CC BY
11
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
1999г Вып. №8
УДК 621.744.3
Скребцов А.М.1, Жук В.И.2, Алексеева В.А.3, Щуренко В.В.4, Секачев А.О.5
ВЛИЯНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ В ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЕ НАРУЖНОГО ХОЛОДИЛЬНИКА НА ПРОЦЕССЫ В ОХЛАЖДАЮЩЕМСЯ РАСПЛАВЕ МЕТАЛЛА
Разработана методика изучения конвекции металлургического расплава на модельном растворе NH4Cl в воде при наружном охлаждении формы с помощью холодильника. Моделирование произведено по критерию Грасгофа. Найдено, что чем выше в форме расположен холодильник (31,0 - 72 % высоты), тем интенсивнее он влияет на конвекцию расплава.
При производстве отливок для регулирования скорости охлаждения отдельных участков их поверхностей часто применяют наружные холодильники [11. Они имеют различную форму и по-разному располагаются в отливках. Так, например, в работе [2] описана технология изготовления цилиндрических втулок с наружным диаметром 152,4 мм, высотой 508 мм и с толщиной стенки 25,4 мм. Сверху отливки расположили две прибыли объемом 1814 ммз каждая. Были рассмотрены три варианта получения отливки: а) без холодильника; б) с точечными холодильниками у основания втулки и в) с 8-мью клиновидными холодильниками высотой 381 мм (расположены на внешней нижней цилиндрической стороне отливки). Из трех случаев наиболее высокой герметичностью обладали отливки последнего варианта
Задача настоящей работы заключалась в том. чтобы изучить на модели влияние внешнего теплоотвода от цилиндрической поверхности отливки на свойства и процессы, происходящие в охлаждающемся расплаве. В качестве моделирующего раствора взяли 33 % раствор NH4CI в
о
воде, охлаждение которого до 50 С приводит к выделению т него кристаллов соли по форме подобных дендритам стали [3].
При выборе критериев подобия конвекции расплава в модели и литейной форме воспользовались обзором Ю.Н.Яковлева [4], в котором отмечается, что в сложных явлениях, часто применяют для изучения одной его стороны моделирование по од ному наиболее существенному критерию, или по двум и т.д. В нашем случае при конструировании модели использовали один размерный параметрический критерий (отношение высоты к диаметру модели или отливки ~2) и один определяющий критерий Грасгофа Gr (по этому критерию расплав в модели и отливке находился в автомодельной области, т.е. Gr>105).
Опыты проводили в двух; прозрачных цилиндрических сосудах из органического стекла диаметром 67 мм и высотой 145 мм (см. рис. 1). Раствор соли нагревали в водяной бане до 60-
о
65 С. Оба сосуда затем охлаждали на воздухе, при этом в одном из них для ускорения процесса применяли холодильник 7 (см. рис. 1). В качестве холодильника использовали сосуд с дном и с двумя цилиндрическими поверхностями, наружная из которых имела диаметр 76 мм. Внутренней поверхностью холодильника была стенка литейной фермы 1. В холодильник заливали 45 мл воды комнатной температуры. Его укрепляли от основания цилиндра на расстоянии Н=45, 65, 85 и 105 мм.
1 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
' ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
3 ПГТУ, аспирант
4 к-т «Азовсталь», инженер
5 ПГТУ, аспирант
Во время опыта отмечали температуру окружающей среды и периодически через 60-120 секунд по показаниям термометров 5 и б (см. рис. 1) измеряли температуру воды в холодильнике 7 и в растворе соли, - вверху формы (точка с на рис.1), внизу (точка а) и на уровне холодильника (точка в). Кроме этого в опыте наблюдали за выделением и опусканием в растворе кристаллов ЫН4С1 (8 на рис. 1), а также отмечали высоту к их слоя (рис 1) в различные моменты времени
Рис. 1 - Схема экспериментальной установки
1- модель литейной формы; 2 - раствор ЫН4С1; 3 - сосуд с водой; 4- крышка; 5 - термометр для измерения температуры раствора: 6 - термометр для измерения температуры холодильника; 7 - холодильник; 8 - кристаллы ЫН4СЬ
Для обработки температурных кривых использовали методику, опубликованную в работе [5]. В работе [5] было показано, что опытные точки в координатах ((^[(¿¿-/^'(¿г'о) и ложатся на два пересекающихся отрезка прямых, а точка пересечения соответствует температуре полиморфного превращения структуры расплава (принятые обе значения: °С - температура в начальный момент времени ти сек.; и, °С - температура охлаждающего раствора в момент времени т„ сек.). Необходимо отметить, что для описания охлаждения отливки в работе [5] использовано решение задачи о распространении тепла в теле ограниченных размеров со связывающей границей. В настоящем исследовании с водными растворами солей в качестве температуры связывающей границы принята температура окружающей среди. По наклону отрезков прямых в названных выше координатах вычислили коэффициенты температуропроводности раствора при повышенных (а и см 7с) и пониженных {а'2, см7с) температурах.
