Моделирование структуры и распространения тепла в дисперсных формовочных материалах для прогноза их теплофизических свойств
Анализ информационного обеспечения теплофизическими характеристиками формовочных материалов, применяемых при изготовлении подлежащей моделированию отливки. Схема структуры формовочного материала. Характеристика процесса деструкции при заливке сталью.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 19.02.2019 |
| Размер файла | 377,3 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/
МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕПЛА В ДИСПЕРСНЫХ ФОРМОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ ДЛЯ ПРОГНОЗА ИХ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
О.А. Бройтман, начальник
лаборатории фирмы «Ashland»
При использовании систем компьютерного моделирования литейных процессов часто встаёт вопрос об информационном обеспечении теплофизическими характеристиками формовочных материалов, применяемых при изготовлении подлежащей моделированию отливки. Обычно препроцессор моделирующей системы предполагает ввод температурно-зависимых значений удельной теплопроводности и объёмной теплоёмкости.
Проблему обеспечения этими свойствами смесей можно рассматривать на двух уровнях. Приняв в первом приближении поверхностный подход к решению задачи, заключающийся лишь в поиске необходимых данных в литературных источниках, велика вероятность столкнуться с тем, что теплофизические свойства для многих смесей никогда не определялись экспериментально. Это распространённая ситуация, учитывая многообразие рецептур смесей.
В случае, если свойства удалось обнаружить, следует говорить лишь о наличии приближённых данных, поскольку особенности рецептуры, зерновой состав, степень уплотнения, химический состав компонентов применяемой на практике смеси практически всегда будут отличаться от ранее исследованной. Это обстоятельство подтверждает также разноречивость литературных данных (см., например, [1-3]). Отсюда вытекает следующий уровень рассмотрения проблемы: раз и навсегда заранее определённых свойств для различных типов смесей не существует, для моделирования формирования отливок с высокой точностью следует в условиях конкретно взятого литейного производства производить эксперименты по установлению теплофизических характеристик литейных форм. Однако, в производственных условиях такие мероприятия трудноосуществимы, не любой экспериментальный метод обеспечивает получения характеристик, пригодных для ввода в систему моделирования.
В целом невозможность проведения экспериментов ни в коем случае не может являться причиной отказа от использования компьютерного моделирования. Расчёты могут производиться и с использованием приближённых характеристик, при условии знания метода их экспериментального определения и того, насколько математический аппарат этого метода согласуется с заложенными в моделирующую систему моделями тепловых процессов, протекающих в отливке и форме. В ряде случаев есть возможность произвести такую математическую обработку экспериментальных данных, которая позволит получить корректные значения теплофизических характеристик, пригодные для ввода в систему моделирования [4]. В крайнем случае, моделирующая система всегда предоставляет свободу в проведении вычислительных экспериментов, в рамках которых возможно варьировать свойства в разумных пределах, а затем соотносить результаты расчётов с результатами заливок реальных отливок.
Рис. 1. Схема структуры формовочного материала
Радикальным же путём создания информационного обеспечения и повышения точности вводимых в систему данных о теплофизических характеристиках следует признать экономичный путь их расчётного установления [5] по заданному составу и параметрам структуры смеси. В основу расчётного метода были положены математические модели, описывающие дисперсную структуру формовочной смеси (рис. 1) и механизмы распространения тепла в ней (кондукция, лучеиспускание и конвекция).
При использовании подхода Г.Н. Дульнева [6] разработали модель структуры осреднённого элемента уплотнённой формовочной смеси, представляющего собой зерно основы радиуса rн с оболочкой связующего толщиной от 0 до (рис. 2,а). Для расчёта эффективной теплопроводности дисперсного материала широко используется принцип обобщённой проводимости [6-8]. С учётом этого принципа теплопроводность цилиндрической ячейки радиуса r1 (рис. 2,а) с осреднёнными геометрическими параметрами определяется термическими сопротивлениями (рис.2,б) отдельных его участков. Теплопроводность цилиндрической ячейки радиуса r1 (рис. 2,а) с осреднёнными геометрическими параметрами определяется термическими сопротивлениями (рис.2,б) отдельных его участков. Тепловой поток, входящий в нижнее основание ячейки, преодолевает термическое сопротивление прослойки связующего R1, далее переходит в зерно наполнителя и распределяется по нему (термическое сопротивление R2). Параллельно с этим входящий тепловой поток встречает сопротивление R3 воздушного зазора и части ячейки под изотермой AB, ограниченного справа адиабатой CB. После прохождения через участок с сопротивлением R3 тепловой поток распространяется в зерне наполнителя (сопротивление R4) и параллельно с этим в плёнке связующего (R5). В дополнение со всеми описанными путями происходит перенос тепла в сквозных воздушных порах (R6). Для суммарного термического сопротивления R всего осреднённого элемента, выражаемого через искомую эффективную теплопроводность ячейки к, относительную деформацию каркаса формовочного материала к, находимую по известной деформации связующего после уплотнения св, и исходный радиус зерна в оболочке связующего (до уплотнения) r получено соотношение:
,(1)
откуда с учётом схемы соединения термических сопротивлений (рис. 2,б) следует выражение для определения эффективной теплопроводности ячейки:
.(2)
Способ расчёта сопротивлений R1чR6 зависит от характера среды, в которой распространяется тепло. Прогноз эффективной объёмной теплоёмкости c формовочного материала с удовлетворительной точностью выполняется на основе правила аддитивности.
На рис. 3 приведены результаты расчётного исследования температурных зависимостей эффективной теплопроводности уплотнённых формовочных материалов различной структуры. Полученные данные свидетельствуют о преимущественном росте эффективной теплопроводности песчано-глинистых смесей с повышением температуры. Причина резкого усиления темпа роста в области высоких температур - увеличение лучистой составляющей теплообмена в порах в сочетании со слабым возрастанием истинной теплопроводности зёрен кварцевой основы выше 1000°С (рис. 3). Показано, что чем меньше размер зёрен, тем в большей степени выражено падение эффективной теплопроводности в интервале температур 20°С-500°С, что находится в соответствии с понижением истинной теплопроводности кварца и соответствует экспериментальным исследованиям. Толщина плёнки связующего уменьшается при понижении размера зерна (смесь характеризуется более развитой эффективной поверхностью) в условиях сохранения неизменной массовой доли связующего Cсв; с увеличением Cсв в смеси увеличиваются размеры площадок контакта агрегатов. В каждом из указанных случаев понижается тепловое сопротивление зоны контакта и усиливается влияние истинных свойств зерновой основы на ход кривой изменения эффективной теплопроводности.
аб
Рис. 2. Модель ячейки структуры уплотнённого формовочного материала
а - схема ячейки структуры; б - схема соединения
термических сопротивлений
Уплотнение смеси, соответственно, повышение её эффективной плотности и увеличение количества связующего в смеси приводит к увеличению площадок контакта агрегатов и к закономерному увеличению эффективной теплопроводности. Добавка к наполнителю более теплопроводного связующего радикальным образом не сказывается на повышении эффективной теплопроводности смеси, что подтверждено рядом вычислительных экспериментов на модели при варьировании свойств связующего в широком интервале. Толщина плёнки всегда мала в сравнении с размерами зёрен и по этой причине тепловое сопротивление собственно связующего не является лимитирующим звеном. Именно размер площадок контакта является решающим фактором, влияющим на эффективную теплопроводности смеси.
Приведённые на рис. 3 опытные значения ? для различных смесей [9] согласуются с результатами моделирования. Для найденных на основе модельных представлений о переносе тепла в ячейке зернистого тела при стационарных условиях значений и c далее принято общее обозначение - локально-эффективные теплофизические характеристики. Совокупность этих характеристик для различных формовочных материалов является исходным компонентом информационного обеспечения систем моделирования тепловых процессов при литье.
аб
Рис. 3. Влияние температуры (а) и количества связующего (б)
на эффективную теплопроводность уплотнённых песчано-глинистых смесей по результатам моделирования (линии) и опытным данным (точки)
а: 1 и 2 - dн=0,5 мм, Ссв=4%, для 1 - =1556 кг/м3, для 2 - =1605 кг/м3;
3 и 4 - dн=0,2 мм, =1605 кг/м3; для 3 - Ссв=4%, для 4 - Ссв=10%;
б: 1 - dн=0,2 мм, t=20°C; 2 - dн=0,5 мм, t=20°C; 3 - dн=0,2 мм, t=300°C;
4 - dн=0,5 мм, t=300°C; 5 - dн=0,2 мм, t=1200°C; 6 - dн=0,5 мм, t=1200°C
Численное исследование нестационарного (неравномерного) прогрева литейной формы на основании решения уравнения Фурье при задании локально-эффективных структурно- и температурно-зависимых теплофизических параметров и c позволяет определить интегрально-эффективные теплофизические свойства формовочных материалов (теплопроводность эф, теплоёмкость cэф, температуропроводность aэф и тепловую активность bэф), учитывающие различную степень прогрева участков формы и изменения структуры материала этих участков в результате термодеструкции связующего, испарения влаги и т.д. [10]. Именно интегрально-эффективные теплофизические характеристики формовочного материала используются при аналитическом решении задачи о прогреве литейной формы. Численным расчетом показана стабилизация во времени интегрально-эффективных теплофизических характеристик литейной формы на разном уровне для разных температур заливки, зернового состава и свойств материала-основы смеси [10]. Посредством вычислительных экспериментов выявили наличие зависимости интегрально-эффективных теплофизических свойств от конфигурации границы раздела отливка-форма, что влечёт за собой вывод о неправомерности использования интегрально-эффективных свойств, заданные постоянными для всего объёма формы, при расчётах затвердевания фасонных отливок. Универсальным путём точного учёта теплоотвода в форму при численных расчётах является использование локально-эффективных свойств её материала.
