Способ управления литейными процессами

: .ТЕНТЩ- ТЕ:ц,"1,Р;. -Д. Г"гг.Ьп т а вОБРЕТ Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам ОПИСАНИК ПАТЕНТУ(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫМИПРОЦЕССАМИ(57) Использование: в металлургии и литейном производстве, что позволяет вести оперативный контроль литейного процесса и качества получаемойотливки 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 теплофизичес(и) ЗШ пп 2 ЙОЯ 880 С 1(5 Ц В 2 Р 46 00 кими характеристиками, и с расположенными по ходу теплового потока через тегцтоотводящие элементы 3 и 4 термодатчиками 6. Причем число тел. поотводящих 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.КИзобретение относится к литейному производству, в частности к технологии управления литейными процессами.В литейной форме в период разливки и эатвердевания металла протекают физико- химические 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.Ч (х) = - 4 (Т)ат о,х где А (Т) - коэффициент теплопроводности материала теплоотводящего элемента;Х - координата длины теплоотводящеЗ 0 го элемента,определяют тепловые потоки ц(х), отводимые по теплоотводящим элементам, определяют коэффициенты теплоотдачи а(Т) от расплава к поверхности и температуру З 5 Тр(х) расплава в контролируемой локальной зоне по формулам а(Т) =г. 1(х) = Т (х) где Т 1(х) и Тн 1( г) - температурыринимающих поверхностей тещих элементов,Г - площадь теплововоспринимаюповерхности,а ввод в литейную форму окислител50 становителя или инертного газа присходя из обеспечения условия тепловосп- плоотвъдяя, восоводят,а, а(Т) а 55 Тр,н Т (х)Тр Тр, - нижнее и верхнее ия соответствующего па 4 4где аа.Тр,н допустимые значенраметра,Целью изобретения является повышение качества отливок.Укаэанная цель достигается тем, что визвестном способе управления литейными 5 процессами, предусматривающем ввод влитейную форму окислителя, восстановителя или инертного газа в зависимости от хода процесса, за контролируемыми локальными участками тепловоспринимающей поверх ности литейной формы перпендикулярно кней и параллельно друг другу устанавливают несколько теплоотводящих элементов, изготовленных из материалов с различными теплофизическими характеристиками и с 15 расположенными пс ходу теплового потокачерез каждый теплоотводящий элемент не менее, чем двумя термодатчиками, с помощью установленных термодатчи кое измеряют температуру теплоотводящих 20 элементов, путем совместной обработкитемпературных измерений с помощью математического выражения:2000880 р =Т+Ф ло туры т й теп отво 40 й попринима я, восоводят,у окислите го газа и ловия)а Трн Тр(т)Тр,й процесс теплового взаимодействия между контролирумым локальным участком 1 и тепловоспринимающей поверхности литейной формы 2 и расплавом 5, Например, в случае, когда между контролируемым участком и расплэвом существует только клц кБлагодаря 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 тепло- отводящий элемент не менее, чем двумя термодатчиками, с помощью установленных термодатчиков измеряют температуру теплоотводящих элементов, путем совместной обработки температурных измерений с помощью математического выражения ц (г) =- А (Т) а Хат, 0,где А Щ - коэффициент теплопроводности материала теплоотводящего элемента,Х - координата длины теплоотводящего элемента,определяют тепловые потоки ц(т), отводимые по теплоотводящим элементам, определяют коэффициенты теплоотдачи а Щ от расплава к поверхности температуры Тр( т) расплава в контролируемой локальной зоне по формулам где Т(г) и Тм(т) - темпе ринимающих поверхнос щих элементов,Е - площадь тепловос еерхности,а ввод в литейную форм становителя или инертн исходя из обеспечения у фФгде аа,Трндопустимые эначпараметра,становится возможным вести оперативныйконтроль литейного процесса и качестваполучаемой отливки (например. эоны выделения газа, взаимодействия расплава с формой, начало образования газовых раковинместа их расположения, интенсивность раз, Тр,в - нижнее и верхнее ения соответствующего 5 10 15 20 25 30 вития и др.) непосредственно в ходе процесса и. следовательно, проводить необходимую корректировку параметров по ходу литейного производства. что позволяет повысить качество продукции литейного про. изводства 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 термодатчикэми 6.С целью создания одномерного теплового потока через теплоотводящие элементы 3 и 4 они могут быть помещены в теплозащитный материал(нэ 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(ц) через теплоотводящие элементы термодатчиками 6,Число устанавливаемых теплоотводящих элементов 3 и 4 выбирают равным числу неизвестных параметров, определяющих(3) 20 тивный теплообмен и неизвестными являются температура расплава (Тр) и коэффициент теплоотдачи ( а ) от расплава к поверхности контролируемого участка 1, используют два теплоотводящих элемента 3 и 4. Теплоотводящие элементы 3 и 4 изготавливают иэ материалов, имеющих различные теплофизические характеристики. В реализованном примере использовались теплоотводящие элементы иэ углерода с А,5 Вт/мК и полуграфитового материала с АВт/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 ц 1 и цг, отводимые по ним, будут также различны. Из-за различия величин тепловых потоков ц 1 и цг температуры наружной поверхности 1 в местах установки теплоотводящих элементов 3 и 4 будут также различны.