EFFETTO DEL BATTENTE METALLOSTATICO E DIPENDENZA DEGLI HTC DA CONDIZIONI LOCAL

DELL’INTERFACCIA.

3.7.1 Introduzione

L’evoluzione del coefficiente di scambio termico (HTC) della lega di alluminio A357 nel contatto con raffreddatori di alluminio viene ora valutato con differenti battenti metallostatici per studiare l'effetto della pressione sul HTC [13]. Gli esperimenti vengono poi ricostruiti per mezzo di simulazione termica-stress accoppiata, con il dipendere degli HTC dalla pressione dell'interfaccia, questo per meglio riprodurre i dati sperimentali. In primo luogo si è analizzato l'inizio della pressione transitoria all'interfaccia getto - raffreddatore prima della formazione del gap di aria e del relativo effetto sul HTC [14]; quindi si è discussa la possibilità di predire la formazione del gap di aria, insieme all'influenza sia della battenti metallostatici che dell' HTC di interfaccia nei relativi casi. L’estensione della zona influenzata dal raffreddatori è valutata come una funzione del coefficiente di scambio di calore. Gli HTC dipendono da molti fattori, in relazione dello stato dell'interfaccia [15]:

1) quando il getto e le superfici del raffreddate sono in contatto, la pressione dell'interfaccia, più di altri fattori, interesserà lo scambio di calore principalmente con un regime di conduzione.

2) Non appena un gap di ritiro si è formato, l’HTC calerà improvvisamente per via di uno scambio di calore dominato da convezione.

Durante il generico processo di solidificazione di un pezzo fuso, le condizioni dell'interfaccia sono ovviamente differenti ad ogni punto dell'interfaccia getto- stampo ( sia che lo stampo sia costituito da terra, sia che da metallo ), a causa delle modalità particolari della contrazione del getto e dell'espansione dello stampo. Contrariamente a questo complesso scenario, nei codici numerici commerciali disponibili gli HTC solitamente sono regolati molto approssimativamente (con i

valori medi di HTC, indipendentemente dal processo di raffreddamento), conducenti spesso le simulazioni lontano dalla realtà. Soltanto recentemente alcuni codici commerciali disponibili per analisi di solidificazione hanno fornito modelli per la valutazione di HTC capaci di gestire il comportamento fisico richiesto, ma non ci sono le informazioni disponibili circa la loro efficacia, o su come devono essere applicate e quando. Chiaramente, l'adozione di HTC dipendenti dalla pressione richiedono necessariamente l'analisi della solidificazione termica-stress accoppiata, in cui è considerato almeno il restringimento del getto. D'altra parte, già è stato dimostrato che l’espansione raffreddatore gioca un ruolo importante nella determinazione del gap di aria nel getto in sabbia in gravità e che una certa pressione transitoria può svilupparsi all'interfaccia prima che il gap si sia formato. Deve essere previsto quindi che durante il processo di raffreddamento due comportamenti molto differenti si possano sviluppare al contorno del raffreddatore: HTC molto alti inizialmente e molto bassi dopo che un certo tempo è passato. Come conseguenza diretta, strutture molto differenti emergeranno all'interno del getto: le prime, probabilmente senza difetti e con struttura fine, le secondo con intrappolamento di porosità del gas e la microstruttura grossolana. Quindi, la domanda che si pone è se l'adozione nella simulazione di raffreddamento di HTC dipendenti dalla pressione può migliorare significativamente la precisione dei risultati, in particolare circa la valutazione dei volumi di influenza dei raffreddatori. Un'altra variabile importante che interessa il flusso di calore, in particolare per i prodotti di grande formato in fusione in gravità, è il battente metallostatico, che è, malgrado la relativa attinenza, considerato solo raramente. Davies ed altri hanno trovato un aumento considerevole nell’ HTC applicando basse pressioni alla superficie del pezzo fuso. Più recentemente, è stato inoltre trovato che il battente metallostatico farebbe ritardare la formazione del gap di aria. Per sviluppare una metodologia per la precisa definizione dell’ HTC come condizione di contorno nelle analisi numeriche dei processi di fusione in sabbia, si analizza quindi il raffreddamento di una lega di alluminio attraverso un raffreddatore di alluminio

tramite sia analisi sperimentale che simulazione numerica accoppiata. Le temperature di processo misurate sono usate per trovare i valori ottimali per la procedura di modellazione degli HTC. Il battente metallostatico in particolare è considerato come variabile sia negli esperimenti effettuati che nelle simulazioni numeriche.

3.7.2 SPERIMENTAZIONE

Una lega di A356 è stata colata e raffreddata in un complessivo come descritto nel capitolo 3.4.2 e rappresentato nella figura 3.57 [16]. La lega, fusa in un forno elettrico, degasata con argon e modificata con stronzio, è stata mantenuta fino a raggiungere una temperatura di 730°C; allora è stata versata nella motta costituita da sabbia silicea. Prima della colata, il complessivo è stato riscaldato con la fiamma di C2H2 per 10 minuti dal bacino. Ogni esperimento è stato duplicato per gli scopi di affidabilità. I getti sono stati colati in un'apparecchiatura sperimentale modificata per permettere una variazione controllata del battente metallostatico. Gli HTC sono stati valutati in un braccio laterale (sezione di 20x20 millimetro), dove un'estremità con raffreddatore ha assicurato un flusso di calore unidirezionale dominante durante il raffreddamento. Alla fine del canale quadrato orizzontale, un raffreddatore d'alluminio della stessa sezione e di 60 millimetri di profondità determina delle condizioni di raffreddamento quasi unidimensionali. Le superfici dei raffreddatori, fatte di alluminio, erano quelle usate tipicamente nella pratica della fonderia, avendo una griglia quadrata da 10 millimetri di lato e scanalato di circa 1 millimetro di profondità sulla superficie.

Fusione

Figura 3.57. Attrezzatura Sperimentale:

Figura 3.58: i diversi battenti metallostatici, impiegati allo scopo di riprodurre con precisione il comportamento degli HTC in getti di grandi dimensioni, dove

Raffreddatore