Получение биметаллических заготовок центробежным способом (стр. 7 из 14)
Xx=R-r(3.1)
где R- наружный радиус отливки, м;
r- внутренний радиус отливки, м.
Рисунок 3.1 - Схема распределения температур в системе «отливка-форма»
Толщину зазоров обозначим:
Хпок. и Хгаз
где Хпок. - толщина покрытия, м;
Хгаз. - толщина газовой прослойки. Толщина стенки изложницы Х2:
где Rвнешн.изл. - внешний радиус изложницы, м; rвнугр.изл. - внутренний радиус изложницы, м.
В нашем случае используется массивный кокиль (Х2 = 0,14 м, масса 11613 н), аккумулирующая способность которого соизмерима с аккумулирующей способностью отливки.
При этом часть выделившегося тепла при затвердевании отливки будет аккумулирована изложницей, а часть потеряна в окружающую среду.
При рассмотрении данной задачи вносится допущение о пренебрежении количеством теплоты, аккумулированной зазором между отливкой и формой, ввиду ее небольшой величины, при обязательном учете аккумулирующей способности изложницы и потерями тепла в окружающую среду.
Особенность теплового взаимодействия системы «отливка-форма» с учетом превалирующего значения аккумулирующей способности отливки и изложницы заключается в том, что окружающей средой в данном случае для отливки является зазор, т.е. отливка отдает тепло в зазор, как в окружающую среду, а форма прогревается теплом от зазора, играющего роль окружающей среды.
В этом случае процесс затвердевания отливки и прогрева изложницы можно рассматривать как два независимых процесса.
Связь между температурными полями отливки и изложницы в этом случае может осуществляться через среднюю калориметрическую температуру системы tk (рис. 3.3).
Значение средней калориметрической температуры (tK) определяется из уравнения теплового баланса, в котором приравнивается количество теплоты, потерянной отливкой при ее охлаждении от температуры заливки (tjM.) до температуры tk и количеством теплоты, приобретенной изложницей при ее нагреве от начальной температуры до температуры tk [43]:
где G1 - масса отливки, н; G2 — масса изложницы, н;
C1 - удельная теплоемкость металла отливки, Дж/кг-°С;
С2 - удельная теплоемкость металла изложницы, Дж/кг-°С
В реальных условиях литья внешняя поверхность изложницы охлаждается водой (или воздухом), теряя с наружной поверхности количество тепла Q0Kp..
Потери тепла изложницей в окружающую среду Q0Kp. можно определить из уравнения теплового баланса:
где d3 - коэффициент теплоотдачи в окружающую среду;
t2 - температура внешней поверхности изложницы;
tокр. - температура среды, окружающей изложницу;
С- МИН
Рисунок 3.2 - Кривые охлаждения отливки - 1 и массивной изложницы - 2, 3 - средняя калориметрическая температура системы F2 - площадь наружной поверхности изложницы, м
Указанная температура используется для оценки затвердевания отливки и прогрева формы.
Для полной оценки теплового состояния отливки и изложницы необходимо знание коэффициента теплоотдачи в зазоре, который находится с учетом термического сопротивления зазора между отливкой и изложницей.
Удельный тепловой поток через зазор составит:
Вт/м2 (3.13)
Это выражение можно представить в преобразованном виде:
Вт/м2 (3.14)
Вт/м2 (3.15)
где - коэффициент теплоотдачи через зазор, Вт/м -°С;
- условный коэффициент теплоотдачи на внешней поверхности отливки, Вт/м2-°С;
- условный коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности изложницы, Вт/(м2-°С).
Значение коэффициента равно /43/:
Представленное выше выражение (3.12) по определению средней калоритмической температуры позволяет оценить тепловое состояние толстостенной отливки, какой в нашем случае является бочка мелющего валка, затвердевание которой осуществляется в массивной изложнице, аккумулирующая способность которой является превалирующей по сравнению с теплоотдачей в окружающую среду.
Указанная способность позволяет с большой достоверностью оценить тепловое состояние отливки с учетом особенностей теплообмена в зазоре между отливкой и изложницей или термического сопротивления зазора, а также коэффициентов теплоотдачи на внешней и внутренней поверхности изложницы.
С учетом полученных зависимостей представляется возможным приступить к определению продолжительности и кинетики затвердевания рабочего слоя бочки мелющих валков.
3.2 Определение кинетики затвердевания рабочего слоя валков
Оценка продолжительности и скорости затвердевания рабочего слоя валков в массивной изложнице необходима для определения временного интервала между окончанием затвердевания рабочего слоя металла и началом заливки металла внутреннего слоя валка, а также ее влияния на физико-механические свойства металла.
Для расчета продолжительности затвердевания бочки валка в поле действия центробежных сил примем следующие значения геометрических и теплофизических параметров [38...40].
