Способ регулирования температурного режима установки для получения слитков с направленной кристаллической структурой

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1759543 2 Р 27/04 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВТОРСКОМ ИДЕТЕЛЬСТВ(21) 4865256/ (22) 10.09.90 (46) 07.09,92. (71) Киевский сьезда КПСС (72) А.М.Митю рыгин, В.Ф.Зу (56) Авторское В 1088875, кл ряев, Г.И.Недужий, Н.В,Шабрилов и В.Б.Покидышевсвидетельство СССР. В 22 Р 27/04, 1982. ОСУДАРСТВЕНЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР юл. ЬВ 33нститут автоматики им. ХХЧ(54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СЛИТКОВ С НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ (57) Использование; в специальной металлургии сплавов, в частности, при получении отливок постоянных магнитов с направленной кристаллической структурой, Сущность изобретения: способ позволяет повысить качество структуры и увеличить выход годИзобретение относится к автоматическому управлению в специальной металлургии сплавов, в частности к получению отливок постоянных магнитов в установках для получения слитков с направленной кристаллической структурой.Известны способы регулирования температурного режима в установках для получения слитков с направленной кристаллической структурой, согласно которым регулирование температурного режима обеспечивают путем стабилизации параметров высокочастотного генератора, питающего нагреватель индуктора, и скорости его перемещения, При этом в зависимости от типа выплавляемых отливок стабилизиного по магнитным свойствам. Для этого температуру жидкого металла Измеряют пирометром выще фронта кристаллизации и определяют отток тепла от торцов отливок ниже фронта кристаллизации холодильниками. Скорость перемещения индуктора регулируют в зависимости от температуры жидкого металла и величины теплового потока по формуле Ч= дх/ рСр(Тр-Т,р) + 1.) р, где Ч - скорос ь перемещения индуктора, м/с; Ср - теплоемкость жидкого металла, кДж/кг. К; дх - тепловой поток, отводимый от поверхности отливок, кВт; ТР, Т,Р - температура соответственно расплава и кристаллизации, К; . - скрытое тепло кристаллизации, кДж/кг; р - плотность3, сплава, кг/м; р - тепловоспринимающая с поверхность торцов отливок)-типа магнита. руют скорость перемещения индуктора от 4 (Л до 8 мм/мин (см, например, Сергеев Б.В., О Булыгин Т,И, "Магнитотвердые материалы" (Я М., "Энергия", 1980. с.167 - 168) либо в про- фь, цессе направленной кристаллизации посто- ( р янных магнитов измеряют температуру печи-кристаллизатора в точке, расположенной в верхней внутренней части футеровки печи, стабилизируют измеряемую температуру на заданном уровне путем воздействия на высокочастотный генератор, осуществляют. перемещение индуктора с постоянной скоростью вдоль отливок и охлаждают холодильником нижние торцы от- . ливок (см, Васильев А.Д. и др, "Система авторегулирования температуры печи кри 1759543,10 15 20 25 сгаллизатора" - Труды ВНИИЗП "Применение магнитотвердых материалов в электро- измерительной технике". 1975, с.59-65.Недостаток указанных способов заключается о отсутствии обратной связи от процесса. а стабилизация температуры в верхней внутренней части футеровки печи компенсирует случайные возмущения температурного режима, вызванные подсосами воздуха, изменения характеристик нагревателя, колебаниями электрических параметров высокочастотного генератора, но не учитывается направленность и интенсивность теплоотвода из зоны кристаллизации, которые являются определяющими факторами направленности текстуры отливок,Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ (см. авт.свид. СССР % 1088875, кл. В 22 О 27/04), включающий подогрев литейной формы индуктором-нагревателем, заливку в нее расплава, ведение процесса направленной кристаллизации охлаждением залитого расплава нижним стационарным холодильником с одновременным перемещением вверх индуктора-нагревателя, воздействие на высокочастотный генератор, питающий индуктор-нагреватель, в соответствии с температурой его футеровки, причем скорость перемещения индуктора изменяют по формулеЧ Т, (1) где Ч- скорость перемещения индуктора;Т - температура холодильника;Я - коэффициент пропорциональности,Недостаток указанного способа заключается в том, что температура торцового холодильника в формуле (1) является допустимой объективной мерой направленного теплоотвода от поверхности отливок ниже фронта кристаллизации только в момент заливки жидкого расплава в литейные формы. После образования затравки и отрыва торцов отливок от поверхности холодильника вследствие усадки металла при затоердевании температура холодильника в модели (1) быстро падает (в течение 40-70 с) и становится равной температуре подаваемого в холодильник хладоагента; Управление скоростью перемещения индуктора по формуле (1) не обеспечивает качественной структуры роста кристаллов, так как она после образооания затравки не отражает реального отвода тепла от поверхности отливок ниже фронта кристаллизации.