Analysis of the continuous casting ingot solidification using tabular data

Full Text

При разработке прогрессивной технологии непрерывного литья слитков из алюминиевых сплавов одной из актуальных задач является исследование и анализ взаимосвязи технологических параметров, определяющих процесс затвердевания [1]. Реальная сложность и многофакторность процесса формирования слитка на машинах непрерывного литья делает недостаточно эффективным в технологическом смысле применение для этих целей детерминированных математических моделей. Эффективный путь преодоления указанных трудностей состоит в разработке и применении методов получения приближенных моделей регрессионного типа с использованием представленных в табличном виде результатов численных и экспериментальных исследований, дающих исходный статистический материал для анализа процесса путем построения математических моделей [2, 3]. Появляющиеся здесь особенности связаны прежде всего со сложностью объекта и необходимостью получения удовлетворительной точности его описания при неизвестной заранее структуре модели. Табличные данные о режимах непрерывного литья, характеристиках процесса затвердевания и качества слитков могут быть в общем случае использованы для синтеза моделей по результатам численных исследований температурного поля слитка, устанавливающих зависимость определяющих характеристик процесса (глубина лунки, размер двухфазной зоны, температура поверхности в заданной точке слитка и др.) и иных важных функционалов температурного поля от внешних технологических и режимных параметров [4]. В работах [4, 5] выполнен синтез регрессионных моделей по результатам численного исследования затвердевания плоских слитков деформируемых сплавов типа Д16 и В95 толщиной 300-600 мм [6] для прогнозирования и анализа упомянутых характеристик процесса затвердевания в определенной области изменения внешних управляющих параметров (размер слитка, скорость литья, интенсивность охлаждения) с учетом некоторых конструктивных и технологических особенностей реальной установки для непрерывного литья. Полученные зависимости могут быть представлены в виде , (1) hs = 1,875·10 -4 vb 2 + + 8,649 , (2) (3) = 27,52 + (4) Входящие в формулы величины означают: hl , hs - глубина лунки, соответствующая изотермам ликвидус и солидус; - максимальный вертикальный размер двухфазной зоны; - температура поверхности в сечении , соответствующем максимальному значению коэффициента теплоотдачи на поверхности слитка ; b - полутолщина слитка; v - скорость литья и имеют следующие размерности: hl , hs , , - мм; - оС; v - мм/мин; - Вт/(м2 К). Ниже приведены некоторые результаты применения моделей (1) - (4) для анализа затвердевания основных в производстве плоских слитков толщиной 300-400-600 мм, широко используемых для получения листовых полуфабрикатов различного назначения. В качестве исходных технологических требований учитываются ограничения на скорость литья слитков указанных типоразмеров соответственно 60-90; 40-60; 25-40 мм/мин, а также определяемые особенностями конструкции кристаллизатора значения = (160-300) мм, = (50-200 ) оC, = (1500-25000) Вт/(м2K). Для рассматриваемой ситуации существенными являются два ориентира, достижение которых является технологически обоснованным по результатам промышленной реализации непрерывного литья крупногабаритных слитков: - обеспечение минимальных значений hc и для формирования достаточно плотной, беспористой структуры центральной зоны слитка; - обеспечение относительно высокой температуры поверхности для снижения разности скоростей охлаждения центральных и поверхностных зон с целью снижения вероятности трещинообразования. Для заданных на уровне технологических значений v и на рис. 1 приведены зависимости hs, и от (толщина слитка 400 мм). Рис. 1. Зависимости характеристик процесса затвердевания hs , и температуры поверхности от параметра Рис. 2. Изолинии (а) и (б) в плоскости ( v,) при значениях параметров Цифры у кривых означают соответственно и , мм: 1 - Из анализа кривых следует, что уменьшением , т. е. приближением точки максимального значения к нижнему срезу кристаллизатора, можно обеспечить одновременный учет обоих требований. Это соответствует реальной тенденции в проектировании конструкций систем охлаждения крупногабаритных слитков, выражающейся в сужении пояса интенсивного охлаждения. Дальнейшие расчеты, результаты которых для слитка толщиной 400 мм приведены на рис. 2, выполнены для = 170 мм, что близко к действительному значению этого параметра в реальных системах охлаждения. Здесь представлены изолинии глубины лунки по солидусу hs и максимального размера двухфазной зоны в плоскости ( v,). Они предназначены для количественной оценки совместного влияния скорости литья v и интенсивности охлаждения слитка на прогнозируемые значения глубины лунки hs и размера двухфазной зоны . Это позволяет выбрать наиболее целесообразные пределы назначения скорости литья v для конкретных конструкций систем охлаждения, характеризуемых собственными значениями . Анализируя вид представленных кривых, можно заключить, что режимы литья, обеспечивающие минимальные значения hs и , должны соответствовать пониженным скоростям литья v и относительно большим значениям = (12000-16000) Вт/м2 K. Однако такие режимы технологически не являются рациональными, т. к. снижают производительность процесса и труднодостижимы в существующих системах струйного охлаждения слитков. Кроме того, при этом невозможно приблизиться к выполнению требования о необходимости обеспечить относительно высокую температуру поверхности слитка, т. к. для заданного режима охлаждения ( т.е. = const) уменьшение v стимулирует ее снижение. Полученная по результатам расчетов информация используется для обоснования технических требований к системам охлаждения и регулирования скорости литья, которыми оснащаются установки для непрерывного литья плоских слитков алюминиевых сплавов, а также для синтеза основных алгоритмов контроля и управления процессом. Дальнейшие перспективы развиваемого подхода определяются прежде всего ориентацией на анализ тенденций изменения режимных параметров в их взаимосвязи при одновременном определении вида и содержания экспериментальных исследований, которые необходимо осуществить в производственных условиях для оценки согласованных с реальными возможностями машины непрерывного литья рациональных значений v и .

About the authors

Efim A Yakubovich

Samara State Technical University

Email: ensave@samgtu.ru
(Ph.D.(Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russia

References

Supplementary files