автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Применение устройств контролируемого отвода тепла с целью совершенствования тепловой работы установки непрерывного литья

ВВЕДЕНИЕ

Содержание

1. ТЕПЛОВАЯ РАБОТА УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЮВЕЛИРНЫХ СПЛАВОВ ЗОЛОТА.

1.1. Конструкция и особенности тепловой работы установки непрерывного литья FCC-07 mini OPDEL.

1.1.1. Режим охлаждения слитка.

1.1.2. Допустимый диапазон температур перегрева расплава.

1.2. Задачи совершенствования тепловой работы установки непрерывного литья FCC-07 mini OPDEL.

1.2.1. Повышение точности термометрии расплава. Состояние вопроса и цели исследования.

1.2.2. Интенсификация охлаждения слитка. Состояние вопроса и цели исследования.

2. ПРИМЕНЕНИЕ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛИРУЕМОГО ОТВОДА ТЕПЛА В КАЧЕСТВЕ ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ РАСПЛАВА.

2.1. Разработка устройства контролируемого отвода тепла.

2.2. Методика исследования.

2.3. Выбор и градуировка чувствительного элемента.

2.4. Оценка погрешности определения градуировочной характеристики.

2.5. Метрологические аспекты применения устройства контролируемого отвода тепла. Промышленный эксперимент и его результаты.

2.6. Математическое моделирование теплообмена в устройстве контролируемого отвода тепла метрологического назначения.

2.6.1. Постановка задачи и методика решения.

2.6.2. Адаптация и проверка адекватности математической модели.

2.6.3. Вычислительный эксперимент и его результаты. Сравнение устройства контролируемого отвода тепла с некоторыми из существующих датчиков температуры.

2.7. Выводы.

3. ПРИМЕНЕНИЕ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛИРУЕМОГО ОТВОДА ТЕПЛА ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ОХЛАЖДЕНИЯ СЛИТКА В УСТАНОВКЕ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ.

3.1. Математическое моделирование теплообмена в устройстве контролируемого отвода тепла технологического назначения.

3.1.1. Постановка и методика решения задачи.

3.1.2. Адаптация математической модели.

3.1.3. Вычислительный эксперимент. Определение оптимальных параметров охлаждающего устройства.

3.1.4. Определение допустимого диапазона температур перегрева расплава.

3.2. Технологические аспекты применения устройства контролируемого отвода тепла. Промышленный эксперимент и его результаты.

3.2.1. Проверка адекватности математической модели.

3.2.2. Фазовый состав и свойства слитка до и после реконструкции установки непрерывного литья FCC-07 mini OPDEL.

3.3. Выводы.

Проблема обеспечения контролируемого отвода тепла весьма актуальна в металлургии. Контролируемому охлаждению с целью повышения срока службы могут подвергаться агрегаты в целом или наиболее ответственные и нагруженные в тепловом отношении узлы нагревательных и плавильных печей. Так, например, в плавильных печах цветной металлургии с гарнисажной футеровкой охлаждается вся кладка в целом, в доменных печах водяное или испарительное охлаждение применяется в нижней части шахты, в области распара и заплечиков, в мартеновских печах подобным образом охлаждают подпятовые балки, в толкательных методических печах - глиссажные трубы, в крупных электродуговых печах - шлаковый пояс и т.д.

Контролируемому охлаждению с целью обеспечения заданных свойств могут подвергаться обрабатываемые в агрегате материалы или изделия. К таким агрегатам можно отнести закалочные ванны, литейные машины и устройства. Назначение контролируемого отвода тепла в подобных агрегатах - обеспечение необходимой скорости фазовых превращений в обрабатываемом материале.

Одним из видов устройств контролируемого отвода тепла являются бесконтактные датчики температуры, принцип действия которых заключается в определении температуры по значению теплового потока, отводимого от объекта измерения к чувствительному элементу.

По назначению устройства контролируемого отвода тепла, применяемые в металлургии, можно разделить на две группы - технологические и метрологические, выделив в первой группе устройства охлаждения агрегата и устройства охлаждения материала или изделия.

Оценивая актуальность задач, связанных с применением устройств контролируемого отвода тепла, необходимо отметить, что устройства охлаждения агрегата достаточно давно и подробно изучаются (например, [1]), поскольку их работа обеспечивает функционирование агрегата в целом.

