Разработка модели технологического процесса получения ребристых труб и ее апробация - Технология - Скачать бесплатно
является более длительной
операцией по сравнению с операцией изготовления стержня. Длительность
операции сушки зависит от требуемой температуры, массы стержня и других
факторов. Продолжительность сушки может достигать нескольких часов.
Процессы, происходящие при сушке, а также температура сушки зависят от
типа связующих. При сушке стержней, изготовленных с применением сульфитной
барды, происходит испарение воды, образуется смола, которая обладает
упрочняющими свойствами. Температура сушки этих смесей составляет 165-
190(С[27].
[pic]
Рис.3-6. Схема набивки стержневого ящика
4 АНАЛИЗ БРАКА ПОЛУЧЕННЫХ ОПЫТНЫХ ОТЛИВОК И ПУТИ ЕГО УСТРАНЕНИЯ
В процессе разработки технологии и совершенствовании ее от первого
варианта (рис.2-2, а) ко второму (рис.2-2, б), получали отливки, в которых
наблюдался брак, связанный с различными факторами. Анализ различных видов
брака при литье ребристых теплообменников (радиаторов) позволил предпринять
ряд мер по его предотвращению, что, в свою очередь, вносило коррективы в
разработанную технологию.
Тонкостенное литье, каким является радиаторное производство, имеет свои
специфические особенности. При тонкостенном литье особенно часто
наблюдается, что один и тот же вид брака вызывается разными причинами.
Только детальное изучение характерных внешних признаков каждого вида брака
с нахождением отличительных, решающих признаков позволяет верно
классифицировать брак, а следовательно, выявить действительную причину.
Так, например, радиатор не выдерживает гидравлической пробы и дает
течь или потение вследствие наличия следующих дефектов:
1) спая;
2) засоров (земляных и шлаковых);
3) раковин (газовых, усадочных);
4) пористой структуры металла;
5) тонкого тела (1-1.5 мм).
Часто этот вид брака относят за счет неудовлетворительной земли или
пористого (вследствие крупной графитизации) металла. В действительности
брак вызывается совокупностью причин, связанных с неправильной формовкой,
заливкой и плохим качеством земли и металла.
Причины брака по вине формовки:
1) модель не засеяна (с крупных кусков гравия и металла легко смывается
земля);
2) формы и стержни не продуты;
3) модель не очищена от приставших частиц земли (особенно резко
сказывается при горячей влажной земле);
4) не отделан литник (чаша имеет обрывистую, не гладкую поверхность);
5) сдвинуты опоки.
Размывание земли металлом (струя не попадает в середину литника),
незаполнение литниковой системы, повышенная скорость заливки и
зашлаковывание обусловливают получение бракованных радиаторов.
Из числа причин, связанных с качеством земли, следует отметить
следующие:
1) недостаточная связность (недостаток глины, плохая механическая
обработка);
2) низкая влажность (меньше 4.5 %);
3) малая газопроницаемость;
4) запыленность;
5) крупнозернистый песок.
Рис.4-1. Недолив
Металл, содержащий газовые и усадочные раковины (высокозернистый,
окисленный металл), и холодный металл (температура ниже 1340 (С) также
является причиной брака. Пористость чугуна в радиаторах обусловлена крупной
графитизацией.
Самым характерным видом брака является непроливаемость тонких ребер
поверхности теплообмена радиатора (рис.4-1). Такой вид брака возможен по
двум причинам: “замерзание” металла и неудовлетворительный газовый режим
формы. С целью улучшения газового режима формы в полуформе верха для
каждого ребра были выполнены наколы, что заметно снизило количество не
проливаемых ребер. Для полного устранения этого дефекта необходимо
обеспечить подпитку каждого ребра свежими порциями металла. С этой целью
предусмотрены пенополистироловые вкладыши (рис.2-2, б), которые
вкладываются в процессе формовки между каждым ребром в верхней его части и
после удаления модели остаются в форме (рис.2-3). В процессе заливки формы
пенополистирол разлагается и образовавшийся канал связывает все ребра между
собой и двумя массивными фланцами. По этому каналу осуществляется подпитка
ребер жидким металлом до полного их заполнения. Таким образом полностью
исключается брак по непроливаемости ребер (рис.4-2).
