Trường nhiệt độ và trường ẩm trong khuôn tươi

Nội dung tài liệu: Trường nhiệt độ và trường ẩm trong khuôn tươi

1. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết của luận án. Công nghệ đúc trong trong khuôn tươi cát-sét hiện nay vẫn đang là công nghệ tạo phôi chính trong ngành đúc nhờ những ưu điểm của hệ hỗn hợp làm khuôn và tính kinh tế của nó, tuy nhiên hiện nay một vấn đề cần giải quyết để nâng cao chất lượng vật đúc và hiệu suất đó là cần phải khống chế ảnh hưởng của độ ẩm khuôn đặc biệt là sự hình thành vùng ngưng tụ khi đúc, sự tồn tại của vùng này ảnh hưởng đến độ bền khuôn, ảnh hưởng đến quá trình hình thành bọng cát, làm biến dạng khuôn, là một trong những nguyên nhân gây khuyết tật cho vật đúc. Việc nâng cao chất lượng đúc trong hệ khuôn tươi, đặc biệt ở Việt Nam, nhằm tăng tỷ lệ đúc trong khuôn tươi thì việc nắm bắt được quá trình nhiệt và ẩm trong khuôn có vai trò rất quan trọng giúp ta lựa chọn được hỗn hợp có thành phần tối ưu, đồng thời làm hạn chế khuyết tật liên quan đến độ ẩm trong khuôn. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án. Mục tiêu của luận án là thiết lập được mô hình toán mô phỏng trường nhiệt độ và trường ẩm trong khuôn đúc hệ khuôn tươi cát-sét và giải chúng. Để thực hiện được mục tiêu đó thì nhiệm vụ chủ yếu của luận án cần giải quyết các vấn đề sau: - Nghiên cứu tổng quan phương pháp mô hình hóa cấu trúc đối với khuôn tươi cát- sét. Mô hình hóa cấu trúc hệ khuôn tươi cát-sét và xác định các thông số nhiệt lý của khuôn; - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình nhiệt và ẩm trong khuôn tươi cát-sét; - Nghiên cứu thiết lập mô hình toán cho bài toán trường nhiệt và trường ẩm trong đó có xét đến cả các yếu tố ảnh hưởng như đối lưu, dẫn nhiệt, áp suất khí, ẩn nhiệt hóa hơi của nước. - Nghiên cứu giải bài toán ẩm trong đó có tính đến chế độ khí trong quá trình đúc; - Đánh giá kết quả với thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu. Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm để xác định được các đặc trưng của trường nhiệt và trường ẩm trong khuôn. Thiết lập mô hình toán cho bài toán trường nhiệt độ và trường ẩm, sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn [40] để giải bài toán vi phân tuyến tính không ổn định đặc trưng của trường nhiệt độ và trường ẩm. Những điểm mới của luận án : 1. Đã tích hợp được mô hình truyền nhiệt và ẩm trong khuôn tươi có xét đến trường áp suất và xây dựng thuật giải nó 2. Đã xây dựng được mặt hơi, mặt ngưng tụ và quá trình dịch chuyển của nó. Đặc biệt đã chỉ rõ mối liên quan giữa hàm lượng ẩm với trường ẩm trong khuôn. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Về mặt lý luận đề tài bổ sung phần lý luận về các quá trình hóa-lý xảy ra trong khuôn tươi, trong đó đi vào phân tích và lý giải về ứng xử của ẩm trong khuôn sau khi rót kim loại lỏng. Đã đưa ra phương pháp mô hình hóa cấu trúc cho hệ khuôn cát và phương pháp xác định thông số nhiệt lý cho khuôn. Thiết lập được mô hình toán cho bài toán trường nhiệt độ và trường ẩm 1
