CC BY
33
m Энергетика
M PowerEngineering
Оригинальная статья / Original article УДК 66.971
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-7-109-118
ДИНАМИКА ЗАТВЕРДЕВАНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ ТЕПЛОВОМ РЕЖИМЕ УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И ПРЕССОВАНИЯ
© А.С. Потапенко1, А.П. Скуратов2, Ю.В. Горохов3
Сибирский федеральный университет,
Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, пр-т Свободный, 79.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Исследование теплообмена в установке непрерывного литья и прессования алюминиевого сплава с горизонтальным карусельным кристаллизатором с целью определения рациональных условий стабилизации ее теплового режима. МЕТОДЫ. Экспериментальные исследования процесса непрерывного литья и прессования металла на опытно-промышленном образце установки; компьютерное моделирование теплообмена на базе программного продукта Ansys CFX. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Установлены теплотехнические зоны, характеризующиеся различной интенсивностью теплообмена в процессе затвердевания алюминиевого сплава АК-12. Определены температурно-временные условия эксплуатации установки в переходных тепловых режимах. ВЫВОДЫ. Изучены особенности динамики затвердевания алюминиевого сплава АК-12 при нестационарном тепловом режиме установки непрерывного литья и прессования. В результате экспериментальных исследований и расчетно-теоретического анализа предложены инженерные решения, направленные на повышение эксплуатационной надежности и длительности кампании установки.
Ключевые слова: установка, непрерывное литье и прессование, теплотехнические зоны, затвердевание, нестационарный тепловой режим, стабилизация, алюминиевый сплав АК-12.
Формат цитирования: Потапенко А.С., Скуратов А.П., Горохов Ю.В. Динамика затвердевания алюминиевого сплава при нестационарном тепловом режиме установки непрерывного литья и прессования // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 7. С. 109-118. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-7109-118
ALUMINUM ALLOY SOLIDIFICATION DYNAMICS UNDER TRANSIENT HEAT MODE OF CONTINUOUS CASTING
AND MOULDING EQUIPMENT
A.S. Potapenko, A.P. Skuratov, Yu.V. Gorokhov
Siberian Federal University,
79, Svobodny pr., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of the article is to study heat exchange in the continuous casting and moulding equipment (CCME) of aluminum alloy with a horizontal carousel crystallizer pan in order to determine the rational conditions of its heat mode stabilization. METHODS. The study involves the following methods: experimental researches of the process of metal continuous casting and moulding on a production equipment prototype and computer modeling of heat exchange on the basis of Ansys CFX software. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The study resulted in the identification of thermotechnical zones characterized by the different intensity of heat exchange under AK-12 aluminum alloy solidification. Temperature-temporal conditions of equipment operation under transitive heat modes have been determined as well. CONCLUSIONS. The features of the solidification dynamics of AK-12 aluminum alloy have been studied under transient heat mode of CCME. Some engineering solutions aimed at the improvement of equipment operation reliability and duration have been proposed on the basis of experimental researches and predicting theoretical analysis. Keywords: equipment, continuous casting and moulding, thermotechnical zones, solidification, transient heat mode, stabilization, aluminum alloy AK-12.
