Применение внутренних и наружных холодильников

Внутренние холодильники устанавливают в полость той части формы, где затвердевание отливки должно быть ускорено. Как правило, материал внутренних холодильников должен быть идентичен материалу отливки. Иногда допускается применение холодильников из более тугоплавких и прочных материалов. В этом случае холодильники выполняют также роль упрочняющей арматуры. Внутренние холодильники могут частично или полностью расплавляться за счет теплоты отливки. Тогда их называют расплавляющимися. В противном случае их относят к нерасплавляющимся.

Расчет внутренних холодильников основан на равенстве избыточной теплоты, имеющейся в локальном тепловом узле отливки, количеству теплоты, аккумулируемой холодильником.

Допустим, в отливке с толщиной стенки S_O имеется тепловой узел в виде местного утолщения сечением S_ТУ на H_ТУ (Рис. 2.7.10,а). Для предотвращения образования усадочной раковины в центре местного утолщения размещают внутренний холодильник. Требуется рассчитать размеры этого холодильника с учетом того, что утолщенная часть отливки должна затвердевать одновременно с основной ее частью.

Затвердеванию основной части отливки толщиной S_O соответствует момент, когда толщина затвердевшего слоя с обеих охлаждающих поверхностей составит S_O/2. За этот же период в утолщенной части отливки с каждой из охлаждающих поверхностей образуется затвердевший слой такой же толщины. Следовательно, холодильник должен обеспечить одновременное с остальной частью отливки затвердевание жидкого металла в центре утолщенной части объемом V_ABCD, эквивалентное сечению a-b-c-d. При размещении в этой части холодильника объемом V_Х фактический объем расплава V_Ж , из которого необходимо отвести теплоту перегрева и кристаллизации, становится на столько же меньше: V_Ж = V_ABCD – V_Х. С учетом этого, количество теплоты, которое должно быть отведено холодильником, равно:

Ñ Q_Ме = (V_ABCD – V_Х ) × [ V_Ж ×C_Ж ×(Т_ЗАП – Т_КР) + V_ТЖ ×L ], (2.7.6)

где V_Ж – плотность жидкого металла, кг/м³;

V_ТЖ - плотность расплава в интервале температур кристаллизации, кг/м³;

С_Ж - теплоемкость жидкого металла, Дж/ (кг×К);

Т_ЗАП – температура заполнения полости литейной формы, К;

Т_КР – температура кристаллизации сплава, К;

L – теплота кристаллизации сплава, Дж/кг.

В случае нерасплавляющегося холодильника количество аккумулируемой им теплоты равно:

ÑQ_Х = V_Х ×C_Х ×V_Х ×(T_Х,К – T_Х,Н), (2.7.7)

где С_Х – теплоемкость материала холодильника, Дж/(кг К);

V_Х – плотность материала холодильника, кг/м³;

Т_Х,К – конечная (максимально допустимая) температура прогрева внутреннего холодильника, К;

Т_Х,Н – начальная температура холодильника, К.

Из равенства выражений (2.7.6) и (2.7.7) получаем расчетную формулу для расчета объема внутреннего нерасплавляющегося холодильника:

V_Х = (2.7.8)

При расчете по формуле (6.5) за максимально допустимую температуру прогрева нерасплавляющегося внутреннего холодильника Т_Х,К можно принять температуру солидуса материала холодильника.

В случае применения расплавляющегося холодильника количество аккумулируемой им теплоты равно:

ÑQ _Х = V_Х ×[ C_Х ×V_Х ×(T_Х,КР – T_Х,Н) + V_Х,Т-Ж ×L_Х ], (2.7.9)

где Т_Х,КР – температура кристаллизации материала холодильника, К;

V_Х,Т-Ж – плотность материала холодильника при температуре кристаллизации, кг/м³;

L_Х – теплотоа кристаллизации материала холодильника, Дж/кг.

Из равенства выражений (2.7.6) и (2.7.7) объем внутреннего расплавляющегося холодильника равен:

V_Х = (2.7.10)

В качестве внутренних холодильников обычно применяют прутки или проволоку. В случае применения проволоки диаметр ее определяют из соотношения:

D_Х = (1/15 ¸ 1/20) × D _ТУ ,

где D_ТУ – диаметр окружности, вписанной в тепловой узел, м.

