НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ

ГОРЮК

МАКСИМ СТЕПАНОВИЧ

УДК 621.745.5:537.84:669.13:502

РОЗРОБКА ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧОЇ

ТЕХНОЛОГІЇ ПЕРЕГРІВАННЯ ЧАВУНУ

ПРИ ЕЛЕКТРОМАГНІТНІЙ РОЗЛИВЦІ

Спеціальність 05.16.04 – Ливарне виробництво

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України

Дубодєлов Віктор Іванович,

завідуючий відділом ФТІМС НАН України, м. Київ

Офіційні опоненти: доктор технічних наук

Жуков Леонід Федорович,

завідуючий відділом ФТІМС НАН України, м. Київ

кандидат технічних наук

Ессельбах Сергій Борисович,

доцент кафедри металургії чорних металів

Донбаського гірничо-металургійного інституту, м. Алчевськ

Провідна установа: Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України,

кафедра фізико-хімічних основ технології металів, м. Київ

Захист відбудеться “27” грудня 2000 р. о 14.00 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01

при Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України за адресою:

м. Київ, пр. Вернадського, 34/1,

тел.: 444-04-50

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Фізико-технологічного інституту металів та спла-вів НАН України за адресою: м. Київ, пр. Вернадського, 34/1.

Автореферат розіслано “23” листопада 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01

доктор технічних наук, професор ______________________ А. В. Чорновол

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Для технічного переоснащення чавуноливарного виробництва України необхідна розробка нових ресурсозберігаючих технологій та високопродуктивного ливар-ного устаткування, орієнтованих на одержання якісного, конкурентоспроможного лиття. Тому особливу увагу слід приділяти процесам, пов'язаним із плавкою, обробкою та розливкою чавуну, бо саме на ці технологічні операції припадає більше половини загальних витрат на виготовлення литих заготовок і саме на цих переділах створюються умови для одержання вихідного металу не-обхідної якості. Дослідження, спрямовані на розробку нових енерго- та матеріалозберігаючих тех-нологій і обладнання для підігрівання та розливки чавуну, є вельми актуальними.

Аналіз існуючих процесів плавки і розливки металу в чавуноливарних цехах свідчить, що економічно доцільним є застосування в такому виробництві дуплекс-процесу “плавильний агре-гат – індукційний міксер”. Проте традиційна технологія дуплекс-процесу передбачає застосування міксера лише для витримування та підігрівання чавуну, а для розливки використовуються ковші або спеціальні заливальні пристрої. Такі процеси пов'язані з додатковими переливами металу, що призводить до зниження його температури. Для компенсації втрат тепла весь розплав у міксері перегрівають, що спричинює збільшення загальних енерговитрат.

Зазначені вади значною мірою усуваються при використанні в чавуноливарному виробництві розробленої Фізико-технологічним інститутом металів та сплавів НАН України схеми дуплекс-процесу “плавильний агрегат – магнітодинамічна установка” та нової енергозберігаючої техно-логії перегрівання чавуну при розливці. При реалізації даної технології магнітодинамічна установ-ка набуває функціональних рис магнітодинамічного міксера для перегрівання та розливки чавуну. Крім того, реалізація технології перегрівання металу за допомогою магнітодинамічного агрегату дозволяє витримувати весь об’єм розплаву при зниженій температурі та індукційно підігрівати до заданої температури лише порцію металу, котра зливається з міксера, безпосередньо в процесі електромагнітної розливки. Це дає змогу усунути необхідність витримування усього об’єму роз-плаву в міксері за високої температури розливки, скоротити енерговитрати на перегрівання та розливку чавуну, зменшити собівартість готової продукції.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота вико-нана у відділі магнітної гідродинаміки і вакуумних технологій Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України в рамках планів науково-дослідних робіт: тема 1.6.5.372 “Розро-бити нову технологію позапічної обробки та електромагнітної розливки металу за допомогою МГД-обладнання з використанням зміни частоти струму як керуючої дії”, г/д з Міністерством ма-шинобудування України №6331 “Розробка серії МГД-обладнання для позапічної обробки і дозова-ної розливки чавуну в ливарні форми, спеціалізованих систем управління і регулювання”, договір №2/1228 між ФТІМС НАН України та Міністерством України у справах науки і технологій “Роз-робити технологію та МГД-обладнання для обробки чавуну реагентами з застосуванням високо-концентрованих джерел нагріву”. У ході виконання вищезгаданих робіт здобувач приймав активну участь у розробці плану і методики досліджень, технічній підготовці та проведенні експериментів, опрацюванні й узагальненні їхніх результатів, упорядкуванні та оформленні звітної документації.

Мета роботи і задачі дослідження. Метою даної роботи є розробка енергозберігаючої тех-нології перегрівання чавуну в процесі його електромагнітної розливки з застосуванням магнітоди-намічного міксера. Об’єктом дослідження у представленій роботі є процеси теплопереносу в об’є-мі рідкого чавуну в умовах зміни теплового стану розплаву шляхом його диференційованого керо-ваного індукційного нагріву в магнітодинамічному міксері, поєднаного з регульованою циркуля-цією металу під дією електромагнітних сил. Предметом дослідження є визначення раціональних технологічних режимів перегрівання чавуну при електромагнітній розливці за допомогою магніто-динамічного міксера.

