Определение основных характеристик установки непрерывного литья Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

3. Новейшие станки [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.1akz.ru/news/2011-07-29-3 (дата обращения:

01.03.2013).

4. Расчет станко-часа [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://compass-r.ru/st-2-05-14.htm (дата обращения:

10.03.2013).

5. Нормирование геометрической точности станков [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.osipyun.ru/ Norms-of-accuracy-in-mechanical-engineering/Rationing-of-geometrical-accuracy-of-machine-tools/index.html (дата обращения: 21.03.2013).

6. Каталог продукции БМв [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://itmstanki.com/index.pl?act = BRANDS& brand = DMG (дата обращения: 01.04.2013).

7. Экономический эффект [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://budgeted.narod.ru/ (дата обращения:

21.03.2013).

АНИЩЕНКО Станислав Сергеевич, магистрант гр. ТМ-611, старший мастер ПО «ПОЛЕТ».

Адрес для переписки: stanislav.anischenko@yandex.ru ПОПОВ Андрей Юрьевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Машины, станки и интрументы».

Адрес для переписки: popov_a_u@list.ru

Статья поступила в редакцию 02.04.2013 г.

© С. С. Анищенко, А. Ю. Попов

УДК 62-9322 Д. Л. ВАВЕЛЬ

Н. А. ШЕВЕЛЕВ

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ

В статье рассматривается натурное (физическое) и математическое моделирование процесса непрерывного литья в мини-установке разливки драгоценных металлов, переоборудованной для литья стали и ее сплавов. Определен ряд характеристик процесса, таких как оптимальные скорости литья и начальная температура плавления сплавов. Для расчетов использован пакет прикладных программ (ППП) «Полигон».

Ключевые слова: непрерывное литье, отливка, кокиль, изложница.

Работа выполнена в рамках постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2012 г. № 218, договор № 02.625.31.0068.

В современной металлургии большинство сплавов разливают методом непрерывного литья. Метод получил большое распространение по следующим причинам:

— на выходе получаются заготовки с большой степенью химической однородности по длине и поперечному сечению, что обеспечивает стабильные механические свойства и повышает надёжность работы металлоизделий;

— отливки получаются плотными, так как высокий градиент температур по сечению отливки внутри кристаллизатора и постоянное пополнение расплава в его полости создают предпосылки для направленного затвердевания и непрерывного питания отливки;

— при рассматриваемом процессе получается малое количество обрези;

— при необходимости можно получать заготовки неограниченной длины;

— процесс непрерывного литья позволяет снизить затраты электроэнергии.

Однако, как и любому технологическому процессу, непрерывной разливке присущи недостатки:

— непрерывное литье не позволяет получать отливки сложной пространственной геометрии;

— непрерывное литье не позволяет провести разливку сталей некоторых марок, например, кипящих.

Кроме того, описать процесс непрерывной разливки сплавов математически сложно ввиду того, что

дифференциальные уравнения и краевые условия, описывающие непрерывную разливку, нелинейные. Следовательно, для выполнения расчетов и численного анализа процесса необходимо привлечение специализированных пакетов прикладных программ ППП [1].

В настоящее время существует ряд ППП, позволяющих моделировать процесс непрерывного литья. Но для получения качественных отливок необходимо комплексно подходить к решению данного вопроса. Недостаточно просто построить математическую модель и выполнить численное моделирование. Требуется подобрать такие параметры мини-установки и процесса разливки, чтобы получить максимальную выходную эффективность. На первом этапе моделирования это можно выполнить простым варьированием параметров. Затем в дальнейшем сформулировать задачу оптимизации процесса разливки. С этими задачами, как показывает анализ существующей научно-технической литературы, связан вопрос прочности конструктивных элементов установки для отливки тугоплавких металлов, который изучен недостаточно.

Таким образом, учитывая приведенные выше замечания, можно сформулировать научную и практическую цель работы. В научной части, на наш взгляд, интересно сопоставить возможности различных ППП, с помощью которых адаптировать к процессу

разливки существующие в этих пакетах математические модели и выполнить численное моделирование процесса непрерывного литья. Полученные результаты численного моделирования могут быть полезны технологам и специалистам, занимающимся проблемами непрерывного литья.

