Исследование температурных напряжений и деформаций в чугунных кокилях для изготовления отливок мелющих шаров

Механические и физические свойства чугунов для кокилей. Термические напряжения и деформации, возникающие в металлических формах из чугуна при изготовлении в них отливок мелющих шаров. Основные факторы, приводящие к разрушению кокилей при эксплуатации.

Рубрика Производство и технологии
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 27.05.2018
Размер файла 244,9 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование температурных напряжений и деформаций в чугунных кокилях для изготовления отливок мелющих шаров

УДК 621.74

И.К. Кульбовский, Д.А. Туркин

Исследованы термические напряжения и деформации, возникающие в металлических формах из чугуна при изготовлении в них отливок мелющих шаров. Рассмотрены основные факторы, приводящие к разрушению кокилей при эксплуатации. Даны рекомендации по повышению их эксплуатационной стойкости.

Ключевые слова: чугун, отливка, кокиль, стойкость, деформация.

Чугунные мелющие шары для горнообогатительных комбинатов изготовляют литьем из чугуна в металлические формы. Применяемые для этого кокиля из чугуна марок СЧ10, СЧ15 имеют невысокую стойкость. При эксплуатации таких кокилей возникают значительные термические напряжения, приводящие к короблению, появлению сетки разгара и последующему разрушению формы. Поэтому исследование величин и влияния термических напряжений, возникающих в чугунных кокилях, на их стойкость является одной из актуальных задач литейного производства.

Для определения температурного режима работы металлической формы были отлиты экспериментальные кокиля из чугуна, в которые на разных уровнях и расстояниях от внутренней поверхности были вмонтированы термопары (рис. 1), подключенные к потенциометрам, что позволяло замерять температуру в их стенках во время заливки в них чугуна и охлаждения отливок.

По полученным экспериментальным данным рассчитали тепловой поток, действующий со стороны расплавленного металла на кокиль, и провели расчетные исследования температурных полей кокилей. Исследования показали, что перепад температур между термопарами 1 и 3, вмонтированными в экспериментальный кокиль (рис. 1), равен 140°С.

Тепловой поток для этого случая равен [1-3]

qmax = л•?Т/?h, (1)

где qmax - максимальный тепловой поток; л - коэффициент теплопроводности; ?Т - разность температур между датчиками; ?h - расстояние между термопарами 1 и 3, равное 19мм.

В табл. 1, 2 приведены свойства чугунов, применяемых для изготовления кокилей [4; 5]. Температурный режим работы кокилей на основе экспериментальных (рис. 1) и производственных данных при изготовлении мелющих шаров следующий: максимальная температура кокиля до заливки (после подогрева) - 250°С; максимальная температура наружной стенки кокиля после нескольких заливок - 400°С; максимальная температура внутренней стенки кокиля после нескольких заливок - 600°С. Толщина стенок кокиля - 40…50 мм. При подстановке этих значений, а также данных из табл. 1, 2 в формулу (1) получаем qmax = 0,368 Вт/мм2.

Общее количество тепла, передаваемое от металла в кокиль за цикл «заливка-выбивка», равно [1-5]

QM = C·?Т1M, (2)

где QM - общее количество тепла; С - теплоемкость чугуна; ?Т1 - разница температур заливаемого чугуна и извлекаемых отливок; М - масса заливаемого чугуна (принимается по производственным данным).

На основе производственных данных принимаем ?Т1 = 1350 - 700 = 650°С, М = 4 кг (вес металла отливок на половину кокиля).

При подстановке данных из табл. 1, 2 в формулу (2) получаем количество тепла, выделяемого металлом отливки до её извлечения из кокиля: QM = 13·105 Дж.

С другой стороны, количество тепла, которое отводится кокилем, равно [1-3]

QК = ? g(t) S dt, (3)

где g(t) - распределение теплового потока в кокиле во времени; S - площадь контакта (56000 мм2).

Предполагаем, что поток меняется во времени линейно [1-3] от qmax = 0,368 Вт/мм2 в начале заливки до нуля в конце заливки.

Тогда QК = 11,9·105 Дж. (4)

Принятое допущение о величине теплового потока и его распределении соответствует действительности.

На свободных поверхностях кокиля приняты граничные условия 3-го рода (конвекция) по выражению [1-3]

q = б1 (T - Tвоз), (5)

где б1 - коэффициент теплоотдачи, равный 50 Вт/(м2·град) [1-3]; Tвоз - температура окружающей среды (воздуха), равная 20°С.

На поверхности стыковки двух половинок кокиля приняты граничные условия теплоизоляции. Рассматриваем первый цикл заливки. Начальная температура кокиля равна 250°С для всего тела. Весь интервал времени был разбит на 12 шагов по 10с.

Для выполнения расчетов на ЭВМ по конечноэлементным моделям кокилей по формулам (1-5) была использована специальная программа, представленная московской фирмой «Криста».

В результате компьютерных расчетов были получены нестационарные температурные поля кокилей.

Установлено, что максимальная температура поверхности кокиля достигается на 7-м шаге по времени - через 70 с от начала заливки - и составляет 570°С (рис. 2). Изображенные с помощью компьютера изолинии распределения температур в кокилях на 70-й секунде цикла заливки для поверхностей, находящихся под воздействием теплового потока, показывают, что наиболее разогретой поверхностью является заливочная чаша (рис. 4).

чугун кокиль деформация термический

Таблица 1

Механические свойства чугунов для кокилей

Марка

чугуна

Статическая

прочность ув, МПа

Усталостная

прочность у-1, МПа

Деформация разрушения, %

Упругая

деформация, %

При растяжении

При сжатии

При растяжении

При сжатии

СЧ20

220

768

80

310

0,31-0,63

0,18

ЧВГ35

350

1300

140

520

2,5-3,5

1,25-1,50

Таблица 2

Физические свойства чугунов для кокилей

Марка чугуна

Плотность г, кг/м3

Модуль

упругости Е, ГПа

Коэффициент

Пуассона

м

Теплоемкость,

Дж/К

Коэффициент линейного расширения б

Коэффициент теплопроводности л,

Вт/(м·К)

При растяжении

При сжатии

СЧ20

7,1·103

120

120

0,25

500

10·10-6

50

ЧВГ35

7,3·103

140-160

140-160

0,28

550

13·10-6

45

Рис.1. Схема расположения термопар в экспериментальном кокиле

Рис. 2. Изменение температуры за цикл заливки для наиболее нагретой точки кокиля

Изменение температуры за цикл заливки для одной из точек наружной поверхности кокиля приведено на рис. 3. Как видно из графика, температура сначала падает (охлаждение на воздухе в результате конвекции предварительно нагретого кокиля) и лишь через 40 с цикла заливки начинает подниматься под воздействием теплового потока, дошедшего за это время от внутренней поверхности кокиля. Изображенные с помощью компьютера изолинии распределения температур на наружной поверхности кокиля (рис. 4) показывают, что она может разогреваться к концу цикла заливки до 300°С.

По результатам расчета нестационарного температурного поля (рис. 2,3) было оценено термонапряжённое состояние кокилей для всех 12 шагов по времени за цикл заливки - 120 с.

Рис. 3. Изменение температуры за цикл заливки для внешней поверхности кокиля

Рис. 4. Распределение температур в кокиле на 70-й секунде цикла заливки

Компьютерные расчеты показывают, что компоненты тензора напряжений - эквивалентные напряжения (уэкв) и главные (у) - достигают своих максимальных значений на 30-й секунде цикла заливки (рис. 5).

Изображенные с помощью компьютера изолинии эквивалентных и главных напряжений показывают, что они наибольшие у питателя.

Из рис. 5 видно, что максимальные эквивалентные термические напряжения в кокиле достигают 21 кг/мм2.

Максимальные эквивалентные температурные напряжения в кокилях достаточно велики, они превышают предел текучести чугуна СЧ20 и почти достигают предела текучести чугуна ЧВГ35 (табл. 1). Следует учитывать, что при повышенных температурах прочностные свойства чугуна снижаются [4; 5]. Это свидетельствует о большой вероятности возникновения трещин малоцикловой усталости при многократной заливке жидкого металла в кокиль, что приводит к выходу его из строя. Кроме того, превышение термонапряжениями предела текучести материала кокилей может привести к их формоизменению, вызываемому остаточными пластическими деформациями.

На рис. 6 показана деформация - смещение по оси Z (рис. 4) - края кокиля, значения которой получены с помощью компьютера. Найдено, что максимальная деформация на 60-й секунде заливки достигает 0,43мм, а максимальная бочкообразность - 0,46мм.

При остывании кокиля возникающие остаточные пластические деформации будут иметь обратный знак, поэтому при накоплении остаточных пластических деформаций в процессе эксплуатации кокиль будет приобретать обратную бочкообразность. Бочкообразность кокиля (вогнутость со стороны разъема) приводит к утечке из него жидкого чугуна при заливке и браку отливок. Таким образом, проведенные исследования термических напряжений кокилей показывают, что необходимо изыскивать для них более термостойкие материалы, чем чугун марок СЧ10, СЧ15.

Рис. 5. Изменение максимальных эквивалентных напряжений в кокиле за цикл заливки

Рис. 6. Перемещение вдоль оси Z края кокиля за цикл заливки

Проведенные исследования термических напряжений и деформаций кокилей позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработана методика расчета на ЭВМ термонапряженного состояния кокиля.

2. На основе разработанной методики и полученных экспериментальных данных на ЭВМ рассчитаны тепловые потоки.

3. По специальной программе на ЭВМ рассчитаны температурные поля, термонапряжения и термодеформации кокилей.

4. С помощью ЭВМ получены изолинии максимальных значений рассчитываемых компонентов напряженно-деформированного состояния кокилей.

5. По расчетам максимальная температура внутренней поверхности кокиля достигает 574°С через 70 с после заливки. Экспериментальные замеры подтверждают расчетные данные.

6. По расчетам максимальные эквивалентные напряжения в кокиле достигают 21кг/мм2.

7. Максимальные эквивалентные температурные напряжения в кокилях достаточно велики: они превышают предел текучести чугуна СЧ20 и почти достигают предела текучести чугуна ЧВГ35. Это свидетельствует о большой вероятности возникновения в них трещин малоцикловой усталости.

8. Максимальная деформация кокиля на 60-й секунде заливки достигает 0,43мм, а максимальная бочкообразность составляет 0,46мм.

9. Остаточные пластические деформации, возникающие при остывании кокиля, будут иметь обратный знак, поэтому при накоплении остаточных пластических деформаций в процессе эксплуатации кокиль будет приобретать обратную бочкообразность, т.е. коробиться по разъему. Это приведет к повышенной утечке металла из него и браку отливок, что и наблюдается в производстве.

10. Проведенные исследования показывают, что для увеличения стойкости кокилей их необходимо изготовлять из чугуна с повышенными механическими свойствами. Изготовляемые на заводе кокили из чугунов марок СЧ10, СЧ15 не могут иметь достаточную стойкость, так как механические свойства данных чугунов ниже термических напряжений, развивающихся в них при эксплуатации.

Список литературы

1. Баландин, Г.Ф. Основы теории формирования отливки: учеб. пособие для вузов / Г.Ф. Баландин. - М.: Машиностроение, 1979. - 335с.

2. Вейник, А.И. Расчет отливки / А.И. Вейник. - М.: Машиностроение, 1964. - 403с.

3. Дубинин, Н.П. Чугунное литье в металлических формах / Н.П. Дубинин. - М.: Машгиз, 1956. - 319с.

4. Машиностроение. Т. II-2. Стали и чугуны: энциклопедия / под ред. О.А. Банных, Н.Н. Александрова. - М.: Машиностроение, 2001. - 784с.

5. Справочник по чугунному литью / под ред. д-ра техн. наук Н.Г. Гиршовича. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1978. - 758с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Требования, предъявляемые к качеству мелющих валков. Влияние химического состава чугуна на качество рабочего слоя валков. Методы исследования структуры и физико-механических свойств металла отливок. Технология изготовления биметаллических мелющих валков.

    диссертация [3,1 M], добавлен 02.06.2010

  • Получение литейных расплавов. Классификация, изготовление кокилей. Изготовление кокильного литья из серого чугуна. Достоинства и технико-экономические показатели производства отливок в кокили. Технические требования к конструкции и материалу кокилей.

    курсовая работа [98,9 K], добавлен 12.03.2013

  • Технология получения шаров в винтовых калибрах. Требования к выпускаемым мелющим шарам на базе ПФ ТОО "Кастинг". Монтаж и смазка оборудования стана горячей прокатки. Дефекты при нагреве круглых заготовок и их предупреждение. Расчет такелажной оснастки.

    дипломная работа [1,5 M], добавлен 27.04.2014

  • Технологические процессы приготовления литейных расплавов, их свойства. Классификация кокилей, область применения; литниковая система; достоинства и технико-экономические показатели производства отливок. Изготовление кокильного литья из серого чугуна.

    курсовая работа [57,5 K], добавлен 13.02.2013

  • Конструктивные уклоны отливок из цветных сплавов. Выбор литниковой системы для кокилей. Расчет площади поперечного сечения. Выбор толщины стенки кокиля. Конструирование знаков для установки и крепления стержней. Определение состава стержневой смеси.