Рис.4-2. Годная отливка
Однако, ввод в форму пенополистироловых вкладышей приводит к повышению
газотворности формы, что в свою очередь приводит к такому дефекту как
газовые раковины. На рис.4-3 показан характерный вид брака для данной
отливки - газовая раковина на фланце. Для предотвращения этого вида брака
необходимо улучшить систему вентиляции формы. С этой целью на отливке
установлены два выпора (рис.2-2, б). Выпора, в совокупности с
вентиляционными каналами, обеспечивают своевременный отвод газов из полости
формы. Для того, чтобы система выпоров сработала, необходимо также
предотвратить их замерзание, т.к. если выпор закристаллизуется раньше, чем
весь металл в форме, то он закроет выход газа из полости формы и газ
останется в металле. Такое явление наблюдалось на ряде отливок. Для
исключения этого явления необходимо увеличить площадь сечения выпора. Такой
выпор играет двойную роль: обеспечивает своевременный выход газа и
подпитку отливки жидким металлом во время кристаллизации, выполняя роль
прибыли. Таким образом предотвращаются газовые дефекты и усадочные
раковины, которые возможны при заливке в форму перегретого металла.
Следующим наиболее крупным видом брака являются засоры полости формы.
Извлечение модели из формы, вследствие обширной поверхности их
соприкосновения, затруднительно. В результате происходит частичное
разрушение формы, что приводит к засорам ее полости. Удалить эти частицы
из полости формы практически не возможно из-за очень тонкого и глубокого
рельефа отливки. В результате, в процессе заливки происходят песчаные
раковины в теле отливки, что отрицательно сказывается на ее герметичности,
и на поверхности ребер, что сокращает площадь поверхности теплообмена
(рис.4-4). Снизить эти виды брака позволяет применение протяжного шаблона с
резьбовым протяжным устройством (рис.2-4).
Рис.4-3. Газовые раковины
Рис.4-4. Засоры
Рис.4-5. Образцы вырезанные из тела отливки
Газовая пористость, наблюдаемая на некоторых ребристых трубах
(“потение” поверхности в результате гидроиспытаний), связана с газотворной
способностью стержня. Для ее исключения необходимо строго следить за
режимом сушки стержня и временем его нахождения в форме до заливки. Время
нахождения стержня в собранной форме до заливки не должно превышать 4-6
часов.
Остальные виды брака также вскрываются при гидроиспытаниях отливок. Эти
виды брака связаны с тем, что радиаторы не держат давление испытания 11
кгс/см2. К таким видам брака относятся усадочная пористость и дефекты
связанные со структурой металла и его плотностью. На рис.4-5 представлены
образцы вырезанные из тела отливки в тепловых узлах (рис.4-6). На некоторых
шлифах выполненных из этих образцов обнаружена усадочная пористость (рис.4-
7). Для устранения этих дефектов необходимо стабильное получение строго
определенной структуры чугуна, в частности перлитной.
[pic]
Рис.4-6. Тепловые узлы
Рис.4-7. Усадочная пористость
5 ПОСТРОЕНИЕ ПРИБЛИЖЕННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СКОРОСТИ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ
ОТЛИВКИ
1 ОСНОВЫ ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Н.Г.Гиршович, Г.Ф.Баландин, Б.Я.Любов и Ю.А.Самойлович на основании
синтеза теплофизической и молекулярно-кинетической теории создали
математическую модель [35], позволяющую решить вопросы, связанные с
особенностями формирования кристаллического строения слитков. Для сплава,
кристаллизующегося в интервале температур ТL - ТS, залитого в форму при
температуре ТН, в некоторый промежуточный момент затвердевания
распределение температур представлено на рис.5-1 [34].
[pic]
Рис.5-1. Схема температурных полей затвердевающей отливки
Процесс затвердевания развивается в двухфазной зоне расплава,
прилегающей к твердой корке. На рис.5-1 представлена схема температурных
полей: Т1(x,t) - температурное поле в незатвердевшем расплаве, Т2(x,t) - в
двухфазной зоне и Т3(x,t) - в твердой корке; (1(t) и (3(t) - соответственно
координаты фронтов начала и конца затвердевания.
Если внутри интервала кристаллизации сплава выбрать температуру,
равную, например, 1/2((ТL + TS ), и принять, что к моменту ее достижения в
двухфазной зоне практически заканчивается процесс кристаллизации (рис.5-1),
то кинетику затвердевания можно характеризовать скоростью нарастания
твердой корки ((t). Для математического описания такого варианта схемы
можно использовать все уравнения и соотношения, которые были получены
Г.Ф.Баландиным [34] применительно к схеме затвердевания металлов и
эвтектик. Необходимо лишь вместо (3(t) подставить координату (2(t)
условного фронта затвердевания (рис.5-1) и Ткр заменить 1/2((ТL + TS):
[pic]
(5-1)
[pic]
(5-2)
[pic]
(5-3)
[pic][pic]
(5-4)
[pic]
(5-5)
Несмотря на очень грубую схематизацию процесса затвердевания, с помощью
рассмотренного способа математического описания можно достаточно просто,
но, естественно, приближенно рассчитать линейную скорость затвердевания U,
которая необходима для практического применения экспериментальных данных и
диаграмм, устанавливающих связь свойств и структуры отливки со скоростью ее
затвердевания [34].
