Hệ Số Khuếch Tán Nhiệt độ Và độ Dẫn Nhiệt

Sự truyền nhiệt trong quá trình đông đặc sẽ ảnh hưởng tới tổ chức tế vi của vật liệu như kích thước hạt và hình thái nhánh cây [63]. Hơn nữa, nó còn có thể tạo ra các khuyết tật rỗ ngót và làm giảm cơ tính của vật đúc. Nhìn chung, quá trình nguội (thời gian đông đặc) diễn ra nhanh sẽ tạo cho vât đúc có độ bền cao cũng như nâng cao chất lượng vật đúc. Thời gian đông đặc có thể được xác định thông qua sự truyền nhiệt trong quá trình rót và đông đặc của hợp kim trong khuôn đúc [21]. Do đó kết quả truyền nhiệt sẽ ảnh hưởng tới sự chính xác của việc xác định thời gian đông đặc.

Khuôn khối một lớp được chế tạo phải qua nung hoặc thiêu kết, khả năng truyền nhiệt của khuôn và những ảnh hưởng của nhiệt độ cao tới khuôn đã được nghiên cứu thông qua mô hình và mô phỏng số [8, 83]. Trước đây, hầu hết các nghiên cứu về mô phỏng số của quá trình đúc [35, 52, 60, 82], các hệ số truyền nhiệt đã được sử dụng để xác định dòng nhiệt từ kim loại ra khuôn. Thực tế, hệ số truyền nhiệt thay đổi liên tục trong suốt quá trình đúc [21]. Các nghiên cứu này đều không quan tâm tới các sự thay đổi của các hệ số ảnh hưởng tới tốc độ truyền nhiệt và do đó ảnh hưởng tới thời gian đông đặc. Anderson và cộng sự [54] đã chỉ ra việc sử dụng một hệ số truyền nhiệt cho tất cả các bề mặt khuôn là không chính xác. Nghiên cứu này đã xác định các hệ số truyền nhiệt trên cơ sở thay đổi các điều kiện của hệ thống như sự thay đổi của các hệ số truyền nhiệt trong suốt quá trình đông đặc. Kết quả đạt được đã đưa ra những đánh giá tốt hơn về tính toán thời gian đông đặc thực tế thông qua sự thay đổi của điều kiện khuôn và môi trường bên ngoài trong suốt quá trình đông đặc của vật đúc. Các điều kiện nguội ở bề mặt của khuôn khối được xác định thông qua dòng đối lưu tự nhiên và sự định lượng nhiệt bức xạ. Một vài bề mặt khuôn quan tâm tới dòng nhiệt đối lưu tự nhiên, một vài bề mặt khác lại giới hạn với dòng nhiệt đối lưu tự nhiên do ảnh hưởng của hình dạng ở gần bề mặt và vùng liền kề. Do đó, các điều kiện truyền nhiệt ở mỗi bề mặt khuôn phụ thuộc vào chiều dài bề mặt, hình dạng và trạng thái bề mặt của vật đúc [21]. Độ phát xạ của khuôn được xác định thông qua thực nghiệm [8, 81]. Nhiệt độ của khuôn đã được đo bằng cách sử dụng các can nhiệt khác nhau xung quanh vật đúc.

Mặt khác, hệ số khuếch tán nhiệt độ a (m2/s) là một tính chất quan trọng của vật liệu trong tất cả các vấn đề bao gồm cả độ dẫn nhiệt. Hệ số khuếch tán nhiệt độ được tính toán thông qua độ dẫn nhiệt (λ), nhiệt dung riêng (cp) và tỷ trọng của vật liệu (ρ) theo công thức:

p c a *   

Việc xác định hệ số khuếch tán nhiệt độ là một công việc khó khăn khi nó thuộc về bài toán ngược, mà tham số này rất khó để xác định số lượng đo cần thiết cho việc tính toán. Tuy nhiên đã có nhiều phương pháp để đo hệ số khuếch tán nhiệt độ của vật liệu được công bố [12, 61, 71, 101]. Trong luận án này, mô phỏng số cơ chế truyền nhiệt của khuôn khối trong quá trình đúc đã được nghiên cứu để xác định hệ số khuếch tán nhiệt và hệ số dẫn nhiệt của khuôn. Mô hình đã được phát triển và mô phỏng trên máy tính thông qua phần mềm mô phỏng Procast của công ty Cơ khí Hà Nội. Phương pháp giải tích đã được ứng dụng để tính toán hệ số truyền nhiệt từ dữ liệu thực nghiệm, chi tiết của phương pháp được trình bày rõ ràng trong các nghiên cứu trước đó [2, 5].