2. trong khuôn có xét đến ảnh hưởng của trường áp suất khuôn. Thông qua nghiên cứu trường nhiệt độ và trường ẩmtrong khuôn có xét đến trường ápsuất, đã bước đầu giải thích một cách định lượng các hiện tượng xảy ra trong khuôn tươi. Về ý nghĩa thực tiễn, kết quả của đề tài được sử dụng trong việc phân tích, lựa chọn hỗn hợp làm khuôn có thành phần tối ưu phù hợp với từng dạng sản phẩm. Việc giải đồng thời bài toán trường nhiệt độ và trường ẩm cho phép ta có thể xác định được vị trí của vùng ngưng tụ ở mọi thời điểm, và ảnh hưởng của chúng tới ứng xử của khuôn. Từ đó, nâng cao khả năng dự báo, hạn chế ảnh hưởng của độ ẩm đến chất lượng vật đúc trong công nghệ đúc trong hệ khuôn tươi. Công trình đã công bố. Luận án đã công bố những kết quả chính của luận án trên 03 bài báo khoa học, có phản biện độc lập. Cấu trúc và khối lượng của luận án. Luận án gồm Mở đầu, 4 Chương, KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ và 02 Phụ lục. NỘI DUNG LUẬN ÁN Mở đầu trình bày ngắn gọn tính cấp thiết của vấn đề luận án cần giải quyết,, từ đó lựa chọn đối tượng và phạm vi nghiên cứu mà luận án cần tập trung giải quyết. Chương 1 Tổng quan trình bày tổng quan về tình hình và xu hướng phát triển của ngành đúc hiện nay trên thế giới và trong nước. Chỉ rõ vai trò, vị trí của hệ khuôn tươi cát-sét trong ngành đúc nói chung, nêu ra được những vấn đề cần giải quyết đối với hệ khuôn này trong thời gian tới. Trong đó vấn đề trường nhiệt độ và trường ẩm là một hướng cần hoàn thiện cả trên thế giới và trong nước (hình 1.5). Hình 1.5 Các vùng đặc trưng trong khuôn cát tươi 1. Vùng cát khô, nhiệt độ trên 373 K (100 0C) ; 2. Vùng vận chuyển hơi nước, nhiệt độ vùng này khoảng 373 K độ ẩm ở vùng này đạt giá trị lớn nhất ; 3. Vùng ngưng tụ, nơi mà hơi nước bị ngưng tụ lại khi gặp nhiệt độ thấp ở phần khuôn ngoài (hơi nước truyền nhanh hơn nhiệt độ trong khuôn . Vùng này gọi là vùng ẩm. ượng nước ở đây tăng lên và nó làm giảm mạnh độ bền của khuôn tươi, là nguyên nhân ra việc phá hủy cơ học trong vùng này. 2
3. 4. Vùng phần ngoài khuôn, nơi nhiệt độ và lượng ẩm giữ nguyên không thay đổi. Trình bày tổng quan các nghiên cứu trên thế giới và trong nước về trường nhiệt độ và trường ẩm trong khuôn. Kết luận của phần tổng quan chỉ ra rằng chưa có công trình nào đi vào mô hình hóa trường nhiệt độ và trường ẩm trong khuôn một cách đầy đủ, đồng thời, các công trình hiện nay hoặc đi vào mô hình trường nhiệt độ thông qua vùng cát khô hoặc sử dụng thực nghiệm khi nghiên cứu đến trường ẩm. Chương 2 Cơ sở lý thuyết. Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp mô hình hóa cấu trúc cho khuôn đúc, trong đó phân tích và chỉ rõ những ưu, nhược điểm và khả năng ứng dụng của từng mô hình với quá trình đúc khác nhau. Trong đó mô hình đa cấu trúc hệ hạt được lựa chọn để mô hình hóa cho hệ khuôn cát-sét, khi đó khuôn được biểu diễn dưới dạng tổ hợp của – các hạt nền (cát SiO2 có đường kính d được bao trong vỏ chất kết kính (sét bentonite có chiều dày 0 (hình 2.16): Hình 2.16 Mô hình cấu trúc khuôn cát-sét (a) và các thành phần của nó (b) Với mô hình này khoảng trống giữa các hạt cát được điền đầy không khí, khi đó ta coi cát và sét là một phần tử, không khí trong khuôn là hỗn hợp của không khí khô và hơi nước, khi đó độ xốp được tính như sau: (2.17) Để mô tả cấu trúc và quy luật phân bố nhiệt trong vật liệu làm khuôn dạng hạt có chất kết dính khi sử dụng giải pháp của G.N.Dulnhev cho việc phân chia phần tử liên kết trong cấu trúc hỗn độn của vật liệu dạng hạt bằng việc hoàn thiện mô hình cấu trúc ô cơ sở, trong đó hạt cơ bản (hạt nền có đường kính rc có lớp vỏ chất dính có chiều dày từ max đến  (hình 2.13, a và chứa đầy không khí trong các lỗ trống. Hình 2.18 Mô hình cấu trúc ô cơ sở của vật liệu làm khuôn qua dầm chặt: a – cấu trúc ô cơ sở; b – sơ đồ liên kết của trở nhiệt 3
