Интенсификация процессов затвердевания крупногабаритных отливок из железоуглеродистых сплавов при литье по газифицированным моделям
Рассмотрен вопрос изготовления массивных отливок способом литья по газифицированным моделям. С целью получения отливок с гарантированным качеством исследовали возможность интенсификации процесса затвердевания заготовок. Получили расчётные формулы для определения численных значений эффективного коэфф...
Gespeichert in:
| Datum: | 2015 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2015
|
| Schriftenreihe: | Металл и литье Украины |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162799 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Интенсификация процессов затвердевания крупногабаритных отливок из железоуглеродистых сплавов при литье по газифицированным моделям / И.А. Шалевская, Д.И. Мусбах, В.О. Шинский // Металл и литье Украины. — 2015. — № 9. — С. 34-37. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-162799 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1627992020-01-17T01:25:50Z Интенсификация процессов затвердевания крупногабаритных отливок из железоуглеродистых сплавов при литье по газифицированным моделям Шалевская, И.А. Мусбах, Д.И. Шинский, В.О. Рассмотрен вопрос изготовления массивных отливок способом литья по газифицированным моделям. С целью получения отливок с гарантированным качеством исследовали возможность интенсификации процесса затвердевания заготовок. Получили расчётные формулы для определения численных значений эффективного коэффициента теплопередачи от расплава к форме. Показано, что изменение теплоаккумулирующей способности литейной формы и стержней позволяет управлять температурным полем систем отливка-форма и отливка-стержень для повышения качества литых заготовок, их прочностных и пластических свойств. Розглянуто питання виготовлення масивних виливків способом лиття по моделям, що газифікуються. З метою отримання виливків з гарантованою якістю досліджували можливість інтенсифікації процесу твердіння заготовок. Отримали розрахункові формули для визначення чисельних значень ефективного коефіцієнта теплопередачі від розплаву до форми. Показано, що зміна теплоакумулюючої здатності ливарної форми і стрижнів дозволяє управляти температурним полем систем виливок-форма і виливок-стрижень для підвищення якості литих заготовок та їх міцнісних і пластичних властивостей. The problem of large castings manufacture using Lost-foam process is considered in the paper. For obtaining the castings with guaranteed quality the possibility of intensification of performs solidification process was investigated. The calculating formulae for determining the numerical values of the effective coefficient of heat transfer from the melt to mould was obtained. It is shown that the change of the heat storage capacity of the mould and cores allows control of temperature field in systems casting-shape and casting-rod systems for improving the quality of castings and their strength and plastic properties. 2015 Article Интенсификация процессов затвердевания крупногабаритных отливок из железоуглеродистых сплавов при литье по газифицированным моделям / И.А. Шалевская, Д.И. Мусбах, В.О. Шинский // Металл и литье Украины. — 2015. — № 9. — С. 34-37. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 2077-1304 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162799 621.744.3 ru Металл и литье Украины Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Рассмотрен вопрос изготовления массивных отливок способом литья по газифицированным моделям. С целью получения отливок с гарантированным качеством исследовали возможность интенсификации процесса затвердевания заготовок. Получили расчётные формулы для определения численных значений эффективного коэффициента теплопередачи от расплава к форме. Показано, что изменение теплоаккумулирующей способности литейной формы и стержней позволяет управлять температурным полем систем отливка-форма и отливка-стержень для повышения качества литых заготовок, их прочностных и пластических свойств. |
| format |
Article |
| author |
Шалевская, И.А. Мусбах, Д.И. Шинский, В.О. |
| spellingShingle |
Шалевская, И.А. Мусбах, Д.И. Шинский, В.О. Интенсификация процессов затвердевания крупногабаритных отливок из железоуглеродистых сплавов при литье по газифицированным моделям Металл и литье Украины |
| author_facet |
Шалевская, И.А. Мусбах, Д.И. Шинский, В.О. |
| author_sort |
Шалевская, И.А. |
| title |
Интенсификация процессов затвердевания крупногабаритных отливок из железоуглеродистых сплавов при литье по газифицированным моделям |
| title_short |
Интенсификация процессов затвердевания крупногабаритных отливок из железоуглеродистых сплавов при литье по газифицированным моделям |