Исследованию устройств охлаждения материала или изделия также посвящено множество работ ([2],[3],[4]), но большинство публикаций относится к области металлургии стали, алюминия и меди.

Устройства контролируемого отвода тепла метрологического назначения -бесконтактные датчики температуры также исследуются давно и подробно ([59]), но основной темой исследований являются датчики, в которых перенос тепла от объекта измерения к чувствительному элементу происходит радиационным путём. Менее исследованы датчики, основанные на переносе тепла за счёт конвекции, и лишь сравнительно недавно стали разрабатываться устройства, основанные на переносе тепла теплопроводностью. Последнее можно объяснить сложностью расчёта подобных устройств, предполагающей наличие вычислительных средств, появившихся только в последнее десять - пятнадцать лет.

Поэтому наибольший интерес для исследователя представляют устройства контролируемого отвода тепла теплопроводностью, причём представляется нецелесообразным рассматривать подобные устройства безотносительно к конкретному агрегату.

Выбирая металлургический агрегат, на примере которого следует рассматривать различные аспекты применения устройств контролируемого отвода тепла, необходимо, прежде всего, учесть степень его изученности с теплофизиче-ской точки зрения. Наибольшее количество теплотехнических работ посвящено агрегатам чёрной металлургии, в меньшей степени исследованы агрегаты цветной металлургии, а теплотехнические работы в области металлургии благородных металлов практически отсутствуют. Это объясняется большими объёмами производства стали, алюминия и меди и ориентированностью отечественной промышленности в недавнем прошлом прежде всего на производство средств производства.

Развивающиеся в России рыночные отношения способствуют смещению акцентов в промышленности в пользу так называемой «индустрии необязательного». В связи с этим всё большее значение приобретает металлургия благородных металлов и ювелирное производство.

Специфика ювелирного производства определяется значительной стоимостью сырья и высокими требованиями к точности состава металла. По этой причине большинство исследований в ювелирной промышленности посвящено вопросам ресурсосбережения, в то время как теплофизическим проблемам, в том числе технологическим и метрологическим аспектам применения устройств контролируемого отвода тепла, не уделяется должного внимания.

Таким образом, в качестве объекта исследования, позволяющего рассмотреть как технологические, так и метрологические аспекты применения устройств контролируемого отвода тепла, целесообразно выбрать агрегат, используемый в ювелирной промышленности. С одной стороны, в данном агрегате должно происходить охлаждение изделия или материала, предполагающее применение устройства контролируемого отвода тепла технологического назначения. С другой стороны, должна быть затруднена непосредственная (контактная) термометрия металла, что приводит к необходимости применения устройств контролируемого отвода тепла метрологического назначения. Наиболее полно указанным условиям удовлетворяют машины непрерывного литья заготовок (MHJI3), для нормальной работы которых необходим как локализованный и дозированный отвод тепла от слитка, так и точное бесконтактное измерение температуры расплава.

Крупное промышленное производство изделий из благородных металлов, так же, как и производство стали, меди и алюминия, предполагает непрерывное литьё и последующую прокатку слитка. Однако особенности применяемых в ювелирном производстве материалов и процессов приводят к определённым трудностям в эксплуатации установок непрерывного литья по сравнению с MHJI3 чёрной и цветной металлургии.

В установках непрерывного литья стали контролируемое охлаждение слитка производят лишь до точки полного затвердевания жидкой лунки и зона технологического процесса ограничена «металлургической длиной» MHJI3.

