автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка и реализация численных моделей для технологического анализа сопряженных гидродинамических и тепловых процессов при заполнении литейной формы

На правах рукописи

Луковников Дмитрий Александрович

РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ЧИСЛЕННЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА СОПРЯЖЕННЫХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЗАПОЛНЕНИИ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ

Специальность: 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2004

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Научный руководитель:

кандидат технических наук,

профессор Голод Валерий Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Десницкий Владимир Владимирович

кандидат технических наук Шарапов Игорь Михайлович

Ведущая организация: ОАО "Кировский завод", г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится "_" февраля 2004г. в_часов на заседании

диссертационного совета Д 212.229.14 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" по адресу: 195251, г.Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.29, СП6ГПУ, химический корпус, ауд. № 51.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО

'СПбГПУ".

Автореферат разослан "_" января 2004г.

Ученый секретарь д.т.н., проф.

з ^¿е^т

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Процесс заполнения литейной формы расплавом занимает важное место в технологии изготовления отливки, поскольку на данном этапе происходит интенсивное воздействие на формирование физической, химической и структурной неоднородности литого металла. Знание механизма и кинетики процессов, протекающих при заполнении литейных форм, необходимо для создания научно обоснованных эффективных методов воздействия на процесс формирования отливки и её качество. Аналитическими методами выполнить расчёт сопряжённых гидродинамических и тепловых процессов не представляется возможным в силу многомерности и нелинейности изучаемой проблемы, а также сложности конфигурации формы. Также затруднительно произвести анализ экспериментальными методами, что связано с агрессивностью высокотемпературных расплавов, необходимостью проведения большого количества опытов, сложностью измерений и малой их воспроизводимостью. Поэтому наиболее точным, оперативным и экономичным методом исследования литейных процессов, учитывая активное развитие численных методов и ЭВМ, является математическое моделирование. Оно реализуется в виде методического, алгоритмического, программного и информационного обеспечения, входящего в состав систем автоматизированного проектирования литейной технологии (САПР ЛТ), развитию и применению которых посвящена настоящая диссертационная работа, являющаяся продолжением серии работ, выполненных на кафедре в этом научном направлении.

Осуществление численного анализа сопряжённых гидродинамических и тепловых процессов важно не только с познавательной и методологической точек зрения, но и является базой для диагностики при проектировании технологии производства отливок. В условиях динамичного - развития металлургических и компьютерных технологий важным инструментом повышения научного уровня литейной технологии становятся САПР, использование которых позволяет прогнозировать образование целого ряда литейных дефектов отливок, механизм возникновения которых связан с сопряжёнными процессами гидродинамики и теплообмена при заливке.

Диссертационная работа проводилась при финансовой поддержке Администрации Санкт-Петербурга по направлению "Машиностроение" (грант М99-3.4Д-180, 1999г.)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка и численная реализация математических моделей заливки и затвердевания сплавов на основе решения уравнений Навье-Стокса и Фурье, направленная на повышение качества отливок путём численного анализа сопряжённых тепловых и в

БИБЛИОТЕКА СПета

оэ ъпЧ—у " '

литейной форме. С учетом поставленной цели для анализа процессов,

протекающих при заливке формы, решали следующие задачи:

• разработка сопряжённой с гидродинамическими явлениями модели теплофизических процессов в системе "литейная форма - расплав - газовая фаза" и её численная реализация в виде программного модуля САПР ЛТ;

• численное моделирование и технологический анализ режимов заливки литейных форм;

• диагностика технологических и металлургических параметров режима заливки в условиях циркуляции расплава, действия вынужденной и естественной конвекции, возможного фонтанирования расплава, эрозии стенок формы и увлечения частиц шлака в вглубь полости формы.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. При технологическом анализе сопряжённых

нестационарных гидродинамических и тепловых процессов:

• установлены закономерности образования струйно-вихревой структуры потока разного масштаба и энергии с определением интенсивности развития вынужденной и естественной конвекции, пространственных и энергетических соотношений струйных потоков, вихревых и застойных зон, связывающих вихревую структуру потока с распределением температур в полости формы, в зависимости от условий подвода металла, конфигурации формы, свойств расплава и материала формы;

• изучены траектории движения неметаллических включений в циркулирующем расплаве в зависимости от влияния на них сил различной природы;

• установлены факторы, определяющие образование, расплавление и размыв твёрдой корки металла и эрозию формы под действием пристеночного потока перегретого расплава;

• установлены закономерности возникновения фонтанирования при вертикальном сифонном подводе металла, связывающие силы инерции, вязкости и гравитации с геометрическими факторами поступления расплава в форму;

• изучены условия заполнения формы при тиксолитье, учитывающие реологическое состояние жидко-твёрдого сплава с учётом влияния его температурно-зависимых характеристик (темп выделения твёрдой фазы, температуропроводность, вязкость).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. В ходе выполнения диссертации:

• разработан, интегрирован в САПР ЛП "РОЬУСЛБТ" и адаптирован к конкретным технологическим условиям ряд программных модулей для

обеспечения численного гидродинамического моделирования- литейных процессов;

• реализована диагностика заполнения формы циркулирующим расплавом с учётом его возможного фонтанирования, циркуляции неметаллических включений, эрозионного разрушения твёрдой корки металла и стенок формы;

• результаты численного анализа сопряжённых гидродинамических и тепловых процессов использованы для технологического анализа режимов заполнения форм при тиксолитье и слитков в водоохлаждаемых изложницах.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

• модель сопряжённых гидродинамических и тепловых процессов, полученная на основе решения уравнений Навье-Стокса, неразрывности и Фурье, предназначенная для изучения распределения скоростей и температур в условиях циркуляции расплава в полости литейной формы;

• закономерности формирования струйно-вихревой структуры потока и её влияния на температурное распределение в полости формы при течении расплава под действием сил вынужденной и естественной конвекции;

• диагностика режимов заполнения на основе оценки эрозионной устойчивости стенок формы и условий увлечения шлаковых частиц.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано тринадцать статей. Результаты исследований докладывались на межвузовских научных конференциях «Неделя науки» (С.-Петербург, 1999г..+2003г.), на Всероссийских научно-практических семинарах «Литейное производство: сегодня и завтра» (С.Петербург, 1999г..-г2003г.), на международных научно-методических конференциях «Фундаментальные исследования в технических университетах» (С.-Петербург, 2001г.-2003г.).