| title_full |
Интенсификация процессов затвердевания крупногабаритных отливок из железоуглеродистых сплавов при литье по газифицированным моделям |
| title_fullStr |
Интенсификация процессов затвердевания крупногабаритных отливок из железоуглеродистых сплавов при литье по газифицированным моделям |
| title_full_unstemmed |
Интенсификация процессов затвердевания крупногабаритных отливок из железоуглеродистых сплавов при литье по газифицированным моделям |
| title_sort |
интенсификация процессов затвердевания крупногабаритных отливок из железоуглеродистых сплавов при литье по газифицированным моделям |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| publishDate |
2015 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162799 |
| citation_txt |
Интенсификация процессов затвердевания крупногабаритных отливок из железоуглеродистых сплавов при литье по газифицированным моделям / И.А. Шалевская, Д.И. Мусбах, В.О. Шинский // Металл и литье Украины. — 2015. — № 9. — С. 34-37. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| series |
Металл и литье Украины |
| work_keys_str_mv |
AT šalevskaâia intensifikaciâprocessovzatverdevaniâkrupnogabaritnyhotlivokizželezouglerodistyhsplavovprilitʹepogazificirovannymmodelâm AT musbahdi intensifikaciâprocessovzatverdevaniâkrupnogabaritnyhotlivokizželezouglerodistyhsplavovprilitʹepogazificirovannymmodelâm AT šinskijvo intensifikaciâprocessovzatverdevaniâkrupnogabaritnyhotlivokizželezouglerodistyhsplavovprilitʹepogazificirovannymmodelâm |
| first_indexed |
2025-07-14T15:18:08Z |
| last_indexed |
2025-07-14T15:18:08Z |
| _version_ |
1837636034752413696 |
| fulltext |
34 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЁ УКРАИНЫ № 9 (268) ’2015
уплотнения, что важно по причине невысокой прочно-
сти материала (пенополистирола) и легкой деформи-
руемости модели под действием внешних нагрузок,
которые во время формовки обычно не должны пре-
вышать 1 кг/см2. Совместное применение ЖСС и ЛГМ
усложняет процесс литья путём «наложения» факто-
ров, свойственных обеим технологиям, создавая ряд
особенных обстоятельств, которые предполагают
выяснение закономерностей многофакторных вза-
имозависимых составляющих физико-химических,
газо- и гидродинамических процессов с целью обе-
спечения стабильного качества получаемых отливок.
При изготовлении отливок в формах со связующим
собственный газовый режим формы (будь она полой)
дополняется мощным источником газовыделения (с
подвижным фронтом) в виде продуктов газификации
пенополистирола модели теплом заливаемого ме-
талла. Причём этот дополнительный источник газов
может многократно превышать поток газов от формо-
вочного материала [4].
В последние годы в США, Китае, европейских
странах интенсивно внедряется литьё по газифици-
руемым моделям (ЛГМ) как наиболее недорогой и
малозагрязняющий окружающую среду способ по-
лучения точных отливок. Дженерал Моторс, Форд,
БМВ,Фольксваген, Пежо-Ситроен, Рено Фиат и ряд
других фирм автостроения полностью перешли в
1980-90 гг. на изготовление отливок блоков цилин-
дров, головок блока, коленвалов и ряда других дета-
лей наиболее массовых двигателей методом ЛГМ [5].
В связи с этим необходимо максимально изучить
процесс производства массивных деталей по ЛГМ в
формах из песка с применением вакуума.
Основной задачей исследования является ин-
тенсификация процесса затвердевания массивных
отливок с целью получения качественных отливок с
высокими механическими свойствами.
С помощью системного анализа высокотем-
пературных процессов литья выявлены общие
П
о мере развития современного производства всё
большую актуальность приобретают проблемы
разработки и внедрения мало- и безотходных
технологий, обеспечивающих получение каче-
ственных отливок. Ускорение решения этой пробле-
мы рассматривается как стратегическое направле-
ние в каждой отрасли народного хозяйства, как на-
правление рационального использования природных
ресурсов и коренное изменение отношения к окружа-
ющей среде[1].
Одним из вариантов малоотходной, прогрессив-
ной и экологически безопасной технологии полу-
чения отливок является литьё по газифицируемым
моделям (ЛГМ). В основе литья по газифицируемым
моделям лежит процесс получения отливок путём
заполнения вакуумируемой формы с пенополисти-
роловой моделью, которая под действием теплоты
жидкого металла газифицируется [2].
Способ литья по газифицируемым моделям (Lost
Foam) был запатентован в 1958 г. американским ар-
хитектором Г. Шроером и сразу же литейщики мно-
гих стран проявили к нему повышенный интерес и
начали пробовать в производстве отливок. Он полу-
чил в разных странах такие наименования: Lost Foam
Process, ЛМГ-процесс «Policast», «ГАМОЛИВ» и т. д.