Стандартная схема установки непрерывной разливки стали представлена на рис. 1. Установка включает в себя приспособление для заливки металла (1), кристаллизатор (2), вытягивающие ролики и форсунки (3). В кристаллизаторе происходит первичное охлаждение, жидкая отливка покрывается твердой коркой. Вытягивающие ролики и форсунки находятся в зоне вторичного охлаждения. Из форсунок подается струя холодной воды, полностью охлаждающая заготовку.

В работе рассмотрена мини-установка, которая состоит из двух частей. Первая — это массивный щиток с проводкой, трубами для охлаждения, элементами управления и сама индуктивная печь, в которой происходит нагрев и разливка. Данная установка является физической моделью, имитирующей процесс непрерывного литья. В печь изначально закладывается небольшое количество металла, нагревается и имитируется только небольшой промежуток времени процесса непрерывного литья. И, так как непрерывное литье — это процесс установившийся, для его описания достаточно рассмотреть небольшой временной интервал.

Для моделирования процесса непрерывного литья и расчета температурных полей рассмотрим небольшую конструкцию, которая размещается в индуктивной печи (рис. 2). Она включает в себя тигель, в котором изначально размещается металл для литья; кокиль, через который с постоянной скоростью происходит вытяжка металла; кристаллизатор, который охлаждает металл посредством отвода тепла с помощью воды при постоянной температуре 90°.

В кокиль в твердом виде закладывается металл. Затем его нагревают до необходимой температуры. После этого в течение небольшого промежутка времени вытягивается металл при определенных заданных параметрах, моделируя тем самым процесс непрерывного литья.

В работе рассмотрена модель установки непрерывного литья, которая изначально предназначалась для литья драгоценных металлов. С возможностью ее дальнейшего применения как универсальной установки было решено отливать и другие металлы.

При первых попытках литья недрагоценных металлов на еще не модернизированной установке, процесс литья обрывался. Обрыв мог быть обусловлен как закупоркой кокиля, вследствие раннего затвердевания металла, так и обрыва заготовки из-за того, что металл выходил недостаточно охлажденный.

Для исключения прерывания процесса литья и получения на выходе качественной и однородной отливки необходимо решить следующие задачи:

— смоделировать процесс нагрева отливки с формой, а также сам процесс непрерывного литья;

— подобрать оптимальную скорость вытяжки и начальную температуру отливки;

— рассчитать тигель и кокиль на прочность, исходя из новых температурных режимов;

— подобрать вставки в форму (в случае, когда конструкция кокиля не выдерживает высокие температуры, подбираются вставки, к примеру, керамические);

— уменьшить зернистость для получения более качественной отливки путем внедрения вибрации.

Рис. 1. Схема установки непрерывной разливки стали: приспособление для заливки металла (1), кристаллизатор (2), вытягивающие ролики и форсунки (3)

Рис. 2. Конструкция, в которой плавится, а также вытягивается сталь: кокиль (1), тигель (2), кристаллизатор (3), отливка (4)

Ниже рассмотрены первые две задачи.

Математическая постановка процесса непрерывной разливки. Допущения: слиток вытягивается из кристаллизатора с постоянной скоростью Ш. Циркуляция жидкого ядра слитка характеризуется локальной скоростью V. Вследствие теплоотвода в зонах кристаллизатора образуется слой затвердевшего металла, толщина которого возрастает в направлении вытягивания слитка.

Тепловые явления, сопровождающие процесс формирования слитка, описываются уравнением переноса тепловой энергии

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

0 мин 10 мин 20 мин 30 мин 40 мин

Рис. 3. Температурное поле отливки с формой

рс|| + V • УТ1 = У(1ДТ) +

(1)

где р — плотность, с — теплоемкость,

V — скорость циркуляции жидкого ядра,

Т — функция температуры от времени,

1 — коэффициент температуропроводности,

Л — функция относительного содержания твердой фазы в элементе объема, изменяющаяся только в пределах двухфазной зоны,

— объемный источник джоулева тепла. Кристаллизация непрерывного слитка, сопровождаемая конвекцией жидкой фазы, описывается системой дифференциальных уравнений [2]

— переноса тепловой энергии

ЗТ 2

— + V • УТ = а эУ2Т +

а э

РСэ

уравнение переноса примеси

— + V УБ = £ЭУ2Б,

^ э уравнение завихренности расплава

— + V • Ую = У2 га + СтУГ,

(2)

(3)

(4)

— уравнение Пуассона, характеризующее связь между функцией тока и завихренностью:

р=-У2ш, (р = Ух^. (5)

В начальный момент времени расплав равномерно перегрет, имеет исходную концентрацию примеси и неподвижен. Температура на наружной поверхности слитка определяется из условия радиационноконвективного теплообмена (граничное условие третьего рода):

|Т = В;(Тп - Те), ап

(6)

где В. = (ак + ац)Ь/1 — критерий Био, п — нормаль к поверхности слитка, аи = а0Хпр(Тп + Тс)(Тп2 + Тс2)Тз3(Б0) — коэффициент теплоотдачи излучением.