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Материалы работы изложены на 148 страницах машинописного текста, содержат 5 таблиц, иллюстрированы 70 рисунками. Список литературы содержит 151 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении раскрыта актуальность темы диссертационной работы, представлены научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проведён анализ и обобщение представленных в литературе данных по гидродинамическим и тепловым процессам в расплаве, показана важность их учета. Выполненные многими авторами теоретические и

экспериментальные работы, несмотря на несогласованность результатов, подтверждают чёткую взаимосвязь между гидродинамическими и тепловыми процессами, их важную роль во всей технологической цепочке "литейный ковш - литниковая система - полость формы". Именно на этом этапе режим заливки формы и соответствующий тепловой режим заполнения предопределяют характер затвердевания и значительную часть литейных дефектов.

Традиционные методы изучения сопряженных гидродинамических и тепловых процессов, происходящих при заливке металла и формировании отливки, а также инженерные способы расчета заливки ограничены в силу многомерности рассматриваемых процессов и, соответственно, упрощенности математической постановки задачи, поскольку аналитическое решение трудоёмко и сопровождается большой погрешностью результатов. Цеховые эксперименты при всей их значимости как основы для разработки соответствующих методик и критериев оценки накопленных данных обычно выполнены в конкретных условиях литья и поэтому их область применения ограничена. Кроме того, во многих случаях экспериментальный поиск рациональных режимов заливки сопровождается большими затратами трудовых и материальных ресурсов.

Обзор опубликованных работ свидетельствует, что создание адекватной математической и численной модели даёт технологу средства эффективного комплексного исследования гидродинамических и тепловых процессов и проектирования технологических параметров, учитывающих большое количество факторов и разнообразное их взаимодействие. Такой подход, дополняемый возможностью легко изменять исходные данные, представляется в настоящее время наиболее перспективным и позволяет решить поставленные задачи исследования, которые сформулированы в заключительной части первой главы.

Вторая глава посвящена построению математической модели сопряжённых тепловых и гидродинамических процессов течения расплава, описанию соответствующих дифференциальных уравнений и граничных условий, а также моделей образования ряда дефектов гидродинамической природы. К основным уравнениям математической модели относятся уравнения движения жидкого металла Навье-Стокса (1), уравнение неразрывности потока (2), уравнение теплопередачи Фурье с учётом конвективных составляющих (3), граничные (4) и начальные (5) условия:

(3)

(4)

(5)

где V - вектор скорости течения расплава; г - время; р - значение плотности расплава; Р - избыточное давление, равное разности давления в данной точке и гидростатического давления; Т - температура расплава; Тд - температура ликвидуса; V - кинематическая вязкость расплава; £ - ускорение свободного падения; (Зт - коэффициент объёмного термического расширения расплава; а(Т) - коэффициент температуропроводности; ф - функция, задающая скорость расплава на границе с формой (условия прилипания), на свободной поверхности (с учётом изменения уровня зеркала расплава и условий поступления струи), а также в питателе и на границе выливаемости; а коэффициент теплоотдачи, значение которого определяется условиями теплообмена расплава и формы; - начальная температура расплава и

окружающей среды; Г- границы расчётной области.

На границе раздела фаз металл - газ - форма учитывали термическое сопротивление при образовании зазора между формой и затвердевшим расплавом в результате линейной усадки твёрдой корки.

Сформулированная математическая модель отражает условия циркуляции расплава при заполнении полости формы под влиянием сил тяжести, вязкости, давления и термогравитации при совместном действии естественной и вынужденной конвекции. В уравнении Навье-Стокса учитывали изменение скорости потока вследствие дополнительной силы, создаваемой капиллярным смачиванием и вызывающей перемещение границы раздела жидкость-газ с вогнутой или выпуклой поверхностью жидкости.

Математическая модель эрозии стенок формы базируется на условии предельной устойчивости частичек формы определяемой

силой сцепления С, под воздействием внешних сил, создаваемых потоком циркулирующего расплава: гравитационной лобовой турбулентной (Рт) и силы Архимеда (Ра).

Математическая модель температурно-зависимых характеристик учитывает изменение объёмной теплоёмкости в зависимости от темпа выделения теплоты кристаллизации и кинематической вязкости жидко-твёрдого металла при выделении твёрдой фазы в температурном интервале затвердевания.

Математическая модель движения шлаковых частиц в полости литейной формы (рис.1) представляет изменение скорости включений под

действием силы Архимеда (Ра), гравитации (Рг), пульсационной (Рп), силы Саффмана (Ps) (разность скоростных напоров по диаметру частицы), силы сопротивления (Рс) и центробежной силы (Рц).

Третья глава посвящена численному решению сформированной математической модели вычислительными методами, обзор которых и выбор подходящего варианта для дальнейшего использования проведены в начале главы. Процессы, происходящие при заполнении формы, отличаются многофакторностью и сложностью их учёта в реальных условиях, поэтому в работе применены четыре варианта численного решения задачи заполнения формы применительно к различным по сложности и постановке проблемам.