Целью изобретения является повышение качества направленной структуры отливок и увеличение выхода годного пома гнитн ым свойствам. 35 40 45 50 Для этого в способе регулирования температурного режима установки для получения слитков с направленной кристаллической структурой. включающем подогрев литейной формы индуктором-нагревателем, заливку в нее расплава, ведение процесса направленной кристаллизации охлаждением залитого расплава нижним стационарным холодильником с одновременным перемещением вверх индуктора-нагревателя, воздействие на высокочастотный генератор, питающий индуктор-нагреватель в соответствии с температурой его футеровки, охлаждение ведут дополнительно с использованием бокового подвижного холодильника, измеряют температуру расплава выше фронта кристаллизации и определяют величину отводимого холодильниками теплового потока от поверхности отливок ниже фронта кристаллизации, при этом скорость перемещения индуктора-нагревателя относительно литейной формы регулируют в зависимости от температуры расплава и величины теплового потока из математического выражения Ях(2)р(ср(тр -т)+1)ргде Ср - теплоемкость расплава. кДж/кг К;цх - тепловой поток, отводимый от поверхности отливок ниже фронта кристаллизации. кВт;Тр, Тр - температура соответственно расплава и кристаллизации, С;1 - скрытое тепло кристаллизации, кДж/кг;Р- онос расплава, кг/м3,р -тепловоспринимающая поверхность2 торцов отливок )-типа магнитов, м-,Качество микроструктуры литых магнитов определяется направленностью и интенсивностью потока тепла, отводимого из зоны кристаллизации в осевом направлении на протяжении всего периода вытяжки кристаллов, Требуемая направленность и интенсивность отвода тепла обеспечивается, если согласовать подачу хладоагента в холодильники со скоростью перемещения индуктора, В заявляемом техническом решении это достигается в результате применения более сложной модели управления (формула 2), которая по сравнению с моделью прототипа (формула 1) с большей степенью адекватности отражает процесс роста кристаллов или движение фронта кристаллизации относительно поверхности неподвижного холодильника, Это достигается за счет учета основных факторов роста кристаллов- это величины отводимого теплово 1759543го потока дх, температуры жидкого расплава Тр, а также теплофизических свойств сплава: теплоемкости Ср, температуры кристаллизации Тхр, скрытой теплоты кристаллизации (, плотности р и тепловоспринимающей поверхности торцов отливок (б). Модель, представленная формулой (2) и реализуемая в виде программы управления, обеспечивает стабилизацию перемещения индуктора в соответствии со скоростью роста кристаллов, которая определяется величиной подачи хладоагента. При этих условиях обеспечиваются наилучшие условия образования кристаллов и получения высокого качества текстуры литых заготовок постоянных магнитов. Тепловой поток, отводимый от поверхности торцов отливок ниже фронта кристаллизации, определяют путем непрерывного контроля потока хладоагента и его температуры на входе и выходе холодильников по зависимости Ях = Св 01 (С 1 вых С 1 вх) + 02 (С 2 еых С 2 ех)11 (3) где дх - общий отток тепла от поверхности отливок ниже фронта кристаллизации, кВт;01, Ог - расходы хладоагента соответственно неподвижного и подвижного холодильников, кг/с;Св - теплоемкость хладоагента, кДж/кг К;С 1 вх, С 1 вых - ТЕМПЕратурц ХЛддаГЕНТЭ На входе и выходе неподвижного холодильника, К;С 2 вх, С 2 вых - тЕМПЕРатУРЫ ХЛаДаГЕНта На входе и выходе подвижного холодильника, К.П р и м е р, Производится вытяжка кристаллов магнита типа 0960 с геометрическими размерами: диаметр отливки д = 21 мм; число отливок и = 27; длина отливки Нср = 500 мм, на печи "Кристаллизатор" из сплава ЮН 15 ДК 25 БА с теплофизическими свойствами: плотность р = 7100 кг/м; тепз, лоемкость Ср = 0,63 кДж/кг К: температура Тхр кристаллизации 1395 С; скрытое тепло кристаллизации Е = 259 кДж/кг. На фиг.