Для досягнення поставленої мети слід було вирішити такі задачі:

розробити і науково обгрунтувати принципову схему нової енергозберігаючої технології з застосуванням магнітодинамічної установки (котра набуває фунціональних рис магнітодинамічно-го міксера для перегрівання та розливки чавуну). Нова технологія грунтується на витримуванні всієї маси чавуну в міксері за температури нижче температури розливки і подальшого перегріван-ня порції металу безпосередньо в процесі розливки;

визначити залежності, що характеризують протікання процесів теплопереносу при витриму-ванні, перегріванні та розливці чавуну магнітодинамічною установкою в умовах індукційного на-гріву і керованої циркуляції розплаву, зумовленої дією електромагнітних сил;

провести промислову апробацію нової енергозберігаючої технології перегрівання чавуну при електромагнітній розливці з застосуванням магнітодинамічного міксера і створити алгоритм та функціональну схему для керування таким процесом;

здійснити техніко-економічну оцінку і визначити перспективні напрямки розвитку нової технології та удосконалення магнітодинамічного обладнання для її реалізації.

Для розв’язання поставлених задач було застосовано такі методи дослідження:

математичні розрахунки, що грунтуються на канонічних залежностях теорій теплообміну та електродинаміки, для вивчення електричних та теплових процесів в каналі магнітодинамічної установки;

математичне моделювання, в основу якого покладено закони електродинаміки та теорію різ-ницевих схем, для вивчення розподілу електромагнітних сил в каналі магнітодинамічної установ-ки і зумовленого дією цих сил характеру течії металу, що впливає на процеси теплопереносу;

математичне моделювання, що грунтується на фундаментальних закономірностях механіки суцільного середовища і використанні економічної локально-одномірної схеми Самарського, для вивчення теплових режимів роботи магнітодинамічної установки при її запуску до експлуатації, витримуванні, перегріванні та розливці чавуну, а також для розробки алгоритму та функціональної схеми управління параметрами нової технології;

експериментальні методи для визначення електричних параметрів електромагнітних систем магнітодинамічної установки з метою відпрацювання режимів її роботи;

експериментальні методи для визначення гідродинамічних (витратних) параметрів течії ча-вуну в магнітодинамічній установці для додержання необхідних характеристик процесів витриму-вання, перегрівання та розливки металу;

термометричні методи вивчення розподілу температури по об’єму чавуну, що перебуває у магнітодинамічній установці, на діючому обладнанні, в тому числі в умовах ливарного цеху, для підтвердження адекватності розробленої математичної моделі, відпрацювання параметрів ство-рюваної енергозберігаючої технології, її дослідно-промислової апробації.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

запропоновано новий підхід до управління тепловим станом рідкого чавуну при його роз-ливці з застосуванням магнітодинамічного обладнання, який полягає у витримуванні всієї маси металу за низької температури і перегріванні порції розплаву до температури розливки в індукцій-ному каналі під час транспортування цієї порції під дією електромагнітних сил до ливарної форми, що дає змогу суттєво зменшити енергетичні витрати при розливці чавуну;

дістала подальший розвиток ідея використання магнітодинамічного принципу впливу елек-тромагнітних полів на рідкий метал та запропоновано введення теплової енергії до розплаву здій-снювати диференційовано, а для керування цим процесом та, відповідно, температурою металу слід незалежно регулювати інтенсивність індукційного нагріву та циркуляції розплаву під дією електромагнітних сил;

дістало подальший розвиток математичне описання процесу перегрівання металу в каналі магнітодинамічної установки та одержані аналітичні залежності, що пов'язують перепад темпера-тури рідкого чавуну в системі “канал – тигель” такого обладнання з величиною підведеної елек-тричної потужності та швидкістю транзитної течії металу в каналі установки. Встановлено, що ве-личина перепаду температури чавуну прямо пропорційна до потужності, що виділяється в розпла-ві, та обернено пропорційна до швидкості течії металу в каналі;

вперше на підставі фундаментальних закономірностей механіки суцільного середовища за допомогою математичної моделі описано процеси теплопереносу в об'ємі чавуну, що перебуває в магнітодинамічній установці, для різних умов введення до розплаву та відведення від нього теп-лової потужності.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

розроблено нову енергозберігаючу технологію індукційного перегрівання чавуну при його електромагнітній розливці з застосуванням магнітодинамічного міксера, котра грунтується на принципі диференційованого введення теплової енергії до розплаву за рахунок незалежного регу-лювання індукційного нагріву та циркуляції металу під дією електромагнітних сил. Визначено ра-ціональні режими індукційного нагріву рідкого чавуну для різних етапів експлуатації магнітодина-мічного міксера;

визначено оптимальні конструктивні розміри каналів індукційної частини магнітодинаміч-ної установки, котрі забезпечують рівність температури металу, що надходить на розливку з цент-рального та бічних каналів. За сталої висоти каналу виконання цієї умови досягається відношен-ням ширини центрального каналу до ширини зливального як 1:(2,53);

розроблено математичну модель, алгоритм і відповідне програмне забезпечення, що дозво-лило здійснювати вибір раціональних енергетичних та технологічних параметрів процесу розлив-ки чавуну з застосуванням МГД-техніки. Адекватність розробленої математичної моделі підтвер-джено серією натурних експериментів на діючому магнітодинамічному обладнанні в умовах ли-варного цеху;