Решение задачи заполнения формы с плоской поверхностью зеркала осуществляли на основе уравнений (1) - (5) в переменных "функция тока ^ - вихрь 0)" конечно-разностным методом, программно реализованным к.т.н. АЮ.Липчинским. При этом граница расчетной области Г может быть постоянной во времени (при изучении течения в заполненном ковше, канале литниковой системы и форме) или изменяться в соответствии с известными гидравлическими законами (при моделировании процесса опорожнения ковша или заполнения литейной формы). Решение задачи течения и расчёт профиля свободной поверхности расплава проводили методом "маркеров на сетке" на основе конечно-разностной схемы расщепления по физическим факторам, разработанной д.т.н. С.Е.Самохваловым. С помощью локально-одномерной прогонки определяли распределение скоростей, давлений и температур в условиях естественной и вынужденной конвекции по сечению залитой части формы.

Оба метода решения задачи, изложенные во второй и в третьей главах диссертации, послужили основой для разработки программного модуля, который представляет собой совокупность математического, методического и программного обеспечения для взаимосвязанного расчёта гидродинамических и теплофизических процессов в составе интегрированной САПР литейной технологии "POLYCAST". Выбор параметров вычислительного процесса и проверку адекватности проводили на основе численных расчётов, воспроизводящих условия опубликованных экспериментальных данных.

Гидродинамический модуль пакета "POLYCAST", предназначенный для решения широкого круга задач, имеет ряд ограничений (например, отсутствует модель турбулентности), в связи с чем в дополнение к пакету "POLYCAST" в работе использовали специализированные программные пакеты для решения гидродинамических задач методом конечных элементов ("FLUENT", "FLOW

VISION"), позволившие учесть температурно-зависимые характеристики расплава и провести серию трёхмерных численных расчётов.

Решение гидродинамических задач связано с выполнением весьма жёстких условий по вычислительной устойчивости, в связи с чем необходимы значительные вычислительные ресурсы, составляющие десятки часов машинного времени на для решения двухмерных и сотни часов - для трёхмерных задач (ЭВМ PENTIUM-IV).

Для подтверждения адекватности разработанных моделей производилось экспериментальное исследование процесса заполнения формы гребного винта массой 21т алюминиевой бронзой (в цеховых условиях Балтийского завода), позволившее оценить эффективность реализованного режима доливки прибылей для питания отливки (рис.2). Результаты регистрации процесса заполнения формы и определения температуры жидкого металла с помощью стационарных и плавающей термопар хорошо согласуются с данными теплового и гидродинамического моделирования доливки прибыли и последующего затвердевания отливки.

В четвёртой главе на основе результатов численных расчетов проведены исследования течения расплава в полости формы и выполнен анализ тепловых и гидродинамических процессов, протекающих при заполнении формы.

Условия заливки и циркуляция металла. При разных способах подвода металла в форму (сверху, сифоном и др.) показана определяющая роль гидродинамических параметров входящего потока в формировании и последующей перестройке температурных полей в объёме отливки, способствующих режиму направленного или одновременного затвердевания. Численными экспериментами установлено, что в зависимости от условий заливки (скорость, расход и направление подвода металла) траектория магистрального потока на каждом этапе заполнения меняет свою конфигурацию, причём ширина зоны его протекания обратнопропорциональна значению числа Re входного потока. Путём измерения скорости и температуры в сечениях магистрального потока показана нестационарность их значений при заполнении формы, связанная с перестройкой струйно-вихревой структуры циркуляции металла. Основными факторами этой динамики являются изменение скорости и температуры подводимого металла, скорости и сечения магистрального потока, а также количество, размеры, расположение и энергия вихревых и застойных зон, непрерывно формируемых магистральным потоком на пути от места подвода до подымающегося зеркала расплава при изменении конфигурации залитой полости формы в процессе заливки. Численное моделирование структуры зон циркуляции при заполнении форм разной конфигурации (магистрального потока, вихревых и застойных зон) привело к установлению механизма их взаимного влияния на основе энергетического баланса вида Е(1(т)=к1(т)Е,(т)+к^т)Е:(т)+к3(т)Е3(т), где £Л) £,, Е2, Е3

представляют соответственно удельную энергию входного потока, магистрального потока, вихревых (застойных) зон и суммарную диссипацию энергии вследствие вязкого трения слоев расплава между собой, со стенками формы и у поверхности зеркала. Коэффициенты к/ оценивают, количество и размеры различных элементов циркуляции расплава в рассматриваемый момент времени, определяющих направление и интенсивность перераспределения энергии между ними, возникновение и распад вихрей, торможение и изменение траектории магистрального потока под влиянием различно ориентированной реакции стенок заполняемой формы и дополнительного трения у них.

Компьютерный анализ циркуляции расплава в процессе заливки и после её завершения (Ео(т)-О) показывает, что индивидуальные особенности конфигурации полости формы в сочетании с конкретными условиями подвода металла и режима заливки оказывают определяющее влияние на соотношение интенсивности вынужденной и естественной конвекции, изменяющееся со временем вследствие возрастающих потерь энергии на трение и выравнивания температур при уменьшении теплоотвода из-за прогрева формы. Развитие и длительное существование естественной конвекции внутри последовательно затвердевающей отливки является существенным фактором, влияющим на количество и распределение возникающих кристаллитов и формирование.

На основе результатов моделирования структуры и интенсивности циркуляции расплава осуществляется прогнозирование расположения локальных термических центров, влияющих на формирование усадочных пустот; возникновения выраженной магистральной структуры циркуляции, приводящей к фонтанированию расплава или эрозии стенок формы, а также образования вихревой структуры, способствующей замешиванию неметаллических включений в глубь расплава.