В нижней части расчетной области (г = Н) принимается условие постоянства плотности теплого потока (условие продолжимости) (рис. 1):

= 0.

(7)

Система дифференциальных уравнений (1) — (5) вместе с краевыми условиями (6) — (7) составляют математическую формулировку задачи. Поставленная задача нелинейна. Сопряженность и нелинейность существенно затрудняют решение краевой задачи и предполагают использование численных методов с дальнейшим вычислительным экспериментом [3].

Для численного решения поставленной задачи разработан ряд ППП, моделирующих процесс непрерывного литья. Наиболее известные из них — зарубежный РгоСав1 и отечественный «Полигон». После проведенного анализа результатов предварительного моделирования в этих пакетах был выбран для проведения расчетов ППП «Полигон». Выбор обусловлен тем, что он содержит в себе все необходимые модули в одном пакете, в то время как в РгоСав1 нужно подключать дополнительный модуль для расчета непрерывной разливки.

В среде «Полигон» смоделирован процесс нагрева отливки с формой. Для решения заданы свойства материала: плотность, теплоемкость, теплопроводность, теплота затвердевания для отливки; теплоемкость и теплопроводность для формы, а так же коэффициент теплопередачи между формой и отливкой. В результате численного эксперимента получено температурное поле, приведенное на рис. 3.

Имея температурное поле отливки и формы, можно смоделировать процесс непрерывной разливки стали. Задается скорость вытяжки, указываются скользящие границы и получается модель непрерывного литья.

Полученная модель позволяет изменять входные параметры и наблюдать каким образом изменится температурное поле отливки. В свою очередь, зная температурное поле движущейся отливки, можно наблюдать местоположение зоны затвердевания и, маневрируя входными параметрами, управлять ее местоположением относительно кокиля. Тем самым предотвращается затвердевание отливки в зоне перехода из тигля в кокиль, так как это приводит к закупориванию последнего; и выход отливки из кокиля в жидком виде, что привело бы к обрыву самой отливки.

Так как сама модель не показывает критические моменты процесса, а только численные данные, необходимо выбрать такие параметры, которые бы в реальном процессе отвечали за стабильность, обрыв или закупорку.

На рис. 4 приведено изменение температуры отливки по мере ее вытяжки. Кристаллизация проис-

З2Т

Рис. 4. Вытягивание отливки

Допустимая скорость вытягивания отливки

Допустимая начальная температура

о к а

Кривая

затвердевания -Закупорка кокиля

Обрыв отливки

Скорость (мм/с)

Рис. 5. Зависимость скорости вытягивания от места затвердевания

а

X S d с!

Температура (С)

Рис. 6. Зависимость начальной температуры от места затвердевания

ходит ровно посредине кокиля, что обеспечивает процесс литья непрерывным.

На рис. 5 представлена зависимость скорости литья от места затвердевания металла в форме. По графику видно, что при скорости меньше 4,5 мм/с затвердевание происходит в самом начале отливки как раз в том месте, где проток для металла сужается и, соответственно, может произойти закупорка металла. При скорости больше 20 мм/с видно, что металл в жидком состоянии доходит почти до конца формы и обрываться при выходе из кокиля. Оптимальная скорость, при которой процесс литья непрерывен, находится в диапазоне от 4,5 до 20 мм/с.

На рис. 6 представлена зависимость места затвердевания от разной начальной температуры, при которой процесс литья будет запущен.

Выводы. Для получения цельной, однородной и качественной отливки были смоделированы процес-

сы нагрева отливки с формой и непрерывного литья. Создана математическая модель, позволившая варьированием входными параметрами изменять положение затвердевания отливки относительно тигля и, соответственно, положение зоны кристаллизации. Это позволяет избежать закупорку и обрыв отливки. При этом были выбраны оптимальные диапазоны значений таких характеристик непрерывного литья, как скорость и начальная температура

Библиографический список

1. Бигеев, А. М. Металлургия стали / А. М. Бигеев. — М. : Металлургия, 1987. — 479 с.

