автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка элементов горизонтальной машины полунепрерывного литья заготовок для мелкосерийного производства

На правах рукописи

9 15-5/255

Крюков Игорь Юрьевич

РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ МАШИНЫ ПОЛУНЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК ДЛЯ МЕЛКОСЕРИЙНОГО

ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (Металлургия)

Технические науки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2015

Работа выполнена в Национальном исследовательском технологическом университете «Московский институт стали и сплавов»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Горбатюк Сергей Михайлович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ячиков Игорь Михайлович

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», профессор

Позин Андрей Евгеньевич, кандидат технических наук, ЗАО «Механоремонтный комплекс», начальник бюро

Ведущая организация: ОАО АХК «ВНИИМЕТАШ» им. академика

А.И. Целикова, г. Москва

Защита состоится " 2 " июля 2015 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.03 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

E-mail: dsovet21211103@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» и на сайте http://www.inaetu.ru

Автореферат разослан "21 " мая 2015 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

«

Жиркин Ю.В.

з I Российская |

| государственная j

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА RABO^—-?——------1

Актуальность работы. Потребность человечества в продукции из драгоценных, цветных и легких металлов постоянно растет. При этом требования к качеству поверхности получаемого изделия и к его размерам остаются неизменно высокими. Поэтому спрос на машины полунепрерывного литья для мелкосерийного производства, удовлетворяющие данные запросы, был и остается постоянным. Заготовки, получаемые на этих машинах, используются в металлообрабатывающей промышленности для изготовления мелких деталей, предназначенных для применения в приборостроении, электротехнике, а также в производстве ювелирных изделий.

Современное производство изделий из вышеперечисленных материалов в большинстве случаев ведется на машинах вертикального литья. Длина изделий, получаемых таким способом, ограничивается высотой помещения, в котором расположена машина, что требует частого прерывания технологии литейного процесса и ведет к простою оборудования. Кроме этого при вертикальном литье повышается вероятность возникновения брака в виде появления структуры металла с крупными зернами из-за недостаточного охлаждения центральной оси заготовки. Таким образом, ухудшается качество изделия и производительность машины падает.

С целью устранения вышеперечисленных недостатков разработана новая горизонтальная машина полунепрерывного литья заготовок (далее ГМПЛЗ) для мелкосерийного производства. В настоящее время в России возрастает потребность в машинах для отливки заготовок небольших размеров, а также в исследованиях, проводимых на них. Поэтому разработка машины новой эффективной конструкции представляет собой актуальную научную и практическую задачу.

Диссертационная работа выполнялась в рамках реализации программы создания и развития НИТУ «МИСиС» на 2009-2017 годы, утвержденной распоряжением Правительства РФ от 30 июля 2009г. № 1073-р, направление 2, мероприятие 8, в соответствии с требованиями, утвержденными распоряжениями проректора по науке и инновациям от 20.09.2011г. № 41. Основные результаты получены в ходе реализации исследовательского проекта, выполненного фирмой «INDUTHERM Erwärmungsanlagen GmbH» совместно с институтом «Машиностроение» Технического Университета горной Академии Фрайберг (TU Bergakademie Freiberg), и НИТУ «МИСиС».

Объектом исследования в диссертации являются элементы, узлы, устройства ГМПЛЗ, оказывающие влияние на эффективность процесса литья заготовок из цветных и благородных металлов.

Предметами исследований являются методики конструирования параметров кристаллизатора и охлаждающего устройства горизонтальной машины, модель распределения тепла в кристаллизаторе ГМНЛЗ и способы обеспечения эффективности литья заготовок из цветных и благородных металлов.

Цель работы - развитие методов конструирования и создания элементов ГМПЛЗ для мелкосерийного производства для повышения эффективности процесса полунепрерывного литья заготовок из цветных и благородных металлов.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать конструкции, условия работы и особенности эксплуатации существующих машин для литья малогабаритных заготовок из цветных и благородных металлов для мелкосерийного производства.

2. Разработать компоновки и основные положения построения конструкций элементов ГМПЛЗ из цветных и благородных металлов для мелкосерийного производства для обеспечения эффективности и стабильности функционирования процесса разливки сплавов и повышения качества литой заготовки.

3. Развить математические модели процесса разливки сплавов в ГМПЛЗ и провести математическое моделирование течения сплавов в элементах горизонтальной машины. Развить методы расчета и конструирования элементов горизонтальной машины литья заготовок сплавов.