Фонтанирование расплава при заливке. Для оценки критических условий возникновения фонтанирования при сифонной заливке формы рассмотрено влияние входной скорости потока, уровня наполнения формы и соотношения геометрических размеров формы и литника. На основе серии численных экспериментов установлена взаимосвязь между этими факторами и область автомодельности, в пределах которой вклад какого-либо фактора пренебрежимо мал. Режим фонтанирования при сифонной вертикальной заливке расплава в литейную форму аналитически оценивается критерием фонтанирования (1), характеризующим отношение энергии поступающего в форму потока к сумме потенциальной энергии струи, образующей фонтан, и потерь энергии на трение между слоями жидкости и со стенками формы. На рис.3 представлена полученная на основе численного расчёта зависимость критерия фонтанирования Кф от критерия Рейнольдса Кв при разных значениях критерия Фруда ¥г.

При сопоставлении полученных зависимостей с экспериментальными данными выделена область (заштрихованная на рис.3) критических значений критерия фонтанирования, определяющая диапазон изменения критериев Re и Fr, при которых режим спокойного заполнения с достаточно ровным зеркалом расплава {Кф <1) сменяется режимом фонтанирования (Кф^). Использование полученной диаграммы позволяет провести диагностику режима заливки и оценить возможность фонтанирования. 1 ,г

Кф —

I 1 4Ш

где: d - диаметр канала (струи), подводящего поток; D - диаметр вмещающей расплав полости; Я - высота наполнения формы.

Ле = ~ -критерий Рейнольдса,

рг = У— -критерий Фруда.

Рис.3 Диаграмма для оценки возможности фонтанирования расплава при заливке сифоном

Эрозия затвердевшей корки металла и стенок формы. Исследованные в этой главе схемы циркуляции расплава в разных по конфигурации формах с различными местами и направлениями подвода питателей оценены с точки зрения возникновения эрозии затвердевшей корки металла и размыва поверхности формы. На основе численного моделирования процесса заливки установлено, что из большого числа факторов, влияющих на образование и эрозию твёрдой корки, наиболее важными являются теплофизические свойства материала формы, перегрев металла приводящий к оплавлению корки, а также скорость струи V, воздействующей на поверхность формы. Численный анализ показал, что относительный вклад оплавления и размыва, различающийся в зависимости от величины перегрева расплава и скорости течения, приближённо оценивается соотношением: Ь=квф-к/т&Т-кцУ, т.е. интенсивность эрозии твёрдой корки зависит от соотношения скорости её нарастания под влиянием теплоотвода и скоростей оплавления и размыва корки струей притекающего расплава.

Оценка условий эрозии формы проводилась на основе определения вклада различных внешних сил, действующих на частицу формы. В пристеночном слое текущего потока (Re ^ 5000) значительно увеличивается воздействие силы, вызванной турбулентной составляющей скорости, которая перпендикулярна направлению течения и способствует разрушению

шероховатых стенок, так как при больших скоростях на выступах возникают вихревые образования, что особенно актуально в неметаллических формах. Пропорционально увеличению скорости пристеночного потока и, соответственно, величине касательного напряжения на стенке формы увеличивается влияние лобовой силы на частицу, что совместно с турбулентной силой составляет около 80% от общей суммы рассмотренных сил. При численном моделировании заливки полости формы использование автоматизированной проверки условия эрозии поверхности по контуру формы даёт возможность диагностировать возникновение эрозии, а также установить месторасположение участка эрозии и её интенсивность. На основе проведённых численных расчётов заполнения форм с разной зернистостью и сопоставления их с экспериментальными данными построена диаграмма, устанавливающая критическую пристеночную скорость течения потока расплава для материала формы с определённым сцеплением.

Остановка потока. Рядом исследователей (Б.В.Рабинович, В.В.Чистяков, ААНеуструев и др.) при заливке протяжённых и узких участков формы с целью улучшения их заполняемости показана важная роль искусственных и естественных углублений ("карманов"), которые принимают в себя охлаждённый металл головной части струи и тем способствуют продвижению основного магистрального потока. С целью предупреждения недоливов на основе численного моделирования произведена диагностика режима заполнения узких каналов формы в условиях, когда течение расплава определяется действием сил тяжести и капиллярными силами а также

при малых скоростях под влиянием сил инерции. Эффект увеличения заполняемости достигается только при рациональном соотношении продольных и поперечных геометрических размеров "кармана" с приведённым размером потока металла и его расположении на участке снятия перегрева потока. Серией численных расчётов установлено, что при заполнении (Ке=2000т-5000) узкого вертикального канала с использованием двухсторонних "карманов" (при соотношении ширины В и высоты //"кармана" В/Н«3!2) поток металла до остановки проходит более длинный путь (в 1.5 -5-1.8 раза, что хорошо согласуется с экспериментальными данными ряда авторов) за счёт "обновления" головной части и существенного повышения её температуры.

Движение шлаковых частиц в расплаве. Использование численной модели движения шлаковых частиц расплаве в качестве средства диагностики режима заливки позволило определить траектории движения частиц, спрогнозировать места их скопления после затвердевания отливки, а также оценить технологические средства для регулирования условий шлакообразования в полости формы на основе определения доли частиц,

"захваченных" вихревыми зонами (рис.4), где преобладает влияние центробежных сил, формирующее замкнутые траектории частиц.

Исследовано влияние на характер траектории движения частиц таких факторов, как их диаметр, плотность, начальная скорость, при этом установлено, что одним из определяющих факторов являются турбулентные пульсации скорости, способствующие случайному изменению скорости и направления движения частицы.

Как показали численные расчёты заполнения формы, при Ке>3000 изменение линейной скорости движения частицы носит выраженный колебательный характер, размах пульсаций достигает 20% от среднего значения линейной скорости движения частицы, что непосредственно влияет на эффективность шлакоулавливания.

В пятой главе рассмотрено решение технологических задач, демонстрирующее практические приложения результатов исследования, изложенных в четвёртой главе диссертации.

Анализ условий теплообмена и гидродинамики в системе "расплав -поддон - водоохлаждаемая изложница" при изготовлении слитков массой 5т производили с целью обеспечения безопасного режима заливки, заключающегося в непрерывном нарастании на поддоне твёрдой корки, предохраняющей днище тонкостенной (10мм) изложницы от непосредственного контакта с расплавом (рис.5).

С целью анализа условий эрозии твёрдой корки формирующегося слитка производили сопряжённое моделирование гидравлических, гидродинамических и теплофизических процессов. Использовали основные модули программного комплекса "РОЬУСЛ8Т", подвергшиеся адаптации применительно к особенностям поставленной задачи с целью учёта изменяющейся во времени скорости струи, падающей на зеркало расплава; интенсивности кипения воды у стенок изложницы и теплообмена циркулирующего расплава со стенками водоохлаждаемой изложницы; возникновения газового зазора на границе твёрдая корка - изложница вследствие линейной усадки. В результате решения получено распределение температур и скорости циркуляции расплава в различные моменты времени, позволяющие количественно анализировать условия образования твёрдой корки, а также эрозии затвердевшего металла и поддона.

На рис.6 выделен прямоугольником осевой участок поддона и твёрдой корки, которые подвергаются воздействию падающей струн металла. Слиток подвергался металлографическому контролю макроструктуры. Сравнительный анализ серных отпечатков темплета данной части слитка и поддона подтвердил адекватность сформированной численной модели.

Серией расчётов установлено, что при толщине поддона менее 20мм его эрозия достигает 75 +100% толщины с возможностью последующей эрозии стенки изложницы. Повышение температуры заливки весьма существенно ускоряет прогрев поддона, особенно при учёте значительной толщины газового зазора, отделяющего поддон от теплоотводящей поверхности изложницы, вследствие чего может наступить интенсивная эрозия поддона. Наиболее благоприятные условия по скорости падения струи получены при использовании рациональной конструкции промежуточной воронки.

В таблице дана сравнительная характеристика условий эрозии поддона при заливке различных марок стали, отличающихся как по температуре ликвидуса (1485 + 1515 °С), так и по температурному интервалу затвердевания (28 +62 °К) и теплоте кристаллизации (1930+2050 кДж/м3К).

Таблица

Зависимость расчетной глубины эрозии поддона от марки заливаемой стали при постоянной температуре заливки (Тзап) и постоянном перегреве (АГ)

Характеристики стали

Ст. 081ДНФЛ (Тл=1515 "С. 1с=1480°С)

Ст. 20НЗДМА (Тл=1497 °С, Тс-1456 °С)

Ст. 40Х (Тл^1494 "С, Тс=1435 °С)

Ст. 40ХН2 (Тл-1490 °С. Тс=1428 °С)

Эрозия поддона, мм

Гмл=1600 °К

18.0

20.0

23.0

24.0

Д7"=»5 °К

18.0

18.5

17.5

18.0

Примечание: толщина поддона 30 мм, зазор между изложницей и поддоном 5 мм

Различие в поведении сталей связано с определяющим влиянием перегрева расплава на интенсивность эрозии, поскольку увеличение перегрева способствует сокращению скорости нарастания корки и усиливает эрозию поддона вследствие его оплавления.

Для обеспечения устойчивой и безопасной технологии изготовления слитков в тонкостенных водоохлаждаемых изложницах необходимо обеспечение минимальной высоты ковша над изложницей или использование промежуточной воронки для стабилизации условий заливки, а также рациональное сочетание толщины поддона и перегрева стали при заливке.

Моделирование заполнениялитейной формы при поступленииметалла, содержащего значительную долю твёрдой фазы, произведено с целью численного анализа технологического режима тиксолитья.

Для построения модели тиксолитья с помощью термодинамического моделирования установлен ход неравновесной кристаллизации литейного сплава А356 (А1-7%81-0.35%М&), на основе которого рассчитано изменение динамической вязкости жидко-твёрдой смеси (рис.7) при увеличении скорости деформации. Интервал жидко-твёрдого состояния, при котором динамическая вязкость не превышает критического значения определяет условия

остановки перемещения сплава в зависимости от локальной скорости деформации.

Для сравнительной характеристики различных режимов тиксолитья был проведен численный анализ тепловых и гидродинамических условий заполнения литейной формы заданной конфигурации при варьировании скорости и температуры поступления металла в форму, а также тепловой активности и температуры металлической формы

На рис 8 представлены стадии заполнения формы в зависимости от скорости поступления металла, с повышением которой изменяется конфигурация начального участка вертикальной струи, образующейся во входном сечении формы

Последующее перемещение сплава вызывает его растекание в горизонтальном направлении и снижение продольной составляющей скорости, вследствие чего фронт потока приобретает слабо искривленный характер.

Заполнение угловых участков формы определяется величиной горизонтальной составляющей скорости потока, снижение которой за счет высокой вязкости и трения о стенки формы ниже определенной критической величины вызывает образование незаполненных зон (рис 8). Основными технологическими

факторами, которые обеспечивают качественное заполнение полости формы, как показала серия расчетов, являются повышение температуры заливки и температуры формы, увеличение начальной скорости металла и снижение тепловой активности формы путем нанесения на металлическую форму теплоизолирующих покрытий.

