Новости проекта » 3 ноября 2012 г. Экзотермические вставки

Начиная с версии 14.0 СКМ ЛП «ПолигонСофт» позволяет использовать функции моделирования тепловых и усадочных процессов при наличии вставок из экзотермических смесей. В общем случае экзотермические вставки применяют при стальном литье в разовые формы. Чаще всего химические процессы, обеспечивающие тепловыделение в экзотермической смеси, начинаются при нагреве до 1000−1200 С.

Наиболее общее представление о сути влияния экзотермических вставок на формирование отливки можно сформулировать следующим образом (из материалов поставщиков экзотермических смесей).

Экзотермические смеси представляют собой порошкообразный состав на основе оксидов металлов и алюминия. Основная цель — исключение брака отливок по дефектам усадочного характера путем местного разогрева жидкого металла до 1200−1800°С. В результате процесса окислительно-восстановительных реакций от влияния жидкого металла, происходит обогрев прибыли. Таким образом, приостанавливается затвердевание расплава и создается дополнительное газовое давление на металл в зоне экзотермической реакции, что повышает эффективность работы прибыли и не позволяет образоваться усадочным раковинам в теле отливки.

Однако, следует иметь ввиду, что это не совсем верно. Наличие дополнительного газовыделения вряд ли можно считать положительным фактором, кроме специальных случаев применения экзотермических вставок в закрытых прибылях металлических (не газопроницаемых) формах. Такого рода случаи моделируются т.н. «штатным» образом в рамках базовых моделей учета внешнего давления в т. ч. и по поверхности прибыли. Кроме того, следует иметь ввиду, что речь идет не о разогреве жидкого металла, как таковом, а о поддержании некоторой температуры (обычно около 1200 С) в области экзотермической вставки (вокруг прибыли) в течении некоторого (достаточно ограниченного) времени. Причем, чаще всего, это время на порядки меньше времени затвердевания прибыли. И, казалось бы, это само по-себе в общем случае не должно иметь решающего эффекта. Тем не менее, применение экзотермических вставок может быть весьма эффективным с точки зрения уменьшения усадочных дефектов в теле собственно отливки. За счет вывода усадочных дефектов в прибыль. Чаще всего это связано в основном с тремя факторами.

Первый фактор — это обеспечение отсутствия контакта горячего металла (для стали 1500−1700 С) с холодной разовой формой (20 С) в первые моменты времени после полного заполнения. Для разовых форм (обычно малотеплопрводных — 1.5−0.5Вт/(м*К)) это относительно небольшой промежуток времени, т.к. поверхностные слои малотеплопроводной формы очень быстро прогреваются. (В отличие от относительно высокотеплопроводных металлических форм, когда поверхностные слои долго остаются «холодными».) Однако, даже при малотеплопроводных (формовочные и стержневые смеси) формах в первые моменты времени формируется т.н. «экстремальное» распределение температур при котором со стороны жидкого металла температура около 1500−1700 С, а со стороны формы температура около 20 С. Причем, этот «разрыв» температур происходит практически в одной точке — на границе раздела поверхности металла и формы. Это в начальные моменты времени ухудшает влияние прибыли как теплового узла. Но главное, это может сформировать нежелательную последующую кинетику затвердевания, которая будет сказываться достаточно длительное время в процессе затвердевания, если геометрия отливки и формы «неудачна». При наличии экзотермической вставки, которая немедленно начинает выделять тепло, этот начальный эффект практически исключается в области прибыли. Проще говоря, начальная температура той области формы, которая сформирована из экзотермической смеси будет высокой.

Второй фактор — это поддержание относительно высокой температуры (интегрально по объему) практически во всей области экзотермической вставки вокруг (или сверху) прибыли. Обычно около 1200 С. Это чаще всего довольно короткодействующий фактор по сравнению с временем затвердевания прибыли, которую оформляет экзотермическая вставка. Производители (поставщики) экзотермических смесей обычно придают ему главное значение. Однако, простейшие численные расчеты показывают, что этот фактор в подавляющем большинстве случаев имеет минимальное значение. Обычно время «работы» экзотермической вставки на 1.5−2 ПОРЯДКА меньше времени затвердевания оформлеямой ею прибыли.