розроблено номограму, що пов’язує встановлені технологічним процесом витратні та темпе-ратурні вимоги до процесу розливки чавуну з параметрами електромагнітних систем магнітодина-мічного міксера; –

одержано залежності зміни температури чавуну в діапазоні 12501550 С від підведеної до розплаву електричної потужності до 2000 кВт та від швидкості руху металу в каналі магнітодина-мічної установки 0,010,5 м/с, а також визначено закономірності зміни температури металу в про-цесі його розливки для діапазону маси порцій, що розливаються, 10500 кг і масової витрати при розливці 110 кг/с;

порівняння розробленої й існуючих технологій розливки чавуну показало, що застосування нової технології дозволяє на 2840% скоротити енерговитрати при реалізації технологічного про-цесу розливки металу;

запропоновано нові принципові схеми магнітодинамічного обладнання для перегрівання та розливки металу, що є розвитком розробленого способу диференційованого індукційного нагріву розплаву, які вирізняються підвищеною потужністю індукційної частини, оптимізованою геомет-рією каналу, а також застосуванням при їхній експлуатації комп'ютеризованої системи управління режимами роботи.

На захист виносяться:

нова технологія індукційного перегрівання рідкого чавуну в процесі його електромагнітної розливки з застосуванням магнітодинамічного міксера;

результати досліджень електромагнітних та магнітогідродинамічних процесів у магнітоди-намічній установці за різних схем підключення її електричних систем;

результати досліджень процесів теплопереносу та перегрівання металу в каналі магнітодина-мічної установки під дією електричних і електромагнітних полів;

математична модель процесів теплопереносу в чавуні, що перебуває у магнітодинамічній установці, в різних режимах роботи установки;

алгоритм і номограма для керування технологічними режимами індукційного, у тому числі диференційованого, нагріву рідкого чавуну в магнітодинамічному міксері на різних етапах його роботи;

результати дослідно-промислової перевірки розробленої енергозберігаючої технології пере-грівання чавуну при електромагнітній розливці, включно з її техніко-економічною оцінкою;

рекомендації щодо практичного застосування нової технології та перспективи її розвитку і створення нового покоління магнітодинамічного обладнання.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок автора відображено у таких положеннях, ви-несених на захист:

розробка нової технології індукційного диференційованого перегрівання чавуну в процесі його електромагнітної розливки з застосуванням магнітодинамічного міксера;

аналітична оцінка процесів теплопереносу в чавуні у індукційному каналі;

участь у розробці математичної моделі для дослідження теплових режимів роботи магніто-динамічної установки, проведення серії обчислювальних експериментів, опрацювання, аналіз та узагальнення одержаних результатів;

розробка номограми та алгоритму управління тепловим станом чавуну в різних режимах ро-боти магнітодинамічного міксера;

участь у дослідно-промисловій перевірці нової енергозберігаючої технології перегрівання чавуну при електромагнітній розливці. Експериментальне відпрацювання раціональних режимів перегрівання чавуну в магнітодинамічній установці. Опрацювання, аналіз, узагальнення результа-тів натурних досліджень. Розробка рекомендацій стосовно раціональних режимів технологічного процесу та подальшого розвитку таких технологій;

підготування заявок на винаходи та публікацій за темою дисертації.

Автор висловлює щиру подяку зав. відд. математичних методів дослідження та комп'ютерних технологій ФТІМС НАНУ, д. т. н. Миколі Івановичу Тарасевичу і ст. наук. співроб. відділу магніт-ної гідродинаміки і вакуумних технологій ФТІМС НАНУ, к. т. н. Віктору Костянтиновичу Погор-ському, під чиїм керівництвом було проведено комплекс досліджень за тематикою роботи, уза-гальнено та належним чином оформлено результати цих досліджень.

Апробація результатів роботи. Основні положення та результати дисертації доповідалися та обговорювалися на Міжнародній науково-технічній конференції “Виробництво сталі в ХХІ сторіч-чі. Прогноз, процеси, технології, екологія” (Київ–Дніпродзержинськ, 2000 р.), Міжнародній науко-во-технічній конференції “Ливарно-металургійні процеси. Нові технології, матеріали й устатку-вання” (Київ, 1998 р.), науково-технічній конференції молодих спеціалістів “Азовсталь–98” (Ма-ріуполь, 1998 р.), на науково-технічних семінарах відділу магнітної гідродинаміки і вакуумних технологій ФТІМС НАН України.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 6 наукових статей та одержано 2 па-тенти України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел з 141 найменування, 3 додатків. Дисертацій-на робота містить 114 сторінок машинописного тексту, 64 рисунки, 10 таблиць, 52 формули.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, визначені мета та задачі досліджень, сформульо-вані наукові положення, що виносяться на захист, та їхнє практичне значення.

У першому розділі на підставі літературного огляду проведено аналіз сучасних технологічних процесів плавки, перегрівання та розливки чавуну, обгрунтовано доцільність розробки і впрова-дження у виробництво нових технологій та обладнання для реалізації цих процесів. Розглянуто магнітодинамічний принцип дії на рідкий метал, вказано переваги магнітодинамічного обладнання при використанні його у вищезгаданих технологічних процесах. Показано можливість індукційно-го перегрівання порції чавуну при електромагнітній розливці за допомогою магнітодинамічного міксера. Це дає змогу суттєво зменшити енерговитрати та поліпшити техніко-економічні показни-ки процесу розливки чавуну.