    курсовая работа [97,5 K], добавлен 30.10.2011

  • Определение эксплуатационных свойств белых чугунов количеством, размерами, морфологией и микротвердостью карбидов. Влияние температуры отжига на механические свойства промышленного чугуна. Технологические схемы изготовления изделий повышенной стойкости.

    доклад [50,8 K], добавлен 30.09.2011

  • Исследование устройства и назначения барабанной шаровой мельницы. Определение оптимального диаметра шаров стальных мелющих для шаровых мельниц. Расчет потребляемой мощности, производительности мельницы, веса шаровой загрузки, частоты вращения барабана.

    курсовая работа [897,1 K], добавлен 06.08.2013

  • Анализ влияния микроструктуры графита на свойства чугунов. Графит и механические свойства отливок. Расчет зависимости параметра формы от минимального размера учитываемых включений. Гистограмма распределения параметра формы по количеству включений.

    курсовая работа [2,6 M], добавлен 08.02.2013

  • Чугун - сплав железа с углеродом, дешевый машиностроительный материал. Основные физические и химические свойства серого чугуна. Применение в машиностроении для отливок деталей. Влияние на свойства чугуна примесей: кремния, марганца, серы и фосфора.

    реферат [15,5 K], добавлен 07.03.2011

  • Прокатка как основной вид обработки металлов давлением, ее преимущества. Шаропрокатный стан MS – 64 для производства мелющих шаров диаметром 40, 60, 80, 100 мм, принцип его работы. Усовершенствование стенда для наплавки валков шаропрокатного стана.

    дипломная работа [1,6 M], добавлен 13.05.2014

  • Расчет времени полного затвердевания отливок в песчано-глинистой форме по методике Гиршовича и Нехендзи. Закон затвердевания отливок по методике Хворинова и Вейника. Построение температурных полей в корочке отливки в моменты полного затвердевания отливки.

    курсовая работа [964,0 K], добавлен 16.12.2014

  • Плавка чугуна в вагранке. Этапы технологического процесса изготовления отливок в разовых песчаных литейных формах. Сущность процесса волочения. Виды защитных покрытий металлов. Штамповка на горизонтально-ковочных и специальных машинах. Сварка давлением.

    контрольная работа [3,3 M], добавлен 17.06.2014

  • Горячие трещины, их происхождение и меры предупреждения. Исследование деформации и внутренних напряжений, зарубежных ученых в области трещиноустойчивости отливок. Образование протяженных трещин, причины данного процесса. Влияние концентрации напряжений.

    реферат [36,8 K], добавлен 16.10.2013

  • Материал отливки и его свойства. Состав формовочной смеси для мелких отливок. Припуски на механическую обработку. Конструирование литейной оснастки. Конструирование элементов литниковой системы. Изготовление форм, стержней, финишная обработка отливок.

    курсовая работа [65,2 K], добавлен 21.10.2013

  • Маркировка, химический состав и механические свойства хромистых чугунов. Основные легирующие элементы, стойкость чугунов в коррозии. Литая структура чугунов с карбидами. Строение евтектик белых износостойких чугунов, области применения деталей из них.

    курсовая работа [435,0 K], добавлен 30.01.2014

  • Анализ процессов происходящих при формировании отливок. Кинетика плавления и испарения пенополистирола. Технология изготовления отливок. Расчёт основных технологических параметров. Конструирование литниковых систем. Оптимальная скорость заливки.

    курсовая работа [2,8 M], добавлен 12.01.2014

  • Анализ конструкции детали и выбор положения отливки в литейной форме. Разработка средств технологического обеспечения способа литья. Определение технологического маршрута изготовления отливки. Припуски и допуски на механическую обработку отливок.

    методичка [1,2 M], добавлен 23.09.2011

  • Способы получения неразъемного соединения контактной сваркой. Технология изготовления отливок литьем по выплавляемым моделям. Механизм пластической деформации, понятие о холодном и горячем деформировании, а также условия протекания горячей деформации.

    контрольная работа [519,8 K], добавлен 10.10.2011

  • Проектирование металлопрокатного цеха. Перечень зданий и сооружений. Технико-экономические показатели генплана. Технологический процесс производства шаров. Производство станов поперечно-винтовой прокатки. Анализ состояния окружающей среды АО "ССГПО".

    дипломная работа [4,5 M], добавлен 16.10.2015

  • Анализ условий работы помольных шаров. Обоснование выбора марки стали. Расчет режимов термической обработки изделий с использованием критических точек фазовых переходов. Контроль твёрдости обработанных деталей. Возможные виды брака, методы его устранения.

    курсовая работа [1,4 M], добавлен 15.04.2015

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.