Библиографическое описание:

Ситников А. В. Оптимальный расчет литейных прибылей с учетом применения теплоизоляционных материалов // Молодой ученый. — 2011. — №6. Т.1. — С. 105-108.

Теплоизоляция прибылей позволяет уменьшить расход жидкого металла, а также снизить брак в отливках, возникающий вследствие усадочных дефектов. Экзотермическая оболочка служит для уменьшения отвода тепла от прибыли в форму и окружающую среду и тем самым, препятствуя ее преждевременному охлаждению, быстрому образованию корки, увеличивает эффективный объем прибыли. При этом зеркало металла в прибыли в течение питания отливки опускается равномерно по всему сечению прибыли, что приводит к сокращению объёма металла за счёт отсутствия вытянутой в вертикальном направлении усадочной раковины. Это говорит об использовании экзотермических смесей, как об одном из наиболее эффективных способов борьбы с усадочными дефектами.

На сегодняшний день существует несколько подходов к расчету объема и конфигурации прибылей. Рассмотрим их на предмет удобства расчета и учета применения теплоизоляции.

Василевский П.Ф. предлагает две методики расчета теплоизолированных прибылей. Одна из них основывается на экспериментальных данных о продолжительности затвердевания теплоизолированной прибыли, вторая подразумевает использование номограммы. «Соотношение продолжительности затвердевания прибыли и отливки, которое может быть принято при расчете прибылей, зависит от теплофизических свойств применяемых экзотермических смесей» [1, c. 114]. Необходимо знать во сколько раз применяемый материал увеличивает общую продолжительность затвердевания сравнимой прибыли, которая ранее рассчитана для условий охлаждения в обычной песчаной форме, при . Приняв, что теплоизоляционный материал увеличивает продолжительность затвердевания в два раза, условие будет выглядеть следующим образом:

или ,

где и - продолжительность затвердевания стали в теплоизолированной и обычной прибылях соответственно, и – приведенные толщины этих прибылей, – приведенная толщина термического узла или отливки в простейшем случае. Отсюда:

. (1)

При сохранении равенства приведенных толщин,одинаковая продолжительность затвердевания стали в обычной и теплоизолированной прибыли может быть достигнута в общем случае при условии:

или, преобразовав с учетом формулы, (1) и учтя начальное условие : [1. c. 115].

В данном методе недостатком является косвенный конечный результат в виде приведенной толщины теплоизолированной прибыли, что обязывает технолога также рассчитывать объем и размеры прибыли. Помимо этого не учитываются параметры, такие как температурный режим заливаемого расплава и конфигурацию термического узла.

«Размеры этих прибылей также можно определять по номограмме (рис. 1), считая нижнюю предельную границу области применения прибылей соответствующей отношению . В зависимости от теплофизических свойств этих смесей данная предельная граница может соответствовать и другому минимальному значению отношения , определяемому экспериментально» [1, c.115].

Рис. 1. Номограмма Василевского П.Ф.

Определение объема теплоизолированной прибыли по номограмме достаточно удобно, если технолог обладает всеми необходимыми для этого экспериментальными данными, однако это бывает не всегда так, и при отсутствии необходимых сведений подбор оптимального объема прибыли будет сводиться к перебору всех возможных вариантов, в результате чего будет потрачено слишком много драгоценного времени.

Чаще в применении можно встретить метод Пржибыла. В этом методе пользуются уравнением:

где H – высота прибыли, V – объем питаемой части отливки, - усадка металла, %, в период от заливки до затвердевания, x – коэффициент, равный отношению объема прибыли к объему сосредоточенной усадочной раковины. «Коэффициент x выбирается из условия работы прибыли: для прибылей, где рабочее давление ниже атмосферного x=11-12; для прибылей с атмосферным давлением в усадочной раковине x=9-10; для теплоизолированных прибылей x=8-9; для обогреваемых прибылей x=6-7» [4, c. 281]. Множитель k – зависит от принимаемого соотношения для прибыли, например для , k = 1,15, для открытой прибыли k=1,085.