В качестве наполнителя используется сухой песок
с применением вакуумирования, ферромагнитные
сыпучие материалы с созданием магнитного поля,
формовочные песчано-глинистые, жидкие самотвер-
деющие и холоднотвердеющие смеси. При этом в
массовом и крупносерийном производстве метод
ЛГМ используется в основном для отливок из черных
и цветных сплавов массой до 50 кг, и только в еди-
ничном производстве до 2000 кг [3].
Одним из вариантов для производства крупных
и тяжёлых отливок по газифицируемым моделям в
ФТИМС НАН Украины предложено использовать в
качестве наполнителя жидкоподвижные самотвер-
деющие смеси (ЖСС), не требующие динамического
УДК 621.744.3
И. А. Шалевская, Д. И. Мусбах, В. О. Шинский*
Восточно-украинский национальный университет им. В. Даля, Северодонецк
*Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
Интенсификация процессов затвердевания
крупногабаритных отливок из железоуглеродистых
сплавов при литье по газифицированным моделям
Рассмотрен вопрос изготовления массивных отливок способом литья по газифицированным моделям. С
целью получения отливок с гарантированным качеством исследовали возможность интенсификации процесса
затвердевания заготовок. Получили расчётные формулы для определения численных значений эффективного
коэффициента теплопередачи от расплава к форме. Показано, что изменение теплоаккумулирующей
способности литейной формы и стержней позволяет управлять температурным полем систем отливка-форма и
отливка-стержень для повышения качества литых заготовок, их прочностных и пластических свойств.
Ключевые слова: литьё по газифицируемым моделям (ЛГМ), массивные отливки, тепломассообмен,
коэффициент теплопередачи, интенсификация процесса затвердевания
35МЕТАЛЛ И ЛИТЬЁ УКРАИНЫ № 9 (268) ’2015
в виде окисных пленок в зоне контакта твёрдых ча-
стиц с окружающим расплавом.
Для прогнозирования теплофизических процес-
сов затвердевания литых заготовок и плавления
твёрдых добавок используется основной параметр
нестационарных задач теплообмена в исследуемых
системах, каким является эффективный коэффици-
ент теплопередачи αэ от затвердевающей заготовки к
стенкам формы или изложницы и от расплава к твёр-
дым частицам.
Используя формулы тепловых сопротивлений [13]
для тел разной геометрии, получим формулы эффек-
тивного коэффициента теплопередачи для условий
неидеального термического контакта затвердева-
ющего расплава со стенками формы, литейным
стержнем или твёрдыми добавками:
– для отливок типа «плита» и литых слябов с за-
щитным слоем огнеупорной краски на рабочей по-
верхности формы:
– для сплошных и полых отливок типа «цилиндр»
и кузнечных слитков с теплоизоляционным слоем
краски на поверхности формы или изложницы:
– для сферических дробинок с окисной плёнкой на
их поверхности:
где: lкр., lо.п. – теплопроводность слоя краски или окис-
ной плёнки, Вт/м.К; α0 – коэффициент теплопередачи
от расплава к форме и изложнице при отсутствии
на ней слоя краски или от расплава к литой дробин-
ке при отсутствии на ней окисной плёнки, Дж/м2.с.К;
δкр., δо.п. – толщина защитного слоя краски или окис-
ной пленки, м; Rсл, Rx – радиус цилиндрической от-
ливки или кузнечного слитка и дробинки-микрохоло-
дильника, м.
При замене постоянных металлических форм (мо-
нолитных кокилей) разовыми формами из дисперсных
металлических материалов (стальная или чугунная
дробь, алюминиевые гранулы и др.) снижается ин-
тенсивность теплопередачи в зоне термического кон-
такта затвердевающей отливки с более податливой и
газопроницаемой формой. Это позволяет уменьшить
вероятность образования горячих трещин в процессе
усадки литого металла при затвердевании и последу-
ющем охлаждении отливок разной геометрии.
По интенсивности внешнего теплообмена в зо-
не термического контакта отливки с формой между
особенности получения литых заготовок разного на-
значения, в том числе технологические, физико-хими-
ческие и теплофизические [6-12], главные из которых:
– производственный цикл изготовления литых за-
готовок реализуется по двухступенчатой схеме фазо-
вых переходов: твёрдое → жидкое → твёрдое, а сме-
на агрегатных состояний чёрных и цветных металлов
и сплавов регулируется фазовыми превращениями
типа «плавление» и «затвердевание»;
– процесс плавления в расплаве твёрдых добавок
или армирующей фазы, которые являются дискрет-
ными теплопотоками в температурном интервале
«солидус-ликвидус», происходит при значительном
теплопоглощении в условиях внутреннего теплоот-
вода от жидкого металла к теплоаккумулирующим
металлодобавкам;
– скорость отвода теплоты перегрева расплава и
скрытой теплоты кристаллизации сплава из внутрен-
них объёмов затвердевающей заготовки во внешнюю
среду зависит от теплоаккумулирующей способности
литейной формы и термического сопротивления те-
плоизоляционных покрытий;
– в зависимости от условий протекания процес-
са затвердевания возможен последовательный или
объёмный характер кристаллизации сплава с кон-
тролем физической и химической неоднородности
литых заготовок для улучшения их структуры и повы-
шения уровня прочностных и пластических свойств
литого металла.
