caplin_nikulin_modelirovanie_v_metallurgii

Шихтовка

При формировании и загрузке плавильной шихты возникают две задачи:

1)расчет оптимального состава шихты, обеспечивающего требуемые пределы содержания в ней отдельных химических элементов с учетом их угара и минимальную стоимость при имеющихся ресурсах;

2)автоматическое управление механизмами дозирования компонентов шихты и подачи их в плавильные печи.

Принцип действия дозатора основан на изменении грузоподъемности электромагнита в зависимости от намагничивающего тока. Дозатор (рис. 1.2) состоит из подъемного электромагнита (ПЭ), датчика массы (ДМ), измерительного прибора (ИП), цифрового устройства (ЦУ) и коммутатора (К). Электромагнит питается от генератора постоянного тока (Г), управляемого оператором с помощью регулятора тока (РТ).

Рис. 1.2. Структурная схема электромагнитного кранового дозатора шихты

Плавка

Плавление металла осуществляется в печах различного типа: вагранках, дуговых, индукционных печах.

Вагранки являются агрегатами непрерывного действия и применяются для плавки чугуна. Дуговые и индукционные печи являются агрегатами периодического действия.

21

Дуговые печи (рис. 1.3) имеют высокую электрическую мощность и включают держатели электродов 1, электроды 2, ванну с жидким металлом 4. Источником тепла является дуга 3 между электродами и ванной с расплавом.

Рис. 1.3. Схема трехфазной дуговой плавильной печи

Использование математических моделей электрических, тепловых и технологических процессов позволяет прогнозировать ход плавки и вырабатывать оптимальные управляющие воздействия.

Смесеприготовление

Материал литейной оснастки – формы, стержни и другие – является многокомпонентным; от точности рецептуры смесей, получаемых в дозаторах (рис. 1.4), зависит качество продукции. Целевая функция АСУ ТП смесеприготовления представляется как поддержание рецептуры смесей и режимов их получения, обеспечивающих минимальные затраты на производство заданного вида и количества отливок при известной технологии литья. Математическая модель может описывать характер влияния состава смеси на качество отливок. Поддержание оптимальной рецептуры смесей снижает брак литья на 2–3 %, а при отклонении от оптимума он линейно зависит от квадрата этого отклонения.

22

Рис. 1.4. Схема многокомпонентного дозатора: 1, 2, 3 – бункеры; 4, 5, 6 – дозаторы; 7 – транспортер

Формовка

Смеси для изготовления литейных форм подлежат специальному уплотнению, обеспечивающему поверхностную твердость, газонепроницаемость. При уплотнении прессованием и встряхиванием степень уплотнения существенно зависит от давления сжатого воздуха в пневмоприводе встряхивающей машины, частоты встряхиваний, условий сушки форм и стержней и т.д. Схема оборудования представлена на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Схема оборудования для изготовления форм и стержней

Математические модели позволяют прогнозировать оптимальные условия формовки, время прохождения формы через сушильную камеру и т.д.

Разливка

Одной из важнейших целей является получение качественного слитка. Именно при затвердевании происходит формирование кристаллической структуры слитка, возникновение в нем физической и химической неоднородности и других дефектов, переходящих в готовые изделия. Проблемами, возни-

23

Рис. 1.6. Схема магнитодинамического способа подачи расплава

в литейную форму

кающими в процессе разливки в литейные формы, являются дозирование расплава и регулирование скорости его подачи. Стабилизация химического состава расплава, его чистота, простота дозирования достигаются при магнитодинамическом (МГД) способе (МГД-насосы, МГД-дозаторы).

С тиглем 1 (рис. 1.6) сообщаются каналы 2, 3, 6, причем каналы 2, 6 охвачены индукторами, каждый из которых представляет замкнутый магнитопровод 7 с обмоткой питания, 4, 5 – активная часть МГД-доза- тора. Суммарное действие электромагнитных сил вызывает движение расплава через выходной металлопровод 9 к приемнику.

