автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Математическое моделирование теплофизических процессов при затвердевании отливок из высокопрочного чугуна

5 ОЛ

Г. Г

$ ^^Министерство образования Украины

Днепродзержинска государственный технический университет

На правах рукописи

ГРИДИН Сергей Васильевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ЙОДЕДИРОВЛНИЕ ТЕПЖШЗЙЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЗАТВЕРДЕВАНИИ ОТЛИВОК ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА

Специальность 05.16.02 - ¡¿еталлургия черных металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепродзержинск - 1995

Диссертация является рукописью Работа выполнена в Донецком государственном университете

Научный руководитель:

кандидат технических наук

БОРОДИН В.С

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

НЕД01МШН ®.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор кандидат технических наук, доцент

ЖУК В.И.

ПОСТОЛЬКЙК Ю.С.

Ведущая организация:

Донецкий государственный технический университет

Заврта состоится " 33 " 1995 г. в /<?~ часов

у

на заседании специализированного ученого совета Д 37.01.01 Дкеп-родзершшского государственного технического университета по адресу: 322618, г. Днепродзержинск, ул. Днепростроевская, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ. Автореферат разослан " 13 " л^сс^та 1996 г. Ученый секретарь

специализированного ученого совета, ^

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Известно, что в отличие от большинства литейных сплавов чугун имеет теплофззические характеристики,сильно зависяще от характера фориирущейся структуры, параметры которой в свою очередь зависят от локальных условий кристаллизации. Поэтому вследствие постоянно возрастащвх требований к качеству и свс2ствац латой изтаялопродукции возникает необходимость всесто-рсшшго исследования тошюфязпческих процессов при кристаллизации и затвердевании чугунных отливок.

Для проведения таких исследований широко приценяется вычислительный эксперимент,позволнппий не только выполнить комплексное исследование процесса затвердевания отливок,но н определить опти-«альные условия их форшрования, обеспечиваадае получение качественного „четья. В связи с этин, актуальней задачей является разработка математических иоде лей тепло^лзических процессов при затвердевании расплавов чугуна и катодов проведения кошкексного численного исследования этих процессов.

Цель диссертационной работы. Разработка вопросов иатеиатиче-ского моделирования тешгсфазяческих процессов при затвердевании отливок из высокопрочного чугуна. В задачу исследования входило:

1. Отработка катодаки численного исследования названных процессов (компьютерный эксперимент).

2. Разработка програшных средств для комплексного численного исследования процессов, происходацих при затвердевании чугунных отливок,с последуггцей разработкой гибридной экспертной систе-ш технологической подготовки литейного производства.

3. Численное исследование влияния:тепловых условий затвердевания отливки, кинетики фор1гирования неметаллических включений (НВ), терыонапрягенного состояния отливки,а такке условий иодифи-цирования расплава чугуна в ковше порошковой проволокой при получении высокопрочного чугуна на процесс формирования отливки.

Научная новизна работы. Офсрыулирована ыатеиатическая иоде ль теплопереноса в двухфазной зоне (ДФЗ) затвердевавшей отливки с учетсн пространственной неоднородности в распределении твердой фазы и различия теплоеыкостей твердой и зшдкей фаз, а такта выделения скрытой теплоты кристаллизации структурных составлявших чугуна при фазовых переходах в расплаве, в трехиерной постановке.

Создан кокплекс ыатекатических моделей, раалззуггззе их алгоритмы и вычислительные програиыы, позволяющие: определять оптиш-

льные параметры процесса модифицирования расплава чугуна в ковше порошковой проволокой; прогнозировать процесс образования в формирования НВ переменного состава в жидкой фазе дендритной ячейка; анализировать терыонапряхешюе состояние отливки в хода ее кристаллизации и затвердевания для прогнозирования наиболее вероятных мест появления трещин.

Разработана концепция использования интегрированных гибридных экспертных систем для исследования и проектирования тепловых процессов в литейных технологиях.

Практическая ценность работы. Большинство результатов исследований .проведенных в работе, было получено и внедрено при выполнении хоз- и госбюджетных тем в рамках научно - технических программ и планов министерства образования Украины. Тематика и содержание диссертации отвечают главным направлениям и задачам реформирования экономики Украины в плане знерго- и ресурсосбережения в металлургической промышленности.

В НПП "Темп" (г. Москва) внедрены с социальным и научно-техническим эффектом методика и программа численного моделирования теплоыассопереноса и процесса формирования НВ переменного состава при затвердевании отливок из высокопрочного чугуна.

