Определение теплофизических характеристик оболочковых литейных форм из песчано-смоляных смесей Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

платформы и, что особенно важно, это происходит на низких частотах, на которых стандартные и модифицированные системы пассивного демпфирования не эффективны [3].

Следует отметить также, что активная система становится малоэффективной на частотах выше 3 Гц в результате влияния постоянной времени пневмопривода. Однако на этих частотах достаточно хорошо работают системы пассивного демпфирования.

Библиографический список

1. Попов, Д. И. Динамика и регулирование гидро- и пнев-мосистем / Д. И. Попов. — М. : Машиностроение, 1987. — 464 с.

2. Попов, Д. И. Нестационарные гидромеханические процессы / Д. И. Попов. - М. : Наука, 1982. - 382 с.

3. Аксенов, П. В. Многоосные автомобили / П. В. Аксенов. — М. : Машиностроение, 1979. - 384 с.

БУРЬЯН Юрий Андреевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой основ теории механики и автоматического управления Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

Адрес для переписки: [email protected] СОРОКИН Владимир Николаевич, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры основ теории механики и автоматического управления ОмГТУ.

Адрес для переписки: [email protected] ЗЕЛОВ Александр Федорович, начальник отдела 120 научно-производственного предприятия «Прогресс», г. Омск.

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 15.04.2016 г. © Ю. А. Бурьян, В. Н. Сорокин, А. Ф. Зелов

УДК 62174 Е. Н. ЕРЕМИН

Т. В. КОВАЛЁВА

Омский государственный технический университет Карагандинский государственный технический университет, Республика Казахстан

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБОЛОЧКОВЫХ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ ИЗ ПЕСЧАНО-СМОЛЯНЫХ СМЕСЕЙ

Рассмотрен процесс теплопроводности в песчано-смоляной смеси. Приведены расчетная и экспериментальная зависимости количества теплоты от времени нагрева. Показано, что оптимальным для получения песчано-смоляной оболочки с технологической толщиной 8—10 мм является время нагрева 25—30 с. Ключевые слова: отливки, формы, теплопроводность, смесь, смола.

Совершенствование литейного производства для изготовления отливок в газонефтехимической отрасли предопределяет высокие точность и качество ее продукции. Высокая геометрическая точность и чистота отливок во многом зависят от вида литейной формы и способа ее изготовления.

Наиболее распространенный в настоящее время технологический процесс получения отливок для газонефтехимической отрасли в песчано-глини-стые формы (ПГФ) не полностью отвечает современным требованиям, поскольку характеризуется различными видами брака: газовой пористостью, пригаром, усадочными раковинами, засорами, горячими и холодными трещинами и др. Кроме того, литье в ПГФ не всегда обеспечивает получение отливок с требуемой структурой и, соответственно, необходимым уровнем механических свойств.

Более высокое качество дает литье в оболочковые формы. Используемые при этом песча-но-смоляные формы (ПСФ) обладают высокими

газопроницаемостью и прочностью, не склонны к осыпаемости и сопротивлению усадке, впитыванию влаги застывающим сплавом. Также они легко разрушаются после формирования отливки. Это обеспечивает получение отливок, обладающих высокой чистотой поверхности и размерной точностью, а также большую экономию формовочных материалов (по сравнению с ПГФ более 5 %). В свою очередь, уменьшение оборота формовочных материалов значительно снижает расходы по внутризаводской и внешней транспортировке. При использовании литья в оболочковые формы увеличивается выход годного.

В то же время для обеспечения заданных свойств получаемых отливок необходимо осуществлять оперативное управление структурой песчано-смоляных оболочковых форм. При этом основной проблемой является построение математической модели деформирования слоя смеси, находящегося одновременно под влиянием температуры

о

го

и давления. То обстоятельство, что данная проблема до настоящего времени не нашла окончательного решения, связано с учетом наличия ряда дополнительных параметров состояния среды и существенной сложностью уравнений состояния.

В связи с этим исследования, направленные на повышение качества изготовления оболочковых форм для отливок деталей нефтегазовой отрасли, являются актуальными.

Цель работы — определение теплофизических характеристик песчано-смоляных смесей в условиях одновременного воздействия температуры и приложенного статического давления. Для выбора рациональных схем и режимов изготовления литейной формы необходимо определение теплопроводности смеси. Вследствие этого появляется возможность регулирования структуры и свойств песчано-смоляных форм.

