Управление затвердеванием и охлаждением отливок в формах из кварцевого песка за счёт его псевдоожижения
Экспериментально опредёлен характер распределения температур в литейной форме во время затвердевания и охлаждения отливки в неподвижном и псевдоожиженном песке. Показана возможность использования способа с псевдоожижением песка для управления процессом затвердевания отливки....
Saved in:
| Date: | 2015 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2015
|
| Series: | Процессы литья |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166829 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Управление затвердеванием и охлаждением отливок в формах из кварцевого песка за счёт его псевдоожижения / П.Б. Калюжный, И.А. Шалевская // Процессы литья. — 2015. — № 6 (114). — С. 31-34. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-166829 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1668292025-02-09T13:42:23Z Управление затвердеванием и охлаждением отливок в формах из кварцевого песка за счёт его псевдоожижения Управління твердненням і охолодженням виливків у формах з кварцового піску за рахунок його псевдозрідження Control of Casting Solidification and Cooling in Silica Sand Moulds Due to it Fluidization Калюжный, П.Б. Шалевская, И.А. Затвердевание сплавов Экспериментально опредёлен характер распределения температур в литейной форме во время затвердевания и охлаждения отливки в неподвижном и псевдоожиженном песке. Показана возможность использования способа с псевдоожижением песка для управления процессом затвердевания отливки. Експериментально визначено характер розподілу температур в ливарній формі під час тверднення й охолодження виливка в нерухомому і псевдозрідженому піску. Показано можливість використання способу з псевдозрідженням піску для управляння процесом тверднення виливка. Experimentally the character of temperature distribution in the mould during casting solidification and cooling in fixed and fluidized sand is defined. Possibility of using of method with sand fluidization for control of casting solidification process is shown. 2015 Article Управление затвердеванием и охлаждением отливок в формах из кварцевого песка за счёт его псевдоожижения / П.Б. Калюжный, И.А. Шалевская // Процессы литья. — 2015. — № 6 (114). — С. 31-34. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166829 621.74.041 ru Процессы литья application/pdf Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Затвердевание сплавов Затвердевание сплавов |
| spellingShingle |
Затвердевание сплавов Затвердевание сплавов Калюжный, П.Б. Шалевская, И.А. Управление затвердеванием и охлаждением отливок в формах из кварцевого песка за счёт его псевдоожижения Процессы литья |
| description |
Экспериментально опредёлен характер распределения температур в литейной форме во время затвердевания и охлаждения отливки в неподвижном и псевдоожиженном песке. Показана возможность использования способа с псевдоожижением песка для управления процессом затвердевания отливки. |
| format |
Article |
| author |
Калюжный, П.Б. Шалевская, И.А. |
| author_facet |
Калюжный, П.Б. Шалевская, И.А. |
| author_sort |
Калюжный, П.Б. |
| title |
Управление затвердеванием и охлаждением отливок в формах из кварцевого песка за счёт его псевдоожижения |
| title_short |
Управление затвердеванием и охлаждением отливок в формах из кварцевого песка за счёт его псевдоожижения |
| title_full |
Управление затвердеванием и охлаждением отливок в формах из кварцевого песка за счёт его псевдоожижения |
| title_fullStr |
Управление затвердеванием и охлаждением отливок в формах из кварцевого песка за счёт его псевдоожижения |
| title_full_unstemmed |
Управление затвердеванием и охлаждением отливок в формах из кварцевого песка за счёт его псевдоожижения |
| title_sort |
управление затвердеванием и охлаждением отливок в формах из кварцевого песка за счёт его псевдоожижения |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| publishDate |
2015 |
| topic_facet |
Затвердевание сплавов |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166829 |
| citation_txt |
Управление затвердеванием и охлаждением отливок в формах из кварцевого песка за счёт его псевдоожижения / П.Б. Калюжный, И.А. Шалевская // Процессы литья. — 2015. — № 6 (114). — С. 31-34. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| series |
Процессы литья |
| work_keys_str_mv |
AT kalûžnyjpb upravleniezatverdevaniemiohlaždeniemotlivokvformahizkvarcevogopeskazasčëtegopsevdoožiženiâ AT šalevskaâia upravleniezatverdevaniemiohlaždeniemotlivokvformahizkvarcevogopeskazasčëtegopsevdoožiženiâ AT kalûžnyjpb upravlínnâtverdnennâmíoholodžennâmvilivkívuformahzkvarcovogopískuzarahunokjogopsevdozrídžennâ AT šalevskaâia upravlínnâtverdnennâmíoholodžennâmvilivkívuformahzkvarcovogopískuzarahunokjogopsevdozrídžennâ AT kalûžnyjpb controlofcastingsolidificationandcoolinginsilicasandmouldsduetoitfluidization AT šalevskaâia controlofcastingsolidificationandcoolinginsilicasandmouldsduetoitfluidization |
| first_indexed |
2025-11-26T08:36:35Z |
| last_indexed |
2025-11-26T08:36:35Z |
| _version_ |
1849841370472120320 |
| fulltext |
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 6 (114) 31
Затвердевание сплавов
УДК 621.74.041
П. Б. Калюжный, И. А. Шалевская
Восточноукраинский национальный университет им. В. Даля, Северодонецк
УПРАВЛЕНИЕ ЗАТВЕРДЕВАНИЕМ И ОХЛАЖДЕНИЕМ
ОТЛИВОК В ФОРМАХ ИЗ КВАРЦЕВОГО ПЕСКА ЗА СЧЁТ
ЕГО ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ
Экспериментально опредёлен характер распределения температур в литейной форме во
время затвердевания и охлаждения отливки в неподвижном и псевдоожиженном песке.
