ҚҰЙМАЛАРДЫ ҚАЛЫПТАСТЫРУДЫҢ ЖЫЛУ ФИЗИКАЛЫҚ ҮДЕРІСТЕРІН ОҢТАЙЛАНДЫРУ

ҚҰЙМАЛАРДЫ ҚАЛЫПТАСТЫРУДЫҢ ЖЫЛУ ФИЗИКАЛЫҚ ҮДЕРІСТЕРІН ОҢТАЙЛАНДЫРУ

Байтенова Ақбота Сәлімбекқызы

студент магистратуры, Казахский национальный исследовательский технический университет имени К. И. Сатпаева (SU),

Република Казахстан, г. Алматы

OPTIMIZATION OF THERMOPHYSICAL PROCESSES OF CASTING FORMATION

Akbota Baitenova

Master's student, Satbayev University,

Kazakhstan, Almaty

АҢДАТПА

Жұмыста құю әдісімен алынатын бөлшектердің сапасын арттыру мәселесі қаралды. Бұл міндетті кокиль бетінде отқа төзімді қаптама жабынын жасау арқылы шешу ұсынылды. Сараланған жылу бұру көмегімен іске асырылатын бағытталған жылу физикалық әсері қорытпаны кристалдандырудың жылу процестерін басқарудың тиімді құралы болып табылады. Бұл әсердің жиынтық әсері изотермиялық беттердің, атап айтқанда құйманың қатаю фронтының өзгеруімен сипатталады. Бұйымдарды құю әдісімен дайындау кезінде олардың физикалық-механикалық және пайдалану қасиеттері фазалық айналу процесінде қалыптасады, олардың жылдамдығы сыртқы және ішкі жылу бұру арқылы кристалданатын қорытпада жасалатын термодинамикалық жағдайлармен анықталады.

Мақалада температураны есептеудің графоаналитикалық әдісі берілген, жабынның физикалық-механикалық қасиеттеріне байланысты форманың бетінде температураның өзгеруін анықтайтын тәуелділік алынған. Автор ұсынған әдіс қаптау жабынының нұсқасын таңдауды оңтайландыруға мүмкіндік береді. Есептеу нәтижелері практикалық зерттеулермен расталған. Қола төсенішті дайындау кезінде кокильдің бетіне қалыңдығы 2-3 мм отқа төзімді жабын салынады. Бұл ретте механикалық сипаттамалары жоғары құйма алынды. Отқа төзімді жабын құйманың бағытталған қатаюын қамтамасыз етуге мүмкіндік берді.

ABSTRACT

The work considered the issue of improving the quality of parts obtained by casting. This problem was proposed to be solved by creating a refractory coating on the surface of the casting die. Directed thermal physical effect, realized by means of differentiated heat removal, is an effective tool for controlling thermal processes of alloy crystallization. The cumulative effect of this effect is characterized by the change of isothermal surfaces, in particular, the ingot hardening front. When making products by casting method, their physical-mechanical and operational properties are formed in the process of phase rotation, the rate of which is determined by thermodynamic conditions created in the crystallized alloy with external and internal heat removal.

In the article the grapho-analytical method of temperature calculation is given, the dependence determining the change of temperature on the mold surface depending on the physical and mechanical properties of the coating is obtained. The method proposed by the author makes it possible to optimize the choice of the cladding version. Calculation results are confirmed by practical research. When making the bronze plating, a refractory coating with a thickness of 2-3 mm is applied to the surface of the mould. The drain with high mechanical characteristics is obtained. Refractory coating allowed to provide directional hardening of ingots.

Түйінді сөздер: кристалдану шарттары; фазалық айналымдар; жылу оқшаулағыш жабындар; кокиль; жылу физикалық әсер.

Keywords: crystallization conditions; phase transformations; thermal insulating coatings; casting; thermal-physical effects.

Құймаларды қалыптастырудың жылу физикалық процестерін оңтайландыру міндеті температуралық өрісті және қорытпаларды кристалдау процестерін басқару принциптерін әзірлеуден тұрады [1]. Бұл процестерді басқарудың тиімді құралы сараланған жылу бұру көмегімен іске асырылатын бағытталған жылу физикалық әсері болып табылады. Бұл әсердің жиынтық әсері изотермиялық беттердің, атап айтқанда құйманың қатаю фронтының өзгеруімен сипатталады [2].

Бұйымдарды құю әдісімен дайындау кезінде олардың физикалық-механикалық және пайдалану қасиеттері фазалық айналу процесінде қалыптасады, олардың жылдамдығы сыртқы және ішкі жылу бұру арқылы кристалданатын қорытпада жасалатын термодинамикалық жағдайлармен анықталады.