Однако, здесь следует обратить внимание на своего рода неприспособленность существующих на рынке программного обеспечения систем моделирования литейных процессов к точному решению задачи теплообмена в литейной форме, изготовленной из любого материала. Использование при тепловых расчётах температурно-зависимых локально-эффективных свойств формовочного материала корректно при условии стабильности структуры смеси во времени при изменении температуры. В том случае, если нагрев смеси сопровождается превращениями в её компонентах и фазовый переход протекает в течение некоторого времени, что, в частности, происходит в случае термодеструкции смоляного связующего литейной формы, то нестабильность структуры будет определяться не только температурой T, но и временем нахождения участка смеси при данной температуре, от которого зависит степень превращения органического материала. Отсюда следует, что при задании теплофизических свойств песчано-смоляных смесей необходимо вводить ещё один параметр состояния материала смеси - время. Однако, в этом случае непрерывная кривая для зависимости свойств от температуры, требуемая к вводу в системе моделирования, распадается на множество кривых, отображающих значение теплофизической характеристики и соответствующих разным моментам времени. Для точного учёта изменения свойств при прогреве требуется при моделировании затвердевания отливки совместно с уравнением Фурье решать уравнение, описывающее химическую реакцию разложения смоляного связующего [11]. В то же время подлежит проверке вопрос о том, насколько существенен вклад «временной» составляющей процесса термодеструкции смолы и не является ли эта составляющая процесса быстрой в сравнении с вкладом «температурной» составляющей.
Исследовали нестационарную газификацию фенольно-фуранового связующего (температура начала деструкции 330°С) при прогреве литейной формы после заливки расплава, и выявляли, на какие механизмы переноса тепла оказывает существенное влияние это превращение в песчано-смоляной смеси. Для этого производили расчёт изменения температур в форме путём численного решения уравнения Фурье, которое записывали в виде
,
где x - координата, отсчитываемая от поверхности формы; L - тепловой эффект превращения; - степень превращения, находимая из термо-кинетических уравнений [11].
Наличие в формовочном материале смоляного связующего существенно сказывается на газовом режиме литейной формы и интенсифицирует конвективный теплоперенос, поэтому одновременно с расчётом по уравнению Фурье определяли поле давлений в теле формы путём численного решения уравнения, полученного из уравнения неразрывности, уравнения Дарси и газового уравнения состояния [12].
Параллельно исследовали конвекцию в сухой негазотворной форме, когда транспорт газа вызван тепловым расширением воздуха, заполняющего поры смеси. Расчёты показали, что при литье в негазотворную форму конвективная составляющая переноса тепла выражена весьма слабо и определённо может не учитываться при расчетах тепловых условий затвердевания отливок. В случае литья в песчано-смоляную форму давление в порах смеси на несколько порядков превышает давление при литье в негазотворную форму и это может стать причиной брака отливок по газовым раковинам. Несмотря на значительные перепады давления между участками формы, в которых протекает газификация, и теми, где она ещё не началась, показали, что конвективная составляющая теплообмена также достаточно мала, поэтому нестационарную конвекцию в смесях со смоляным связующим при тепловом расчёте можно не принимать во внимание.