Третий и, чаще всего, самый главный фактор заключается в том, что теплофизические свойства уже «прогоревшей» смеси существенно отличаются от даже самой малотеплопроводной формовочной или стержневой смеси. Поэтому «прогоревшая» экзотермическая вставка играет роль теплового изолятора. Для сравнения можно привести следующие цифры. Обычная формовочная (стержневая) смесь имеет теплопроводность 1.5−0.8 Вт/(м*К). «Прогоревшая» экзотермическая смесь (при некоторых составах) может иметь теплопроводность менее 0.06 Вт/(м*К) — это меньше т.н. «эффективной» теплопроводности воздуха при высоких температурах. Т. е. речь идет о том, что после полного прогорания экзотермическая вставка превращается в очень эффективный тепловой изолятор, который существенно блокирует как конвективную, так и радиационную составляющую теплопередачи даже на внешней поверхности прибыли. На самом деле тут надо учитывать и объемную теплоемкость «прогоревшей» экзотермической вставки, поэтому уменьшение теплопроводности на ПОРЯДОК — не значит, что это абсолютный теплоизолятор, но теплоизолирующий эффект экзотермической смеси очень высок.

Для примера рассмотрим несколько вариантов реальной литейной технологии. На рис. 1 показана расчетная конечно-элементная геометрическая модель (ГМ) стального слитка, заливаемого в реальном производстве в кокиль с применением экзотермических плит.

Рис. 1 ГМ Слиток с экзотермической плитой сверху прибыли Рис. 1 ГМ Слиток с экзотермической плитой сверху прибыли
Рис. 1 ГМ Слиток с экзотермической плитой сверху прибыли Рис. 1 ГМ Слиток с экзотермической плитой сверху прибыли

На рис. 1 видно, что технология получения стального слитка предусматривает наличие сверху прибыли специальной экзотермической плиты. Поставщик этих плит декларирует, что данная экзотермическая плита при соприкосновении с расплавленным металлом начинает выделять тепло и обеспечивает температуру плиты не ниже 1200 С в течении не менее 300 с. В данном случае задаем эти параметры в качестве температурных характеристик экзотермической вставки (см. рис.2)

Рис.2 Задание температурно-временных характеристик экзотермической плиты Рис. 2 Задание температурно-временных характеристик экзотермической плиты
Рис.2 Задание температурно-временных характеристик экзотермической плиты Рис. 2 Задание температурно-временных характеристик экзотермической плиты

Кроме того, необходимо, как и для всех прочих материалов формы, задать теплофизические свойства экзотермической смеси. Для примера на рис. 3 показано, как эти свойства для соответствующей области ГМ задаются из базы материалов СКМ ЛП «ПолигонСофт».

Рис.3 Задание теплофизических характеристик экзотермической плиты Рис. 3 Задание теплофизических характеристик экзотермической плиты

На рис. 4 показаны тепловые поля через 300 с после заливки для двух технологий. В левой части показана технология с применением экзотермической плиты в момент, когда экзотермический эффект перестает действовать (плита «прогорела»). В правой части рис. 4 показана технология без экзотермической плиты — вместо нее присутствует плита из обычной стержневой смеси.

Рис.4 Тепловые поля через 300 с. Слева - плита из экзотермической смеси, справа - из стержневой смеси Рис. 4 Тепловые поля через 300 с. Слева — плита из экзотермической смеси, справа — из стержневой смеси Рис.5 Тепловые поля через 4 часа. Слева - плита из экзотермической смеси, справа - из стержневой смеси Рис. 5 Тепловые поля через 4 часа. Слева — плита из экзотермической смеси, справа — из стержневой смеси

На рис. 4 показано, что на момент полного прогорания экзотермическая плита по всему объему имеет температуру 1200 С. Далее она начнет вести себя как обычный материал — без тепловыделений. Однако, как было указано выше, эта плита будет весьма эффективным теплоизолятором (утеплителем). Для технологии с обычной плитой, ее температура в начальные моменты времени близка к температуре среды -20 С. Кроме того ее теплофизические свойства таковы, что она в гораздо меньшей мере играет роль теплового изолятора (утеплителя).

В дальнейшем, на конечных стадиях затвердевания температурные поля формы будут примерно одинаковы в обоих случаях, в том числе и в области плит. На рис. 5. показаны тепловые поля через 4 часа. Видно, что температуры экзотермической и обычной плиты близки. Однако, в случае обычной плиты затвердевание разумеется идет быстрее и область незатвердевшего металла несколько меньше. Но самое главное — отчетливо видно, что в этих двух технологиях кинетика затвердевания шла по разному. В случае экзотермической плиты наиболее горячие области до конца остаются в самом верху прибыли. В случае обычной плиты тепловой узел смещается вниз, формируя неблагоприятные условия с точки зрения формирования усадочных дефектов. На рис. 6 показано как сформировались усадочные дефекты в этих двух случаях.

Рис.6 Усадочные поля в слитках при различных вариантах технологии. Слева - плита из экзотермической смеси, справа - из стержневой смеси Рис. 6 Усадочные поля в слитках при различных вариантах технологии. Слева — плита из экзотермической смеси, справа — из стержневой смеси