Моделирование герметизации отливки из быстрорежущей стали в форме ЛВМ для реализации технологии газодинамического воздействия на расплав

УДК 621.744.52

Д-р техн. наук В. Ю. Селиверстов, канд. техн. наук Т. В. Селиверстова Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепр

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ОТЛИВКИ ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ В ФОРМЕ ЛВМ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ

ТЕХНОЛОГИИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА

РАСПЛАВ

Представлены результаты компьютерного моделирования герметизации блока отливок цилиндрической формы из стали Р18Л, получаемых по действующей технологии в формах литья по выплавляемым моделям. Показана возможность использования газодинамического воздействия на затвердевающий металл при условии изменения конструкции блока.

Ключевые слова: моделирование герметизации, цилиндрические отливки, процесс затвердевания, расплав, газодинамическое воздействие.

Введение

Как известно, специальные способы литья позволяют резко снизить трудозатраты и металлоемкость получаемых отливок, способствуют достижению более высоких физико-механических характеристик и эксплуатационных свойств литого металла. Наряду с дальнейшим усовершенствованием специальных способов гравитационного литья (кокили, керамические, оболочковые, графитовые и др.) проводится разработка новых эффективных методов воздействия на кристаллизующийся металл, к числу которых можно отнести технологию газодинамического воздействия на расплав в форме ЛВМ.

Анализ предыдущих публикаций и постановка задачи

При реализации данной технологии в течение всего процесса затвердевания на жидкий металл оказывается воздействие за счет создания регулируемого газового давления в герметизированной системе отливка-устройство для ввода газа. Процесс предполагает в качестве необходимого условия осуществления наличие на поверхности рабочей полости литейной формы слоя затвердевшего металла к моменту подачи газа в систему отливка-устройство для подачи газа [1-3]. Толщина этого увеличивающегося во времени слоя должна обеспечивать по своим прочностным характеристикам герметичность системы отливка-устройство для ввода газа, находящейся под нарастающим давлением, вплоть до полного затвердевания отливки. При осуществлении газодинамического воздействия на протяжении всего процесса затвердения необходимо поддерживать максимально возможный уровень газового давления, величина которого, в свою очередь, будет обусловливаться прочностными характеристиками образующегося на

поверхности отливки герметизирующего затвердевшего слоя металла. По мере увеличения толщины затвердевшего слоя его прочность будет расти, что дает возможность повышать давление [4, 5]. Результаты ранее проведенных работ показали эффективность данного метода активного физического воздействия на затвердевающий в литейной форме металл при изготовлении отливок как в кокиле [6-8], так и в керамической оболочковой форме ЛВМ [9]. При этом наибольшая эффективность метода может быть достигнута путем создания таких теплофизических условий затвердевания отливки, которые предполагают герметизацию системы отливка-устройство для ввода газа за счет равномерного формирования на всей поверхности отливки затвердевшего слоя. Кроме того, эффективность зависит от возможности встраивания технологии в действующий технологический процесс без значительных его корректировок, дополнительного оборудования и персонала. Учитывая также разнообразие конфигуратив-ных особенностей отливок, получаемых литьем по выплавляемым моделям, актуальной задачей является оценка пригодности конструкции блока, используемого по действующей технологии и разработка рациональной конструкции блока ЛВМ с точки зрения возможности реализации процесса газодинамического воздействия.

Целью работы является определение рациональных геометрических параметров блока цилиндрических отливок из сплава Р18 Л, затвердевающих в форме ЛВМ, изготовленной по действующей технологии, для осуществления газодинамического воздействия на расплав.

Результаты исследований

Схема блока отливок, изготавливаемых по традиционной технологии ЛВМ, представлена на рис.1. Отливки цилиндрической формы из сплава Р18Л (табл. 1) из-

© В. Ю. Селиверстов, Т. В. Селиверстова, 2016

ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2016

29

готавливаются в восьмислойных оболочковых формах. Материал - кристаллический кварц.

Таблица 1 - Химический состав стали

Содержание элементов, %

С Сг V Мо 8 Р Ее

0,75 4,7 18,5 1,17 0,17 0,03 0,02 ост.

Для определения термовременных параметров процесса герметизации блока отливок и получения численного решения задачи расчета процесса затвердевания использовали метод конечных элементов в программной реализации системой компьютерного моделирования литейных процессов (СКМ ЛП) «Полигон». При моделировании методами конечных элементов выделяются следующие основные этапы: препро-цессинг, расчет и постпроцессинг. Препроцессинг включает в себя построение твердотельной модели объекта и построение конечноэлементной модели объекта. Расчет созданной конечноэлементной модели блока отливок осуществляли в соответствии с алгоритмом теплового расчета, реализованным в программе. На этапе постпроцессинга происходила обработка результатов расчета и их интерпретация в терминах предметной области.

Для проведения моделирования были выбраны исходные параметры и свойства материалов отливки и литейной формы, основные из которых представлены в табл. 2.

А-А

_г

Рис. 1. Схема блока, изготавливаемого по действующей технологии

На рис. 2 представлены визуализированные результаты теплового расчета процесса затвердевания блока отливок, изготавливаемых по действующей технологии.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что к моменту формирования затвердевшего слоя на поверхности стояка, отливки оказываются полностью затвердевшими. Данная конструкция блока не обеспечивает условия реализации варианта технологии газодинамического воздействия, основанного на соответствии толщины затвердевшего слоя создаваемому давлению в системе отливка-устройство для ввода газа. При действующей конструкции блока ЛВМ возможно использовать только прочностные свойства материала литейной формы. Соответственно, реализация технологии газодинамического воздействия возможна в диапазоне давлений 0,1-0,3 МПа.

Таблица 2 - Исходные данные для проведения моделирования в СКМ ЛП «Полигон»

Параметры Значение

Теплофизические свойства быстрорежущей стали Р18Л

Плотность, кг/м3 8800

Теплоемкость, Дж/кг К 460

Теплопроводность, Вт/мК 27

Скрытая теплота кристаллизации, кДж/кг 260

Температурный интервал кристаллизации, °С 1310-1380

Теплофизические свойства материала формы

Объемная теплоемкость, кДж/м3 К 2100

Теплопроводность, Вт/мК 0,52

Параметры теплообмена

Отливка - Форма 4000

Форма - Отливка 4000

Отливка - Среда 200

Форма - Среда 180

Начальные температуры отливки и формы, °С

Отливка 1450

Форма 900

Рис. 2. Визуализированные результаты теплового расчета процесса затвердевания блока отливок на 110-й секунде: вертикальный разрез и горизонтальное сечение

Измененная конструкция блока отливок представлена на рис. 3. Была изменена форма и размеры стояка, питателей, а также утеплены отдельные части формы за счет нанесения дополнительных слоев огнеупорной оболочки. На рис. 4 представлены результаты теплового расчета процесса затвердевания блока измененной конструкции. Из рисунка видно, что на поверхности блока практически равномерно образуется герметизирующий слой затвердевшего металла.

СКМ ЛП «Полигон» позволяет получить данные о процессе затвердевания в любой точке отливки при установке в соответствующих местах виртуальных термопар. На рисунке 5 представлена схема расположения виртуальных термопар, находящихся в горизонтальном сечении блока на расстоянии 1,5 мм от поверхности отливки, а также соответствующие кривые охлаждения.

Полученные результаты компьютерного моделирования процесса затвердевания рассматриваемого блока отливок позволяют утверждать, что через 130 секунд после окончания заливки на всей поверхности формы

О

образуется твёрдый слой металла, т. е. блок отливок оказывается полностью герметичным за счет формирования равномерной корки. Это дает возможность осуществлять газодинамическое воздействие вплоть до полного затвердевания отливок.

Плотность температурных кривых, полученных в варианте измененной конструкции блока отливок, показывает, что на различных участках поверхности блока герметизирующая корка формируется практически одновременно, в отличие от действующей конструкции, где зафиксирована значительная разница во времени формирования герметизирующего слоя затвердевшего металла одной толщины.

Выводы

1. Проведено моделирование в СКМ ЛП «Полигон» процесса герметизации блока цилиндрических отливок из стали Р18Л, изготавливаемых по действующей технологии в форме ЛВМ. Установлено, что к моменту формирования затвердевшего слоя на поверхности стояка, отливки оказываются полностью затвердевшими. Данная конструкция блока не обеспечивает условия реализации варианта технологии газодинамического воздействия, основанного на соответствии толщины затвердевшего слоя создаваемому давлению в системе отливка-устройство для ввода газа.

2. Расчеты показали, что при действующей конструкции блока ЛВМ возможно использовать только прочностные свойства материала литейной формы. Соответственно, реализация технологии газодинамического воздействия возможна в диапазоне давлений 0,1-0,3 МПа.

3. Установлена возможность изменения конструкции блока отливок, что позволит, согласно результатам проведенного моделирования, осуществлять «полноценное» газодинамическое воздействие на затвердевающий расплав в литейной форме. Установлено также, что процесс герметизации блока при этом закончится через ~ 130 секунд формированием затвердевшей поверхностной корки толщиной 1-2,5 мм, что дает возможность в дальнейшем увеличивать давление в системе отливка-устройство для ввода газа в соответствии с кинетикой увеличения слоя вплоть до полного затвердевания отливок.

А-А

025

Рис. 3. Схема блока измененной конструкции

1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2016

31

Рис. 4. Визуализированные результаты теплового расчета процесса затвердевания блока отливок измененной конструкции на

130-й секунде: вертикальный разрез и горизонтальные сечения

Рис. 5. Схема размещения виртуальных термопар в сечении блоков и кривые охлаждения отливок в соответствующих местах:

по действующей технологии

Список литературы

Декларацшний патент, Укра!на МПК (2006) В22D 18/00 Споаб отримання виливкiв/ Селiвьорстов В.Ю., Хричиков В. С., Доценко Ю .В. № 28858 ; заявл. 03.08.2007 ; опубл. 25.12.2007, Бюл. № 21. Декларацшний патент, Украша МПК (2006) В22D 18/00 Пристрш для отримання виливюв / Селiвьор-стов В. Ю., Хричиков В. С., Доценко Ю. В. № 28859 ; заявл. 03.08.2007 ; опубл. 25.12.2007, Бюл. № 21. Селиверстов В. Ю. Технология газодинамического воздействия на расплав в литейной форме - один из перспективных способов повышения качества металла отливок / Селиверстов В. Ю. // Сучасш проблеми металургй. Науковi пращ. 2007. - Т. 10. - С. 25-35. Селиверстов В. Ю. Особенности определения технологических параметров газодинамического воздействия на расплав в литейной форме / Селиверстов В. Ю. // Сис-темш технологи: Регюнальний мiжвузiвський збiрник наукових праць / МОН Укра!ни. Нацюнальна металур-гiйна академiя Укра!ни. Вип. 4 (63) : Системш технологи обробки шформацй. Системне моделювання технолоп-чних процесiв. - Днiпропетровськ : ДНВП «Системнi технологй», 2009. - С. 91-98.

Селиверстов В. Ю. Методика расчета параметров газодинамического воздействия на затвердевающий металл в литейной форме / Селиверстов В. Ю., Михайловская Т. В. // Системш технологи: Регюнальний мiжвузiвський

збiрник наукових праць / МОН Украши. Нацюнальна металургшна академiя Украши. Вип. 3 (68) : 1нформацшш технологи в процесах одержання матерiалiв iз заданими властивостями. 1нтелектуальш шформацшно-управля-ючi системи. - Днiпропетровьк : НМетАУ, кафедра Iнформацiйних технологiй i систем, 2010. - С. 186-192. Влияние газодинамического воздействия на распределение сульфидных включений в цилиндрической отливке из углеродистой стали, затвердевающей в кокиле / [Селиверстов В. Ю., Михайловская Т. В., Доценко Ю. В., Мушенков Ю. А.] // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2009. - № 5. - С. 40-43. Особливост структуроутворення лито! вуглецево! сталi при газодинамiчному впливi / [Селiвьорстов В. Ю., Хричиков В. С., Куцова В. З. та ш.] // Теорiя i практика металургй. - 2009. - № 5-6. - С. 80-85. Сел1вьорстов В. Ю. Дослщження газодинамiчного впливу на властивост лито! вуглецево! сталi / Сешвьорстов В. Ю. // Теорiя i практика металургй. - 2007. - № 4-5. - С. 2225.

Селiвьорстов В. Ю. Використання технолог!! газодина-мiчного впливу на розплав при литт по витоплюваним моделям / Селiвьорстов В. Ю., Кущ П. Д. // Вюник На-цiонального технiчного унiверситету «ХП1». Збiрник наукових праць. Тематичний випуск: Новi рiшення в сучасних технолопях. - Харкiв : НТУ «ХП1». - 2010. -№ 4 - С. 89-94.

Одержано 16.12.2016

Селiвьорстов В.Ю., Селiвьорстова Т.В. Моделювання герметизаци вiдливання 3i шввдкорiзaльнот craii у формi ЛВМ для реа. ii'3ai iiT технологи гaзодинaмiчного впливу на розплав

Представлено результати комп 'ютерного моделювання герметизацИ блоку виливюв цилтдрично'( форми 3i стал1 Р18Л, одержуваних за дгючою технологгею у формах лиття по витоплюваних моделях. Показано можливгсть використання газодинамгчного впливу на твердючий метал за умови змти конструкцИ блоку.

Ключовi слова: моделювання герметизацИ, цилтдричт вгдливки, процес затвердгвання, розплав, газодинамгчний вплив.

Seliverstov V., Seliverstova T. Design of pressurizing of founding from high-speed steel inform LVM for realization of technology of the gas-dynamic influence

The results of computer design ofpressurizing of casts block of cylindrical form from steel of Р18Л are presented, being produced with operating technology in the of casting forms on the smelted models. Possibility of application gaz-dynamyc influence over solidification metal in case of block construction changes are shown.

Key words: design ofpressurizing, cylindrical founding, process of consolidation, fusion, gas-dynamic influence.

ISSN 1607-6885 Новг матергали i технологи в металургй та машинобудуванш №2, 2016 33