Trường nhiệt độ và trường ẩm trong khuôn tươi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Xuân Tiến TRƢỜNG NHIỆT ĐỘ VÀ TRƢỜNG ẨM TRONG KHUÔN TƢƠI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU HÀ NỘI – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Xuân Tiến TRƢỜNG NHIỆT ĐỘ VÀ TRƢỜNG ẨM TRONG KHUÔN TƢƠI Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 62520309 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Đào Hồng Bách TS Nguyễn Khải Hoàn HÀ NỘI – 2016 LỜI CAM ĐOAN Tên Trần Xuân Tiến, nghiên cứu sinh Bộ môn Vật liệu Công nghệ đúc – Viện Khoa học kỹ thuật vật liệu – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin cam đoan nội dung luận án tuân thủ qui định tác giả, trích dẫn đầy đủ nội dung kiến thức làm tảng sở lý thuyết đề tài Các kết nghiên cứu công sức nghiên cứu thời gian năm học tập, nghiên cứu trƣờng không trùng lặp với tài liệu đƣợc công bố lĩnh vực đề tài Tôi xin cam đoan chịu trách nhiệm trƣớc toàn nội dung luận án./ TM Tập thể hƣớng dẫn: PGS TS Đào Hồng Bách Nghiên cứu sinh Ngày tháng năm 2016 Trần Xuân Tiến LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Đào Hồng Bách nhiệt tình hƣớng dẫn tơi suốt q trình thực luận án; xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Khải Hoàn hƣớng dẫn, định hƣớng cho luận án mặt ứng dụng thực tiễn, đặc biệt định hƣớng ứng dụng lĩnh vực khoa học quân Tôi xin chân thành cảm ơn VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC tạo điều kiện, giúp đỡ suốt trình thực nhiệm vụ nghiên cứu trƣờng ĐH Bách Khoa Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn thủ trƣởng Viện Tên lửa, thủ trƣởng Phòng Cơng nghệ tạo điều kiện mặt thời gian, sở vật chất thời gian thực luận án Cảm ơn (cơ), anh em đồng nghiệp PHỊNG CƠNG NGHỆ ln ủng hộ, giúp đỡ nhiều mặt suốt thời gian thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn thầy (cô), anh (chị) em học viên mơn VẬT LIỆU VÀ CƠNG NGHỆ ĐÚC thầy (cô) Viện KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU giúp đỡ, tạo điều kiện nhiều mặt suốt thời gian học tập, nghiên cứu môn Cuối xin cảm ơn gia đình tơi, bố mẹ, vợ, ủng hộ mặt tinh thần, hậu phƣơng vững để tơi hồn thành tốt nhiệm vụ Tơi xin bày tỏ lời cảm ơn đến ông, bà ngoại tôi, đến bác, chú, cô, cậu, dì, anh, chị, em hai bên nội, ngoại ủng hộ mặt giúp có đƣợc thành cơng nhƣ ngày hơm nay./ Nghiên cứu sinh Trần Xuân Tiến MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i DANH MỤC CÁC BẢNG iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ iv MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Xu hƣớng phát triển công nghệ đúc khuôn cát 1.1.1 Vai trò xu hƣớng phát triển giới 1.1.2 Thực trạng xu hƣớng phát triển Việt Nam 1.2 Trƣờng nhiệt độ trƣờng ẩm khuôn 1.2.1 Những nghiên cứu giới vấn