4. Dựa vào sơ đồ liên kết của các trở nhiệt (hình 2.18, b ta có: ( )( ) . (2.42) Nhiệt dung riêng của cát-sét được tính như sau: ( ) (2.43) trong đó cs và cc – tương ứng là nhiệt dung riêng của chất kết dính (sét và chất nền (cát . Các quá trình hóa-lý cần nghiên cứu trong khuôn tươi cát-sét gồm : 1 quá trình thấm khí trong khuôn; 2 quá trình bay hơi, ngưng tụ của nước trong khuôn; 3 quá trình khuếch tán khí. Qua nghiên cứu các quá trình này, đã xác định được các phương trình toán học đặc trưng cần thiết cho nhiệm vụ mô hình toán học trường nhiệt độ và trường ẩm trong khuôn. Ngoài ra trong chương 2, còn đi vào nghiên cứu khả năng mô hình hóa bài toán trường nhiệt độ và trường ẩm bằng phần mềm ANSYS F UENT và đã chỉ ra rằng ANSYS F UENT có khả năng mô tả tốt cho quá trình đúc khuôn tươi cát-sét bởi có model đa pha, tuy nhiên phần mềm chưa có mô hình tính sự bay hơi của nước trong khuôn. Chương 2 còn nghiên cứu các phương pháp giải bài toán trường nhiệt độ, đây là cơ sở để giải mô hình toán sau này. Chương 3 Phương pháp nghiên cứu. Trên cơ sở phân tích và đánh giá các mô hình toán cho bài toán nhiệt và ẩm trên thế giới, phù hợp với tình hình và điều kiện trong nước, đối tượng nghiên cứu đề tài xác định là hệ khuôn tươi cát-sét, mục tiêu của đề tài đặt ra là: - Nghiên cứu một cách tổng quát về cơ sở lý thuyết của quá trình nhiệt và ẩm trong khuôn; - Nghiên cứu đưa ra mô hình toán đầy đủ hơn cho bài toán trường nhiệt và trường ẩm trong đó có xét đến cả các yếu tố ảnh hưởng như đối lưu, dẫn nhiệt, áp suất khí, ẩn nhiệt hóa hơi trong quá trình nung nóng khuôn. Để thực hiện hai mục tiêu trên phương pháp nghiên cứu luận án lựa chọn là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, thiết lập mô hình và mô phỏng số cho bài toán trường nhiệt độ và trường ẩm trong khuôn. 1. Thực nghiệm: Nghiên cứu trường nhiệt độ khuôn tươi cát-sét bằng cách đo nhiệt độ khuôn với mẫu tấm phẳng, xét bài toán truyền nhiệt một chiều. Kết quả thí nghiệm cho ta xác định sự thay đổi nhiệt độ khuôn, xác định được một cách tương đối vị trí các vùng đặc trưng, Từ kết quả xử lý số liệu thí nghiệm đã xây dựng các phương trình hồi qui đặc trưng cho mặt hóa hơi và ngưng tụ. Xác định các thông số nhiệt lý của khuôn bằng kết quả thực nghiệm đo trường nhiệt độ. 2. Thiết lập mô hình toán, mô phỏng số. Nghiên cứu phương pháp mô hình hóa cấu trúc, trên cơ sở đó thiết lập được mô hình toán cho bài toán trường nhiệt độ và trường ẩm trong khuôn. Tiến hành mô phỏng số đối chiếu thực nghiệm 4
