ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 3, 2013
УДК 621.746.047: 669.18.046.001.57
© 2013 г. Стулов В.В., Богданова Н.А.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ СТАЛЬНОЙ ОТЛИВКИ В КОКИЛЬНОЙ МАШИНЕ
Приведены результаты моделирования распределения температур в неохлаждае-мой и охлаждаемой стенке при разливке в стальной кокиль свинцово-сурьмянисто-го сплава. С использованием критериев подобия Фурье, Био и Коссовича определены параметры процесса при разливке в кокиль стали.
Моделирование тепловых процессов при получении стальной отливки в новой конструкции кокильной машины [1, 2] позволяет установить оптимальный режим ее эксплуатации и начальную температуру стенок, от которой зависит эффективность ее тепловой работы и качество отливок. При этом способ подогрева кокиля должен обеспечить сравнительно равномерный разогрев рабочей поверхности стенок.
В работах [3, 4] приведены результаты физического моделирования при получении отливок и непрерывных заготовок из свинцово-сурьмянистого сплава. Это моделирование выполнено для сравнительно малых размеров модели при тонкой стенке формы, что затрудняет анализ тепловых процессов.
В работе [5] при разливке сплава не предусматривается контроль температур поверхностей стенок и теплопередающих труб, зависящих от температуры пара, а эффективность работы охлаждения оценивали только по разности температуры выходящей и входящей в коллектор воды.
Цель работы — исследование тепловых процессов при разливке сплава РЬ—8Ь на модели стального кокиля, состоящего из двух стенок, одна из которых для сравнения выполнена охлаждаемой, а другая неохлаждаемой; анализ и сравнение тепловых процессов в двух стенках; определение параметров разливки в кокиль стали.
Исходные данные. Параметры стального кокиля: Ь = 0,14 м, Н = 0,225 м; тк = 21,6 кг; Fa = 3,44 ■ 10-2 м2, 5! = 6,5 ■ 10-3 м; 52 = 9,5 ■ 10-3 м;
Параметры отливки из сплава РЬ—$Ь: = 0,096 м; Н = 0,135 м; Го = 0,48 ■ 10-2 м2; Уо = 0,98 ■ 10-3 м3; то = 11,1 кг. Параметры разливки сплава РЬ—РЬ в кокиль: тз = 22 с; Ч = 340°; Окр = 225 кДж; 0П = 63,05 кДж; 0о = 744 кДж.
Теплофизические параметры сплава РЬ—$Ь [6]: р0 = 11340 кг/м3; X = 35 Вт/(м ■ К); ?кр = 300°; Со = 142 Дж(кг ■ К); го = 23 кДж/кг; а = 21,7 ■ 10-6 м2/с; V = 0,22 ■ 10-6 м2/с; Рг = 10-2. Теплофизические параметры натурной отливки — стали 08Х18Н10Т определяются из литературы [7, 8]: tл = 1446°; (с = 1416°; С1 = 756 Дж/(кг ■ К); С2 = 622 Дж(кг ■ К); р = 8 ■ 103 кг/м3; X = 28 Вт/(м ■ К); г = 287 кДж/кг; а = 4,63 ■ 10-6 м2/с.
Теплофизические свойства модели кокиля [7]: р = 7,8 ■ 103 кг/м3; X = 42 Вт/(м ■ К); С= 500 Дж/(кг ■ К). Теплофизические свойства теплоносителя [8] при t = 30°; р = 996 кг/м3; С = 4174 Дж/(кг ■ К); X = 0,618 Вт/(м ■ К). Теплофизические свойства воды [8] при ^ = 8°: р = 103 кг/м3; Ср = 4197 Дж/(кг ■ К); X = 0,57 Вт/(м ■ К); V = 1,39 ■ 10-6 м2/с; Рг = 10,3.
