Исследование температурных напряжений и деформациЙ в чугунных кокилях для изготовления отливок мелющих шаров

Вид материала

Подобный материал:

Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. № 4 (24)

УДК 621.74

И.К. Кульбовский, Д.А. Туркин

Исследование температурных напряжений и деформациЙ
в чугунных кокилях ДЛЯ изготовления отливок мелющих шаров

Исследованы термические напряжения и деформации, возникающие в металлических формах из чугуна при изготовлении в них отливок мелющих шаров. Рассмотрены основные факторы, приводящие к разрушению кокилей при эксплуатации. Даны рекомендации по повышению их эксплуатационной стойкости.

Ключевые слова: чугун, отливка, кокиль, стойкость, деформация.

Чугунные мелющие шары для горнообогатительных комбинатов изготовляют литьем из чугуна в металлические формы. Применяемые для этого кокиля из чугуна марок СЧ10, СЧ15 имеют невысокую стойкость. При эксплуатации таких кокилей возникают значительные термические напряжения, приводящие к короблению, появлению сетки разгара и последующему разрушению формы. Поэтому исследование величин и влияния термических напряжений, возникающих в чугунных кокилях, на их стойкость является одной из актуальных задач литейного производства.

Для определения температурного режима работы металлической формы были отлиты экспериментальные кокиля из чугуна, в которые на разных уровнях и расстояниях от внутренней поверхности были вмонтированы термопары (рис. 1), подключенные к потенциометрам, что позволяло замерять температуру в их стенках во время заливки в них чугуна и охлаждения отливок.

По полученным экспериментальным данным рассчитали тепловой поток, действующий со стороны расплавленного металла на кокиль, и провели расчетные исследования температурных полей кокилей. Исследования показали, что перепад температур между термопарами 1 и 3, вмонтированными в экспериментальный кокиль (рис. 1), равен 140°С.

Тепловой поток для этого случая равен [1-3]

q_max = λ∙∆Т/∆h,

(1)

где q_max – максимальный тепловой поток; λ – коэффициент теплопроводности; ∆Т – разность температур между датчиками; ∆h – расстояние между термопарами 1 и 3, равное 19мм.

В табл. 1, 2 приведены свойства чугунов, применяемых для изготовления кокилей [4; 5]. Температурный режим работы кокилей на основе экспериментальных (рис. 1) и производственных данных при изготовлении мелющих шаров следующий: максимальная температура кокиля до заливки (после подогрева) – 250°С; максимальная температура наружной стенки кокиля после нескольких заливок – 400°С; максимальная температура внутренней стенки кокиля после нескольких заливок – 600°С. Толщина стенок кокиля – 40…50 мм. При подстановке этих значений, а также данных из табл. 1, 2 в формулу (1) получаем q_max = 0,368 Вт/мм².

Общее количество тепла, передаваемое от металла в кокиль за цикл «заливка-выбивка», равно [1-5]

Q_M= C·∆Т₁M,

(2)

где Q_M – общее количество тепла; С – теплоемкость чугуна; ∆Т₁ – разница температур заливаемого чугуна и извлекаемых отливок; М – масса заливаемого чугуна (принимается по производственным данным).

На основе производственных данных принимаем ∆Т₁ = 1350 – 700 = 650°С, М = 4 кг (вес металла отливок на половину кокиля).

При подстановке данных из табл. 1, 2 в формулу (2) получаем количество тепла, выделяемого металлом отливки до её извлечения из кокиля: Q_M = 13·10⁵ Дж.

С другой стороны, количество тепла, которое отводится кокилем, равно [1-3]

Q_К = ∫ g(t) S dt,

(3)

где g(t) – распределение теплового потока в кокиле во времени; S – площадь контакта (56000 мм²).

Предполагаем, что поток меняется во времени линейно [1-3] от q_max = 0,368 Вт/мм² в начале заливки до нуля в конце заливки.

Тогда Q_К = 11,9·10⁵ Дж.

(4)

Принятое допущение о величине теплового потока и его распределении соответствует действительности.