4. На основании предложенных методов расчета и конструирования и анализа результатов математического моделирования создать новые конструкции элементов ГМПЛЗ, обеспечивающих повышение эффективности работы машины.

5. Провести опытно-промышленное опробование созданных конструкций элементов ГМПЛЗ для оценки эффективности их работы и внедрить в производство.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Принципиально новые компоновки элементов ГМПЛЗ из цветных и благородных металлов для мелкосерийного производства, основанные на рациональном распределении тепла в конструкциях машины.

2. Установленные рациональные параметры кристаллизатора ГМПЛЗ с внутренней полостью, обеспечивающие получение отливок заготовок с заданными конечными размерами.

3. Выявленные особенности и характеристики элементов зоны вторичного охлаждения машины, в частности, ассиметрично охлаждающего устройства с новой принципиальной схемой контура на базе раздельного питания охлаждающей жидкостью его верхней и нижней частей, что обеспечивает выравнивание температуры по ширине заготовки в кристаллизаторе в процессе литья для уменьшения неравномерности охлаждения непрерывной заготовки.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Развиты основные положения конструирования элементов ГМПЛЗ из цветных и благородных металлов для мелкосерийного производства, что позволило создать ряд узлов и элементов ГМПЛЗ и обеспечить эффективность функционирования процесса разливки сплавов.

2. Составлен алгоритм процедуры конструирования элементов ГМПЛЗ из цветных и благородных металлов для мелкосерийного производства, основанный на анализе распределения температурных полей внутри разрабатываемых элементов, позволяющий сделать выбор конструкций на всех стадиях проектирования, обеспечивающих рациональное прохождение металла в элементах машины и повышение стабильности работы всей ГМПЛЗ.

3. На основе анализа результатов компьютерного моделирования изучено влияние теплового состояния кристаллизатора на элементы ГМПЛЗ и разработана новая схема контура охлаждающего устройства с раздельным питанием охлаждающей жидкостью его верхней и нижней частей, что обеспечило выравнивание температуры по ширине заготовки в кристаллизаторе в процессе литья.

Практическая ценность работы:

1. Создана конструкция охлаждающего устройства кристаллизатора ГМПЛЗ из цветных металлов и сплавов, обеспечивающая равномерное охлаждение непрерывной заготовки по её высоте и ширине. На разработанный элемент машины полунепрерывного литья выдан патент 120901 РФ, В22Д11/055.

2. Разработана конструкция кристаллизатора ГМПЛЗ, позволяющая отливать заготовки с заданными размерами. Конструкция защищена патентом 122052 РФ, В22Д11/00.

3. Разработана конструкция соединительного узла тигля с кристаллизатором, обеспечивающая повышение надежности их соединения в процессе непрерывного литья и сокращение трудозатрат при обслуживании машины, связанной с заменой кристаллизатора. Конструкция защищена патентом 123702 РФ, В22Д11/00.

4. Создана конструкция универсального вытяжного устройства, обеспечивающего контролируемый процесс вытяжки заготовок различного сечения с учетом скорости литья. На конструкцию получен патент 124201 РФ, В22Д11/00.

5. Разработанная 3-х мерная компьютерная модель теплового состояния ГМПЛЗ используется в учебном процессе на кафедре ИТО НИТУ «МИСиС» при обучении студентов по направлению 151000 «Металлургические машины и оборудование».

Методы исследований. Диссертационная работа является комплексным исследованием, основанным на использовании современных методов в области конструирования машин. Для достижения поставленных задач использовалось современное оборудование.

Достоверность работы обеспечена проведением экспериментов в производственных условиях на оборудовании со схожими техническими характеристиками, внедрении результатов работы в производство с положительным эффектом.

Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п.1 «Разработка научных и методологических основ проектирования и создания новых машин, агрегатов и процессов» паспорта специальности 05.02.13 -Машины, агрегаты и процессы (Металлургия).

