23/10 Solidification of Metais and Alloys, No 23, 1995

Transkrypt

1 23/10 Solidification of Metais and Alloys, No 23, 1995 Krzepniecie Metali i Stopów, Nr 23, 1995 PAN - Oddział Katowice PL ISSN BADANIA MODELOWE PROCESU ZAPEŁNIANIA WNĘKIFORMY SKOCZYLAS Ryszard Wydział Odlewnictwa, Akademia Górniczo-Hutnicza Kraków, ul. Reymonta 23, POLAND STRESZCZENIE Przedstawiono wyniki badań modelowych procesu zapełniania wnęki formy. Wnęka formy z cienkiej prostokątnej płyty ułożonej przeźroczystego tworzywa sztucznego odtwarzała kształt pionowo. Wypełniano ją barwioną wodą, a proces wypełniania rejestrowano kamerą wideo. Uzyskane konfiguracje powierzchni swobodnej wody wypełniającej wnękę były podstawą do weryfikacji wyników numerycznego modelowania tego procesu. l. WPROW ADZENIE Proces wypełniania wnęki formy ciekłym metalem jest jednym z najważniejszych elementów kształtowania się odlewu. Jego bezpośrednie badania są z natury rzeczy bardzo utrudnione. Stosuje się tu różnorodne metody, najczęściej optyczne, ale również elektryczne lub radiograficzne. W metodzie optycznej jedną ze ścianek formy wykonuje się z materiału przeźroczystego oraz rejestruje się proces zapełniania wnęki kamerą filmową lub wideo. Wymaga to zazwyczaj przyjęcia kształtu odlewu, który umownie można określić dwuwymiarowym, to znaczy wymiar odlewu prostopadły do płaszczyzny obserwacji jest znacznie zredukowany. Najbardziej wartościowe są oczywiście eksperymenty z zastosowaniem rzeczywistych stopów odlewnicz) ch, czego przykładem mogą być szeroko cytowane w literaturze badania Andersena i!ngerslev'a [l, 2]. Przy pomocy szybkiej kamery (300 klatek na sekundę), filmowali oni wypełnianie ciekłym żeliwem formy, której jedną ze ścian stanowiła szyba ze szkła kwarcowego o grubości 32 mm. Podobną technikę zastosowali autorzy pracy [3], podczas gdy w pracy [4] do zarejestrowania położenia ciekłego metalu na taśmie filmowej wykorzystano radiografię. Innym sposobem rejestracji położenia czoła strumienia metalu jest wykorzystanie ~awiska łączenia przez płynący metal przewodów elektrycznych umieszczonych w różnych miejscach formy (szczególną odmianą tej metody może być wykorzystanie momentu zadziałania termoelementów po zalaniu formy ciekłym metalem [8]) lub mierzenie oporności przewodów ułożonych wzdłuż drogi strugi metalu [9]. Jednak znacznie częściej wykonuje się badania modelowe z wykorzystaniem cieczy niskotemperaturowych, zazwyczaj barwionej wody [2, 5-9], którą napełnia się formy z przeźroczystych tworzyw sztucznych.

2 66 Przegląd literatwy dowodzi ponadto, że prace z tego zakresu są wykonywane przede wszystkim jako materiał porównawczy dla wyników numerycznego modelowania procesu zapełniania wnęki formy. Podobny cel mają badania sygnalizowane w niniejszej pracy. 2. BADANIA MODELOWE Eksperymenty polegały na rejestracji kamerą wideo etapów napełnienia barwioną wodą przeźroczystej formy o wnęce w kształcie cienkiego prostop adłościanu. Podstawowe wymiary wnęki wynosiły: szerokość 240 mm, wysokość 200 mm oraz grubość 4 mm (prowadzono również eksperymenty z wnęką o grubości 14 mm). Wodę doprowadzano wykorzystując różnorodne układy wlewowe, przykładowo z wlewem doprowadzającym umieszczonym w dolnej płaszczyźnie wnęki, na bocznej płaszczyźnie u dołu wnęki i/lub w środku jej wysokośc~ itp. Zbiornik wody umieszczony był 150 mm ponad górną płaszczyzną wnęki, a jej wypływ następował po otwarciu zaworu. Rejestracja przepływu standardową kamerą wideo umożliwia uzyskiwanie 25 stop klatek na sekundę. Zarejestrowane obrazy przekazywane były przy pomocy złącza wideo do komputera osobistego, w którym przedstawiane były w standardzie graficznym VGA Rysunki la-h i 2a-h przedstawiają 16 stop klatek początkowego etapu napełuiania wnęki formy poprzez wlew doprowadzający o szerokości 20 mm, umieszczony w prawym dolnym narożu wnęki. Umieszczony przy każdym rysunku czas procesu liczony jest od chwili wpłynięcia wody do wnęki formy. Czas przepływu przez układ wlewowy wynosił około 0.36 sekundy, a całkowity czas napełuiania wnęki formy wynosił nieco ponad 2.5 sekundy. Uzyskane konfiguracje powierzchni swobodnej cieczy stanowiły bazę do weryfikacji modelu matematyczuego procesu przepływu. 3. MODEL MATEMATYCZNY PROCESU PRZEPLYWU Proces przepływu opisują równania zachowania masy i pędu. równania te mają postać: divu =O ao _ - +U VU + - Vp= V(vVU)+g dl p Dla cieczy lepkiej nieściśliwej (l) (2) gdzie: O - prędkość, p - ciśnienie, g - stała ciążenia, t - czas, p - gęstość, v- lepkość. Równania (l) i (2) rozwiązywano numerycznie, w oparciu o schemat jawny metody różnic skończonych. Opis położenia powierzchni swobodnej cieci;y oparty jest na metodzie SOLA-VOF [10), w której głównym parametrem jest ułamek fazy cieklej F Ma on wartość jeden w obszarze wypełnionym cieczą, zero w obszarze pustym oraz wartość pośrednią w elementach różnicowych, przez które przechodzi powierzchnia swobodna. Musi on spełuiać równanie:

3 67 Rys. l. Kolejne stadia procesu zapełniania barwioną wodą przeźroczystej wnęki formy o wymiarach 240 x 200 mm (czas procesu liczony od wpłynięcia wody do wnęki). Fig. l. Flow pattems during filling of240 x 200 mm transparent mould cavity with coloured water.