Длину проволоки находят по известному объему холодильника:

L_Х = 4×V_Х / (p ×D_Х²).

При большой длине проволоки ее устанавливают в форме в виде спирали, диаметр которой связан с диаметром вписанной окружности следующим соотношением:

D_СПИР = D_ТУ – 6 ×D_Х.

Если в качестве холодильника применяют прутки, то диаметр его может быть вдвое больше диаметра проволоки. При установке холодильника в месте высверливаемого отверстия диаметр прутка должен составлять 0,4 – 0,5 от диаметра будущего отверстия в отливке.

Наружные холодильники оформляют внешнюю поверхность той части отливки, затвердевание которой должно быть ускорено. В качестве наружных холодильников используют вставки из высокотеплопроводных материалов (графита, меди, алюминия), а также дешевых сплавов (стали, чугуна). Они не обязательно должны быть более тугоплавкими, чем материал отливки, но не должны расплавляться. Более того, они не должны привариваться к отливке. Поэтому максимальная допустимая температура их прогрева ограничена следующим соотношением:

Т_Х,К £ 0,8 Т_Х,СОЛ,

где Т_Х,СОЛ – температура солидуса материала холодильника, К.

Для предотвращения приваривания к отливке и регулирования интенсивности теплопередачи от нее к холодильнику рабочую его поверхность, контактирующую с отливкой, окрашивают специальной краской. Роль наружного холодильника заключается в том, чтобы к моменту затвердевания основной части отливки толщиной S_O завершилось затвердевание и в утолщенной ее части толщиной S_У (Рис. (2.7.10,б). Для этого, с одной стороны, холодильник должен иметь достаточную тепловую емкость (объем), но, с другой стороны, успеть за время затвердевания основной части отливки аккумулировать количество теплоты, выделяемое частью отливки толщиной S_УХ. Поэтому расчет наружного холодильника включает определение его объема, а также толщины краски на ее рабочей поверхности. Габаритные рабочие размеры наружного холодильника, как правило, соответствуют размерам торцевой поверхности утолщенной части отливки. Поэтому расчет объема наружного холодильника сводится к расчету его толщины.

Расчет толщины наружного холодильника. Применение холодильника должно обеспечить встречу фронта затвердевания на оси О-О. Для этого за время формирования от поверхности А-А затвердевшего слоя толщиной S_О/2 от поверхности Б-Б должен образоваться встречный затвердевший слой толщиной S_УХ. При этом часть отливки, ограниченная сечением a-b-c-d, выделяет при затвердевании теплоту перегрева и кристаллизации:

ÑQ _Ме = F_Б-Б ×S_УХ ×[ C_Ж ×V_Ж ×(T_ЗАП – T_КР) + V_Т-Ж ×L, (2.7.11)

где F_Б-Б – поверхность контакта отливки с холодильником, м².

Это количество теплоты отводится через холодильник. Вследствие этого он нагревается с начальной температуры Т_ХН до конечной Т_{ХК .}. При этом часть аккумулированной теплоты от холодильника передается литейной форме через поверхность В-В. Таким образом, вся теплота перегрева и кристаллизации распределяется между холодильником и литейной формой:

ÑQ _Ме = ÑQ _Х + ÑQ _Ф, (2.7.11)

где ÑQ _Х – количество теплоты, аккумулированной холодильником, Дж;

ÑQ_Ф – количество теплоты, аккумулируемой литейной формой, Дж;

ÑQ _Х = F_Б-Б ×S _Х ×С_Х ×V _Х ×(Т_Х,К – Т_Х,Н), 2.7.12)

ÑQ _Ф = (2/) b _Ф F_В-В (Т_ПОВ – Т_Н,Ф) ; 2.7.13)

S _Х - толщина холодильника, м;

b_Ф – коэффициент теплоаккумулирующей способности материала литейной формы, Вт ×с ^1/2/ (м² ×К);

Т_ПОВ – температура на поверхности контакта холодильника с формой, К;

Т_Н,Ф – начальная температура формы, К;

i _ЗАТВ – продолжительность затвердевания основной части отливки, с.

