SYMULACJA NUMERYCZNA KRZEPNIĘCIA ODLEWU OSIOWO-SYMETRYCZNEGO WYPEŁNIANEGO OD DOŁU Z DOLEWANIEM DO NADLEWU

Transkrypt

1 36/ Achies of Foundy Yea 001 Volume 1 1 (/) Achiwum Odlewnictwa Rok 001 Rocnik 1 N 1 (/) PAN Katowice PL ISSN SYULACJA NUERYCZNA KRZEPNIĘCIA ODLEWU OSIOWO-SYETRYCZNEGO WYPEŁNIANEGO OD DOŁU Z DOLEWANIE DO NADLEWU R. PARKITNY 1 L. SOWA Instytut echaniki i Podstaw Konstukcji asyn Politechnika Cęstochowska 4-01 Cęstochowa ul. Dąbowskiego 73 POLSKA STRESZCZENIE W pacy sfomułowano model matematycny i numeycny pocesu kepnięcia odlewu o kstałcie cyldycnym uwględnieniem pocesu syfonowego wypełniania wnęki fomy ciekłym metalem dolewaniem do nadlewu. Uwględniono wajemną ależność jawisk cieplnych i dynamicnych. Pola pędkości otymano owiąania ównań Naiea-Stokesa i ównania ciągłości natomiast pola tempeatuy owiąania ównania pewodnictwa ciepła cłonem konwekcyjnym. Postawione adanie owiąano metodą elementów skońconych. Oceniano wpływ paametów i sposobu alewania metalu na ketykę naastania fay stałej w pocesie kepnięcia odlewu. Dążono do otymania odlewu be wad pochodenia skucowego. Key wods: solidification modelg molten metal flow metal castg 1. WPROWADZENIE Paca dotycy modelowania pocesu kepnięcia uwględnieniem jawisk cieplnych i pepływowych występujących w pocątkowym stadium pocesu odlewania stali do fom odlewnicych - metalowych kiedy to uchy ciekłego metalu mają istotny wpływ na ketykę kepnięcia. Dokonano analiy kepnięcia okeślając pola pędkości i tempeatuy układu nadlew-odlew-kokila py dopowadeniu ciekłego metalu od dołu - centalnie i jego dolewaniu do nadlewu w końcowej faie wypełniania układu. Otymane wyniki symulacji numeycnych pepowadonych dla takiego 1 Pof. d hab. ż. pakitny@imipkm.pc.cest.pl D ż. sowa@imipkm.pc.cest.pl

2 sposobu odlewania metalu poównano eultatami obliceń uyskanymi w pypadku tylko dopowadenia ciekłego metalu od dołu - centalnie peentowanymi w pacy [7]. Wykoystując iotemę oganicającą obsa ciekły i stało-ciekły okeślano stefę amykania się takiego obsau. Następujące wówcas pewanie asilania odlewu faą ciekłą powoduje utwoenie się jamy skucowej. Pope taki sposób dopowadenia metalu i óżne paamety jego alewania (pędkości i tempeatuy) dążono do otymania odlewu be wad pochodenia skucowego.. ODELOWANIE KRZEPNIĘCIA ODLEWU OSIOWO-SYETRYCZNEGO odelowanie kepnięcia odlewu uwględnieniem pocesu wypełniania kokili ciekłym metalem i uchów konwekcyjnych po jego akońceniu opiea się na owiąywaniu następującego układu ównań óżnickowych [3578]: - ównań Naiea-Stokesa i ównania ciągłości pepływu: p d dt p g d dt (1) () - ównania pewodnictwa ciepła cłonem konwekcyjnym: C ef t (3) - ównania stanu spowadonego do ależności gęstości od tempeatuy: p f (4) gdie: - gęstość [kg/m 3 ] p - ciśnienie [N/m ] - współędne pędkości pepływu metalu [m/s] - tempeatua [K] - współcynnik lepkości dynamicnej [Ns/m ] g - pyspiesenie iemskie [m/s ] - objętościowy współcynnik osealności cieplnej [1/K] - tempeatua stanu natualnego [K] Cef - efektywne ciepło właściwe stefy dwufaowej [J/(kgK)] - współcynnik pewodenia ciepła [W/(mK)] - współędne wektoa położenia [m] t - cas [s]

