Анотація до роботи:

Редько Г.О. "Гідродинамічні і теплофізичні процеси під час формування зливків в умовах пульсаційного впливу". – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. - Інститут технічної теплофізики НАН України, Київ, 2002.

В роботі вирішується актуальна проблема побудови узагальненої схеми розвитку взаємозумовлених гідродинамічних і теплофізичних процесів під час формування сталевих зливків в умовах пульсаційного впливу і розробки теоретичних положень та рекомендацій щодо вибору раціональних режимів пульсаційної обробки з метою пригнічення лікваційних та усадкових дефектів литої структури і підвищення виходу годного.

В результаті математичного моделювання та обчислювальних експериментів визначені характерні зміни структури гідродинамічних течій, температурних полів та кінетики кристалізації, що зумовлюються пульсаційним впливом і призводять до пригнічення лікваційних дефектів та зменшення глибини усадкової раковини: формування зони інтенсивних вихоревих течій в центральній частині зливка та зони спрямованих догори конвективних течій в періферійній частині рідкої ванни, зміщення теплового центру до більш високих горизонтів, зміна поля температур в прибутковій частині внаслідок локальної активізації процесів росту глобулярних кристалів, уповільнення руху фронту кристалізації в прибутковій частині зливка. Шляхом порівняння з даними фізичного моделювання підтверджена адекватність розробленого математичного забезпечення. Одержані універсальні залежності для визначення оптимальної тривалості і частоти пульсаційної обробки багатотонажних зливків.

Впровадження розроблених рекомендацій до промислових умов сприятиме перетворенню пульсаційної обробки в конкурентоздатну технологію високого рівня.

1. Сформульована математична модель і на базі її кінцево-різницевої апроксимації розроблені обчислювальний алгоритм та програмне забезпечення для чисельних досліджень полів швидкості, температури і кінетики кристалізації розплаву при різних режимах пульсаційного впливу. Шляхом порівняння результатів математичного моделювання з даними експериментальних досліджень на фізичних моделях доведено, що розроблене математичне забезпечення адекватно відтворює процеси гідродинаміки, теплопереносу і кристалізації як в умовах природної конвекції, так і в разі вимушеної конвекції, зумовленої пульсуючим зануреним струменем (розходження розрахункових і експериментальних значень не перевищує 20%).

2. В результаті чисельного моделювання визначено, що ефект підігріву переохоложденого розплаву внаслідок перекриття теплових пограншарів кристалів може спостерігатися, коли частка твердої фази в розплаві досягає рівня 0.1-1 %, і найбільш інтенсивно розвивається для кристалів малого розміру (0.1-0.3 мм). Показано, що це явище може бути використане в якості керівного фактору для пригнічення усадкових дефектів і запропоновано методику його урахування при математичному моделюванні кристалізації в умовах пульсаційної обробки.

3. В результаті обчислювальних експериментів визначено, що внаслідок застосування пульсаційного впливу відбувається кардинальна зміна характеру гідродинамічних процесів в рідкій ванні, яка полягає в формуванні зони інтенсивних вихоревих течій в центральній частині зливка (де максимальні швидкості досягають 0.5-1.2 м/с), та розвиткові спрямованих догори конвективних течій на періферії рідкої ванни (швидкість яких складає близько 0.2-0.3 м/с і майже вдвічі перевищує швидкість спрямованих вниз течій, зумовлених природною конвекцією). Такий характер руху перешкоджає розвиткові течій природної конвекції, пригнічує пов’язані з нею негативні лікваційні процеси, і забезпечує формування більш однорідної литої структури.

4. Показано, що в умовах пульсаційного перемішування спостерігаєтья підвищення температури в зоні теплового ядра в порівнянні з випадком природної конвекції, яке досягає 20-30C на пізніх етапах кристалізації (Fo=0.5Fo_затв і вище), а саме теплове ядро перміщується до більш високих горизонтів. Внаслідок цього, на заключних етапах формування зливка рух фронту кристалізації в прибутковій частині істотно уповільнюється (приблизно на 50% ), рідка ванна буде мати чашовидну форму, а її нижня границя переміщується до верхньої частини прибутку (тоді як в контрольному зливку ділянка рідкого розплаву локалізується на нижчих горизонтах прибуткової частини). Зазначені явища призводять до зменшення розрахункової глибини усадкової раковини на 25-30% в порівнянні з випадком формування зливка в умовах природної конвекції.

5. В результаті багатоваріантних чисельних досліджень визначено, що оптимальне значення тривалості обробки складає 0.3 від розрахункового часу кристалізації зливка (Fo_oбр.опт=0.3Fo_затв), а оптимальна частота пульсаційних імпульсів дорівнює половині частоти власних коливань в системі (W_oбр.опт=0.5W₀). Підтверждено, що наведені залежності діють для зливків тонажу від 1.8 т до 42 т.

6. Розроблене математичне забезпечення використовувалось для розрахунку оптимальних технологічних режимів пульсаційної обробки на заводі “Енергомашспецсталь”(м.Краматорськ); впроваджено до виробничного циклу підприємства ДП “Завод УБ і ВТ” (м.Суми), що дозволило досягти збільшення виходу годного і одержати річний економічний ефект 22.5 тис. грн. Розроблені рекомендації і програмні засоби можуть також бути запропоновані для використання на інших підприємствах металургійної і машинобудівної галузей.