Как видно, в данном методе учтены изменение объема в зависимости от той или иной конфигурации и применения теплоизоляции, однако результаты носят приблизительный характер, отклонение от оптимального объема прибыли порой может быть довольно велико.

Для определения объема прибылей часто используют метод Намюра-Шкленника:

(2), где:

– безмерный коэффициент, учитывающий расстояние от места подвода расплава к отливке до прибыли,

– безмерный коэффициент конфигурации прибыли (выводится для каждой прибыли определенной конфигурации),

– приведенная толщина термического узла (см),

– объемная усадка сплава,

– безмерный коэффициент, учитывающий относительную продолжительность затвердевания теплового узла и прибыли в зависимости от их конфигурации,

– объем термического узла (см3),

– безмерный коэффициент, учитывающий тепловое состояние прибыли и теплового узла отливки. [2, c. 256-257]

Первое слагаемое правой части соответствует условию более позднего затвердевания прибыли по отношению к питаемой части отливки, а второе – максимально необходимому запасу расплава в прибыли и окончанию затвердевания теплового узла или отливки в простейших случаях.

Данный подход учитывает множество различных параметров, а также тепловое состояние прибыли и теплового узла. Минус формулы (2) в громоздком выводе коэффициента Z, который сложно получить, не владея большим количеством справочной информации. Во-первых, (3), где - удельный полный тепловой поток на поверхности между металлом прибыли и материалом формы, - удельный полный тепловой поток на поверхности между металлом теплового узла отливки и материалом формы в области этого теплового узла. Во-вторых, суммарный полный тепловой поток выражается как (4), где для песчано-глинистой формы (5), где - коэффициент полной суммарной теплоотдачи, ккал/м2.ч.град, - коэффициент теплоаккумуляции формы, ккал/м2.ч0,5.град, равный 20-22 для стали, - относительная продолжительность затвердевания.

Отталкиваясь от последнего вышеописанного подхода к расчету прибыли, автор решил доработать формулу (2) и вывести коэффициент Z, исходя из экспериментальных данных о применении различных теплоизолирующих материалов. Необходимо чтобы результатом расчета по новой формуле являлся наиболее оптимальный объем прибыли, а в качестве исходных данных выступали бы параметры, которые можно было бы легко выяснить.

Из формул (3), (4), (5), получим:

(6), где .

Вывод: промежуточный коэффициент k зависит от относительной продолжительности затвердевания термического узла и прибыли, что в свою очередь зависит от их конфигурации, и от разности температур между металлом или формой в прибыли и термическом узле соответственно, приведение же Z к виду (6*), не является достоверным. Известно, что применение сухой глиноперлитовой смеси с жидким стеклом, с процентным содержанием перлита 40% (коэффициент теплоаккумуляции материала = 210 Вт*с0,52*град [3, c. 50] – см. там же коэффициенты для других материалов) позволяет уменьшить объем прибыли в два раза [3, с. 61] (а также согласно экспериментальным данным, полученным от предприятия ООО «Инжиниринговый Центр «Информатизация Литейного Производства»). Таким образом, при отношении коэффициентов теплоаккумуляции , которое равно ≈ 6,8, ( для песчано-глинистой формы равен 1430 Вт*с0,52*град, для глиноперлита равен 210 Вт*с0,52*град), коэффициент k должен быть равен ≈ 3,14. Если бы мы приняли в качестве достоверной формулу (6*), то уменьшение объема прибыли произошло бы примерно в 6,8 раз, что не соответствует действительности.

Значение k ≈ 3,14 было получено исходя из формулы (2) и условия

где - объем прибыли, рассчитанный без учета теплоизолирующих оболочек, - объем прибыли, рассчитанный с учетом применения теплоизолирующих оболочек из глиноперлита, а также при условии того, что технологические параметры изготовления отливки одинаковы.

Обобщенные данные были занесены в таблицу 1.