В другому розділі вивчено магнітогідродинамічні, електричні та теплові процеси в робочій зо-ні і каналах двохіндукторної МГД-установки.

У магнітодинамічних установках незалежно від їхнього конструктивного виконання рух ме-талу спричинюється дією об’ємної електромагнітної сили Fe, збуджуваної в робочій зоні каналу внаслідок взаємодії електричного струму в розплаві з зовнішнім магнітним полем, створеним електромагнітом. Ця сила описується відомим канонічним рівнянням:

де – густина електричного струму в робочій зоні каналу, А/м2;

– індукція магнітного поля в робочій зоні, Тл;–

область взаємодії електричного струму та зовнішнього магнітного поля, м3.

У той же час електричний струм, крім робочої зони, проходить також рідким металом, що пе-ребуває в каналах індукційної частини. Як наслідок, в цих каналах згідно з законом Джоуля–Ленца виділяється тепло. Якщо врахувати, що в каналах індуктується електричний струм значної вели-чини – (0,55)104 А, то це дає змогу здійснювати інтенсивний нагрів металу. Проте при цьому слід забезпечити відведення тепла з каналів до тигля установки, бо в іншому разі істотно збільшуються тепловтрати та зменшується стійкість футеровки. З формули (1) випливає, що необхідну величину електромагнітної сили та відповідний нагрів металу в каналі можна досягти за різних співвідно-шень електричного струму і магнітного поля в робочій зоні.

Спираючись на рівняння теплового балансу, одержали аналітичні залежності для визначення величини перегрівання металу в каналах установки. Показано, що за сталих геометричних розмі-рів каналів інтенсивність нагріву металу прямо пропорційна до потужності індуктора й обернено пропорційна до швидкості течії металу, що характеризується числом Рейнольдса . Встановле-но, що для діапазону індуктування електричного струму (210106 А/м2) для забезпечення перегрі-вання металу в каналі в режимі розливки від 50 до 200 С критерій Рейнольдса в потоці розплаву в каналі має змінюватися від 2,3104 до 0,5102.

Для розробки раціональних режимів течії металу в каналах магнітодинамічних установок роз-поділ електромагнітних сил у робочій зоні каналу досліджували методами математичного моделю-вання.

Встановлено, що при живленні електромагнітних систем (двох індукторів та електромагніта) напругами, початкові фази яких (відповідно ) дорівнюють нулю, вектори електромаг-нітних сил спрямовані у бік центрального каналу. В такому разі в робочій зоні відбувається нагні-тання металу до центрального каналу, і реалізується режим перемішування, характерний для ви-тримування та нагріву розплаву у тиглі установки. При зміні початкової фази напруги живлення однієї з електромагнітних систем відбувається зміна напрямку електромагнітних сил. Так, у разі, якщо , , із збільшенням вектор електромагнітних сил розвертається, і при електромагнітні сили в робочій зоні спрямовані головним чином у бік зливального ка-налу, що характерно для роботи установки в режимі розливки металу.

Результати чисельного розрахунку електромагнітних сил у хрестоподібній робочій зоні кана-лу показують, що, змінюючи електричні параметри в кожній з електромагнітних систем, можна активно керувати інтегральним значенням електромагнітних сил і регулювати характеристики те-чії металу в робочій зоні та каналах двохіндукторної індукційної частини.

З застосуванням чисельних методів проведено розрахунок течії чавуну в робочій зоні за різ-ного співвідношення геометричних розмірів, електромагнітних сил і швидкостей у діа-пазоні зміни критеріїв(0)2103;01010. Розрахунки показали, що структура течії ме-талу в робочій зоні залежить від величини прикладених електромагнітних сил . Із збільшен-ням по периметру робочої зони виникає інтенсивний вихоровий рух металу, що деформує ос-новний потік розплаву в робочій зоні. Встановлено, що із збільшенням ширини поля сил вихор зміщується вглиб бічних каналів.

Крім цього, із збільшенням ширини поля електромагнітних сил збільшується потік рідкого ме-талу з бічних каналів до зливального. На основі проведених досліджень зроблено вибір конструк-тивних розмірів робочої зони. Зокрема, встановлено, що за рівності висоти робочої зони та каналів на ділянці розміщення полюсу електромагніта ширина зливального каналу має бути в 2,53 рази більша, ніж ширина центрального каналу. В такому разі до зливального каналу рідкий метал рів-номірно надходить як з центрального, так і з бічних каналів.

У третьому розділі розглянуто результати математичного моделювання теплових процесів у магнітодинамічній установці для перегрівання та розливки чавуну.

Складність безпосередніх теплових та гідродинамічних вимірів у рідкому чавуні через його високу температуру і агресивність зумовила необхідність проведення досліджень теплових проце-сів, що протікають у магнітодинамічній установці, із застосуванням методів математичного моде-лювання. Математичну модель для дослідження теплових режимів роботи магнітодинамічної уста-новки було розроблено під керівництвом зав. відд. математичних методів дослідження та комп'ю-терних технологій ФТІМС НАНУ, д. т. н. Миколи Івановича Тарасевича. Запропонована матема-тична модель грунтується на фундаментальних закономірностях механіки суцільного середовища.