3 - pomień [m] a - tempeatua otocenia [K] międy fomą i otoceniem [W/m K]. - współcynnik wymiany ciepła W pyjętym układie ównań źódło ciepła nie występuje jawnie w ównaniu pewodnictwa lec najduje się w efektywnym cieple właściwym [156]. Układ ównań (1-4) uupełniono odpowiednimi waunkami pocątkowymi i begowymi. Waunki pocątkowe pyjęto dla pól pędkości i tempeatuy [78]. Waunki begowe ałożono na wskaanych powiechniach (ys.1) [356-8]. Tak postawione adanie owiąano metodą elementów skońconych [po. np ]. n t 0 d n d n t n 0 0 t n G 0 n n n 0 0 t h n 3 AL A Gn h n h n AL d d 1 o h o L LS Go S h o 11 n 11 d 1 d o 11 n. a t 11 0 d Rys.1. Waunki begowe schemat i identyfikacja podobsaów oważanego układu Fig.1. Bounday conditions scheme and identification of sub-egions of the consideed egion

4 3. OBLICZENIA NUERYCZNE Oblicenia wykonano dla układu odlew - kokila - otocenie o pekoju podłużnym pokaanym na ys. 1. Zanacone wymiay elementów tego układu istotne dla obliceń wynosiły: d 0.6[m] d 0.[m] d 0.13[m] d 0.0[m] o n 1 d h 0.5[m] ho 0.07[m] hn 0.15[m]. Własności temofiycne dla stopu staliwnego alewanego do kokili żeliwnej acepnięto liteatuy [1]. Pyjęto liową mianę gęstości ( ) i współcynnika pewodenia ciepła ( ) w pediale tempeatuy. Zmianę współcynnika lepkości dynamicnej ( ) tempeatuą L S okeślono według ależności podanej w [4]. Zależność ( ) obowiąywała do watości 0.9 udiału fay stałej ( ) w stefie dwufaowej. Powyżej tej watości lepkość nagle wasta do dużych watości. Dla achowania stabilności obliceń pyjęto 3 10 [ Ns/ m ]. Zalewano metal pegany o tempeatue 1850[K] S pędkością 0.[m/s] do fomy o tempeatue pocątkowej 350 [K]. Dolewanie metalu do nadlewu ealiowano py paametach: 1850[K] 0.1[m/s]. Założono współcynnik wymiany ciepła międy fomą i otoceniem 100[W/m K] oa współcynniki pewodenia ciepła pokycia ochonnego: 5 i 0. 7 [W/(mK)]. Poostałe tempeatuy wynosiły: 1810[K] G o G n S 1760[K] a 300[K] A 350 [K]. Analiowano jawiska cieplne i pepływowe achodące we wnęce fomy podcas jej wypełniania ciekłym metalem (ys.) oa po jego akońceniu do momentu akepnięcia odlewu. Okeślano wpływ uchu metalu na ketykę kepnięcia odlewu oa na umiejscowienie jamy skucowej okeślonej położeniem lii solidus w końcowym momencie kepnięcia odlewu py dwóch waiantach alewania metalu (ys.3). Roważano dopowadenie ciekłego metalu od dołu - centalnie i jego dolewaniu do nadlewu w końcowej faie wypełniania układu (ys.- 3a) oa tylko dopowadenie ciekłego metalu od dołu - centalnie (ys.3b). 3. UWAGI I WNIOSKI odelowanie kepnięcia uwględnieniem uchów ciekłego metalu w poównaniu modelowaniem kepnięcia statycnego (be uwględnienia uchów ciekłego metalu) daje oba nieównomienego pyostu fay stałej (ys.). Zastosowanie waiantu odlewania polegającego na dopowadeniu ciekłego metalu od dołu - centalnie i jego dolewaniu do nadlewu w końcowej faie wypełniania układu (ys.-3a) powala na wypowadenie jamy skucowej do nadlewu i otymanie odlewu be wad pochodenia skucowego (ys.3a). Takiego efektu py jednakowych danych nie uyskano w pypadku waiantu odlewania polegającego tylko na dopowadeniu ciekłego metalu od dołu - centalnie (ys.3b). L

