Применение устройств контролируемого отвода тепла с целью совершенствования тепловой работы установки непрерывного литья

• Автор: Капитанов, Виктор Анатольевич
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 130 с. : ил

Содержание

1. ТЕПЛОВАЯ РАБОТА УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЮВЕЛИРНЫХ СПЛАВОВ ЗОЛОТА

1.1. Конструкция и особенности тепловой работы установки непрерывного литья ii

1.1.1. Режим охлаждения слитка.

1.1.2. Допустимый диапазон температур

перегрева расплава.

1.2. Задачи совершенствования тепловой работы установки непрерывного литья ii

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 фадуировка чувствительного элемента
2.4. Оценка пофешности определения фадуировочной 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 ii .
3.3. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
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 утлы 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 афегатам 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.
Но назначению устройства контролируемого отвода тепла, применяемые в металлургии, можно разделить на две группы технологические и метрологические, выделив в первой фуппе устройства охлаждения агрегата и устройства охлаждения материала или изделия.
Оценивая актуальность задач, связанных с применением устройств контролируемого отвода тепла, необходимо отметить, что устройства охлаждения афегата достаточно давно и подробно изучаются например, 1, поскольку их работа обеспечивает функционирование афегата 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 , но основной темой исследований являются датчики, в которых перенос тепла от объекта измерения к чувствительному элементу происходит радиационным путм. Менее исследованы датчики, основанные на переносе тепла за счт конвекции, и лишь сравнительно недавно стали разрабатываться устройства, основанные на переносе тепла теплопроводностью. Последнее можно объяснить сложностью расчта подобных устройств, предполагающей наличие вычислительных средств, появившихся только в последнее десять пятнадцать лет.
Поэтому наибольший интерес для исследователя представляют устройства контролируемого отвода тепла теплопроводностью, причм 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 теплофизической точки зрения. Наибольшее количество теплотехнических работ посвящено агрегатам чрной металлургии, в меньшей степени исследованы агрегаты цветной металлургии, а теплотехнические работы в области металлургии благородных метатлов практически отсутствуют. Это объясняется большими объмами 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 необязатель
ного. В связи с этим вс 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, предполающее 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 МНЛЗ, для нормальной работы которых необходим как локализованный и дозированный отвод тепла от слитка, гак и точное бесконтактное измерение температуры расплава.
Крупное промышленное производство изделий из благородных металлов, так же, как и производство стали, меди и алюминия, предполагает непрерывное лить и последующую прокатку слитка. Однако особенности применяемых в ювелирном производстве материалов и процессов приводят к определнным трудностям в эксплуатации установок непрерывного литья по сравнению с МНЛЗ чрной 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 МНЛЗ.
Интенсивность фазовых превращений, происходящих в стальном слитке после затвердевания, как правило, не регулируется путм изменения интенсивности охлаждения, поскольку слиток после МНЛЗ 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 тврдость подобных сплавов с температурой возрастает, то возможна лишь их холодная прокатка . При этом фазовый состав изделия будет во многом определяться условиями охлаждения слитка после кристаллизации. Для весьма распространнных в ювелирном производстве сплавов золота 5 пробы к фазовым превращениям, способным существенно повлиять на свойства слитка, относится, прежде всего, распад твердого раствора золота, серебра и меди ,. Известно, что при высоких температурах эти металлы имеют высокую взаимную растворимость, снижающуюся с уменьшением температуры. В случае медленного охлаждения слитка при определнной температуре происходит распад тврдых растворов, гомогенность структуры нарушается, и пластичность металла падает. Распада тврдых 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


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. В случае разрушения защитной арматуры термопара растворится в расплаве, что приведт 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 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 передатся 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. 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 передатся к водяному холодильнику по тепловоду. Следует отметить, что лишь при анизотропной теплопроводности тепл овода 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. I Гервая глава диссертационной работы является вводной и содержит анализ тепловой работы установки непрерывного литья, необходимый для проведения исследований, описанных во второй и третьей главах. Установка ii предназначена для непрерывного литья слитков ювелирных сплавов золота в основном 5 пробы золото ,5,0, серебро 2,,3, цинк 0,,3, остальное медь прямоугольного x5 мм или круглого об мм сечений. В состав устройства входят рис. Технологический процесс начинается с загрузки в тигель шихтовых материалов. Под действием индукционных токов они нагреваются и расплавляются. После достижения расплавом заданной температуры порядка С начинается вытяжка слитка. Его формируют из поступающего самотеком в канал фильеры расплава. Для защиты расплава и тигля от окисления под керамическую рубашку и в верхнюю часть тигля вдувают аргон. Рис.