Из условия (2.7.11) толщина наружного холодильника равна:

S_Х = (2.7.14)

Температура на границе контакта вначале равна температуре формы и холодильника: Т_ПОВ=Т_Н,Ф=Т_Х,Н. В конце затвердевания отливки она приближается к значению Т_Х,К=0,8×Т_Х,СОЛ. Поэтому при расчете по формуле (2.7.14) за температуру Т_ПОВ можно принять среднее значение:

Т_ПОВ = (Т_Х,Н + Т_Х,К)/ 2 = (Т_Н,Ф + 0,8 ×Т_Х,СОЛ)/ 2 2.7.15)

Продолжительность затвердевания основной части отливки i_ЗАТВ рассчитывают аналитическим или численным методом.

Расчет толщины краски наружного холодильника. По условиям, за время затвердевания основной части отливки количество теплоты перегрева и кристаллизации Q_{М е} от местного утолщения должно быть полностью отведено в сторону холодильника. Для этого указанное количество теплоты необходимо передать через поверхность раздела отливки с холодильником. Теплопередача через поверхность осуществляется по закону Ньютона:

Q_Ме-Х = a × F_Б-Б × (Т_ОТЛ – Т_Х) × i_ЗАТВ, 2.7.16)

где a - коэффициент теплоотдачи от отливки к холодильнику, Вт/(м² К);

Т_ОТЛ – температура отливки, которую можно принять как среднюю за время затвердевания температуру металла, К:

Т_ОТЛ = (Т_ЗАП + Т_{Ме, СОЛ})/2;

Т_{Ме, СОЛ} – температура окончания затвердевания отливки, К;

Т_Х – средняя за время затвердевания отливки температура холодильника,К:

Т_Х = (Т_Х,Н + Т_Х,К) / 2.

Из условия равенства выражений (2.7.10) и (2.7.16) коэффициент теплоотдачи равен:

a = (2.7.17)

Коэффициент теплоотдачи a численно равен коэффициенту теплопередачи через металлический холодильник a_Х. С учетом термических сопротивлений газового зазора на границе отлиТка-холодильник, холодильника, окисной пленки и защитной краски на его поверхности, а также теплоотдачи от наружной поверхности песчаной формы имеем:

a = a_Х = 1 / (S _ЗАЗ / l_ЗАЗ + S_ОК / l_ОК + S_КР / l_КР + S_Х / l_Х + 1/ a _Ф-В), (2.7.18)

где S_ЗАЗ, S_ОК и S_КР – соответственно толщины газового зазора на границе отливки с холодильником, а также окисной пленки и краски на его поверхности, м;

l_ЗАЗ, l_ОК, l_КР и l_Х – соответственно коэффициенты теплопроводности среды газового зазора, а также оксидной пленки, краски и материала холодильника, Вт/ (м×К);

a_Ф-В – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности формы в окружающую среду (воздух), Вт/(м²×К).

Значение S_КР/l_КР значительно больше, чем S_ОК/l_ОК, S_ЗАЗ/l_ЗАЗ и 1/a_Ф-В в знаменателе выражения (2.7.18). Поэтому вместо (2.7.18) можно для расчета толщины краски использовать более простое выражение:

a» 1 / (S_КР / l_КР + S_Х /l_Х), (2.7.19)

Из (2.7.19) толщина краски на поверхности холодильника равна:

S_КР = l_КР × (1/ a - S_Х / l_Х ) = l_КР/ a - S_Х ×l_КР/ l_Х (2.7.20)

При заданных значениях S_Х и l_Х (см. решение предыдущей части задачи) толщина краски для холодильника определяется ее теплопроводностью. Она в основном зависит от природы наполнителя (Табл. 2.7.4) и изменяется от 0,12 до 0,53 Вт/ (м ×К). Расчетная величина S_КР может принимать отрицательное значение. Это означает, что условия литья превышают возможности пассивного наружного холодильника и с его помощью невозможно обеспечить отвод теплоты ÑQ_Ме за время затвердевания i_ЗАТВ основной части отливки. В этом случае можно использовать искусственно охлаждаемые активные наружные холодильники. Их применяют при производстве крупных и уникальных отливок. Если вариант применения наружных холодильников по тепловым или технологическим причинам неприемлем, то необходимо рассмотреть вариант применения внутреннего холодильника (и рассчитать его) или же принять решение о питании утолщенной части отливки при помощи прибыли и соответственно рассчитать ее.

Дата добавления: 2014-01-07