Для получения литых конструкций разной массы
и геометрии применяются формы с разной теплоак-
кумулирующей способностью и толщиной их стенок.
Поэтому в зависимости от способа литья литейные
формы и стержни могут иметь различные теплопро-
водность, температуропроводность или теплоакку-
мулирующую способность.
Термические условия формирования литого ме-
талла в поверхностных слоях и внутренних объёмах,
в первую очередь крупных отливок, зависят от подат-
ливости, газопроницаемости и температурного со-
стояния стенок литейных форм с контролем уровня
теплофизических свойств, необходимым для получе-
ния бездефектных литых заготовок большой массы.
Поэтому в прогрессивных металло-, материало-
и энергосберегающих технологиях получения литых
изделий высокого качества целесообразно использо-
вать литейные формы и стержни с оптимальным со-
четанием механических и теплофизических свойств.
Для улучшения качества и эксплуатационных
свойств литых изделий и повышения эффективности
существующих и разрабатываемых технологий литья
необходимо управлять температурным состоянием
зоны термического контакта затвердевающих загото-
вок со стенками литейных форм и стержней.
Один из способов интенсификации внешне-
го теплообмена в системе «затвердевающая за-
готовка – форма – окружающая среда» является
введение твердых добавок (литая дробь, лигатура,
модификаторы, инокуляторы) в перегретый над
температурой ликвидуса Tлик жидкий металл. При
введении твёрдых добавок следует учесть терми-
ческое сопротивление неметаллических прослоек
0=
кр
0 кр
э 1
α
α δ+α λ
(1),
(2),
э
сл крсл
кр сл
1 ln
о
о
RR
R
α
α =
+ δ
+ α
λ
(3)
э
о.п. x
о
о.п. x о.п.
,
1
о
R
R
α
α =
δ
+ α
λ + δ
36 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЁ УКРАИНЫ № 9 (268) ’2015
постоянными металлическими и разовыми песчаны-
ми формами находятся полупостоянные графито-
вые формы. Высокая теплопроводность графитовых
форм позволяет применять их для получения ответ-
ственных изделий (фасонные отливки, литые слябы,
электроды ЭШП).
Чтобы сравнить термические условия форми-
рования литых заготовок в графитовой и песчаной
формах, а также их тепловую работу в процессе за-
твердевания отливок, необходимо учесть специфику
теплофизического взаимодействия кристаллизующе-
гося расплава с рабочими слоями этих форм.
При этом следует отметить, что:
– из-за резкого повышения температуры рабо-
чей поверхности песчаной формы охлаждение за-
твердевающей толстостенной отливки замедляется
сильнее, чем охлаждение затвердевающей тонко-
стенной отливки;
– низкотеплопроводная песчаная форма в мень-
шей степени влияет на интенсивность выделения
теплоты перегрева расплава и скрытой теплоты
кристаллизации сплава, чем высокотеплопроводная
графитовая форма;
– более низкая теплоаккумулирующая способ-
ность песчаной формы по сравнению с графитовой
формой не позволяет получить плотную корочку ли-
того металла для повышения герметичности отливок
разной толщины.
Отмеченные особенности затвердевания и охлаж-
дения толстостенных и тонкостенных отливок в неме-
таллических формах следует принимать во внимание
при выборе рациональных тепловых режимов литья.
Изменяя рациональным образом теплоаккумули-
рующую способность литейной формы и стержней,
можно эффективно управлять температурным со-
стоянием систем отливка-форма и отливка-стержень
для повышения качества литых заготовок и их проч-
ностных и пластических свойств. Также важно отме-
тить, что интенсификация процесса затвердевания
отливки не увеличивает количественные показатели
по выбросу вредных веществ в атмосферу, а за счёт
сокращения скорости охлаждения уменьшается про-
должительность выброса вредных веществ.
Полученные расчётные формулы для определе-
ния численных значений эффективного коэффици-
ента теплопередачи αэ от расплава к форме или к
изложнице с учётом теплового сопротивления слоя
краски толщиной δкр. могут быть использованы при
изучении нестационарных температурных полей в
процессе затвердевания фасонных отливок и куз-
нечных слитков.