На свободных поверхностях кокиля приняты граничные условия 3-го рода (конвекция) по выражению [1-3]

q = α₁(T - T_воз),

(5)

где α₁ – коэффициент теплоотдачи, равный 50 Вт/(м²·град) [1-3]; T_воз – температура окружающей среды (воздуха), равная 20°С.

На поверхности стыковки двух половинок кокиля приняты граничные условия теплоизоляции. Рассматриваем первый цикл заливки. Начальная температура кокиля равна 250°С для всего тела. Весь интервал времени был разбит на 12 шагов по 10с.

Для выполнения расчетов на ЭВМ по конечноэлементным моделям кокилей по формулам (1-5) была использована специальная программа, представленная московской фирмой «Криста».

В результате компьютерных расчетов были получены нестационарные температурные поля кокилей.

Установлено, что максимальная температура поверхности кокиля достигается на 7-м шаге по времени – через 70 с от начала заливки – и составляет 570°С (рис. 2). Изображенные с помощью компьютера изолинии распределения температур в кокилях на 70-й секунде цикла заливки для поверхностей, находящихся под воздействием теплового потока, показывают, что наиболее разогретой поверхностью является заливочная чаша (рис. 4).

Таблица 1

Механические свойства чугунов для кокилей

Марка чугуна	Статическая прочность σ_в, МПа		Усталостная прочность σ_-1, МПа		Деформация разрушения, %	Упругая деформация, %
Марка чугуна	При растяжении	При сжатии	При растяжении	При сжатии	Деформация разрушения, %	Упругая деформация, %
СЧ20	220	768	80	310	0,31-0,63	0,18
ЧВГ35	350	1300	140	520	2,5-3,5	1,25-1,50

Таблица 2

Физические свойства чугунов для кокилей

Марка чугуна	Плотность γ, кг/м³	Модуль упругости Е, ГПа		Коэффициент Пуассона μ	Теплоемкость, Дж/К	Коэффициент линейного расширения α	Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м·К)
		При растяжении	При сжатии
СЧ20	7,1·10³	120	120	0,25	500	10·10^-6	50
ЧВГ35	7,3·10³	140-160	140-160	0,28	550	13·10^-6	45


Рис.1. Схема расположения термопар в экспериментальном кокиле	Рис. 2. Изменение температуры за цикл заливки для наиболее нагретой точки кокиля

Изменение температуры за цикл заливки для одной из точек наружной поверхности кокиля приведено на рис. 3. Как видно из графика, температура сначала падает (охлаждение на воздухе в результате конвекции предварительно нагретого кокиля) и лишь через
40 с цикла заливки начинает подниматься под воздействием теплового потока, дошедшего за это время от внутренней поверхности кокиля. Изображенные с помощью компьютера изолинии распределения температур на наружной поверхности кокиля (рис. 4) показывают, что она может разогреваться к концу цикла заливки до 300°С.

По результатам расчета нестационарного температурного поля (рис. 2,3) было оценено термонапряжённое состояние кокилей для всех 12 шагов по времени за цикл заливки – 120 с.


Рис. 3. Изменение температуры за цикл заливки для внешней поверхности кокиля	Рис. 4. Распределение температур в кокиле на 70-й секунде цикла заливки

Компьютерные расчеты показывают, что компоненты тензора напряжений – эквивалентные напряжения (σ_экв) и главные (σ) – достигают своих максимальных значений на 30-й секунде цикла заливки (рис. 5).

Изображенные с помощью компьютера изолинии эквивалентных и главных напряжений показывают, что они наибольшие у питателя.

Из рис. 5 видно, что максимальные эквивалентные термические напряжения в кокиле достигают 21 кг/мм².

Максимальные эквивалентные температурные напряжения в кокилях достаточно велики, они превышают предел текучести чугуна СЧ20 и почти достигают предела текучести чугуна ЧВГ35 (табл. 1). Следует учитывать, что при повышенных температурах прочностные свойства чугуна снижаются [4; 5]. Это свидетельствует о большой вероятности возникновения трещин малоцикловой усталости при многократной заливке жидкого металла в кокиль, что приводит к выходу его из строя. Кроме того, превышение термонапряжениями предела текучести материала кокилей может привести к их формоизменению, вызываемому остаточными пластическими деформациями.

