Теплообмен при закалочном охлаждении пластины в магнитной жидкости

Актуальность исследований. Магнитные жидкости — новый технологический материал — нашли широкое применение в науке, технике и медицине.

Взаимодействие магнитных жидкостей с электромагнитными полями позволяет регулировать гидродинамические и теплообменные процессы в них. Одним из новых перспективных и малоразработанных направлений в теплофизике магнитных жидкостей является направление, изучающее явления теплои массопереноса в высокотемпературных теплофизических процессах, таких, например, как закалочное охлаждение при термической обработке металлов.

Исследование воздействия магнитного поля на процессы теплообмена, протекающие при закалке плоских тел в магнитной жидкости, и изучение механизмов этого влияния представляет как научный, так и практический интерес. Данные исследования способствуют расширению представлений о закономерностях протекания процессов кипения магнитных жидкостей в магнитных полях. Одновременно с этим появляются возможности для совершенствования ныне существующей технологии закалки деталей плоской формы.

Диссертационная работа выполнена в 1993;1998гг в Ставропольской Государственной сельскохозяйственной академии в рамках программы научных исследований СГСХА. Работа одобрена и поддержана РФФИ, Грант № 96−01−1 747.

Целью настоящей работал являлось экспериментальное изучение нестационарных процессов переноса тепла при закалочном охлаждении тел плоской формы в магнитных жидкостях типа магнетит в воде. При этом ставились основные задачи:

— провести наблюдение за состоянием поверхности пластины в процессе высокотемпературного охлаждения в магнитной жидкости для выявления областей поверхности пластины с различными режимами кипения магнитной жидкости, происходящими при одной температуре;

— провести экспериментальное моделирование процесса формирования паровоздушных полостей в объеме магнитной жидкости, омывающей поверхность намагничивающейся пластины в магнитном поле;

— дать математическое описание формы свободной поверхности магнитной жидкости, омывающей поверхность намагничивающейся пластины в магнитном поле;

— изучить изменение интенсивности охлаждения различных точек поверхности пластины в зависимости от величины приложенного магнитного поля;

— рассчитать температурное поле и распределение термических напряжений в пластине, охлаждаемой в магнитной жидкости в магнитном поле;

— исследовать влияние магнитного поля на структуру и механические свойства стальных пластин, закаленных в магнитной жидкости .

Научная новизна заключается в следующем:

— при проведении охлаждения пластины в магнитной жидкости под воздействием внешнего магнитного поля впервые обнаружено наличие на поверхности пластины зон, отделенных от охлаждающей жидкости слоем пара — так называемых паровоздушных полостей;

— проведено экспериментальное моделирование процесса образования паровоздушных полостей вблизи поверхности охлаждаемой в магнитной жидкости пластины путем наблюдения за поведением магнитной жидкости, омывающей холодную пластину при включенном магнитном поле;

— показано, что при соотношении длины к толщине пластинь: меньше десяти вблизи центральной части поверхности пластинь: вдоль вертикальной ее оси образуются две воздушные полости по одной с каждой стороны пластины, представляющие собой вертикальные конусообразные воронки, сужающиеся в направлении силы тяжести;

— впервые обнаружено, что вблизи поверхности пластин с соотношением длины к толщине более десяти в жидкости, омывающей пластину, образуются четыре воздушные полости по две на каждую сторонуполости сосредоточены у торцов пластиныформа наблюдаемых полостей конусообразная, сужающаяся в направлении силь: тяжести;

— найдено, что при соотношении длины пластины к толщине порядка десяти при различном объеме магнитной жидкости, заполнявшей кювету, в зависимости от величины приложенного магнитного поля, можно наблюдать следующую картину эволюции воздушных полостей, образующихся в объеме магнитной жидкости, омывающей пластину: в малых полях вблизи поверхности пластины формируются две полости, расположенные в центральной части поверхности пластиныс увеличением значений поля полости увеличиваются в размерах, удлиняясь вдоль плоскости пластиныпри некотором значении поля в средней части полости начинает развиваться неустойчивость (форма полости теряет правильную геометрическую форму) — развитие неустойчивости приводит к дроблению двух полостей на четыреполости перемещаются к торцам пластинывначале с ростом магнитного поля уменьшаются в размерах, но затем вновь увеличиваются в объеме;

— решена задача о распределении формы свободной поверхности магнитной жидкости, омывающей пластину в приложенном постоянном магнитном поле при различной ориентации плоскости пластины пс отношению к направлению вектора внешнего магнитного поля;

— экспериментально установлено, что скорость охлаждения различных участков поверхности пластины в магнитной жидкости сложным образом зависит от величины приложенного магнитного полянаблюдается двухмаксимумовая зависимость интенсивности охлаждения различных точек поверхности пластины от величины приложенного магнитного поля;

— экспериментально показано, что в процессе закалки стальных пластин в магнитной жидкости путем изменения величины приложенного постоянного магнитного поля можно добиться как диффузионного, так и бездиффузионного превращения аустенита в различных элементах объема охлаждаемого плоского образца и, в связи с этим, получить различное распределение микроструктуры по объему закаленного изделия.

Автор выносит на защиту:

— положение о том, что на отдельных участках поверхности пластины возникают устойчивые локальные паровые полости, сохранявшиеся до температур теплоотдаюцей поверхности ниже температуры предельного перегрева жидкости;

— результаты экспериментального моделирования процессов формирования паровоздушных полостей в объеме магнитной жидкости, омывающей пластину, полученные при различных соотношениях размеров пластины, соотношениях объемов магнитной жидкости к объему пластины, от величины внешнего магнитного поля, ориентации направления плоскости пластины к направлению внешнего магнитного поля;

— найденный в экспериментах двухмаксимумовый характер зависимости изменения средней скорости охлаждения различных точек поверхности пластины от величины приложенного внешнего магнитного поля в процессе закалочного охлаждения в магнитной жидкости;

— результаты закалки стальных пластин в магнитной жидкости в магнитном поле, показывающие возможность получения в процессе закалки в объеме стальной пластины различных структур и неоднородного распределения твердости по поверхности пластины.

Практическая значимость работы. Экспериментально обнаружена возможность управления с помощью постоянного магнитного поля процессами теплообмена при закалочном охлаждении плоских пластин в магнитной жидкости.

Показано, что различные скорости охлаждения отдельных участков поверхности пластины приводят к получению различной микроструктуры и твердости на различных участках поверхности закаленной пластины.

Показано, что регулируя скорость охлаждения различных точек поверхности пластины при закалке в магнитной жидкости, можно осуществлять различные виды термообработки изделия в одной и той же охлаждающей среде.

Достоверность результатов подтверждается:

— качественным соответствием наблюдаемых явлений результатам расчетов, проведенных по классическим уравнениям феррогидродинамики;

— использованием стандартных измерительных средств, допускаемая погрешность. измерения которых не превышала 2%- выполнением статистической обработки экспериментальных данных.

Апробация работы: Результаты диссертационной работы докладывались на конференциях: 59−62 Научных конференциях СГСХ£ (г.Ставрополь, 1994;98гг) — 7-й Международной конференции по магнитным жидкостям (г.Плесс, 1996 г.), III научной конференции «Актуальные проблемы современной науки» (г. Ставрополь, 1997 г.), Международном Симпозиуме по гидродинамике магнитных жидкостей и их применению ISHMFA497 (Япония, г. Сендаи, 1997), Всероссийской конференции «Физико-химические проблемы нанотехнологий» (Ставрополь, 1997 г.), Всероссийской конференции «Современные методы и достижения в механике сплошных сред» (Москва, 1997). Проводимые исследования отмечены Грантом РФФИ № 96−01−1 747.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и обгьем диссертации. Настоящая работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 138 страниц, список литературы насчитывает 104 наименования.

основные вывода.

1. Изучались температурные интервалы различных режимов кипения магнитной жидкости на различных участках поверхности охлаждаемой пластины.

2. Обнаружено, что в объеме магнитной жидкости, окружающей поверхность ферромагнитной пластины, помещенной во внешнее магнитное поле, возникают зоны, свободные от магнитной жидкости — воздушные полости. Воздушные полости сохраняются на поверхности охлаждаемой пластины при всех режимах кипения магнитной жидкости.

3. Проведено экспериментальное моделирование процессов формирования паровоздушных полостей вблизи поверхности пластины при различном соотношении длины пластины к толщине, величины приложенного внешнего магнитного поля, соотношения объемов магнитной жидкости и пластины, ориентации пластины по отношении: к вектору магнитного поля.

4. Обнаружено, что количество, форма, размеры и место расположения воздушных полостей зависят от: геометрических размеров пластины (соотношения длины к толщине), величины приложенного внешнего магнитного поля, соотношения объемов магнитной жидкости и пластины, ориентации пластины по отношению к вектору магнитного поля.

5. Вблизи поверхности пластин с соотношением длины к толщине менее десяти в диапазоне магнитных полей от 0 до 190 кА/м образуется две расположенные в центральной пластины части воздушные полости. На поверхности пластин с соотношением длины к толщине более десяти до всем исследуемом диапазоне магнитных полей образуется четыре воздушные полости, расположенные вблизи торцов пластины.

6. Решалась задача распределения свободной поверхности магнитной жидкости вблизи поверхности намагничивающейся пластины с соотношением длины к толщине менее десяти при различной ориентации плоскости пластины по отношению к вектору внешнего магнитного поля.

7. Выведено уравнение, описывающее форму свободной поверхности магнитной жидкости при различном расположении пластины с соотношением длины к толщине менее десяти по отношению к вектору внешнего магнитного поля. Установлено качественное соответствие результатов, полученных в результате расчетов, с данными экспериментов.

8. Изучались особенности протекания процессов теплообмена при закалочном охлаждении пластины в магнитной жидкости.

9. Установлено, что интенсивность теплообмена в процессе закалочного охлаждения пластин в магнитной жидкости зависит от величины объема поверхности пластины, занятого воздушными полостями. При этом процессы теплообмена протекают более интенсивно для точек, контактирующих с магнитной жидкостью по сравнению с точками, находящимися в зоне воздушных полостей.

10. Изучалось распределение формы свободной поверхности магнитной жидкости вблизи поверхности пластин с соотношением длинь: к толщине порядка десяти.

11. Установлено, что вблизи поверхности пластин с соотношением длины к толщине возможно получение как двух, так и четырех воздушных полостей в объеме окружающей пластину магнитной жидкости. Изменение количества полостей можно производить путем изменения величины внешнего магнитного поля или соотношения объема магнитной жидкости к объему пластины.

12. Решалась задача распределения термических напряжений в пластине по полю температур при закалочном охлаждении в магнитной жидкости.

13. Установлено, что существуют магнитные поля, при наложении которых на процесс закалочного охлаждения, термические напряжения, возникающие в процессе закалки в материале образца, не превышают предела прочности для исследованных марок сталей.

14. Проводилась закалка пластин, изготовленных из сталей с различным содержанием углерода и легирующих элементов, в магнитной жидкости в условиях наложения внешнего постоянного магнитного поля.

15. Установлено, что для пластин с соотношением длины к толщине порядка десяти возможно получение различной структуры в объеме закаленных образцов с заранее заданной неоднородностью путем изменения величины внешнего магнитного поля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Подведя итоги описываемых исследований, можно сформулировать.