Рис. 4. Изменение степени превращения во времени
Сформулированная выше структурная модель формовочного материала способна учитывать изменчивость структуры смеси в зависимости от степени её прогрева. При нагреве песчано-смоляной смеси происходит трансформация её структуры, связанная с превращениями связующего: на начальном этапе может иметь место частичное спекание смеси; в участках, где деструкция прошла полностью, упаковка зёрен наполнителя становится рыхлой и несвязанной. Отмеченные структурные различия определяют разные условия для распространения тепла. С учётом того, что степень превращения связующего есть функция двух переменных - времени и температуры, получено [11]: , где первое слагаемое в правой части выражает скорость химической реакции при постоянной температуре (кинетический параметр), а второе - удельное количество разложившегося вещества при изменении температуры на один градус за фиксированный интервал времени (термический параметр). Расчёт производных производится по формулам [11]: , , где ; K0 - константа реакции; n - показатель порядка реакции; Ea - энергия активации; R - газовая постоянная.
На рис. 4 сопоставлены полученные значения кинетического и термического параметров процесса деструкции при заливке сталью для слоёв формы, расположенных на разной глубине от границы контакта с металлом. Расчёты показывают, что в любом элементарном слое смеси термическая составляющая всегда выше кинетической, однако, их значения весьма близки. Отсюда следует, что в случае литья в песчано-смоляные формы для описания структуры смеси и прогноза её теплофизических свойств необходимо исходить из результатов сопряженного моделирования теплообмена и локальной кинетики фазового превращения в различных слоях смеси, что существенно уточняет как тепловой расчет, так и расчет газовых процессов для предупреждения соответствующих дефектов отливок.
сталь заливка деструкция
Литература
1. Вейник А.И. Термодинамика литейной формы. М.: Машиностроение, 1968. - 332 с.
2. Atterton D. Thermal Conductivity of Bentonite Molding Sand // Journal of the Iron and Steel Institute. - 1953, vol. 173, № 3, p. 453-459
3. Midea T., Shah J.V. Mold Material Thermophysical Data. //AFS Transactions. - 2002, vol. 110, pt. 1, p. 121-136
4. Бройтман О.А., Голод В.М. Экспериментальное определение теплофизических свойств формовочных материалов. История заблуждений и открытий. //Сб. Литейное производство сегодня и завтра. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2006.
5. Бройтман О.А., Голод В.М. Структурная модель теплообмена в дисперсных формовочных материалах для автоматизированного прогноза их теплофизических свойств. //Труды III международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии». М., МИСиС, 2005, с. 271-276
6. Дульнев Г.Н., Новиков В.В. Процессы переноса в неоднородных средах. Л.: Энергоатомиздат, 1991. - 248 с.
7. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М.: Гос. изд-во физ.-матем. литер., 1962. - 456 с.
8. Gupta M., Yang J., Roy C. Modeling the Effective Thermal Conductivity in Polydispersed Bed Systems: a Unified Approach Using the Linear Packing Theory and Unit Cell Model // Canad. J. Chem. Eng., 2002, v. 80, Oct., p. 830-839
9. Раддл Р.У. Затвердевание отливок. М.: Машгиз, 1960. - 392 с.
10. Бройтман О.А., Голод В.М. Роль различных механизмов переноса тепла в формовочной смеси в зависимости от её структуры. //Сб. Материалы межвузовской научной конференции в рамках XXXIII недели науки СПбГПУ. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2005, с. 166-167
11. Серебро В.С. Основы теории газовых процессов в литейной форме. М.: Машиностроение, 1991. - 208 с.
12. Бройтман О.А., Голод В.М. Моделирование распределения газового давления в литейной форме. //Сб. Фундаментальные исследования в технических университетах. Материалы IX Всероссийской конференции. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2005, с. 295-296
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Основные свойства формовочных материалов: огнеупорность, газопроницаемость и пластичность. Свойства песка и глины, виды специальных добавок. Термический, механический и химический пригар. Приготовление формовочных смесей, их влияние на качество отливки.
лекция [18,3 K], добавлен 21.04.2011Характеристика сплава отливки. Анализ технологичности конструкции детали. Выбор плоскости разъема формы. Обоснование выбора способа изготовления форм и стержней. Выбор формовочных и стержневых смесей. Расчет продолжительности затвердевания отливки.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 06.04.2015Расчет рабочей лопатки. Объем одного участка оребрения. Изготовление лопатки при помощи 3D прототипирования. Параметры точности отливки и припуски на обработку. Приготовления формовочных смесей в центробежном лопаточном смесителе непрерывного действия.
дипломная работа [2,2 M], добавлен 27.05.2014Применение формовочного песка. Сущность литья в песчаные формы. Составы и свойства формовочных смесей. Формовочный песок из использованных литейных форм. Изготовление песчаных форм вручную. Схема процесса утилизации песка литейного производства.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 11.10.2010Техническо-экономическое обоснование выбора технологического процесса отливки детали "шкив". Выбор формовочных и стержневых смесей. Выбор плавильного агрегата и расчет шихты. Расчет литниковой системы. Очистка и обрубка отливок. Карта литейного процесса.
