если моделировать водой гидродинамические процессы в литейной форме (кристаллизаторе) при 1255 °С, то имеем Ку = 0,05, К = 0,063, КДр = 0,15 . В виду малости линейного масштаба для физического моделирования гидродинамических процессов при литье чугуна целесообразно использовать водно-глицериновые растворы .
Разработанная методика физического моделирования на прозрачных моделях и жидкостях была опробована для моделирования процессов: заполнения литниковой системы, кристаллизатора, извлечения отливки при литье чугуна с углеродным эквивалентом 3,8 методом непрерывно-циклического литья направленным затвердеванием Сред-
Процесс извлечения отливок из кристаллизатора на модельной установке
7я i г< гл^ггтллтгггггт
■ 11 / 1 (64), 2012-
няя температура расплава в литниковой системе составляла 1280 °С, а в кристаллизаторе - 1255 °С . В качестве модельной жидкости использовали водно-глицериновые растворы разной плотности и вязкости таким образом, чтобы К = 0,64 . Использовали также и единую модельную жидкость, но в этом случае масштабные коэффициенты для литниковой системы и кристаллизатора были разные
В качестве материала модельных неметаллических частиц использовали древесину В результате моделирования было установлено, что открытая литниковая система пропускает в кристаллизатор как воздушные пузыри, так и неметаллические (шлаковые) частицы Это подтверждается на реальном объекте . Использование в литниковой чаше специального элемента в виде глуходонного стакана устраняло брак отливок по газовым раковинам и неметаллическим включениям . Кроме того, исчезал колебательный процесс в системе «литниковая система-кристаллизатор» при их заполнении расплавом Это также подтверждалось моделированием гидродинамического процесса
Как показали многочисленные эксперименты на модельной установке, гидродинамические про-
цессы при извлечении отливок в случае непрерывно-циклического литья направленным затвердеванием достаточно сложные (см . рисунок) . Качественно их можно разделить на две группы по некоторой критической скорости извлечения Это такая максимальная величина, при которой не происходит фонтанирование жидкости и проникновения воздушных пузырей в ванну кристаллизатора С помощью разработанной методики были установлены критические скорости извлечения отливок, определены их реальные значения, которые подтвердились в процессе литья и анализа макроструктуры заготовок В результате проведенных модельных испытаний были определены рациональные конструктивные параметры литниковой системы, режимов литья и извлечения отливок, повышены стабильность и качество литья
Таким образом, разработана методика физического моделирования на прозрачных модели и жидкости гидродинамических процессов литья сплавов В качестве модельных жидкостей целесообразно использовать при литье стали, силуминов, оловянистых бронз воду и диэтиловый эфир, а для чугунных расплавов - водно-глицериновые растворы
Литература
1.Г у х м а н А. А. Введение в теорию подобия. М. : Высш. шк., 1963 .
2 .С т р о г а н о в Г. Б . , Р о т е н б е р г В .А . , Г е р ш м а н Г. Б . Свойства алюминия с кремнием . М . : Металлургия, 1977.
3 . Н и к и т и н В .И. , Н и к и т и н К. В . Наследственность в литых сплавах. М. : Машиностроение-1, 2005 .
4 . Справочник химика . Т.1. Л. : Химия, 1971.
5 . Е ф и м о в В .А . Разливка и кристаллизация стали. М. : Металлургия, 1976.
6 . Ч у р с и н В . М. Плавка медных сплавов . М. : Металлургия, 1982.
7 .Л е в и Л. И . , К л е ц к и н Я .Г. Жидкотекучесть чугуна // Литейное производство, 1972 . № 3 . С . 37 .
8 . М и л ь м а н Б .С . , К л о ч н е в Н .И . , И в а х н е н к о И .С . и др . Плотность жидкого чугуна и процессы его структу-рообразования // Литейное производство . 1969 . № 5 . С . 26-28 .