По сравнению с разливкой в изложницы значительно повысить производительность и выход годной продукции позволяет переход к непрерывному литью металлов. Технология производства слитков на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) состоит в том (рис. 1.7), что расплав из промежуточного ковша подается в верхнюю часть кристаллизатора, где при интенсивном первичном охлаждении затвердевают лишь поверхностные слои металла, поэтому вытягиваемый слиток имеет под кристаллизатором незатвердевшую часть (жидкое ядро) и высокую температуру поверхности. Сформировавшаяся твердая корка слитка, способная выдержать статическое давление столба жидкой стали высотой 1–1,5 м, имеет толщину на выходе из кристаллизатора 2–4 см. Затвердевающий слиток непрерывно извлекается из кристаллизатора при помощи тянущих роликов и поступает в протяженную зону вторичного охлаждения, где формирование слитка заканчивается. Отвод тепла на этом этапе осуществляют подачей через форсунки воды или водовоздушной смеси на поверхность

24

слитка и элементов оборудования. После завершения кристаллизации по всему сечению слитка он разрезается на мерные заготовки, поступающие в дальнейший передел. Для слитков прямоугольного поперечного сечения (слябов) 240×1800 мм глубина жидкого ядра достигает 15–20 м при скорости вытягивания 0,8–

1 м/мин.
Стремление к увеличению произво-
дительности и уменьшению высоты ма-
шин привело к созданию МНЛЗ криво-
линейного типа (рис. 1.8). Особенностью
этой технологии является разгиб слитка в
двухфазном состоянии при помощи пра-
вильных валков, после чего слиток пере-
мещается в горизонтальной плоскости,
разрезается на мерные заготовки и по-
ступает в дальнейший передел.
Процессы формирования стального
слитка протекают при высоких темпера-
турах, при больших градиентах темпера-
тур как в самом слитке, так и в элементах
технологического оборудования, сопро-
вождаются фазовыми и структурными
превращениями, появлением темпера-
турных напряжений, которые приводят к
появлению трещин и других дефектов.
На рис. 1.9 показано температурное поле	Рис. 1.7. Схема МНЛЗ
и возникающие в твердой фазе термоуп-	вертикального типа
ругие напряжения в растущем плоском

слое, моделирующем затвердевание стального сляба от его поверхности до плоскости симметрии. При температуре выше изотермы ликвидуса (1773 К) металл находится в жидком состоянии. В интервале температур ликвидуса и солидуса (1703 К) – двухфазное состояние стали. При температуре ниже солидуса металл находится в твердом состоянии. На расстоянии 6,5 м по технологической линии непрерывного слитка затвердевание завершается,

25

однако температурное поле остается неоднородным. Видно, что в слитке с неизотермической поверхностью у границы затвердевания (изотерма солидуса) появляются сжимающие температурные напряжения, которые компенсируются растяжением поверхностных слоев слитка. После окончания затвердевания в процессе остывания слитка напряжения перераспределяются: растянутой становится его центральная часть и сжатой – поверхность. Появление растягивающих напряжений в осевой зоне после окончания кристаллизации типично для непрерывных слитков и приводит на практике к возникновению центральных (паукообразных) трещин, которые не залечиваются при дальнейшей обработке слитка давлением.

Рис. 1.8. Схема МНЛЗ криволинейного типа

Температурные градиенты и напряжения в твердой фазе уменьшают не только выбором рациональных режимов охлаждения поверхности слитка, но и увеличением теплоотдачи на фронте кристаллизации от жидкого ядра. На рис. 1.10 показана схема перемешивания жидкого ядра слитка в кристаллизаторе специальным рабочим телом – вращающимся активатором, вводимым в расплав. Охлаждение погруженного в расплав активатора приводит к образованию на его поверхности гарнисажа – тонкой корки затвердевшего металла. Тепловая эрозия гарнисажа струей подаваемого расплава приводит к уменьшению перегрева послед-

26

него и образованию из обломков дендритов новых центров кристаллизации неориентированно растущих кристаллов. Циркуляция расплава в жидком ядре в виде торообразных вихрей (вихри Тейлора) приводит к снижению температурных градиентов.