5. Thiết lập mô hình toán. Trên cơ sở nghiên cứu kết hợp quá trình truyền nhiệt và quá trình thấm khí trong khuôn có xét đến quá trình bay hơi và ngưng tụ của nước, luận án đã thiết lập được mô hình toán đặc trưng cho bài toán trường nhiệt độ, trường áp suất, độ ẩm trong khuôn như sau: Phương trình cân bằng năng lượng của khuôn cát sét trong một đơn vị thời gian được viết như sau: ( ) ( ) ( ) (( ) ) ( ) ( ) (3.9) Phương trình cân bằng năng lượng của dòng khí trong khuôn: ( ) ( ) ( ) ( ) (3.10) Hệ phương trình áp suất trong khuôn: *( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )+ ( ) (3.23) ( ) *( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )+ (3.24) Độ ẩm của một vi phân thể tích được tính theo phương trình sau: ( ) ( ) (3.25) ( ) Áp dụng giải cho mô hình một chiều, với cách chia lưới khuôn như hình 3.7 Hình 3.7 Sơ đồ chia lưới khuôn (mô hình 1 chiều theo chiều Oy) 5
6. Sử dụng phương pháp sai phân mạng ẩn để giải hệ phương trình nhiệt độ và áp suất, lưới sai phân được chia như hình 3.8. Hình 3.8 Mô hình chia lưới theo phương pháp sai phân mạng ẩn Thông số nhiệt lý và các hằng số dùng trong mô phỏng số: 3 Dcs=0,2 mm; cs=2650 kg/m ; =0,43; W0 = 2% - 8%; Ccs = 950 J/(kgK); cs = 0,482 – 7 W/(mK); T0 = Tcs0 = 300 K; Tvđ = 933 K;  = 2.19*10 Pa.s; g = 0.0317 W/(mK); 3 3 3 Lw = 3,14*10 – 2,34Tcs kJ/kg; w = Pw/(RwTg) kg/m ; a = Pa/(RaTg) kg/m ; g = w + a; Cg g = Cw w + Ca a; Ca = 1005 J/(kgK); Cw = 1846 J/(kgK); chiều dày khuôn = – 5 2 2 100 mm; ( ) , D0 = 2,65.10 m /s; g = 9,81 (m /s); P0 = 2 101325 (Pa); hngoai = 20,5 (W/(m K)). Bước sai phân không gian y = /100 = 0,001 m; bước sai phân thời gian  = 0,005 s. Bài toán ở đây chỉ xét trong giai đoạn khi đã điền đầy khuôn, không tính đến ảnh hưởng thời gian rót khuôn (nghiên cứu ở giai đoạn sau). Giả thiết khuôn và vật đúc là tiếp xúc hoàn toàn khi đó tại mặt phân cách vật đúc-khuôn nhiệt độ vật đúc bằng nhiệt độ bề mặt tiếp xúc của khuôn. Điều kiện biên cát-sét: (  ) ( ) . đ (  ) ( ) Điều kiện biên khí: . . Điều kiện biên áp suất: 6
7. Hình 3.9 Sơ đồ giải thuật chương trình mô phỏng số 7
8. Chương 4 Kết quả và bàn luận trình bày kết quả thí nghiệm về trường nhiệt độ trong khuôn tươi (hình 4.2 , từ kết quả thí nghiệm đã xây dựng được phương trình hồi qui đặc trưng cho mặt hóa hơi và ngưng tụ, đồng thời xây dựng phương pháp tính thông số nhiệt lý đặc trưng cho khuôn tươi cát-sét. Hình 4.2 Sự phân bố nhiệt độ trong khuôn cát-sét (W0 = 4%, sét = 4%, Trót = 923 K):1 – khoảng cách 7 mm so với mặt phân cách vật đúc – khuôn; 2 – 13 mm; 3 – 19 mm; 4 – 25 mm Hình 4.6 Vị trí vùng hóa hơi và ngưng tụ với độ ẩm w khác nhau (4;4,7; 6%) và lượng sét v=8% 8
9. Từ các giá trị xác định trên bảng 4.1 chúng ta có thể xây dựng quan hệ hàm vị trí mặt hóa hơi và ngưng tụ theo 3 biến: t: Thời gian [s] (0- 700) w: Độ ẩm [%] (4-8%) v: ượng sét [%] (4-10%) x1: Vị trí mặt hóa hơi [mm] (0- 25mm) x2: Vị trí mặt ngưng tụ Bảng 4.1 Kết quả thí nghiệm xác định vị trí mặt ngưng tụ và mặt hóa hơi W = 4%, W = 4%, W = 6%, W = 6%, W = 8%, Vị trí 0 0 0 0 0 NaB=8% NaB=4% NaB=4% NaB=8% NaB=10% khoảng t1, s t2, s t1, s t2, s t1, s t2, s t1, s t2, s t1, s t2, s cách x, (ngưng (hóa (ngưng (hóa (ngưng (hóa (ngưng (hóa (ngưng (hóa mm tụ hơi tụ hơi tụ hơi tụ hơi tụ hơi 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7 3 50 5 50 8 65 4 60 5 70 13 10 150 27 160 40 180 33 190 60 220 19 65 300 87 320 110 380 100 360 130 400 23 140 460 180 550 220 640 200 600 260 800 25 250 790 280 560 330 570 305 540 380 1000 Kết quả xử lý số liệu thực nghiệm trong bảng 4.1 đã xây dựng được các phương trình hồi qui đặc trưng cho mặt hóa hơi và ngưng tụ: √ (4.2) √ (4.3) Sử dụng phương pháp giải bài toán ngược từ kết quả thực nghiệm dùng hàm sai đã xác định được giá trị hệ số khuếch tán nhiệt độ và độ dẫn nhiệt độ của khuôn như sau: Bảng 4.4. Giá trị hệ số khuếch tán nhiệt độ ak và độ dẫn nhiệt của khuôn – 9 2 v, % w, % ak.10 , m /s k, W/(m.K) 4 4 270 0,307 8 4 290 0,328 8 4.7 300 0,348 8 6 320 0,373 10 7.5 350 0,406 Kết quả xử lý số liệu cho trong bảng 4.4 ta được quan hệ của hệ số khuếch tán và hệ số dẫn nhiệt là hàm của độ ẩm và lượng sét như sau: (4.11) (4.12) 9
10. Chương trình mô phỏng được viết trên phần mềm Visual Studio 12, cho kết quả như sau: Hình 4.13 Đường cong nhiệt ở các vị trí khác nhau trong khuôn so với bề mặt phân 0 cách vật đúc-khuôn (W0=2%, Trót=933 K) Qua phân tích kết quả giữa mô phỏng số và thực nghiệm thấy rằng nhiệt độ khuôn lệch nhau khoảng 5 – 8% (hình 4.15 . Sự sai lệch này là do nước dễ bay hơi (ngưng tụ) khi gặp bề mặt cặp nhiệt do đó nhiệt tại vị trí cặp nhiệt đo được thường có độ trễ nhất định. Sai khác nhiệt độ còn do sự sai số của các giá trị nhiệt lý dùng cho mô phỏng, sai số của phép toán trong mô phỏng số. Sai số đó là chấp nhận được so với giá trị nhiệt độ cần đo, nó không ảnh hưởng quá lớn đến bản chất của quá trình, không ảnh hưởng đến cơ chế truyền nhiệt trong khuôn. 0 Hình 4.15 So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm (W0=4%, Trót=933 K) 10
11. Để tăng độ chính xác của kết quả mô phỏng ta cần tăng độ chính xác của các giá trị thông số nhiệt lý dùng làm thông số cho mô phỏng bằng cách xác định các giá trị đó bằng thực nghiệm. Tăng độ chính xác bằng cách chọn phương pháp chia lưới hợp lý, thay đổi bước sai phân không gian và thời gian, tuy nhiên với cách này ta cần tính toán cho phù hợp với cấu hình của máy. Các biểu đồ tăng nhiệt bằng phương pháp mô phỏng số phù hợp với kết quả thí nghiệm, sự tăng nhiệt tại một vị trí trong khuôn cũng gồm có 3 giai đoạn tăng nhiệt tương tụ như biểu đồ được đo bằng thực nghiệm. Với phương pháp mô phỏng số này, ta có thể mô phỏng quá trình nhiệt với mọi giá trị độ ẩm ban đầu cho trước trong khoảng (2-10%). Mô phỏng số cho phép ta khảo sát không chỉ trường nhiệt độ, mà cho phép ta khảo sát được trường ẩm trong khuôn, điều mà các mô hình trước đây chưa làm được (hình 4.19, hình 4.23). Hình 4.19 Trường nhiệt độ khuôn tại thời điểm khác nhau (W0 = 2%, Trót = 933 K ) Hình 4.22 Trường ẩm trong khuôn ở thời điểm khác nhau (W0 =2%, Trót = 973 K) 11
12. Trường nhiệt độ và trường ẩm có sự thay đổi tương ứng theo thời gian, dựa vào kết quả này ta có thể biết được nhiệt độ, độ ẩm tại một điểm bất kỳ theo thời gian, điều này đặc biệt có ý nghĩa trong quá trình nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm đến độ bền khuôn trong quá trình đúc. Ngoài trường nhiệt độ và trường ẩm, mô phỏng số còn cho ta thấy được trường áp suất trong khuôn, sự thay đổi áp suất tương ứng với các vùng đặc trưng trong khuôn (hình 4.41, 4.41 và 4.47). Hình 4.41 Trường áp suất hỗn hợp khí trong khuôn P_g, W0 = 2% Hình 4.44 Trường áp suât khuôn W0 = 2% thời điểm  = 250 s 12
