facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Wiki
Page translation
 

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ ЖИДКОТЕКУЧЕСТИ МЕТАЛЛА

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ ЖИДКОТЕКУЧЕСТИ МЕТАЛЛА
Vykhodets Aleksander, candidate of technical science, associate professor

Odessa National University named after I.I Mechnikov, Ukraine

Championship participant: the National Research Analytics Championship - "Ukraine";

Современная теория и практика получения сплавов показывает, что достижение высоких свойств возможно только на основе современной теории. В связи с этим, постановка научно-исследовательских работ по мизучению физических процессов металлов является актуальной.

 

Актуальность исследовательских работ в области жидкого состояния и необходимость совершенствования литейной технологии привели к постановке задачи работы, целью которой является изучение кристаллизации чугунов и сталей в потоке с точки зрения влияния скорости и степени перемешивания на структуру и свойства формирующегося твердого металла .

Процессы кристаллизации потоков железоуглеродистых расплавов до настоящего времени в литературе специально не рассматривались. Некоторым образом этот вопрос изучался [2,3] с точки зрения теплового и механического воздействия перегретого металла, омывающего фронт кристаллов. Имеются, также, данные [2] о том, что перемешивание затвердевающего расплава механическим путем способствует измельчению- зерна в слитке, и что перемешивание расплава падающей струей способствует разнесению центров кристаллизации по всему объему. Изучалось [1] движение расплава с различными скоростями затвердевания; показано, что турбулизация потока ускоряет охлаждение на различных участках отливки; построены графики снижения температуры для сплавов различной теплопроводности, но без связи с их химическим составом и скоростью течения; поэтому выводы носят скорее качественный характер.

Несмотря на то, что подавляющее большинство работ по кристаллизации относится к стационарным средам, в настоящее время уже известно что не только звуковые колебания увеличивают частоту возникновения зародышей. В числе факторов, способствующих кристаллизации, следует назвать и макропотоки, так как поле давлений вокруг растущего кристалла зависит от общей скорости потока [1]

Однако, с точки зрения жидкотекучести процесс кристаллизации потоков железоуглеродистых сплавов изучался многими исследователями. Вопросам, связанным, с жидкотекучестью, посвящены статьи, разделы монографий , диссертаций в которых изложены результаты исследованийю В последующие годы был опубликован ряд работ , которые не внесли существенных изменений в сложившиеся представления о жидкотекучести чугунов и сталей.

Жидкотекучесть[4] является одним из наиболее широко изучавшихся вопросов (16/; вопросы перемещения жидкого металла и заполнения им литейной формы находятся в центре внимания литейщиков и металловедов. Однако, главным образом, эти работы направлены на создание улучшенных конструкций технологических проб и связаны с экспериментальным определением жидко-текучести сплавов различного химического состава.

Впервые, уравнение для расчета жидкотекучести было предложено (24) в виде:

                                                                                 (1)

где    – коэффициенты, зависящие от свойств сплава и формы,

c, d– теплоемкость и плотность металла,

d, L– скрытая теплота кристаллизации,

θ– температура.

Ограниченные возможности этого уравнения очевидны. Это - отсутствие связи с процессом кристаллизации и условиями течениями металла. Справедливо отмечается (9), что жидкотекучесть не может быть функцией перегрева в первой степени, то есть между теплоперепадом на металле и форме не может быть простой зависимости.

Определенный интерес представляет зависимость жидкотекучести от температурного интервала кристаллизации, предложенная в виде:

                                                                                                (2)

где А - константа, завещая от физико-химических и технологических свойств металла и формы,

t – температура.

Следует обратить внимание на внешнее сходство выражений (1-2), сконструированных, по сути, из одних параметров. Следовательно, этим зависимостям присущи и общие недостатки.

В работе [4] введено понятие нулевой жидкотекучести, точка которой соответствует отводу 20% теплоты кристаллизации. Однако, это утверждение никак не обосновывается зависимостью от химического состава и условий затвердевания. Поэтому сами авторы признают трудности определения нулевой жидкотекучести и условий ее появления.

Известна зависимость длины заполнения пробы от диаметра канала и гидростатического напора металла. Принимая частное решение уравнения теплопроводности Фурье в виде интеграла ошибок Гаусса и полагая, что металл перестает течь, когда в нем образуется огромное количество взвешенных кристалликов, найдено, что жидкотекучесть определяется как:

                                   ( 3)

где: η– вязкость,

D, Hg– диаметр канала и гидростатический напор,

υтв– количество взвешенных кристалликов,

a, b, n– постоянные.

Это уравнение было бы серьезным шагом в возможности количественной оценки жидкотекучести, в связи с установлением некоторой связи с процессом кристаллизации, если можно было бы определить неизвестные константы.

Важнейшей вехой в изучении жидкотекучести железоуглеродистых сплавов явилось уравнение):

                                                             (4)

где f, P–поперечное сечение и периметр потока,

c, α– теплоемкость и коэффициент теплоотдачи металла,

Н–ферростатический напор,

R– радиус стенки, заполняемой металлом,

– сумма коэффициентов, характеризующих местные сопротивления на пути потока.