Публікації автора:

1. Смирнов А.Н., Редько Г.А. Механизм подавления усадочных дефектов при формировании слитков в условиях пульсационного воздействия// Наукові праці ДонДТУ. Металургія. – Донецьк: ДонДТУ. – 2001. – Вип. 31. – С.146-150.

2. Смирнов А.Н., Редько Г.А., Орлов И.А. Особенности применения физического моделирования при исследовании процессов затвердевания слитков и отливок при их виброимпульсной обработке// Процессы литья. – 1999. – № 3. – С. 35-45.

3. Смирнов А.Н., Пилюшенко В.Л., Редько Г.А. Оценка эффекта роста частиц твердой фазы в переохлажденном расплаве на процессы формирования слитков// Процессы литья. – 1999. – №2. – С. 14-20.

4. Смирнов А.Н., Редько Г.А. Особенности тепло- и массообмена при виброимпульсном воздействии на затвердевающие слитки и отливки// Металлургия. Сборник научных трудов ДонГТУ. – Донецк: ДонГТУ. – 1999. – Вып. 8. – С.100-106.

5. Влияние роста частиц твердой фазы в переохлажденном расплаве на процессы формирования слитков и отливок / А.Н.Смирнов, Г.А.Редько, Ф.В.Недопекин, В.В.Белоусов // Изв.ВУЗов. Черная металлургия. – 1999. – № 8. – С. 50-53.

6. Редько Г.О. Дослідження процесів гідродинаміки та тепломасопереносу у зливку в умовах пульсаційного впливу//Вісник аспірантів і студентів Донецького університету. Серія А.Природничі науки. – 1998. – № 1. – С.75-82.

7. Редько Г.А., Болденкова Е.В., Недопекин Ф.В., Колесник В.И. Моделирование роста равноосных дендритов в переохлажденном бинарном расплаве//Міждержавна наук.-методич. конф. “Комп'ютерне моделювання”. – Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2001. – С. 133-136.

8. Недопекин Ф.В., Смирнов А.Н., Белоусов В.В., Редько Г.А. Численный анализ влияния технологических режимов пульсационного воздействия на качество литой структуры/ Ф.В.Недопекин, А.Н.Смирнов, В.В.Белоусов, Г.А.Редько // Всеукраїнська конференція пам’яті В.Явойського. – Київ. – 2000. – С.313-317.

9. Редько Г.А. Численные исследования влияния режимов пульсационного воздействия на качество литой структуры// Труди міждержавної науково-методичної конференції "Комп'ютерне моделювання". – Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2000. – С.250-251.

10. Недопекин Ф.В., Редько Г.А., Белоусов В.В. Численное моделирование процессов гидродинамики и теплопереноса при пульсационной обработке жидкой фазы слитков// Труди міждержавної науково-методичної конференції "Комп'ютерне моделювання". – Дніпродзержинськ: ДДТУ. – 1999. – С. 78-79.

11. Редько Г.А., Смирнов А.Н. Математическая модель формирования слитков и отливок при наложении управляющего перемешивания жидкой ванны// Труды V международной научно-технической конференции "Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века". – Том 3. – Донецк: ДонГТУ. – 1998. – С. 96-100.

12. Численные исследования кристаллизации слитка в условиях пульсационного воздействия/ Ф.В.Недопекин, В.В.Белоусов Г.А.Редько, А.Н.Смирнов// Труди міжнародної конференції "Комп'ютерне моделювання". – Дніпродзержинськ: ДГТУ. – 1997. – С.39.

13. Недопекин Ф.В., Редько Г.А., Петренко С.Н. Исследование теплового взаимодействия равноосных кристаллов в переохлажденном расплаве// Труди вузiвскої конференцiї професорсько-викладацького складу за пiдсумками НДР: математика, фiзика, екологiя. – Донецьк: ДонДУ. – 1997. – С. 130-132.

14. Численное моделирование процессов гидродинамики и теплопереноса при пульсационной обработке жидкой фазы слитков/ Ф.В.Недопекин, В.В.Белоусов Г.А.Редько, А.Н.Смирнов // Тезисы докладов ВУЗовской конференции проф.-препод. состава по итогам науч.-исслед. и методической работы: физика, математика. – Донецк: ДонГУ. – 1995. – С.32-33.

15. Недопекин Ф.В., Белоусов В.В., Редько Г.А. Сравнение методов расщепления по физическим переменным и двухполевого для моделирования гидродинамики разливки// Теорет. и прикл. механика. Сб. научных трудов. – Харьков. – 1995. – Вып.25. – С.130-132.

16. Компьютерная модель пульсационной обработки слитков /Ф.В.Недопекин, Г.А.Редько, А.Н.Смирнов, В.В.Белоусов // Труды VI Международной науч.-техн. конференции "Кристаллизация: компьютерные модели, эксперимент, технологии". – Ижевск: УдГУ. – 1994. – С.74-76.

17. Недопекин Ф.В., Редько Г.А., Белоусов В.В. Компьютерное моделирование пульсационной обработки слитков// Труды I Международной конференции "Численные методы в гидравлике и гидродинамике". – 1994. –Донецк: ДонГУ. – С.71.