2. Kotova, Yulia. DISSERTATION zur Erlangung des akade-mischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.), vorgelegt von Dipl / Yulia Kotova. — Ing, 2010. — 140 p.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

3. Цаплин, А. И. Теплофизика внешних воздействий при кристаллизации стальных слитков на машинах непрерывного литья / А. И. Цаплин. — Екатеринбург : Изд-во УрО РАН, 1995. - 238 с.

ВАВЕЛЬ Дмитрий Леонидович, аспирант кафедры «Динамика и прочность машин».

ШЕВЕЛЕВ Николай Алексеевич, доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе

Адрес для переписки: vdiman@list.ru

Статья поступила в редакцию 21.01.2013 г.

© Д. Л. Вавель, Н. А. Шевелев

УДК 621.923.5 И. И. КОШУКОВ

Омский государственный технический университет

ПРЕЦИЗИОННАЯ ДОВОДКА ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ____________________________________

Проведено исследование процесса финишной обработки плоскопараллельных поверхностей высокоточных деталей. Выведена формула математической модели равномерного износа рабочей поверхности притира. Представлены шаги проектирования реального устройства для доводки плоскопараллельных поверхностей. Даны рекомендации практического применения материалов исследования в рамках современного производства.

Ключевые слова: прецизионная доводка, математическая модель, удельная работа, масштабный фактор.

Тема статьи относится к области машиностроения и касается исследования процесса абразивной доводки плоскопараллельных поверхностей, принадлежащих деталям плунжерного насоса и агрегатам топливной системы современных летательных аппаратов.

Пары трения плунжерных насосов работают в экстремальных условиях высоких скоростей и высоких давлений. Характерным отказом работы насосов являются запредельный износ трущихся поверхностей, повышенная утечка топлива, избирательный перенос металла. Причина отказов чаще всего кроется в качестве обработки поверхностей трения.

Современная техника требует ужесточения технических требований к деталям топливной аппаратуры. Точность геометрических форм в пределах 1,0 мкм становится нормой производства и выдвигает встречные требования технологической оснащенности, т.е. создания оборудования, позволяющего выполнять поставленные задачи.

Для достижения цели обычно используют абразивный способ доводки. Обработку плоскопараллельных поверхностей производят на станках с двумя дисковыми притирами. Детали располагают между притирами на плоских кольцевых дорожках и сообщают им относительное перемещение, состоящее из главного и вспомогательного движения. Главное движение определяет интенсивность съема припуска и формирует геометрию рабочей поверхности притира. В зоне обработки происходит взаимная притирка поверхностей детали и притира. Процесс протекает в абразивной среде в режиме давления, относительного перемещения и длительности контакта. При этом абразивные зерна выполняют работу, которая затрачивается как на снятие припуска, так и на износ рабочей поверхности притира. Эта

работа определяется зависимостью, которая в научнотехнической литературе общепризнанно выражается формулой Престона:

А = ! Р V Т, (1)

где А — полная работа абразивных зерен, затраченная на снятие припуска детали и на износ рабочей поверхности притира, ! — коэффициент трения, Р — рабочее давление абразивных зерен на контактирующих поверхностях детали и притира, V — средняя скорость относительного перемещения детали и притира, Т — время контакта трущихся поверхностей.

Формообразование плоской поверхности детали происходит методом копирования рабочей поверхности притира, поэтому конечный результат доводки зависит от состояния его рабочей поверхности, особенно в завершающей стадии цикла обработки. На этом этапе вступает в силу известная аксиома: обрабатываемая поверхность детали есть зеркало рабочей поверхности притира, т.е. равномерный износ рабочей поверхности притира является определяющим элементом технологического процесса. Создание «идеальной» исходной формы рабочей поверхности притира и сохранение ее на протяжении всего цикла доводки становится первоочередной задачей технологического процесса.

Однако уравнение формулы (1) в таком виде не отражает качественную сторону процесса. Работа сил трения, затраченная на снятие припуска и износ притира, выражает количество снятого материала по принципу где больше, где меньше, поэтому не может отвечать требованиям равномерного износа притира. Равномерному износу противодействует ряд различных факторов, подразделяющихся на технологические, кинематические, динамические и масштабные факторы. В исследуемом процессе, выра-