Апробация результатов диссертации. Основные результаты и положения диссертации доложены на 3-й интернациональной студенческой конференции «Обучаясь, достигай» (Москва, НИТУ «МИСиС», 2010 г.); международной, межвузовской и институтской научно-технической конференции «66-е, 67-е и 68-е дни науки студентов МИСиС» (Москва, НИТУ «МИСиС», 2011—2013гг.); научном симпозиуме «Energieefifiziente Prozesse» (Фрайберг, Германия, 2011г.); международной научно-технической конференции «Инновационные технологии обработки металлов давлением» (Москва, НИТУ «МИСиС», 2011г.); в рамках про-

граммы «У.М.Н.И.К.» (Москва, НИТУ «МИСиС», 2010-2012гг.); в конкурсе на получение стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики (Москва, 2012г.); объединенном научном семинаре кафедр ИТО, ПДСС и ТОТП НИТУ «МИСиС» (Москва, 2013г.).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 16 опубликованных работах, три из которых - в рецензируемых журналах, рекомендованные ВАК, в 5 патентах РФ на полезные модели.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 139 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 68 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает 108 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, раскрыта научная новизна и практическая значимость, представлена структура диссертации.

В первой главе изучены современное состояние и тенденции в разработке конструкций установок непрерывного литья заготовок. Приведена классификация машин непрерывного литья.

Подробно дан анализ конструкции горизонтальной машины непрерывного литья заготовок и процессов непрерывного литья. Благодаря непрерывности литья достигается равномерность структуры заготовки по ее длине. К основным преимуществам машин горизонтального литья в сравнении с вертикальными относят меньшие капитальные затраты на содержание за счет меньшего необходимого пространства, универсальность машины, заключающаяся в отливке хрупких и трещиночувствительных металлов, и оперативный переход на литьё другого сечения, так как при этом необходимы лишь незначительные изменения в настройках машины.

К недостаткам горизонтальных литейных машин относятся неравномерное охлаждение заготовки в кристаллизаторе, высокий расход графитовых кристаллизаторов в процессе отливки и сложности, связанные с установкой вытяжного механизма.

По величине отливаемой заготовки различают малые, средние и большие машины. Особое внимание было уделено малым машинам с объемом тигля не более 12000 см3, востребованным для получения заготовок из цветных и благородных металлов для изготовления из них, в частности, припоев, контактов, ювелирных изделий и т.п.

Проведен патентный поиск по конструкциям ГМНЛЗ в фондах СССР, РФ, ведущих западных стран. Дан анализ решений фирм ведущих производителей подобного оборудования: ШОиТНЕЯМ (Германия), ЯАиТОМЕАО (Шотландия), 1ЕСО (Италия) и др.

Особое внимание уделено компьютерному моделированию непрерывного процесса литья. В случае получения брака на виртуальной модели отливки отслеживают ошибки, допущенные при разработке технологии, вносят коррективы и снова проверяют исправленную технологию на компьютере вплоть до достижения оптимального результата, который и будет затем реализован в производстве.

Используемая в диссертации система «Полигон» на сегодняшний день является мощной современной трехмерной системой компьютерного моделирования физических процессов, влияющих на качество отливки. Она базируется на методе конечных элементов, который является в настоящее время наиболее адекватным численным методом решения задач подобного рода.

На основании проведенного обзора сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке методики проектирования параметров кристаллизатора ГМПЛЗ и подбору его рациональной длины.

При создании методики проектирования (рисунок 1) за основу был взят принцип унификации конструкций изделий, согласно которому первоначальные геометрические размеры элементов и устройств плавильной и охладительной частей ГМПЛЗ определялись геометрическими размерами корпуса индуктора и камерой кристаллизатора, разработанные ранее для вертикальной машины полунепрерывного литья заготовок.

Для разработки основных устройств конструкции машины для отливки заготовок из цветных и благородных металлов и сплавов была создана 3-х мерная модель теплового состояния ГМПЛЗ. Для чего использовали систему компьютерного моделирования литейных процессов ПолигонСофт. Компьютерное моделирование процесса прогрева ГМПЛЗ проведено с учетом конструкции соединительного узла тигля объемом 12000 см3 с кристаллизатором, обеспечивающего стабильность процесса непрерывного литья.

Для отливки различных материалов на ГМПЛЗ были введены критерии нагрева кристаллизатора перед началом литья на месте входа его в охлаждающее устройство: /„,„.„„, = 190-200°С, /„.„,„= 240 -250°С, /6„ош„ = 290-300°С .

Рисунок 1 - Упрощенная схема алгоритма проектирования кристаллизатора

ГМПЛЗ

При выборе длины кристаллизатора были учтены факторы, противоположно воздействующие на процесс литья. С одной стороны, при увеличении длины кристаллизатора происходит рост толщины затвердевшей корки заготовки, вследствие чего повышается ее способность выдерживать нагрузку, обусловленную силами трения, возникающими на поверхности контакта «кристаллизатор - заготовка». С другой стороны, с увеличением длины кристаллизатора растет нагрузка на образующуюся корку заготовки из-за увеличения сил трения. В самом неблагоприятном случае это может привести к разрыву корки заготовки. Правильное сочетание этих двух факторов определяет рациональную длину кристаллизатора. Температура в опорном узле кристаллизатора должна быть не более 200-250 С,

чтобы избежать коробления алюминиевого корпуса камеры кристаллизатора охладительной части установки.