При розробці математичної моделі були сформульовані вихідні передумови, згідно з якими зміна теплового стану аналізованого обєму металу може бути описана рівнянням теплопровод-ності в ентальпійній формі:

(2)

де ентальпія; температура; відповідно питома теп-лоємність, густина та коефіцієнт теплопровідності матеріалу, що є функціями температури; поточна координата; прихована теплота кристалізації; частка рідкої фази в об’ємі мета-лу; поточний час; об’ємна щільність теплових джерел у зоні індукційного нагріву.

Початкова умова запишеться в такому вигляді:

(3)

За умови симетрії і зміні теплообміну згідно з законом НьютонаРіхмана граничні умови на-беруть вигляду:

(4)

(5)

де зовнішній радіус досліджуваної області; коефіцієнт теплообміну; темпера-тура зовнішнього середовища, з яким відбувається теплообмін, різна для зони каналу та тигля установки. Для розв’язання задачі (2)–(5) використано економічну локально-одномірну схему Са-марського. Обчислювальний експеримент проводився на ПЕОМ.

Дану методику використано для вивчення теплових режимів роботи магнітодинамічної уста-новки на всіх стадіях її експлуатації:–

запуск установки в роботу;–

витримування та індукційний нагрів рідкого чавуну в тиглі установки;–

індукційне перегрівання чавуну при розливці в ливарні форми (ковші).

Для перевірки адекватності запропонованої математичної моделі та розробленого програмно-го забезпечення реальному процесу порівняли результати натурних досліджень нагріву рідкого ча-вуну на діючій магнітодинамічній установці в умовах ливарного цеху з даними, одержаними роз-рахунком. Відхилення розрахованої температури від експериментальних значень не перевищува-ло 5%, що свідчить про достатній ступінь достовірності запропонованої моделі для вивчення теп-лового стану металу у магнітодинамічній установці.

На початку чисельних досліджень проводили дослідження теплових характеристик установки в режимі запуску при розігріві та спіканні футеровки. Визначали характер зміни температури рід-кого чавуну в тиглі та каналі установки залежно від маси металу, що спочатку заливається до тиг-ля, температури попереднього розігріву стінок вогнетривкої футеровки, потужності індуктора, швидкості руху розплаву в каналі. При проведенні обчислювального експерименту прийняли, що вихідна температура чавуну, який заливається до установки, змінювалася в межах 13001400 оС.

При цьому можна виділити три часові етапи.

На першому етапі, після заливання до тигля вихідного рідкого чавуну, через контакт з холод-ними стінками футеровки спостерігається зниження температури металу, незважаючи на індукцій-ний нагрів розплаву: за потужності індуктора 100 кВт та температури стінок футеровки 500 оС температура чавуну в установці знижується з 1400 оС до 12301250 оС, при розігріві стінок футе-ровки до 750 оС температура металу зменшується на 3540 оС, при збільшенні температури розі-гріву стінок футеровки до 1000 оС температура чавуну в тиглі знижується лише на 1015 оС і прак-тично сумірна з температурою чавуну, що заливається до установки. На другому етапі маємо зрос-тання температури металу до початкового значення, а для третього етапу характерне перегрівання чавуну вище температури його заливання до установки.

Як наслідок аналізу результатів обчислювального експерименту з вивчення особливостей ре-жиму запуску розроблено технологію спікання футеровки установки. При запуску установки неба-жано перегрівати чавун. Температура металу в тиглі визначається режимом спікання футеровки, тому вона має бути в межах 13501500 оС, а швидкість її зростання від нижнього значення не по-винна перевищувати 2025 оС/год. При досягненні рідким чавуном температури 1500 оС слід про-вести технологічне витримування металу протягом 23 годин для повного прогріву та спікання вогнетривкої маси робочого шару стінок футеровки. Після цього можна переходити до експлуата-ції установки в різних технологічних режимах.

Чисельний розрахунок теплових та експлуатаційних параметрів магнітодинамічної установки в режимі запуску відпрацьовували стосовно до роботи такого агрегату на сірому чавуні для техно-логічного процесу виготовлення виливків деталей сільськогосподарських машин. Розроблені теп-лові режими запуску забезпечували вихід установки на робочий режим у середньому протягом 5 6 годин. При цьому термін служби футеровки складав 89 місяців безперервної експлуатації уста-новки.

Вивчено динаміку нагріву металу в установці в режимі витримування металу. Встановлено, що інтенсивність нагріву залежить від потужності індукційної частини, швидкості течії розплаву в каналі, маси металу в тиглі. Існуючі магнітодинамічні установки для чавуну забезпечують перегрі-вання на 100 С лише 35 т/год розплаву, що розливається, тому вони можуть використовуватися тільки в малопотужних ливарних цехах. Для чавуноливарних цехів при розливці до 25 т металу за годину необхідна розробка нового класу установок з електричною потужністю індукційної части-ни не менш як 1000 кВт та корисною місткістю не менше 10000 кг рідкого чавуну.

Визначено теплові втрати магнітодинамічної установки залежно від температури та маси ча-вуну, що перебуває в ній, що полегшило вибір потужності індуктора для додержання режиму ви-тримування розплаву в установці. Встановили, що збільшення маси чавуну в установці з 1500 до 4000 кг та його температури з 1250 до 1550 С призводить до зростання тепловтрат магнітодина-мічної установки у 3,5 рази.

