Способ управления литейными процессами
Использование: в металлургии и литейном производстве , что позволяет вести оперативный контроль литейного процесса и качества получаемой отливки непосредственно в ходе процесса и проводить необходимую корректировку параметров. Сущность изобретения: за контролируемыми локальными участками 1 тепловоспринимающей поверхности литейной формы 2 устанавливают несколько теплоотводящих элементов 3, 4. изготовленных из материалов с различными теплофизическими характеристиками, и с расположенными по коду теплового потока через тегиюотводящие элементы 3 и 4 термодатчиками 6. Причем число теплоотводящих элементов 3 и 4 выбирают равным числу неизвестных параметров, определяющих процесс теплового взаимодействия между контролируемым участком 1 и расплавом 5. Измеряют с помощью термодатчиков б температуру теплоотводящих элементов 3, 4 по ходу теплового потока через них Путем совместной обработки температурных измерений определяют параметры, характеризующие процесс теплового взаимодействия между расплавом 1. например коэффициенты теплоотводачи от расплава к поверхности контролируемых участкоа и температуру расплава, а регулирование процесса ведут по параметрам теплового взаимодействия б ид
)))) R (и) 2909880 С! (5Ц В 2 D46 00
Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам
ВСЕСЩЩЩ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ "-., ",,"„,""""" "
К ПАТЕНТУ (21) 4924675/02 (22) 22.02.91 (46) 15.10.93 Бюп Иа 37-38 (76) Занцев Владимир Константинович; Гусев
Владимир Иванович (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫМИ
ПРОЦЕССАМИ (57) Иаюльзование: в металлургии и литейном производстве, что позволяет вести оперативный контроль литейного процесса и качества получаемой отливки непосредственно в ходе процесса и проводить необходимую корректировку параметров.
Сущность изобретения: за контролируемыми локальными участками 1 тепловоспринимающей поверхности литейной формы 2 устанавливают несколько теплоотводящих элементов 3, 4, изготовленных из материалов с различными теплофизическими характеристиками, и с расположенными по ходу теплового потока через тегнтоотводящие элементы 3 и 4 термодатчиками 6. Причем число телпоотводящих элементов Э и 4 выбирают равным числу неизвестных параметров, определяющих процесс теплового взаимодействия между контролируемым участком 1 и расплавом 5. Измеряют с помощью термодатчиков 6 температуру теплоотводящих эпементов 3, 4 по ходу теплового потока через них Путем совместной обработки температурных измерений определяют параметры, характеризующие процесс теплового взаимодействия между расплавом 1, например коэффициенты теплоотводачи от расплава к поверхности контролируемых участков. и температуру расплава, а регулирование процесса ведут по параметрам теплового взаимодействия. 6 ил.
2000880
Изобретение относится к литейному производству, в частности к технологии управления литейными процессами.
В литейной форме в период разливки и эатвердевания металла протекают физикохимические процессы, определяющие качество отливок и физико-химические свойства их материала, Выделение газа иэ материала формы является причиной образования газовых раковин в отливках и пригара на их поверхностях. Производство отливок без пригара с высокими физико-химическими свойствами материала является одной из актуальных задач в решении проблемы повышения качества продукции литейного производства.
Известны различные способы управления литейными процессами, позволяющие повысить качество отливок, например, способ. заключающийся в отсосе газов в период заливки и затвердевания отливки в зависимости от хода процесса.
Однако известный способ недостаточно полно уменьшает отвод газов, интенсивность окисления на поверхностях отливок и количество раковин в них, что препятствует получению изделий достаточно высокого качество.
Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ управления литейными процессами, предусматривающий ввод в литейную форму окислителя, восстановителя или инертного газа в зависимости от хода процесса.
Известный способ позволяет осуществить местный отсос газов в период заливки расплава и эатвердевания отливки, одновременное введение в зону контакта с расплавом окислителей, восстановителей или инертных газов предотвращает взаимодействие расплава с газовой средой и формой, что ведет к снижению количества газовых раковин в отливках, повышению качества материала отливок.
Однако известный способ не позволяет вести оперативный контроль литейного процесса и качества получаемой отливки (например, зоны выделения газа, взаимодействия расплава с формой, начало образования газовых раковин и пригаров, места их расположения, интенсивность развития и др,) непосредственно в ходе процесса и, следовательно, проводить необходимую корректировку параметров по ходу литейного процесса. Поэтому известный способ в ряде случаев обеспечивает недостаточно высокое качество продукции литейного производства. не исключает выпуск брака.
Целью изобретения является повышение качества отливок.
