Hőtani szempontból az öntvényekkel kapcsolatban két alapvető kihívást kell kezelnünk. Az első, hogy az öntvény és a hozzá kapcsolódó fém kiegészítők, úgymint tápfej és beömlőrendszer tömegének megfelelő fémet meg kell olvasztani. A második, hogy az olvadt fém hőtartalmát el kell vezetni az öntvényből.
Ebben a cikkben ez utóbbi területet vesszük szemügyre és szólunk az áramlás- és hőtani szimuláció öntvények hűtésével kapcsolatos alkalmazásáról. A számítógépes szimuláció segítségével megtervezhető az öntvények hűtéstechnológiája, ellenőrizhető, hogy az öntvény felhasználója által elvárt mechanikai paraméterek, amelyek alapvetően függenek a kokillából éppen csak kiemelt öntvény hűtésének sebességétől és módjától, teljesülnek-e a folyamat végén.
A szimulációs módszer lehetőséget ad arra is, hogy egy öntvény hűtősor még a megépítése előtt, amikor a konstrukció még csak számítógépes modell formájában létezik, ellenőrizhető legyen. A szimuláció egy olyan laboratóriumként működik, ahol szabadon kísérletezhetünk: kipróbálhatunk új hűtősor konfigurációkat, levegős vagy vizes hűtést, légáramba kevert vízpermet alkalmazását, vagy egyszerűen csak az öntvény és a hűtőlevegő fúvóka egymáshoz viszonyított pozíciójának különböző verzióit.
Ahhoz, hogy egy hűtősort ellenőrizzünk, vagy meghatározzuk azt az intenzitást, amellyel az öntvényt adott idő alatt le kell hűtenünk például 530°C-ról 80°C-ra, tudunk kell, hogy a folyamat elején mekkora az öntvény hőtartalma.
Tekintsünk a teljes folyamatra úgy, mint egy mérleg két serpenyőjére. Az egyik oldalon a kokillából már kiemelt, tehát külső felületein megszilárdult öntvény hűtési folyamat elején érvényes hőtartalma, míg a másik serpenyőben – levegős hűtés esetén – a vizsgált öntvény és hűtőlevegő fúvóka egymáshoz viszonyított pozíciója, a hűtőlevegő sebessége, hőmérséklete, páratartalma, azaz a hűtés intenzitása, tehát az elvonható hőmennyiség található.
A két oldalt egy-egy képlet jellemzi, ezek a következők:
az öntvény hőtartalma Joule-ban: Q=c∙m∙ΔT, (1)
az elvont hőteljesítmény Wattban: Pq=α∙F(Tfal-Tlev). (2)
ahol:
c: fajhő [J/kgK],
ΔT: a hőközlés során az m tömegű test hőmérséklet növekedése [°C],
α: hőátadási tényező [W/m2K],
F: a hőelvonásban résztvevő felület nagysága [m2],
Tfal: a hűtendő felület hőmérséklete [°C]
Tlev: a hűtésre felhasznált közeg, jelen esetben levegő hőmérséklete [°C]
A két oldal között a hűtés megvalósítására előírt idő teremti meg a kapcsolatot, mivel W=J/s.
Vegyük szemügyre először az öntvény hőtartalmát. Itt abból a hőmennyiségből indulunk ki, amelyet az öntvény összeállítás fém és homok tömege a hűtősorra kerülés pillanatában tartalmaz. Ha ismert az öntvény és homokmagok átlaghőmérséklete, vagy mérések és öntészeti szimulációk eredményeként a felületi és belső hőmérséklet eloszlása, ha ismert a fém és homok tömege, illetve a fém és homok fajhője, akkor az (1) képlet szerint kiszámolható a hűtősorra kerülő öntvény összeállítás hőtartalma. A példa kedvéért egy 33.2 kg fémet tartalmazó öntvény összeállítás esetén, ha 530°c-ról 80°C-ra kell hűtenünk, ez az érték 18MJ.
Megjegyezzük, hogy az öntvény hőtartalmának meghatározásakor kiindulhatunk a 33,2 kg fém megolvasztásához szükséges hőmennyiségből is. A számítás során figyelembe kell venni a fém pl. 30°C-ról 700°C-ra történő hevítésének energiaigényét (szintén az (1) képlettel számítható) és ehhez hozzá kell adnunk a szilárd fázisból olvadék fázisba történő átalakuláshoz szükséges látens hő mértékét.
Az így kiszámított hőtartalommal bíró olvadék kerül a kokillába, ahol ez a hőmennyiség a kokilla hűtése miatt és az olvadék fázisból szilárd fázisba történő átalakulás révén csökken, illetve egy része a fémből hővezetéssel a homokmagokba kerül. Ez az igen komplex hőmérséklet eloszlású, többféle hővezetési tényezőjű és fajhőjű anyagból álló öntvény összeállítás kerül a hűtősor elejére.
Mivel a hűtősoron végighaladó öntvény összeállítás tartalmazza a homokmagokat is, az ezekben felhalmozott hőt is a soron bevezetett hűtőlevegőnek kell elszállítania. Bizonyos konstrukcióknál előfordul, hogy az öntvény külső részén lévő magjelek leesnek, mert a mag az öntvény kontúrján kívül teljesen átég. Ennek hőtani szempontból kedvező hatása abban testesül meg, hogy a leesett homokdarab vitte magával a saját hőtartalmát is, amit így nem kell a soron tovább hűteni.