đề trƣờng nhiệt trƣờng ẩm 1.2.2 Các nghiên cứu nƣớc liên quan đến toán trƣờng nhiệt trƣờng ẩm: 16 1.3 Kết luận 18 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 19 2.1 Phƣơng pháp mơ hình hóa cấu trúc cho khn đúc Các chế truyền nhiệt chuyển khối khuôn 19 2.1.1 Vật liệu làm khuôn hệ rời rạc ngành đúc 19 2.1.2 Phƣơng pháp mơ hình hóa cấu trúc 22 2.1.3 Các chế truyền nhiệt chuyển khối khuôn vai trò q trình nung nóng khn 31 2.2 Mơ hình hóa cấu trúc khuôn tƣơi cát-sét 33 2.2.1 Mơ hình hình học khn cát-sét 33 2.2.2 Các trình hóa lý khn tƣơi cát-sét 38 2.2.2.1 Quá trình thấm 38 2.2.2.2 Quá trình bay ngƣng tụ 41 2.2.2.3 Q trình khuếch tán khí khn 42 2.3 Phƣơng pháp giải toán trƣờng nhiệt độ đúc 42 2.4 Kết luận 43 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45 3.1 Nhiệm vụ mục tiêu nghiên cứu luận án 45 3.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 46 3.2.1 Thực nghiệm 46 3.2.1.1 Phƣơng pháp thí nghiệm đo trƣờng nhiệt độ 46 3.2.1.2 Thiết lập phƣơng trình hồi qui mặt hóa ngƣng tụ 49 3.2.2 Thiết lập mơ hình tốn mô số 50 3.2.2.1 Mơ hình tốn q trình truyền nhiệt 50 3.2.2.2 Mơ hình tốn q trình truyền khí nung khn 53 3.2.3 Giải tốn nhiệt-ẩm khn phƣơng pháp số 54 3.3 Kết luận 60 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 61 4.1 Kết thực nghiệm 61 4.1.1 Phân bố nhiệt độ khuôn 61 4.1.2 Các yếu tố công nghệ ảnh hƣởng đến vùng ẩm khuôn 63 4.1.3 Phƣơng trình thực nghiệm vùng hóa hơi, ngƣng tụ 64 4.1.4 Xác định thông số nhiệt lý khuôn cát tƣơi 66 4.2 Kết mô số 68 4.2.1 Trƣờng nhiệt độ trƣờng độ ẩm khuôn 68 4.2.1.1 Đƣờng cong tăng nhiệt vị trí khác khn 68 4.2.1.2 Trƣờng nhiệt độ khuôn 73 4.2.1.3 Trƣờng ẩm khuôn 74 4.2.1.4 Sai số cách hiệu chỉnh mơ hình 77 4.2.2 Vị trí, tốc độ mặt hóa 79 4.2.3 Trƣờng áp suất khuôn 84 4.2.4 Sự ảnh hƣởng thông số công nghệ đến trƣờng nhiệt độ trƣờng ẩm khuôn 88 4.2.4.1 Ảnh hƣởng nhiệt độ rót 88 4.2.4.2 Ảnh hƣởng độ ẩm ban đầu 93 4.3 Ứng dụng kết mô số 96 4.3.1 Ứng dụng nghiên cứu bọng cát đúc 96 4.3.2 Ứng dụng điều khiển q trình đơng đặc vật đúc 101 4.4 Kết luận 101 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 110 PHỤ LỤC 111 Phụ lục CODE chƣơng trình mơ số toán trƣờng nhiệt độ trƣờng ẩm Visual Studio 12 111 Phụ luc Một số kết Thực nghiệm Luận án 111 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ca – nhiệt dung khơng khí khơ (J/(kgK)) Ccs – nhiệt dung khuôn cát-sét (J/(kgK)) Cg – nhiệt dung theo thể tích khí (J/(kgK)) Cvđ – nhiệt dung theo thể tích vật đúc (J/(kgK)) Cw – nhiệt dung nƣớc (J/(kgK)) Dcs – đƣờng kính hạt cát (m) Da – hệ số khuếch tán khơng khí khơ (m2/s) Dw – hệ số khuếch tán nƣớc (m2/s) αngoai – hệ số trao đổi nhiệt khuôn môi trƣờng (W/ (m2 K)) αcat_kho – hệ số khuếch tán nhiệt độ vùng cát khô (m2/s) h1 - hệ số