новая папка / ТФО-каз

бойымен жылдамдықтардың үлестірілуі алтыншы немесе жетінші дәрежелі параболамен сипатталады. Бұл жағдайда жылдамдықтар эпюрасы өте “бұрмалы” болады. Арнаның бет жағына жақын аралықта жылдамдық жылдам азаяды. Қабырғасының жанында ол ламинарлы режиммен қозғалады. Турбуленті ағындағы жылдамдық түсінігі статикалық сипатқа ие.

Ағын қозғалысының режимі Рейнольдстің өлшемсіз критерийінің шамасымен анықталады [5];

	Re	D

,

(1.13)

мұндағы D – ағын диаметрі (немесе жалпы жағдайда өлшемі). Қабырғалары тегіс арналарда ұзын түзу учаскелерде Рейнольдс

критерийінің жоғарғы шекті мәні 2300-ге тең. Бұл шамадан жоғары тек турбулентті ағында болады, ал бұл шамадан аз – көп жағдайда ламинарлы ағындарда болады. Ағында арнаның кедір-бұдырлы қабырғалары немесе бұрылыстар түріндегі ұйытқулар қайнарлары болса, турбуленттілік Рейнольдс критерийінің аз мәндерінде де пайда бола алады. Егер оның мәні 1000-нан аз болса, кез келген үлкен ұйытқу кезінде де ағын ламинарлы болады [5].

Қалыптарды қорытпалармен толтырған кезде көп жағдайда қозғалыс турбуленті режимде өтеді.

Біршама кристалдар саны бар сұйық ағысы кезінде ағыстың өзіндік құрылымдық режимі пайдалы. Ағынның ортаңғы бөлігі – ядро – бүтін бөлік ретінде қозғалады. Оның айналасындағы сақиналы қабат ламинарлы режиммен қозғала алады.

Металдың құймадан үлкен көлемді қалыптың біршама толтырылған аймағына аққан кезде жалын түріндегі басылып қалған турбулентті ағыс пайда болады. Мұндай ағыстың бастапқы жылдамдыққа сәйкес келетін жылдамдық сақталатын бастапқы учаскесі және жылдамдығы бастапқыдан аз негізгі учаскесі бар. Бастапқы учаскенің ұзындығы, сұйық табиғатына тәуелсіз, ағыс ағып шығатын арнаның диаметрінің 4,5-не тең.

Егер толтырылатын көлем үлкен болмаса, қайтарма ағыс құралады. Ағыс өзінің нақты шекараларын сақтайтын учаске бұл жағдайда негізгі болып табылады. Одан кейін ағыстың бөліну және арнаның барлық қимасын алатын орнатылған турбулентті ағынға ақырын ауысатын ретсіз қозғалыс учаскесі орын алады.

Металдың тығынды құрылғысы бар шөміштің түбіндегі тесік арқылы ағып шығуы кезінде гидростатикалық арын азайып, ағып шығу жылдамдығы баяулайды.

Метал айнасының ауданы F және биіктігі H шөміш үшін деңгей h мәніне жеткен кездегі уақыттың қандай да бір моментіндегі металдың элементар шығынын келесі түрде жазуға болады:

13

dq f

2ghd Fdh

немесе

(1.14)

	d		Fdh
		f	2gh

.

(1.15)

Теңдіктің сол жағын 0-ден -ға дейін және оң жағын H-тан 0-ге дейін интегралдау арқылы келесі теңдік алынады:

мұндағы

	1

				2HF		,
		1		f	2gH

- шөміштің босауының толық уақыты.

(1.16)

Практикада ыдыстан ағып шығу кезінде оның деңгейін тұрақты етіп ұстап тұру үшін үздіксіз металл қосып отыратын жағдайлар кездеседі. Онда қимасы F және биіктігі H ыдыстың толық көлемінен ағып шығу уақыты 2 былайша анықталады:

	2

	HF
f	2gH

.

(1.17)

Яғни, көлемі бірдей металдың тұрақты деңгей кезіндегі ағып шығу уақыты айнымалы деңгей кезіндегі ағып шығу уақытынан екі есе аз болады.

Тоқтатқыш шөміштен толтыру кезінде металл шығыны форма параметрлерімен беріліп, құйманың қажетті сапасын қамтамасыз ететіндей тағайындалуы керек. Металл ағып шығатын стақанның қимасының ауданы тең болады:

f d 2 4 ,

(1.18)

d – стақан диаметрі, - тежегіш коэффициент.