Сыртқы жылу бұру құю нысанының көмегімен жүзеге асырылады. Бұл ретте жылу бұру жылдамдығы құйманың пішін бетімен жанасу аймағының жылу кедергісінің шамасымен анықталады. Бұл аймақтың жиынтық кедергісі жер үсті қабаттарының, металл емес және газды қосулардың, сондай-ақ арнайы пайдаланылатын жабындардың жылу кедергісінің өзгеруіне байланысты кедергіден қалыптасады [3]. Байланыс аймағындағы жылу-физикалық процестер балқыманың құю нысанымен жылу, физика-химиялық, механикалық өзара әрекеттесу процестерін реттейді. Байланыс жылу алмасуының заңдылықтарын білу байланыс аймағының геометриялық және жылу физикалық параметрлерін оңтайлы анықтауға және осы процестерді дамыту үшін неғұрлым қолайлы жағдайлар жасауға мүмкіндік береді [4, 5].

Құйманы қалыптастыру кезінде бірінші кезекте кристалданудың изотермиялық беттері қозғалысының ең жоғары жылдамдығы пайда болатын салалар, соңғысында температураның өзгеру жылдамдығы ең аз болатын салалар кристалданады. Бұл ретте тамақтанудың қолайлы жағдайларын жасау үшін кристалдану изотермасының пайдаға немесе құйма құю жүйесіне дәйекті бағытталған қозғалысын қамтамасыз ету қажет [6]. Осылайша, изотермиялық беттердің қозғалыс жылдамдығының өзгеруі құймаларды қалыптастырудың жылу-физикалық процестерінің сипаттамасы болып табылады, қорытпаны кристалдау процестеріне бағытталған жылу-физикалық әсердің әсерін болжауға мүмкіндік береді [7].

Жылу массопереносының процестерін және жүйенің термониялық кернеулі жай-күйін басқару қабаттың байланыс кедергісімен жүзеге асырылады, оның құрамдас бөлігі арнайы пайдаланылатын жылу оқшаулағыш және жылу өткізгіш жабындардың жылу кедергілері болып табылады. Жабындардың физикалық-химиялық әсері және олардың беріктігі жабын орналасқан жылу физикалық жағдайларға байланысты болады.

Кокилдерге арналған жылу оқшаулағыш жабындар - құрамында отқа төзімді толтырғыш (бор, шаң тәрізді кварц, тальк және т.б.), байланыстырушы материал (сұйық шыны, сульфидті-спиртті барда, бентонит) және белсендіргіштер бар кокил бояулары [8]. Пайдаланылатын отқа төзімді қаптама жабындарының құрамы өте көп. Технолог әрқашан жабынның оңтайлы құрамын таңдау алдында тұрады.

Жабынды таңдау кезінде құйма мен пішіннің жанасу аймағын есептеу әдістемесін пайдаланды. Жабынның баламалы өткізгіштігін жақынырақ анықтау үшін В.М. Одолевский формуласын пайдаланды [9].

λ_э/λ_с = 1- m[(1-^)^-1-1/3(1-m)], ^=λ_с/λ_м,

мұндағы, λ_э және λ_с - жабын мен металдың жылу өткізгіштігінің коэффициенттері, m - балқу массасы.

Формуладан жылу өткізгіштіктің баламалы коэффициенті құрамына жоғары жылыту өткізгіш материалдарды енгізу және кеуектілікті азайту кезінде ұлғайтылатыны көрінеді. Пішін жабынының әсерінің салыстырмалы әсерін пішіннің ішкі бетінің температурасы есебімен анықтады.

 Пішін бетінің температурасын пішін қабырғасының жылу өткізгіштігі міндетін шешуден анықтады, оның қызу қарқындылығы α_к байланыс жылу алмасуының орташа коэффициентімен сипатталады.

Байланыс аймағының жылу кедергісін қалыңдығы δ = λ_п   α_к қосымша жылу қабатымен алмастырды.

Қосымша жылу қабаты бар пішін беті температурасының өзгеруінің есептік формуласын келесі түрге түрлендірді

                                                                                                  (1)

λ = 0,82Вт/м∙град жабын жылу өткізгіштігінің және α_к = 480 Вт/м²∙граꝺ байланыс жылу алмасуының баламалы коэффициенттері кезінде жабынның жылу қабатының қосымша қалыңдығы δ = 2,5 мм. Жабынның көлемді жылу сыйымдылығы С_ж = 670 кДж/м²∙граꝺ түйісу қабатының температура өткізгіштігі коэффициенті χ₂ = 1,2 мс∙10^-6м²/с нысандағы температуралық өткізгіштік коэффициенті, қалыңдығы δ = 2,5 мм, τ = (δ/2π√χ₁)²=0,32с байланыс аймағының қызу ұзақтығы.