З приведены фактические кривые изменения расходов хладоагента 01, 02, температурц ХЛадаГЕНта На ВЫХОДЕ С 1 вых, С 2 вых, температуры жидкого расплава Тр, регистрируемые приборами по ходу вытяжки с начала аалинки жидкого металла в литейные формы, а также расчетные кривые изменения скорости роста криоталлов Ч и высоты закристаллизовавшейся части отливки Н(и) в периоды слива и частично вытяжки, которые выполнены микроконтроллером. Проведены расчеты для ряда точек, укаэанных цифрами на кривой %, а данныедля рас чета и результаты расчета для этих точексведены в таблицу.Первая точка 5 с после начала заливкиметалла,дх =18,5(60-40)+5,0(26-26) -11,7 КВт,60р=0,7850 п=0,7850,021 27=0,0094,Ч 1=10 11,7 100060 71000,00940,63 ( 1460 - 1395 + 25937,0 мм/мин.35 итд,Расчет высоты затвердевшей части отливки производится по формулеН(и) = Н(и) + ЧГГ, (4)где Н(и) - высота отливки за и-цикл расчета,40 мм;Н(и) - высота отливки за (и - 1) циклрасчета, мм;Ч - расчетная скорость движения фронта кристаллизации мм/мин;45 х - цикл расчета, мин.Пример расчета Н 1(и) по указанным точ-.кам не приведен из-за большой трудоемкости, поскольку цикл расчета должен быть неболее 0.1 с. Результат расчета, помещенный50 в таблице, взят по готовой кривой фиг.З.На фиг,1 приведено устройство реализации предлагаемого способа; на фиг,2 -блок-схема алгоритма функционированиямикропроцессора: на фиг.З - фактические55 данные изменения контролируемых параметров.Устройство (фиг,1) включает литейныеформы 1, устанавливаемые на торцовый холодильник 2, индуктор 3 с встроенным в5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 него нагревателем 4 и закрепленный на станине 5 генератор 6, привод 7 для перемещения индуктора 3 с помощью винта 8, связанного со станиной 5, боковой холодильник 9, пирометр 10, микроконтроллер 11, регуляторы 12 и 13 расхода хладагента соответственно в холодильники 2 и 9, регулятор 14 мощности генератора б, регулятор 15 скорости перемещения индукторз 3. Холодильники 2 и 9 содержат соответственно на входах термометры 16 и 17 и регулирующие клапаны 18 и 19, на выходе - соответственно термометры 20 и 21 и расходомеры 22 и 23, а винт 8 оснащен датчиком 24 положения индуктора 3, Злектрические выходы термометров 16, 17, 20 и 21, расходомеров 22 и 23, пирометра 10 и датчика 24 связаны .с входами микроконтроллера 11, выходы микроконтроллера 11 - с входами регуляторов 12 - 15, Для направленного роста кристаллов служит затравка 25, верхняя граница которой образует фронт кристаллизации 26. Микроконтроллер 11 содержит программу функционирования, изображенную на фиг,2 в виде блок-схемы.Способ регулирования температурного режима установки для получения слитков направленной кристаллизацией осуществляют следуюним образом,Перед заливкой металла литейные формы 1 прогревают до 1530-1550 С нагревателем 4, подавая высокочастотное напряжение генератора 6 в контур индуктора 3, и одновременно перемещая его из верхчего в нижнее положение. В нижнем положении индуктора 3 литейные формы 1 заполняют сплавом металла с температурой 1620-1670 С, а через холодильники 2 и 9 пропускают хладагент, например воду, расход и температуру которой измеряют расходомерами 22 и 23 и термометрами 16, 17, 20 и 21. Литейные формы 1 открыты с обоих торцов и жидкий металл, соприкасаясь с холодной поверхностью холодильника 2, эатвердевает, образуя затравки 25 в каждой из литейных форм 1. Количество литейных форм 1 и их геометрические размеры определяются типом магнита. а теплофизические параметры - видом сплава. Микроконтроллер 11, связанный своими входами с выходами термометров 16, 17, 20 и 21, расходомеров 22 и 23, пирометра 10 и датчика 24, снимает результаты их измерений и заносит в память с помощью подпрограммы блока 2, производит вычисление величины теплового потока (д), скорости движения фронта кристаллизации (%) и высоты (Нп застывшейчасти металла реализующими блоками 3-5 программы функционирования микроконтроллера 11. В момент заливки металла блок 6(фиг.2) имеет признак "Да". По этому признаку микроконтроллер 11 выполняет функции сравнения расчетной высоты (Н( застывшего металла с заданной высотой (Нз) затравки 25, которая опытным путем устанавливается для печи-кристаллизатора и заносится в память микроконтроллера 11, По истечению времени, когда расчетное значение высоты застывшего металла станет рзвным или более величины затравки 25, микроконтроллер 11 включает привод 7 с помощью блока 9. Привод 7, вращая винт 8, перемещает станину 5 и жестко связанные с ней индуктор 3 с нагревателем 4 и пирометром 10. Движение станины 5 происходит до тех пор, пока фактическое положение (Н 1) ее относительно начального нулевого уровня, измеряемое датчиком 24, не сравняется с заданной величиной затравки 25 (Нэ), Сравнение производится блоком 8, После того как привод 7 остановлен блоком микроконтроллера 