В Днепродзержинском ГТУ внедрены методика и программа численного моделирования процесса формирования НВ переменного состава в жидких и затвердевающих сплавах на основа железа с учетом неравновесного хода их затвердевания, позволякцие прогнозировать параметры и места локализации включений.

В НПЕ® "Металл" (г. Донецк) внедрены методика и програша расчета гидродинамических и теплофизических процессов при модифицировании чугуна в ковше порошковой проволокой с магниевым наполнителем. На Магнитогорском и Новолипецком МК опробованы предложенные рациональные параметры технологического процесса,что позволило свести к минимуму выплески расплава из ковша.

В Днепропетровской ШетАУ внедрены алгоритм и программа расчета гидродинамических и теплофизических процессов при формировании центробежнолитых биметаллических отливок, а также исследовано их термонапряженное состояние при различных режимах охлаждения. В промышленных условиях на Никопольском Ювно-трубном заводе опробованы предложенные оптимальные параметры процесса и подтверждены выводы о целесообразности выбора естественного вида охлаждения по сравнению с охлаждением пакетами в колодцах,поскольку в последнем

случае вероятность трещанообразования более высокая.

Все указанные програкикые средства зарегистрированы в 00АП.

Апробация работа.Основные результаты и положения работы докладывались а обсуддались на: 7-й Всесоюзной научно - технической конференции "Проблеш кристаллизации сплавов в кошыотерное моделирование", йпевск,1990; 11-й республиканской школе-сенанаре "Метода катешзтического моделирования з научных исследованиях", Донецк, 1990; 1-й мэддународной конференции "Численные ыетода в гидравлике и гпдродикаьзко", Донецк, 1994; 71-й иевдународной научно-технической конференции "Кристаллизация :компьютерные модели, экс-перзыент, технология", йзевск, 1994; 3-х ВУЗовских научных конференциях профессорско-преподавательского состава по итогам НИР,Донецк, 1991, 1893, 1955 г.г.

Публикации.По изтериалан диссертации опубликовано 23 работы.

Структура"а объем работы. Диссертация состоит из введения, четкрех глав.закличзния, списка литературы на 12 страницах из 121 натшнования, прилогешя на 9 страницах и содерзат 144 страница ыасшюписного текста, 51 рисунок и 9 таблиц.

Работа выполнена в лаборатории математического моделирования тепломассообзлешшх процессов при кафедре физической гидроданагшш (с 1990г.- кафедра фазяки неравновесных процессов и экологии) Донецкого госуниверситета,а такие в аспирантуре Донгосуниверситета.

На завзату выносятся следущие научные положения: математическая модель, метод численной реализации и результаты численного исследования теплообменных процессов при затвердевании отливок из высокопрочного чугуна с учетом пространственной неоднородности в распределении твердой фазы и различая теплоеиксстей твердой и еидкой фаз, а такие выделения скрытой теплоты кристаллизации структурных составляхщах чугуна при фазовых переходах в расплаве, в трехкерной постановке;

комплекс математических моделей, методы их численной реализации и результаты численного исследования: процесса образования в формирования НВ переменного состава в кадкой фазе дендритной ячейки; тер;гонапря231шого состояния отливки с учетса упругого,упруго-пластического и вяззсо-упругого поведения материала отлизкя в ходе ее кристаллизации и затвердевания; процесса модш^щаровашя расплава чугуна в ковше порошеовой проволокой;

установленные в результате вычислительного эксперимента закономерности теплооб1сзна и фазовых переходов;

разработанные программные средства, включая экспертные системы, для исследования и проектирования тепловых процессов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы, определяется ее актуальность, новизна, цель и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные задачи технологии получения высококачественных чугунов,приведены результаты современных исследований процессов затвердевания чугунов,а тагеее отмечены достоинства и недостатки имеющихся математических иоде лей процессов затвердевания и кристаллизации и методов их реализации.На основании этого построена физическая модель исследуемого процесса и выполнена постановка задачи исследования.

Во второй главе описаны математические модели процессов теплообмена, формирования НВ переменного состава и термонапряаенного состояния отливок.

