О возможности моделирования влияния противопригарного покрытия на тепловые процессы в период заливки формы расплавом Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

821

3 (52). 2009-

Технология, оборудование, САПР и экология литейного производства

It is shown that the received results of investigations allow to state possibility of modeling of heat processes with the help of system «Polygosoft».

Д. М. КУКУЙ, Ю. А. НИКОЛАЙЧИК, БИТУ,

Л. В. СУДНИК, Государственное научно-производственное объединение порошковой металлургии

УДК 621.74:004

О ВОЗМОЖНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПРОТИВОПРИГАРНОГО ПОКРЫТИЯ НА ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПЕРИОД ЗАЛИВКИ ФОРМЫ РАСПЛАВОМ

Процессы, происходящие на границе раздела расплав - форма («р-ф») и расплав - противопригарное покрытие - форма («р-п-ф»), очень сложны и разнообразны. Попытки их описания разными авторами зачастую носят эмпирический характер и основаны на экспериментальных данных, полученных для конкретных случаев технологии производства отливки. В современных условиях, когда широкое распространение и доступность получили информационные технологии (системы автоматизированного проектирования (CAD), системы инженерного анализа (CAE)), не составляет особого труда промоделировать процессы в зоне контакта «р-ф» и «р-п-ф». Одним из этапов такого моделирования является исследование влияния противопригарных покрытий на тепловые процессы в период заливки формы расплавом. В качестве инструмента,

позволяющего выполнить расчеты и получить визуальную картину процессов, протекающих на границе раздела «р-ф» и «р-п-ф» и, как результат, оценить вероятности образования поверхностных дефектов отливок, в настоящей работе использована система компьютерного моделирования литейных процессов (СКМ ЛП) «Полигон-Софт».

Работа с системой СКМ ЛП построена по модульному принципу и отличается простотой выполнения операций по заданию граничных (ГУ) и начальных (НУ) условий, выполнению расчетов и анализу полученных результатов. Процессы на границе раздела «р-ф» и «р-п-ф» промоделированы для ступенчатой технологической пробы (рис. 1). Толщина стенки отливки изменяется от 10 до 50 мм. Трехмерная модель литейной формы в сборе и отливки построена в среде 8оНсП^огк8.

а б

Рис. 1. Технологическая ступенчатая проба для изучения процессов поигаоообоазования: а - ЗБ-молель отливки

-3 (52). 2009

/83

Генерация конечно-элементной сетки выполнена в COSMOSDesignSTAR.

Отливка «ступенчатая проба» изготавливается из СЧ 20, химический состав которого приведен в табл. 1.

Таблица 1

Элемент С Мп Б р

Количество, % 3,40 1,60 0,80 0,08 0,12

Этот сплав обладает свойствами, приведенными в табл. 2 [1].

Таблица 2. Теплофизические свойства сплава

Теплоемкость, КДж/(м3-К) Теплопроводность, Вт/(м-К) Теплота затвердевания, Дж/кг т 1 лик. ^сол А7'кр

°с

5094 39,87-119,62 245000 1193,6 1160,6 33

Заливка расплава производится в литейную форму из холоднотвердеющей песчано-смоляной смеси, отверждаемой в присутствии кислотного катализатора (табл. 3, 4).

Таблица 3. Состав формовочной смеси

Смола Кварцевый

Компонент карбамидно- Катализатор формовочный песок

фурановая марки 1К!0202

Количество, % 2 1 Остальное

Таблица 4. Теплофизические свойства формовочной смеси

Теплоемкость, КДж/(м3К) Теплопроводность, Вт/(м-К)

1370-1370,4 0,5-0,55

Для изучения влияния различных противопригарных покрытий на процесс теплообмена на границе раздела «р-п-ф» в одной литейной форме моделируется изготовление двух отливок. Одна часть литейной формы окрашена противопригарным покрытием на основе дистен-силлиманита, вторая — противопригарным покрытием на основе графита (табл. 5).

Таблица 5. Свойства противопригарных покрытий

Свойства

Покрытие толщина слоя 8, мм теплопроводность X, Вт/(м-К) степень черноты е, %

На основе дистен-силлиманита 1 0,175 56

На основе графита 1 0,379 97

Подготовка к расчету включает в себя подготовку сеточной модели расчетной области в пред-процессоре «Мастер-ЗБ».

Этот модуль позволяет проанализировать качество конечно-элементной сетки и при необходимости внести корректировки, сориентировать модель относительно вектора силы тяжести, присвоить отдельным элементам тип «отливка/ форма» и задать индексы объемов и границ (рис. 2).

Определение ГУ и НУ выполняется в пред-процессоре «Сплав». Каждый пункт головного меню этого модуля позволяет создавать и редактировать тот или иной файл исходных данных, который необходим для выполнения расчетов. Нужно отметить, что обязательными для обеспечения расчетов являются файлы «Тепловые свой-

ШЖ

» 8 £ V.!

Ч

'01

<0

-46 Ф

II

. Л*" ^ -

•в»,

<0 *

■л

?п £гав * и:

1ЯР «-■»ь

ФФФ&(ф Ш-ё 9

ШФЗП

# # # 6И «>»/■

■ 9'3'Э И

в * ШШ ?У

'о

а б

Рис. 2. Подготовка модели в предпроцессоре «Мастер-ЗО»: а - режим визуализации индексов границ; б - режим визуализа-

\тш рг ?