В этом случае можно записать систему уравнений, определяющую процесс тепло- обмена 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 уравненийц 1= а(Тр-Т 1), (1) цг= а(Тр-Тг), (2) где ц 1 и цг - плотности тепловых потоков через теплоотводящие элементы;Т 1 и Тг - 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 контролируемо 25 30 35 40 45 50 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 (1 К 2),Система уравнений (1 Н 2) представляет собой систему двух уравнений с двумя неизвестными Тр и а,Решая систему уравнений(1) - (2) относительно неизвестных Тр и а можно получить Тр = ц 1 + Т 1 (4)Тг - Т 1ц 1 - цг По ходу литейного процесса измеряют температуру теплоотводящих элементов (на чертеже термодатчики 6). По результатам температурных измерений из решения обратной задачи теплопроводности независимо от характера нестационарности теплового режима определяют величины тепловых потоков ц 1 и цг. отводимых по теплоотводящим элементам, и температуры Т 1 и Тг 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 Тр( г) 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 цюбернц плит и шпи 2000880 1 Онельных 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 - показания датчика с шагом установки 20 мм, П - показания датчика с шагом 50 мм.Плотность теплового потока ц, 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 огнеупоромВ начальный период разливки г-О - 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 термического контактного сопротивления вызвано появлением 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 теплоотдачит = 60 с).В период г =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 теплоотда чи на уровень, определяемый соотношениема а(Т) ае,1 Огде согласно полученным данным (фиг. 2-6)можно принять а и - 700 Вт/м К; а е - 900Ф (Вт/м К и температуры расплава на уровеньгФТр,н 5 Тр 5 Тр,егде Тр,н -1300 С; Тр,еС,наблюдается стабилизация всех процессовв зоне контакта металла с огнеупором,20 В ходе литейного процесса результатыизмерений температуры через согласующееустройство передаются на ЭВМ, где происходит обработка информации и вывод наэкран дисплея.25 Таким образом, в отличие от используемых предложенный способ позволяет проводить оперативный контроль процессов награнице расплава с формой. что, в свою очередь, позволяет вести своевременное и це 30 ленаправленное воздействие на ходлитейного процесса, что способствует повышению качества литейного п роизводства.Кроме этого, предлагаемый способ позволяет осуществить автоматизацию литейных процессов, снизиь их трудоемкость,улучшить условия труда,Предполагаемый экономический эффект от предложенного способа выражается в сокращении затрат производства с4 р использованием литейных процессов. повышении качества выпускаемой продукции,процентном снижении бракованной продукции.45 (56) Авторское свидетельство СССР1 Ф 531656, кл. В 22 О 47/02, 1975,.Ь,1Фкт г вт вв тв вв а 5 59 И 5 Мое Зювнв, сээ )вв ФФ Зверев, с Ф 5 ьь ивеа, св,С ьт/ьвв, фс/щ ьв ьвфнв, с файв б Составигель Т,К ьолевТехред М,Мор гал едакор Л,Самерханов Коррекгор О.Кра Заказ 310 Потентакая наб исное ти 0"1"Поиск" Рос а, Ж, Рауш роизаодственно-издатель:кий коь бинат "Патент", г, Ужгород ул Гаарина 1 Фоом, ля тзобре гения спосОь упРАВ/11 ия 31 ит( иь 1 ми пРОцессА ми, предусматривающий ввод в литейную форму окислителя, восстановителя или инертно о газа е зависимости от хода процесса, отличающийся тем что, с цельюповышения качества отливки, за контролируем ми лакал,ными участками ,тепловоспринимающей поверхности литейной формы перпендикулярно к ней и параллельно друг другу устанавливают несколько теплоогводяших элементов, изготовленных из материалов с различными теплофиэическими характеристиками и с рэспотоженными по ходу тепоаого отока через каждый т.плс,7 тподяций элемент не менее чем двумя термодатчиками, с помощью установленных термодатчиков измеряют температуру теплоотводящих элементов г 1 утем совместной обработки температурных измерений ", помоцью математического выражения7 .71 в )ц т): -7; 7 )- где Л( Г 1 козффициет теплопроводности материала т;плооно ящего элемента; Х - координата длины теплоотводящегоэлемента,определяют тепловые потоки 01(г), отводимые по теплоотводящим элементам, определяют коэффициенты теплоотдачи и(Т) отрасплава к поверхности и температуруТр(г) расплава в контролируемой локальной зоне по формулам7,(т) -7;+ 1(т)п(7) = - ,10 Г 7,(т)-тГ+,(т)Т 1 (т)- Т+1(т)7 р(т)=7( (т)+7 (т)дв (т)-д,+1(т)где Т 1 (т) и Т 1+1(г) - температуры тепловоспринимающих поверхностей теплоотводящих элементов,Г - площадь тепловоспринимающеи по.верхности,а ввод в литейную форму окислителя, вос 20 станоаителя или инертного газа проводят,исходя из обеспечения условияа а(Т) агав77 р(т)7 р,Фгде ин ив, Тр,н Тр,в нижнее и Верхнее допустимые значения соответствующего параметра,