Теплофизические свойства

К теплофизическим свойствам относятся теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и теплоаккумулирующая способность. Эти характеристики определяют тепловой режим охлаждения отливки в форме. Значения их зависят главным образом от природы огнеупорной основы смесей, а также и от состояния формы (влажная, сухая). Наиболее высокими теплофизическими свойствами обладают цирконовые, дистен-силлиманитовые, хромитовые формовочные пески. Теплофизические характеристики кварцевых песков значительно ниже.

Различные теплофизические свойства смесей позволяют регулировать процессы затвердевания отдельных частей отливок. Значение теплоемкости и теплопроводности смесей определяется в специальных теплофизических лабораториях, а температуропроводность и теплоаккумулирующая способность – расчетным путем.

Теплопроводность вещества λ определяется как количество теплоты Q, которое подводится за время τ через поверхность площадью F, расположенную перпендикулярно к тепловому потоку, отнесенное к температурному градиенту t/d (t – разность температур; d – толщина образца):

λ = Q / F τ t/d

Теплопроводность большинства формовочных смесей с повышением температуры увеличивается, а у смесей с магнезитом и корундом, в качестве наполнителя, уменьшается. Получение заданной теплопроводности в песчаных формах затруднительно, так как она зависит не только от теплопроводности наполнителя, но и от влажности воздуха и газов, находящихся в межзерновых порах.

В сухом песке предположительно теплопередача происходит от зерна к зерну за счет прямых контактов, частично – излучением. Теплопроводность при повышении температуры на 1000^оС (с 95 до 1095^оС) изменяется почти на 100% – с 2, 63× 10^-6 до 4, 75× 10^-6 Вт/(м К).

Процесс распространения теплоты во влажном песке, однако, более сложен, чем в сухом. Теплопередача происходит как за счет теплопроводности зерен наполнителя, так и воды (водяного пара), адсорбированной зернами песка и находящейся в порах между песчинками.

При нагреве влажной формовочной смеси залитым металлом вглубь формы проникает водяной пар (в результате изменения давления), нагретый в порах воздух, а также продукты сгорания органических составляющих. В холодных слоях формы, удаленных от отливки, происходит конденсация влаги. В результате переноса теплоты водяным паром и улучшения условий теплопередачи между контактирующими зернами песка из-за накопления влаги в местах их контакта общая теплопроводность смеси с повышением влажности также повышается (мы знаем, что мокрая тряпка, которой мы берем горячую кастрюлю, нагреется быстрее, чем сухая, а в мокрой одежде человек замёрзнет быстрее, чем в сухой – это происходит в результате повышения теплопроводности из-за повышения влажности. Поры в ткани могут быть заполнены либо воздухом, который плохо проводит тепло, либо водой, теплопроводность которой выше, поэтому мокрая ткань более теплопроводна).

На теплопроводность песчано-глинистых форм влияют степень уплотнения формовочной смеси и содержание связующего. Например, теплопроводность повышается при увеличении степени уплотнения и количества бентонита в смеси.

Удельная теплоемкость формовочной смеси зависит не только от ее вида, но и от температуры. С повышением температуры она также увеличивается. Значительное влияние на удельную теплоемкость формовочной смеси оказывает содержание в ней влаги. Для более полного представления о теплофизических свойствах форм определяют температуропроводность а (в м² с^-1), характеризующую, насколько интенсивно в форме выравниваются температурные перепады:

а =λ /(с× ρ),

где с – удельная теплоемкость смеси, Дж/(кг К); ρ – плотность смеси, кг/м³.

Температуропроводность в интервале температур 500–1000^оС кварцевого песка составляет 0, 00145 м² с^-1, шамота – 0, 00178 м² с^-1.

При расчете теплопередачи от отливки к форме применяется также величина, называемая коэффициентом тепловой аккумуляции

b = λ c ρ.

Чем выше теплоаккумуляторная способность формы, тем быстрее охлаждается отливка и меньше опасность образования пригара на поверхности отливки.