Для исследования процесса формирования заготовки во время литья на ГМПЛЗ разработана двумерная стационарная модель затвердевания и охлаждения полунепрерывнолитой заготовки. На рисунке 2 представлена схема расчетной области, которая с учетом симметрии охлаждения содержит половину продольного сечения заготовки.

1 - жидкая фаза; 2 - твердая фаза; Б -половина толщины заготовки; 1т -длина зоны поддержки; /„, - длина зоны охлаждения; А - длина расчетной области; у - скорость литья; Г|-Г5 - границы расчетной области

Рисунок 2 - Схема расчетной области

Математическое описание процесса затвердевания и охлаждения включает стационарное уравнение теплопереноса

дТ д ,,дТ. д ..дТ.

С кру— = — (Я—) +—(Я—),

* & дг дг дх дх

интегрируемое в области: 0<л<5, 0<г<А, 0</<^; [с(Г), Т <ТС,Т >ТЛ\

Ь

(1)

\с(Т) + -

т

(2)

Условия на границах приняты следующие

Г,(г = 0, Г(х,0) = Г°;

Г2(* = 0, 0<г<А):

Г,(* = £, О <*&1Я):

Г4(х = 5, /,„ < г < Л):

Г5(г = Л, 0 < х ^ 5):

„

дх

-1% = аАТп-ТЛ

д2Т

&2 :

О,

где Т(х,г)- функция температуры; Тп - температура поверхности; Т,- температура ликвидус; Г - температура солидус; ак- конвективный коэффициент теплоотдачи; «„ - коэффициент теплоотдачи к воде; <т„ - излучение абсолютно черного тела.

Длина жидкой фазы определяется по координате £ изотермы температуры кристаллизации (Ткр = (Г, +Г)/2).

Получены точные решения задачи Стефана, которые использованы для тестирования численного алгоритма решения и выбора оптимальных значений настроечных параметров.

Для заготовки, являющейся по толщине термически тонким телом, температура не зависит от координаты х, и фронт кристаллизации является плоским, получено аналитическое решение задачи затвердевания, которое включает выражения для расчета температурного поля в безразмерных координатах.

В работе исследовались температурные поля для двух вариантов соединения тигля и кристаллизатора (с зазором и без) и опорного узла с различным количеством слоев. Подробнее о конструктивных особенностях ГМПЛЗ будет изложено в главе 3. В качестве материала для отливки был выбран сплав серебра 950 пробы.

Сравнивали температурные поля для соединения с зазором и без (рисунки За и 36), с учетом и без учета накрывания кристаллизатора сверху изоляцией (рисунки Зв и Зг), а также для различного количества слоев опорного узла кристаллизатора (рисунки Зд и Зе).

Температурные поля в опорном узле кристаллизатора определяются тепло-физическими свойствами теплоизоляционного материала и не зависят от много-слойности конструкции опорного узла. При этом температура нижней части опорного узла в процессе литья лежит ниже 200 С, что полностью отвечает требованиям его эксплуатации (рисунки Зд и Зе).

С ■ ■ ■

1И6ЭТ..961

р: —Ир ЧЕ

УЛ

б г е

Рисунок 3 - Температурные поля: а - при соединении тигля с кристаллизатором без зазора (длина кристаллизатора 428 мм); б - при соединении тигля с кристаллизатором с зазором (длина кристаллизатора 380 мм); в - без изоляции сверху; г - с учетом изоляции сверху; д - составная конструкция опорного узла, е -многослойная конструкция опорного узла

1т.1 300 000500

им с**». *

Т 1.963 ТпЖ1

Так как с учетом выбранного зазора Ь между тиглем и кристаллизатором площадь контакта, а вместе с ней и теплоотдача, уменьшились, время прогрева

кристаллизатора увеличили с 5 до 45 минут. На основании вновь проведенных расчетов температурных полей длина кристаллизатора была уменьшена до 380 мм (рисунок 4). Кристаллизатор с окончательно выбранной длиной прогревается практически до самого охлаждающего устройства, а температура в месте под тиглем составляет 820-960 С. Это позволяет сделать вывод о том, что непрерывная заготовка не должна застыть преждевременно в кристаллизаторе, а выйти из него с твердой коркой.

