Ориентировочный расчёт охлаждения кокиля

Лукин В.А.,

Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН,

г. Комсомольск-на-Амуре, Россия

Approximate calculation of the cooling die. Heat transfer in a state of chill. Heat transfer to the outer surface of the device developed in the area of heat dissipation.

Теплообмен в существующей конструкции кокиля

Существующая конструкция кокиля на рис.1 и 2 изготовлена из стали, масса которой вместе с пробкой равняется m_т = 57 кг. Объем заливаемого в кокиль расплава алюминия V_р = 10^-3 м³, масса расплава m_р = 2,7 кг.

Рис. 1. Внешний вид собранного кокиля с существующей пробкой: 1 – кокиль, 2 – неохлаждаемая пробка, 3 – полость под заготовку, 4 – отверстия.

Среднюю температуру кокиля с пробкой t_р определим из уравнения теплового баланса:

r ·m_р+c_р·m_р·(t_о1­t_р) = c_т·m_т·(t_р­t_о2).

Свойства алюминиевого сплава [1]:

_т= 7800 кг/м³, с_т= 550 Дж/(кгК), t_о2= 20 ⁰С.

После подстановки в приведенное уравнение исходных данных получаем t_р=111 ⁰С. В действительности в первые моменты разливки сплава температура кокиля и пробки превышает 111 ⁰С. При температуре окружающей среды t_о2 = 20 ⁰С количество подводимого в кокиль тепла Q_р = 3,14·10⁶ Дж. Принимаем время заполнения кокиля расплавом  = 30-60 с. тогда значение теплового потока q = 52,3 – 105 кВт. При площади наружной поверхности пробки F_п=2,6·10^-2 м² и рабочей площади поверхности кокиля F_т=8·10^-2 м² общая площадь поверхности F_тп=0,106 м². Тогда значение средней плотности теплового потока q^/ = 0,493 – 0,991 кВт/м².

При заливке алюминиевого сплава в форму значение коэффициента теплоотдачи α_м и плотности теплового потока q выбираются следующими [2]: α_м= 10-20 кВт/(м²·К) и q = 1,2 – 2,5 кВт/м².

При изготовлении пробки по принципу работы тепловой трубы [4] на рис.3, в качестве теплоносителя выбираем вещество, характеризующееся значением коэффициента теплоотдачи при испарении и конденсации равными α_и= α_кн = 10-20 кВт/(м²·К) при температуре t = 120–150 ⁰С [3]. Температуру металла принимаем равной t_м = 660 ⁰С. Толщина стенки стального устройства (пробки) в зоне нагрева δ₁= 12·10^-3 м и ₁= 36 Вт/(мК).

В зоне охлаждения устройства применяем медную трубку с параметрами δ₂ = 2,5·10^-3 м и ₂ = 300 - 350 Вт/(мК), ℓ = 0,15 м, d_н = 18·10^-3 м, площадью наружной оребренной поверхности F_о= 25,43·10^-3 м² при  = 3. Температура окружающего воздуха t_вз = 30 ⁰С. При изготовлении устройства из медного жаропрочного сплава (99,3 Cu, 0,4 Cr; 0,3 Zn) значение δ₁= 15·10^-3 м и ₁= 200 Вт/(мК). Отвод тепла от устройства осуществляется воздухом при его скорости w = 3 м/с.

Теплообмен на наружной поверхности разработанного устройства в зоне отвода тепла

Теплообмен описывается критериальным выражением [1]

Nu = 0,025 · Rе^0,6 · Pr^0,38 (Pr/ Pr_с)^0,25. (1)

Параметры воздуха при t= 30 ⁰С [1]:

ρ = 1,127 кг/м³, С = 1 000 Дж/(кг·К), λ = 2,65·10^-2 Вт/(м·К),

μ = 18,68·10^-6 Па·с, ν = 16,58·10^-6 м²/с, Рr = 0,71.

После подстановки в приведенное выражение исходных данных получаем: Re = 3260, Nu = 2,82 и α = 4,15 Вт/(м²∙К). Наличие оребрения в зоне отвода тепла позволит увеличить α_вз.

Рис.2. Внешний вид существующей неохлаждаемой стальной пробки	Рис. 3. Внешний вид модернизированной пробки: 1 – зона охлаждения, 2 - оребрение, 3 – зона нагрева.