Размеры и масса:
di - внешний диаметр заготовки 0,26 м
dj - внутренний диаметр рабочего слоя 0,18 м
di - внутренний диаметр заготовки 0,08 м
L - длина заготовки 1,2 м
Gj - масса металла рабочего слоя 2391 н
Gj - масса металла заготовки 4214 н
Fj - поверхность охлаждения 1,1 м2
D2 - внешний диаметр изложницы 0,504 м
D2 - внутренний диаметр изложницы 0,264 м
G2 - масса изложницы 11613 н
ХПок - толщина теплоизоляционного покрытия 0,002 м
Термофизические коэффициенты:
Yi - удельный вес чугуна (жидкого) 68600 н/м
С - удельная теплоемкость жидкого чугуна 837,4 Дж/кг-°С
Ci - удельная теплоемкость материала отливки 753,6 Дж/кг«°С
С2 - удельная теплоемкость материала изложницы 481,5 Дж/кг-°С
X- коэффициент теплопроводности отливки 37,21 Вт/м«°С
Xпок. - коэффициент теплопроводности покрытия 0,7234 Вт/м-°С
р - удельная теплота кристаллизации 267929 Дж/кг.
Температуры:
Lикв. - температура ликвидус 1270°С
W- температура солидус 113 0°С
t2 - начальная температура изложницы 180°С
W ~ температура заливки чугуна 1350°С
Рабочий слой мелющего валка из хромоникелевого чугуна с химическим составом:
С = 3,2...3,4%, Si = 0,35...0,45%, Мп = 0,5...0,6%, S < 0,10%, Р < 0,15%, Сг = 0,3...0,4%, Ni = 0,6...0,8%.
Внутренняя поверхность изложницы покрывается теплоизоляционной смесью, состоящей из кварцевого песка марки КО 16 в количестве 95% и связующей смолы СФП-011Л в количестве 5%.
Продолжительность затвердевания рабочего слоя бочки валка (т) состоит из трех периодов:
т = т1+т2+т3сек. (3.20)
где m1 - период заливки металла, сек;
m2 - период отвода теплоты перегрева, сек; mз - период затвердевания металла, сек.
Первая стадия формирования определяется продолжительностью течения металла, которая из практических данных соответствует времени m1 = 0,15 сек.
Во второй стадии, благодаря естественной конвекции, температура металла по сечению жидкого металла выравнивается при незначительной интенсивности охлаждения.
В этом случае величиной газового зазора можно пренебречь.
Продолжительность отвода теплоты перегрева х2определяется по формуле [43]:
после подстановки исходных данных получим:
2391-837,4(1350-1270)
9,8-1,1-361,7(1350-407)
При этом интенсивность охлаждения отливки составляет:
Третья стадия охлаждения отливки (затвердевание) характеризуется образованием газовой прослойки между нею и формой.
Толщина газового зазора определяется из выражения /43/:
где ат - коэффициент линейного расширения твердого металла 1/°С;
tкр-температура кристаллизации, °С.
Примем для чугуна значение ат = 10 • 4 • 10"* 1/°С.
Температура tKp определится из выражения:
Величина tK определяется по формуле (3.12) при Q0Kp = О
Произведем оценку влияния внешнего охлаждения Q0Icp изложницы на величину tK=3,14x0,504x1,2 = 1,9м2
где - коэффициент теплоотдачи на внешней поверхности изложницы, вращающейся в воздушной среде, Вт/(м • °С)
Значение В = 2,4 при температуре стенки изложницы 180°С определяем из графика [25]
W = окружная скорость - 16 м/сек
Таким образом, эффект от внешнего охлаждения массивной изложницы практически ничтожен (0,4%), вследствие малой интенсивности теплообмена на ее наружной поверхности.
После подстановки найденных значений в формулу (3.22) получим: Хгаз=10,4-10-6(1200-552)-0,13 = 0,0008м.
Образование газового зазора толщиной 0,0008 м соответствует температуре металла, равной 552°С. В процессе охлаждения отливки величина газового слоя изменяется от нуля до найденного значения 0,0008 м. Поэтому средняя за процесс величина газового слоя может быть приближенно принята равной 0,0004 м.
Учитывая, что в поле действия центробежных сил усадка отливки затруднена [50], примем в расчетах (при = 100) величину газовой прослойки равной 50% от расчетной, т.е. Х^. = 0,0002 м.
Значение составляет 0,058 Вт/(м2 °С).
Величина Bi = 0,174 соответствует средней интенсивности теплообмена, поэтому продолжительность затвердевания отливки в нашем случае можно определить с помощью разности критериев Фурье [43]:
где — толщина затвердевающей зоны по сечению отливки, м;
- толщина жидкой зоны, м;
а = коэффициент температуропроводности, {а = 10,6 • Ю-6 м2 /сек ) /43/. Принимая значения = 1 при полном затвердевании отливки и 0 при отсутствии жидкой фазы, получим:
Таким образом величина т3 = 255 + 44 = 299 сек, а с учетом продолжительности заливки (г = 15 сек) общая продолжительность затвердевания рабочего слоя бочки валка составит 314 сек (5,23 мин).
Наряду с расчетным методом оценки продолжительности затвердевания рабочего слоя валков в работе использовали экспериментальный метод путем погружения жидкого свинца во вращающуюся форму с затвердевающим металлом.