1. Шалевская И. А. Снижение вредного воздействия литейного производства на окружающую среду применением про-
грессивных технологий / И. А. Шалевская // Литейщик России. – 2015. – № 1. – C.37-39.
2. Шалевская И. А. Экологический мониторинг образования вредных выбросов в цехе литья по газифицируемым моде-
лям / И. А. Шалевская, А. В. Богдан, В. О. Шинский // Металл и литьё Украины. – 2015. – № 2.– С. 32-36.
3. Шуляк В. С. Литье по газифицируемым моделям / В. С. Шуляк - СПб.: НПО «Профессионал», 2007. – 408 с.
4. Дорошенко В. С. Регулирование газового режима формы из ЖСС при получении крупных отливок по ЛГМ-процессу /
В. С. Дорошенко, И. П. Чичкань // Металл и литьё Украины. – 2008. – № 11-12. – С. 35-38.
5. Рыбаков С. А. Инновационные возможности литья по газифицируемым моделям, состояние и перспективы этого ме-
тода в России / С. А. Рыбаков // Литейщик России. – 2009. – № 4. – С. 44-45.
6. Ефимов В. А. Разливка и кристаллизация стали / В. А. Ефимов – М.: Металлургия, 1976. – 552 с.
7. Вейник А. И. Теория затвердевания отливки / А. И. Вейник – М.: Машгиз, 1960. – 435 с.
8. Гуляев Б. Б. Теория литейных процессов / Б. Б. Гуляев – Л.: Машиностроение, 1976. – 214 с.
9. Баландин Г. Ф. Основы теории формирования отливки / Г. Ф. Баландин – М.: Машиностроение. Ч.1, 1976. – 328 с. и
Ч.2, 1979. – 335 с.
10. Мамишев В. А. О теплофизическом взаимодействии слитка с изложницей и отливки с формой в процессе формирова-
ния литой структуры / В. А. Мамишев, О. И. Шинский, Л. А. Соколовская // Литьё и металлургия. – 2008. – № 3, (спец-
выпуск). – С. 307-309.
11. Мамишев В. А. Методика расчета термовременных параметров затвердевания литых заготовок разной конфигура-
ции / В. А. Мамишев // Процессы литья. – 2008. – № 5. – С. 43-49.
12. Мамишев В. А. Обобщенный алгоритм расчета нестационарных температурных полей при затвердевании слитков и
отливок разной геометрии / В. А. Мамишев // Процессы литья. – 2008. – № 6. – С. 38-44.
13. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена / С. С. Кутателадзе – М.: Атомиздат, 1979. – 415 с.
ЛИТЕРАТУРА
37МЕТАЛЛ И ЛИТЬЁ УКРАИНЫ № 9 (268) ’2015
Розглянуто питання виготовлення масивних виливків способом лиття по моделям, що газифікуються. З метою
отримання виливків з гарантованою якістю досліджували можливість інтенсифікації процесу твердіння заготовок.
Отримали розрахункові формули для визначення чисельних значень ефективного коефіцієнта теплопередачі від
розплаву до форми. Показано, що зміна теплоакумулюючої здатності ливарної форми і стрижнів дозволяє управляти
температурним полем систем виливок-форма і виливок-стрижень для підвищення якості литих заготовок та їх
міцнісних і пластичних властивостей.
Шалевська І. А., Мусбах Д. І., Шинський В. О.
Інтенсифікація процесу твердіння великогабаритних виливків із
залізовуглецевих сплавів при литті по моделях, що газифікуються
Анотація
Ключові слова
лиття по моделях, що газифікуються (ЛГМ);масивні виливки; тепломасообмін; коефіцієнт
теплопередачі; інтенсифікація процесу затвердіння
Shalevskaya I., Musbah J., Shinsky V.
Intensification of solidification processes for large iron-carbon alloy castings
during Lost-foam process
Summary
The problem of large castings manufacture using Lost-foam process is considered in the paper. For obtaining the castings
with guaranteed quality the possibility of intensification of performs solidification process was investigated. The calculating
formulae for determining the numerical values of the effective coefficient of heat transfer from the melt to mould was obtained.
It is shown that the change of the heat storage capacity of the mould and cores allows control of temperature field in systems
casting-shape and casting-rod systems for improving the quality of castings and their strength and plastic properties.
Lost-foam process (LFP), large castings, heat-weight transfer, heat transfer coefficient, inten-
sification of solidification processKeywords
Поступила 26.06.2015
|