В работе рассматривается осесимметричный случай цилиндрической отливки радиуса г в кокиле прямоугольной формы с толщиной стенки И (рис.1). Математическая модель процесса затвердевания вкшчает в себя уравнение теплопереноса, описываемое нестационарным трехмерным уравнением теплопроводности

где с3-эффективная теплоемкость, равная в видной фазе р^с^,, в ДФЗ £ртст + РжсжОЧ) - Орт(05/<ЗТ). в твердой фазе ртст и в оснастке ркск; А.э - эффективная теплопроводность, равная в жидкой фазе в ДФЗ |Л.Т + Л.ж(1-0. в твердой фазе А.т и в оснастке Лк; £ - доля твердой фазы,определяемая по уравнения для неравновесного рычага

к0-равновесный коэффициент распределения углерода,отвечащий диаграмме состояния сплава и зависящий от концентрации углерода; Ц -скрытая теплота кристаллизации чугуна; Т.Т^Т^,Т3 - текущая,начальная, ликвидус и солидус температуры; рж, рт- плотность жидкой и твердой фаз чугуна; ск- удельная теплоемкость, рк-плотность и кк~ теплопроводность материала оснастки.

Ввиду того, что характерные размеры исследуемой области не

ОТ а , 5Т. д г ^ д , дТ.

(1)

(2)

превышают нескольких сантиметров и перегрев расплава снимается достаточно быстро,з рассматриваемой постановке допустимо пренебречь естестЕенно-конвектавкын переыешиванием жидкого ядра (число Рэлея для исследуеыых интервалов значений параметров не превышает Ю4).

При эвтектической переходе выделяется теплота кристаллизации структурных составлялада:Од цементита, 0д аустенита и С^ графита. Для учета выделяющейся теплоты кристаллизации С1 предлагается сле-дущзй способ.При решении уравнения (1) источник тепла кристаллизации эвтектика вычисляется как суперпозиция источников тепла отдельных фэз структурные составлявших:

аз <ззп дБл д^

о— = а,—4 + а— + а,—г, (з)

. Лзг Аог

где 5=1-6 - доля гндкой фазы чугуна, 5д,5ц - доли аустенита и це~ кентзта при эвтектическом превращении,определяемые из решения система уравнений баланса фаз и концентраций

(5 +Б +5 = Б - 5, Ч 4 г 3 (4)

Рис. 1. Снена исспедчемой области.

где Сд, Сц-концентрация углерода в аустеште и цементите, Бг- доля гранта .Зр^З™"^.

Максимальное значение доли гранита Б™"* находится из условия баланса концентраций при С=С8 в жидкой фазе (Б=БА + 5Г=1), С=СА в аустеште (Зд=1-Зг), а Сг=1 в грабите (Бг = 3™а><, цеиентит в этом случае не образуется):

V СА

Б™" = -. (5)

1 "Сл

Здесь С =ЖС + 0,3(Ж31) - углеродный эквивалент, определяющий в

положение углеродной эвтектики в многокомпонентной сплаве.

Степень графвтизации чугуна q находится из структурной дааг-рамыы Баландина Г.Ф., q=CII/Coб¡д, Со0щ -общее содержание углерода.

Степень эвтектичности доэвтектических чугунов Зд рассчитывается по известной формуле Баландина Г.®.

%С + 0,15(Ж31) - 2

С = -, (6)

3 2,25- 0,15(Я31) где %С в %31 - процентное содержание углерода и кремния в чугуне. Формула позволяет с очень небольшими погрешностями рассчитывать Ба серых и высокопрочных чугунов.

Выражение для 0 с учетом выделения теплоты кристаллизации структурных составляющих чугуна имеет следущяй вид:

сэ-сл аБрг От - Ол + ^ц -

а = о---«а -о > _ _г(п - —-]. (Т)

А с-с ^ А аэ сТ1 - с >

ДА Д А

Замыкает систему уравнение линии ликвидус

Т = 1669 - 124С . (8)

Л э

где 1669°К - температура плавления чистого железа.

Для полного математического описания процесса необходимо задать дополнительные условия, вклшапцие в себя:

1. Физические и геометрические параметры исследуемой системы.

2. Начальные условия: в начальный момент времени расплав чугуна имеет температуру Тс по всему объему и кокиль равномерно прогрет до температуры Тк<

3. Граничные условия на внутренних границах (Г0) отливка - оснастка предполагается идеальный контакт (покрытие отсутствует) либо неидеальный контакт (наличие покрытия толщиной б). Для дали твердой фазы на границе Г0 условие отсутствия потока примеси. На

оса симметрии задается условие отсутствия потока тепла; на границе стенка кокиля-окружапцая среда граничные условия 3-го рода.