Особливістю розливки чавуну з застосуванням магнітодинамічної установки є те, що при роз-ливці метал проходить через канали, у яких відбувається його індукційний нагрів. Вивчено особ-ливості нагріву чавуну при його розливці магнітодинамічною установкою для характерних режи-мів (розливка порцій чавуну масою 10500 кг з масовою витратою 110 кг/с). Так, для забезпечен-ня сталої температури розливки збільшення масової витрати при видачі металу з установки потре-бує одночасного збільшення потужності індуктора. Обчислювальний експеримент також свідчить, що протягом усього виробничого циклу зі зменшенням маси чавуну в установці за фіксованої по-тужності індуктора інтенсивність нагріву металу зростає, і тому задля стабілізації температури розливки слід зменшувати потужність індуктора. В такому разі для забезпечення встановлених виробничою програмою та технологією витратних характеристик при розливці слід синхронно збільшувати потужність електромагніта установки.

Проведено порівняльний аналіз енергетичних витрат при розливці металу: за старою техноло-гією – розігрів усієї маси металу до температури розливки та витримування розплаву з такою тем-пературою протягом всього циклу розливки, і за новою технологією – коли чавун витримується за низької температури та перегрівається до температури розливки безпосередньо при подачі його з каналу магнітодинамічної установки до ливарних форм. Встановлено, що найбільші питомі енер-говитрати мають місце при розливці незначних за масою (1025 кг) порцій металу. Загальна еко-номія енергоресурсів при розливці чавуну за новою технологією в порівнянні зі старою сягає 28 40%.

У четвертому розділі розроблено нову технологію індукційного перегрівання чавуну при електромагнітній розливці та наведено результати її дослідно-промислової перевірки.

За новою технологією реалізується найкоротша технологічна схема розливки металу: “пла-вильна піч – магнітодинамічна установка – ливарна форма”. Використовувана в якості вторинного агрегату наведеної технологічної схеми магнітодинамічна установка поєднує в собі функції, з од-ного боку, накопичення, витримування та можливої позапічної обробки чавуну, а з іншого – роз-ливки металу з забезпеченням індукційного перегрівання розплаву при подачі його до ливарних форм, тобто функціонально вона (установка) стає магнітодинамічним міксером для перегрівання та розливки чавуну.

Сутність розробленого технологічного процесу полягає в тому, що в режимі витримування вся маса чавуну в міксері має мінімально припустиму температуру, скажімо, 13001320 С. В такому разі потужність індуктора вибирають, виходячи з умови компенсації теплових втрат міксера за та-кої температури чавуну для даної маси розплаву.

У режимі розливки металу до індукційної частини магнітодинамічного міксера підводять мак-симальну електричну потужність, змінюють гідродинаміку течії металу та здійснюють його пор-ційну керовану розливку. Метал з тигля за температури, наприклад, 1300 С надходить до каналу індукційної частини, де за час проходження по ньому під дією електричного струму перегріваєть-ся до температури, скажімо, 1500 С, та відразу ж через зливальний носок видається до ливарної форми (ковша). У цьому режимі на електромагніті вибирають напругу, що забезпечує таку елек-тромагнітну силу та відповідно таку швидкість течії металу, за якої перегрівання чавуну в каналі становитиме 200 С. В результаті перегрітий метал з каналу до тигля міксера не надходить, а вся електрична потужність індукційної частини передається у вигляді тепла незначній масі розплаву, що зливається. Залежності між наведеними параметрами процесу при зміні їхніх значень: по-тужність індуктора 01000 кВт, потужність електромагніта 060 кВт, маси порції, що зливається з магнітодинамічного міксера, =10500 кг, масової витрати при розливці 110 кг/с – покладено в основу розробленої номограми, за допомогою якої залежно від необхідної величини перегрівання та заданої масової витрати металу при розливці визначаються електричні параметри індуктора й електромагніта міксера для кожного типорозміру виливків, що виготовляються. Для зміни електричних параметрів у мережі живлення електромагнітних систем міксера встановлюють автотрансформатори або тиристорні перетворювачі. Контроль параметрів електромагнітних систем здійснюють за допомогою показуючих приладів, встановлених у шафі управління міксером. Температуру металу в тиглі та зливальному каналі міксера контролюють за допомогою термометричного датчика, наприклад, установки безперервного контролю температу-ри конструкції ФТІМС НАН України, основним елементом котрої є світловодний пристрій.

Для програмного керування технологічним процесом перегрівання металу при розливці роз-роблено алгоритм та схему, відповідно до яких реалізуються раціональні режими роботи магніто-динамічного міксера, починаючи з моменту введення його до експлуатації та закінчуючи техноло-гічною операцією розливки чавуну.

Проведено експериментальне відпрацювання параметрів нової технології індукційного пере-грівання чавуну на натурних магнітодинамічних установках.

На першому етапі цих робіт досліджували параметри електромагнітних систем установки, що визначають можливість управління теплофізичними та гідродинамічними умовами процесу індук-ційного нагріву і електромагнітної розливки чавуну. Напруга живлення електромагнітних систем магнітодинамічної установки змінювалася в межах 0?380 В. Встановлено, що за фіксованої напру-ги на одній з систем залежність витратних характеристик течії металу від зміни живлячої напруги іншої системи має лінійний характер.