13. Hình 4.47 Sự tăng áp suất trong khuôn tại các vị trí khác nhau Từ trường áp suất trong khuôn ta thấy rằng áp suất trong vùng cát khô và vùng ngoài gần như không có sự thay đổi, sự chênh áp ở đây là rất nhỏ, sự chênh áp chỉ thực sự rõ ràng trong vùng vận chuyển ẩm, đây chính là động lực của quá trình di chuyển ẩm trong khuôn. Áp suất riêng phần của hỗn hợp khí thay đổi đột biến tại điểm ứng với sự tăng áp suất trong khuôn, sự thay đổi đột ngột này xảy ra là do quá trình ngưng tụ của hơi nước. Đã xây dựng được vị trí mặt hơi, tốc độ của mặt hơi theo thời gian (hình 4.50 và 4.51 . Trên cơ sở đó nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến vị trí và tốc độ mặt hơi (hình 4.50  4.53). Hình 4.50 Vị trí mặt hóa hơi với nhiệt độ rót khác nhau (khuôn W0 = 2%) 13
14. Hình 4.51 Ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến tốc độ mặt hóa hơi (W0 = 2%) Hình 4.52 Ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến vị trí mặt hóa hơi (W0 = 4%) Hình 4.53 Ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến tốc độ mặt hóa hơi (W0 = 4%) 14
15. Từ kết quả trên hình 4.50 và 4.51 thấy rằng, với nhiệt độ rót thay đổi thì sự sai khác về vị trí và tốc độ mặt hóa hơi hầu như không đáng kể. Đối với hệ khuôn có độ ẩm 4% cũng cho kết quả tương tự (hình 4.52 và 4.53 . Tương tự như mặt hóa hơi, nhiệt độ rót cũng có ảnh hưởng không đáng kể đến trường nhiệt độ và trường ẩm của khuôn (hình 4.55, 4.57, 4.59 và 4.61 ): Hình 4.55 Trường nhiệt độ trong khuôn ở thời điểm 250 s sau khi rót (W0 = 2%) Hình 4.57 Trường nhiệt độ khuôn 250 s sau rót ở nhiệt độ rót khác nhau (W0 = 4%) Vị trí, độ rộng các vùng đặc trưng trong khuôn gần như không thay đổi khi thay đổi nhiệt độ rót. 15
16. Hình 4.59 Trường ẩm trong khuôn ở thời điểm 250 s sau khi rót (W0 = 2%) Hình 4.61 Ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến trường ẩm tại thời điểm 250 s Dễ nhận thấy rằng sự ảnh hưởng của nhiệt độ rót chỉ thực sự thấy được khi xét ở khoảng thời gian đủ dài, như trường hợp với khuôn W0 = 2% ở thời điểm  = 41 s sau rót (hình 4.50-4.52, 4.54), ở thời điểm  = 80.5s với khuôn W0 = 4% (hình 4.56- 4.58, 4.59 , có thể thấy rằng trường nhiệt độ, trường ẩm, vị trí và tốc độ mặt hóa hơi khi rót ở 3 nhiệt độ hầu như không có sự khác biệt. Khi xét ở khoảng thời gian  = 250 s sau rót (hình 4.48, 4.49, 4.51, 4.53 của khuôn W0 = 2% và hình 4.54, 4.55, 4.57 và 4.59 của hệ khuôn W0 = 4% ) ta mới thấy được sự ảnh hưởng của nhiệt độ rót, tuy nhiên sự ảnh hưởng này chỉ rõ ràng với vùng cát khô, và với vị trí của mặt hóa hơi. 16
17. Ảnh hưởng của độ ẩm ban đầu Trong các yếu tố ảnh hưởng đến trường nhiệt, trường ẩm trong khuôn thì độ ẩm ban đầu có ảnh hưởng mạnh nhất; độ ẩm ban đầu tăng làm tăng độ ẩm trong vùng vận chuyển ẩm và vùng ngưng tụ, giá trị độ ẩm trong vùng ngưng tụ có vai trò quan trọng trong quá trình hình thành khuyết tật vật đúc, ngoài ra nó còn ảnh hưởng đến thời gian, vị trí xuất hiện vùng ngưng tụ; thời gian, vị trí của các vùng đặc trưng trong khuôn. Hình 4.62 Ảnh hưởng của độ ẩm ban đầu đến vị trí mặt hóa hơi (Trót = 933 K) Hình 4.63 Ảnh hưởng của độ ẩm ban đầu đến tốc độ mặt hóa hơi (Trót = 933 K) Độ ẩm có ảnh hưởng rõ rệt đến vị trí, tốc độ mặt hóa hơi theo thời gian, sự ảnh hưởng do độ ẩm thể hiện ngay ở những thời đầu khi rót khuôn (hình 4.60 và 4.61 , sự xuất hiện hiện của mặt hóa hơi (nói một cách khác đó là sự xuất hiện của vùng cát khô ở hệ khuôn có độ ẩm thấp nhanh hơn so với hệ khuôn có độ ẩm cao, sự khác biệt này ngày càng rõ rệt hơn khi thời gian tăng. 17