Таблица 1

Соответствие коэффициента k отношению коэффициентов теплоаккумуляции материалов формы и теплоизоляции прибыли


k

1

1

2

1,5

3

1,9

4

2,2

6,8

3,14

9,1

3,77

Значения таблицы 1 были аппроксимированы методом наименьших квадратов и получен полином второго порядка, , приведенный к виду (7).

Исходя из (6) и (7), получим:

, или преобразовав: (8).

Коэффициент Z в формуле после аппроксимации зависит только от теплофизических свойств, применяемых материалов, а именно от отношения их коэффициентов теплоаккумуляции и не зависит от конфигурации прибыли и термического узла.

Физический смысл Z таков: при применении теплоизоляционного материала, объем прибыли уменьшается тем значительнее, чем больше отношение коэффициента теплоаккумуляции формовочной смеси к коэффициенту теплоаккумуляции материала теплоизоляционной оболочки прибыли.

Конфигурацию прибыли численно характеризует безразмерный коэффициент конфигурации , где – площадь поверхности прибыли, контактирующая с поверхностью формы, а также с воздухом для открытых прибылей (не включая площадь контакта прибыли с отливкой), – объем прибыли. Автор данной статьи вывел коэффициенты конфигурации для конической закрытой, цилиндрической закрытой, конической открытой, цилиндрической открытой прибылей прямого питания, а также цилиндрической и конической прибылей бокового питания с учетом нескольких отношений размеров прибыли. Все они приведены в таблице 2.

Таблица 2

Коэффициенты конфигурации различных прибылей

Геометрическая форма прибыли

Открытая/закрытая

Расположение

прибыли

Коэффициент конфигурации прибыли,

Цилиндрическая

Закрытая

Прямого питания

108,57 (H = 1,25Д)

Цилиндрическая

Закрытая

Бокового питания

184.87 (H = 1,5Д)

Цилиндрическая

Открытая

Прямого питания

254 (H=1,5Д)

Коническая

Закрытая

Прямого питания

144 (H=1,25Д)

Коническая

Закрытая

Бокового питания

196 (H = 2Д)

181 (H = 1,5Д)

204,62 (H = 2,4Д)

Коническая

Открытая

Прямого питания

313,7 (H=2Д)


Выводы: использование теплоизоляции прибылей – одно из наиболее удачных решений по борьбе с усадочными дефектами и экономии сплава. Проанализировав современные методы расчета прибылей, автор статьи на основе экспериментальных данных и формулы Намюра-Шкленника вывел коэффициент Z, учитывающий коэффициент теплоаккумуляции, что позволит просто рассчитывать оптимальный объем различных прибылей на основе известных технологических параметров, включая теплоизоляцию, и определить степень эффективности применения экзотермических оболочек. Данное исследование будет заложено в основу разрабатываемой автором автоматизированной системы по расчету прибылей.


Литература:

  1. Василевский П.Ф. Технология стального литья. М., «Машиностроение», 1974, 408 с.

  2. Производство стальных отливок: Учебник для вузов/Козлов Л.Я., Колокольцев В.М., Вдовин К.Н. и др./ Под ред. Л.Я. Козлова. — М.: МИСИС, 2003. — 352 с.

  3. Горенко В.Г., Яновер Я.Д. Теплоизоляционные материалы в литейном производстве. — К.: Технiка, 1981. — 96 с., ил. — Библиогр.: c. 92-94.

  4. Конспект лекций / Авторы: Саначева Г. С., Степанова Т. Н., Баранов В. Н. Губанов И. Ю. Красноярск: СФУ, 2008 г. - 369с.

Основные термины: объем прибыли, продолжительность затвердевания, объема прибыли, теплоизолированной прибыли, термического узла, теплового узла, затвердевания прибыли, оптимального объема прибыли, тепловое состояние прибыли, конфигурации прибыли, безмерный коэффициент, продолжительности затвердевания прибыли, коэффициент конфигурации прибыли, затвердевания теплоизолированной прибыли, затвердевания теплового узла, затвердевания сравнимой прибыли, теплоизолированных прибылей, коэффициент теплоаккумуляции, позднего затвердевания прибыли, эффективный объем прибыли

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle