CC BY
47
УДК 621.74
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТОЙ ПЛИТЫ МЕТОДОМ ПЛАНИРУЕМОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
И.Н. Ердаков, В.М. Ткачев
CAST PLATE PRODUCTION PROCESS RESEARCH BY PLANNED EXPERIMENT METHOD
I.N. Erdakov, V.M. Tkachev
Рассмотрен процесс построения регрессионной модели для нового технологического процесса изготовления литых плит из стали Гадфильда для Челябинского электрометаллургического комбината.
Ключевые слова: литниковая система, плита, отливка, сталь Гадфильда, дефект, прибыль, метод планируемого эксперимента, регрессионная модель.
This paper presents a process of regression model generation for new technological process of cast plate production from Hadfield steel for the Chelyabinsk Electrometallurgical Plant.
Keywords: gating system, plate, casting, Hadfield steel, defect, profit, planned experiment method, regression model.
Анализ исследований в области изготовления литых плит к дробильным установкам показывает, что наилучшие показатели отливок данного типа достигаются при использовании высокомарганцовистой стали марки 110Г13Л, известной еще как сталь Гадфильда. Технологический процесс изготовления плит из данной стали изучался многими исследователями [1-3], однако до сих пор отсутствуют технологические решения, обеспечивающие простоту, ресурсосбережение и стабильность процесса.
В условиях действующего литейного производства ОАО «ЧЭМК» (г. Челябинск) была разработана новая технология литья плит, которая устранила указанные выше недостатки процесса [4].
В технологических картах оценивали такие дефекты, как степень коробления, м; наличие трещин (общая протяженность трещин, мм) и наличие песочных раковин, см3/дм2. Для оценки суммарного безразмерного показателя дефектности отливки ( ЕДу,- = ДУ] + Ду2 + Ду3 ) значения каждого из показателей привели к нормированному виду (максимальному значению дефекта присвоили индекс «1»): Ду^ = 8 мм, Ду™3* = 915 мм, Ду^“ = = 0,2 см3/дм2. Температура заливки стали поддерживалась постоянной и составляла 1400... 1450 °С. Варьируемыми параметрами были суммарная площадь питателя Wn , протяженность шлакоуловителя ЕЬщщ (суммарные площади шлакоуловителя и стояка были фиксированными и составляли -XWm., = 28,0 см2 и 2WCT = 28,3 см2). Поверхность значений ЕДу, показана на рис. 1.
Рис. 1. Минимум поверхности суммарного безразмерного показателя дефектов в зависимости от параметров технологического процесса изготовления литой плиты
Из рис. 1 видно, что наименьшим показателям дефектности отвечает литниковая система с параметрами \¥п =35 см2, £ЬШЛ =2415 мм, имеющая стояк в месте изгиба шлакоуловителя и по четыре питателя на каждой ветви (Г-образная литниковая система). Для устранения образования утяжины
(в нормированном виде дефект Ду™3* = 0,8 см’./дм2) в плите было изучено влияние местоположения прибыли и ее объем. Установлено, что наилучшее питание для Г-образной литниковой системы обеспечивает «угловая» прибыль, местоположение которой показано на рис. 2. Полученная экспериментальным путем графическая зависимость (рис. 3) показывает эффективный объем такой прибыли, который должен быть не ниже 9000 см3.
В целях изучении особенностей процесса формирования плиты по разработанной техноло-
Исследование процесса изготовления литой плиты методом планируемого эксперимента
ПН
_/" // /Г7Г7ГІ м.
г 7/ /Г7ПГ 1 5
< 15С 0 ►
Рис. 2. Местоположение прямой «угловой» прибыли на плите-отливке с Г-образной литниковой системой (обозначено пунктирной линией)
Рис. 3. Значения утяжины в плите для разных объемов «угловой» прибыли
гии необходимо было создать математическую модель и изучить влияние параметров процесса на качество изготовления отливок.
Поставленная задача решалась методом планируемого эксперимента [5].
Была проведена серия опытов, в которой по определенному плану (матрице) исследовали новый технологический процесс литья плит. Пределы варьирования параметров технологии выбирали в соответствии с данными, представленными на рис. 1 и 2.
В связи с тем, что новая конструкция литниковой системы обеспечивает меньший температурный градиент и минимальные значения коробления плит, то в качестве варьируемых параметров
были взяты \\^п, Упр и Тзал. В ходе экспериментов в технологических картах фиксировали значения таких дефектов, как степень коробления (Бк), утяжина (11т) и песочная раковина (Рг). Уровни варьирования представлены в табл. 1.
Из каждой плавки заливалось по восемь литейных форм с замером температуры заливки расплава. Всего было изготовлено 24 плиты. В табл. 2 и 3 приведены реализованные матрицы планирования для дробного факторного эксперимента и показаны результаты опытов.
Математическую модель технологического процесса, характеризующую зависимость между параметрами новой технологии и свойствами плиты, выразим полиномом I степени:
Таблица 1
Уровни варьирования переменных
Параметр Уровни
-1 0 +1
X! (\\гп), см2 22 36 50
х2 (V™), см3 6500 11000 15500
х3 (ТзаД °С 1380 1420 1460
Таблица 2
Матрица планирования ДФЭ2
№ плана Уровень фактора Исследуемые свойства*
XI Х2 х3 ХіХ2 ХіХз Х2Х3 ХіХ2Х3 Бк 1)т Рг
1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 2 0,10 0,040
2 -1 -1 1 1 -1 -1 1 0 0,04 0,050
3 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 0,06 0,030
4 -1 1 1 -1 -1 1 -1 0 0,01 0,040
5 1 -1 -1 -1 -1 1 1 'У О 0,33 0,013
6 1 -1 1 -1 1 -1 -1 'У э 0,19 0,016
7 1 1 -1 1 -1 -1 -1 4 0,08 0,013
8 1 1 1 1 1 1 1 2 0,02 0,020
* Указаны средние значения.