В третьей главе представлены конструктивные решения основных устройств плавильной и

Рисунок 4 - Температурные поля внутри кристаллизатора длиной 380

охладительной частей литейной машины'.

Для повышения стабильности процесса полунепрерывного литья необходимо обеспечить герметичность соединения тигля 1 с кристаллизатором 2. Для этого это соединение было изготовлено в форме усеченного кругового конуса 3 (тигель - деталь с внешним кону-а. г_ сом, кристаллизатор — деталь с внут-

ренним конусом) (рисунок 5).

Соединение тигля с кристаллизатором должно обеспечивать герметичность и простоту выполнения операции сборки и разборки соединения. В работе были выполнены экспериментальные исследования, направленные на оценку эффективности конусных соединений деталей из графита. В результате исследований были установлены рациональные значения угла конического соединения а = 4050 и величине зазора между тиглем и кристаллизатором Ь > 5,0 мм.

Оригинальная конструкция соединительного узла защищена патентом на полезную модель 12370 РФ,

Рисунок 5 - Коническое соединение с зазором между тиглем и кристаллизатором: 1 - тигель; 2 - кристаллизатор; 3 - усеченный круговой конус

1 Выполнена под руководством профессора, д.т.н. Радюка А.Г.

В22Д11/00.

Исследования температурных полей в разогретом после 45 мин кристаллизаторе (см. рисунок 4), приведенных в главе 2 и подтверждают правильность выбора величины зазора Ь.

В качестве материала для кристаллизатора был выбран мелкозернистый графит, сохраняющий высокую твердость даже при работе в зоне высоких температур (до 1500°С).

Высокая теплопроводность графита, способность к самосмазыванию, износ-тойкость, а также ряд других его свойств позволяют отливать заготовки с высоким качеством поверхности.

Во время кристаллизации и охлаждения формирующийся в кристаллизаторе слиток подвергается усадке и образовавшаяся к этому времени твердая оболочка металла начинает отрываться от стенок. Для того чтобы в кристаллизаторе был обеспечен теплоотвод, достаточный для образования прочной корки металла, кристаллизатор изготавливают коническим, сужающимся в сторону выхода металла. Конусность оценивали величиной А/1-100 (рисунок 6).

Для отливки заготовок прямоугольного сечения был предложен графитовый кристаллизатор (рисунок 6), в котором нижняя стенка 1 имеет постоянную конусность, а верхняя - состоит из двух участков, где А - величина сужения стенки. Участок 2 со стороны входа металла в кристаллизатор имеет конусность больше, чем нижняя стенка А i/lilOO > А/1-100, а сумма величин сужения участков 2 и 4 верхней стенки равна величине сужения нижней стенки А [ + А г = А. При этом место сопряжения 3 участков верхней стенки соответствует началу образования зазора между заготовкой и боковыми стенками.

Рисунок 6 - Схема продольного сечения кристаллизатора: 1 - нижняя стенка; 2 -участок со стороны входа металла в кристаллизатор; 3 - место сопряжения участков; 4 - верхняя стенка

Для уменьшения неравномерности распределения температуры по толщине заготовки конусность нижней стенки должна составлять 0,85-0,95 %, а участка верхней стенки со стороны входа металла в кристаллизатор, на котором заготовка прижимается к боковым стенкам, - 0,95-1,05 %, длина которого должна изме-

няться в интервале 0,2-0,5 всей ее длины. Данные получены экспериментальным путем и подробно описаны в патенте 122052 РФ, В22Д11/00.

Для уменьшения неравномерности распределения температуры по толщине и ширине заготовки было сконструировано охлаждающее устройство (рисунок 7), каждая часть которого содержит два контура охлаждения. Проектирование устройства велось с учетом результатов анализа теплового состояния кристаллизатора, представленных в главе 2.

Контур состоит из канала для подвода охлаждающей жидкости 1, выполненного в центральной части охлаждающего устройства, вдоль направления литья, поперечного канала 2 относительно направления литья с заглушкой 3 и канала для отвода охлаждающей жидкости 4, выполненного со стороны боковой поверхности охлаждающего устройства под углом р к направлению литья, образуя в этом направлении сужающийся контур. На рисунке 3 отчетливо видно, что центральная часть кристаллизатора прогрета более, чем края. Для выравнивания температуры по ширине кристаллизатора охлаждающую жидкость пускают по центральным каналам охлаждающего устройства против направления литья (в сторону тигля).