1
Потапенко Александр Сергеевич, аспирант, e-mail: [email protected] Aleksandr S. Potapenko, Postgraduate student, e-mail: [email protected]
2Скуратов Александр Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры теплотехники и гидрогазодинамики Политехнического института, e-mail: [email protected]
Aleksandr P. Skuratov, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Heat Engineering and Fluid Dynamics of the Polytechnic Institute, e-mail: [email protected]
3Горохов Юрий Васильевич, доктор технических наук, профессор кафедры обработки металлов давлением Института цветных металлов и материаловедения, e-mail: [email protected]
Yuri V. Gorokhov, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Metals Treatment under Pressure of the Institute of Non-Ferrous Metals and Materials Science, e-mail: [email protected]
For citation: Potapenko A.S., Skuratov A.P., Gorokhov Yu.V. Aluminum alloy solidification dynamics under transient heat mode of continuous casting and moulding equipment. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 7, pp. 109-118. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-7-109-118
Введение
Одним из эффективных методов производства алюминиевой проволоки является совмещенный в одной установке процесс непрерывного литья и прессования. Однако до настоящего времени не создано промышленных образцов, которые бы надежно эксплуатировались на рынке производства прессовой продукции в виде длинномерных профилей относительно небольшого поперечного сечения из цветных металлов и сплавов. Связано это с тем, что начальный период работы после пуска установки (переходный тепловой режим) характеризуется нестационарным тепловым состоянием ее элементов [1-2]. При выходе же на стационарный (регулярный) режим существенное влияние на темпера-турно-временные условия затвердевания металла (динамику теплообмена) оказывает ряд внешних факторов: флуктуации начальной температуры поступающего расплава и элементов установки, скорость вращения кристаллизатора и др. [3-4].
Основным технологическим параметром совмещенного процесса непрерывного литья и прессования является промежуток времени между заливкой в инструмент расплава и входом закристаллизовавшегося металла под дугообразный сег-
мент с матрицей. Правильный выбор режима затвердевания слитка существенно влияет на формирование его структуры и свойств [5]. Величина указанного промежутка времени зависит от таких факторов, как начальная температура расплава, удаленность матрицы от места заливки, скорость движения канавки с металлом, интенсивность его охлаждения, размеры поперечного сечения и др. [6]. Сложный характер взаимодействия между этими факторами изучен недостаточно, что затрудняет модернизацию действующих и проектирование новых установок совмещенного процесса литья и прессования.
В работе приведены результаты анализа нестационарного теплообмена в опытно-промышленной установке непрерывного литья и прессования алюминиевого сплава АК-12 с горизонтальным карусельным кристаллизатором [7]. При этом основная цель экспериментальных исследований и компьютерного моделирования заключалась в развитии теории тепловой работы установок этой конструкции, что позволило бы найти научно обоснованное инженерное решение, направленное на повышение их эксплуатационной надежности и длительности кампании.
Результаты исследования и их обсуждение
Схема опытно-промышленной установки непрерывного литья и прессования металла с горизонтальным карусельным кристаллизатором приведена на рис. 1.
Реализация процесса происходит в следующей последовательности: расплавленный металл 3 заливается через дозатор 4 в ручей 2 вращающегося колеса-кристаллизатора 1 и кристаллизуется до входа в контейнер, образованный на участке сопряжения ручья с неподвижным дугообразным сегментом 6. Слиток 5 доходит до упора матрицы 7 и распрессовывается в
контейнере на длину, определяемую центральным углом, и выдавливается в отверстие матрицы в виде пресс-изделия 8.
Предложено конструкцию установки условно разделить на пять теплотехнических зон, характеризуемых различной степенью теплообмена в период от холодного пуска до момента стабилизации температуры всех ее элементов: внешнего подвода теплоты; кристаллизации металла; прессования металла; конвективного теплообмена кристаллизатора с окружающей средой; контакта движущегося кристаллизатора с
a
b
Рис. 1. Схема установки непрерывного литья и прессования с горизонтальным карусельным кристаллизатором: a - вид сбоку: 1- упор матрицы; 2 - пресс-изделие; 3 - неподвижный дугообразный сегмент; 4 - затвердевший слиток; 5 - расплав металла; 6 - дозатор. b - вид сверху: 7 - колесо-кристаллизатор; 8 - кольцевая канавка Fig. 1. Installation diagram of CCME with a horizontal carousel crystallizer pan: a - side view: 1 - matrix support; 2 - molding; 3 - stationary arc-shaped segment; 4 - hardened ingot; 5 - molten metal; 6 - batcher. b - top view: 7 - crystallizing wheel; 8 - annular groove
подшипниками. Первые три зоны являются зонами подвода теплоты, две остальные -отвода теплоты к элементам конструкции установки и в окружающую среду.