Рис. 1. Внешний вид стенок и кокиля для получения цилиндрических отливок: 1 — неохлаждаемая стенка, 2 — охлаждаемая стенка, 3 — теплопередающая трубка, 4 — конденсатор, 5 — водяной коллектор, 6 — патрубки, 7—15 — термопары
Обозначения: а — коэффициент температуропроводности, м2/с; Ь — толщина грани, м; С — теплоемкость, Дж/(кг ■ К); d — диаметр, м; Н — высота, м; Г — площадь, м2; V — объем, м3; т — масса, кг; / — длина, м; 8 — толщина стенки, слоя, м; ю — скорость, м/с; х — характерный размер, м; Q — количество теплоты, Дж; q — плотность теплового потока, Вт/м2; Q — тепловой поток, Вт; ? — температура, град; X — коэффициент теплопроводности, Вт/(м ■ К); р — плотность, кг/м3; V — коэффициент кинематической вязкости, м2/с; г — удельная теплота фазового перехода, Дж/кг; а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 ■ К); т — время, с; & — перепад температур, град.
Безразмерные критерии подобия: Рг = цСр/Х — критерий Прандтля; Яе = ю//V — критерий Рейнольдса; Ми = а//Х — критерий Нуссельта; Fo = ат/х2 — критерий Фурье; Ко = [г + С:(?0 — ?кр)]/С2(?кр — ?в) — критерий Коссовича; В1 = ах/Х — критерий Био.
Индексы: в — воздух, среда; к — кокиль, контакт; кр — кристаллизация; л — ликвидус; м — модель, металл; н — нагрев, теплоноситель, натурный, наружный, о — отливка, охлаждение, начальный; п — перегрев; пл — плавление; р — рабочий; с — солидус; 5 — насыщение; т — труба.
Методика эксперимента и охлаждение стенки кокиля. Предварительно осуществляется разогрев двух стенок газовой горелкой при включенной (выключенной) подаче охлаждающей холодной воды в коллектор. Температура стенки фиксируется по показаниям термопар в стенках. После разливки сплава в кокиль осуществляется разогрев стенок, а одновременно нагрев и испарение теплоносителя, находящегося в двух каналах в охлаждаемой стенке. Пары теплоносителя по теплопередающим трубам передаются в конденсатор пара, где конденсируются и передают тепло охлаждающей конденсатор проточной воде. Температура на поверхности теплопередающих труб фиксируется по показаниям термопар. Контроль температур стенок фиксируется в интервале первых двух минут с момента разливки сплава в кокиль. Подачу охлаждающей воды в коллектор целесообразней включать после разогрева стенок и находящегося в стенке теплоносителя до температуры ? = 100—120°.
На рис. 1 показана схема кокиля, состоящего из двух стенок и расположение термопар в охлаждаемой и неохлаждаемой стенках (а — вид сверху, б — вид сбоку охлаждающей стенки).
t °
160
110
60
40
0 40 80 120 т, с 160
0
40 80 120 т, с 160
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 3. Зависимости температур на краю охлаждаемой стенки в точках установки термопар от времени с момента разливки: 1 — в средней части на глубине от поверхности стенки (термопара 10), 2 — в верхней части на глубине от поверхности стенки (термопара 8)
Результаты исследований. На рис. 2 приведены зависимости температур на поверхности неохлаждаемой стенки в точках установки термопар в нижней (термопара 11), средней (термопара 9) и верхней (термопара 7) части от времени с момента заливки расплава в кокиль. Из рис. 2 видно, что температура на поверхности стенки в точках установки термопар лежит в пределах 73—79°, а перепад температур не превышает At < 6°. С момента т > 35 с температура в средней части стенки (кривая 2) начинает превышать температуру в нижней части стенки (кривая 1) и остается более высокой на протяжении всего процесса. С момента т > 85 с температура в верхней части (кривая 3) начинает также превышать температуру в нижней части. Видно, что к моменту извлечения отливки (т = 80 с) перепад температур на поверхности стенки кокиля At = 25—30° наблюдается между ее нижней и средней частью на участке I = 0,05 м. При этом At/l =0,5—0,6 град/мм (500—600 град/м). Максимальное значение на поверхности стенки кокиля не превышает t < 200°.