Интенсивность фазовых превращений, происходящих в стальном слитке после затвердевания, как правило, не регулируется путём изменения интенсивности охлаждения, поскольку слиток после MHJI3 направляется на горячую прокатку и фазовый состав конечного продукта (проката) будет зависеть лишь от условий охлаждения после прокатки, но не после кристаллизации. Иначе происходит получение проката ювелирных сплавов золота. Поскольку твёрдость подобных сплавов с температурой возрастает, то возможна лишь их холодная прокатка [10]. При этом фазовый состав изделия будет во многом определяться условиями охлаждения слитка после кристаллизации. Для весьма распространённых в ювелирном производстве сплавов золота 585 пробы к фазовым превращениям, способным существенно повлиять на свойства слитка, относится, прежде всего, распад твердого раствора золота, серебра и меди [10,11]. Известно, что при высоких температурах эти металлы имеют высокую взаимную растворимость, снижающуюся с уменьшением температуры. В случае медленного охлаждения слитка при определённой температуре происходит распад твёрдых растворов, гомогенность структуры нарушается, и пластичность металла падает. Распада твёрдых растворов можно избежать, применив резкое охлаждение (закалку), поэтому в установках непрерывного литья золота помимо зоны кристаллизации предусмотрена зона ускоренного охлаждения слитка. Поскольку интенсификация теплообмена в зоне ускоренного охлаждения способна привести к сокращению зоны кристаллизации и снижению качества слитка, возникает первая цель данной работы - организация строго локализованного и дозированного отвода тепла из зоны закалки с сохранением исходной длины зоны кристаллизации.

Актуальность второй цели данной работы - обеспечения достаточно точного измерения температуры расплава в установке непрерывного литья ювелирных сплавов золота - также объясняется спецификой переплавляемого в установке материала. Применение традиционных приборов контактной термометрии расплавов - погружных термопар - нецелесообразно вследствие высоких требований к точности состава расплава. Высокая растворимость металлов в металлических расплавах (даже в расплавах благородных металлов) известна. В случае разрушения защитной арматуры термопара растворится в расплаве, что приведёт к изменению состава последнего и, следовательно, к браку. Использование для термометрии пирометра, визируемого на зеркало металла, затруднено вследствие низкой и нестабильной степени черноты расплава. С другой стороны, технологически необходимая точность определения температуры расплава достаточно высока. Для ювелирных сплавов золота, как показано ниже, допустимая абсолютная погрешность измерения температуры имеет значение около 10-15°С.

В настоящей работе предлагается решить обе поставленные задачи - задачу термометрии расплава и задачу ускоренного охлаждения слитка - с помощью устройств контролируемого отвода тепла. Работа посвящена развитию идей В.В. Кобахидзе о возможности непрерывной термометрии и управления теплотехническими процессами путем контролируемого и регулируемого отвода тепла из зоны технологического процесса к внешнему охлаждающему устройству. Особенностью подобных систем является наличие в них высокотеплопроводных изо- или анизотропных элементов (тепловодов) и теплоизоляционных прослоек, обеспечивающих локализацию теплового потока, необходимую для повышения точности контроля и качества управления технологическим процессом. Исследование свойств таких систем производится путем математического моделирования процесса переноса тепла в области с резко неоднородными теплофизическими характеристиками.

Устройство контролируемого отвода тепла метрологического назначения, предлагаемое для измерения температуры расплава, является бесконтактным датчиком, в котором тепловой поток от объекта измерения передаётся к охлаждаемому чувствительному элементу по тепловоду; температура объекта при этом определяется по величине проходящего через чувствительный элемент теплового потока. Тепловод является каналом передачи информации об объекте, обеспечивающим быстрое прохождение сигнала с минимальными искажениями. Вопросам определения скорости передачи сигнала по этому каналу, поме9 хоустойчивости канала, а также сравнению предлагаемого средства термометрии с существующими устройствами посвящена вторая глава данной работы.

Устройство контролируемого отвода тепла технологического назначения, применяемое для ускоренного охлаждения непрерывного слитка, является охлаждающим устройством с контактной поверхностью, в котором тепловой поток от поверхности слитка передаётся к водяному холодильнику по тепловоду. Следует отметить, что лишь при анизотропной теплопроводности тепловода достижима должная локализации его охлаждающего воздействия. Исследованию взаимного влияния зон ускоренного охлаждения и кристаллизации слитка и определению оптимальной конструкции охлаждающего устройства посвящена третья глава данной работы.

Первая глава диссертационной работы является вводной и содержит анализ тепловой работы установки непрерывного литья, необходимый для проведения исследований, описанных во второй и третьей главах.

Основные результаты выполненной работы сводятся к следующему.

1. Проведён анализ тепловой работы установки непрерывного литья ювелирных сплавов золота. Обнаружена недостаточная скорость охлаждения слитка в зоне закалки, что приводит к распаду твёрдого раствора золота, серебра и меди и, как следствие, ухудшению структуры и пластических свойств слитка.