/ 3 (52). 2009-

ства сплава», «Свойства материалов формы» и «Параметры теплопередачи» [1]. Влияние противопригарных покрытий на теплообмен между отливкой и формой осуществляется заданием ГУ параметров теплопередачи.

При выполнении расчетов в процессорных модулях СКМ ЛП теплопередача через слой противопригарного покрытия в любой бесконечно малый промежуток времени производится одновременно по трем законам:

1) закон теплопроводности Фурье:

(о

дп

где q - плотность теплового потока; X - теплопро-

дТ

водность покрытия;--температурный гра-

дп

диент;

2) закон теплоотдачи Ньютона:

* = ак(Г2-Т1), (2)

где # - плотность теплового потока; ак - коэффициент теплоотдачи конвекцией; Т2 - температура в зоне контакта противопригарное покрытие -форма; 7] - температура в зоне контакта расплав -противопригарное покрытие;

3) закон теплового излучения Стефана - Боль-цмана:

« = ео(724 -714), (3)

где q - плотность теплового потока; е — приведенное значение степени черноты каждой из поверхностей, участвующих в процессе лучистого теплообмена; а = 5,67 • 10"8 Вт/(м 2 • К4 ) - постоянная Стефана-Больцмана [2].

Расчет процессов гидродинамики заполнения формы и кристаллизации расплава выполнен со-

ответственно в процессорных модулях «Эйлер-3D» и «Фурье-ЗБ». Визуализировать картину расчетов и получить численные значения распределения скоростей движения расплава, температур, давлений и усадочных дефектов позволяет модуль «Мираж-ЗО» (рис. 3).

Динамика изменения температуры в процессе кристаллизации отслеживалась в контрольных точках на ступенях технологической пробы как в отливке, так и в форме (толщина стенки отливки изменяется от 10 до 50 мм) (рис. 4, 5).

Расчет кристаллизации расплава показал, что сразу после заливки температура расплава падает сначала стремительно, а затем скорость охлаждения снижается. Так, температура отливки в форме, окрашенной противопригарным покрытием на основе графита, в контрольных точках падает до 1000 °С через 340 с (кривая /), 580 с (кривая 2\ 695 с (для кривых 3-5), в то время как в форме, окрашенной противопригарным покрытием на основе дистен-силлиманита, температура падает до того же значения за 385, 615 и 720 с соответственно (рис. 4). Таким образом, через противопригарное покрытие на основе графита идет более интенсивный теплоотвод от отливки, чем через противопригарное покрытие на основе дистен-силлиманита, что подтверждает разницу те-плофизических свойств покрытий.

Из рис. 5 видно, что противопригарные покрытия оказывают разное влияние на изменение температуры в форме. Материал формы, окрашенный противопригарным покрытием на основе графита, в течение заливки формы расплавом быстро нагревается до более высоких температур, чем аналогичный участок формы с покрытием на основе дистен-силлиманита. В контрольной точке

- v в* Ltf а &Ф g Г 'яЧЯЛв ти

t» a I* а ¡'йй гй.»

ь * *«г В* ь»- » * »e*a t ш

lt ь и -s -ы te!* ~'?í 1

Рис. 3. Распределение температуры в отливке и форме в процессе кристаллизации: а - продольное сечение формы; б - по-

пепечное сечение (Ьоомы

пт^к ктглшт / о б

-3(52). 2009 / и V

Рис. 4. Динамика изменения температуры в отливке: а - противопригарное покрытие на основе дистен-силлиманита; б -противопригарное покрытие на основе графита; 1-5 - изменение температуры в контрольных точках с толщиной стенки

отливки 10, 20, 30, 40, 50 мм соответственно

Рис. 5. Динамика изменения температуры в форме: а - противопригарное покрытие на основе дистен-силлиманита; б - противопригарное покрытие на основе графита; 1-5 - изменение температуры в контрольных точках с толщиной стенки отливки 10, 20, 30, 40, 50 мм соответственно

при толщине стенки 50 мм максимум температуры достигает 1196 °С. В части формы, окрашенной дистен-силлиманитовым покрытием, также наблюдается скачкообразный рост температуры, однако максимум температуры формы с покрытием не превышает 1148 °С, что меньше температуры Гсол= 1160,6 °С расплава. А именно это является основным условием предотвращения пригара на поверхности отливки при использовании

дистен-силлиманитового противопригарного покрытия [3].

Таким образом, результаты исследований позволяют констатировать возможность моделирования с помощью системы компьютерного моделирования «ПолигонСофт» тепловых процессов на границе раздела «р-п-ф» и прогнозировать качество поверхности отливки при использовании того или иного противопригарного покрытия.

Литература

1. Справочная система СКМ ЛП «ПолигонСофт» (С).

2. Б а л а н д и н Г. Ф. Основы теории формирования отливки. М.: Машиностроение, 1979. Ч. I.

3.Валисовский И. В. Пригар на отливках. М.: Машиностроение, 1983.