Зона внешнего подвода теплоты. В этой зоне теплота подводится за счет заливки перегретого расплава из дозатора в кристаллизатор, а также от предварительно разогретых дозатора и его подставки.
Зона кристаллизации соответствует участку от места заливки расплава до дугообразного сегмента с углом между ними ф = 250°. В этой зоне выделяется скрытая теплота кристаллизации металла.
Зона прессования металла соответствует участку от места входа обрабатыва-
емого сплава под дугообразный сегмент до упора. В этой зоне изменение температуры обрабатываемого металла происходит за счет объемных источников тепловыделения - контактного трения о стенки кристаллизатора и дугообразный сегмент, а также деформации обрабатываемого металла.
Зона конвективного теплообмена кристаллизатора с окружающей средой располагается в области от дугообразного сегмента до места заливки расплава.
Зона теплового взаимодействия располагается между горизонтальным кристаллизатором и подшипниками корпуса установки.
Исследование литья и прессования алюминиевого сплава марки АК-12 проводилось на опытно-промышленном образце установки в следующей последовательности.
Для анализа состояния дуги кристаллизации расплава производился демонтаж дугообразного сегмента с матрицей и замена его на плуг. Для исследования тепловых условий при прессовании дугообразный сегмент с матрицей устанавливался обратно на свое место и проводилась новая серия экспериментов.
В электропечь сопротивления помещались тигли для плавления алюминиевого сплава, а также дозатор и подставка для предварительного разогрева. По достижении алюминиевым сплавом необходимой температуры его выдерживали в печи в течение 5-6 мин. Разогретые детали быстро устанавливались в рабочее положение, чтобы не допустить замерзания расплава в начальный момент работы.
Производился холостой пуск установки для определения правильности монтажа подставки и направления вращения кристаллизатора. Включался кристаллизатор со скоростью вращения 2 об./мин. Из плавильной печи извлекался и очищался от шлака тигель с расплавом, замерялась его температура. Далее расплавленный металл заливался в установленный на подставке разогретый тигель с дозатором и производилось заполнение канавки колеса-кристаллизатора. По мере вращения колеса расплав кристаллизовался, его затвердевшая часть упиралась в плуг и выходила из канавки. Контактной термопарой каждую секунду измерялась температура от места заливки до места выхода металла из канавки, после чего термопара вновь устанавливалась в месте заливки. В данном процессе температура составляла, °С: заливаемого расплава - 750, тигля с дозатором и подставкой - 746, окружающей среды - 20. Отметим, что колесо-кристаллизатор и плуг предварительно не нагревались. Длительность эксперимента составила 150 с, за которые колесо-кристаллизатор со-
исследования
вершило 5 оборотов.
На рис. 2 показана зависимость температуры затвердевающего металла от угла поворота кристаллизатора с расплавом.
На полученных графиках (см. рис. 1) хорошо прослеживается взаимосвязь длины дуги кристаллизации расплава от времени работы установки. Так, с каждым оборотом установки кривые изменяют свой угол наклона в сторону горизонтальной прямой, соответствующей температуре фазового перехода для сплава АК-12. Выше указанной линии расплав находится в жидкой фазе, ниже - в твердой. Анализ показывает, что в начальный момент времени, соответствующий запуску установки, расплав в результате теплового взаимодействия с холодным кристаллизатором мгновенно затвердевал (рис. 1, кривая 1). Однако через 139 с работы установки переход расплава из жидкой фазы в твердую происходит уже на удалении от места заливки, соответствующего углу поворота кристаллизатора 57° (кривая 5). Связано это с тем, что в условиях переходного теплового режима в зоне кристаллизации (вторая теплотехническая зона) изменяются условия теплообмена между кристаллизатором и заливаемым расплавом. В этом режиме происходит постепенный прогрев элементов установки и после каждого нового оборота кристаллизатор попадает в исходное место заливки расплава уже с другой температурой, соответственно, происходит изменение угла затвердевания расплава фц.