Для математического описания кинетики выделения кристаллов МНДЛ из водного раствора составили и решили следующее дифференциальное уравнение. Обозначили :т - массу соли КН4С1, выделившуюся из раствора к моменту времени г. Значение т принято в % от начального количества соли (100 %) в растворе. Тогда можно записать уравнение
0 67
г*—
&пг---к{ 100-шМг
где 6т - прирост в % выделившейся соли из раствора за время с1т;
к - константа скорости выделения соли из растеора. Из уравнения (1) получим
(1)
100-да
или
-Ш=ай=иг
100-7«
После интегрирования уравнения (3) при условия, что т=0 при т=0 получили
100
1п
■ = кт
(4)
100 -тп
Обнаружили, что в каждом опыте есть температура 7'-., при которой изменятся все характеристики раствора - температуропроводность а', константа выделения кристаллов соли из раствора к и скорость его охлаждения V.
Обозначили значение величин при повышенных (Т>Т2) и пониженных (Т<Т2) температурах соответственно а', и а'2, к, и к2 , а. также V; и у2, Использовали также понятия относительной температуры максимального нагрева раствора и также - полиморфного превращения
структуры жидкости Т2/Т0. (Т0 - температура окружающей среды; все температуры в Кельвинах).
Также как и в работе [5] обнаружили, что чем выше температура нагрева жидкости Т,/То, тем при более высокой температуре Т/Т0 происходит полиморфное превращение структуры жидкости. Найдено, что коэффициенты температуропроводности раствора соли изменяются в пределах а',={5... 12) \(У4 см2/с; а '¿-(б...8)-10"4 см2/'с. Эти данные хорошо согласуются с литературными значениями рассматриваемой величины для воды [6|. В нашей работе нашли прямо-пропорциональную зависимость между отношениями величин :г,<;' и у/у^ (см. рис. 2).
о
г* 1Л
>
VI/, 2
0 2 4 6 8
Рис. 2 - Отношение коэффициентов температуропроводности раствора а\!а'2 в зависимости от отноше ния скоростей его охлаждения V ¡¡\>2.
Следовательно, температуропроводность а' связана со скоростью охлаждения раствора V. т.е. с градиентом температуры в нем АТ. В свою очередь, АТ пропорциональна величине критерия Грасгофа, характеризующего развитие интенсивности естественной конвекции жидкости Таким образом, условная температуропроводность жидкости а' может быть мерой интенсивности развития в ней конвективных потоков.
Далее рассмотрим роль холодильника и его местоположения на процессы в модели литейной формы. Холодильник сначала нагревался от горячего раствора соли, а затем разница температур между ними становилась минимальной и постоянной. По балансу тепла нашли, что перемещение холодильника от нижней к верхней часта формы увеличивает эффективность его действия на расплав ~ в 1,1 раза. Эти данные хорошо согласуются с результатами исследования С .Я. Скобло и П.М. Донцова [7], которые охлаждали поверхность металлического расплава (Н=100 %) сжатым воздухом или металлической шайбой и в результате достигали сильного измельчения зерна отливки.
Очевидно, что наиболее наглядно роль холодильника можно оценить с помощью отношения констант скоростей выделения соли из раствора в опытах с холодильником - к] и в сравнительных опытах - к} , т.е. к, I к} .
п' 1 V * У
На рис. 3 приведена зависимость отношения к] от уровня расположения холодильника в форме Н %. Как видно из рисунка, при увеличении Н % от 30 до -70 % величина к^/ к.^
линейно увеличивается от ~0,5 до 1,6. Следовательно, для интенсификации процессов в расплаве цилиндрической литейной формы (например, образование кристаллов) наружный холодильник следует располагать на уровне не ниже, чем ~70 % высоты отливки.