Рис. 1.9. Изотермы (слева) и термоупругие напряжения при кристаллизации и остывании плоского слитка

Потоки расплава в жидком ядре приводят не только куменьшению температурных градиентов, но и к переносу легирующих компонентов примесей по всему объему слитка. Явление неоднородного распределения примесей в объеме слитка называется сегрегацией примеси. На рис. 1.11 показан пример неодно-

27

родного распределения примеси в жидком ядре непрерывного горизонтального слитка. Полый слиток вытягивается из неподвижного кристаллизатора длиной L2 и дорна длиной L1 с постоянной скоростью W. Течение в жидком ядре слитка симметрично относительно вертикального диаметра. Частицы расплава, охлаждаясь у границ затвердевания, опускаются в нижнюю часть слитка, образуя зоны нисходящих потоков. Восходящие потоки имеют место в центральной части жидкой фазы. Свободная конвекция приводит к искривлению изотерм: более теплые слои расплава скапливаются в верхней части слитка, а холодные – в нижней собразованием здесь застойной зоны.

Рис. 1.10. Схема механического перемешивания жидкого ядра слитка (слева), линии тока (в центре) и поле температур в формирующемся слитке

Потоки расплава вызывают и неосесимметричное распределение примеси: обогащенные примесью слои расплава опускаются в нижнюю часть жидкого ядра. Нерастворимая в твердой фазе примесь (в данном случае углерода) вытесняется в расплав, что приводит к возникновению у границ затвердевания диффузионных погранслоев, обогащенных примесью. Вращение слитка в процессе его вытягивания позволяет достичь положительных металлургических эффектов.

28

Рис. 1.11. Схема получения горизонтального слитка (слева), поля функции тока и окружной скорости (в центре), концентрации примеси и температуры

Дальнейший прогресс в производстве качественной металлопродукции связан с разработкой агрегатов, в которых совмещены МНЛЗ и устройства дальнейшего передела слитка – прокатные станы. Такие совмещенные агрегаты позволяют значительно экономить тепловую энергию за счет сокращения промежуточных подогревов слитка в прокатных станах.

В современных технологических процессах бесслитковой прокатки корочки металла намораживают из расплава непосредственно на валках-кристаллизаторах и обрабатывают давлением. Этим достигается дальнейшая минимизация тепловых потерь и энергоресурсов.

Для активного воздействия на процесс кристаллизации слит-

ка применяют электромагнитное перемешивание (ЭП) его жид-

кого ядра. Вводимая извне энергия электромагнитного поля расходуется на измельчение первичного литого зерна, повышение степени физической и химической неоднородности слитков, улучшение их поверхности. Устройства электромагнитного перемешивания разнообразны как по виду применяемых электромагнитных полей (бегущих, вращающихся, пульсирующих), так и по способу конкретной технической реализации. Перспективными с точки зрения экономии вводимой в тело слитка энергии следует признать резонансные режимы перемешивания, при которых частота электромагнитного поля совпадает с частотой собственных колебаний жидкого ядра слитка. Применение ЭП дает положительные металлургические эффекты повышения качества слитка

(рис. 1.12).

29

На рис. 1.13 показаны варианты математического моделирования теплофизики деформирования твердой фазы кристаллизующегося слитка. Видно, что во всех вариантах охлаждения у фронта кристаллизации в температурном интервале хрупкости стали появляются участки, на которых эквивалентные температурные напряжения (σ > 1) превышают предел прочности

и возможно образование трещин.

	Рис. 1.13. Зоны относительных нап-
	ряжений в поперечном сечении кри-
	сталлизующегося сляба на расстоя-
Рис. 1.12. Макроструктура продоль-	нии 4 м от мениска металла при ва-
ных темплетов сляба трубной стали	рьировании интенсивности теплоот-
без ЭП (вверху) и с ЭП (внизу)	дачи на узкой грани

Переход к интенсивному форсуночному охлаждению на узкой грани сляба (вариант 4) снижает локальное растрескивание, но одновременно повышается вероятность образования трещин у широкой грани сляба.

Математическое моделирование теплофизики деформирования позволяет ускоренно спроектировать режимы охлаждения слитка в конкретных технологических условиях.

30