Рисунок 7 - Схема охлаждающего устройства: 1 - входные отверстия для подвода воды; 2 - поперечный канал; 3 - заглушка; 4 - каналы для отвода охлаждающей жидкости

Жидкость, протекая к каналу 4, нагревается, охлаждая внешнюю область кристаллизующегося металла менее интенсивно, чем внутреннюю. При этом угол (3=10-15 между каналами для отвода охлаждающей жидкости и направлением литья обеспечивает минимальную неравномерность распределения температуры по ширине заготовки, что следует из температурного поля внутри кристаллизатора (см. рисунок 4), полученного в результате компьютерного моделирования процесса литья.

Так как верхняя и нижняя части охлаждающего устройства питаются охлаждающей жидкостью отдельно друг от друга, то появляется возможность регулирования степени их охлаждения в зависимости от давления подаваемой на них жидкости. Следовательно, верхняя часть заготовки может охлаждаться сильнее нижней, что приводит к уменьшению неравномерности ее охлаждения по толщи-

не. Подробное описание конструкции охлаждающего устройство представлено в патенте на полезную модель 120901 РФ, B22D.

Для восприятия силы тяжести со стороны тигля и кристаллизатора, а также изоляции камеры кристаллизатора от теплового излучения разогретого кристаллизатора был разработан опорный узел с трехслойной конструкцией. Выбранная конструкция опорного узла кристаллизатора отвечает требованиям к установке о недопустимости прогрева его нижней части выше 250 С. Это условие подтверждается полученными температурными полями (см. рисунок 3).

На рисунке 8 показана 3D модель разработанной ГМПЛЗ в сборе, которая включает графитовый плавильный тигель 3, расположенный внутри катушки индуктивности, герметичный алюминиевый корпус 1 (камера индуктора). ГМПЛЗ оснащена штоком 2, который во время нагрева расплавляемого металла запирает тигель. В нижней части плавильного тигля смонтирован графитовый кристаллизатор 4, который в зависимости от формы отливаемой заготовки может иметь различные внутренние профили. При эксплуатации данной машины могут быть использованы три вида кристаллизатора: для сутунки, прутка и многоручьевой для катанки. Кристаллизатор закрепляется винтами в нижней части охлаждающего устройства 5, которое опирается на опорную плиту машины. Три керамические трубки 6, расположены в изоляционном материале 7. Кристаллизатор вместе с опорными элементами находится в камере кристаллизатора 8, соединенной болтами с камерой индуктора.

5

Рисунок 8 - Плавильная и охладительная части новой машины в сборе: 1 - крышка корпуса индуктора; 2 - шток; 3 - графитовый тигель; 4 - графитовый кристаллизатор; 5 - охлаждающее устройство; 6 - керамические втулки; 7 - изоляционный материал; 8 - камера кристаллизатора; 9 - подъемное устройство; 10 - смотровая крышка; 11 - салазки; 12 - дно корпуса

Для осуществления запрессовки и распрессовки тигля и кристаллизатора было сконструировано подъемное устройство 9, которое с помощью пневматических цилиндров производит подъем и опускание тигля при смене сортамента литья.

Для наблюдения и управления процессом литья предусмотрено использование шести платинородиевых термопар в защитной оболочке. С их помощью достигается высокая точность измерений во время всего срока службы. Время отклика составляет 3 с.

В четвертой главе разработана конструкция вытяжного устройства ГМПЛЗ, позволяющего вытягивать отливки различного размера и сортамента, и представлена компоновка машины в целом.

Привод устройства, включающий мотор-редуктор с асинхронным двигателем и преобразователем частоты тока, обеспечивает различные режимы вытяжки: непрерывная вытяжка с постоянной скоростью, вытяжка с паузой, вытяжка с одним или двумя реверсивными ходами зависит от теплофизических и механических свойств расплава. Преобразователь частоты позволяет регулировать скорость литья (скорость вытяжки заготовки).

Ширину вытяжного ролика выбирали так, чтобы на нем можно было осуществлять вытяжку всего сортамента заготовок, отливаемых на горизонтальной машине литья: сутунки, прутка большого диаметра или одновременно несколько прутков малого диаметра (до девяти штук) без замены ролика.

Конструкция рамы выполняет не только опорную функцию, но и регулировочную, позволяющую производить настройку вытяжного устройства по высоте. Для этого в раму встроен подъемный механизм, с которым и соединяется вытяжное устройство.