Вырагения (1) -(8) образуют замкнутую систему уравнений, ре-пение которой при соответствующих начальных и граничных условиях позволяет проследить изменение температуры и доли твердой фазы в любой расчетной точке отливки во времени.

На основе теории Борисова В. Т. образования НВ переменного состава в Д®3 кристаллизующегося слитка разработана применительно к процессу затвердевания чугунных отливок физическая модель образования и роста НВ в элементарной ячейке ДФЗ цилиндрической формы и сделана попытка выявления возможностей модели а факторов,на основе которых она мооет быть сопоставлена с экспериментом.

Рассматривается образование и рост НВ в результате химической реакции типа х> Ш+(1 -х) • СВ]+ЕС 3=СА] £ВЗл_жЕС3, где х- состав НВ.мольные доли;[А],[В],[С] - химические элементы; САЗхЕВ^ЕС]— НВ пэрэненного соства типа сульфидов МпхРе1хЗ,нитридов либо оксидов (А1г0э)х(5102)1х. Образование НВ типа [АЫВ^^ЕС] описывается системой уравнений:

■ №Вс/Клс >СвСс(2-7е-Т.>+СдСс(2-Та-7с)

СлУс+СсУл+№Пс/КлсНС,Ус+СЛ>

сИ/сЕ = - .1,

Э (сЮ/сБ) = (71 - 1 )С1 + Jy.,

°а = САО-*)КАС/(ХКВС),

' Сс = Х/(КАсСл>. <9>

Ав+Ас

X =- ,

Ади/[Б(с1Сд/с13)-(7д- 1)Сд]-1>+Ав

йп 4КТп2

ей ~ зт^йблп)

йг 4КТп2г С1 йй сБ 4чсг2пЗСг сИ "

где Сд, Св, Сс - массовые концентрации элементов; ТА»ТВ'ТС~ коэффициента распределения элементов; J =с!М/с1Б - скорость образования НВД; И - их содержание (масса)Д; уд = Адх/^Адх+Ав(1-х)+Ас^; ув=

= «1-X)/(Аах+Ав(1-X)+Ас); ус = Ас/[Адх+Ав(1-г)+Ас]. Ад, Ав, Ас-

атомные массы реагентов, кг/ноль; с1Б/с11= -й1/йХ, 4 находится согласно выражению (2); п и г - количество в единице объема расплава и радиус частиц НВ. Уравнения (9) не исключают того, что в ячейке происходит захват и коагуляция частиц.

Температурные зависимости констант равновесия Кдс для реакции Ш+[С]=(АС) и Кво для реакции [В]+[С]=(ВС) принимались равными I®К. = -Лй У2.3КГ, 1.)=А.а.с; где АС. .=а/1+Ь, Де/моль-- свободная энергия образования НВ; а и Ь находятся из табличных данных, И - универсальная газовая постоянная.

Перенос НВ в жидком чугуне осуществляется либо движением частиц относительно среды, либо конвективными потоками металла. Количественная оценка скорости всплывания и сферического твердого включения плотностью рв в вязкой жидкости с плотностью рм и коэффициентом динамической вязкости т]м под действием гравитационных сил определялась по формуле Стокса:

п=2в^(ри-ра)/9пи. (10)

Недостаток экспериментальных данных по определению термических напряжений (ТН) в процессе затвердевания отливки не дает оснований для того, чтобы отдать предпочтение какой-либо из существующих реологических моделей механического поведения металлов и сплавов при температурах вблизи точки плавления: вязко - упругого поведения (модель идеализированного тела Максвелла),упруго-вязко--пластического поведения (модели Боли-Уэйнера, Баландина-Кашрце-ва), и при температурах эвтектических и эвтектоидных превращений упруго - пластического поведения (модель Абрамова В.В. и ряд других).Поэтому была сделана попытка показать важность учета явлений наращивания твердой корки отливки,релаксации ТН и фазовых превращений, а также показать возможности ЭВМ при решении этой задачи.