Tehát ha a fenti példát visszük tovább, akkor az öntvény összeállítás azon hőtartalma, amelyet a hűtősoron kell elvonnunk 18 MJ. Ezzel a 18 MJ-lal áll szemben a hűtősor hőelvonási teljesítménye, amely teljesítményre ható, a (2) képletben szereplő tagokat a hűtősor üzemeltetője vagy tervezője kisebb-nagyobb mértékben befolyásolhatja.
Vegyük sorra, hogy milyen lehetőségeink vannak a hűtés intenzitásának növelésére. Ha a képletben szereplő hőmérsékleteket tekintjük az látszik, hogy a hűtési folyamat előre haladtával a hőmérsékletek befolyásoló ereje egyre kisebb, hiszen ahogy a fal hőmérséklete csökken, az állandónak tekinthető hűtőlevegő hőmérséklet mellett e kettő különbsége egyre kisebb, tehát a szorzatban egyre kisebb mértékben vesz részt.
A (2) képletben szereplő F felület állandó, némi esélyünk a növelésére akkor van, ha a fentebb említett okból kifolyólag az öntvény külsején lévő magok leesnek és ezzel fém felületeket tesznek elérhetővé a hűtőlevegő számára.
Marad tehát a (2) képletben szereplő hőátadási tényező (α), amelyet a technológiát tervező teljes mértékben befolyásolhat. Mitől függ ugyanis a hőátadási tényező értéke? Nos, elsősorban a hűtőlevegő sebességétől, de van hatása a hűtendő felület környezetében kialakuló áramlás jellegének, azaz hogy a hűtendő felületet támadó levegő milyen gyorsan képes a felületről felvett hővel onnan eltávozni, és a hűtőközeg anyagtulajdonságainak is van szerepe. A hőátadási tényezővel kapcsolatos legnagyobb kihívás abban áll, hogy értéke nehezen mérhető, ráadásul egy könnyűfém öntvény kontúrja nagyon bonyolult lehet, sok felületből állhat, amely felületeken az alfa nagy mértékben változhat. Viszont a technológia megtervezéséhez az alfa értékére mindenképpen szükség van.
Az alábbi táblázat a különböző sebességgel áramoltatott közegek által elérhető α értékét tartalmazza tól-ig formátumban, tehát az adatok csak tájékoztató jellegűnek minősíthetők. A táblázatból látható, hogy hőtani szempontból a leghatékonyabb, ha a forró öntvényt vízzel teli kádba engedjük, de előfordulhat, hogy ebben az esetben nem teljesülnek az öntvénnyel szemben támasztott mechanikai tulajdonságokra vonatkozó előírások. Meg kell tehát találnunk azt a módszert, amely a lehetőségeinken belül a leghatékonyabb hűtést biztosítja úgy, hogy közben az összes technológiai paraméter (pl. szakítószilárdság, nyúlás) folyamatbiztosan teljesül. Ehhez pedig a tervezés szakaszában pontosan kell tudnunk, hogy milyen hőátadási tényezővel számolhatunk.
Ezen a ponton kerül képbe az áramlás- és hőtechnikai (röviden CFD) szimuláció. Ebben a számítógép által létrehozott virtuális laboratóriumban ugyanis fel tudunk építeni olyan modelleket, amelyekben részletesen vizsgálhatjuk az öntvény és a hűtőlevegő kapcsolatát. Elemezhetjük a közelebb, vagy távolabb helyezett levegő fúvóka hatását, kipróbálhatjuk, hogy az alfa mekkora mértékű növekedését okozza, ha a fúvókából kilépő levegő sebességét növeljük. De akár összehasonlíthatunk eltérő alakú fúvókákat is, sőt megnézhetjük a hűtőlevegő páratartalmának hatását az elvont hő mennyiségére vonatkozóan.
E modellek kiszámításának eredménye a tervezéshez nélkülözhetetlen alfa értéke és annak öntvény felületén történő eloszlása. Ez a szimulációs módszer továbbá képes arra is, hogy meghatározza a felületről elvont hő mennyiségét W/m2-ben, azaz a (2) képlettel keresett eredményt.
A fentiek értelmében tehát a szimuláció szolgáltatja a hűtősor paraméterezéséhez és tervezéséhez nélkülözhetetlen adatokat. Attól kezdve, hogy a szimulációk a teljes hűtési folyamatra vonatkozóan elkészültek és az eredmények a rendelkezésünkre állnak, a teljes hűtési folyamat során elvont hőmennyiséget összevetjük a hűtés elején érvényes hőtartalommal és azonnal kiderül, hogy a tervezett hűtési intenzitás (hűtőlevegő sebesség, a fúvóka pozíciója az öntvényhez képest, az elszívás hatékonysága) elegendő-e a célok megvalósításához.
Ha igen, akkor tovább lehet finomítani a rendszert és növelni annak hatékonyságát, ha pedig nem, akkor vissza kell térni a tervezési fázis egy korábbi szakaszába és olyan konstrukciót találni, amelyet újra szimulációkkal megvizsgálva már remélhetőleg kedvező eredményt kapunk. Mindezt pedig a számítógép által teremtett virtuális laborban anélkül, hogy a valóságban akár egy szögvasat a másikhoz kellene hegeszteni. Ez a módszer bizonyítottan hatékony és olcsó. Mindenesetre olcsóbb, mint bármit legyártatni, ami aztán nem működik.
Dr. Dúl Róbert
A fenti bejegyzés a Kohászat című lap 147.évfolyam 2014/3. számában a 25-27. oldalon Dr. Dúl Róbert és Dr. Fegyverneki György által jegyzett, Könnyűfém-öntvények hűtési technológiájának tervezése áramlás- és hőtani szimulációval című cikk alapján készült.