В ходе эксперимента установлено, что, несмотря на постоянный внешний подвод теплоты от расплава, температура подставки постепенно уменьшалась и в конце пятого оборота кристаллизатора составила 426°С. В результате на стенках выходного сечения дозатора происходило затвердевание расплава, приводящее вначале к сужению, а затем и полному перекрытию отверстия дозатора. Поэтому для обеспечения работоспособности установки в нестационарном режиме ее работы требуется дополнительный подвод теплоты к дозатору в первой теплотехнической зоне.
Рис. 2. Динамика изменения температуры затвердевающего расплава АК-12
при различном угле поворота кристаллизатора: линии 1, 2, 3,4 и 5 - соответственно, 1, 2, 3,4 и 5 оборотов кристаллизатора Fig. 2. Temperature dynamics of solidifying melt AK-12 angled at different positions of the crystallizer: lines 1, 2,3, 4 and 5 - respectively, 1, 2, 3, 4 and 5 - crystallizer rotations
Компьютерное моделирование теплообмена
Изучение тепловых процессов в опытно-промышленной установке проводилось с использованием трехмерной динамической компьютерной модели теплообмена, разработанной на базе программного продукта Апбуб ОРХ [8, 9].
В расчетах принята упрощенная геометрия расчетной модели (рис. 3): фаски на кристаллизаторе и металле не учитывались (при условии сохранения площади поперечного сечения слитка); отсутствовали крепежные соединения.
При компьютерном моделировании нестационарного теплообмена для сплава АК-12 решались следующие задачи:
- определение величины угла ф5,
обеспечивающего перед пресс-матрицей номинальную температуру затвердевания по всему сечению металла;
- определение зависимости длины дуги кристаллизации расплава от времени;
- определение материала и толщины изоляционного слоя между кристаллизатором и подшипниками с целью обеспечения надежной тепловой работы установки;
- изучение динамики изменения температуры дугообразного сегмента в промежуток времени от пуска установки до момента выхода ее на стационарный тепловой режим.
Рис. 3. Геометрия трехмерной компьютерной модели установки непрерывного литья и прессования Fig. 3. CCME 3D-computer model geometry
На рис. 4 представлены расчетные температурные поля кристаллизатора, позволяющие судить об изменении длины дуги затвердевания расплава в зависимости от времени работы установки. на рисунке маркером обозначено место в канавке кристаллизатора, где максимальный уровень температуры по сечению металла не превышает точки солидуса сплава АК-12, что соответствует технологическим условиям его дальнейшего прессования.
Результаты моделирования обобщены в виде графика на рис. 5, показывающего зависимость угла затвердевания расплава фц от времени работы установки в переходном тепловом режиме. Анализ показывает, что на 139 с работы установки фазовый переход расплава из жидкого состояния в твердое происходит на удалении от места заливки фц = 60°. Это хорошо согласуется с приведенными ранее результатами эксперимента, а также подтверждает адекватность компьютерной модели и возможность отработки на ней инженерных решений. Отметим, что с целью оценки правильности расчета температур в дугообразном сегменте модели были выделены области, координаты которых соответствовали точкам замера температуры термопа-
рами при проведении эксперимента.
Согласно расчетам, на 551 с работы установки, т.е. после 18 оборотов кристаллизатора, под дугообразный сегмент металл начинает попадать в жидкой фазе, что недопустимо по технологическим условиям его обработки (рис. 4, ф. Кроме того, в зоне прессования (третья теплотехническая зона) выделяется теплота за счет контактного трения металла о стенки кристаллизатора и дугообразный сегмент, а также деформации обрабатываемого металла. Одна часть образовавшейся теплоты отводится кристаллизатором через дугообразный сегмент, другая - поглощается обрабатываемым слитком.
Таким образом, при выходе установки на стационарный тепловой режим имеет место постоянное возрастание энтальпии металла в первой-третьей теплотехнических зонах с каждым оборотом кристаллизатора. Поэтому при естественном охлаждении элементов установки имеется большая вероятность того, что сплав превысит температуру солидуса перед зоной прессования или в этой теплотехнической зоне. В последнем случае произойдет фазовый переход сплава из твердого состояния в жидкое.