При определении ТН с учетом эффекта наращивания твердой корки отливки (при постоянных коэффициентах линейного расширения р, модуле упругости £ и модуле сдвига С) на основании решения системы уравнений, предложенных Пальмовым В.А., получены следующие выражения для ТН в цилиндрической оболочке:

до РЕ 1 ггг-Ь2 к ОТ сЗш гЗТйш ч

—'=---Г Т-? -Гг---Яг ~ Хг---¿г , (11)

дХ 1-у г -Ь ь <3ш си ъ ды аг J

да„ рЕ 1 гг2+Ь2 и ОТ г ОТ с!ш ,01 —---- ——г Л:---аг + /г---От - г2---, (12)

дг 1-у г -ь ь ди> аг ъ аш сн: еш ау

где а, и а^ - радаальная и тангенциальная компоненты тензора напряженна, ш=й-Ь - толщина твердой оболочки отливки, В - радиус отливки, Ь - радиус гшдкой части отливки, г - текукрй радяус.

Математическая иодель расчета ТН с учетом аффекта релаксации напряжений при вреиенз релаксации иатериала т=цЛ5 (ц, -козффзцяент динамической вязкости материала отливки, С=Е/2(1+г>), г>-коэффяцие-нт Пуассона) учитывает тот факт, что для отливки цилиндрической формы на боковых поверхностях, свободных от внешних нагрузок, отличны от нуля лишь коипоненты тензора о.=аг, в связи с чей а=2аг. Исходя из этого, выражение для а=а(г,О ииэет вид:

ш 0Е Г1 со ОТ <ЭТ1 Г 1+у I *1

а(г,Ю= / -- X — Аг---ехр\--$ — Иш. (13)

Г 1 - V Ч1) о аш 5иУ 3(1-У) 1ЖХ Л

Параметр 1;, характеризует продолжительность достшгешя фронтон кристаллизация координаты г, когда выполняется условие а=0.

При определения ТН с учетом фазовых превращений при эвтектических и эвтектоздных переходах упругие параметры полагаются переценивши (зависящими от теыпературк).Поведение ыатеряала отливки носит упругошюстическЕй характер.Нормальные напрягеная определялись по формулам «предлозенным Абрамовым В.В.:

Е а

а = (е -б)-, а = (е -е )-, а_ = а -сг , (14)

2 2 1 - ц г 2 г° 2(1-ц) г г г

где ег = ХбШР/ХМР - относительная осевая деформация отливки при

2 г г

чисто упругой деформации; ег0= /6Ес№/ /ЕсИ? - относительная осевая

ая аг

деформация одного слоя отливки; а = |МР/ /Ш?; йР- площадь попе-

аг аг

речного сеченая отдельного слоя цилиндрической отливки,? -площадь поперечного сечения отливки.

Проведен анализ разностных методов расчета с точки зрения возиозности и целесообразности их применения для решения систеиы трехкерных нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных и выполнена ее конечно-разностная аппрокспиация с прлиене-ниеы явной схеыы. Построены вычислительные алгоритмы, реализующие вышеуказанные математические иодели.

В третьей главе проведено численное исследование тешюфизи-ческих процессов при затвердевании отливки из высокопрочного чугуна. Сделан сравнительный анализ результатов расчета затвердевания отливок в стальной и чугунном кокилях и в земляной форме при наличии термоизоляционного цирконового покрытия (смазки) и без него (рис.2,а,б).Задача решалась применительно к отливкам цилиндров поршней двигателей внутреннего сгорания, получаемым литьем в кокиль в НЛП "Темп", однако указанный алгоритм может применяться для расчета температурных полей отливок других размеров, получаемых литьем в кокиль.

Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы: использование цирконового покрытия приводит к смещению теплового центра к верхней части отливки (рис. 2, б) по сравнению со случаем отсутствия смазки (рис. 2, а) в затвердеванием отливок в земляной форма, причем этот эффект проявляется как для стального, так и для чутунного кокиля;

при затвердевании отливки в оснастке из высокопрочного чугуна без смазки (рис. 2, а) наблюдается более значительный прогрев оснастки по сравнению со случаем использования стального кокиля;

при затвердевании отливки в земляной форме подобное температурное поле удается получить при затвердевании в чугунном кокиле при толщине смазки 1 мм и начальной температуре кокиля 350°С;

при толщине смазки Ь=0,5ш на высоте 10 ш от дна формы температура чугуна повышается более чем на 100 °С по сравнению со случаем отсутствия сиазки.Увеличение толщины смазки до Isas приводит к повышению температуры чугуна еще на 55°С.Использование смазки приводит к уменьшению градиентов температур в отливке и к их увеличению в кокиле;

в ходе вычислительного эксперимента на печать выводились графшсв зависимости от тешературы в фиксированных точках отливки, соответствующих местам установки термопар (рис. I). Сравнение полученных результатов с экспериментальными данными позволило уточнить математическую модель процесса.