Процесс теплового взаимодействия отливки и формы начинается с момента соприкосновения жидкого металла и заканчивается полным охлаждением отливки.

Теплообмен между источником тепла и дисперсной средой (в данном случае между отливкой и оболочковой формой) протекает с малой интенсивностью. Вследствие много меньшей толщины газового зазора между отливкой и оболочкой по сравнению с толщиной самой оболочки им можно пренебречь. Внутренняя часть дисперсной среды подвергается контакту с жидким металлом (источником термического воздействия).

С внешней стороны дисперсная среда непосредственно контактирует с опорным слоем. При получении литых заготовок в качестве опорного слоя для оболочковых форм используем отработанный сухой песок. При этом можно считать песчаную форму в тепловом отношении единой дисперсной полубесконечной средой [1].

Вертикальная подача в смесь жидкого металла ведет к последовательному затвердеванию отливки в форме. Тепловое воздействие кристаллизующейся отливки обусловливает неравномерный нагрев по всему объему песчано-смоляной смеси, что приводит к возникновению в ней температурных напряжений. С другой стороны, происходит выгорание смолы (пульвербакелита).

При прогреве дисперсной среды до 150 — 250 °С ее материал приобретает вязкоупругое состояние за счет размягчения пленок связующего [2]. Это компенсирует тепловое расширение зерен наполнителя — песка и снижает термические нагрузки.

Известно, что теплопроводность — процесс распространения энергии между частицами тела, находящимися друг с другом в соприкосновении и имеющими различные температуры. В дисперсной песчано-смоляной среде присутствуют песок, смола и воздух (поры). Будем считать, что частицы твердой и газообразной фазы распределены равномерно.

Процесс передачи теплоты теплопроводностью в твердой фазе сопровождается изменением температуры Т как в пространстве, так и во времени т.

Песчано-смоляная смесь нагревается равномерно по всей площади, потому изменение температуры можно рассматривать только по толщине стенки формы Сделаем допущение, что внутренние источники теплоты отсутствуют, тело однородно и изотропно. Выделим участок смеси dz, контактирующий с модельной плитой (источником термического воздействия).

Таким образом, температуру можно рассматривать как функцию одной пространственной координаты Т = f (z, т). Для распространения теплоты в дисперсной среде, как и в любом теле, необходимо наличие градиента температур в различных точках тела. В исходном состоянии температуру песчано-смоляной смеси можно принять равной температуре окружающей среды (температура цеха). В момент засыпки смеси на плиту нижний слой прогревается до 250 °С (температура нагрева модельной плиты). Градиент температур \ — |,

I Яч )

вплоть до полного прогрева дисперсной среды с легкоплавким связующим, не равен нулю. Количество теплоты, проходящее через элементарную площадку dA¡, расположенную на изотермической поверхности, за промежуток времени dт и градиент температуры между слоями, определяется гипотезой Фурье [3]:

( = ■ с1т-\ ЩУ

(1)

где I dA,

теплопроводность дисперсной среды; элементарная площадь контакта смеси с источником нагрева. 1

Так как температур- термического воздействия на дисперсную смесь не и)меняется, а время ограниченно и постоянно, то производная температуры по высоте смеси (вляется контт-угой. Тогда, проинтегрировав градиент температуры и определив постоянную интегрирования С при z=0 и Т=Т0, будем иметь

(2)

где А — постоянная;

z¡ — диаметр (высота) лдеойпесчиняи. Отсюда

4 л

у - у

11 1 0

(3)

Таким образом, подставляу (3) в (2) , будем иметь е л\ут^у± !■ г+т„ . (4)

Общее количество теплоты, которое передается через поверхность точки ко нтакта за время т в случае круговой площади контакта между зернами (или частичками пульвербакелита):

— X ■ п ■ Я2

2о =—-(Тт — Т „О-

4ч,

где d — диаметр в точке соприкоснов ения частиц твердой фазы.

Подмод 4чтная плита с моделя4ч2 и литниковой системой нагревается с помощью электронагревателей до темпе рс туры 250 °С.

Полезное тепло бфор, расходуемое на нагрев песчано-смоляной смеси, моделирующей дисперсную среду с и4чользованчем легкоплавкого связующего при формировании и твердении оболочки, можно определить из выражения [2]:

(2фоР= с ■ п-АТ ,

где с — теплоемкоссь дисперснои средо1; т — масса дисперсной ср еде,1;

ет л Лч + у о

Рис. 1. Схема для расчета теплопроводности в песчано-смоляной смеси: 1 — песчинка; 2 — пульвербакелит

Р ис. 2. Схем а п роцесса передачи тепла в песчано-смоляной см2си конвекцией

ДГ — изменение температуры среды в процесс е ее нагревания, формирования и твердения, °С.