Укаэанная цель достигается тем, что в известном способе управления литейными процессами, предусматривающем ввод в литейную форму окислителя, восстановителя или инертного газа в зависимости от хода процесса, за контролируемыми локальными участками тепловоспринимающей поверхности литейной формы перпендикулярно к ней и параллельно друг другу устанавливают несколько теплоотводящих элементов, изготовленных из материалов с различными теплофизическими характеристиками и с расположенными пс ходу теплового потока через каждый теплоотводящий элемент не менее, чем двумя термодатчиками. с помощью установленных термодатчи кое измеряют температуру тенлоотводящих элементов, путем совместной обработки температурных измерений с помощью математического выражения:
qi (r) = — 4 (Ti) ат о,r где Х (T) — коэффициент теплопроводности материала теплоотводящего элемента;
Х вЂ” координата длины теплоотводящего элемента, определяют тепловые потоки qi(t), отводимые по теплоотводящим элементам, определяют коэффициенты теплоотдачи a m от расплава к поверхности и температуру
З5 Tp(z ) расплава в контролируемой локальной зоне по формулам а(Т) =г»
Тр (х) = Ti (х) + а, Т <Тр() < т„„ 55 ф ф + где a H, а g, Tp H, Tp p — нижнее и верхнее допустимые значения соответствующего параметра, где TI(t) и Тн1(г) — температуры тепловоспринимающих поверхностей теплоотвъдящих элементов, F — площадь теплововоспринимающей поверхности, а ввод в литейную форму окислителя, вос50 становителя или инертного газа проводят, исходя из обеспечения условия 2000880 а(Т) = Тр (T) = Т, (T) + q3 () а,*, (а(т) (а,*, т, <т(т) <т,, 50 термодатчиками 6, 55 Благодаря тому, что за контролируемыми локальными участками тепловоспринимающей поверхности литейной формы перпендикулярно к ней и параллельно друг другу устанавливают несколько теплоотводящих элементов, изготовленных иэ материалов с различными теплофизическими характеристиками и с расположенными по ходу теплового потока через каждый теплоотводящий элемент не менее, чем двумя термодатчиками, с помощью установленных термодатчиков измеряют температуру теплоотводящих элементов, путем совместной обработки температурных измерений с помощью математического выражения где А (Т) — коэффициент теплопроводности материала теплоотводящего элемента, Х вЂ” координата длины теплоотводящего элемента, определяют тепловые потоки ц (т), отводимые по теплоотводящим элементам, определяют коэффициенты теплоотдачи а(Т) от расплава к поверхности температуры Тр(т) расплава в контролируемой локальной зоне по формулам где Т (г) и Тн-!(т) — температуры тепловоспринимающих поверхностей теплоотводящих элементов, F — площадь тепловоспринимающей поверхностии, а ввод в литейную форму окислителя, восстановителя или инертного газа проводят, исходя из обеспечения условия Зф «С Ф Ф где а„,а«,тр, Тр,, — нижнееиверхнее допустимые значения соответствующего параметра, становится возможным вести оперативный контроль литейного процесса и качества получаемой отливки (нэпример. эоны выделения газа, взаимодействия расплава с формой, начало образования газовых раковин, места их расположения, интенсивность раз5 45 вития и др.) непосредственно в ходе процесса и. следовательно, проводить необходимую корректировку параметров по ходу литейного производства. что позволяет повысить качество продукции литейного производства снизить процент брака, Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не были выявленьг. и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие признаку "изобретательский уровень". Проверка работы способа позволяет считать, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость". На фиг. 1 приведена тепловая схема устройства для реализации предложенного способа, Для примера показана установка эа контролируемым локальным участком 1 тепловоспринимающей поверхности литейной формы 2 двух теплоотводящих элементов 3 и 4, отличающихся по теплофизическим характеристикам материалов, из которых они изготовлены. Для измерения температур по ходу теплового потока (р), передаваемого от расплава 5, в тепловоспринимающих элементах 3 и 4 они оснащены термодатчиками 6. С целью создания одномерного теплового потока через теплоотводящие элементы 3 и 4 они могут быть помещены в теплозащитный материал (на чертеже не показан) с низким коэффициентом теплопроводности, например, керамики. Способ включает следующие операции. За контролируемыми локальными участками 1 тепловаспринимающей поверхности литейной формы 2 устанавливают несколько теплоотводящих элементов 3 и 4, изготовленных иэ материалов с различными теплофизическими характеристиками, и с расположенными по ходу теплового потока (q) через теплоотводящие элементы 3 и 4 Число устанавливаемых теплоотводящих элементов 3 и 4 выбирают равным числу неизвестных параметров, определяющих процесс теплового