В настоящее время актуальной задачей металлургического машиностроения является обеспечение предотвращения застывания металла, находящегося в разливочном канале шиберного затвора при его перекрытии во время разливки цветных и черных металлов. В качестве решения данной задачи предложен вариант совершенствования шиберного затвора литейного ковша 1 (Рисунок 1) за счёт внедрения в его конструкцию специального блока 2, в котором располагается нагревательный элемент 3 с организованной системой подвода тепла через ковшевой стакан 4 к проблемной зоне разливочного канала [3].

Нагревательный элемент выполнен размещенным снаружи ковшевого стакана, что позволит обеспечить равномерный подогрев всей зоны разливочного канала и компенсировать потери тепла от расплава. В качестве материала нагревательного элемента может быть использован молибден, вольфрам и другие металлы с высокой температурой плавления. На конструкцию шиберного затвора литейного ковша получен патент РФ на полезную модель.

В среднем время перемещений ковшей между формами варьируется от 10 до 90 с, поэтому основной задачей при совершенствовании шиберного затвора  является  обеспечение  гарантированного отсутствия кристаллизации металла, находящегося в разливочном канале, на протяжении 90 с.

В ходе математического моделирования нестационарного теплообмена между расплавом латуни Л80 и огнеупорным комплектом шиберного затвора, получено выражение, описывающее распределение безразмерной температуры в цилиндре радиусом r0 для безграничной длины. Данное выражение является дифференциальным уравнением с частными производными, и его использование для проведения инженерных расчетов при проектировании шиберных затворов с дополнительным  подогревом ковшевого стакана является достаточно трудоёмким.

Одной из задач оптимального проектирования шиберных затворов является определение диаметра разливочного канала при заданном времени его перекрытия и известных температурных условиях эксплуатации затвора. Для сокращения времени проектирования целесообразно использование машинного эксперимента, позволяющего получить более упрощенные математические модели процессов нестационарного теплообмена в шиберном затворе.

Аналитическая модель нестационарного распределения температуры в шиберном затворе может быть использована как генератор исходных данных при получении уравнений множественной регрессии в ходе проведения машинного многофакторного эксперимента.

При решении практической задачи выбора оптимальных параметров процесса нестационарного теплообмена использована методика создания вторичной математической модели процесса на основе сочетания машинного эксперимента с регрессионным анализом и привлечением теории планирования многофакторного эксперимента [1].

Такая модель позволяет для выбранных диапазонов изменения факторов проводить технологические расчеты, результаты которых с достаточной степенью точности будут соответствовать действительности [2]. Она может быть использована также и для оптимизации процесса, т.е. выбора наиболее рациональных значений технологических факторов. Для достаточно полного описания процесса нестационарного теплообмена, выходные параметры которого являются сложными функциями большого числа факторов, в качестве приближенной математической модели использован полином второй степени.

В качестве основных трех факторов, влияющих на процесс нестационарного теплообмена были приняты:

X1 – время, с;

X 2 – радиус разливочного канала, мм;

X3 – температура канала после предварительного нагрева, °С. В качестве выходных факторов были выбраны: 

Y1 – температура металла в центре стакана, Y2  – температура неподвижной шиберной плиты.

После проведения машинного эксперимента и обработки результатов получены следующие уравнения регрессии:

На основе полученных уравнений (1-2) были построены графики зависимости температуры металла в центре стакана в процессе нестационарного теплообмена от исследуемых факторов при перекрытии разливочного канала (Рисунок 2). Затемненные области содержат значения параметров, удовлетворяющих начальным условиям (время перекрытия канала не менее 90 с, температура расплава не менее 950 °С).

Из Рисунка 2, а, видно, что при минимальной температуре дополнительного нагрева t = 1080 C , не обеспечивается поддержание металла в жидком состоянии.

При достижении верхней границы интервала варьирования температуры внутренней стенки ковшевого стакана t = 1280 C диаметр разливочного отверстия ковшевого стакана от 75 до 100 мм полностью обеспечивает отсутствие застывания канала в течение 90 с, что удовлетворяет условиям проводимого численного эксперимента (Рисунок 2, б).

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что для разливки латуни марки Л80 с температурным   режимом прогрева стенки разливочного канала ковшевого стакана t = 1280 C использование ковшевого стакана диаметром от 75 до 100 мм гарантирует отсутствие застывания столба жидкого металла. Чтобы использовать при разливке ковшевые стаканы с диаметром разливочного отверстия от 40 до 75 мм, необходимо увеличение температуры дополнительного подогрева выше t = 1280 C .

Температура в зоне разливочного канала верхней шиберной плиты Y2  при изменении температуры подогрева разливочного канала, изменяется не существенно.

 

Список литературы

1.     Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Машиностроение, 1976. 280 с.

2.     Налимов В.В. Теория эксперимента. М.: Наука, 1971. 208 с.

3.     Патент 134463 РФ на полезную модель. МПК7 В 22 D 41/22. Устройство для ориентации изделий типа стаканов / В.И. Золотухин, Д.А. Провоторов, В.П. Дуликов, Д.И. Жилин. Опубл. 20.11.2013 г. Бюл. № 32.