بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش فرایند انجماد یک شمش 80 تن از فولاد CH3Cبا استفاده از روش شبیه سازي المان محدود مورد مطالعه قرار گرفت. بدین منظور اثر هندسه شمش و تغذیه بر تشکیل حفرات انقباضی در شمش بررسی گردید. تاثیر پارامترهاي فوق بر ایجاد حفره حول محور مرکزي شمش بر مبناي معیار G/R0.5s با نتایج تجربی مقایسه گردید.
مقدمه
توانایی تولید شمش هاي سنگین با کیفیت بالا نه تنها نمادي از پیشرفت صنعتی بلکه تاثیر زیادي در توسعه پیشرفت یک کشور به خاطر کاربرد فراوان این شمش ها در صنایع هوا فضا ، پتروشیمی ، کشتی سازي می باشد.
شمش فولادي CH3C به خاطر کاربرد وتناژ بالاي آن ها گران قیمت بوده و به وجود آمدن حفرات انقباضی در این شمش ها باعث ایجاد مشکلاتی در مجتمع صنعتی اسفراین شده است . از آنجا ئیکه ا نجام آزمایشات عملی در مقیاس صنعتی خصوصا براي شمش هاي سنگین از نظر اقتصادي مقرون به صرفه نمی - باشد ، لذا شبیه سازي فرایندهاي ریخته گري به ابزاري ارزشمند در این صنعت تبدیل شده است .
با شبیه سازي می توان مسیر تغییر و بهینه سازي فرایند را تعیین نمود اگر چه نمی توان تمام شرایطی که در عمل اتفاق می افتد را در شبیه سازي بازسازي کرد. شمشهاي فولادي اغلب گران قیمت بوده و وجود حفرات انقباضی در این شمشها هنوز هم یکی از معضلات صنایع فولادسازي محسوب میگردد.[2]جیاکی وانگ و همکارا نش تاثیر پارامترهایی نظیر ارتفاع تغذیه ، پیش گرمایش قالب، شیب قالب وهمچنین اثر ایزوله با هدایت حرارتی کمتررا مورد بررسی قرار دادند .
تاشیرو و همکارانش به وسیله ي شبیه سازي بر اساس المان محدود تاثیر طراحی قالب را برروي انجماد وصحت شمش هاي سنگین مورد بررسی قرار دادند ونشان دادند که هندسه ي تغذیه و طراحی قالب بیشترین تاثیر را درانجماد شمش هاي سنگین دارا می باشند
کرمانپور و همکارانش تاثیر پارامترهایی نظیر سرعت بارریزي، شیب قالب، نسبت تغذیه به شمش، حجم و شکل تغذیه را بر بازدهی تغذیه در حین انجماد و امکان ایجاد ترك در فرایند آهنگري یک شمش 6 تنی مورد بررسی قرار دادند.[4] آقاي حیدر زاده وهمکارا نش تاثیر پارامترهایی نظیر شکل تغذیه ، تغییر شعاع گوشه هاي شمش و ضخامت کوکیل را بر روي شمش فولاد ابزار 4.4تنی را مورد بررسی قرار دادند.
بائو گانگ و همکارانش انجماد یک شمش 6 تنی را شبیهسازي نمودند. آنها موقعیت حفرات انقباضی تشکیل شده حول محور مرکزي را در شرایط شبیهسازي با شرایط عملی مقایسه نمودند. همچنین اثر جنس ایزولهها و مواد گرمازاي مورد استفاده در تغذیه بر ایجاد تخلخل حول محور مرکزي شمش مورد بررسی قرار گرفت[6]درصورتی که نرخ انجماد عمودي افزایش یابد ، باعث پل زدن دندریت ها در شمش می گردد و از مذاب رسانی تغذیه به بین دندریت هاجلوگیري می نمایدو باعث ایجاد حفره در حول خط مرکزي شمش میگردد.