В общем случае, помимо песка, участие в теплопроводности принимает пульвербакелит. Его частички расположены между песчинками при механическом перемешивании, если смесь неплакир о -ванная или покрывает песчинки (при плакирсоамии смеси). То есть передача теплоты происходит через многослойную стенку.

По аналогии с (5) при допущении равномерного распределения частиц тиерцой фазы в дисперсной среде можно знпнсоть для камммого слоя (песок — смола; смола — песок, рис;. 1):

Мом^20иссмкм

К г,

ео = П^Цц-ицСо <Т и м Т ; о ;

к и.

МОо оПЧ3- ("о и- - ос

Кг,

Так2м о б]э-оо]ол, ик (0) будеи иметм -

1

(Т и- ч0с

М-о

= <П„

К"]]

Кг,

Кг,

и • Ио • П иг • сИи • ПИи к • И, • -И,

Т Т

о 3 1 0

т • п п • п

миозит-

т 1 и •

Т )(Мв •

ММ к = х •КА- (Т-ИсС-

- — текшие]патура внукртпормоого воздухК;

Гшв — температура пиепе трихождКТия тпердой

фаз 01 ^молы ими меска ).

Коэффициент иеплоотовми является функцией физичеоких ПКражетаов гапа, паракпера тече--рия , скорости движвнио гмзо, формы и иа о иге;-- ов теле т oиpпдетяeцaр оиытнып пуипм. Доиустим, что распределение часчиц ооердой фазы равномо.оо и они имеют сферичеоксго форм. (рис. и).

Тогда для песКи

<Мп о (Мр -мви) •

3т • И< - 1 И, 1

-/

л1 п а2

а для смолы

------

чс о(м.и-Д„0^итп/I— оСко±

К I ли Пп а.

В речпльтате пол_р]^т]сс

М с/, 1 1 сЛи 1 ^

__I______I__иJ__

-------

--------

■ (8)

(9)

Мее н ДМ.1 М-., С /

лс1 п1 ли ли п л,

3 т • П,

3т •И-

(14)

Ки1 Кио Ви3

-)--!--2--!--3-

т • сС1 • п ДосС о • п ф• И" • п

Продолкая опрКреление тепКипроводности вплоть до верхние и]Эс,^]иц осис/ктрстКО^ смиси, получим

о К и

02-0 Сое-Д3)/ ^ ■

где Св) в( — темпсз]эмп,л11^а впутрлиорового воздуха 13 соомветстеуюгцем слле смпоо.

Суммируем на веет П1Эотяжен3Т вплоть до границ дисперсной емеси пн воктоте , пммучии

Ме м(мемМоO/!фо:-a-со^^^сИaв-ПФ

! им] а„м) п„ Лф К

В итоге, 1ложив (10) 1е (15), получил

(1п)

М м^1

инк л

ме -мо)/ф-ИеИ^ Ит]Д• П° •К

где Гк — тсмпер3турт смеси в кпнeчном (верхнем) слое.

Так как диспелсолл п1эо^аию-смоп^нп}^ соесь яв-ляетея птриттьш телод то ппсть тезпт^га персносится кннвокмивмо. Слет таиой с.оды копскоотво тешюты можно м ы-ам ить уравн1кни]1еи0 ^ылтоно — Рисмана [3]

о^ •

1 , 3т• ПО

Се - мо )/[ф -ирИ От1^^ к л п л, К

, (16)

( 1 - -

гмс % — коэффициент тепл^сстд^^ти, в данноф ооуоое от пороеого еомдухт ил— чолти° твердо1) фнз]ы ;

где 5° ( — коэффициенты распределения, зави-от преобладания конвекции или теплопроводности.

На коэффициенты распределения влияют степень yпос>снсноя, форма и размер частиц твердой фазы и другие факторы. В реальных условиях можно ивонимать за сферическую форму песчинки, учитыва1ь пористость и процентное соотношение

о

го

смолы и кварцевого песка. С уменьшением пористости смеси уменьшается значение конвективного теплообмена, и коэффсциент 82 умеаьшается.