Результаты проведенных экспериментов
Sk, Ut; Pr, D, D2 D3
I II III I II III І II III
1 2 3 0,13 0,1 0,07 0,04 0,03 0,05 1 8,6409 0,0009
0 0 0 0,02 0,08 0,02 0,05 0,06 0,04 0 0,0100 0,0012
0 2 1 0,04 0,10 0,04 0,03 0,04 0,02 1 0,0100 0,0012
0 0 0 0,01 0 0,02 0,04 0,05 0,03 0 0,0100 0,0001
3 4 2 0,33 0,38 0,28 0,01 0,01 0,02 1 0,0300 0,0025
4 4 1 0,25 0,12 0,20 0,03 0,01 0,01 3 0,1300 0,0043
3 4 5 0,05 0,09 0,10 0,01 0,02 0,01 1 0,0400 0,0007
2 1 О 0,01 0,02 0,03 0,02 0,03 0,01 1 0,0100 0,0001
у = Ь0 + XbjX; + ZbyXjX, где у - исследуемое свойство отливки; х, Xj - закодированные значения параметров технологии; Ь, Ьу — коэффициенты регрессии, характеризующие степень влияния параметров технологического процесса на исследуемое свойство; Ь0 — свободный член, характеризующий величину исследуемого свойства при удержании значений параметров технологии на нулевом уровне.
Коэффициенты регрессий определялись из выражения
N
^ = Ех*уп
n=i
где п - число параллельных операций (не менее трех); N - количество реализованных опытов.
Коэффициент регрессии считается значимым, если его значение выходит за границы доверительного интервала Ab;:
Ab; =±tT^D{bj},
где t; - табличное значение критерия Стьюдента; D{bi} - оценка дисперсии, связанной с определением коэффициентов модели, представляющая собой отношение общей дисперсии воспроизводимости выхода (D{y}) к произведению числа реализованных (N) и параллельных опытов (П).
Параметры рассчитанных моделей показаны в табл. 4.
Полученные результаты можно записать в виде уравнений регрессии:
yi = l,875 + l,125xi~0,625x3;
у2 = 0,103 + 0,051 х, - 0,061х2 - 0,03 8х3 - 0,043х12;
Уз = 0,027-0,012xj.
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:
1. На степень коробления оказывает значительное влияние суммарное сечение питателей (Ьі = 1,125), а также температура заливки стали (Ь3 = -0,625). При этом деформация плиты происходит тем меньше, чем меньше суммарное сечение питателей и больше температура заливки сплава. Данное влияние можно объяснить конструктивной особенностью Г-образной литниковой системы, обеспечивающей заполнение полости литейной формы с меньшим температурным градиентом по направлению фронта затвердевания. Для данной литниковой системы (Г-образной) значение температурного градиента имеет тенденцию к снижению при повышении температуры заливки стали.
2. На образование утяжины оказывает поло-
жительное влияние \УП (Ь] = 0,051), а отрицательное - Тзал (Ь2 = -0,061). Естественно, чем больше объем прибыли и температура расплава в ней ( Тзал —> тах ), тем эффективней она работает. При \¥п —> тіп создаются условия для более быстрого затвердевания плиты. Моделью зафиксировано отрицательное совместное влияние и Тзал
0>12 = -0,043).
3. На образование песочной раковины оказывает влияние только (Ьі = -0,012). Такое влияние объясняется увеличением скорости заливки расплава при снижении значений \УП, а значит создаются условия с повышенной вероятностью размыва формы.
Таблица 4
Параметры рассчитанных моделей
Иссле- дуемое свойство Коэффициенты регрессии* °ад F
bo bi b2 b3 Ьі2 Ьіз Ь2з bl23
Уі 1,875 1,125 (-0,125) -0,625 (0,125) (0,125) (-0,125) (-0,375) 0,975 0,975
У2 0,103 0,051 -0,061 -0,038 -0,043 (-0,011) (0,011) (0,008) 0,0026 1,918
Уз 0,027 -0,012 (-0,002) (0,003) (-0,011) (0,002) (0,0004) (0,0004) 0,0001 1,317
* Незначимые коэффициенты взяты в скобки.
Исследование процесса изготовления литой плиты ______________методом планируемого эксперимента
Полученные регрессионные модели новой технологии изготовления литых плит из стали Гадфильда позволят в дальнейшем осуществить оптимизацию параметров процесса и объяснить механизм формирования качественной отливки.
Литература
1. Скарбинский, М. Конструирование отливок / М. Скарбинский. - М; Л.: ГНТИ Ленингр. отд. Машгиза, 1961. - 575 с.
2. Василевский, П.Ф. Технология стального литья / П.Ф. Василевский. — М.: Машиностроение, 1974. - 408 с.
3. Нехендзи, Ю.А. Стальное литье / Ю.А. Не-хендзи. - М.: Металлургиздат, 1974.-525 с.
4. Ердаков, И.Н. Новая технологи литья стальных плит дробильных установок ферросплавного производства / И.Н. Ердаков, В.М. Ткачев // Современные проблемы электрометаллургии стали: материалы XIV Междунар. конф. — Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010.
5. Адлер, А.Ю Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова. - М.: Наука, 1971. - 258 с.
Поступила в редакцию 16 сентября 2010 г.