х/
---- / 1
/ 1 / 1 Г 1 ________I
О 25 50 75 Н,'/«
Рис. 3 - Влияние уровня расположения наружного холодильника И % н<\ отношение констант выпадения кристаллов соли ЫБ^С! из водного раствора в опытах с холодильником к1 и в сравнительных
опытах - т.е. к1^/к1. (каждая точка среднее из 4-х опытов).
Тепловые и конвекционные явления в расплаве литейяой формы более объективно, по сравнению с величиной к, можно охарактеризовать величиной условной температуропроводности материала а'. По аналогии с отношением ^ / к/ , вычислили величины а'^'а'^. Значения этого отношения по высоте Н литейной формы приведены на рис:. 4. Кривые 1, 2, 3, 4 относятся к уровню Н расположения холодильника в форме соответственно 72,0 %, 58,6 %, 44,8 % и 31,0 %. Как видно из рисунка, чем выше уровень расположения холодильника в форме, тем интенсивнее он влияет на конвекцию расплава. Этот результат согласуется с рис. 3 работы. Максимальная интенсивность конвекции расплава, как видно из кривых 1-4 рис. 4, наблюдается на уровнях расположения холодильника.
Рис. 4 - Влияние уровня расположения наружного холодильника Н, % на отношение коэффициентов температуропроводности раствора соли в опытах с холодильником а';, и без него - а',, т.е. а', / а', .
с с X ' с
Обозначения кривых и уровень холодильника в форме: 1 - о - 72%; 2. - □ • 58,6 %; 3 - Д - 44,8 %; 4 - х - 31,0 % (каждая точка - среднее из четырех опытов).
Таким образом, проведенное; исследование показало, что для повышения качества металла высоких цилиндрических отливок (прокатные валки, валы различных механизмов и т.п.) наружные холодильники целесообразно устанавливать в форме на уровне не менее чем «70 % их высоты.
Выводы
1. Разработана методика и проведены опыты по моделированию охлаждения литейной формы с помощью наружного холодильника.
2. Оптимальный уровень расположения холодильника для ускорения затвердевания отливки составляет ~ 70 % высоты от ее нижней поверхности.
Перечень ссыпок.
1. Василевский П.Ф. Технология стального литья,- М.: Машиностроение, 1974.-408 с.
2. Раддл Р У. Затвердевание отливок/ Пер. с англ. - М. Машгиз, 1960.-392 с.
3. Кутуев ИХ. О механизме образования в слитке конуса осаждения //Металлы. -1975. -№1 -С. 108-110.
4. Яковлев Ю.Н. Теоретические основы гидравлического моделирования процессов наполнения изложниц и кристаллизаторов //Физические методы модс.трования разливки металла. Киев, 1975.-С. 17-20.
5. Скребцов A.M., Секачев А О. Кривая охлаждения металлического расплава как: источник информации о его температуропроводности и изменении строения охлаждающейся жидкости//Процессы литья. - 1997. -№1. -С.3-13.
6. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. -4-е изд. -М.: Энергоиздат, 1981 -
418 с.
7. Скобло С.Я., Донцов П.М. Механизм образования конуса осаждения в слитке //Стать. -1951 -№ 6.-С.534-543.
Скребцов Александр Михайлович. Д-р техн. наук, проф. кафедры литейного производства ПГТУ, окончил Московский институт стати и сплавов в 1953 году. Основные направления научных исследований - изучение металлургических процессов с целью разработки теории и способов улучшения качества литого металла.
Жук Виктор Иванович. Канд. техн. наук, доцент кафедры физики ПГТУ, окончил Донецкий государственный университет в 1972 году. Основные направления научных исследований - математическое и физическое моделирование теплообменных процессов при кристаллизации металлов
Алексеева Виктория Анатольевна. Аспирант кафедры литейного производства ПГТУ. окончила ПГТУ в 1998 году. Основное научное направление - свойства жидких металлических расплавов.
Щуренко Виктория Валериевна. Инженер металлургического комбината «Азовсталь». окончила ПГТУ в 1998 году. Основное направление научных исследований - повышение стойкости сменного металлургического оборудования.
Секачев Александр Олегович. Аспирант кафедры литейного производства ПГТУ, окончил ПГТУ в 1994 году. Основное научное направление - подготовка жидких металлических расплавов к разливке по формам.