Данная математическая модель справедлива для отливки в виде
неограниченной плиты. Правомерно ли ее использование в данном случае ?
[pic]
Рис.5-2. Схемы для сравнения плоской и полой цилиндрической отливки
Сравним плоскую отливку (плиту) с простейшим полым бесконечным
цилиндром (рис.5-2), т.к. в нашем случае основной элемент конструкции
отливки теплообменник - труба, т.е. полый цилиндр.
Известно, что все поверхности, ограничивающие плиту, имеют радиус
кривизны, равный бесконечной величине. Поэтому, если радиус кривизны
боковых поверхностей плиты обозначить через r0, то отношение 2l0/r0 = 0.
Следовательно, любую неплоскую отливку, у которой отношение толщины s ее
тела к радиусу кривизны r0 ее поверхности будет весьма малой величиной,
можно приближенно рассматривать как плоскую, т.е. если
[pic]
(5-6)
то отливка плоская.
Еще одно очевидное свойство плоской отливки в том, что у нее обе
боковые поверхности F1 и F2 равны друг другу. Поэтому любую неплоскую
отливку, у которой отношение
[pic]
(5-7)
можно приближенно рассматривать как плоскую. Неравенство (5-6) и
выражение (5-7) связаны между собой. Так, для полого цилиндра (втулки)
[pic]
(5-8)
Допустим, что при приближенных расчетах затвердевания возможно
пренебречь разницей, составляющей 20 %, между площадями наружной F1 и
внутренней F2 поверхностей тела отливки. Другими словами, примем, что при
F2/F1 = 0.8 величина F1 ( F2. Тогда для полого цилиндра s/r0 = 0.2.
Следовательно, можно условиться, что при [34]
[pic]
(5-9)
отливки тонкостенные, и в расчетах затвердевания они являются плоскими.
Анализ номенклатуры литых деталей машиностроения и приборостроения
показывает, что подавляющее большинство отливок удовлетворяет требованию (5-
9); это - корпусные детали, детали арматуры, кронштейны, станины и т. п.
Правда, соответствие требованию (5-9) нельзя понимать в буквальном смысле.
На таких деталях, конечно, есть бобышки, приливы, утолщения, ребра и другие
элементы, толщина которых отличается от толщины основного тела. Говоря о
соответствии требованию (5-9) имеем в виду толщину и радиусы кривизны
поверхности основного тела (или среднюю толщину тела и средний радиус
кривизны для детали в целом) [34].
Отливка теплообменник удовлетворяет этим условиям, т.к. s = 8 мм, r0=
38 мм,
[pic]
(5-10)
Следовательно, данная математическая модель справедлива для расчетов
затвердевания отливки теплообменник.
2 РАСЧЕТ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ
Используя общее решение задачи затвердевания с помощью математической
модели (5-1)-(5-5) возможно решить конкретные инженерные задачи, связанные
с затвердеванием отливки.
Так, для данной отливки возможно произвести расчет ее затвердевания.
Продолжительность затвердевания отливки t3 определяем по формуле [34]:
[pic]
(5-11)
где LE - удельная теплота кристаллизации эвтектики, Дж/кг;
b4 - коэффициент теплоаккумуляции формы, Дж/м2К(с0,5 или
Вт(с1/2/м2К;
R0 - приведенный размер;
ТЕ - температура эвтектики сплава, К;
(3 - плотность отливки, кг/м3;
Тф - температура формы, К;
t1 - время полного охлаждения перегретого расплава, К.
[pic]
(5-12)
где С1 - удельная теплоемкость расплава, Дж/кг(К;
(1 - плотность расплава, кг/м3.
ТН = 1/2 (Тn + ТL), Тн ( Тзал;
ТН = 1/2 (Тзал + ТL),
где Тзал - температура заливки, К;
ТL - температура ликвидуса, К.
[pic]
Рис.5-3.