4
с d
Рис. 4. Изменение длины дуги затвердевания расплава в зависимости от времени работы установки: а - 46 с; b - 216 с; c - 426 с; d - 551 с Fig. 4. Changes in the melt solidification arc length depending on installation operation time:
a - 46 s; b - 216 s; c - 426 s; d - 551 s
Рис. 5. Изменение угла затвердевания расплава ys в переходном тепловом режиме работы установки Fig. 5. Variation of alloy solidification angle ф under transitive heat mode of installation operation
b
а
Конструкция установки предусматривает наличие воздушной прослойки между относительно холодным корпусом и разогретым кристаллизатором (рис. 4). Поэтому теплообмен между этими элементами происходит через подшипники, температура которых может превысить рабочее значение и снизить эксплуатационную надежность установки в целом. Предложено в конструкцию установки внести изменение - добавить теплоизоляционный слой
между кристаллизатором и подшипниками. Расчеты показали, что такое конструктивное изменение позволит исключить перегрев подшипников и снизить их температуру до рабочих значений (рис. 6). Видно, что расчетная температура в области контакта теплоизолятора с кристаллизатором составляет 642,6°С, а температура в месте опоры подшипников на теплоизоляционный слой не превышает 180°С.
Рис. 6. Распределение температуры в теплоизоляционном слое между кристаллизатором и подшипниками Fig. 6. Temperature distribution in the insulating layer between the crystallizer pan and bearings
Выводы
1. В результате расчетно-экспериментального исследования динамики затвердевания алюминиевого сплава АК-12 в установке непрерывного литья и прессования выявлены пять теплотехнических зон, отличающихся различной степенью теплообмена в период от пуска из холодного состояния до момента стабилизации температуры всех ее элементов (ста-
ционарного теплового режима).
2. Показано, что выход на стационарный тепловой режим сопровождается постепенным увеличением энтальпии металла с каждым оборотом кристаллизатора. Это обстоятельство может привести к превышению алюминиевым сплавом АК-12 точки солидуса перед зоной прессования металла или в этой теплотехнической зоне.
3. Для стабилизации тепловой работы установки предложено производить контролируемый отвод излишнего количества образующейся теплоты, что обеспечит постоянную температуру в зоне заливки расплава после каждого оборота кристаллизатора. Добиться этого можно, например, путем подачи масла в зазор между кристаллизатором и корпусом или благодаря уста-
новке системы водяного охлаждения внутренней части корпуса, а также другими способами.
4. Предложено установить теплоизоляционный слой между кристаллизатором и подшипниками, обеспечивающий поддержание их рабочей температуры на уровне, не превышающем максимально допустимые значения.
Библиографический список
1. Горбунов Ю.А. Состояние и перспективы развития технологий производства деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов на заводах РФ // Цветные металлы-2010: сб. науч. статей. Красноярск: Версо, 2010. С. 656-662.
2. Бережной В.Л. Базовые технологии и оборудование будущего в производстве пресс-изделий // Технология легких сплавов. 2006. № 1-2. С. 52-61.
3. Kellock B. A major step forward in aluminium extrusion // Mach. and Prod. 1982. No. 6 (140). Р. 58-59.
4. Bryant A., Dixon W. Isothermal Extrusion // Light Metal Age. 1999. No. 3-4. P. 8-36.
5. Grzyb R., Misiolek Z. The experimental investigations on the Force Parameters and metal flow in the combined process of Rolling and Extrusion // Archiwum Hutnitwa. 1983. No. 3. Vol. 28. P. 321-340.
6. Бережной В.Л., Щерба В.Н., Батурин А.И. Прессование с активным действием сил трения. М.: Металлургия, 1988. 296 с.
7. Горохов Ю.В., Солопко И.В., Константинов И.Л. Основы проектирования конструктивных параметров установки непрерывного литья-прессования металлов // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2009. № 3. С. 20-23.