Промислову перевірку нової технології перегрівання чавуну при розливці здійснено в діючих ливарних цехах при виготовленні виливків з чавунів такого хімічного складу, % мас.: 1) С – 3,1?3,3, Si – 1,7ч2,2, Mn – 0,7ч1,2, P ? S – ?0,08; 2) С – 3,0?3,2, Si – 1,5ч1,7, Mn – 0,35ч 0,45, S – 0,08ч0,1, P – 0,07ч0,09, Cr – 0,2ч0,3; 3) ? – 2,8ч2,9, Si – 1,3ч1,6, Mn – 0,4ч0,45, P ? S – =0,13, Cr – 0,04ч0,06. ?ихідний чавун виплавляли в індукційній печі ИЧТ-10, дуговій печі ДСП-6 та коксовій вагранці продуктивністю 3,0 т/год. За температури вихідного розплаву 1380ч1400 С чавуном заповнювали ливарний ківш місткістю 3,0 т і транспортували його на ділянку розливки до автома-тичної ливарної лінії, де розташовувалася експериментальна магнітодинамічна установка корис-ною місткістю 3,0 т з електричною потужністю індукційної частини до 300 кВт. Здійснювали зали-вання чавуну до тигля установки, після чого проводили дослідження з вимірювання температури металу за різних режимів роботи обладнання.

Випробувано технологічний процес розливки чавуну, при якому здійснювалося перегрівання порції металу в процесі її розливки. У ході експерименту проводили розливку порцій масою 20 кг з масовою витратою 3 кг/с та 1 кг/с. Встановлено, що для масової витрати 3 кг/с при по-тужності індуктора 140 кВт перегрівання становить 8 С, при 200 кВт – 12 С, при 300 кВт – 17 С. При 1 кг/с внаслідок збільшення тривалості розливки порції для 140, 200 і 300 кВт її перегрівання в процесі видачі з агрегату становило відповідно 25 С, 35 С та 50 С.

Дослідно-промислова перевірка розробленої технології підтвердила можливість індукційного перегрівання чавуну в каналі магнітодинамічної установки та гнучкого керування температурою металу під час електромагнітної розливки відповідно до технологічних вимог, що є надзвичайно важливим з точки зору економії матеріалів, енергоресурсів та забезпечення високої якості литих заготовок.

Розроблена технологія перегрівання чавуну при розливці з застосуванням магнітодинамічного міксера має багатоплановий характер. Вона може використовуватися в ливарному виробництві при виготовленні широкої номенклатури виливків із різноманітних марок сірого, високоміцного та спеціальних чавунів на ливарних конвеєрах, автоматичних ливарних лініях, відцентрових і кокіль-них машинах, при безперервному литті.

Застосування нової технології при виробництві виливків з чавуну дозволяє:–

скоротити витрату електроенергії при витримуванні, перегріванні та розливці чавуну на 5 8 кВтгод/т;–

знизити угар основних та легуючих елементів сплаву на 25%;–

збільшити в 1,21,5 рази термін роботи футеровки магнітодинамічного міксера та зменшити витрати на вогнетривкі матеріали на 1015%;–

підвищити безпеку роботи міксера за рахунок зменшення металостатичного тиску на футе-ровку індукційної частини та покращення температурних режимів роботи міксера;–

поліпшити екологічні умови праці.

Порівняння собівартості виготовлення лиття за новою та традиційною технологіями свідчить, що річний економічний ефект від застосування нової технології індукційного перегрівання чавуну в процесі розливки та відповідного обладнання (магнітодинамічного міксера) для реалізації цієї технології становитиме 51,3 тис. грн. на програму виготовлення 5 тисяч тонн виливків.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми управ-ління тепловим станом металевого розплаву при його індукційному нагріві, поєднаному з цирку-ляцією під дією електромагнітних сил. Проблему було вирішено на основі закономірностей меха-ніки суцільного середовища, теорій теплообміну, електродинаміки та різницевих схем з викорис-танням математичних розрахунків і моделювання, а також експериментальних методів досліджен-ня. Вирішення проблеми дозволило розробити нову енергозберігаючу технологію індукційного перегрівання чавуну при його електромагнітній розливці з застосуванням магнітодинамічного мік-сера.

1. Проведено аналіз теплових режимів та енергетичних витрат процесу розливки чавуну в ли-варних цехах, котрий показав, що даний процес здійснюється головним чином ливарними ковша-ми і характеризується значними тепловтратами металу. Це призводить до значної зміни темпера-тури, ливарних властивостей чавуну при розливці, зумовлює нестабільність фізичних властивос-тей та литої структури виливків. Для компенсації тепловтрат і забезпечення необхідних за техно-логією ливарних властивостей вихідний метал, як правило, перед розливкою перегрівають, що спричинює додаткові витрати енергоресурсів.

2. Розглянуто конструктивні особливості електротехнологічних індукційних установок ка-нального типу для підігріву та розливки чавуну. Показано, що ефективність теплопереносу в сис-темі “канал – ванна” таких установок головним чином залежить від конструктивного виконання та геометрії каналу й однозначно пов'язується з величиною електричного струму в каналі. Це обме-жує можливості керування течією металу та переносом тепла з каналу у ванну установки. За прин-ципом своєї дії застосовуване у виробництві відоме технологічне обладнання забезпечує перегрі-вання та витримування при високій температурі тільки всієї маси металу у ванні; при цьому пи-тома витрата енергії на підігрів металу при розливці в порівнянні з визначеною теоретично збіль-шується в 1,52,5 рази.