18. Đối với tốc độ của mặt hóa hơi, thì rõ ràng ở hệ khuôn có độ ẩm thấp thì tốc độ di chuyển nhanh hơn ở hệ khuôn có độ ẩm cao, tuy nhiên chênh tốc độ là khá nhỏ. Hình 4.64 Ảnh hưởng của độ ẩm ban đầu đến trường nhiệt độ khuôn (Trót = 933 K) Sự ảnh hưởng của độ ẩm đến vị trí và tốc độ mặt hóa hơi cũng tác động đến trường ẩm trong khuôn (hình 4.66). Hình 4.66 Ảnh hưởng độ ẩm ban đầu đến trường ẩm (Trót = 933 K, thời gian 250 s)  Như vậy phương pháp mô phỏng số có kết quả sát với thực tế, không những vậy cho phép khảo sát các giá trị khác trong khuôn mà trong thực tế việc tiến hành bằng thực nghiệm không đơn giản như trường áp suất trong khuôn, trường ẩm và sự biến đổi độ ẩm ở các vị trí khác nhau trong khuôn.  Phương pháp mô phỏng số cho phép khảo sát các dạng khuôn có thành phần khác nhau một cách nhanh chóng, điều mà bằng thực nghiệm sẽ chiếm khối lượng công việc lớn và chi phí tốn kém để thực hiện. 18
19.  Kết quả mô phỏng số trường nhiệt độ và trường ẩm của khuôn là nền tảng để điều khiển quá trình đông đặc của vật đúc khi đúc trong khuôn tươi cát- sét. 4.3 Ứng dựng kết quả nghiên cứu trình bày những giá trị áp dụng được trong thực tế từ kết quả luận án. Phần lý thuyết bổ sung phần kiến thức về các quá trình nhiệt-lý xảy ra trong khuôn cát tươi, sự hình thành, vai trò của các vùng đặc trưng trong khuôn tươi cát-sét. Kết quả xây dựng phương trình hồi qui đặc trưng cho mặt hóa hơi và ngưng tụ cung cấp một phương pháp tính đơn giản, hiệu quả để xác định vùng khuôn cát khô cho hệ khuôn có thành phần khác nhau, dễ dàng áp dụng khi sấy khuôn. Kết quả xác định các thông số nhiệt lý, cung cấp các giá trị nhiệt lý cần thiết dùng trong mô phỏng số quá trình đúc. Kết quả mô phỏng số cho mở ra hướng mới trong nghiên cứu quá trình hình thành bọng cát trong khuôn qua nghiên cứu sự hình thành vùng ngưng tụ trong khuôn (hình 4.67 và 4.68). Hình 4.67 Sự biến thiên độ ẩm tại các vị trí khác nhau (W0 =2%, Trót = 933 K) Hình 4.68 Sự biến thiên độ ẩm tại các vị trí khác nhau ( W0 =4%, Trót = 933 K) 19
20. Từ sự thay đổi độ ẩm tại các vị trí trong khuôn (hình 4.67 và 4.68) sẽ xác định được thời gian, vị trí vùng ngưng tụ xuất hiện, trên cơ sở nghiên cứu hạn chế sự hình thành bọng cát trong khuôn. Nghiên cứu chỉ ra rằng trong các yếu tố công nghệ thì độ ẩm ban đầu có ảnh hưởng mạnh hơn cả đến trường ẩm trong khuôn (hình 4.74 , do đó nó cũng ảnh hưởng mạnh đến quá trình hình thành vùng ngưng tụ trong khuôn khi đúc. Hình 4.74 Ảnh hưởng của độ ẩm ban đầu đến trường ẩm trong khuôn (Trót = 933 K, thời gian 250s sau khi rót) Quá trình đông đặc của vật đúc có liên quan trực tiếp tới trường nhiệt độ trong khuôn (hình , do đó khi biết trường nhiệt độ của khuôn sẽ cho phép điều khiển quá trình đông đặc của vật đúc, cho phép ta nhận được tổ chức như mong muốn. Hình 4.75 Đường nguội của vật đúc trong khuôn có độ ẩm khác nhau 20