tỏa nhiệt hai phần tử tiếp xúc (W/ (m2 K)) hr1 - hệ số trao đổi nhiệt xạ hai phần tử rắn (W/ (m2 K)) hr2 - hệ số trao đổi nhiệt xạ bọt khí (W/ (m2 K)) hbm - hệ số trao đổi nhiệt vật đúc khuôn (W/ (m2 K)) hngoài - hệ số trao đổi nhiệt khn với mơi trƣờng khơng khí ngồi (W/ (m2 K)) kc – hệ số truyền khối cát-sét khí (m/s) kd – độ thấm theo định luật Darcy (m2) K - hệ số thấm (m/s); L – độ dày khn (m) Lw - ẩn nhiệt hóa nƣớc (kJ/kg) P0 – áp suất khí (101,3 kPa) Pa – áp suất riêng phần khơng khí khơ (Pa) Pe – số Pekl Pr – số Prandtl v/g Pw – áp suất riêng phần nƣớc (Pa) Pw0 – áp suất bão hòa nhiệt độ Tcs (Pa) PwT0 – áp suất bão hòa nhiệt độ T0 (Pa) Ra – số khí khơng khí khô (287,1 Pa.m3/(kg.K)) Re – số Reynold uDcs/v Rw – số khí nƣớc (461,5 Pa.m3/(kg.K)) Sb – diện tích bề mặt riêng đơn vị thể tích 6(1 - )/Dcs (m2/m3) Sc – số Schmidt v/Dw T0 – nhiệt độ ban đầu khuôn (K) i Tcat_kho – nhiệt độ vùng cát khô (K) Tvđ – nhiệt độ vật đúc (K) Tcs – nhiệt độ khuôn cát-sét (K) Tg – nhiệt độ hỗn hợp khí khn (K) t – thời gian tính (s) t – bƣớc thời gian (s) u – tốc độ dòng khí khn tính theo Darcy (m/s) W – độ ẩm W0 – độ ẩm ban đầu khuôn Wmax – độ ẩm vùng vận chuyển ẩm w – tốc độ truyền khối nƣớc (kg/m2.s) x – khoảng cách tính từ bề mặt vật đúc-khn (m) x – bƣớc không gian (m)  - độ xốp khuôn cs - độ dẫn nhiệt khuôn tƣơi cát-sét (W/m.K) g – độ dẫn nhiệt hỗn hợp khí khn (W/m.K) s – độ dẫn nhiệt sét (W/m.K) cat_kho – độ dẫn nhiệt vùng cát khô (W/m.K) vđ – độ dẫn nhiệt vật đúc (W/m.K)  - trọng lƣợng riêng chất thấm (N/m3)  - độ nhớt khí khn (Pa.s) v – độ nhớt động học khí (m2/s) a - khối lƣợng riêng khơng khí khơ Pa/(Ra.Tg) (kg/m3) c - khối lƣợng riêng cát (kg/m3) cs - khối lƣợng riêng khuôn cát-sét (kg/m3) cat_kho - khối lƣợng riêng vùng cát khô (kg/m3) vđ - khối lƣợng riêng vật đúc (kg/m3) g - khối lƣợng riêng hỗn hợp khí khn (kg/m3) w - khối lƣợng riêng nƣớc Pw/(Rw.Tg) (kg/m3) ( ) – nhiệt độ chênh tính so với nhiệt độ ban đầu khuôn điểm nằm cách bề mặt tiếp xúc khuôn với vật đúc khoảng x thời điểm ;  – nhiệt độ chênh bề mặt;  - hệ số khuếch tán nhiệt độ vật liệu làm khuôn n – số bậc parabol phƣơng trình Veinik ii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các tính chất vật lý vật liệu kết dính cho hỗn hợp cát-sét (sét bentonite) 38 Bảng 3.1 Thành phần hỗn hợp khn tiến hành thí nghiệm 49 Bảng 4.1 Kết thí nghiệm xác định vị trí mặt ngƣng tụ mặt hóa 64 Bảng 4.2 Các tham số dùng tính thơng số nhiệt lý đƣợc tính từ kết thí nghiệm 67 Bảng 4.3 Thơng số nhiệt lý nƣớc 67 Bảng 4.4 Giá trị hệ số khuếch tán nhiệt độ αk độ dẫn nhiệt k khuôn 67 Bảng 4.5 So sánh giá trị độ ẩm lớn mơ hình công thức thực nghiệm 77 iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Phân tích sáng chế ngành đúc giai đoạn từ 1896 