بخشی از مقاله
چکیده
وظیفه لاینرهای آسیای خودشکن در معادن، حمل مواد معدنی و محافظت از پوسته آسیا است و پس از مدتی دچار سایش میگردند. هدف از پژوهش حاضر، شبیهسازی فرآیند عملیات حرارتی منقطع شل لاینر از جنس فولاد کروم مولیبدندار در محیط آب و روغن، بهمنظور شناسایی شرایط بهینه برای ایجاد ریزساختار بینیتی میباشد.
برای این منظور از نرمافزار ABAQUS استفاده شده است. پس از شبیهسازی در محیطهای مختلف، نمودارهای سرد کردن و شار حرارتی در نقاط مختلف قطعه استخراج گردید و با دیاگرام CCT فولاد کروم مولیبدن دار تطبیق داده شد. نتایج به دست آمده بیانگر وجود تطابق خوبی بین عملیات حرارتی قطعه در مقیاس صنعتی - شامل اندازهگیری نمودار سرد شدن و ریزساختار - و نتایج شبیهسازی است. در واقع از نتایج شبیهسازی میتوان برای شناسایی زمانبندی مناسب در مقیاس صنعتی جهت حصول ریزساختارکاملاً بینیتی در این فولادها استفاده کرد.
مقدمه
لاینرهای فولادی از جنس فولاد کروم مولیبدن دار - با وزن بیش از یک تن - به دلیل خواص سایشی و تافنس ضربه مطلوبشان بعلاوه هزینه تولید کم آنها، یکی از اجزا بسیار مهم آسیاها در معادن سنگآهن است. در واقع این قطعات به واسطه نوع عملکردشان، تحت سایش شدید قرار دارند. از طرفی نوع ریزساختار ایجاد شده بهوسیله فرایند عملیات حرارتی، تأثیر مستقیم بر روی طول عمر شل لاینر دارد. پارامتر تعیینکننده ریزساختار خواص نهایی در فرایند عملیات حرارتی سرعت سرد کردن از دمای آستنیته میباشد.
فولادهای کروم مولیبدن دار حساسیت بالایی به ترک خوردگی در سرعتهای سرد کردن بالا دارند. لذا کنترل سرعت سرد کردن و انتخاب محیط خنک کننده بسیار اهمیت دارد. از طرف دیگر در سرعتهای سرد کردن آهسته افت سختی قابلملاحظهای میتواند اتفاق افتد و مقاومت به سایش به شدت کاهش مییابد .[1-5] به لحاظ ریزساختاری و براساس دیاگرام CCT، این فولادها در سرعت های سرد کردن بالا تمایل به تشکیل ریزساختار ماتنزیتی دارند و سرعتهایسرد کردن نسبتاً آهسته منجر به ایجاد ساختار پرلیتی میگردد.
در این میان، ایجاد ریزساختار بینیتی بهعنوان یک ریزساختار مناسب جهت حصول ترکیب بهینهای از خواص سایشی و تافنس بسیار مورد توجه بوده است 7]و.[6 بههرحال، ایجاد چنین ریزساختاری برای چنین قطعه حجیمی بسیار مشکل است و نیاز به انجام عملیات حرارتی ایزوترم بهوسیله کوره های حمام نمک دارد که مشکلات مختلفی از جمله خطرات زیستمحیطی و آلودگیهای سطحی را به همراه دارد. یکی از راهکارهای مؤثر پیشنهادی جهت حصول ریزساختار بینیتی، روش کوئنچ منقطع میباشد.
با توجه به هزینههای بسیار بالای انجام آزمونهای صنعتی، یکی از راهکارهای مناسب برای شناسایی شرایط بهینه، شبیهسازی فرایند عملیات حرارتی برای قطعه مورد نظر است. لذا هدف اصلی این پژوهش، شبیهسازی شرایط عملیات حرارتی کوئنچ منقطع برای شل لاینر آسیا معدن چادرملو و سپس شناسایی شرایط زمانی بهینه با استفاده از نرمافزار ABAQUS و پیادهسازی آن در مقیاس صنعتی است. در این شبیهسازی، نمودارهای دما و شار حرارتی در نقاط مختلف با روش جزء محدود تحت مجاورت سیالات متفاوت ترسیم میگردد و با مقادیر اندازهگیری شده مقایسه میشود.
روش تحقیق
مطابق شکل - 1 - قطعه شل لاینر آسیا خودشکن معدن چادرملو با وزن بیش از یک تن جهت شبیهسازی فرایند عملیات حرارتی و تحلیل توزیع دما و شار حرارتی انتخاب شده است. دمای آستنیته برای قطعه برابر 900 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شد؛ مکانیزم افت دمایی بهواسطه دو مکانیزم انتقال حرارت تشعشعی و انتقال حرارت جابجایی تحت سیال مجاور از سطح بیرونی رخ میدهد. در این مسئله، نمودارهای دما و شار حرارتی در نقاط مشخص شده در شکل - 2 - - فاصله دو سانتیمتری از سطح به عمق - با روش جزء محدود تحت مجاورت سیالات متفاوت - روغن و آب - ترسیم میگردد و با مقدار اندازهگیری شدهی بهوسیله پیرومتر از سطح قطعه مقایسه میشود. تغییرات خواص فیزیکی با دما برای فولاد مورد مطالعه شامل دانسیته، هدایت حرارتی، گرمای ویژه و هدایت الکتریکی، براساس اندازهگیریهای انجام شده تعریف گردید
بهمنظور بررسی اعتبار نتایج به دست آمده به کمک شبیهسازی، فرایند عملیات حرارتی در محیطهای مختلف خنک کننده بهصورت صنعتی در محل شرکت صنایع ریختهگری اصفهان با استفاده از کوره 10 تن ساخت شرکت روشن صنعت انجام گرفت. بهمنظور آشکارسازی فازهای مختلف در ریزساختار از اچ دومرحلهای بهوسیله محلول پیکرال 4 - گرم اسید پیکریک و 100 میلیلیتر اتانول - و نایتال دو درصد استفاده شده است. بدینوسیله ساختار پرلیتی، بینیتی و مارتنزیتی به ترتیب به رنگهای قهوهای، خاکستری و سفید ظاهر میشوند. سختی سنجی با معیار برینل توسط دستگاه سختی سنجی کوپا انجام شده است.
با توجه به معادلهی انرژی و دو مکانیزم انتقال حرارت جابهجایی و تشعشعی معادلهی نهایی انرژی حرارتی به صورت معادلهی - 1 - که معادلهای دیفرانسیلی و غیرخطی نسبت به دما میباشد، سادهسازی میگردد.
که در این عبارت A سطح رویی، m جرم قطعه، C ظرفیت حرارتی، ضریب استفان بولتزمن و ضریب صدور تشعشعی میباشد. ترم اول مربوط به انتقال حرارت جابجایی با ضریب h و دمای برای سیال اطراف و ترم دوم ناشی از انتقال حرارت تشعشی در مسئلهی حاضر میباشد.
در این میان ضریب انتقال حرارت جابهجایی - - h پارامتری مربوط به جریان سیال میباشد که با تغییر دمای قطعه و سرعت سیال دچار تغییر میگردد. بهمنظور محاسبه ی این ضریب در دماهای مختلف قطعه برای دو محیط خنک کنندهی آب و روغن از پژوهش اشراقی کاخکی [10] و رستگاری [11] استفاده گردید. برای محیط واسط برای خنک کاری منقطع یعنی هوای آزاد با توجه به روابط موجود برای دو عدد بیبعد ناسلت متوسط و رایلی در انتقال حرارت جابهجایی آزاد [12] داریم:
