Теплотехнический анализ продолжительности кристаллизации и скорости остывания чугуна

18.10.2019

Продолжительность процессов кристаллизации, остывания и перекристаллизации металла отливок в формах определяется исключительно тепловыми факторами, анализ которых привлек большое внимание исследователей. Хотя все полученные решения являются приближенными, однако для цели, поставленной в настоящей главе, т. е. для принципиального анализа разных факторов на продолжительность кристаллизации, этого достаточно. Более того, в нашем случае вполне возможно ограничиться рассмотрением наиболее простых решений. В частности, для литья в песчаную форму пригодно уравнение (I.19), из которого следует, что определяющими факторами продолжительности затвердевания в простейших условиях являются тепловая активность формы (bф), объемная теплота кристаллизации металла (Ly) и избыточная критическая температура (0кр =0эвт). Тепловая же активность металла, его теплопроводность и температуропроводность не имеют практического значения, так как они велики по сравнению с соответствующими свойствами формы. В реальных условиях следует еще учесть перегрев металла при заливке Atпер и наличие интервала кристаллизации (Atинт), но при песчаной форме этот учет производится очень просто:
Теплотехнический анализ продолжительности кристаллизации и скорости остывания чугуна

где тк — продолжительность кристаллизации;

Q = L + с (Atинт+Atпер) — общее количество тепла, выделяемое при кристаллизации (скрытое и физическое).

Учитывая, что Atинт = 220 (1—Sэ'), что теплота кристаллизации возрастает при графитизации примерно на 450 кал на 1 Г графита и что при эвтектическом превращении выделяется примерно 2,25% графита, можно формулу (II.50) представить в развернутом виде:

Из этого выражения ясно, что продолжительность кристаллизации зависит не только от указанных ранее факторов, но и от эвтектичности (относительного количества эвтектики Sэ') и графитизации, при которой теплота кристаллизации, как это принято в формуле (II.50а), увеличивается на 10Sэ'.

При литье в металлические формы упрощенная формула (II.50) неприменима. He останавливаясь на соответствующих решениях, необходимо указать, что влияние разных факторов (за исключением интервала кристаллизации и графитизации) проявляется здесь принципиально иначе, в частности в случае металлических форм конфигурация отливки не может быть учтена ее приведенной толщиной, как это возможно при литье в песчаные формы. Расчеты показывают, что ускоряющее действие металлических форм на продолжительность затвердевания зависит от конфигурации отливок (при одном и том же значении R). Соответствующее ускорение процесса по сравнению с песчаной формой в среднем представляется для отливок разной конфигурации следующим образом:

Таким образом, затвердевание в металлических формах при одной и той же приведенной толщине отливок происходит значительно быстрее, чем в песчаных формах. При этом наибольшая разница наблюдается на плитообразных отливках, наименьшая — на шаровых. Влияние остальных факторов качественно такое же, как при литье в песчаные формы.

Аналитическое решение задачи об остывании отливок в твердом состоянии оказывается еще сложнее, чем задача о затвердевании, так как при остывании все время изменяются температуры отливок, формы и поверхности раздела. Влияние фактора времени в этом периоде можно характеризовать как продолжительностью, так и скоростью остывания. Точное решение и в этом случае пока невозможно, приближенные решения обычно страдают либо большой неточностью, либо большой сложностью. Из простых решений наилучшие результаты для литья в песчаные формы дают приближенное решение А.И. Вейника и полуэмпирическая формула О.Ю. Коцюбинского, которые после простых преобразовании можно представить в виде

где тк, тост и т — продолжительность кристаллизации, остывания и общая продолжительность процесса.

Обе формулы одинаково оценивают продолжительность кристаллизации и по-разному — продолжительность остывания, которая легко определяется из формул (II.51) или (II.52) и (II.50), а именно:

Формулы (II.51) и (II.52), а также (II.53) и (II.54) не учитывают задержки процесса при у —> a-превращении, при котором выделяется теплота Lперл, в пределах от 8 до 22 кал/Г, возрастающая с количеством феррита в структуре; с целью учета этого фактора следует сделать поправку на продолжительность остановки при у —> a. превращении по формуле

где хтперл — продолжительность перлитного превращения;

dt/dт скорость охлаждения в этом периоде.

Анализируя формулы (II.53) и (II.54), можно видеть, что они различаются только последними множителями. Оценить их влияние, а следовательно, и соотношение в продолжительности остывания по обеим формулам возможно следующим образом:

Таким образом, формулы дают близкие результаты для начала процесса остывания и сильно расходящиеся — для конца процесса (формула О.Ю. Коцюбинского дает более точные результаты для средних температур, но неприемлема для низких температур, на что указывает и сам автор). Как легко видеть, продолжительность остывания отливок тем больше, чем больше симплекс - Ryc/bф, ниже температура остывания (0) и больше продолжительность кристаллизации (Q/0эвт),оказывающая воздействие вследствие подогрева формы. Продолжительность охлаждения и остывания пропорциональна R2, поэтому кривые остывания отливок разной толщины идентично представляются в координатах т/R2 — t (рис. 112).

Вопрос еще больше усложняется при литье в металлические формы, когда кроме внешних факторов начинают играть роль и внутренние (теплофизические константы металла). Однако в большинстве случаев остывание отливок при литье в металлические (в том числе и водоохлаждаемые) формы происходит на воздухе (отливки после затвердевания удаляются из формы), а этот процесс достаточно подробно рассмотрен в теории теплопередачи. Как видно из рис. 113, температура отливок в этом случае понижается с увеличением критериев Bi = aR/Л и F0 = т/R2, т. е. с увеличением коэффициента теплоотдачи а, теплопроводности металла А и времени т и с уменьшением приведенной толщины отливки R. Влияние разных факторов зависит от интенсивности теплообмена. При малых значениях Bi (—0,1) влиянием перепада температур по сечению, конфигурации отливки и теплопроводности металла можно пренебречь. В этом случае критерии Bi и Fo играют примерно одинаковую роль, и понижение температуры определяется произведением этих критериев

По мере увеличения критерия Bi перепад температур по сечению увеличивается, цилиндр начинает охлаждаться интенсивнее плиты, и размеры отливки и теплопроводность металла начинают приобретать все большее значение, так как относительная роль критерия Fo при этом увеличивается.

Таким образом, анализ продолжительности процессов кристаллизации и остывания отливок в разных формах показывает, что в общем случае определяющими факторами являются: конструкция отливок, технология формы, температура и тепловые константы формы, химический состав и тепловые константы металла, температура заливки и условия выбивки отливок из форм.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна