Процесс заполнения литейной формы расплавом занимает важное место в технологии изготовления отливки [1], поскольку на данном этапе происходит интенсивное воздействие на формирование физической, химической и структурной неоднородности литого металла. Знание механизма и кинетики процессов, протекающих при заполнении литейных форм, необходимо для создания научно обоснованных эффективных методов воздействия на жидкие и затвердевающие металлы и сплавы. Решение этой важной и сложной проблемы может быть осуществлено на основе теоретического анализа и физического эксперимента, чем занимались и занимаются многие исследователи. К настоящему времени накоплено значительное количество данных, свидетельствующих о существенном влиянии, которое оказывают на качество затвердевающего расплава сопряжённые гидродинамические и тепловые явления.
Однако из проведённого анализа публикаций становится ясно, что получить комплексное решение технологических задач, связанных с гидродинамикой заполнения форм, не представляется возможным, так как значительная часть практических рекомендаций по регулированию технологических параметров противоречива и часто ограничивается рецептами для конкретных сплавов и отдельных типов отливок. Кроме этого, экспериментальные работы достаточно большого количества авторов, направленные на выявление и обоснование рациональных сопряжённых.
I 1 гидродинамических и тепловых режимов заполнения литейных форм, ограничены в применении из-за отсутствующего подробного учёта многофакторности рассматриваемых процессов. Течение расплава в силу объединения в себе различных по физической природе явлений зависит сгг большого количества параметров, изменяющихся на протяжении всего времени действия вынужденной и естественной конвекции. С другой стороны, анализ возможных аналитических решений соответствующей системы дифференциальных и интегральных уравнений, описывающих турбулентное движение жидкости, показывает их ограниченность в приложении к технологическому циклу заливки конкретных форм. Ввиду значительной сложности гидродинамических и тепловых процессов в расплаве возможности традиционного подхода к их изучению на основе отдельных зависимостей, установленных теоретически и опытным путём, оказываются неизбежно ограниченными.
Требования потребителя к качеству и свойствам литых изделий продолжают постоянно ужесточаться и обуславливают необходимость глубокого и всестороннего исследования общих и локальных (в пределах способа литья) закономерностей движения расплава при заполнении полости литейной формы, приводящих к образованию литейных дефектов (эрозия стенок формы, плёнои шлакообразование, распределение газовых и неметаллических включений, горячие трещины и др.).
Наиболее приемлемым из существующих экспериментальных, аналитических и численных методов исследования [2−6], учитывая активное развитие численных методов и возможностей ЭВМ, является математическое моделирование, реализованное в виде методического,. алгоритмического, программного и информационного обеспечения, входящего в состав систем автоматизированного проектирования литейной технологии (САПР JIT), развитию и применению которых посвящена настоящая диссертационная работа.
При использовании средств САПР JIT становится возможным описать образование целого ряда литейных дефектов отливок, в основе возникновения которых лежат сопряжённые гидродинамические и тепловые процессы при заливке полости форм. САПР J1T становятся всё бох/ее важным, основным инструментом повышения научного уровня и надёжности литейной технологии в условиях непрерывно возникающих проблем обеспечения качества отливок и завоевания рынка технологий в XXI веке.
6. ВЫВОДЫ.
В диссертационной работе сформулирована сопряжённая задача теплообмена и гидродинамики расплава, составленный алгоритм реализован отдельными программными модулями, которые вошли в состав САПР «POLYCAST». Разработанные модели применены для анализа тепловых и гидродинамических процессов, происходящих во время заливки расплава в литейную форму. Получены следующие результаты.
1. Разработан комплекс математического, алгоритмического и программного обеспечения для численного моделирования сопряжённых тепловых и гидродинамических процессов при заполнении литейной формы, с использованием которого решён ряд задач.
— прогнозирования литейных дефектов и диагностики технологических условий.
2. На основе компьютерного анализа циркуляции расплава в полости литейной формы установлены закономерности формирования струйно-вихревой структуры потока, заполняющего форму. В зависимости от условий подвода металла, конфигурации формы, свойств расплава и материала формы в процессе заливки изменяются интенсивность развития вынужденной и естественной конвекции, пространственные и энергетические соотношения струйных потоков, вихревых и застойных зон.
3. Разработана и реализована компьютерная модель для численного анализа влияния сил различной природы, действующих на шлаковую частицу в циркулирующем расплаве. Моделирование движения шлаковых частиц позволяет произвести диагностику применяемой технологии в отношения улавливания частиц шлака и неметаллических включений, образующихся в полости формы.
4. Разработана модель возникновения эрозии стенок шероховатой формы под влиянием силового воздействия пристеночного потока, на основе которой реализована диагностика участков формы, подверженных эрозионному разрушению при циркуляции заполняющего форму расплава.
С помощью численного моделирования образования и эрозии твёрдой корки установлены факторы, определяющие её расплавление и размыв под действием потока перегретого металла. На основе компьютерного анализа технологических факторов, вызывающих эрозию корки, получены рекомендации по обеспечению безопасного изготовления стальных слитков в водоохлаждаемых изложницах.
Разработана компьютерная модель для количественной оценки условий возникновения фонтанирования при вертикальном сифонном подводе металла, на основе которой для предупреждения фонтанирования получено критериальное соотношение, связывающее силы инерции, вязкости и гравитации (Re, Fr) с геометрическими факторами поступления расплава в форму.
Представленные результаты проведённых исследований и их успешное применение для технологического анализа условий заполнения форм (в том числе, при тиксолитье для потока, содержащего значительную долю твёрдой фазы) обосновывают ' необходимость и доказывают 1 эффективность применения разработанного аппарата сопряжённого теплового и. гидродинамического моделирования процессов, происходящих в полости литейной формы, с целью диагностики технологии и прогнозирования дефектов.