В результате выполнения работы создана ГМПЛЗ с производительностью 50 кг/ч (плавка и разливка серебра).

В пятой главе приведены результаты исследований, выполненных в промышленных условиях.

Для ФГУП «Московский завод по обработке специальных сплавов» была предложена конструкция кристаллизатора для отливки сплава ЗлСрМ 585-50 в виде прутка диаметром 18 мм и отработан режим его разливки. При этом по требованию заказчика температура заготовки на выходе из кристаллизатора должна быть ниже 200°С.

Для решения поставленной задачи в САПР Solidworks был спроектирован кристаллизатор, температуру в тигле задали постоянной и равной 1070°С (Тпл золота 585 пробы с учетом температуры перегрева). Скорость литья была принята 10 см/мин, рекомендованная УкрНИИМетом (г. Харьков) для разливки прутка диаметром 18 мм. С помощью системы компьютерного моделирования литейных процессов ProCast были получены температурные поля плавильной и охладительной частей установки и отливаемой заготовки (рисунок 9). Расчётная температура заготовки на выходе из кристаллизатора составила 183°С, что соответствовало поставленной задаче (температура на выходе ниже 200°С).

Для проверки адекватности полученных температурных полей на установке Rautomead RMJ/H 025 была произведена отливка заготовки в виде прутка 0 18 мм

с аналогичными параметрами (температура сплава в тигле 1070°С; скорость вытяжки 10 см/мин).

Измерение температуры отливки на выходе из кристаллизатора осуществляли инфракрасным термометром (точность замера ±2°С) и составила 170°С. Таким образом разница между температурой, полученной в результате компьютерного моделирования и температурой, полученной в результате эксперимента, составляет менее 10%, что позволяет сделать вывод об адекватности полученных результатов в программе РгоСэб!.

Рисунок 9 - Температурные поля в плавильной и охладительной частях ГМПЛЗ

В результате выполненных исследований влияния конструкций элементов ГМПЛЗ на качество отливаемых заготовок дано решение комплекса научно-практических задач, которое позволило повысить эффективность и стабильность процесса разливки заготовок из цветных и благородных металлов для мелкосерийного производства:

1. Разработаны компоновки узлов плавильной и охладительной частей ГМПЛЗ для мелкосерийного производства и представлены основные положения построения их конструкций с целью обеспечения эффективности и стабильности функционирования процесса разливки сплавов и повышения качества литой заготовки.

2. Развиты математические модели процесса разливки сплавов на ГМПЛЗ и проведено математическое моделирование течения металла в элементах горизонтальной машины. Усовершенствованы методы расчета и конструирования элементов ГМПЛЗ, позволяющие на всех стадиях проектирования разрабатывать конструкции опытных и серийных изделий, рассчитывать основ-

Время моделирования: 600 с

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ные геометрические размеры конструируемых элементов. Получены расчетные зависимости для определения основных геометрических параметров элементов.

3. На основании предложенных методов расчета и конструирования и результатов математического моделирования созданы новые конструкции элементов ГМПЛЗ, обеспечивающие повышение стабильности и эффективности работы машины, а именно:

3.1. Кристаллизатора прямоугольного сечения с ассиметричной рабочей полостью, сужающейся в направлении литья и позволяющей уменьшить неравномерность температуры по толщине заготовки. На разработанную конструкцию выдан патент 122052 РФ, В22Д11/00.

3.2. Охлаждающего устройства, на нижней и верхней частях которого выполнены по два сужающихся в направлении литья контура циркуляции воды, обеспечивающие решение проблемы охлаждения заготовки по ширине. Проблема охлаждения заготовки по толщине решается путем раздельного подвода воды в каждую часть охлаждающего устройства. Конструкция защищена патентом 120901 РФ, В22Д11/055.

3.3. Соединительного узла тигля с кристаллизатором, обеспечивающего повышение надежности их соединения в процессе непрерывного литья и сокращения трудозатрат при обслуживании машины, связанной с заменой кристаллизатора. На конструкцию выдан патент 123702 РФ, В22Д11/00.

3.4. Универсального вытяжного устройства, обеспечивающего контролируемый процесс вытяжки заготовок различного сечения с учетом скорости литья. Разработан узел прижимных роликов и предложена схема их расположения в конструкции вытяжного устройства. Устройство защищено патентом 124201 РФ, В22Д11/00.

