WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Рис. 2. Схема расчета конечной скорости потока

При расчете сначала определялась скорость истечения расплава из отверстия, а затем скорость падения, обобщенная формула для расчета имеет вид:

, (1)

где g – ускорение силы тяжести, м/с2; vo – скорость истечения, м/с; v1 – скорость, падения потока, м/с; – коэффициент расхода металла на выходе из отверстий. Потенциальная энергия падающего расплава, зависящая от характера течения и скорости падения, определяет степень воздействия потока на поверхность ванны расплава, находящегося в литейной форме, и, по всей вероятности, во многом определяет и уровень брака отливок. Поэтому была получена зависимость для расчета длины нераспавшейся части струи. Анализ литературных источников, а также приведение уравнения Навье-Стокса к безразмерному виду показало, что относительная длина нераспавшейся части струи L зависит от поверхностного натяжения, плотности жидкости, силы тяжести и размеров литниковой системы. Все эти параметры входят в числа подобия Redж = v dж / – критерий Рейнольдса характеризует отношение сил инерции к силам внутреннего трения (вязкости) и определяет характер течения жидкости. Wedж= v2 dж /, – критерий Вебера характеризует отношение сил инерции к силам поверхностного натяжения, Frdж = v2 / g dж – критерий Фруда характеризует отношение сил инерции к силам тяжести, поэтому обработка всех экспериментальных данных осуществлялась именно в этих числах подобия.

Для описания относительной длины нераспавшейся части струи использовали симплекс, равный отношению длины нераспавшейся части струи к диаметру отверстия L= l / d. Для доказательства зависимости величины L от значений чисел подобия был проведен корреляционный анализ, который показал, что существует значимая корреляция между L и числами подобия We и Fr. Допуская, что физические свойства сплава в интервале температур заливки и ликвидуса остаются постоянными, а скорость течения расплава v на любом участке падения известна, на основании обобщения экспериментальных данных методом регрессионного анализа было получено уравнение подобия, устанавливающие зависимость относительной длины компактной части струи от параметров заливки. Выбор вида математической модели определяли по максимальному значению коэффициента корреляции R.

Таким образом, для расчета L было получено следующее уравнение подобия: при 32 < We < 1041, 71 < Fr < 2147.

(R = 0, 87) (2)

Для подтверждения адекватности полученного уравнения выполнили сравнения расчетных и экспериментальных результатов заливок серым чугуном при изменении диаметра отверстия дождевой литниковой системы от 2 до 6 мм, напора от 50 до 150 мм, высоты падения от 500 до 1000 мм, что показало хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных.

Таким образом, полученная зависимость позволяет рассчитать длину нераспавшейся части струи, величина которой, оказывает весьма существенное влияние на процессы, приводящие к образованию брака в отливках.

В четвертой главе был изучен механизм образования газовых дефектов в отливках при взаимодействии падающего расплава с поверхностью металла в литейной форме. Исследования проводили первоначально на моделирующей жидкости, а затем и на реальных расплавах серого чугуна. В ходе моделирования процесса были выявлены следующие закономерности:

- при падении расплава в поверхностном слое металла в литейной форме (ванне жидкости) наблюдается заглубление струи и образование зоны возмущения, размер которой возрастает при увеличении высоты падения h величины напора H и диаметра отверстия d;

- падение жидкости или расплава сопровождается захватом воздуха. При возмущении выше некоторого уровня в полости формы в месте падения струи возникают вихри, которые захватывают воздух, что способствует образованию газовой раковины в отливке;

- при малых диаметрах отверстий, то есть при распаде струи на капли или фрагменты на поверхности ванны наблюдается интенсивное выделение газовых пузырей, что сопровождается удалением воздуха из жидкости. При увеличении диаметров отверстий и высоты падения струи этот процесс постепенно затухает, то есть, проявляется кумулятивный эффект струи, что также сопровождается образованием газовой раковины в отливке.

Дальнейшие исследования позволили выявить условия (диаметр отверстия, величину напора, высоту падения расплава) при которых имеют место вышеописанные процессы. Как показал анализ экспериментальных и теоретических данных характер течения расплава зависит от многих факторов, то есть является функцией f(g, v,,,, H, d, h, L). Для получения зависимости между параметрами был использован метод размерностей, что позволило с использованием -теоремы получить следующие числа подобия.