взаимодействия между контролирумым локальным участком 1 и тепловоспринимающей поверхности литейной формы 2 и расплавом 5. Например, в случае. когда между контролируемым учягтком и расплавом существует только KAt(Rt.k 2000880 15 (3) 20 тивный теплообмен и неизвестными являются температура расплава (Tp) и коэффициент теплоотдачи (а ) от расплава к поверхности контролируемого участка 1, используют два теплоотводящих элемента 3 и Теплоотводящие элементы 3 и 4 изготавливают иэ материалов, имеющих различные теплофизические характеристики. В реализованном примере использовались теплоотводящие элементы иэ углерода с А- 2,5 Вт/мК и полуграфитового материала с А-25 Вт/мК. Для измерения температур теплоотводящих элементов в каждый из них были вмонтированы по два термодатчика 6 как это показано на фиг. 1. В качестве термодатчиков использованы ХА термопары с шагом установки 20 мм и 50 мм от наружной поверхности. При взаимодействии расплава 5 с контролируемым участком 1 тепловой поток от расплава передается теплоотводящим элементам 3 и 4 и далее путем теплопроводности проходит по ним. В результате того, что теплофизические характеристики материалов, из которых изготовлены теплоотводящие элементы 3 и 4 различны, величины тепловых потоков q1и q2, отводимые по ним, будут также различны. Из-за различия величин тепловых потоков q1 и q2 температуры наружной поверхности 1 в местах установки теплоотводящих элементов 3 и 4 будут также различны. В этом случае можно записать систему уравнений, определяющую процесс теплообмена контролируемого участка 1. Например, для рассматриваемого случая, когда между контролируемым участком 1 и расплавом 5 существует только конвективный теплообмен и неизвестными являются температура расплава (Тр) и коэффициент теплоотдачи (а) от расплава к поверхности контролируемого участка 1, можно записать следующую систему уравнений q1= a(Tp-Т1), (1) Цг = а(Тр-Т2). (2) где q1 и q2 — плотности тепловых потоков через теплоотводящие элементы; Т1 и T2 — температуры наружной поверхности контролируемого участка 1 в местах установки теплоотводящих элементов, В случае. когда процесс теплообмена между расплавом и контролируемым участком 1 определяется не только конвективной составляющей, но и, например, радиационной (при наличии газовых раковин и отсутствии непосредственного контакта между расплавом и поверхностью контролируемо25 55 го участка процесс теплообмена между ними определяется их взаимным переизлучением и конвекцией газовой прослойки) или выделением (поглощением) тепла на поверхности контролируемого участка, обусловленным физико-химическими процессами при взаимодействии с расплавом, используют дополнительные теплоотводящие элементы и соответствующим образом расширяют систему уравнений типа (1К2). Система уравнений (1Н2) представляет собой систему двух уравнений с двумя неизвестными Тр и Q. Решая систему уравнений (1) — (2) относительно неизвестных Тр и а можно получить Тр =q1 +Т1(4) T2 — T1 q1 — 02 По ходу литейного процесса измеряют температуру теплоотводящих элементов (на чертеже термодатчи ки 6). По резул ьтатам температурных измерений из решения обратной задачи теплопроводности независимо от характера нестационарности теплового режима определяют величины тепловых потоков q1u q2. отводимых по теплоотводящим элементам, и температуры Т1 и Т2 контролируемого участка 1 в местах установки теплоотводящих элементов. При этом удается устранить недостаток известных способов измерений, заключающийся в том, что измерение теплового потока на границе и температуры говерхности огнеупора, омываемой расплавленной сталью практически невозможно без искажения тепловой и гидродинамической сторон процесса и ухудшения эксплуатационных характеристик сталеразливочного оборудования, литейных форм, а также в том, что известные и получившие распространение средства измерений не приспособлены для для длительной работы в условиях высоких температур и агрессивных сред, что характерно для расплавленных металлов. После этого с помощью зависимостей (3) и (4) определяют козффициентй теплоотдачи а(Т) от расплава к поверхности и температуру Tp(t) расплава в контролируемой локальной зоне, а ввод в литейную форму окислителя, восстановителя или инертного газа проводят, исходя из условия нахождения таких параметров в допустимых для них областях. На фиг. 2-б представлены результаты термометрирояания цюберн i плит и шпи2000880 1О нельных стаканов-дозаторов при разливке стали. Результаты температурных измерений для теплоотводящего элемента, изготовленного на основе углерода и используемого в шиберной плите, представлены на фиг. 2. Здесь I — показания датчика с шагом установки 20 мм, II — показания датчика с шагом 50 мм. Плотность теплового потока q. отводимого по такому элементу и определенного из решения обратной задачи теплопроводности, представлена на фиг. 3. Временные зависимости коэффициента теплоотдачи и температуры расплава приведены на фиг. 4 и 5. Градиент температуры на поверхности контакта представлен на фиг. 6. Зависимости, представленные на фиг. 2-6, позволяют сделать следующие выводы относительно анализа процессов, протекающих в зоне контакта металла с огнеупором.. В начальный период разливки t - 0 — 5 с плотности тепловых потоков и значения коэффициентов теплоотдачи не менее чем в 10 раз ниже ожидаемых расчетных по империческим зависимостям. Это показывает на .