4 68 Rys. 2. Kolejne stadia procesu zapełniania barwioną wodą przeźroczystej wnęki formy o wymiarach 240 x 200 mm. Fig. 2. Flow pattems during filling of 240 x 200 mm transparent mould cavity with coloured water. (elapsing oftirne starts wben water is entering cavity).

5 69 a) 0.08 sek. "~=:~::::~~=:::..::_-=-~~= c)0. 16sek... - ", ' ' --~.. \ '''.. '. ' <0. - ' ~ _ :..:-.~~--- -~---~--L, l : ~ f) 0.28 sek. ::::: : _ ~:::::::::::.:::::-:= g) 0.32 sek. '.... :~1 t. '.. h) 0.36 sek. ~- :::::-~-;:--;:-, ,..,.-- ) ::::::~~.....::::::::::: :-=-==-=-::-'::l ' r ~ -- ""'-'-~ ' ,. - ~ Rys. 3. Wyniki obliczeń numerycznych procesu napełniania wnęki formy. Fig. 3. Results of numerical computation o f fillin g o f mo ul d cavity.

6 70 (3) Szczegóły algorytmu rozwiązania układu równań (l) - (3) w geometrii dwuwymiarowej przedstawiono w pracy [ll], przy czym rozbudowano go o elementy uwzględniające napięcie powierzchniowe i zwilżalność (12]. Rys. 3a-h przedstawia wyniki obliczeń, odpowiadające eksperymentalnemu przebiegowi procesu przedstawionemu na rys. la-h. Porównanie tych rysunków świadczy o zadowalającej zgodności obliczeń z eksperymentem. W obliczeniach przyjęto prędkość wlotową do wnęki wyniklą z ciśnienia hydrostatycznego w układzie wlewowym. Założono efektywny współczynnik lepkości o ponad dwa rzędy większy niżjego katalogowa wartość dla wody. W literaturze znana jest konieczność zawyżania tego współczynnika w obliczeniach. Uzasadnia się ją między innymi turbulencyjnością przepływu [ 13]. W opinii autora niniejszej pracy wynika ona też z rozpatrywania procesu w dwóch wymiarach, to znaczy bez uwzględniania w modelu tarcia cieczy o śc ianki formy równoległe do płaszczyzny ruchu. 4. PODSUMOW ANIE Rejestrowano techniką wideo proces wypełniania barwioną wodą przeźroczystej formy. Wyniki pomiarów porównano z wynikami obliczeń numerycznych tego procesu, uzyskując zadowałającą zgodność obliczeń z eksperymentem. Świadczy to o przydatności metody komputerowej symulacji procesu zapełniania wnęki formy do oceny procesu odlewania. Pracafinansowana w ramach projektu badawczego KBN nr 3 P LITERATURA [l] Andersen S.T., lngerslev P., 50th lnt. Foundry Congress, Cairo, Nov. 6-11, 1983, Cairo 1983, Paper No. 7. [2] Ingerslev P., Andersen S.T., 54th lnt. Foundry Congress, New Delhi, Nov , 1987, New Delhi 1987, Paper No. 9. [3] Xu Z. A, Mampey F., Modeling Of Casting, Welding And Advanced Solidification Processes VI. Palm Cost, Florida USA, March 21-26, 1993, The Minerals, Metais & Materials Soc., s [4] Shapiro A, Stein W., Raboin P., Ibid. s [5] Backer G.P., Ibid. s [6] Barkhudarov M. i in., Ibid., s [7] Kreziak G., Gilotte P, Han1ar R., Ibid. s [8] Walther H., Sahm P.R., Modeliing And Control Of Casting And Welding Processes IV. Palm Cost, Florida USA, April, 17-22, 1988, The Minerals, Metais & Materials Soc., s [9] Stoher R. A, Wang C.,lbid. s [lo] Hirt C. W., Nichols B.D.: J. Comp. Physics, 1981, t. 39, s [11] Skoczylas R., Metallurgy and Foundry Eng., 1993, t. 19, nr 3, s [12] Skoczylas R., Zjawiska Fizyko-Chemiczne w Odlewnictwie. Kom. Budowy Maszyn PAN Oddz. w Poznaniu i WSI w Zielonej Górze. Zielona Góra-Przełazy r, s [13] Hwang W.-S., Stoehr R.A., Journal ofmetals, 1983, Nr 10, s MODEL INVESTIGATIONS OF FILLIN G OF MOULD CA VTIY ABSTRACT Madelling of filling of mould cavity bas been shown. A transparent mould formed thin rectangular cavity oriented vertically. It has been filled with coloured water and the processof filling bas been recorded using video technique. Obtained patterns of movements of free surface of water filling the cavity have been used as a basis for validation of results of numerical modelling.