2. Экспериментально определена методическая погрешность измерения температуры перегрева расплава в установке непрерывного литья, определяющаяся наличием переменного теплового сопротивления между спаем термопары и расплавом. Определён допустимый диапазон температур перегрева расплава и доказано, что при существующем способе термометрии, вследствие его низкой точности, невозможно поддерживать температуру в допустимых пределах.

3. Задачи повышения точности термометрии расплава и ускоренного охлаждения слитка были решены с помощью устройств контролируемого отвода тепла метрологического и технологического назначения, представляющими собой высокотеплопроводные элементы (тепловоды), соединяющие зону технологического процесса и внешнее охлаждающее устройство. В конструкции устройства контролируемого отвода тепла метрологического назначения между тепловодом и охлаждающим устройством предусмотрен чувствительный элемент, измеряющий отводимый тепловой поток.

4. Проведён промышленный эксперимент, позволяющий сделать вывод о применимости устройства контролируемого отвода тепла метрологического назначения в качестве датчика температуры расплава. Экспериментально доказана высокая стабильность работы и чувствительность исследуемого устройства в сочетании с достаточно низкой инерционностью.

5. На основе полученных экспериментальных данных построена математическая модель устройства контролируемого отвода тепла метрологического назначения. Методом вычислительного эксперимента показано, что устройство

117 контролируемого отвода тепла обладает высокой чувствительностью по температуре и в то же время практически не подвержено влиянию колебаний радиационных свойств расплава, что является его преимуществом по сравнению с радиационным пирометром и расположенной над уровнем расплава термопарой.

6. Построена и адаптирована математическая модель устройства контролируемого отвода тепла технологического назначения. Методом вычислительного эксперимента определены оптимальные параметры устройства, обеспечивающие достаточно интенсивное, но в то же время локализованное охлаждение слитка, ограниченное лишь зоной закалки и не влияющее на зону кристаллизации.

7. Проведён промышленный эксперимент, подтвердивший целесообразность применения устройства контролируемого отвода тепла технологического назначения для улучшения структуры и повышения качества металла.

8. Исследованные устройства внедрены в производство в ТПК «Адамас».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Рафалович И.М. Теплопередача в расплавах, растворах и футеровке печей и аппаратов-М.: Энергия, 1977-303с.

2. Сергеев В.М., Горохов Ю.В., Соболев В.В., Нестеров Н.А. Непрерывное литьё-прессование цветных металлов М.: Металлургия, 1990.-87с.

3. Краснов Б.И. Оптимальное управление режимами непрерывной разливки стали. -М.: Металлургия, 1975 311с.

4. Евтеев Д.П., Колыбалов И.Н. Непрерывное литьё стали М.: Металлургия,1984.- 199с.

5. Геращенко О.А., Гордов А.Н и др. Температурные измерения. Справочник. -Киев: Наукова думка, 1984. 676с.

6. Гордов А.Н. Основы пирометрии. -М.: Металлургия, 1971 447с.

7. Солтык В.Я. Бесконтактное измерение температуры жидких металлов и сплавов-Киев: Наукова думка, 1969- 152с.

8. Присняков В.Ф., Луценко В.И., Наврузов Ю.В. и др. Процессы переноса тепла и массы в тепловых трубах Киев: Наукова думка, 1992.- 212с.

9. Беленький A.M., Бердышев В.Ф., Блинов О.М, Каганов В.Ю. Автоматическое управление технологическими процессами.-М.: Металлургия, 1989 379с.

10. Малышев В. М., Румянцев Д.В. Золото-М.: Металлургия, 1979 287с.

11. Андронов В.П. Плавильно-литейное производство драгоценных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1974. - 320с.

12. Емельянов В.А. Тепловая работа машин непрерывного литья заготовок. -М.: Металлургия, 1988 142с.

13. Ливанов В.А., Шипилов B.C., Габидуллин Р.Н. Непрерывное литьё алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1988 - 168с.

14. Глинков М.А., Глинков Г.М. Общая теория печей. М.: Металлургия, 1978.-264с.

15. Генкин В .Я. и др. Непрерывнолитые круглые заготовки. М.: Металлургия, 1984.- 142с.

