MODELOWANIE KRZEPNIĘCIA WLEWKA Fe-Si-Mg

Transkrypt

1 Solidi!ication of Metais and Alloys, No.30, 1997 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 30, 1997 PAN- Oddział Katowice; PL ISSN ANDRIEJ A. 13URBIELKO, EDWARD FRAs. EDWARD GUZIK. WOJCIECH KAPTURKIEWICz, MICHAL PORI~BSKI MODELOWANIE KRZEPNIĘCIA WLEWKA Fe-Si-Mg Z wykorqstaniem oprogramowania profesjonalnego ProCAST wykonano modelowanic krystali:t.ac.ji wlewka żelazostopu Fe-Si-Mg odlewauego w dwu wariantach do kokili 7.cliwncj. W pracy udowodniona została konieczność uwzględnienia procesu wypclmcnia wih;ki formy pr!.c/. zalewany metal, bowiem szczegó ł y przepływu metalu w tonnic w sposób istotny V>'plywaj<t nic tylko na początkowy rozklad temperatury, a również na niejednor od no ść krystali7.acji, 1. wszystkimi płynącymi stąd konsekwencjami w zakresie segregacji składników i stopnia zużycia form wielokrotnego uży tku. l. WPROWAJ>ZENIE Przepływ metalu w formie odlewniczej i jego krystalizacja to bardzo z ło żo ne procesy, które w sposób zasadniczy decydują o jakości odlewów Od nich zależy bowiem otrzymanic odlewów pozbawionych takich wad jak, np. porowatość skurczowa i gazowa, niedolewy, zimne krople, fałdy, niespawy, pęknięcia i odkształcenia. Problematyka ta najczęściej jest rozwiązywana na zasadzie prób i błędów z wykorzystaniem różnych reguł o charakterze empirycznym. Z tego powodu odlewnictwo traktuje się niekiedy raczej jako sztukę niż naukę Ostatnio jednak sytuacja ta ulega zmianie dzięki rozwinięciu numerycznych metod symulacyjnych Większosć prac [3] tego zakresu, koncentruje się jednak na obliczaniu pola temperatury odlewu, przy założeniu stalej temperatury początkowej, co jest ich poważną wadą W rzeczywistosci bowiem na pole temperatury odlewu wpływa także sposób przepływu metalu w formie. Ujmują to m. in. prace 11,2,41, które poz walają optymalizować konstrukcję układów wlewowych i zasilania bez ponoszenia kosztów i czasu, niczbędnych do przcrowadzcnia licznych prób eksploatacyjnych. dr inż. - W y dział Odlewnictwa AGH w Krakowie prof. dr hab. inż. - Wydział Odlewnictwa AGH w Krakowie dr hab. inż.- Wyd:óal Odlewnictwa AGH w Krakowie mgr in?.. - Wydział Odlewnictwa AGH w KrakO\vie

2 44 A. A. Burbielko, E. Fraś, E. Guzik, W Kapturkiewicz, M. Porębski Podstawowym układem równań różniczkowych dla tych algorytmów są - równanie przewodzenia ciepła: at p c - = V( Ą VT) + q (T, -r), Dr. (l) gdzie T - temperatura; p- gęstość; c - ciepło właściwe; 1- czas; 'A - przewodność cieplna; q - wydajność ciepła przemian fazowych; V- operator Laplacc'a: V = L_!} ; i axi i - indeksy osi współrzędnych, -bilans masy wyrażony równaniem ciągłości strugi: (2) gdzie u, - rzuty wektora prc;dkości na oś współrzędnych x,_ - równanic Navicra-Stokcsa: (J) gdzie 8 - funkcja delta Kroneckera; p - ciśmcmc; g, - rzuty wektora przyspieszenia grawitacyjnego na osie współrzc;dnych : a, 1 - tcnsor naprc;żcń Stokcsa cr. =j...l(oui + ć)ujj - ~1-l ćluk_ O. +1-lT_Qu_j_ ' J ax - ax 3 axk l,j ax -, J l J 1-l- lepkość ; 1-l-r - lepkość wirowa.

3 Modelowanie krzepnięcia wlewka Fe-Si-Mg OPIS l WYNIKI SYMULAC.H W niniejszej pracy do rozwiązania powyższych równań wykorzystano profe SJonalne oprogramowanie ProCAST Analiza dotyczy procesu rozlewania żelazokrzemu z dodatkami od 5 do l O % magnezu w kokili grubościennej wykonanej z że liwa (rys. l). W celu określenia sposobu zalewania kokili, jego wpływu na pole temperatury wlewka i kokili oraz na udział wykrystalizowanego stopu, przyjęto dwa warianty rozlewania: l. Metal odlewano z nieruchomej kadzi umieszczonej nad brzegiem kokili (wariant statyczny). 2. Metal odlewano z ruchomej kadzi, przemieszczającej sic; nad kokilą (wariant dynamiczny). wariant dynamiczny dynamie variant wariant statyczny! stalic variant ł Rys. l. Przekrój kokili do rozlewania żelazostopu oraz warianty rozlewania Fig. l. Iron n10ld section for tcrroalloy filling wit h thc schemcs or Iiiiing Rezultat modelowania procesu wypełniania wnc;ki kokili w wariancie statycznym pokazuje rys. 2. Obserwuje sic; dużą niejednorodność pola temperatury Po cz.asie 90 s różnica temperatury metalu mierzona wzdłuż długości kokili wynosi oko ł o 190 oc W przypadku wariantu dynamicznego rozkład temperatury stopu jest bardziej równorniemy (rys. 3). Konsekwencją tego są zmiany udzialu wykrystalizowanego stopu na poprzecznym i wzdłużnym przekroju wlewka Po cz.asie 960 s przy wariancie statycznym, udział fazy stalej wynosi około 70 % w rejonic odlewania stopu oraz 80 i l 00 % w miarę oddalania się od tego rejonu (rys. 4). Przy wariancie dynamicznym (rys. 5) po cz.asie 970 s, udział wykrystalizowanego stopu, praktycznie w całym wlewku wynosi 80% i tylko przy jego brzegach osiąga 100%