Тығынмен қатты тежеу ағыстың ағып шығуының қалыпсыз режимін құрады. Осы кезде металл жан-жаққа шашырап, тотығады да, ағызу процесін басқару қиындайды. Түзу, жинақты ағыс алу үшін тежегіш коэффициент 0,8 болу керек.

Ағызу процесі кезінде стақан шайылады. Бірақ та металл ағып шыққан сайын және стақанның тетігінің ауданы ұлғайған сайын гидростатикалық арын азаяды. Бұл процестер бірін-бірі толықтырады. Қатты қиындықтар металл деңгейі максимал болғанда, стақан ауданы әлі өзгермеген кезде және берілген шығынды қамтамасыз ету үшін максимал тежеу беру қажеттілігі туындаған кезде пайда болады:

14

			d	2
		q	4					2gH
осыдан
d		4q
			2gH .

,

(1.19)

(1.20)

Бұрылмалы шөміштен толтыру кезінде шығынды форманың металмен толтырылу шарттарын бақылайтын оператор реттейді(1.2- сурет,б).

Қалып қуысының толтырылуын сұйықтың қалыпты деңгейлі бір ыдыстан (құймалы жүйе) сұйықтың айнымалы деңгейлі екінші ыдысқа (форма қуысы) ағып шығуы деп қарастыруға болады.

Өлшемдері белгілі құймалы жүйе арқылы қалыптың толу таралу уақытын анықтайық (1.3-сурет).

Келесі шарттарды қабылдаймыз:

1)металдың қатты фазалы бөлшектері болмайды және форма толтырылуы кезінде оның қабырғаларында қатты қабықша пайда болмайды;

2)құймалы жүйе бірден толтырылады. Басқа сөзбен айтқанда, оның көлемі құйма көлемімен салыстырғанда аз және уақытты санау оны толтыру басталған мезеттен жүргізіледі;

3)құймалы жүйеде металл деңгейін тұрақты етіп ұстап тұрады

(H=const);

4)металл қозғалысы бірден орнатылады – жүйенің әрбір қимасындағы жылдамдықтың шамасы мен үлестірілуі толтырылу үрдісі кезінде өзгеріске ұшырамайды.

15

1.2-сурет. Қалыптың толтырылуын есептеуге арналған схема

Құйма екі бөліктен тұрады: қималары F1 мен F2 және сәйкесінше биіктіктері h1 мен h2 жоғарғы және төменгі бөліктер. Гидростатикалық арынды H, жанынан келтірілген құйманың қима ауданы f деп аламыз.

Қалып қуысының төменгі бөлігін толтыру тұрақты жылдамдықта және шығында өтеді. Оны толтыру уақыты 1 төменгі бөлік көлемін шығынға бөлу арқылы алынады, яғни

1

(1.18) формуласы бойынша

Сонда

V		q
	1	1
q	f
1

.

2gH

.

(1.21)

				F h
				1	1
	1		f	2gH

,

(1.22)

мұндағы - құймалы жүйенің шығын коэффициенті.

Қалып қуысының жоғарғы бөлігін толтыру басылып қалған деңгейде келесі шығынмен өтеді q2 const

q2

f

2g(H

h)

,

(1.23)

мұндағы, h – құйманың қоректендіргіш деңгейінен қалыптағы сұйық металл айнасының бетіне дейінгі арақашықтық.

Бұл жағдай үшін (1.14) теңдеуіне ұқсас келесіні жазуға болады:

dq f	2g(H h)d F dh
	2

немесе

(1.24)

d

	F dh
	2
f	2g(H

h)

.

(1.25)

Теңдіктің сол жағын 0-ден 2-ға тырылу уақыты) дейін және оң жағын рып мынаны аламыз:

			2F		(	H
				2
	2		f	2g

(форманың жоғарғы бөлігінің тол- 0-ден h2-ға дейін интегралдай оты-

H h2 ) .

(1.26)

Қалыптың түгелдей толуының жалпы ұзақтылығы келесі сомаға тең болады:

1 2	F1h1	2F2	[H H (H h2 )]						.	(1.27)
		f 2gH

16

Құймалы жүйенің шығын коэффициенті арын шығындарымен анықталады. Шығын коэффициенті арынның жалпы кедергісімен келесі қатынаспен байланысты:

		1
		i
	1

,

(1.28)

мұндағы i - қоректендіргіш жүйесінің гидравликалық кедергісінің сомасы.