На рис.5-3,а приведена кривая изменения скорости затвердевания тела
отливки в зависимости от времени. Расчет выполнен по
[pic]
(5-13)
где VЕ - температура эвтектики,
для t ( t1.
На рис.5-3, б представлено распределение линейной скорости
затвердевания в теле отливки. График построен по формуле
[pic]
(5-14)
при к = 0,
где l0 = r0 - характерный приведенный размер, равный половине
толщины отливки.
Распределение скорости затвердевания неоднородно: в центре тела
скорость более, чем в 2 раза меньше скорости у поверхности (рис.5-3). С
помощью структурной диаграммы [34] по средней скорости затвердевания и
скорости затвердевания у поверхности и в центре отливки, а также
химическому составу чугуна (чугунный лом - тормозные колодки от
железнодорожных вагонов, химический состав: Si - 1.18 %, Mn - 0.61 %, C -
3.47 %, P - 0.185 %, S - 0.083 %) и НВ = 229, определяем структуру чугуна.
Судя по этой диаграмме, основной структурой данной отливки является феррит,
причем концентрация его от поверхности к середине увеличивается, что и
подтверждает структура реальной отливки (рис.5-4).
Рис.5-4.
Эта структура является не желательной для отливки теплообменник, т.к.
ферритная структура плохо работает при повышенных давлениях, в результате
чего отливка дает течь. Необходимо изменить ферритную структуру на
перлитную.
3 ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ
Для приближенного инженерного решения математической модели и
построения графиков скорости затвердевания и эквивалентной скорости
затвердевания (рис.5-3) с помощью ЭВМ, использовалась авторская программа.
Программа написана на языке высокого уровня TURBO Pascal 7.0.
Результаты расчетов выведены на магнитные носители информации при
помощи САПР “Аuto CAD 12”.
Исходные данные для расчета и текст программы см. приложение.
6 ГЕРМЕТИЧНОСТЬ ЧУГУНОВ
Под герметичностью чугуна понимают его способность противостоять
проникновению через него находящихся под давлением жидкости или газа [24].
Герметичность чугуна во многом зависит от физического его состояния и,
в частности, от наличия в нем пористости. Герметичность и пористость чугуна
являются взаимно связанными величинами, одна из которых обусловливает
другую. Поэтому оценка герметичности чугуна в дальнейшем будет произведена
на основании пористости.
1 РАЗНОВИДНОСТИ НАРУШЕНИЙ ПЛОТНОСТИ СЕРОГО ЧУГУНА
Целесообразно различать следующие виды пористости чугуна:
а) микропористость - обуславливается пространством графитовых
включений, а также межкристаллическим пространством;
б) макропористость - является следствием образования рассредоточенной
пористости типа усадочной, газовой и пр.
в) грубая пористость - имеет место при образовании в отливках грубых
пороков, таких как усадочные, песчаные, шлаковые раковины, трещины,
неслитины и т.
1 Микропористость
При анализе микропористости полагаем:
- что плотность графитных включений не зависит от формы, характера и
залегания, и во всех случаях равна 2.25 г/см3;
- межкристаллическое пространство по сравнению с объемом графитовых
включений очень мало и поэтому в дальнейшем оно учитываться не будет;
- плотность основной металлической массы для всех исследуемых образцов
чугуна является постоянной величиной, равной 7.8 г/см3 .
На основании принятых выше условий можно предполагать, что
микропористость чугуна в основном образуется за счет пространства,
занимаемого графитными включениями [24]. Пространство графитных включений
определяется количеством свободного углерода - Сгр:
Сгр = Собщ - Ссвяз,
(6-1)
Общее содержание углерода Собщ и связанный углерод определяются
химическим анализом. Кроме того, количество связанного углерода
определяется структурой металлической основы, при этом
Ссвяз = 0.8(Кп,
(6-2)
где Кп - количество перлита в металлической основе чугуна.
При определении микропористости целесообразно пользоваться
относительными величинами количества и объема графита, а также основной
металлической массы чугуна [24].
Если обозначить:
(гр - удельный вес графита;
(м - удельный вес металлической основы чугуна;
gгр - относительный вес графита в чугуне;
gм - относительный вес;
Кгр - относительный объем графита в чугуне;
Км - относительный объем металлической части чугуна,
тогда относительный объем графита и металлической части
чугуна определяются по формулам (6-3),(6-4).
[pic]
(6-3)
[pic]
(6-4)
где Vгр и Vм - абсолютные объемы графита и металла.
Формулы (6-3),(6-4) позволяют определить относительный объем графита и
металлической основы чугуна в зависимости от
|