16. Р.Олберни, Ж. Бират. Электромагнитное перемешивание и качество продукции. В кн.: Непрерывное литьё стали /Труды международной конференции. М.: Металлургия, 1982. - 78с.

17. Островский B.C., Виргильев Ю.С. и др. Искусственный графит. М.: Металлургия, 1986.- 132с.

18. Березовский С.Б., Иванова JI.A. Закладные элементы при непрерывном контроле температуры расплава // Литейное производство, №12,1997 С.24-25.

19. Куритнык И.П., Бурханов Г.С., Стаднык Б.И. Материалы высокотемпературной термометрии М.: Металлургия,!986- 205с.

20. Блинов О.М., Беленький A.M., Бердышев В.Ф. Теплотехнические измерения и приборы М.: Металлургия, 1993.- 242с.

21. Дукарский С.М. Термометрия продуктов доменной плавки.- М.: Металлур-гия.1976.-119.

22. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур М.: Наука, 1982.- 296с.

23. Геращенко О.А. Основы теплометрии-Киев: Наукова думка, 1971- 191с.

24. Швыдкий B.C., Федулов Ю.В. и др. Диагностика футеровки доменной печи с использованием математической модели её нестационарного теплообмена // Известия вузов. Чёрная металлургия, №8,1997 —С.40-43.

25. Шелковый Э.А. Состояние и перспективы развития контрольно- измерительной техники в литейном производстве // Литейное производство, №6,1997 — С.25-26

26. Жуков Л.Ф., Кучеренко С.В. и др. Световодные методы и средства непрерывной термометрии расплавов в металлургических агрегатах // Литейное производство, №2, 1988.- С.23-25.

27. Воронкова Е.М. и др. Оптические материалы для инфракрасной техники. Справочное издание М.: Наука, 1965-13 7с.

28. Усачёв А.В., Вильданов С.К., Баласанов А.В. Устройство для измерения температуры агрессивных расплавов. Пат. 2117265, Россия, МПК6, G01K7/04/, №9710443/02, заявл. 25.03.97, опубл. 10.08.98, бюл. №22.

29. Федулов Ю.В., Поляков A.M., Спирин Н.А., Лавров В.В. Прогноз теплового состояния низа доменной печи по температуре фурменной зоны // Изв. вузов. Чёрная металлургия, №5,1995 С.36.

30. Соболев В.В., Трефилов П.М. Оптимизация тепловых режимов затвердевания расплавов Красноярск: Изд-во Красноярского ун-та, 1986 - 154с.

31. Анфёров В.Е., Овсянников Б.В. и др. Литьё слитков алюминиевых сплавов с регулируемым вторичным охлаждением II Цветные металлы, №4,2000 С. 129131.

32. Trapied G. Coulee semi-continue des alliages cupro-alluminiums // Revue de Metallurgie, ,№9, 1971.-P. 545-549.

33. Батышев А.И., Батышев К.А. и др. Об особенностях структуры отливок, полученных в частично теплоизолированных формах при кристаллизации под давлением // Изв. вузов. Цветная металлургия, №1,2000 С. 17-19.

34. Кац A.M., Шадек Е.Г. Теплофизические основы непрерывного литья цветных металлов и сплавов.-М.: Металлургия, 1983. 207с.

35. Бек Дж., Блакуэлл Б. Некорректные обратные задачи теплопроводности-М.:МирД989.-312с.

36. Ермаков С.М., Жиглявский А.А. Математическая теория оптимального эксперимента- М.: Наука, 1987 319с.

37. Физические величины. Справочник / Под ред. И.С. Григорьева и Е.З. Мей-лихова. -М.: Энергоатомиздат,1991.-754с.

38. Арутюнов В.А., Бухмиров В.В. ,Крупенников С.А. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей М. Металлургия, 1990.-239с.

39. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков Л.Н. Теплообмен излучением. М.: Энергоатомиздат, 1991 .-431 с.

40. Самарский А.А. Теория разностных схем. М. :Наука, 1989 -616с.

41. Кривандин В.А., Марков Б.Л. Металлургические печи М.: Металлургия, 1971.- 463с.

42. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы. М.: Наука, 1977- 439с.