Метод расчета по этой зависимости следует назвать гидравлическим, так как выражение (4) было получено в результате рассмотрения ньютоновской жидкости, исходя из того что остановка потока происходит из-за образования корки на носке. прочность которой превышает ферростатическое давление.

В действительности рассматривать металл как ньютоновскую жидкость можно только при значительном перегреве, так как является недопустимым пренебрежение реологическими свойствами в момент, близкий к затвердеванию. Что касается средних значений вязкости сплавов, то следует иметь ввиду что вязкость реологических железоуглеродистых сплавов имеет различную скорость изменения в зависимости от химического состава. Важность этого обстоятельства показана в (4), откуда следует что чем выше перегрев; тем больше расхождение в расчетных и экспериментальных данных; показано, что при Т=1923°К эта разница достигает 6 раз. Другим важным моментом является наличие корки на носке потока, процесс образования которой рассматривается только как результат теплоперепада.

Так как вопрос о роли корочки на поверхности струи имеет принципиальный характер, то необходимо отметить что это происходит тогда, когда весь объем металла близок к затвердеванию, и образование корки непосредственно, предшествует остановке потока, как результат необратимости процесса кристаллизации системы. Однако, образование корки связано с химическим составом железоуглеродистого сплава. Так, на сплавах эвтектического состава не наблюдается корочка на жидко-подвижной струе, а у сталей - наоборот. Очевидно1, образование твердой корки на носке потока не является самостоятельным моментом, а составляет часть процесса общей кристаллизации, происходящей в результате теплообмена, который регулируется интенсивностью размешивания.

Обобщая анализ уравнений жидкотекучести (2. 1-4) необходимо сослаться на работу (30), где проведено сравнение, из которого следует что приведенные выше методики расчета не дают сопоставимых результатов.

Прежде всего следует отметить некоторую одностронность физических представлений в вопросах жидкотекучести, которая, как полагают авторы, определяется только влиянием литейной формы, что и нашло отражение в предложенной формуле:

L=                                                                             (5)

где D – приведенный гидравлический диаметр канала,

λ – коэффициент потерь напора на трение,

μ – коэффициент расхода литниковой системы,

А – параметр, А = f(А*)

А*=                                                                                                          (6)

где         γ– удельный вес.

По утверждению авторов, предпосылкой к созданию такого расчета явилось то обстоятельство, что известные ранее формулы жидкотекучести содержат ряд эмпирических коэффициентов, определяемых опытным путем для каждой литейной формы и каждой марки металла. Удалось ли на основе уравнения (5) создать удобный метод расчета, свободный от локальных и эмпирических коэффициентов По-видимому нет, так как коэффициент расхода литниковой системы определяется значениями местных сопротивлений. Что касается коэффициента потерь напора на трение, то на этот счет не выдано никаких рекомендаций. Кстати, само понятие трения, возникающего на поверхности контакта металла с руслом, нуждается в соответствующем пояснении и увязке с представлениями о пограничном слое, тем более, что пористую, легко разрушаемую потоком, термически и химически неустойчивую поверхность литейной формы можно рассматривать как твердую только с определенными допущениями. Удивительным является тот факт, что температура, стоящая: в выражении (6) под знаком логарифма, определяет параметр "А", который в (5) входит в слагаемое, величина которого, как следует из выражений, по абсолютной величине сравнима с единицей:

                                                                                     (7)

Тогда,

L=                                                                                                               (8)

То есть, в таком случае жидкотекучесть определяется диаметром канала, потерям напора на трение и характеристикой пропускной способности литниковой системы, которая, также, зависит от диаметра канала. Таким образом, предпосылки расчета являются несостоятельными. Тем более, что ни один из параметров выражения (5) не связан с характеристиками жидкого металла и превращениями в пограничных слоях.

Появление этой методики расчета жидкотекучести явилось результатом упрощенного рассмотрения вопроса. Так, использование в качестве одного из исходных положений классической гидравлической формулы для определения скорости потока υ=  неприемлемо в связи с тем, что скорость потока определяется не только величиной напора, но и вязкостью системы, которая за время заполнения формы может изменяться в значительных пределах. Другим исходным моментом явилось уравнение Ньютона для теплового баланса; рассматривался по длине струп слой элементарной толщины; условия размешивания металла и закон продвижения фронта кристаллизации не учитывались. Поэтому результаты рассмотрения неприменимы ко всему объему потока.

Действительно, тонкий поток должен заполнить полость формы и сформировать отливку в технологическое время, величина которого зависит от напора. Это время должно быть таким, чтобы не успел произойти теплообмен с литейной формой в пределах значений, которые могут вызвать фазовый переход.

Как указывается в [4]), ставилась цель исследовать жидкотекучесть сплавов при получении тонкостенных отливок. Однако, исходя из вышеизложенного, те габариты потоков, жидкотекучесть которых можно рассчитать по (5), являются столь небольшими, что не могут встретится ни в производственной, ни в лабораторной практике. Признавая, что жидкотекучесть резко зависит от температуры и химического состава, в то же самое время утверждается, что минимальная величина жидкотекучести постоянна и не зависит от свойств металла. Недостаточная обоснованность понятия минимальной жидкотекучести подчеркивается тем, что процесс затвердевания металла является быстротечным. Как характеристика перемещения жидкого металла, эта понятие может быть установлено только на основе понятий, многозначно характеризующих способность сплава перемещаться.

Жидкотекучесть зависит от характеристик жидкого состояния, гидродинамических параметров течения, а также природой и химическим составом сплава в соответствии с его положением на диаграмме состояния.

В настоящее время практика накопила огромное количество данных о жидкотекучести сплавов различного химического . состава, однако, какая-либо систематика отсутствует. Ее не могут полностью заменить качественные представления о жидкотекучести, как результат анализа экспериментальных данных процесса течения сплава, определяемого многообразием факторов. . Отсутствие систематики в этих вопросах приводит к выделению второстепенных факторов, косвенно влияющих на жидкотекучесть. Так, например, загазованность влияет на жидкотекучесть не непосредственно, а через изменение вязкости сплава.

Велико значение жидкотекучести с точки зрения заполнения формы металлом, то есть, в стадии, предшествующей формированию отливки. Недостаточная жидкотекучесть приводит не только к незаполнению полостей литейной формы, но может быть и причиной брака, так как еще в период перетекания металла по литниковым каналам создаются предпосылки для образования, впоследствии, трещин, спаев и усадочных дефектов; з то время как повышенная жидкотекучесть приводит к разогреву и размыву формы, способствует засору. Поэтому, свойство жидкотекучести можно рассматривать как критерий пригодности сплава к формированию структуры в начальной стадии кристаллизации, когда наиболее очевидно проявляется связь между физическими и химическими свойствами металла.

Сложность процесса жидкотекучести состоит в его нестационарности, так как при перекатывании металла по какой-то поверхности пограничный слой не может быть неподвижным, что существенным образом влияет на величину диффузии и массообмена при кристаллизации на межфазных поверхностях контакта. Так как толщина диффузионного пограничного слоя имеет вид степенной зависимости от скорости

δ= u-p,                                                                                                              (9)

то уже при малых скоростях движения жидкости перенос вещества потоком начинает преобладать над диффузией, что приводит к изменению скорости кристаллизации, определяющей потерю жидкотекучести.

Сложной картине потока сплава соответствует картина тепловых и диффузионных потоков не только на поверхности русла, но и в глубине потока, так как при скоростях заполнения литейных форм область развитой турбулентности может занять весь объем струи, что приводит к интенсивному размешиванию во всех точках потока.

Сложность явлений перемещения струй привела к большому количеству методов ее определения с помощью технологических проб, результаты которых не всегда являются объективными критериями оценки жидкотекучести и кристаллизации сплавов в связи с их несопоставимостью.

Вывод: Получены некоторые зависимости жидкотекучести сплавов от характеристик жидкого состояния металла и гидродинамики его теченитя.

 

Литература:

  • 1. Выходец А.М. Физика жидкотекучести расплава металла The results of the LXXXV11 Interenational Conf. Properties of matter in the focus of attention modern theoretical doctrines. - London, Sept. 02, 2014, P. 17-18
  • 2. Выходец А.М. Использование математического менеджмента в гуманитарном анализу Studying the nature of matter abd physical fields in the search for ways of the fundamental scientific solution. - London, April 21, 2015, P. 48-50
  • 3. Выходец А.М. Уравнение конвективной диффузии для медленного потока металла., Известия Высших учебных заведений. Черная металлургия. – 1971., № 5., С. 162-165
  • 4. Выходец А.М. Оценка жидкотекучести железоуглеродистых сплавов., Литейное производство. – 1971., №7, С. 31-32
0
Your rating: None Average: 6.7 (3 votes)
Comments: 2

Pоdlypnay Marina

Уважаемый Александр Выходец, весьма благодарна за новые познания в изучении физических процессов металлов. Желаю Вам успехов в дальнейших исследованиях. С уважением Подлипная Марина.

Vaidotas Matutis

Интересно наблюдать как недостаточнасть теории дополняется практическими наблюдениями и в синтезе получается кое что пригодное для практического применения...Удачи в продолжении работы. С уважением и наилучшими пожеланиями, Вайдотас Матутис ( http://matutis.eu ) ( http://matutis.eu/thinking/ )
Comments: 2

Pоdlypnay Marina

Уважаемый Александр Выходец, весьма благодарна за новые познания в изучении физических процессов металлов. Желаю Вам успехов в дальнейших исследованиях. С уважением Подлипная Марина.

Vaidotas Matutis

Интересно наблюдать как недостаточнасть теории дополняется практическими наблюдениями и в синтезе получается кое что пригодное для практического применения...Удачи в продолжении работы. С уважением и наилучшими пожеланиями, Вайдотас Матутис ( http://matutis.eu ) ( http://matutis.eu/thinking/ )
PARTNERS
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.