4 46 A. A. Burbi<...Yko, E Fraś, E Guzik, W Kapturkiewicz, M. Porębski Czas= 23 s Czas" 46 s Czas= 90s l'"r<>cut Rys. 2. Pole temperatury w czasie '"'YPełniania wnęki kokili -wariant statyo:ny Fig_ 2. Temperature field during U1e fillin g o f iron mold-stalic varim1t

5 Modelowanie krzepni.ęcia wlewka Fe-Si-Mg 47 :i,?pm:::::::: ::: ::::}t;;;:::::::::{::::~~:l ~ l ~ ~ 1 0 ~ 'i.l.: ~~~l~f łtrzr:mrx:;:::::m r:p:.::1r~.f.'1r<'ł.?:fikifii@3r~~rj Czas= 23 s.. l.:.l -:. ~t : ::~ii:. Czas= <los 1350 ' c 13) 'QO M 12l Czas= 70s Czas= 90s ! {) -""'"... Rys. 3. Pole temperatmy w cz.asie wypełniania w11ęki kokili- wariant dynamiczny Fig. 3. Temperature field tłuring the Jill ing o f iron mol d - djtiamic variant

6 48 A. A. Burbielko, E. Fraś, E. Guzik, W Kapturldewicz, M. Porębski U dział fazy zakrzepłej Czas = 210 s '9(1 Czas= 460 s c 7"i 0 f(j O (lo Czas=710s,_~~.,o Czas= 960 s D 020 r: 15 u 10 grubość odlewu 40 mm Czas= 1200 s.1 Ot l QO Czas = 960 s, przekrój wzdłużny RYS 4. Ld;: iał fazy s tałej w przekrojach wlewka z żcluostopu- statyczny wananl wy pełniania F1g. 4. Fracuon solid płot in thc fcrroalloy casting scclions- stnlic variant of fiłłing

7 Modelowanie lazepn ięci.a wlewka Fe-Si-Mg 49 Udzia ł fazy zakrzepłej ~::_ ~ _:_} Czas = 165 s l co c 90 Czas= 470 s - --r--n oso c ;'5 J /0 i1 1 Czas= 715 s u:l - ==:.oa.. - l 1J Czas= 970 s C_6(J l '/J C 4U grubość odlewu 40 mm Czas= 1170 s Czas = 970 s, przekrój wzdłóżny RYs. 5. Udl.ial fatv stalej w prlckrojach wlewka z i.clal.ostopu- dynamicn1y wariant wypclniania Fig. 5 Fraction solid plot in thc fcrroalloy casting scctions- dynamie varianl of fillin g

8 50 A. A. Burbielko, E. Fraś, E Guzik, W Kapturkiewicz, M. Porębski Wynika stąd, że dynamiczny wariant rozlewania żelazokrzemu zmniejsza nicjednorodność krystalizacji z wszystkimi płynącymi stąd konsekwencjami w zakresie segregacji składników i stopnia zużycia kokili. LITERATURA III Hirt C. W, Nichols B. D., Romero N. C.: Sola-A-Numcrical Algorithm for Transieni Flow with Mułlipie Frce Boundaries, Report LA-8355, Los Alamas Scientilic, Lipiiu;ki D.M.: Some Remarks on the 3-D Transieni Free Surface Fluid Flow Computalions. Using lhc SOLA-type Algoritłuns. MAGMA GmbH, Software Dept. Interna! Rep. MJ\GMJ\ S-1 /90, Alsdorf, Mociuweki B., Suchy J. Modelowanie i symulacja krlcpni~tcia odlewów. PWN, Wars;rawa ProCAST, Calcom, Parc Scientilique, Lausanne, Switzerland, l 'JlJ6. Andriej Burbielko Edward Fraś Edward Guzik Wojciech Kapturkicwicz Michał Por~tbski Fe-Si-Mg Casting Solidification Modeling Summary Thc solidification o f ferroalloy Fe-Si-Mg casting is simulated with using of proli.:ssional software "ProC AS T" for two variants o f iron mol d lilling. lt i s showed that the processof alloy filling in to the mol d cavity should he taken in to account. Fi l li n g o f t he liquid in to the mol d has an significant citect as on thc primary lempcraturc field, as on t he solidilication hcterogenity with lhc consequenct: of components segregation and iron muld Jurabili ty.