Құймалы жүйелерде кездесетін жергілікті кедергілердің түрлері және оларға сәйкес келетін арынның гидравликалық кедергілерін анықтамалықтан табамыз [5].

1.3Жұқа қабырғалы құймалардың қалып кеңістігіндегі балқыманың жүрісі, қалыптардың толтырылуы

Жұқа қабырғалы құймаларды қалыпқа құю кезінде қалыптың толтырылатын кеңістігімен өтетін сұйық металл тұрақты түрде оның қабырғаларымен байланыста болады. Бұл кезде сұйық металдың бастауыш бөлігі суық учаскелермен түйісе отырып, өз жылуын береді де металл қарқынды түрде суып, тұтқырлықтың өсуі салдарынан аққыштық және қалып пішінін толтыру қабілетін жоғалтады. Бұл қасиет сұйықтай аққыштық деп аталады.

Құюдың белгілі жағдайларында балқымамен толтырылатын қалыптағы арна ұзындығы сұйықтай аққыштықтың өлшемі болып табылады. Оның шамасы балқыманың құю жүйесінен өлшем арнасына

	дейін балқыманың аққыштық қабілетін жоғалтпаған уақыттағы
	балқыманың ағын жылдамдығы түрінде берілуі мүмкін :
				;			(1.29)
			2gH		,		( 1.30)
		1

мұндағы H - гидростатикалық арын.

Қалыптың балқымамен толтырылу шарттары толтырылғыштық деп аталады және ол сипаттайтын технологиялық факторлар кешенін сапалы бағалау үшін Б. Б. Гуляев [5] жартылай эмпирикалық формуланы ұсынды.

Балқыманың ағын уақыты

τ = АR	2	t В	Н	,	(1.31)
			R

мұндағы R - арна радиусы (немесе қабырға қалыңдығы);

t - ликвидус температурасынан жоғары балқыманың қызуы; А, В - берілген қорытпа және қалып қасиеттері үшін тұрақты

коэффициенттер.

17

Бұдан

АR 2

2gH (t ВН / R) 1

.

(1.32)

Формуланы оң және сол жақ R бөлімге жіктей отырып ( R ) түрлендіреміз де қалыптың өлшемсіз толтырылғыштық критерийін аламыз:

	AR	t B	H		2gH
R			R	1

.

(1.33)

Формуладан қалыптың толтырылғыштығы құйма қабырғасының қалыңдығына, құйылатын балқыма температурасына, гидростатикалық арынға тура пропорционал, сол сияқты қалып конфигурациясына (Σξ) тәуелді екенін көруге болады.

1.1-кесте Қалыпқа құю үшін ұсынылатын температура

Қабырғалар	Сүр шойын	Соғымды шойын	Орташа көміртекті
қалыңдығы; мм			болат
5-ке дейін	1350-1450	1380-1480	-
5-10	1340-1430	1360-1450	1540-1580
10-20	1320-1400	1350-1430	1540-1550
20-50	1300-1380	-	1540-1530
50-100	1230-1340	-	1520-1530
100-200	1200-1300	-	1510-1530
Более 200	1180-1280	-	1500-1530

Қалып материалының жылу өткізгіштігі неғұрлым жоғары болса, сұйық металл соғұрлым тез суынады да, осының салдарынан толтырылғыштық нашар болады. Егер салыстыру үшін құрғақ құм-балшық қалыбының толтырылғыштығын бір деп алсақ, онда басқа материалдардан жасалған қалыптардың толтырылғыштығы мынадай: ылғалды құм-балшық қоспасы – 0,94; ағаш ұнтағы қосылған қоспа – 1,2; металл қалып – 0,7.

Қалыпты алдын-ала қыздыру оның толтырылғыштығын арттырады. Құю жүйелерін конструкциялау кезінде бастапқы мәліметтер ретінде металл қасиеттері, құйылатын металл массасы, қалыптың геометриялық параметрлері есекеріледі. Бұл кезде жоғарыда қарастырылған тапсырмаға кері тапсырманы шешу керек: көрсетілген бастапқы мәліметтер және талап етілетін құю уақыты бойынша құю жүйесі арналарының ең жіңішке қимасы ауданын есептеу керек:

	fкор	V		Q	.	(1.34)
		кор кую		кую

Металдың қоректендігіштерден шығар орнындағы түзулік жылдамдығын құю жүйесінің конструкциясы мен ұзақтығын ескере отырып, мына қатынас бойынша табуға болады:

18

2gH

1

.