наличие в первые мгновения после контакта с металлом на поверхности огнеупора термического контактного сопротивления, снижающего теплопередачу к стенке канала металла. Наличие дополнительного терми ческого контактного сопротивления вызвано поя елен ием твердой корки затвердевшего металла с нулевой жидкотекучестью (зкранирующего слоя). Введение дополнительных окислителей в этот период времени способствует разогреву и уносу экранирующего слоя. После устранения этого процесса идет рост интенсивности теплового потока и значений коэффициента теплоотдачи (т = 60 с). В период t =80-120 с происходит снижение теплового потока и коэффициента теплоотдачи из-за уменьшения температурного напора, диффузии легких составляю; щих вглубь материала. Введение добавок, ускоряющих этот процесс, способствует стабилизации процесса литья. При выходе коэффициента теплоотда5 чи на уровень, определяемый соотношением а а(Т) а, 10 где согласно полученным данным (фиг. 2-6) можно принять а - 700 Вт/м К; а - 900 ф г Вт/м К и температуры расплава на уровень г Юф 1 Ф Тр,н Тр Тр,е где Тр,, -1300 С; Тр,в - 1400 С, наблюдается стабилизация всех процессов в зоне контакта металла с огнеупором, 20 В ходе литейного процесса результаты измерений температуры через согласующее устройство передаются на ЭВМ. где происходит обработка информации и вывод на экран дисплея. 25 Таким образом, в отличие от используемых предложенный способ позволяет проводить оперативный контроль процессов на границе расплава с формой. что, в свою очередь, позволяет вести своевременное и це3р ленаправленное воздействие на ход литейного процесса, что способствует повышению качества литейного производства. Кроме этого, предлагаемый способ позволяет осуществить автоматизацию литейных процессов, снизи ь их трудоемкость, улучшить условия труда, Предполагаемый экономический эффект от предложенного способа выражается в сокращении затрат производства с 40 использованием литейных процессов. повышении качества выпускаемой продукции, процентном снижении бракованной продукции. 45 (56) Авторское свидетельство СССР N 531656, кл. В 22 0 47/02, 1975. 2000880 IS. )OSáþ/í :,, -it т-" I,S 1Я os е 1 л тт тл ss ил ятялн5 2N 3лтил, с ФР. т А,эв/и К. лл ISN ° OO Флл llOe «Ь, Флт Р ° )3e Фл утл« л с фи.z 5 Вил, O файв, 4 ьт/ьи, c/ии л тл oo Iee Ioe отлил, с Составигель Т.Y ьолева Редактор Л.Самерханова Техред М.Мор.г "an Корректор О.Кравцова Зякяз 3100 т л Г1аж Подписное НПО "Поиск" Роспатента 11)035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издятеты:кий ко бинят "Патент". г, Ужгород уп Гя яриня 101 Фоим,лз нзобрегеиия СПОСОБ УПРАВ/11 I .IeH 11Ит(И11Ь1МИ ПРОЦЕССА ми, предусматривающий ввод в литейную форму окислителя, восстановителя или инертно1о газа е зависимости от хода процесса, отличающийся тем что, с целью повышения качества отливки, за контролируемыти лакал.,ными участками .тепловоспринимяющей поверхности литейной формы перп.:.:ндикулярно к ней и параллельно друг другу устанавливают несколько теплаогводяших элементов. изготовленных из материалов с различными теплофиэичес кими характеристиками и с расположенными по ходу теплового отока через каждый тепло,7тодян(ий элемент не менее чем двумя термодатчиками, с помощью установленных термодатчиков измеряют температуру теплоотводящих элементов путем совместной обработки температурных измерений ", помощью математического выражения ьт 4Г1я) q; Ir) =. — 7;; 7 ;) —— где )(Г1 коэффицие.IT те лопроводности материала т. *плоо 1 водящего элемента; X - координата длины теплоотводящего элемента, определяют тепловые потоки qI (г), отводимые по теплоотводящим элементам, определяют коэффициенты теплоотдачи и(Т) от расплава к поверхности и температуру Тр(г) расплава в контролируемой локальной зоне по формулам д,(т) -д;+ i (т) и(7) = 10 r 7Г(т) - т,+, (s) ТГ (т)- Т + 1(т) T (т)=7 ((т)+ц (т) Cg (т ) — д;Г+ 1(т) где Т1 (т) и Т1+1(г) - температуры тепловоспринимающих поверхностей теплоотводящих элементов, F - площадь тепловоспринимаюць».: поверхности, а ввод в литейную форму окислителя, вос20 становителя или инертного газа проводят, исходя из обеспечения условия „s aa(T) 5 р() +i.es * Ф л ГДЕ Хи, Czss Тр,н . Tp в HM)KHee И ВЕРХнее допустимые значения соответствующего параметра.