21. Với phương pháp mô phỏng này cho phép ta nghiên cứu sâu hơn về đặc tính khuôn tươi dưới tác động của kim loại lỏng, ngoài nghiên cứu về sự hình thành bọng cát, kết quả còn là cơ sở trong nghiên cứu độ bền của khuôn,;sự biến dạng của khuôn trong quá trình đúc; là cơ sở đánh giá trong quá trình lựa chọn hỗn hợp làm khuôn; và một ý nghĩa đặc biệt quan trọng nữa đó là tiến tới điều khiển quá trình đông đặc của vật đúc. KẾT LUẬN 1. Thiết lập được mô hình cấu trúc cho hệ khuôn tươi cát-sét, trong đó khuôn tươi cát-sét được mô hình hóa ở dạng gồm các hạt cát-sét và không khí điền đầy trong các lỗ trống của khuôn. Khi đó các thông số nhiệt lý được tính qua nhiệt trở tương đương như sau:  Độ dẫn nhiệt độ của khuôn: ( )( ) . (2.42)  Nhiệt dung riêng của cát-sét được tính như sau: ( ) (2.43) 2. Các cơ chế truyền nhiệt chính trong hệ khuôn tươi cát-sét là: cơ chế dẫn nhiệt qua khuôn và khí; cơ chế trao đổi nhiệt đối lưu giữa khuôn và khí ở các lỗ trống trong khuôn. Quá trình truyền khối gồm có quá trình bay hơi và ngưng tụ của nước, quá trình chuyển khối của hỗn hợp khí trong khuôn dưới tác động của sự chênh áp trong khuôn. Ngoài ra còn có quá trình khuếch tán hơi nước. 3. Mô hình toán cho bài toán truyền nhiệt và bài toán ẩm trong khuôn song song với bài toán áp suất khuôn được thể hiện qua các phương trình sau: ( ) ( ) ( ) [( ) ] ( ) ( ) (3.9) ( ) ( ) ( ) ( ) (3.10) *( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )+ ( ) (3.23) ( ) *( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )+ (3.24) Độ ẩm tại một vi phân thể tích được tính theo phương trình sau: ( ) ( ) (3.25) ( ) 21
22. 4. Bằng phương pháp xử lý số liệu dựa trên kết quả thí nghiệm đo trường nhiệt độ trong khuôn đã thiết lập được phương trình hồi qui cho vị trí mặt hóa hơi là: √ (4.2) và mặt ngưng tụ là: √ (4.3) 5. Từ kết quả thực nghiệm giải bài toán ngược, các thông số nhiệt lý của hệ khuôn tươi cát-sét được xác định dựa trên tỷ phần sét v (kg/kg và độ ẩm ban đầu w (kg/kg như sau:  hệ số khuếch tán nhiệt độ: (4.11)  độ dẫn nhiệt độ của khuôn: (4.12) Kết quả này được sử dụng làm thông số đầu vào cho các chương trình mô phỏng đúc. 6. Viết chương trình mô phỏng số trường nhiệt độ và trường ẩm cho hệ khuôn tươi cát-sét bằng phần mềm Visual Studio 12. Miền khảo sát là khuôn có độ ẩm ban đầu trong khoảng 2  8%, nhiệt độ rót 933  1023 K (660  750 0C). Sử dụng phương pháp sai phân mạng ẩn để giải bài toán cho mô mình 1 chiều có xét đến ảnh hưởng của trọng trường. Kết quả của chương trình là trường nhiệt độ, trường ẩm, trường áp suất, vị trí mặt và tốc độ mặt hóa hơi của khuôn. 7. Bằng phương pháp mô phỏng số đã xây dựng được mặt hơi, mặt ẩm và quá trình dịch chuyển của nó. Đặc biệt đã chỉ rõ mối liên quan giữa hàm lượng ẩm với trường ẩm trong khuôn, cho phép ta nghiên cứu sâu về quá trình hình thành vùng ngưng tụ trong khuôn như thời gian và vị trí xuất hiện trong khuôn. 8. Kết quả mô phỏng số cho phép ảnh hưởng của độ ẩm khuôn đến đường nguội của vật đúc với các dạng khuôn có thông số đầu vào khác nhau, giúp điều khiển quá trình đông đặc của vật đúc. 22