580 585 590 595 600 6£>5 610 615 Температура, С

Рис 7 Температурная зависимость динамической вязкости сплава А356 (Тл=614°С, Тс=565°С) при различных скоростях деформации (1/с)

Рис 8 Расчетные профили расплава при заполнении металлической формы сплавом А356 (0 1м/с (а) и 0 5м/с (б))

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработан комплекс математического, алгоритмического и программного обеспечения для численного моделирования сопряжённых тепловых и гидродинамических процессов при заполнении литейной формы, с использованием которого решён ряд задач прогнозирования литейных дефектов и диагностики технологических условий.

2. На основе компьютерного анализа циркуляции расплава в полости литейной формы установлены закономерности формирования струйно-вихревой структуры потока, заполняющего форму. В зависимости от условий подвода металла, конфигурации формы, свойств расплава и материала формы в процессе заливки изменяются интенсивность развития вынужденной и естественной конвекции, пространственные и энергетические соотношения струйных потоков, вихревых и застойных зон.

3. Разработана и реализована компьютерная модель для численного анализа влияния сил различной природы, действующих на шлаковую частицу в циркулирующем расплаве. Моделирование движения шлаковых частиц позволяет произвести диагностику применяемой технологии в отношения улавливания частиц шлака и неметаллических включений, образующихся в полости формы.

4. Разработана модель возникновения эрозии стенок шероховатой формы под влиянием силового воздействия потока, на основе которой реализована диагностика участков формы, подверженных эрозионному разрушению при циркуляции заполняющего форму расплава.

5. С помощью численного моделирования образования и эрозии твердой корки установлены факторы, определяющие её расплавление и размыв под действием потока перегретого металла. На основе компьютерного анализа получены рекомендации по обеспечению безопасного изготовления стальных слитков в водоохлаждаемых изложницах на основе компьютерного анализа технологических факторов, предупреждающих эрозию корки и предохранительного поддона в донной части слитка.

6. Разработана компьютерная модель для количественной оценки условий возникновения фонтанирования при вертикальном сифонном подводе металла, на основе которой получено критериальное соотношение, связывающее силы инерции, вязкости и гравитации (Re, Fr) с геометрическими факторами поступления расплава в форму, для предупреждения фонтанирования.

7. Представленные результаты проведённых исследований и их успешное применение для технологического анализа условий заполнения форм (в том числе при тиксолитье для потока, содержащего значительную долю твёрдой фазы) обосновывают необходимость и доказывают эффективность применения разработанного аппарата сопряжённого теплового и гидродинамического моделирования процессов, происходящих в полости литейной формы, с целью диагностики технологии и прогнозирования дефектов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Луковников Д.А. Численные модели течения и охлаждения потока металла при заливке. Сб. Современные материалы: технологии и исследования. Труды СПбГТУ. С.Петербург, СПбГТУ, №473,1998г.

2. Луковников Д.А. Численный анализ условий струйного заполнения литейной формы. Сб. Фундаментальные исследования в технических университетах. Материалы III всероссийской научно-технической конференции. С.-Петербург, СПбГТУ, 1999г.

3. Луковников Д.А. и др. САПР литейной технологии: профильная ориентация и новые возможности. - Литейное производство, 2000г, №7.

4. Луковников Д.А. Численный расчёт теплообмена при гидродинамическом анализе заполнения литейной формы. Сб. Фундаментальные исследования в технических университетах. Материалы IV всероссийской научно-методической конференции. С.Петербург, СПбГТУ, 2000г.

5. Луковников Д.А. Решение сопряжённой задачи численного моделирования теплофизических и гидродинамических процессов. Сб. Фундаментальные исследования в технических университетах. Материалы межвузовской научной конференции в рамках XXVIII недели науки СПбГТУ. С.-Петербург, СПбГТУ, 2000г.

6. Луковников Д.А. Численный расчёт теплофизических характеристик газожидкостной среды. Сб. Фундаментальные исследования в технических университетах. Материалы межвузовской научной конференции в рамках XXVIII недели науки СПбГТУ. С.-Петербург, СПбГТУ, 2001г.

7. Луковников Д.А. Интегрированная численная модель для технологического анализа процессов при тиксолитье. - Сб. Литейное производство: сегодня и завтра, С.-Петербург, СПбГТУ, 2001г.

8. Луковников Д.А. и др. Компьютерное моделирование процесса тиксолитья. - Литейное производство, №10,2001г.

9. Луковников Д.А. и др. Концепция типового модуля учебной САПР как системы наукоёмких технологий в формировании профессиональной квалификации инженера-технолога. Сб. Высокие интеллектуальные технологии образования и науки. Материалы VIII международной научно-методической конференции. С.-Петербург, СПбГТУ, 2001г.

10. Луковников Д.А. Численное исследование эрозии твёрдой корки при заливке стали в водоохлаждаемые изложницы. Сб. Фундаментальные исследования в технических университетах. Материалы межвузовской научной конференции в рамках XXX недели науки СПбГТУ. С.-Петербург, СПбГТУ, 2002г.

11. Луковников Д.А. и др. Учебная САПР как система наукоёмких технологий в формировании профессиональной квалификации инженера-технолога (металлурга). Сб. Высокие интеллектуальные технологии образования и науки. Материалы IX международной научно методической конференции. С.-Петербург, СПбГТУ, 2003г.

12. Луковников Д.А. и др. Исследование возможностей программного пакета "Fluent" для численного анализа процессов при тиксолитье. - Сб. Литейное производство сегодня и завтра, С.-Петербург, СПбГТУ, 2003 г.

13. Луковников Д.А. Диагностика режима заполнения литейной формы на основе гидродинамического моделирования движения шлаковых частиц. Сб. Фундаментальные исследования в технических университетах. Материалы VII всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. С.-Петербург, СПбГТУ, 2003г.

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97.