5 a) b) V[ m / s] faa ciekła - obsa dwufaowy - faa stała Rys.. Pole pędkości (a) i pole tempeatuy (b) w końcowym momencie wypełniania układu: 0.[m/s] 1850[K] 0.1[m/s] t 9s Fig.. Velocity field (a) and tempeatue field (b) the fal moment of mould caity fillg: 0.[m/s] 1850[K] 0.1[m/s] t 9s a) b) obsa dwufaowy - faa stała obsa dwufaowy - faa stała Rys.3. Pola tempeatuy po akepnięciu odlewu: a) [m/s] 0.1[m/s] 1850[K] t 137s; b) 0.[m/s] 1850[K] t 139s Fig.3. Tempeatue field afte solidification of the castg: a) 0.[m/s] 0.1[m/s] 1850[K] t 137s; b) 0.[m/s] 1850[K] t 139s

6 LITERATURA [1] Bokota A. Pakitny R.: Elastic-plastic states solidifyg castg. Achies echanics 1991 ol. 43 n -3 s [] Dantig J. A.: odellg liquid-solid phase changes with melt conection. Int. J. fo Num. eth. Engg ol. 8 s [3] Dhatt G. Gao D..: A Fite element simulation of metal flow moulds. Int. J. fo Num. eth. Engg ol. 30 s [4] Hiai.: Estimation of iscosities of liquid alloys. ISIJ Intenational 1993 ol. 33 n s [5] ishima S. Sekely J.: The modellg of fluid flow and heat tansfe mould fillg. ISIJ Intenational 1989 ol. 9 n 4 s [6] Pakitny R. Bokota A. Sowa L.: odelowanie numeycne kepnięcia odlewu uwględnieniem pocesu wypełniania wnęki fomy. Zesyty Naukowe Politechniki Śląskiej echanika 1998 ol. 6 s [7] Pakitny R. Sowa L.: Wpływ uchu ciekłego metalu na ketykę kepnięcia. Zagadnienie osiowo-symetycne. Kepnięcie etali i Stopów 000 ol. n 44 s [8] Sowa L.: odel kepnięcia odlewu uwględnieniem uchów fay ciekłej. Achiwum Technologii asyn i Automatyacji 1998 ol. 18 s Paca wykonana ostała w amach gantu n 7 T07A fansowanego pe KBN NUERICAL SIULATION OF SOLIDIFICATION OF AXISYETRICAL CASTING DURING ETAL POURING FRO THE OULD BOTTO WITH ITS ADDING TO THE TOP OF A RISER HEAD SUARY In the pape a mathematical and a numeical model of the solidification of a cyldical shaped castg which it is taken to account the pocess of fillg the mould caity with molten metal fom the mould bottom and its addg to the top of a ise head has been poposed. In the mathematical model tedependence between themal and dynamical phenomena has been also consideed. The elocity fields wee obtaed by solg the Naie-Stokes equations and the contuity equation while the themal fields wee obtaed by solg the equation of heat conductiity contag the conection tem. The poblem was soled by the fite element method. The fluences of poug paametes and cases of metal mould poug on the solidification ketics of the castg wee estimated. One aims the pape to obta a castg without shkage defect. Recenował Pof. Stanisław Jua