(1.35)

Өкінішке орай, қазіргі кезде ақаусыз құймалар алуды қамтамасыз ететін қалыпқа құю уақытын таңдаудың әмбебап аналитикалық әдісі жоқ. Осы мақсатта, көбінесе, өндірістік тәжірибе мен арнайы эксперименттерді статикалық талдау негізінде шығарылған эмпирикалық қатынасты пайдаланады, жалпы жағдайда ол мынадай көріністе болады [5, 7]:

құю= A		m	G	n	,	(1.36)
мұндағы, A, m, n	- шамалары қорытпа қасиеттеріне, құйма піші-
нінің күрделілігіне және	басқа				да	факторларға байланысты таңдалып
алынатын тұрақты коэффициенттер;						- құйма қабырғаларының орташа

қалыңдығы; G - құйма массасы.

1.4 Қорытпа ағынындағы металл емес бөлшектердің қозғалысы және олардан арылу

Құймалардағы металл емес бөлшектерді өлшемдері бойынша былай бөледі: макроскопиялық – өлшемдері 0,5-1 мм-ден жоғары, және микроскопиялық – өлшемдері 0,001-0,5 мм. Түзілу көзіне қарай металл емес заттарды эндогендік және экзогендік деп бөледі.

Макроскопиялық металл емес заттар экзогендік, оларға пеш немесе шөмішті астарлау кезіндегі қираған заттар, қож бөлшектері, қалып және өзекше қоспасы, бояу және т.б. қалдықтар жатқызылады.

Кестеде металл емес заттардың негізін құраушы тотықтар мен балқыту кезінде қолданылатын қорытпалар, флюстер, және қождар тығыздығы келтірілген.

1.2-кесте Металл емес заттардың қасиеттері

			Тығыздығы, г / см 3
	Қорытпалар	Сұйық қорыт-	Флюстер мен		Тотықтар
		па	қождар
	Шойын мен болат	7, 0 - 7,5	2,5 - 3,5		FeO - 5,7;		Fe 2 O3, 5,2
	Мыс	8 - 10	2,5 -	4,0	СuО - 6,4
	Титан	4,1	-
					TiO 2		- 3,8
	Алюминий	2,2 - 2,6	1,6 -	2,1
					Al 2	O	3 -3,9
	Магний	1,5 - 1,8	1,5 - 2,5
					МgO - 3,6

Кестеден қорытпалар мен металл емес заттардың тығыздығында біршама айырмашылықтың бар екенін көруге болады. Темір және мыс негізіндегі қорытпаларда, компоненттердің тотықтары мен флюстердің ты-

19

ғыздығы қорытпалардікінен төмен, сондықтан олардың бөлшектері қалқып шыға алады, алюминий және магний негізіндегі қорытпаларда, керісінше, бұл бөлшектер шөгеді.

1.3-сурет. Құю жүйесі арнасында металл емес бөлшектердің қозғалыс схемасы

1 мм-ден үлкен өлшемді бөлшектер үшін қалқып шығу (немесе шөгу) жылдамдығы қозғалмайтын немесе баяу қозғалатын қорытпада мына қатынаспен анықталады:

W 1,15	g		(		2	)	d
			1
	c
				1

,

(1.37)

мұндағы W – қалқып шығудың түзулік жылдамдығы; тәуелді коэффициент, көп жағдайда ол бірге тең; 1 ,

c – балқу сипатына2 - балқыма мен

оның бөлшектерінің тығыздығы; d - бөлшек диаметрі. Көлденең ағында бөлшектің вертикаль жылдамдығы 1

	1= W-	2 ,
мұндағы,	2 – горизонталь	жылдамдығы,

мынаны құрайды: (1.38)

0,2 - ағын турбо-

ленттігіне түзету коэффициенті.

Тік қож аулағышта (қоректендіргішке түспей қалу) қалқып жүрген

бөлшектерді аулау шарты мына қатынаста болады							1	< 2	;
Себебі,
1	h	;	2	L		.			(1.39)
					2
	1

Мұндағы h, L - қоректендіргіштің биіктігі және одан бастап тік арнаға дейінгі арақашықтық, бөлшектерді аулау шарттары мынадай көріністе болады:

			h					L		,
	W
					2				2
немесе		L								.
		h	W

(1.40)

(1.41)

Сөйтіп, h және L аралықтарында құйғыштағы металдың түзулік жылдамдығынан тәуелді белгілі қатынас сақталып тұруы керек.