Y = v2/ (gH) определяет отношение сил инерции к силам тяжести при свободном течении расплава из отверстий; Fr – критерий Фруда; Ch = v / – критерий структуры поверхностного слоя потока (критерий Чистякова), где – напряжение поверхностного натяжения расплава, – динамическая вязкость расплава.

Для описания характера течения расплава при его падении было предложено использовать симплекс Z = h / l, в дальнейшем обработка всех экспериментальных данных осуществлялась в числах подобия, что позволило получить уравнение подобия вида: Z = f(Ch, Fr, Y).

Проведенный корреляционный анализ подтвердил, что существует значимая корреляция между числом Z и числами Fr, Ch. Анализ математических моделей, получаемых в ходе построения регрессий, показал, что не удается построить универсальную модель, для которой значения коэффициентов были бы выше 0,75 и, которая бы описывала зависимость между параметрами во всем диапазоне значений чисел Чистякова и Фруда.

В результате были получены два регрессионных уравнения, позволяющие рассчитать величину критерия Z.

при Ch.Fr > 25 (Z>2,65) (R=0,87) (3)

при Ch.F r< 25 (Z<2,65) (R=0,91) (4)

Первое уравнение описывает зависимость между параметрами при капельном течении, а второе при фрагментарном или струйном. Критическое значение числа Z равняется 2,65. Графическая интерпретация полученной зависимости приведена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость критерии характер течения Z

от числа Чистякова-Фруда Ch.Fr:

1 - струйное и фрагментарное течение, 2 - капельное течение

Таким образом, при Z > 2,65 наиболее вероятно капельное течение и, следовательно, возникновение пористости особенно в поверхностном слое отливки. Это явление очень заметно при использовании отверстий диаметром 1 мм, (при H = 100 – 200 мм, h = 500 – 1000 мм), d = 2 мм (при напорах H = 100 – 200 мм и h = 750 – 1000 мм), а также при применении отверстий диаметром 3 мм и h = 1000 мм, напорах 200 мм.

При Z < 2,65 происходит струйное или фрагментарное течение расплава, при этом вероятность образования газовых раковин в отливках предположительно увеличивается. Это явление заметно при применении d = 6 мм, (H = 150 – 200 мм и h = 750 – 1000 мм), а также при d = 8 мм, (H = 50 – 200 мм и h = 250 – 1000 мм).

Для подтверждения адекватности полученных уравнений было проведено сравнение экспериментальных и расчетных значений параметров, которое показало их хорошее совпадение.

Анализ полученных экспериментальных данных показал, что причиной образования газовых дефектов является возникновение гидродинамического удара расплава о поверхность ванны, приводящее к значительному перемещению объемов расплава, которое приводит к увеличению площади зоны возмущения. Для определения величины силы удара на основании второго закона Ньютона была получена зависимость:

. (5)

Анализ формулы показывает, что величина силы удара зависит от диаметра отверстий, напора и высоты падения, а по анализу экспериментальных данных, площадь возмущения зависит от длины нераспавшейся части струи, диаметра отверстий, напора, высоты падения и силы удара, то есть S = f(L, d, H, h, Fст). При увеличении значений этих параметров вероятность образование газовых раковин больше. Для подтверждения этого вывода были проведены экспериментальные заливки образцов серым чугуном при разных исходных параметрах литья. Оценку влияния силы удара на образующуюся пористость и газовую раковину определяли методом гидровзвешивания. Отлитые образцы разрезали на части и проводили определение их плотности. Анализ показывает, что с увеличением силы удара и диаметра отверстий плотность металла уменьшается, что свидетельствует о наличии газовых дефектов (рис. 4 а, б).

Анализ приведенных графиков показывает, что при увеличении значения силы удара более 1,62 Н происходит значительное падение плотности отливки, таким образом, это значение было выбрано в качестве критического, то есть предельно допустимого. Кроме того исследования показали, что нецелесообразно увеличивать диаметр отверстий выше 6 мм, высоту падения более 750 мм и величину напора выше 150 мм, так как это приводит к превышению предельно допустимой силы удара и значительному повышению дефектов газовая раковина.

а

б

Рис.4. Изменение плотности металла отливки от силы удара (а)

для верхней и нижней части отливки (б)

Пятая глава посвящена разработке методики расчета охлаждения расплава при заливке, при этом задача решалась как теоретически, так и экспериментально. Анализ процесса охлаждения расплава при заливке показал, что его можно разделить на две стадии: охлаждение расплава при истечении из ковша и падении струи, капель или фрагментов после истечения из отверстий литниковой системы, то есть t = tп.к. + tпио.., где t – суммарное падение температуры; tп.к. – падение температуры расплава при истечении из ковша; tпио– падение температуры при истечении из отверстий.

