Литье по газифицируемым моделям - Шуляк B.C.
ISBN 978-5-91259-011-5
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 4.16. Капиллярный массоперенос углерода в жидкий металл
В общем случае скорость движения расплава в капилляре определяется градиентом температур:
где К = / (ам, г, ?, ц, Т) и зависит от поверхностного натяжения расплава ам, радиуса и длины капилляра г, ?, вязкости \х и температуры металла Т. Время капиллярного массопереноса ограничено скоростью кристаллизации металла, однако с повышением содержания углерода в сплаве температура начала его кристаллизации снижается, а интервал кристаллизации возрастает, что способствует увеличению времени протекания капиллярного массопереноса углерода и повышению его концентрации в металле при получении отливок из низкоуглеродистых марок стали.
Локальные процессы взаимодействия продуктов термодеструкции модели с поверхностными слоями отливки приводят к местному изменению структуры металла (сталь) или к формированию
171
дефектов (чугун), однако основные процессы взаимодействия получают свое развитие после заполнения формы металлом по мере его кристаллизации и прогрева формы. К концу заливки формы отливка окружена адсорбированным в порах формы углеродом, концентрация которого максимальна на границе металл—форма. Поры формы заполнены газообразными продуктами термодеструкции. В ближайших к поверхности отливки слоях формы находится конденсат парообразной фазы термодеструкции модели. По мере прогрева формы конденсат испаряется и повторно конденсируется в более холодных слоях формы. Экспериментально установлено, что движение конденсата подчиняется закону квадратного корня (рис. 4.17) и может быть определено по формуле [18]
? = Ал/т,
где для стали А = 25,5 см/мин 2 и для чугуна А = 22,5 см/мин 2 ¦
/, мм 125 г
О 3 6 9 12 15 18
X, мин
Рис. 4.17. Продвижение конденсата в форме по мере ее нагревания при заливке стали (/), чугуна (2) и алюминия (3)
На рис. 4.18 показано распределение конденсата в форме через 7 мин после заливки ее чугуном. Три пика на кривой соответствуют конденсации стирола (температура кипения 146 °С), толуола (ПО °С) и бензола (80 °С).
С,г ОД 00 г
0 50 100 150 200 250
/, мм
Рис. 4.18. Распределение конденсата в форме через 7 мин после ее заливки чугуном
На рис. 4.19, где представлены температурное поле и зона конденсации в форме после заливки стали при температуре 1550 °С спустя 4 мин, видно, что при достижении в зоне конденсации температуры кипения стирола и его производных (146 °С) начинается испарение конденсата и перемещение его в более холодные слои формы.
0 50 100 , 150
/, мм
Рис. 4.19. Распределение температуры (Т) и конденсата (С) в форме через 4 мин после ее заливки сталью
173
172
На рис. 4.20 показано распределение конденсата в форме через 7 мин после заливки алюминия, чугуна и стали.
После заливки металла в форме возникает высокий градиент температур между поверхностью отливки и формой. Газификация жидкой фазы на границе металл—форма изменяет состав газовой атмосферы в форме. Форма является капиллярно-пористым телом, в котором под действием градиента температур образуются термофильтрационные пары. Под действием градиентов температуры, давления и концентрации, которые изменяются во времени, в литейной форме протекают сложные процессы тепломассопереноса газо- и парообразных продуктов первичной и вторичной термодеструкции модели вынужденной и естественной конвекцией, капиллярным массопереносом и взаимной диффузией (рис. 4.21).
174
д- Форма
(Я « PQ S
р
О
о
и
С-тНо
с76н86
СоНо
с1
с
1-
dx
(C7H8)„ (C6H6)„
\
dx ' dx
с«о
Т » Т
от н
Рис. 4.21. Схема тепломассопереноса в форме при кристаллизации и охлаждении отливки
Вынужденная конвекция имеет место только в первоначальный момент заливки формы металлом и непродолжительное время после заливки в результате разложения жидкой фазы на границе металл—форма. В этот период она подавляет все другие виды массо-переноса. В дальнейшем под действием температурного градиента получает развитие конвективный массоперенос, в результате которого на границу металл—форма интенсивно поступает воздух, содержащий кислород, азот и в незначительных количествах пары воды. При наличии высокого содержания углерода в прилегающих к отливке слоях формы получают развитие реакции газификации углерода:
С + 02 *-* С02 + Q (AZ° = -92 080 - 0,557) (4.28, а)
2С + 02 <-> 2СО + Q (AZ° = -52 900 - 43,017) (4.28, б) 2СО + 02 <^ 2С02 + Q (AZ° = 135 260 + 41,97) (4.28, в)
175
С + С02 <-> 2С02 - Q (AZ° = 41 180 - 42,461) (4.28, г)
Реакции полного горения углерода (4.28, а) и догорания СО (4.28, в) имеют место в окислительных условиях. Реакции неполного горения (4.28, б) и (4.28, г) получают свое развитие в восстановительной атмосфере при избытке углерода. Направление хода реакций определяет их термодинамический потенциал. Большое отрицательное значение AZ° реакций (4.28, а) и (4.28, б) в области высоких температур указывает на большое сродство углерода к кислороду при образовании СО и С02 и невозможность образования свободных С и 02 из С02 и СО. Однако при температурах ниже 1000 °С становится возможным распад СО с образованием С и С02 и невозможной диссоциация СО с выделением свободного кислорода (4.28, г).
