Введение к работе
Актуальность работы. Известно, что в отличие от большинства литейных сплавов чугун имеет теплофизические характеристики,сильно зависящие от характера формирующейся структуры, параметры которой в свою очередь зависят от локальных условий кристаллизации. Поэтому вследствие постоянно возрастающих требований к качеству и сво2стваи литой иэтаялопродукции возникает необходимость всестороннего исследования теплофазических процессов при кристаллизации и затвердевании чугунных отливок.
Для проведения таких исследований шроко приценяется вычислительный эксперимент,позволякцай не только выполнять комілексное исследование процесса затвердевания отливок,но н определить оптимальные условия их форшрования, обеспечиваадзе получзкпе качественного литья. В связи с зтин, актуальной задачей является разработка математических моделей теплсфязических процессов при затвэ-рдеваша расплавов чугуна и катодов проведения ксшяексного численного исследования этих процессов.
Цель диссертационной работы. Разработка вопросов иатеиатиче-ского моделирования тешгофязическпх процессов при затвердевании отливок из высокопрочного чугуна. В задачу исследования входило:
-
Отработка кетодаки численного исследования названных процессов (компьютерный эксперимент).
-
Разработка програыиных средств для кошлексного численного исследования процессов, происходшцих при затвердевании чугунных отливок,с последующей разработкой гибридной экспертной састе-ш технологической подготовки литейного производства.
-
деленное исследование влияния:тепловых условий затвердевания отливки, кинетики формирования неиеталлическах включений (НВ), терыонапрязенного состояния отливки,а такке условий иодифа-цирования расплава чугуна в ковше порошковой проволокой при получении высокопрочного чугуна на процесс форнирования отливки.
Научная новизна работы. Сформулирована ыатеыатическая модель тешгспереноса в двухфазной зоне (Д3) затвердевавшей отливкн с учетсн пространственной неоднородности в распределении твердой фазы и различия теплоеыкостей твердой и гадкой фаз, а также выделения скрытой теплоты кристаллизации структурных составляющих чугуна при фазовых переходах в расплаве, в трехиеркей постановке.
Создан кокплекс ыатекатичеекпх моделей, реализующие их алго-рзтш и вычислительные програти, позволяющие: определять оптиш-
4 льные параметри процесса модифицирования расплава чугуна в ковше порошковой проволокой; прогнозировать процесс образования и формирования НВ переменного состава в жидкой фазе дендритной ячейки; анализировать термонапряженное состояние отливки в хода ее кристаллизации и затвердевания для прогнозирования наиболее вероятных мест появления трещин.
Разработана концепция использования интегрированных гибридных экспертных систем для исследования и проектирования тепловых процессов в литейных технологиях.
Практическая ценность работы. Большинство результатов исследований, проведенных в работе, было получено и внедрено при выполнении хоз- и госбюджетных тем в рамках научно - технических программ и планов министерства образования Украины. Тематика и содержание диссертации отвечают глазным направлениям и задачам реформирования экономики Украины в плане знерго- и ресурсосбережения в металлургической промышленности.
В НІШ "Темп" (г. Москва) внедрены с социальным и научно-техническим эффектом методика и программа численного моделирования тепломассопереноса и процесса формирования НВ переменного состава при затвердевании отливок из высокопрочного чугуна.
В Днепродзержинском ГТУ внедрены методика и программа численного моделирования процесса формирования НВ переменного состава в жидких и затвердевающих сплавах на основа гелеза с учетом неравновесного хода их затвердевания, позволяющие прогнозировать параметры и места локализации включений.
В HUBS "Металл" (г. Донецк) внедрены методика и программа расчета гидродинамических и теплофизических процессов при модифицировании чугуна в ковше порошковой проволокой с магниевым наполните лем. На Магнитогорском и Новолипецком МК опробованы предложенные рациональные параметры технологического процесса,что позволило свести к минимуму выплески расплава из ковша.
В Днепропетровской ГМетАУ внедрены алгоритм и программа расчета гидродинамических и теплофизических процессов при формировании центробежнолитых биметаллических отливок, а также исследовано их термонапряженное состояние при различных режимах охлаждения. В промышленных условиях на Никопольском Южно-трубном заводе опробованы предложенные оптимальные параметры процесса и подтверждены выводы о целесообразности выбора естественного вида охлаждения по сравнению с охлаждением пакетами в колодцах,поскольку в последнем
5 случае вероятность трещанообразования более высокая.
Все указанные програшпше средства зарегистрированы в 00АП.
Апробация работа.Основные результаты и полокения работы докладывались и обсувдались на: 7-й Всесоюзной научно - технической конференции "Проблеш кристаллизации сплавов и компьютерное моделирование", Шіевск,І990; ІІ-й республиканской школе-сенанаре "Методы катешзтического моделирования з научных исследованиях", Донецк, 1990; 1-й иездунэродной конференции "Численные ыетода в гидравлике и гидродикаїяпад'',Донецк, 1994; VI-й иеэдународкой научно-технической конференции "Кристаллизация :ксшызтерные модели, эксперимент, технология", Изевск, 1994; 3-х ВУЗовских научных конференциях профессорско-преподавательского состава по итогам НИР,Донецк, 1991, IS93, I9S5 г.г.
Публикации.По изтериалан диссертации опубликовано 23 работы.
Структура~н объеы работы. Диссертация состоит из введения, четкрех глав.закличения, списка литературы на 12 страницах из 121 нагашновэния, прилогешя на 9 страницах и содерзат 144 страница ыэЕшюписного текста, 51 рисунок и 9 таблиц.
Работа выполнена в лаборатории ыатеиатического иоделврованая тепломассооб!ленных процессов при кафедре физической гидродинамики (с 1990г.- кафедра физики неравновесных процессов и экологии) Донецкого госунаверситета,а также в аспирантуре Донгосуниверситета.
На зввзату выносятся следущие научные полоаекия: ызтеыатическая модель, иетод численной реализации и результаты численного исследования теплообиенных процессов при затвердевании отливок из высокопрочного чугуна с учетом пространственной неоднородности з распределении твердой фазы и различая теплоеикостей твердой и гадкой фаз, а такта выделения скрытой теплоты кристаллизации структурных составляющих чугуна при фазовых переходах в расплаве, в трохкарной постановке;
кокшгекс иатеыатаческих моделей, методи их численной реализации и результаты численного исследования: процесса образования в формирования НВ переменного состава в кадкой фазе дендритной ячейки; тертонапряЕвнного состояния отливки с учетса упругого,упруго-пластического и вязко-упругого поведения материала отливка в ходе ее кристаллизации и затвардеваная; процесса кодифицирования расплава чугуна в ковше порошковой проволокой;
установленные в результате вычислительного эксперимента закономерности теплообісена и фазовых переходов;
разработанные программные средства, включая экспертные системы, для исследования и проектирования тепловых процессов.