Выбор параметров заливки определялся исходя из анализа реальных технологических процессов литья на предприятиях региона. Все эксперименты проводили на специально сконструированной и изготовленной установке, оценка падения температуры осуществлялась с помощью термоэлектрического пирометра при использовании термопар типа ВТР.

Теоретически оценка падения температуры при истечении расплава из ковша при заливке осуществлялась по известной методике, разработанной на кафедре МЛС при поправке на то, что передача тепла от струи осуществляется не только за счет теплового излучения, но и за счет конвективной теплоотдачи, так как заливка литейной формы осуществляется на воздухе. При расчете были приняты следующие допущения: расплав однороден и его физические свойства в пределах выделенного элементарного объема постоянны, передача теплоты с поверхности объема в окружающее пространство приводит к снижению теплосодержания, передача теплоты в пределах объема металла осуществляется теплопроводностью. Значение tп.к. рассчитывалось исходя из формулы(6) по формуле(7):

, (6)

. (7)

Результаты расчетов показывают, что падение температуры при разных углах наклона ковша то есть при разных расходах изменяется в пределах от 4 до 6 °C, поэтому за врем, время движения расплава от ковша до литниковой чаши падение температуры составляет от 20 до 30 °C. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показывает их достаточно хорошее совпадение.

Для решения второй части задачи, а именно для расчета изменения температуры при падении струи была принята схема расчета, приведенная на рис. 5. Разобьем падающую струю на элементарные объемы, длиной h при струйном или фрагментарном течении, при капельном течении в качестве элементарного объем была принята капля, диаметром, равным диаметру отверстия, весь процесс по времени разобьем на интервалы продолжительностью.

Рис. 5. Схема расчета для определения падения температуры в струе

Допустим, что в пределах выбранного объема и интервала времени физические свойства расплава постоянны, передача тепла внутри объема металла осуществляется теплопроводностью, все отведенное от элемента тепло идет на изменение теплосодержания объема. Поэтому для выделенного участка струи можно составить следующее уравнение теплового баланса:

Q1 = Q2, (8)

, (9)

где Q1 – количество теплоты, передаваемое с поверхности расплава в окружающее пространство за счет конвекции и теплового излучения; Q2 – изменение теплосодержания металла;

, (10)

где Fстр – площадь наружной поверхности струи, м2; – время течения струи, рассчитается по формуле; Апр – приведенная поглощательная способность расплава; tм нач – температура заливки металла, °С; tм кон – температура металла при попадании в литниковую чашу, °С; сж – теплоемкость жидкого металла, Дж/(кг К); ж – плотность жидкого металла, кг/м3; Vстр– объем струи, м3.

Значение коэффициента конвективной теплоотдачи к рассчитывали по уравнениям подобия, которые были получены методами регрессионного анализа экспериментальных данных, обработка которых осуществлялась в числах подобия Рейнольдса, Прандтля, Нуссельта.

В случае струйного или фрагментарного течения

при 10 < Reж <5109, (R=0,87)

при Re >5.10 9, (R= 0,91)

В случае капельного течения расплава

при 103 < Redк < 8108, (R=0,89)

при Redк > 8.108, (R= 0,94)

Таким образом, падение температуры расплава из чаши может быть рассчитано по формуле:

(11)

Сравнение расчетных и экспериментальных значений падения температуры показывает на достаточно хорошее совпадение значений температуры.

Как показали расчеты и экспериментальная проверка, общие потери температуры при заливке в исследованном интервале значений температур заливки, размеров литниковой системы и высоты падения расплава составляют от 40 до 70 °С. Таким образом, полученные результаты позволят более точно выбрать температуру заливки сплава, а также прогнозировать возможность образования дефекта «королек» при капельном течении.

В шестой главе для анализа влияния режимов заливки форм на качество отливок был использован метод системотехники, который позволил сделать вывод о том, что процедура выбора режимов заливки для конкретной отливки сводится к определению области заполняемости, границы которой можно выделить с помощью полученных критериев характера течения потока Z и величины критической силы удара расплава о поверхность Fкр, ( табл. 1и рис. 6.)

Таблица 1

Режим заливки полости формы расплавом серого чугуна

Характер течения расплава (Z)

Z

Fст

Z Fст

Результаты

Капельное

2,65-6,1

0,020-0,18

0,059-1,01

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»