Подписано в печать

Тиражей

Объем в п.л. 4,25. Заказ ЗУ.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства СПбГПУ 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Отпечатано на ризографе КК-2000 ЕР Поставщик оборудования — фирма "Р-ПРИНТ" Телефон: (812) 110-65-09 Факс: (812) 315-23-04

»-2178

РНБ Русский фонд

2004-4 27569

1

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Гидродинамические и тепловые процессы в расплаве при формировании отливки

1.2. Физико-химические явления, протекающие в процессе заливки литейной формы и приводящие к возникновению литейных дефектов.

1.3. Математические модели движения расплава и его теплообмена с формой.

1.4. Постановка задачи.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СОПРЯЖЁННЫХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

2.1. Общая характеристика модели.

2.2. Гидродинамическая модель.

2.3. Тепловая модель.

2.4. Выводы

3. ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ СОПРЯЖЁННЫХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

3.1. Решение уравнений Навье-Стокса и Фурье при заполнении формы расплавом со свободной поверхностью методом конечных разностей.

3.2. Расчёт эффективных коэффициентов теплопроводности и теплоёмкости. if 3.3. Решение уравнений Навье-Стокса и Фурье при спокойном заполнении формы с ровным зеркалом расплава методом конечных разностей.

3.4. Программный модуль сопряжённого гидродинамического и теплофизического моделирования заполнения формы расплавом.

3.5. Выводы

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ЗАЛИВКИ НА РЕЖИМ ЗАПОЛНЕНИЯ ПОЛОСТИ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ

4.1. Исследование гидродинамических процессов.

4.1.1. Влияние конфигурации полости формы и подвода металла на характер циркуляции расплава.

4.1.2. Анализ условий возникновения фонтанирования в полости формы.

4.1.3. Влияние шероховатости стенок на пристеночную циркуляцию расплава и анализ условий возникновения эрозии формы.

4.1.4. Исследование траектории и динамики движения шлаковых частиц.

4.2. Исследование сопряжённых гидродинамических и тепловых процессов

4.2.1. Влияние интенсивности теплообмена на развитие вынужденной и естественной конвекции.

4.2.2. Исследование факторов, определяющих температурное распределение в потоке.

4» 4.2.3. Исследование режима течения расплава при тиксолитье

4.2.4. Влияние условий заливки формы на развитие циркуляции и затвердевания расплава.

4.3. Выводы

5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

5.1. Исследование условий теплообмена в системе расплав-подцонводоохлаждаемая изложница

5.1.1. Введение.

5.1.2. Постановка задачи.

5.1.3. Формирование модели технологического процесса.

5.1.4. Анализ результатов моделирования.

5.1.5. Выводы.

5.2. Анализ условий заливки сплава А356 при тиксолитье

5.2.1. Постановка задачи.

5.2.2. Моделирование гидродинамических и тепловых процессов при тиксолитье.

5.2.3. Неравновесная кристаллизация и теплофизические характеристики сплавов Al-Si-Mg.

5.2.4. Численный анализ технологических режимов тиксолитья.

5.2.5. Выводы.•.

6. ВЫВОДЫ.

Процесс заполнения литейной формы расплавом занимает важное место в технологии изготовления отливки [1], поскольку на данном этапе происходит интенсивное воздействие на формирование физической, химической и структурной неоднородности литого металла. Знание механизма и кинетики процессов, протекающих при заполнении литейных форм, необходимо для создания научно обоснованных эффективных методов воздействия на жидкие и затвердевающие металлы и сплавы. Решение этой важной и сложной проблемы может быть осуществлено на основе теоретического анализа и физического эксперимента, чем занимались и занимаются многие исследователи. К настоящему времени накоплено значительное количество данных, свидетельствующих о существенном влиянии, которое оказывают на качество затвердевающего расплава сопряжённые гидродинамические и тепловые явления.

Однако из проведённого анализа публикаций становится ясно, что получить комплексное решение технологических задач, связанных с гидродинамикой заполнения форм, не представляется возможным, так как значительная часть практических рекомендаций по регулированию технологических параметров противоречива и часто ограничивается рецептами для конкретных сплавов и отдельных типов отливок. Кроме этого, экспериментальные работы достаточно большого количества авторов, направленные на выявление и обоснование рациональных сопряжённых

I 1 гидродинамических и тепловых режимов заполнения литейных форм, ограничены в применении из-за отсутствующего подробного учёта многофакторности рассматриваемых процессов. Течение расплава в силу объединения в себе различных по физической природе явлений зависит сгг большого количества параметров, изменяющихся на протяжении всего времени действия вынужденной и естественной конвекции. С другой стороны, анализ возможных аналитических решений соответствующей системы дифференциальных и интегральных уравнений, описывающих турбулентное движение жидкости, показывает их ограниченность в приложении к технологическому циклу заливки конкретных форм. Ввиду значительной сложности гидродинамических и тепловых процессов в расплаве возможности традиционного подхода к их изучению на основе отдельных зависимостей, установленных теоретически и опытным путём, оказываются неизбежно ограниченными.

Требования потребителя к качеству и свойствам литых изделий продолжают постоянно ужесточаться и обуславливают необходимость глубокого и всестороннего исследования общих и локальных (в пределах способа литья) закономерностей движения расплава при заполнении полости литейной формы, приводящих к образованию литейных дефектов (эрозия стенок формы, плёно- и шлакообразование, распределение газовых и неметаллических включений, горячие трещины и др.).

Наиболее приемлемым из существующих экспериментальных, аналитических и численных методов исследования [2-6], учитывая активное развитие численных методов и возможностей ЭВМ, является математическое моделирование, реализованное в виде методического,. алгоритмического, программного и информационного обеспечения, входящего в состав систем автоматизированного проектирования литейной технологии (САПР JIT), развитию и применению которых посвящена настоящая диссертационная работа.

