Разработка и реализация численных моделей для технологического анализа сопряженных гидродинамических и тепловых процессов при заполнении литейной формы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Луковников, Дмитрий Александрович

• Луковников, Дмитрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Луковников, Дмитрий Александрович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и реализация численных моделей для технологического анализа сопряженных гидродинамических и тепловых процессов при заполнении литейной формы»

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.

Заключение диссертации по теме «Литейное производство», Луковников, Дмитрий Александрович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Луковников, Дмитрий Александрович, 2003 год

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.