4. На ФГУП «Московский завод по обработке специальных сплавов» проведено опытно-промышленное опробование созданных конструкций элементов ГМПЛЗ при отливке прутка диаметром 18 мм из сплава ЗлСрМ 585-50. Результаты опробования подтвердили эффективность разработанных методов расчета и конструирования.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бает, Ю. Горизонтальная установка непрерывного литья заготовок НСС-12000/ Бает Ю., Горбатюк С.М., Крюков И.Ю.// Металлург. -2011. -№2. -С.56-57 (рекомендован ВАК).

2. Бает, Ю. Исследование температурных полей кристаллизатора горизонтальной установки непрерывного литья заготовок/ Бает Ю., Горбатюк С.М., Крюков И.Ю.// Металлург, 2011. -№3. - С.37-39 (рекомендован ВАК).

3. Крюков, И.Ю. Вытяжное устройство горизонтальной машины непрерывного литья цветных металлов и сплавов/ Крюков И.Ю., Горбатюк С.М., Радюк А.Г.// Научное обозрение. -2012. -№4. -С.225-229 (рекомендован ВАК).

4. Бает, Ю. МНЛЗ горизонтального типа для удовлетворения потребностей малых и средних предприятий/ Бает Ю., Горбатюк С.М., Крюков И.Ю.// Инновационные технологии обработки металлов давлением: сб. тезисов Междуна-

родной научно-технической конференции. -М.: НИТУ «МИСиС», 2011. -С.118-119.

5. Бает, Ю. МНЛЗ горизонтального типа для удовлетворения потребностей малых и средних предприятий/ Бает Ю., Горбатюк С.М., Крюков И.Ю. // Инновационные технологии обработки металлов давлением: сб. докладов Международной научно-технической конференции. -М.: Изд. Дом МИСиС, 2011. -С.529-531.

6. Крюков, И.Ю. Исследование температурных полей в кристаллизаторе для выбора его геометрических параметров/ Крюков И.Ю., Бает Ю., Горбатюк С.М.// Металлургические машины и оборудование: сб. науч. трудов студентов и аспирантов МИСиС / под ред. С.М. Горбатюка. - М.: Изд. Дом МИСиС, 2011. -С.37-42.

7. Пат. 120901 РФ, В22Д11/055. Охлаждающее устройство кристаллизатора горизонтальной машины непрерывного литья заготовок из цветных металлов и сплавов/ С.М. Горбатюк, И.Ю. Крюков, А.Г. Радюк и др. (РФ). -№ 2012118969/02; заяв. 10.05.12; опубл. 10.10.12, Бюл. №28.

8. Пат. 122052 РФ, В22Д11/00. Кристаллизатор горизонтальной машины непрерывного литья заготовок из цветных металлов и сплавов / С.М. Горбатюк, И.Ю. Крюков, А.Г. Радюк и др. (РФ). -№ 2012122677/02; заяв. 04.06.12; опубл.-20.11.12, Бюл. №32.

9. Пат. 123703 РФ, В22Д11/00. Опорный узел кристаллизатора горизонтальной машины непрерывного литья заготовок из цветных металлов и сплавов / С.М. Горбатюк, И.Ю. Крюков, А.Г. Радюк и др. (РФ). -№ 2012118971/02; заяв. 10.05.12; опубл.10.01.13, Бюл. №1.

10. Пат. 123702 РФ, В22Д11/00. Соединительный узел тигля с кристаллизатором горизонтальной машины непрерывного литья заготовок из цветных металлов и сплавов/ С.М. Горбатюк, И.Ю. Крюков, А.Г. Радюк и др. (РФ). -№ 2012118970/02; заяв. 10.05.12; опубл. 10.01.13, Бюл. №1.

11. Пат. 124201 РФ, В22Д11/00. Вытяжное устройство горизонтальной машины непрерывного литья заготовок из цветных металлов и сплавов/ С.М. Горбатюк, И.Ю. Крюков, А.Г. Радюк и др. (РФ). -№ 2012123458/02; заяв. 07.06.12; опубл. 20.01.13, Бюл. №2.

Формат 60 х 90 '/,6 Тираж 100 экз. Объем 1,125 п.л. Заказ 4581 Печать офсетная Отпечатано с готовых оригинал-макетов в типографии Издательского Дома МИСиС, 119049, Москва, Ленинский пр-т, 4 Тел. (499) 236-76-17, тел./факс (499) 236-76-35

2015676299

2015676299