Қара қорытпалардан жасалған орта массалы құймалар үшін көлденең ағын

20

жылдамдығы 0,4 м/с шамасында, бұл кезде көрсетілген қатынастың талап етілетін шамасы мынаны құрайды L > 20 h.

Металл емес заттарды аулаудың қарастырылған тәсілі, ол талап етілген ықпал етуді қанағаттандырмаған кезде неғұрлым кеңірек тараған, металл емес заттарды аулаудың арнайы тәсілдері де қолданылады.

2 ҚҰЙМА МЕТАЛЫНЫҢ СУЫНУЫ ЖӘНЕ ҚАТУЫ

2.1 Құйма мен қалыптың жылу алмасуы

Металдың алғашқы бөлігі қалыпқа түскеннен бастап оның суынуы және қалыптың қызуы басталады. Құйманы алу процесінде оның қалыппен жылу алмасуы жылу беріліс жанасу және сәуле шығарғыштық, бөлек жағдайларда конвекция болып табылады.

Жанасумен жылу алмасудың негізгі теңдеулері:

1) дене бетіндегі жылу берілісінің теңдеуі (Ньютон теңдеуі) [3]:

q =

T	T
1	2

,

(2.1)

мұнда q – меншікті жылу тасқыны,

- жылу беру коэффициенті, жылу беру немесе жылуды сіңіру ортасының қасиеттерімен анықталады (вт/м2 ·град),

T1 - дене бетінің температурасы; T2 - орта температурасы;

(T1 - T2) – дене мен орта араларындағы температуралардың өзгерісі.

2) дене ішіндегі жылу берілісін бейнелейтін теңдеу (Фурьенің жылу өткізгіштік теңдеуі); бір шама жылу тасқыны үшін [3]:

q = - λ dt /dx,

(2.2)

мұндағы λ - жылу өткізгіштік коэффициенті (вт /м ∙град);

dt/dx -- жылу тасқының өлшеу нүктесіндегі температуралар градиенті. Дене мен ортаның жылу алмасуының қарқындылық түсінігі.

Дене бойы мен оның бетіндегі меншікті жылу ағындарының тепе-теңдік шарттары

	-	dt	T1
		dx

Сипатталатын өлшемдері болады, сонда

T2 .

X болатын дене үшін dt/dx = t0

(2.3)

-- t1 / X деп алуға

21

	t	0	t	Т		Т		,
			1
			Х		1		2

немесе

	t		t				Х .
		0		1
	t		t	2
	1

(2.4)

Х Вi - Био критерий түсінігі дене ішіндегі және бетінің (немесе

дене мен ортаның термиялық кедергі қатынастарының) температура арындарына тең өлшемсіз параметр.

Дене және орта қасиеттеріне байланысты жылу алмасудың қарқындылығы үлкен аралықта ауысып тұрады (0 <Bi< ∞).

Жылу алмасу қарқындылығының типтік жағдайлары:

кіші

0,2

- Bi <<1 (Bi<0,2); үлкен – Bi>>1 (Bi>5); орташа 5).

– Bi

1 (Bi =

а) Bi<<1;

	t
	t

1;

X <<

.

Төменгі қарқындылықпен суынатын денелерді шартты түрде «жұқа» денелер деп атайды (дене ішіндегі температураның өзгеруі дене беті мен ортаның температурасынан әжептәуір төмен). «Жұқа» денелер үшін дене ішіндегі температуралар өзгерісін ескермеуге болады ( t 0; ).

б) Bi>>1;

Х>>

;

tt

>>1.

Төмен қарқындылықпен суынатын денелерді «қалың»

	в) Bi 1;	t	1	немесе	x
		t

лық.

деп атайды.

орташа қарқынды-

2.2Төменгі жылу алмасу кезіндегі (қалыпта және ауада) дененің (құйманың) суыну үрдісін есептеу

Бастапқы мәліметтер (шекаралық шарттар):

с, ρ - дене материалының жылу сыйымдылығы және тығыздығы ; F, V - дененің бүйір беті және бөлініп алынған бөлшегінің көлемі; α – ортаның жылу беру коэффициенті; τ – суыну уақыты;

t = (t0 - t1)/х - дененің орташа температурасы; t – орташа температура;

α = const;	t = const деп қабылдаймыз;
θ = t0 – t	деп белгілейміз;
dτ уақытында дене температурасы dθ –ға өзгерсін, сонда

dQішкі = – c Vdθ - дененің бөлініп алынған учаскесінің температу-

22