Сравнительный анализ тепловых полей заготовок из сплава pb-sb и АД в кристаллизаторе переменного сечения

Оглоблин Г.В., Мухин Д.И., Стулов В.В.,

ФГБОУ ВПО «АмГПГУ», Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН,

г. Комсомольск-на-Амуре, Россия

Comparative analysisof thermal fieldsof blanks fromalloyPb-Sbandblood pressurein the moldwith variable cross section.

We study the temperature field blanks of lead and aluminum alloys in the mold with variable cross section. At the same height of blanks, and a fixed temperature.

В работе [1] на основании полученных результатов тепловой работы кристаллизатора, при разливке металлов и сплавов установлены величины плотности тепловых потоков для наклонной и вертикальной стенок. Определены значения коэффициентов теплопередачи кристаллизатора и теплоотдачи заготовок. Установлено, что более 50% тепла разливаемого металла отводится в кристаллизаторе. В исследованиях использовались традиционные методики моделирования на модельных материалах, таких как парафин, свинец, вода. При этом авторы использовали точечный метод фиксации температур с помощью термопар в заданной области кристаллизатора. Полученный материал обрабатывался и давал возможность построить дискретную картину распределения теплового поля. Предлагаемая методика моделирования тепловых процессов также применяет эти материалы, но отображает информацию в пространственном формате видимого диапазона световых волн с использованием термотропных жидких кристаллов.

Цель данной работы:

1. Отработать новую методику моделирования тепловых полей для сплавов свинца и алюминия;

2. Получить картины тепловых полей в видимом формате;

3. Провести сравнительный анализ тепловых полей кристаллизатора при обработке сплавов свинца и алюминия.

Для проведения модельного эксперимента нам потребовалось собрать установку, состоящую из:

1. Натурного кристаллизатора;

2. Заготовок из сплава Pb – Sb, сплава АД;

3. Жидких кристаллов;

4. Муфельной печи;

5. Термометр типа ТМ 90C с цифровым отображением информации.

6. Фоторегистратора «Panasonic DMC –FS42»

В подготовительный период из сплавов свинца, алюминия отливались заготовки по формату полости кристаллизатора.

Заливаем в полость кристаллизатора расплав Pb-Sb и даём ему охладиться, до комнатной температуры. Полученную отливку извлекаем из кристаллизатора и покрываем чёрной эмалью (если это необходимо). Черним бойки кристаллизатора. Разогреваем жидкие кристаллы с мезофазой 27-33 до изотропного состояния. Наносим жидкие кристаллы на отливку и бойки кристаллизатора. Нагреваем бойки кристаллизатора до температуры 26 , а полученную отливку до температуры 161°С. Затем помещаем отливку в кристаллизатор. На рисунке показана динамика развития теплового поля в кристаллизаторе в начальный момент времени (цв. вкл. 20. рис.20.1). Проведём анализ полученной информации так на рис.20.1-35 с (цв. вкл. 20. рис.20.1) представлен процесс формирования теплового поля расплав (его моделирует отливка). Температура отливки больше 33 . В зоне контакта со стенками кристаллизатора создаётся довольно сложная картина теплового поля. Это связано с тем, что стенки и вставки калибровочных губок бойков выполнены из разнородного материала, тем самым на границе раздела создаётся неоднородность перехода в контакте боёк вставка. Это подтверждается чётким рисунком вставок. Тепловой поток, распространяется снизу вверх по вставкам, и это будет продолжаться до тех пор, пока температурное поле вставок по всему своему объёму не выровняется. Об этом свидетельствуют рис.20.1 через 74 с, и рис.20.1 через 100 с (цв. вкл. 20. рис.20.1).

Аналогичную операцию проводим со сплавом алюминия. Отливаем заготовку и даём ей охладиться до комнатной температуры. Опыт с заготовкой проводится аналогично свинцовой. Полученные кадры температурных полей за тот же период времени резко отличаются, хотя повторяют рисунки полей отливки из Pb-Sb рис.20.2. (цв. вкл. 20. рис.20.2). Прослеживается определённая зависимость. Прогрев кристаллизатора идёт снизу вверх. В первую очередь прогреваются вставки, и пока они не прогреются отдача тепла бойкам минимальная. По завершению формирования теплового поля вставок (цв. вкл. 20. рис.20.1-20.2) начинает формироваться тепловое поле в верхней части кристаллизатора, постепенно по всей полости кристаллизатора. Фронт тепловой волны в верхней части имеет сферическую форму с постепенным переходом в плоский для свинцовой и алюминиевой заготовок. Следует отметить, что температура подогрева алюминиевой, свинцовой заготовок 161 . В пристеночной области контакта заготовка – полость кристаллизатора для свинцовой заготовки температура 33°C (цв. вкл. 20. рис.20.1, кадр 35 с) для сплава АД (цв. вкл. 20. рис.20.2, кадр 35 с.) температура 45°С. В то время как температура по оси заготовки 70°С для свинца и 120°С для сплава алюминия на расстоянии 6 мм от верхнего края заготовки и в нижней части кристаллизатора температура для свинца 47°С, для алюминия 100°С.(данные получены с реперных точек термопарой типа ХК цифровым термометром ТМ-90С). Это свидетельствует о том, что в кристаллизаторе переменного сечения создаётся градиент температур. Он характеризует падение температур сверху вниз по оси заготовки.

В конечном счёте, температура свинцовой заготовки для данного случая на 300с выравнивается и становится раной 33°С. Алюминиевой на 300с - 61°С. Процессом выравнивания температур заготовок можно управлять, если обеспечить температурное смещение в кристаллизаторе от внешнего источника тепла. Опыт показывает, что с увеличением температуры смещения увеличивается и температурная составляющая выравнивания температур по всему профилю заготовки. Например: увеличение подогрева с 24°С до 30°С (на 6°С) приводит к увеличению температуры выравнивания в два раза с 61°С до 74°С (на 13°С).

Градировочные шкалы представлены на рисунках (цв. вкл. 20. рис.20.3-20.4).

Вывод.

1.Отработана методика визуализации тепловых полей с помощью жидких кристаллов.

2. Проведён сравнительный анализ тепловых полей по термограммам.

3. Отмечены характерные признаки распространения тепловой волны на границе раздела вставка – боёк.

4. Показана возможность управлять процессом выравнивания температуры расплава температурой смещения от внешнего источника.

Библиографический список:

1. Стулов В.В., Одиноков В.В., Оглоблин Г.В. Физическое моделирование процессов при получении литой деформированной заготовки - Владивосток: Дальнаука,2009.-175с.