11, фронт кристаллизации 26 и верхняя грань поверхности подвижного холодильника 9 оказывается в одной плоскости, затравка 25 - в полости подвижного холодильника 9, а пирометр 10 свизирован выше фронта кристаллизации 26 на поверхности форм 1. Теплоотвод при таком расположении затравки 25 в каждой литейной форме 1 осуществляется только с поверхности затвердевшей части отливок, а градиент температур по оси отливок достигает максимума. За время роста затравки 25 и стабилизации фронта кристаллизации 26 температура жидкого металла литейных форм 1 выравнивается и пирометр 10 показывает усредненную температуру металла. С момента остановки роста затравки 25 начинают вытяжку. В режиме вытяжки блок 7 получает признак "Да". По этому признаку микроконтроллер 11 в соответствии с расчетной Скоростью движения фронта кристаллизации 26 формирует уставку блоком 10 регулятору 15, который, воздействуя на привод 7, перемещает нагреватель 4 индуктора 3 со скоростью, равной скорости роста кристаллов . Изменение скорости перемещения индуктора 3 при необходимости возможно только при изменении либо расхода хладагента в холодильники 2 и 9, для чего, воздействуя на регуляторы 12 и 13, переставляют клапаны 18 и 19 в новые положения, либо меняют темг 1 ературу жидкого металла (Тр), изменяя мощность генератора 6 при помощи регулятора 14. Процесс вытяжки столбчатых кристаллов продолжается до тех пор, пока высота положения станины 5 (Н 1), измеряемая датчиком 24, не окажется выше заданной длины (Нф) литейных форм 1, приэтом блок 13 (фиг.2) программы функционирования микроконтроллера 11 приобретает признак "Да". По этому признаку функцио-нирование микроконтроллера 11 прекращается и вытяжка столбчатых кристаллов 5 оканчивается. Расчетные значения высоты эакристаллиэовавшейся части металла относятся к отливкам, которые находятся в периферийных литейных формах 1. Расположение фронта кристаллизации 26 в фор мах 10, расположенных внутри блока, несколько отлично, что связано с экранизацией теплового потока периферийными трубками, но зто мало сказывается на качестве полученной микроструктуры отливок. 15 Прососы холодного воздуха в зазор между блоком литейных форм 1 и нагревателем 4 оказывают влияние только в моменты снятия крышки 27. Показания пирометра 10, используемые для расчета роста кристал лов, в эти моменты исключаются, а барутся значения его предыдущих показаний. Блок 2 включает фильтр, автоматически сглаживающий резкие колебания показаний пирометра 10, 25Реализация предложенного способа в промышленных условиях показала наличие более совершенной структуры, а именно, уменьшение угла разориентировки столбчатых кристаллов, уменьшение числа центров 30 кристаллизации,.и вследствие этого, отсутствие роста кристаллов в кристалле или выхода кристаллов на поверхность заготовки. За счет более совершенной столбчатой структуры заготовок выход годного по маг нитным свойствам увеличился на 12. Ф о рмул а изобретен ияСпособ регулирования температурногорежима установки для получения слитков с 40направленной кристаллической структурой,включающий подогрев литейной формы индуктором-нагревателем, заливку в нее расплава; ведение процесса направленной кристаллизации охлаждением залитого расплава нижним стационарным холодильником с одновременным перемещением вверх индуктора-нагревателя, воздействие на высокочастотный генератор, питающий индуктор-нагреватель, в соответствии с температурой его футеровки, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения качества направленной структуры отливок и выхода годного по магнитным свойствам, охлаждение ведут дополнительно с использованием бокового подвижного холодильника, измеряют температуру расплава выше фронта кристаллизации и определяют величину отводимого холодильниками теплового потока от поверхности отливок ниже фронта кристаллизации, при этом скорость Ч перемещения индуктора-нагревателя относительно литейной формы регулируют в зависимости от температуры расплава и величины теплового потока иэ математического выражения9СрТр - Тср ) + 1-01где С - теплоемкость расплава, кДж/кг К;д - тепловой поток, отводимый от поверхности отливок ниже фронта кристаллизации, кВт;Тр, Тя - температура соответственно расплава и кристаллизации, С;. - скрытое тепло кристаллизации, кДж/кг;р - плотность сплава, кг/м;з,д - тепловоспринимающая поверхность торцов отливок -типа магнита.1759543 Составитель А. Митюряеактор Е. Полионова Техред М.Моргентал И. Шмакова рре оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10 аказ 3139 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5