15 мая 2016г.
Аннотация: На базе программного продукта Ansys Workbench разработана компьютерная модель теплообмена в установке для непрерывного литья и прессования цветных металлов. Представлены результаты расчета теплообмена в установке при литье и прессовании алюминиевого сплава, позволяющие оценить динамику изменения теплового состояния элементов ее конструкции.
Ключевые слова: установка, непрерывное литье и прессование, математическая модель, нестационарный теплообмен, нелинейность
MODELLING THERMAL PROCESS IN NON-FERROUS METALS CONTINUOUS CASTING AND EXTRUSION INSTALLATION
Potapenko A., Skuratov A., Gorokhov Y.
Siberian Federal University, Russian Federation, Krasnoyarsk-city
Abstract: The computer model of heat exchange in the non-ferrous metals continuous casting and extrusion installation was designed with Ansys Workbench software. There are the results of calculations of heat exchange in the installation while aluminum alloy casting and extrusion. The results help to estimate dynamics of thermal state changes of the installation elements.
Key words: installation, continuous casting and extrusion, math model, unsteady heat exchange, non-linearity.
Надежная эксплуатация установки непрерывного литья и прессования цветных металлов требует строгого соблюдения термостабильных условий работы ее рабочих элементов [1]. Связано это с тем, что процесс работы установки, особенно в начальный период, характеризуется существенной нестационарностью теплового состояния ее основных рабочих элементов – кристаллизатора, матрицы и корпуса. Поэтому изучение вопросов теплообмена играет существенную роль при проектировании элементов конструкции установки и выборе рациональных режимов ее работы.
На Рисунке 1 представлена схема установки непрерывного литья и прессования цветных металлов, выполненной на базе карусельного кристаллизатора [2].
В ходе опытных исследований установлено,
что
рост температуры
кристаллизатора
в процессе реализации такого способа литья и прессования увеличивает длину дуги обрабатываемого материала, находящегося в начальный момент времени в жидкой фазе. При этом возникают недопустимые по технологическому регламенту условия, при которых не закристаллизовавшийся расплав попадает под матрицу прессования.
В работе на основе компьютерной модели теплообмена в установке литья и прессования алюминиевого деформируемого сплава, построенной на базе программного комплекса Ansys Workbench [3], определено тепловое состояние ее рабочих элементов.
В принятой модели теплоперенос в элементах установки описывается нелинейным трехмерным уравнением теплопроводности, где полная производная температуры по времени учитывает движение расплава алюминия в кристаллизаторе [4]. При этом внешняя нелинейность обусловлена процессом теплообмена конвекцией и излучением на границе расчётной области, внутренняя – зависимостью коэффициента теплопроводности металла от температуры.
Результаты моделирования позволили выделить две характерные зоны, отличающиеся по интенсивности тепловыделения и, соответственно, температурному уровню элементов установки. Первая теплотехническая зона расположена в области от места заливки перегретого расплава алюминия до границы, соответствующей началу его кристаллизации (достижения температуры «солидуса» по сечению расплава), вторая – имеет протяженность от указанной границы до матрицы. Анализ показывает, что в начальный период эксплуатации имеет место существенная неравномерность прогрева корпуса и кристаллизатора в обеих зонах, которая постепенно снижается в процессе ее работы (Табл.1). Установлено, что при выходе процесса на стационарный тепловой режим (Рисунок 2 и 3) точка начала кристаллизации расплава не изменяет своего местоположения.
Расчеты при различных режимных параметрах работы установки и проведенный сравнительный анализ полученных температурно-скоростных зависимостей позволил установить требуемое местоположение заливки расплава и скорость движения вращающейся части кристаллизатора. При этом показано, что для обеспечения надежного технологического режима работы установки, необходимо организовать постоянный отвод избыточного количества теплоты от ее элементов.
Таблица 1
Изменение температуры элементов установки в начальный период эксплуатации
|
Время, с
|
Минимальные Тmin и
максимальные Тmax температуры, °С
|
|
Корпус
|
Кристаллизатор
|
|
Tmin
|
Tmax
|
Tmin
|
Tmax
|
|
12
|
254
|
616
|
260
|
722
|
|
23
|
269
|
633
|
275
|
724
|
|
34
|
284
|
643
|
289
|
725
|
|
45
|
308
|
654
|
314
|
727
|
|
60
|
513
|
667
|
553
|
725
|
Список литературы
1. Прессование алюминиевых сплавов: моделирование и управление тепловыми условиями: монография / Н. Н. Довженко, С. В. Беляев, С. Б. Сидельников, И. Н. Довженко, Е. С. Лопатина, Р. И. Галиев. – Красноярск: Сибирский Федеральный ун-т, 2009. – 256 с.
2.
Пат. 102550 Российская Федерация, МКП В 21 С 23/08. Установка для непрерывного литья, прокатки и прессования металла / С.В. Беляев, С.Б. Сидельников, Ю.В. Горохов [и др.]; опубл. 10.03.2011, Бюл. № 7.
3.
ANSYS CFX-Solver Theory Guide: Release 13.0 // ANSYS, Inc. – 2010. – 390 p.
4.
Скуратов, А.П. Компьютерное моделирование и оптимизация процесса литья слитков платины / А.П. Скуратов, Д. И. Махов, Е. А. Павлов // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технология. − 2014. − № 7. − С. 96−102.