курсовая работа [61,2 K], добавлен 14.05.2013Разработка технологического процесса изготовления отливки "Кокиль" из чугуна в соответствии с техническими требованиями на литую деталь. Расчет элементов литейной формы, выбор состав формовочных и стержневых смесей и красок, определение состав шихты.
дипломная работа [218,7 K], добавлен 29.12.2013Анализ технологичности конструкции отливки. Выбор формовочных, стержневых смесей. Техническая характеристика линий Мультоматик. Подготовка к формовке, выбор плавильного агрегата, расчет шихты. Расчет веса груза. Обрубка, очистка, грунтовка отливок.
курсовая работа [65,0 K], добавлен 22.09.2013Разновидности формовочных смесей, технологические свойства и влияние на качество литья. Требования к формовочным смесям, их основные характеристики. Этапы полного технологического процесса приготовления формовочных смесей, методы повышения прочности.
реферат [66,4 K], добавлен 26.02.2010Понятия литейного производства: отливка, модель, литейная форма, литниковая система. Классификация и состав формовочных песков, классификационные признаки формовочных глин. Требования, предъявляемые к органическим и неорганическим связующим материалам.
реферат [33,3 K], добавлен 21.11.2014Органолептическая оценка свойств материала. Определение геометрических свойств, поверхностной плотности и характеристик структуры полушерстяной ткани. Определение усадки, драпируемости и жесткости ткани. Составление карты технического уровня качества.
курсовая работа [542,2 K], добавлен 05.03.2012Анализ формовочных и стержневых смесей. Технологии получения стержневых быстротвердеющих смесей: жидкое стекло, микроволновой и СО2 процессы, их преимущества и недостатки. Влияние силикатного модуля жидкого стекла на прочность изгиба формовочных песков.
дипломная работа [5,4 M], добавлен 18.04.2018Анализ рынка, требования к женскому повседневному джинсовому костюму, используя информацию по направлению моды. Выбор оптимальных материалов для костюма на сезон весна-осень в зависимости от свойств, структуры материала. Конфекционная карта на изделие.
курсовая работа [5,5 M], добавлен 01.11.2009Характеристика модели одежды и материалов, применяемых при ее изготовлении. Определение нормы расхода материала, изготовление комплекта лекал. Проектирование технологического процесса изготовления женской блузы с применением новейшего оборудования.
курсовая работа [5,0 M], добавлен 10.01.2016Технические требования, предъявляемые к отливке. Разработка конструкции отливки. Определение припусков на механическую обработку, формовочных уклонов. Конструкция стержневого ящика. Определения габаритов в форме. Выбор места подвода расплава к отливке.
дипломная работа [677,6 K], добавлен 21.06.2012Общая характеристика модели "сафари". Ассортимент материалов, применяемых для предлагаемой модели, требования к ним. Исследование ассортимента рекомендуемых материалов, их структуры и свойств. Обоснование выбора пакета материалов для изготовления платья.
курсовая работа [747,3 K], добавлен 02.05.2014Характеристика материала детали. Характеристика песчано-глинистой смеси для отливки зубчатого колеса. Изготовление нижней и верхней полуфом. Припуски на механическую обработку и технологически припуски отливки. Эскиз детали и технологичность конструкции.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 02.03.2010Производственная программа цеха. Проектирование плавильного отделения. Определение потребности в жидком металле. Выбор вместимости и объема ковша. Расчет расхода формовочных смесей и стабилизация их свойств. Выбор технологического процесса формовки.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 12.12.2013Выбор материала детали, описание эскиза и оценка технологичности конструкции. Разработка технологического процесса изготовления стальной отливки литьем в разовые песчаные формы. Точность отливки и определение допусков на её размеры, формовочные уклоны.
курсовая работа [268,4 K], добавлен 26.02.2015Проведение исследования формирования структуры синтетического опала с заданными оптическими свойствами и создание возможности управления его характеристиками. Технико-экономическое обоснование разработки и внедрения модернизированной установки ВУП.
дипломная работа [4,1 M], добавлен 24.11.2010Характеристика модели женского жакета. Пакет материалов, применяемых при изготовлении. Схема сборки и степень готовности жакета. Выбор оборудования. Разработка технологической последовательности обработки. Экономическая оценка применяемых методов.
курсовая работа [256,0 K], добавлен 30.05.2012