Показана возможность использования способа с псевдоожижением песка для управления
процессом затвердевания отливки.
Ключевые слова: скорость охлаждения, теплообмен, псевдоожижение, кварцевый песок,
температурный напор, затвердевание.
�кспериментально визна�ено характер розпод�лу температур в ливарн�й форм� п�д �ас твер-�кспериментально визна�ено характер розпод�лу температур в ливарн�й форм� п�д �ас твер-
днення й охолодження виливка в нерухомому � псевдозр�дженому п�ску. Показано можлив�сть
використання способу з псевдозр�дженням п�ску для управляння процесом тверднення
виливка.
Ключові слова: швидк�сть охолодження, теплообм�н, псевдозр�дження, кварцовий п�сок,
температурний нап�р, тверднення.
Experimentally the character of temperature distribution in the mould during casting solidification
and cooling in fixed and fluidized sand is defined. Possibility of using of method with sand fluidiza-
tion for control of casting solidification process is shown.
Key words: cooling rate, heat exchange, fluidization, silica sand, temperature pressure, solidifi- cooling rate, heat exchange, fluidization, silica sand, temperature pressure, solidifi-cooling rate, heat exchange, fluidization, silica sand, temperature pressure, solidifi-
cation.
Одной из основных задач оптимизации процессов формирования отливок яв-
ляется разработка принципов управления температурным полем и процесса-
ми затвердевания сплавов. Решению этой проблемы способствует использова-
ние техники псевдоожиженного слоя, создаваемого непосредственно в литейной
форме. В работе [1] отмечено, что скорость охлаждения отливки в псевдоожижен-
ном слое песка на порядок выше, чем при традиционном охлаждении в неподвиж-
ном песке. Сущность рассматриваемого метода охлаждения отливок заключается
в создании псевдоожиженного слоя за счёт продувки песка восходящим потоком
газа. Применение данного метода рассматривается для литья по газифицируе-
мым моделям и вакуумно-плёночной формовки – способов использующих в каче-
стве огнеупорного наполнителя песок без связующих материалов.
Рассмотрим насколько возможно использование данного метода не только для
ускоренного охлаждения затвердевшей отливки, но и для воздействия на процессы
кристаллизации. Песок после перехода в псевдоожиженное состояние приобре-
тает свойства жидкости, поэтому сразу после заливки, когда весь металл отливки
находится в жидком состоянии, псевдоожижать огнеупорный наполнитель формы
нельзя. Но это не значит, что нужно ждать пока весь сплав кристаллизуется. Привести
песок в псевдоожиженное состояние можно уже после формирования сплошного
металлического слоя, образующегося на поверхности формы и постепенно нараста-
ющего по направлению к тепловому центру отливки. Прочности поверхностной корки
металла отливки будет достаточно для того, чтобы избежать искажения размеров
и формы отливки. При этом появляется возможность воздействовать на процесс
кристаллизации сплава, ещё находящегося в жидком состоянии.
32 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 6 (114)
Затвердевание сплавов
В предложенном способе псевдоожиженный слой играет роль теплоотводящей
среды, позволяющей регулировать интенсивность теплоотвода, обеспечивая из-
менение температурного градиента на границе отливка-форма. Эффективный те-
плоотвод даёт возможность формировать заданную структуру металла в отливке.
Чтобы правильно управлять тепловым режимом охлаждения отливки необходимо
знать специфику псевдоожиженного слоя, а также факторы, позволяющие влиять
на условия теплообмена.
В связи с этим целью работы было исследовать закономерности теплообмена
системы отливка-форма при псевдоожижении огнеупорного наполнителя формы.