На основе математической модели образования и роста НВ проведено численное исследование кинетики формирования MnxPei xS;

Установлено, что:

для образования сульфидов Knj£Fei xS достаточно того количества Ип и S, которое присутствует в расплаве чугуна. Этот вывод

¡V ■ А. \\\ 1 а

1 ш ! т 1 \У ! Г

1 \ 1 1 \ \ 4 лл IV. Ч 3

^ Ч \\ \\ ——

4 \У

т,°с

1200

1050

900

750

еоо

йг—- \4 1 ч 5 \ 6

1 \ \ \ \ \ \ ч \ \ \ X (

ч V6 \ 1 1 \

\ \

я' '\ \ \ 4 \ . N

и 20 40 60 80 100 120 Ь, с О 20 40 60 80 100 120

Рис.2, изменение во времени температуры на термопаре г=2бмм (а) и г=Онм (6) для отливки из высокопрочного ччгшга: 1,5-экспериментальные данные в земляной форме; 2,5-расчетные данные для зенпяной формы; расчетные данные для чугунной оснастки: з-5ез сназки, 7-1мк сназки, 8 - 0,5мм смазки; 4-расчетные данные для стальной оснастки (без сназкн).

сиг 2

о

1 1 1 I I ! а 1 1 г. > | мим ./ I 1 * А Д

! 1 1___ „•'" Мп 1 | 1 л а (А1го3), -■ 1' ! У 1

1 1 1 1 1 п / [ "МпхГе 3

X 1 ___ 1 ) о 30 О. ! ! 1 1 ! 1 1 1 ! . -

т / ! 1 | 1 1 1 1 Х-'-'-^Г "Г НвжГе, , , : 1 1

г \

Г"

У У У'

! I 1 /

ч 1 < / / /

( V

0,2 0,4 0,6

0,8 й. т.

0,4 0,6

и,И м- т.

Ряс. 3. Распределение концентрации (алхимического состава (в),массы (с) Мп^е,^ размера (^скорости вспяываиия (е) и числа (1) включений в зависимости от доли

твердой ®аза.--данные численного расчета: о-данные Борисова В. Т. и др. ;□- по

данным ! иршовича Н.Г.;о-по данным Попепя С.И.

подтверждается данныш,полученными Борисовым В.Т. и др. Для того, чтобы замедлить реакцию образования сульфидов, необходимо не допускать чрезмерного увеличения концентрации Мп в расплаве;

по значению концентрации оксидов в 1,5-2 раза больше,чем сульфидов. Изменение концентрации компонентов сульфидов происходит более интенсивно, чем оксидов. Исходя из кинетики образования оксидов можно сказать, что насыщение А1 расплава способствует росту оксидов так ке, как и удаление 02 из места образования НВ;

отличительной особенностью образования Т1ХС±является более позднее начало совместной реакции формирования НВ. Интенсивность возрастания концентрации Т1хА11_хЫ на большей части периода образования НВ происходит монотонно, только в течение последней четверти интервала времени затвердевания происходит резкое возрастание концентрации А1 и Ы;концентрация Т1 до окончания образования НВ снимется практически до нуля, что не происходило в случаях, описанных выше; дополнительным отличием является протекание обратной химической реакции;

сравнительный анализ кривых химического состава позволяет сделать вывод о том,что чем раньше начинается совместная реакция образования НВ, тем более монотонно происходит изменение состава.

Приведенные на рис. 3 (с1, е, Г) данные об изменении г, пии имеют сходный вид как в качественном,так и в количественном отношении. Необходимо только обратить внимание на то, что образование НВ происходит в разные моменты времени,но для кавдого типа НВ вид закономерности изменения г, п и V не противоречат общепринятой теории кинетики формирования НВ,что подтверждается сравнением полученных данных с данными Гиршовича Н.Г. и Попеля С.И.

На основании анализа данных расчета были выработаны рекомендации по избежанию высокой локальной концентрации НВ на границах соседних дендритных ячеек.Так, для нитридов снижение концентрации А1 в металле ниже 0,005% обычно неприемлемо из-за опасности получения пористой отливки.Более эффективный путь снижения загрязненности границ дендритных ячеек-присадки II, которыми часть N выводится из расплава на более ранней стадии затвердевания.

С целью прогнозирования наиболее вероятных мест появления трещин проведен анализ тернонапряганного состояния отливки на основе расчета ТН.Сравнение данных о распределении ТН (рис.4) показало, что наибольший вклад в величину суммарных напряжений вносит учет фазовых превращений ввиду малого вклада, вносимого ТН, обус-

5.МПа

-274

А \\ ! 1 1 1

1 1 1 ( 1! 11

( 1 1 /

1 , \ Ьг.1

I з Л \ > < \ > 1 /

\ ч 1 . 1

366

НВЭ 205 124

5пр,МПа

с 1 I

I 1

\ {

1 1

0 4,4 6,6 г,см

1,8

3,0

5,4

у, г

Рис.4.Радиальные напряжения н предел прочности вдоль радиуса отливки. Продольная координата 2=0,05 н.Затвердевание в стйпьной оснастке, сназка 1нн; 1-е учетом ЗФФекта наращивания; 2-е учетом эффекта релаксации; 3 - с учетом Фазовых превращений. Текущее вррня счета 10,0 сен.

о

Интеллектуалиэи рованнья БД

Стандарты

Справочные данныэ

Нормы и нормативы

Экологические даннье

Архив технологи ческих решения

->

ЭКСПЕРТНЫЕ СИСТЕМЫ

БАЗА ЗНАНИЙ

Новые знания про металлурги ческие системы

Но выв иетз.л-

лургические

технологии

ППП математичес кого моделирова ни я

Модифицирование

Кри с т аллиэ аци я

Физико-химичес-кие процессы

Анализ термонап ряженного состо яния отливки

Рис. 5. Функциональная схема интегрированной гибридной экспертной системы:--управление,----информация.

ловленными явлениями наращивания твердой корка и релаксации. Эта выгода позволяют определять целесообразность учета вышеперечисленных явлений в математической модели на различных этапах формирования отливки.

В четвертой главе проведана концепция использования интегрированных гибридных экспертных систем для исследования и проектирования тепловых процессов в литейных технологиях, с учетом вышеуказанного комплекса математических моделей.Дано описание функциональных возможностей подсистем,входящие в состав системы (рис.5).

На примере работы подсистемы "Мода£ицироваше" выполнено численное исследование процесса модифицирования расплава чугуна в ковше магнийсодержащей порошковой проволокой.

В заключении излагаются основные результаты исследований.

В приложении приведены материалы,подтварвдагаре практическое использование результатов работы.

По материалам диссертации опубликованы 23 работы. Основные научные результаты изложены в следухщих публикациях автора:

1. Бородин в. С., Гридан с. в., Мелмхов В.М. Методика численного исследования формирования неметаллических включений в высокопрочном чугуне при жидкой шташовке// Изв.ВУЗов. Черная металлургия.-1992. - И 3. - С. 78-79.

2. Бородин B.C., Гркдик C.B. Экспертная система "Сплав"// Изв. ВУЗов. Черная металлургия. - 1992. - й 9. - С.67.

3. Бородин B.C., Гридан C.B., Мелихов В.М., Петренко Л.П. Математическое моделирование теплопергноса при затвердевании под давлением чугунных отливок// Процессы литья.- 1992.- й 3.- С. 18-22.

4. Бородин B.C., Голод В.й., Гридан C.B., Крестьяноз В.И., Кар-гин Д.А., Цыбуленко Е.В. Проект экспертной системы для автоматизированной подготовки производства литых заготовок из высокопрочных чугуков// Процессы литья. - 1992. - й 4. - С. 36-39.

5. Недопекин Ф.В., Белоусов В.В., Гридан C.B. Анализ напряхеннэ--деформированного состояния слитков с помощью экспертной системы "Дефект"// Изв.ВУЗов. Черная металлургия.- 1995.- M 7.- С. 57-59.

6.Белоусов В.В., Гридин C.B., Недопекин Ф.В. Расчет термических напряжений при непрерывной разливке стали // Пром. теплотехника.-1995. - 17, « 4. - С. 99 - 104.

7. Градин С. В. Численное исследование количества.состава и размеров неметаллических включений в высокопрочном чугуне при жидкой шташовке// Физическая гидродинамика: Сб.науч.тр.- Донецк: ДонГУ,

I991. - С. 22-31.

8. Бородин B.C., Гридин C.B., Мелихов В.M., Шебатинов М.П.,Крес-тьянов В.И. Расчет количества, состава и размеров неметаллических включений в высокопрочном чугуна при ездкой штамповке // Донецк,

1991. - 37 с. - Описание и текст программы представлены Донецк, университетом. Per. ОФАПМО СССР, per. й 311 от 25.04.1991.

