Προσδιορισμός του συντελεστή μετάδοσης θερμότητας μέσω πειραμάτων και προσομίωσης κατά τη ταχύτερη ακριβείας, με εφαρμογή διαφοράς πίεσης

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι ο προσδιορισμός του Συντελεστή Μετάδοσης Θερμότητας (Σ.Μ.Θ) κατά τη χύτευση ακριβείας, με εφαρμογή διαφοράς πίεσης. Ο συντελεστής αυτός στην ουσία εκφράζει το μηχανισμό μεταφοράς θερμότητας από το τηγμένο κράμα προς το καλούπι και ακολούθως προς το περιβάλλον. Όσον αφορά στην πειραματική διαδικασία, το κράμα που χρησιμοποιήθηκε ήταν Ορείχαλκος CuZn33 και η παρασκευή των χυτών έγινε με την ειδικά διαμορφωμένη χυτόπρεσα κενού του Ε.Ν.Τ. Οι συνθήκες χύτευσης διέφεραν μεταξύ των πειραμάτων όσον αφορά στην αρχική θερμοκρασία μετάλλου, στην αρχική θερμοκρασία καλουπιού και κυρίως ως προς την επιβαλλόμενη διαφορά πίεσης, δηλαδή τα πειράματα έγιναν είτε χωρίς διαφορά πίεσης (χύτευση βαρύτητας), είτε υπό χαμηλή πίεση (χύτευση κενού), είτε υπό υψηλή πίεση (χύτευση υπερπίεσης), είτε με κάποιο συνδυασμό των δύο τελευταίων.: Επίσης, κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, έγινε χρήση θερμοστοιχείων για τη μέτρηση θερμοκρασιών σε συγκεκριμένα σημεία του χυτού κατά την εκτέλεση πειραμάτων χύτευσης. Οι παραπάνω πειραματικές διαδικασίες προσομοιώθηκαν μέσω του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων PROCAST σε Η/Υ (επιλύοντας το θερμικό και το ροικό πρόβλημα), στο οποίο μια από τις βασικές παραμέτρους που πρέπει να οριστεί είναι και η τιμή του Σ.Μ.Θ. Σκοπός λοιπόν αυτής της εργασίας, ήταν η εκτέλεση δοκιμών με χρήση χρονικά μεταβαλλόμενων τιμών του Σ.Μ.Θ έως ότου η υπολογιστική καμπύλη απόψυξης να προσεγγίζει, κατά το δυνατόν καλύτερα, την πειραματική καμπύλη απόψυξης. Έτσι, καταλήξαμε σε ένα ενδεικτικό εύρος τιμών, για κάθε είδος χύτευσης (βαρύτητα – κενό – υπερπίεση). Οι τιμές αυτές θεωρείται πως μπορούν με ασφάλεια να χρησιμοποιηθούν για ίδιες ή παρόμοιες αρχικές συνθήκες χύτευσης, για την ίδια γεωμετρία. Γνωρίζοντας συγκεκριμένες τιμές, η έρευνα συνεχίστηκε ώστε να διαπιστωθεί η επίδραση βασικών παραμέτρων της χύτευσης, όπως η αρχική θερμοκρασία τήγματος, η αρχική θερμοκρασία καλουπιού, η επιβολή διαφοράς πίεσης, η μεταβολή της γεωμετρίας (πιο συγκεκριμένα του σημείου λήψης μετρήσεων) στον προσδιορισμό του Σ.Μ.Θ., αλλά και στην ποιότητα των παρασκευαζόμενων χυτών, στο χρόνο πλήρωσης και στερεοποίησης και στο ποσοστό πορώδους. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν έδειξαν ότι ο συντελεστής παρουσιάζει πολύ μεγάλη ευαισθησία στις παραπάνω παραμέτρους, δηλαδή όταν κάποια από αυτές μεταβάλλεται ο προσδιορισμός του Συντελεστή θα πρέπει να επαναλαμβάνεται. Τέλος, με τη γνώση και τη συλλογή των δεδομένων που αποκτήθηκε, προτείνεται η περαιτέρω έρευνα του Σ.Μ.Θ, με χρήση συστηματικών σειρών πειραμάτων και οπωσδήποτε χρήση νευρωνικών δικτύων για τη βελτιστοποίηση των συντελεστών που υπολογίστηκαν.

The subject of the current thesis is to determine the Heat Transfer Coefficient (H.T.C.) during High Precision Casting, with application of pressure difference. This coefficient in effect expresses the heat transfer mechanism from the melted alloy to the mold and following to the environment. As far as the experiment procedure is concerned, the alloy in question was CuZn33 and castings production was achieved using the specially modified vacuum casting machine of the Shipbuilding Technology Laboratory. The casting conditions between the experiments with respect to the initial temperature of the melt, the initial temperature of the mold and , especially, concerning the induced pressure difference varied, meaning that the experiments were carried out under either no pressure difference at all (gravity casting) or under low pressure (vacuum casting) or under high pressure (super pressure casting) or finally under a combination of the last two cases. Additionally, during the experiments thermocouples where used for precise temperature measurement of specific spots of the casting geometry during the casting procedure. The above mentioned procedures where simulated using the finite elements program PROCAST on PC (solving both the thermal and filling problem) on which one of the most crucial variables to be defined was the H.T.C. As a result the goal of this project was the execution of numerous simulations using varying H.T.C. values until the simulated cooling curve was the best possible approximation of (had the best possible convergence with) the experimental cooling curve. Thus we managed to compute a range of values for every distinct experimental procedure. These values are considered adequate and can be safely used for initial conditions of casting which are either identical or present sufficient resemblance, for the exact same geometry. Having found this range of values, we carried on our research in an attempt to identify the impact of primary casting parameters, such as initial melt temperature, initial mold temperature, pressure application, or variation of geometry (more specifically the change of the measuring point) on the determination of the H.T.C., but also on the quality of resulting castings, which is represented by the filling and solidification time and the percentage of shrinkage porosity. The results have showed that the coefficient demonstrates substantial dependence on the above mentioned parameters, which dictates that when one of these parameters varies the H.T. coefficient must be recalculated. Finally, using the knowledge acquired for the accumulated data, it is strongly advised that any further research on the subject of H.T.C. be carried out through trials and unquestionably the use of neural networks for the optimization of the calculated coefficient.