На рис. 6 показана деформация – смещение по оси Z (рис. 4) – края кокиля, значения которой получены с помощью компьютера. Найдено, что максимальная деформация на 60-й секунде заливки достигает 0,43мм, а максимальная бочкообразность – 0,46мм.

При остывании кокиля возникающие остаточные пластические деформации будут иметь обратный знак, поэтому при накоплении остаточных пластических деформаций в процессе эксплуатации кокиль будет приобретать обратную бочкообразность. Бочкообразность кокиля (вогнутость со стороны разъема) приводит к утечке из него жидкого чугуна при заливке и браку отливок. Таким образом, проведенные исследования термических напряжений кокилей показывают, что необходимо изыскивать для них более термостойкие материалы, чем чугун марок СЧ10, СЧ15.


Рис. 5. Изменение максимальных эквивалентных напряжений в кокиле за цикл заливки	Рис. 6. Перемещение вдоль оси Z края кокиля за цикл заливки

Проведенные исследования термических напряжений и деформаций кокилей позволяют сделать следующие выводы:

Разработана методика расчета на ЭВМ термонапряженного состояния кокиля.
На основе разработанной методики и полученных экспериментальных данных на ЭВМ рассчитаны тепловые потоки.
По специальной программе на ЭВМ рассчитаны температурные поля, термонапряжения и термодеформации кокилей.
С помощью ЭВМ получены изолинии максимальных значений рассчитываемых компонентов напряженно-деформированного состояния кокилей.
По расчетам максимальная температура внутренней поверхности кокиля достигает 574°С через 70 с после заливки. Экспериментальные замеры подтверждают расчетные данные.
По расчетам максимальные эквивалентные напряжения в кокиле достигают 21кг/мм².
Максимальные эквивалентные температурные напряжения в кокилях достаточно велики: они превышают предел текучести чугуна СЧ20 и почти достигают предела текучести чугуна ЧВГ35. Это свидетельствует о большой вероятности возникновения в них трещин малоцикловой усталости.
Максимальная деформация кокиля на 60-й секунде заливки достигает 0,43мм, а максимальная бочкообразность составляет 0,46мм.
Остаточные пластические деформации, возникающие при остывании кокиля, будут иметь обратный знак, поэтому при накоплении остаточных пластических деформаций в процессе эксплуатации кокиль будет приобретать обратную бочкообразность, т.е. коробиться по разъему. Это приведет к повышенной утечке металла из него и браку отливок, что и наблюдается в производстве.
Проведенные исследования показывают, что для увеличения стойкости кокилей их необходимо изготовлять из чугуна с повышенными механическими свойствами. Изготовляемые на заводе кокили из чугунов марок СЧ10, СЧ15 не могут иметь достаточную стойкость, так как механические свойства данных чугунов ниже термических напряжений, развивающихся в них при эксплуатации.

Список литературы

Баландин, Г.Ф. Основы теории формирования отливки: учеб. пособие для вузов / Г.Ф. Баландин. – М.: Машиностроение, 1979. – 335с.
Вейник, А.И. Расчет отливки / А.И. Вейник. – М.: Машиностроение, 1964. – 403с.
Дубинин, Н.П. Чугунное литье в металлических формах / Н.П. Дубинин. – М.: Машгиз, 1956. – 319с.
Машиностроение. Т. II-2. Стали и чугуны: энциклопедия / под ред. О.А. Банных, Н.Н. Александрова. – М.: Машиностроение, 2001. – 784с.
Справочник по чугунному литью / под ред. д-ра техн. наук Н.Г. Гиршовича. – 3-е изд., перераб. и доп. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1978. – 758с.

Материал поступил в редколлегию 21.04.09.

Blog

Исследование температурных напряжений и деформациЙ в чугунных кокилях для изготовления отливок мелющих шаров