Очевидно, что повышение истинной плотности в процессе термического воздействия приведет к увеличению скорости прогрева формы, то есть сокращению тесловых потерь. Приложение статической нагрузки в начальный мом4нт нтгрета дисперсной смеси приводит к потышентю се плотности [4].

Следует учитывать и то, что по мере плавления смолы (а также статической нагрузки на фоумиру-ющуюся дисперсную смесь) она зыколняет поры и твердеет, схватывая педчинки. Здесь уже буддт происходить передача тепла теплопроводндстью. Для такого состояния значение X будет также зависеть от соотношения связующего и сескы.

В формуле (6) АТ для кон к ри тны х случатв атть величина постосннае, массу смеси можно предстд-вить как произведение объема V на плотность р. Объем дисперсной смеси ссть пр оизведение площади 5 на высоту z. Площадь определяется зыо-метрическими размерами модельной нагреваамой плиты, а высота лсяе лолщона оболочеовой формы (величина прогрева и твердения форми). Тоииу стенки формы , можно вычислить по формуле [2]

(17)

2 я с ■ АЬ ■ р- 5 • е ,

(18)

- Экспериментальные данные —

—Расчетные данные^

где к — коэффициент пропорцио нальности; т — время теплового возьийствия на дисперсную песчано-смоляную среду.

Таким обра ом, можно получить зависимость тепла, идущего на нагрев песчано-смоляной смеси, от времени теплового воздействия на эту смесь:

В правой части данной формулы все значения, кроме времени, есть постоянные (можно изначально задаваться различными температурами нагрева смеси и площадью, подвергаемой термическому воздействию).

Полученную зависимость можно использовать для определения времени нагрева смеси, необходимого для образования оболочковой формы.

Расчеты, произведенные по вышеизложенной методике для температуры нагрева модельной плиты 250°С, позволили установить теоретическую зависимость необходимого количества теплоты от времени нагрева смеси, необходимых для образования оболочковой формы (рис. 3). Для сравнения приведена экспериментальная зависимость, полученная в цехе коркового литья ТОО «КМЗ им. Пархоменко» (г. Караганда, Республика Казахстан).

Очевидно, что выделение теплоты происходит по закону, близкому к параболическому. Для мелких и средних отливок оптимальная толщина песчано-смоляной оболочки составляет 8—10 мм, для обеспечения такой толщины необходим нагрев смеси в течение 25 — 30 секунд. Уменьшение толщины оболочки приведет к разрушению формы при заливке, а увеличение толщины — к перерасходу смеси и ухудшению ее газопроницаемости. Дальнейшее время нагрева нецелесообразно, так как ин-

Рис. 3. Зависимость количества теплоты от времени нагрева смеси

аенсивность выделения теплоты для прогрева формы уменьшается. К тому же происходит выгорание смолы, что разупрочняет форму. Расхождение между экспериментальными и расчетными данными составляет 5 — 7 %.

Таким образом, получена зависимость количества теплоты от времени теплового воздействия. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что для получения качественной оболочки необходимо нагревать песчано-смоляную смесь в течение 25 — 30 секунд при температуре 250 °С.

2В лучае увеличения продолжительности или температуры нагрева происходит разупрочнение формы за счет выгорания связующего (смолы).

Библиографический список

1. Анисович, Г. А. Охлаждение отливки в комбинированной форме / Г. А. Анисович, Н. А. Жмакин. — М. : Машиностроение, 1969. — 136 с.

2. Соколов, Н. А. Литье в оболочковые формы / Н. А. Соколов. — М. : Машиностроение, 1969. — 316 с.

3. Нащокин, В. В. Техническая термодинамика и теплопередача : учеб. пособие для вузов. — 3-е изд., испр. и доп. — М. : Высш. школа, 1980. - 469 с.

4. Максимов, Е. В. Механизм уплотнения слоя дисперсных частиц и особенности взаимодействия теплоносителя с ними / Е. В. Максимов, А. З. Исагулов, В. Ю. Куликов // Материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 80-летию Е. А. Буке-това, 23-24 марта 2005 г. - Караганда, 2005. - С. 422-429.

ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), директор Машиностроительного института, заведующий кафедрой машиностроения и материаловедения, заведующий секцией «Оборудование и технология сварочного производства» Омского государственного технического университета.

Адрес для переписки: [email protected] КОВАЛЁВА Татьяна Викторовна, преподаватель кафедры нанотехнологий и металлургии Карагандинского государственного технического университета, Республика Казахстан. Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 15.04.2016 г. © Е. Н. Еремин, Т. В. Ковалёва