Кесте 1.

Құю-жабу-пішін жүйесінің жылуфизикалық және геометриялық параметрлері

Қабаттағы, пішіннің бетіндегі температураның бөлінуі (1) тәуелділікпен сипатталады. Құйма мен пішіннің жанасу аймағының жиынтық жылу кедергісі бірізділікпен қосылған кедергілердің қосындысына тең: құю мен жабу арасындағы α_к^-1, жабын қабаты арқылы жылуды тасымалдау, жабын мен пішін беті арасындағы жылудың түйіспелі тасымалы l₁ / λ₁.

ρ_к = α_к^-1 + l₁ / λ₁ + α_п

Пішін жабынының қалыңдығын таңдау тапсырмасының шешімі графикалық түрде ұсынылды.

Сурет 1. Жабын қалыңдығының оның жылу физикалық қасиеттерінен тәуелділігі

Алынған кестеге сәйкес нысанға түсірілетін отқа төзімді жабын қабатының қалыңдығын оның физикалық-механикалық сипаттамаларына қарай оңтайландыруға болады.

Есептеулердің нәтижелері кокилге құю арқылы қола төлкелерді дайындау кезінде алынған эксперименттік деректермен салыстырылды [10]. Шойын кокилге пульверизатормен мынадай құрамдағы қалыңдығы 2-3 мм отқа төзімді жабын салынды: тальк (18), бор қышқылы (2,5), сұйық шыны (2,5), су (77).

Қапталған кокиль 600 ⁰С дейін қыздырылды. БрАЖ9-4 қола балқымасын индукциялық пеште дайындады. Шығарылым 900 ⁰С температурада жүргізілді. Қапталған және қапталмаған кокильге құю арқылы алынған үлгілерді механикалық сынау жабынды пайдалану балқыманың механикалық сипаттамасын арттыруға мүмкіндік беретінін көрсетті, себебі созу кезінде беріктік шегі 20% -ға (300 МПа-дан 360 МПа-ға дейін) ұлғайды.

Осылайша, кристалданатын қорытпадағы жылу массопереносын зерттеудің графоаналитикалық әдісінің барабарлығы көрсетілген. Осы әдісті пайдалану пішіннің отқа төзімді жабынын таңдауды оңтайландыруға және құйманың бағытталған қатаюын қамтамасыз ету есебінен шығарылатын өнімнің физикалық-механикалық қасиеттерін арттыруға мүмкіндік береді.

Әдебиеттер тізімі:

1. Ефимов В.А., Легенчук В.И., Хорунжий Ю.Г., Кутищев С.М. Салқындатқыш қоспалары бар ірі болат құймалардың жылу физикалық ерекшеліктері/Сб. «Болат құйманың проблемалары». М.: Металлургия, 1976. - 202-205 а.
2. В.А. Журавлев, В.М. Китаев Үздіксіз құйманы қалыптастырудың жылу физикасы. М.: Металлургия, 1974. - 216 с.
3. Самойлович, Ю.А., Крулевецкий, С.А., Горяинов, В.А., Кабаков, З.К. Болатты үздіксіз құю кезіндегі жылу процестері//- М.: Металлургия. – 1982. - 152 с.
4. Воеводина М.А., Крушенко Г.Г. - Құю өндірісі. – №5. – 2011. - 2-5 с.
5. Монастырский В.П. Бағытты және тең осьті құрылымы бар құймаларды қатайту процестерін модельдеу әдістерін дамыту. - автор. дисс. дәрігер. техн. қамтамасыз етеді. - Мәскеу. – 2014. - 44 с.
6. Ю.Б. Юрченко, Иванова Л.А., Жылу-физикалық процестерді құю түрінде оңтайландыру. - Материалдар 27 Бүкілодақ. құюшылардың ғылыми-техникалық конференциясына қатысады. - Одесса. – 1975. - 167-168 с.
7. Түсті металдар қорытпаларынан құймалар өндіру. Жоғары оқу орындарына арналған оқулық//А. В. Курдюмов, М. В. Пикунов, В. М. Чурсин, Е. Л. Бибиков. - М.: Металлургия, 1986.- 416 с.
8. Одолевский В.М. Гетерогендік жүйелердің жалпылама өткізгіштігін есептеу. - Техникалық физика журналы. – 1951. - 6 т. - 667-685 с.