9. Бородин B.C., Гридин C.B., Крестьянов В.И. Экспертная система для определения марки и состава высокопрочного чугуна // Донецк,

1992.-34 е.- Описание и текст программы представлены Донецк, университетом. Per. ОФЛШП России, й 314 от 22.04.1992.

10. Бородин B.C., Гридин C.B., Крестьянов В.И., Юркин А.В.Гибридная экспертная система технологической подготовки литейного производства отливок из высокопрочного чугуна// Донецк, 1992.- 36 с.

- Описание и текст програмиы представлены Донецк, университетом. Per. ОФАШП России, JS 320 от 9.12.1992.

11. Гридин C.B.,Недопекин Ф.В. Демонстрационный прототип экспертной системы "Плавка" // Донецк, 1992. - 21 с. - Описание и текст программы представлены Донецк, университетом. Per.ОФАШП России, й 321 от 9.12.1992.

12. Бородин B.C., Гридин C.B., Мелихов В.М. Расчет неметаллических включений в высокопрочном чугуне при зидкой штамповке// 1990.

- 20 с. - Деп. УкрНИИНТИ 8.06.90. J2 992- Ук90.

13 Недопекин Ф.В., Белоусов В.В., Гридин C.B., Оншцук В.П., Гринберг С.Е., Овчшшикоз Н.А., Писаренко Ф.А. Компьютерное моделирование процессов гидродпнаьпзки и теплоиассопереноса при обработке расплава порошковыми проволоками (ПП)//Численные методы в гидравлике и гидродинамике: I мевд.конф.- Донецк: ДонГУ, 1994.-С.83-85.

14. Недопекин Ф.В., Белоусов В.В., Гридин С.В.Интегрированная гибридная экспертная система (ИГЭС) технологической подготовки литейного производства// Кристаллизация: компьютерные модели,эксперимент, технологии. : VI иезвд. науч.- техн. конф. - Ижевск: УдГУ, 1994. - С. 80-82.

15. Гридин C.B. Банк справочно-информацяонных данных по технологической подготовке литейного производства//ВУЗовская науч. конф. проф.-преп. состава по итогам НИР: естественные дисциплины: - Донецк: ДонГУ, 1993. - С. 19-20.

16. Гридин C.B. Расчет термонапряженного состояния центробекноли-той заготовки//ВУЗовская науч. конф. проф.-преп.состава по итогам НИР: естественные дисциплины: - Донецк: ДонГУ, 1995. - С. 48-49.

Annotation

Grldln S.V. Mathematical Modelling of Thermal Physical Processes during of Solidification of Cast Iron Ingots.Dissertation for the scientific degree of Candidate of Science (Eng.). Speciality □5.16.02 - ferrous metals metallurgy, the State Technical Univercity, Dneprodzerginsk, 1996, manuscript, 225 p., 9 tables, 51 figures, bibliography - 121 titles.

The complex of mathematical methods has been created and the mathematical models of heat transfer processes in two-phase médias on the basis of cast iron melting was developed. Methods which assumes the computer realisation and serve as the mean of solving for definition of technological parameters of solidification of cast iron.The created models has been employed for complex recer-ches of the processes mentioned above. It has been carried out the industreal application of technologies developed with the results, wlch are received.

Градин C.B. Математическое моделирование теплофизических процессов при затвердевании отливок из высокопрочного чугуна. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 - металлургия черных металлов. Государственный технический университет, Днепродзержинск, I99S. Рукопись, 225 е., 9 табл., 51 рис., библаогр. 121 назв.

Разработан комплекс математических методов и математических моделей процессов теплопереноса в двухфазной зоне расплава чугуна.Методы предполагает компьютерную реализацию и служат для определения технологических параметров затвердевания отливок из высокопрочного чугуна.Разработанные модели служат для комплексных исследований вышеуказанных процессов. Результаты исследований внедрены в промышленное производство.

Ключевые слова: вясокоы1цний чавун, теплоф1зичн1 процеси, тверднення, в1дливок, математичне моделювання.

Аннотация

Гридин Сергей Васильевич

Подписано к печати 29.02.1996г. Заказ № 56. Тирах 100 экз. Способ печати офсетный. ПО "Чайка", г. Донецк-50, пр.Театральный, 13.