8. Скуратов А.П., Горохов Ю.В., Потапенко А.С. Расчетное исследование теплового режима установки совмещенного литья и прессования цветных металлов: сб. докладов VI Междунар. конгресса «Цветные металлы и минералы». Красноярск: Изд-во «Версо», 2014. С. 336-342.
9. Потапенко А.С., Скуратов А.П., Горохов Ю.В. Моделирование теплообмена в элементах установки непрерывного литья и прессования цветных металлов: сб. науч. трудов по итогам III Междунар. науч.-практ. конф. «Актуальные вопросы науки и техники» (Самара, 11 апреля 2016 г.). Самара: Изд-во «Инновационный центр развития образования и науки», 2016. Вып. 3. С. 79-82.
References
1. Gorbunov Yu.A. Sostoyanie i perspektivy razvitiya tekhnologii proizvodstva deformirovannykh polufabri-katov iz alyuminievykh splavov na zavodakh RF [Current state and development prospects for the production technologies of deformed semi-manufactured aluminum alloy products in the Russian Federation] // Tsvetnye metally-2010: sbornik nauchykh statei [Non-ferrous metals-2010: Collection of Scientific Papers]. Krasnoyarsk: Verso Publ., 2010, pp. 656-662. (In Russian)
2. Berezhnoi V.L. Bazovye tekhnologii i oborudovanie budushchego v proizvodstve press-izdelii [Basic technologies and equipment of the future for moulding]. Tekhnologiya legkikh splavov [Technology of light alloys]. 2006, no. 1-2, pp. 52-61. (In Russian)
3. Kellock B. A major step forward in aluminium extrusion. Mach. and Prod. 1982, no. 6 (140), pp. 58-59.
4. Bryant A., Dixon W. Isothermal Extrusion. Light Metal Age. 1999, no. 3-4, pp. 8-36.
5. Grzyb R., Misiolek Z. The Experimental Investigations on the Force Parameters and Metal Flow in the
Combined Process of Rolling and Extrusion. Archiwum Hutnitwa. 1983, no. 3, vol. 28, pp. 321-340.
6. Berezhnoi V.L., Shcherba V.N., Baturin A.I. Presso-vanie s aktivnym deistviem sil treniya [Compression moulding with dynamic action of friction forces]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1988, 296 p. (In Russian)
7. Gorokhov Yu.V., Solopko I.V., Konstantinov I.L. Os-novy proektirovaniya konstruktivnykh parametrov ustanovki nepreryvnogo lit'ya-pressovaniya metallov [Design principles of constructive parameters of a metal continuous casting and moulding equipment]. Vestnik MGTU im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2009, no. 3, pp. 20-23. (In Russian)
8. Skuratov A.P., Gorokhov Yu.V., Potapenko A.S. Raschetnoe issledovanie teplovogo rezhima ustanovki sovmeshchennogo lit'ya i pressovaniya tsvetnykh metallov [Calculated study of the heat mode of non-ferrous metal combined casting and pressing equipment]. "Tsvetnye metally i mineral": sbornik dokladov VI
Mezhdunarodnogo kongressa ["Non-ferrous metals and minerals" Collection of papers of the 6th International Congress]. Krasnoyarsk, Verso Publ., 2014, pp. 336-342. (In Russian)
9. Potapenko A.S., Skuratov A.P., Gorokhov Yu.V. Modelirovanie teploobmena v elementakh ustanovki nepreryvnogo lit'ya i pressovaniya tsvetnykh metallov [Modeling heat exchange in the elements of equipment for continuous casting and moulding of non-ferrous
metals]. "Aktual'nye voprosy nauki i tekhniki": sbornik nauchnykh trudov po itogam III Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii [Relevant issues of science and technology: Collection of scientific papers on the results of the III International scientific and practical conference]. Samara, Innovatsionnyi tsentr razviti-ya obrazovaniya i nauki Publ., 2016, issue 3, pp. 79-82. (In Russian)
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Authorship criteria
The authors declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
Статья поступила 05.06.2017 г.
The article was received 05 June 2017.