На рис. 3 приведены зависимости температур на краю охлаждаемой стенки кокиля в средней и верхней части на расстоянии 0,008 м от поверхности (в точках установки термопар). Видно, что максимальное значение температуры в средней части стенки в момент т = 80—100 с не превышает t < 115°.
На рис. 4 приведены зависимости температур на наружной поверхности неохлажда-емой стенки (кривая 1) и охлаждаемой стенки (кривая 2) от времени с момента заливки расплава в кокиль. Из рис. 4 видно, что перед разливкой сплава в кокиль и включенной системе охлаждения температура на наружной поверхности охлаждаемой стенки в точке установки термопары не превышает 31° (кривая 2), а на наружной поверхности неохлаждаемой стенки — 44° (кривая 1). После разливки металла в кокиль в момент т = 10 с температура на наружной поверхности охлаждаемой стенки (кривая 2) достигает максимального значения t = 63° в момент т = 15 с (рис. 4). При этом скорость роста температуры в стенке dтt1 = 2,2 град/с. Температура на наружной поверхности неохлаждаемой стенки достигает максимального значения t = 80° в момент т = 150 с. При этом dтt2 = 0,24 град/с. Соотношение dтt1/dтt2 = 9,2 раз.
На рис. 5 приведены температуры поверхности двух теплопередающих трубок, соединенных с охлаждаемой стенкой и конденсатором пара (рис. 1) от времени с момента заливки расплава в кокиль. Из рис. 5 видно, что в момент заливки расплава (т = 20 с) температуры поверхности двух трубок резко возрастают с 36 до 50° ^ = 14°, dтt = 0,7 град/с), а в дальнейшем в интервале т = 20—70 с температуры поверхностей трубок возрастают с 50 до 58° ^ = 8°, dтt = 0,16 град/с), что связано с разогревом стенок. В дальнейшем в интервале т = 70—120 с температуры поверхности теплопередаю-
Рис. 4 Рис. 5
Рис. 4. Зависимости температур в средней части на наружной поверхности стенок в точках установки термопар от времени с момента разливки: 1 — для неохлаждаемой стенки (термопара 12), 2 — для охлаждаемой стенки (термопара 13)
Рис. 5. Зависимости температур поверхности двух теплопередающих труб, примыкающих к каналам в охлаждаемой стенке, от времени с момента разливки: 1 — на поверхности трубы, примыкающей к каналу, расположенному на расстоянии 8 = 6,5 • 10-3 м от рабочей поверхности стенки (термопара 14), 2 — на поверхности трубы, примыкающей к каналу, расположенному на расстоянии 8 = 9,5 • 10-3 м от рабочей поверхности стенки (термопара 15)
щих трубок практически не изменяются. В момент т > 120 с наблюдается вторичное резкое увеличение температуры поверхности одной трубки до 75° (А? = 17°) (кривая 1), сообщающейся с каналом в стенке, удаленном на расстоянии = 6,5 • 10-3 м от рабочей поверхности кокиля. Вторичное увеличение температуры поверхности трубки связано с прогревом в глубину металла стенок, повышением температуры теплоносителя и количества передаваемого в конденсатор пара. Температуры поверхности второй теплопередающей трубки в момент т > 120 с возрастает всего на 2—3°, что вызвано тем, что трубка сообщается с каналом стенки, удаленном от рабочей поверхности кокиля на большее расстояние б2 = 9,5 • 10-3 м, а соответственно обеспечивается недостаточный разогрев на этой глубине металла стенки.
При параметрах отливки ¥0 = 0,48 • 10-2 м2, Уо = 0,98 • 10-3 м3, времени заливки сплава тз = 22 с скорость разливки юр = 6,13 • 10-3 м/с.
При заливке
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.