При использовании средств САПР JIT становится возможным описать образование целого ряда литейных дефектов отливок, в основе возникновения которых лежат сопряжённые гидродинамические и тепловые процессы при заливке полости форм. САПР J1T становятся всё бох/ее важным, основным инструментом повышения научного уровня и надёжности литейной технологии в условиях непрерывно возникающих проблем обеспечения качества отливок и завоевания рынка технологий в XXI веке.

6. ВЫВОДЫ

В диссертационной работе сформулирована сопряжённая задача теплообмена и гидродинамики расплава, составленный алгоритм реализован отдельными программными модулями, которые вошли в состав САПР "POLYCAST". Разработанные модели применены для анализа тепловых и гидродинамических процессов, происходящих во время заливки расплава в литейную форму. Получены следующие результаты.

1. Разработан комплекс математического, алгоритмического и программного обеспечения для численного моделирования сопряжённых тепловых и гидродинамических процессов при заполнении литейной формы, с использованием которого решён ряд задач

- прогнозирования литейных дефектов и диагностики технологических условий.

2. На основе компьютерного анализа циркуляции расплава в полости литейной формы установлены закономерности формирования струйно-вихревой структуры потока, заполняющего форму. В зависимости от условий подвода металла, конфигурации формы, свойств расплава и материала формы в процессе заливки изменяются интенсивность развития вынужденной и естественной конвекции, пространственные и энергетические соотношения струйных потоков, вихревых и застойных зон.

3. Разработана и реализована компьютерная модель для численного анализа влияния сил различной природы, действующих на шлаковую частицу в циркулирующем расплаве. Моделирование движения шлаковых частиц позволяет произвести диагностику применяемой технологии в отношения улавливания частиц шлака и неметаллических включений, образующихся в полости формы.

4. Разработана модель возникновения эрозии стенок шероховатой формы под влиянием силового воздействия пристеночного потока, на основе которой реализована диагностика участков формы, подверженных эрозионному разрушению при циркуляции заполняющего форму расплава.

С помощью численного моделирования образования и эрозии твёрдой корки установлены факторы, определяющие её расплавление и размыв под действием потока перегретого металла. На основе компьютерного анализа технологических факторов, вызывающих эрозию корки, получены рекомендации по обеспечению безопасного изготовления стальных слитков в водоохлаждаемых изложницах.

Разработана компьютерная модель для количественной оценки условий возникновения фонтанирования при вертикальном сифонном подводе металла, на основе которой для предупреждения фонтанирования получено критериальное соотношение, связывающее силы инерции, вязкости и гравитации (Re, Fr) с геометрическими факторами поступления расплава в форму.

Представленные результаты проведённых исследований и их успешное применение для технологического анализа условий заполнения форм (в том числе, при тиксолитье для потока, содержащего значительную долю твёрдой фазы) обосновывают ' необходимость и доказывают 1 эффективность применения разработанного аппарата сопряжённого теплового и. гидродинамического моделирования процессов, происходящих в полости литейной формы, с целью диагностики технологии и прогнозирования дефектов.

1. А.А.Рыжиков. Технологические основы литейного производства. - М.: Машгиз, 1962,527с.

2. В.П.Гребенюк, В.А.Ефимов. Экспериментальные методы определения гидродинамических параметров при течении жидких металлов. Изд.институга проблем литья АН УССР, К., 1975, 39с.

3. С.Е.Самохвалов, А.П.Огурцов. Численные методы исследования гидродинамических и тепломассопереиосных процессов сталеплавильного производства. К., 1993,220с.

4. Расчёты металлургических процессов с использованием ЭВМ. Методические указания. - Л.: ЛПИ, 1986.

5. Е.Д.Таранов, В.Г.Глушенко. Исследование гидродинамических процессов при литье фасонных отливок. К., 1984, 50с.

6. В.В.Тиняков. Разработка технологии непрерывной разливки стали на основе исследования гидродинамики потоков металла в промежуточном ковше для получения высококачественных слябов. Афтор. на соиск. уч.ст. к.т.н. М., 2003.

7. Жидкие металлы. Сборник статей. М.:Госатомиздат, 1963,325с.

8. Гидродинамика расплавленных металлов. Труды первого совещания по теории литейных процессов, М.:Изд.Акад.Наук, 1958,240с.

9. П.Ф.Василевский, А.А.Жуков и др. Вопросы теории литейных процессов. -М.:Машгиз, 1960, 693с. .

10. Б.Б.Гуляев. Литейные процессы. М.: Машгиз, 1960,416с.

11. Ю.А.Нехендзи. Стальное литьё. М.:Металлургиздат, 1948,766с.

12. Л.ГЛойцянский. Механика жидкости и газа. М.:Наука, 1987, 840с.

13. Е.И.Рабинович и др. Гидродинамика жидкой стали в изложнице. Сталь, 1957, №1, с.24-30.

14. А.М.Скребцов. Радиоактивные изотопы в сталеплавильных процессах. -М.гМеталлургия, 1972,90с.

15. А.И.Вейник. О влиянии конвекции на процесс затвердевания слитка. -Литейное производство, 1951, №3, с.14-16.

16. А.М.Скребцов, Л.Е.Бойчук. Особенности гидродинамики расплава в жидкой сердцевине кристаллизующегося слитка. Формирование стального слитка. -М., 1986,с.25-28. '

17. Н.М.Гапдин и др. Цветное литьё. М.:Машиностроение, 1989.

18. Г.П.Иванцов. Приближённый способ расчёта кристаллизации слитка. Сб. «Теплотехника слитка и печей». Труды ЦНИИЧМ, вып.2/5, Металлургиздат, 1953.

19. А.И.Вейник. Испытания кокильных красок на теплопроводность. -• М.:Машгиз, 1956.2023,24,25,26,27,28,29,30.