Для достижения данной цели была разработана методика экспериментов, состоящая
в проведении термического анализа охлаждения моделирующего отливку нагретого
металлического образца в песчаной форме. Опыты проводились в контейнере ква-
дратного сечения 193×193 мм, высотой 515 мм, высота насыпного слоя песка во всех
опытах была одинаковой 470 мм. В качестве наполнителя использовали кварцевый
песок со средним размером песчинок 0,16 мм. В качестве модели, имитирующей
отливку, использовали стальной цилиндр высотой 280 мм и диаметром 45 мм. На-
гретый образец 3 устанавливался в контейнер 2, как показано на рис. 1, и засыпался
кварцевым песком. Для замера температуры применяли хромель-алюмелевые тер-
мопары 6, соединённые с прибором для записи показаний температуры МИТР-8.
При этом термопары фиксировали в форме на разном расстоянии от поверхности
образца. Расстояние между термопарами по высоте формы составляло 42 мм. В
нижнюю полость 5 через штуцер 7 подавался сжатый воздух, который проходя через
пористое дно 4, приводил песок в псевдоожиженное состояние. При переходе песка
в псевдоожиженное состояние его объём увеличивался. Во избежание высыпания
песка на верхнюю часть контейнера устанавливалась наполнительная рамка 1.
Первоначально с использованием данной методики были проведены экспери-
менты по изучению кинетики охлаждения образца в форме из кварцевого песка,
не подвергавшегося псевдоожиже-
нию. На рис. 2 показаны результаты
изменения температуры образца
и формы без псевдоожижения пе-
ска. Номера кривых соответствуют
номерам термопар. Нумерация
термопар проводилась сверху вниз
согласно рис. 1. Термопары № 1 и
№ 3 касались поверхности образца.
Термопары № 2 и № 4 фиксирова-
лись на расстоянии 30 и 15 мм от
поверхности образца соответствен-
но. Термопара № 5 устанавливалась
вровень со стенкой контейнера.
Полученные результаты хорошо
согласуются с данными работы [2].
Так как термопары № 1 и № 3 на-
ходились в контакте с образцом,
они показали наивысшую темпера-
туру и чётко выделяются на рис. 2
на начальной стадии от остальных
кривых. Разница в показаниях тер-
мопар № 1 и № 3 свидетельствует
о том, что охлаждение торцевой ча-
сти образца происходит несколько
интенсивнее, чем центральной его
части из-за большей площади по-
верхности теплообмена. Рис. 1. Схема контейнерной формы
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 6 (114) 33
Затвердевание сплавов
Слой песка, находящийся на расстоянии 15 мм от поверхности образца, на на-
чальной стадии теплового взаимодействия образца с песком сначала прогревается
до температуры 280 0С, а затем охлаждается. Достигнув температуры около 240 0С
температура охлаждения данного слоя формы совпадает со скоростью охлаждения
образца (рис. 2, кр. 4, 1, 3). Другой слой песка, находящийся на расстоянии 30 мм,
медленнее прогревается до температуры 150 0С, а затем постепенно охлаждается.
Пристенный слой песка монотонно прогревается до температуры 50 0С, и только
спустя 120 минут наблюдается его охлаждение (рис. 2, кр. 5). Скорость охлаждения
образца за первые 120 с (период, близкий к затвердеванию отливки) составляет
0,16 0С/с, в последующем снижается до 0,06-0,1,0 0С/с, а затем – до 0,02.
В следующих экспериментах
исследовали кинетику охлаждения
образца в псевдоожиженном слое
песка. Для этого в нижнюю полость
контейнера подавали сжатый воз-
дух. При этом величина расхода
воздуха была такой, чтобы песок
ожижался равномерно. Ни рис. 3
приведены экспериментальные
температурные кривые охлажде-
ния (нагрева) образца и формы
при псевдоожижении песка. Но-
мера кривых соответствуют но-
мерам термопар. Расположение
термопар в форме такое же, как
и предыдущих экспериментах.
Данные кривые построены по ус-
редненным экспериментальным
значениям температур, поскольку
экспериментальные показания
термопар в псевдоожиженном
слое имеют пульсирующий ха-
рактер.
Первые 18 с образец находился
в форме без песка. На 19 с произ-
водили засыпку песка в контейнер.
При этом наблюдалось резкое
падение температуры всех пяти термопар (рис. 3). На 55 с открывали кран подачи
воздуха в донную часть контейнера, тем самым приводили песок в псевдоожиженное
состояние. В этот момент наблюдается резкое снижение температуры поверхности
образца (кривые 1 и 3). Скорость охлаждения поверхности образца за первые 5
с после начала псевдоожижения песка составляет 43 0С/с. Затем за следующие
10 с скорость снижается до 5-10 0С/с, за последующие 45 с – до 0,8-1,5, и за
следующую минуту – до 0,3-0,45 0С/с. Падение скорости охлаждения образца
объясняется снижением температурного напора.
Следует отметить, что характер снижения температуры кривых 1 и 3 (рис. 3) на
19 и 55 с одинаков, то есть моменты засыпки песка в форму и начала псевдоожиже-
ния. Это говорит о том, что при псевдоожижении песка происходит его интенсивное
перемешивание, и холодные слои песка сменяют горячие у поверхности образца,
подобно тому как при засыпке песок омывает поверхность образца.
Температура слоёв, находящихся на расстоянии 15 и 30 мм от образца, после
начала псевдоожижения была практически одинаковой в отличие от серии преды-
дущих опытов, где разность температур этих слоёв достигала 100 0С. Температура
Время, с
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
600
500
400
300
200
100
0
Те
м
п
е
р
ат
ур
а,
0
С
Рис. 2. Кинетика изменения температуры образца
и формы без псевдоожижения песка
600
500
200
300
400
Время, с
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
100
Те
м
п
е
р
ат
ур
а,
0
С
Рис. 3. Кинетика изменения температуры образца
и формы при псевдоожижении песка
0
34 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 6 (114)
Затвердевание сплавов
пристенного слоя (рис. 3, кривая 5) всего на 10-15 0С была ниже чем температура
центральных слоёв. Все эти данные свидетельствуют о том, что при псевдоожижении
песка происходит выравнивание температур в объёме формы.
Сравнивая предыдущую серию экспериментов с данной серией, видим, что ско-
рость затвердевания отливки в псевдоожиженном слое песка значительно выше,
чем в неподвижном песке.
Общеизвестно, что интенсивность отвода тепла от отливки определяется темпера-
турным напором (разницей температур между отливкой и формой). В неподвижном
песке с течением времени за счёт прогревания слоёв песка теплом отливки проис-
ходит уменьшение температурного напора, поэтому скорость охлаждения отливки
снижается. В псевдоожиженном песке за счёт его перемешивания температура песка
в контактном слое поддерживается практически постоянной, поэтому температурный
напор выше, и уменьшается лишь из-за снижения температуры отливки.
При затвердевании отливки в неподвижном песке большую часть тепла аккуму-
лирует материал формы в результате контактного теплообмена. При этом больше
тепла получают слои песка, соприкасающиеся с поверхностью отливки, а слои у
стенок контейнера остаются незадействованы. Создавая псевдоожиженный слой
песка, мы задействуем весь песок формы в процессе теплообмена кристаллизую-
щейся отливки и формы.
Интенсивность охлаждения в псевдоожиженном слое легко регулируется ско-
ростью подачи ожижающего газа. Возможная скорость охлаждения находится в
определённом интервале. Поэтому сначала можно вести интенсивное охлаждение,
а затем охлаждать отливку замедленно. Для этого прекращают подачу ожижающего
газа в форму, и отливка будет остывать в неподвижном слое с небольшой скоростью.
Такая «изотермическая» выдержка способствует выравниванию температуры по
сечению отливок с различной толщиной стенок.
В результате проведённой работы было установлено:
- способ с псевдоожижением песка позволяет значительно увеличить скорость
затвердевания отливки;
- при псевдоожижении песка происходит практически полное выравнивание
температуры песка в объёме формы, которое способствует более равномерному
охлаждению отливки, что положительно влияет на уровень напряжений в отливке;
- псевдоожижение песка позволяет создать условия для интенсивного тепло-
обмена в системе металл-форма, а это позволяет управлять затвердеванием и
охлаждением отливок с требуемыми термовременными параметрами;
- на основе полученных экспериментальных данных и математической их обра-
ботке станет возможным разработать оптимальный режим охлаждения, который
обеспечит получение в отливке заданной структуры и эксплуатационных свойств;
- интенсификация процесса теплообмена и охлаждения отливки позволяет в свою
очередь управлять процессом образования и обезвреживания выбросов вредных
веществ.
1. Применение псевдоожиженного слоя в технологическом процессе производства отливок
в вакуумируемых формах / И. А. Шалевская, П. Б. Калюжный // Металл и литьё Украины –
2015. – № 4 (263) – С.24-27.
2. Исследования методов управления затвердеванием и охлаждением отливок путём изме-
нения теплофизических характеристик формы за счёт применения газообразных хлада-
гентов / И. О. Шинский, С. И. Клименко // Литейщик России. – 2013. – № 8. – С. 34-38.
Поступила 16.09.2015
|