3. Розглянуто магнітодинамічний принцип впливу на рідкий метал, що забезпечує індукцій-ний підігрів та керування течією розплаву під дією електромагнітних сил. Створене на цьому принципі обладнання забезпечує незалежне управління тепловими та гідродинамічними парамет-рами рідкого металу при розливці. Також є можливість здійснювати перегрівання металу в каналі, саме з якого він, власне, відбирається на розливку, безпосередньо під час руху розплаву до зли-вального каналу, що дозволяє значно скоротити витрати енергоресурсів.

4. Проведено теоретичний аналіз нагріву та течії металу в двохіндукторній магнітодинамічній установці. Одержано аналітичні вирази для визначення динаміки нагріву металу в каналі та тиглі установки. Встановлено залежності зміни температури металу по довжині каналу від величини ін-дуктованого в ньому електричного струму та швидкості течії металу. Встановлено, що зростання швидкості циркуляції металу в системі “канал – тигель” магнітодинамічної установки спричинює зменшення перегрівання розплаву та, відповідно, вирівнювання його температури по об’єму. По-казано, що перерозподіл електромагнітних сил у робочій зоні дозволяє керувати течією металу як у режимі його перемішування, так і в режимі розливки.

5. Розроблено математичну модель для вивчення динаміки нагріву металу в каналах та тиглі в різних режимах роботи магнітодинамічної установки. Вивчено залежності нагріву металу в режи-мі запуску установки, завдяки чому визначено оптимальні значення температури розігріву футе-ровки перед запуском установки (її слід розігрівати до температури близько 1000 С), маси та тем-ператури вихідного чавуну (вони мають становити відповідно 3040% корисної місткості установ-ки та 13001400С), що виключають небезпеку руйнування футеровки внаслідок термоудару та за-безпечують тривалий термін її роботи. На основі проведених досліджень розроблені рекомендації та технологія запуску установки в дію. Порівняння результатів обчислювального експерименту, одержаних із застосуванням розробленої математичної моделі, з даними натурних вимірювань температури чавуну в магнітодинамічній установці показало, що вони різняться між собою не більш як на 5%, що свідчить про достатню ступінь достовірності розробленої математичної моде-лі.

6. Вивчено характер нагріву та зміни температури чавуну в каналі магнітодинамічної установ-ки в режимах витримування, перегрівання та розливки металу. Визначено теплові втрати магніто-динамічної установки та вивчено динаміку нагріву чавуну в ній залежно від маси та температури чавуну. Встановлено, що збільшення маси розплаву, що перебуває в установці, з 1500 до 4000 кг та його температури з 1250 до 1550 С призводить до зростання тепловтрат магнітодинамічної установки у 3,5 рази. Показана можливість перегрівання металу в каналі при розливці на 150 200 С та керування температурою шляхом регулювання теплової потужності, що виділяється у розплаві (тобто електричними параметрами індуктора: 01000 кВт), і гідродинаміки течії металу в каналі (для масової витрати в межах 110 кг/с швидкість руху металу в каналі магнітодинамічної установки в режимі розливки змінюється відповідно з 0,023 до 0,23 м/c), котра визначається електричними параметрами як індуктора, так і електромагніта установки.

7. Здійснено порівняльний аналіз енергоємкості технологічного процесу розливки чавуну за традиційною та новою технологіями. Показано, що використання магнітодинамічної установки, яка дозволяє здійснювати перегрівання порції металу безпосередньо при видачі її з агрегату до ли-варних форм (ковшів), забезпечує зниження енерговитрат процесу розливки на 2840% (залежно від маси порцій металу, що розливаються). Найбільші питомі енерговитрати мають місце при роз-ливці малих порцій чавуну (1025 кг) через необхідність витримувати значні об’єми розплаву в установці за високої температури.

8. Розроблено нову технологію індукційного перегрівання чавуну в каналі магнітодинамічно-го міксера при електромагнітній розливці. Розроблено номограму, що дозволяє забезпечувати ви-моги технологічного процесу розливки чавуну (температурні та витратні показники) шляхом ре-гулювання параметрів електромагнітних систем магнітодинамічного міксера при одночасному зменшенні енерговитрат. Розроблено алгоритм та схему для реалізації запропонованої технології у діючих чавуноливарних цехах.

9. Показано можливість застосування магнітодинамічної установки в якості міксера для пе-регрівання та розливки чавуну. На експериментальній установці в умовах ливарного цеху прове-дене відпрацювання експлуатаційних параметрів її електромагнітних систем, підтверджено мож-ливість управління тепловими та гідродинамічними (витратними) параметрами процесу розливки чавуну.

10. Визначено техніко-економічну ефективність нової технології порівняно з традиційною при виготовленні з чавуну виливків загального та сільськогосподарського машинобудування. Річ-ний економічний ефект від впровадження нової технології становитиме 51,3 тис. грн. на програму виготовлення 5000 т лиття.

11. Розглянуто перспективи розвитку технології індукційного перегрівання та електромагніт-ної розливки чавуну, наведено захищені патентами України принципові конструкції МГД-при-строїв