đến năm 2000 [90] Hình 1.2 Dạng khuyết tật đúc ([87]) Hình 1.3 Các dạng khuyết tật liên quan đến trường ẩm đúc [71] Hình 1.4 Cấu trúc bề mặt nhiệt khn cát tươi đúc thép [15] Hình 1.5 Các vùng đặc trưng khn cát tươi [48] 10 Hình 1.6 Các vùng đặc trưng khuôn tươi [22] 11 Hình 2.1 Các dạng cấu trúc hệ hai nguyên đẳng hướng: cấu trúc lấm (a), hệ dạng hạt (b), hệ có phần tử tiếp xúc tương hỗ (c), hệ tĩnh khơng đồng (d), hệ có phân lớp (e) [79] 19 Hình 2.2 Các dạng vật liệu làm khuôn chủ yếu ngành đúc [74] 20 Hình 2.3 Phân loại hệ phân tán theo kích thƣớc phần tử [54] 21 Hình 2.4 Cách phân loại hạt chất độn theo hình dạng [9] 21 Hình 2.5 Hệ rời rạc với độ xốp khác nhau: a) 0,3<  0,8; d) >0,9 [78] 22 Hình 2.6 Cấu trúc hỗn hợp ảo [74] 23 Hình 2.7 Mơ hình cấu trúc có cách xếp có dạng khác nhau: a – dạng cầu; b – dạng hình hộp [78] 24 Hình 2.8 Sự xếp có trật tự phần tử dạng cầu: 24 a-tứ diện; b-dạng lục giác; c-hình hộp [78] 24 Hình 2.9 Mơ hình truyền nhiệt điểm tiếp xúc hạt [30] 25 Hình 2.10 Hệ xốp (a), mơ hình ¼ ô sở (b) sơ đồ nhiệt trở (c) [78] 26 Hình 2.11 Sơ đồ tính tham số hình học xác định trở nhiệt hệ đa cấu trúc: a) ống dòng khung, b) phân bố dòng nhiệt (bên phải – phân ly thực dòng nhiệt, bên trái – phân bố lý tưởng), c) sơ đồ liên kết nhiệt trở phần riêng biệt [78] 27 Hình 2.12 Sự chuyển tiếp từ hệ hạt sang hệ liên kết: phần tử trung bình cấu trúc hỗn độn trạng thái đổ tự (a) sau biến dạng (b) [78] 29 Hình 2.13 Mơ hình sở hệ hạt [64] 30 Hình 2.14 Mơ hình hệ đa pha [80] 31 Hình 2.15 Ảnh hưởng nhiệt độ khuôn đến hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng thành phần [61] 33 Hình 2.16 Mơ hình cấu trúc hỗn hợp làm khuôn cát-sét (a) thành phần (b)[64] 34 Hình 2.17 Hình dạng phần tử hỗn hợp làm khn giai đoạn hình thành khác nhau: a – hỗn hợp chưa dầm chặt; b – hỗn hơp sau dầm chặt.[64] 34 Hình 2.18 Mơ hình cấu trúc ô sở vật liệu làm khuôn qua dầm chặt: a – cấu trúc ô sở; b – sơ đồ liên kết trở nhiệt [64] 35 Hình 2.19 Mơ hình chuyển khối xét phần tử dạng hình hộp chữ nhật 39 Hình 2.20 Q trình chuyển động khí khn 41 Hình 2.21 Áp suất riêng phần nước trình bay ngưng tụ 41 Hình 2.27 Mạng sai phân [40] 43 iv ... - độ xốp khuôn cs - độ dẫn nhiệt khuôn tƣơi cát-sét (W/m.K) g – độ dẫn nhiệt hỗn hợp khí khn (W/m.K) s – độ dẫn nhiệt sét (W/m.K) cat_kho – độ dẫn nhiệt vùng cát khô (W/m.K) vđ – độ dẫn nhiệt. .. Sơ đồ thí nghiệm đo nhiệt độ khuôn 47 Hình 3.3 Sơ đồ thí nghiệm đo nhiệt độ khuôn cát sét với mẫu phẳng: – khuôn tươi cát-sét; – hốc khuôn; – cặp nhiệt đo nhiệt độ khuôn khoảng cách khác... (m2/m3) Sc – số Schmidt v/Dw T0 – nhiệt độ ban đầu khuôn (K) i Tcat_kho – nhiệt độ vùng cát khô (K) Tvđ – nhiệt độ vật đúc (K) Tcs – nhiệt độ khuôn cát-sét (K) Tg – nhiệt độ hỗn hợp khí khn (K) t –