در تحقیق حاضربا توجه به تاثیر شیب تغذیه ، ارتفاع تغذیه ، شعاع گوشه وقوس داخلی شمش و تعداد وجوه شمش در الگوي انجمادي شمش و معیار G - G/R0.5s شیب دمایی و Rنرخ سرد شدن - با تغییر پارامترهاي فوق ، انجماد شمش شبیه سازي شد.
مواد و روش پژوهش
شبیه سازي عددي
از نرم افزار پروکست براي شبیه سازي انجماد وایجاد تخلخل استفاده شد. شماتیک شمش وایزوله و قالب با استفاده از نرم افزار سالید ورك طراحی ودر پروکست مش بندي گردید.در شکل 1 شماتیک شمش ،کوکیل وایزوله براي قسمت هاي مختلف نشان داده شده است. به صورت متقارن شبیه سازي انجام گرفته است وتعداد نودها والمان ها به ترتیب 97380و475700 می باشد . کوکیل ، اشتول و تغذیه به صورت یکپارچه طراحی شده واز جنس چدن GG30 می باشد ، ترکیبات این چدن در جدول 1 مشخص شده است. جنس شمش فولادي CH3C در جدول2 آورده شده است . هدایت حرارتی کوکیل با دما متغییر بوده و از 100 تا 1300درجه سانتی گراداز52w/mk تا 25 w/mk تغییر می نماید. هدایت حرارتی شمش نیز در نمودار 1 که با دما متغییر می باشد نشان داده شده است. سایر پارامترهاي مربوط به شبیه سازي در جدول 3 آورده شده است.
به منظور انجام تحقیق، شمش فولادي CH3Cکه در مجتمع صنعتی اسفراین - - EICOریخته گري گردیده و بعداز انجام عملیات آپست وفورج تست آلتراسونیک انجام گرفت که وجود حفره حدودا 40سانتی متر زیر تغذیه که به اندازه 140سانتی متر طول دارد مشاهده گردید. نتایج به دست آمده با معیار G/R0.5s مطابقت داده شد. که در شکل2 نشان داده شده است. با اعمال تغییراتی که در طراحی شمش صورت گرفت نتایج تست آلتراسونیک عدم وجود حفره و تخلخل حول محور مرکزي شمش را تایید می نماید.
معیار G/R0.5s معیاري براي پیش بینی وجود حفره و تخلخل در قطعات ریختگی می باشد که G گرادیان حرارتی بر حسب k / m می باشد و R نرخ سرد شدن که بر حسب k / s این معیار یکی از معمولی ترین خروجی هاي نرم افزارهاي شبیه سازي در زمینه ي ریخته گري به خصوص پروکست می باشد. در شکل 3نحوه ي انجماد شمش با طراحی اولیه نشان داده شده است که براي این کار تنها گراویتی ترمال فعال گردیده وزمان انجماد نهایی 105000 ثانیه می باشد که با حالت واقعی تطابق خوبی دارد.
در مراحل اولیه انجماد به دلیل وجودجبهه ي انجمادي u شکل کانال هاي تغذیه به خوبی مذاب رسانی را از تغذیه به فضاي دندریت ها انجام می دهندکه در شکل_3الف نشان داده شده است .در میانه ي انجماداثر سرد شوندگی از پایین قالب کاهش وسرعت انجماد عمودي افزایش می یابد سپس جبهه ي انجمادv شکل، ایجاد می گرددومذاب رسانی از تغذیه به فضاي بین دندریت ها به سختی انجام می گیرد، به همین دلیل تعدادزیادي حفرات انقباضی در این حالت شکل می گیرند که در شکل_3ب نشان داده شده است. بنابراین هرچقدر حالت v شکل تیزتر باشدبلورهاي دندریتی آسان تر شکل می گیرند و تغذیه رسانی مذاب از تغذیه مشکل تر می شود، بنابراین حفرات انقباضی سریع تر شکل می گیرند
