Совершенствование тепловых процессов в установке непрерывного совмещенного литья и прессования цветных металлов

Актуальность работы. Установки, реализующие энерго- и
ресурсосберегающую технологию совмещения операций непрерывного литья
и обработки давлением, имеют разнообразные конструкции, основным
элементом которых является кристаллизатор, как правило, роторного типа.
Одной из новых конструкций, разработанной отечественными учеными и
имеющих ряд технологических преимуществ относительно зарубежных
аналогов, является установка с горизонтальным карусельным
кристаллизатором. Однако на сегодняшний день не создано промышленных
образцов установки с горизонтальным кристаллизатором, которые бы
надежно эксплуатировались на рынке производства прессовой продукции.
Связано это с тем, что начальный период работы после пуска установки
(переходный процесс) характеризуется нестационарным тепловым
состоянием ее элементов, оказывающим существенное влияние на
температурно-временные условия затвердевания металла.
Очевидная перспективность процесса непрерывного совмещенного
литья и прессования цветных металлов в установке с горизонтальным
кристаллизатором требует его скорейшего внедрения в отечественную
промышленность. Вместе с тем, в настоящее время нет научно обоснованной
теоретической базы для проектирования рациональной конструкции и
режимов работы установки, обеспечивающих стабилизацию температурных
условий процесса затвердевания жидкого металла и дальнейшего его
прессования.
Степень разработанности темы исследования
Степень разработанности темы исследования недостаточна. В
частности, отсутствуют математические модели теплообмена, позволяющие
провести детальные теоретические исследования температурно-временных
зависимостей с учетом конструктивных особенностей установки с
горизонтальным кристаллизатором, а также влияния на динамику
теплообмена внешних факторов, сопровождающих процесс литья-
прессования алюминиевых сплавов различного состава.
Объект исследования – установка непрерывного совмещенного литья
и прессования цветных металлов с горизонтальным карусельным
кристаллизатором.
Предмет исследования – процессы нестационарного теплообмена.
Цель работы – совершенствование тепловых процессов в установке
непрерывного совмещенного литья и прессования алюминиевых сплавов с
горизонтальным карусельным кристаллизатором (НСЛиП с ГК) на основе
результатов экспериментального и теоретического исследования
теплообмена.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Провести экспериментальное исследование особенностей
переходных тепловых процессов в опытно-промышленном образце
установки НСЛиП с ГК.
2. Разработать компьютерную модель процесса нестационарного
теплообмена в опытно-промышленном образце установке НСЛиП с ГК.
3. Провести численный анализ теплообмена в переходных режимах
работы установки НСЛиП с ГК алюминиевых деформируемых сплавов.
4. Разработать рекомендации по совершенствованию теплового
процесса в установке НСЛиП с ГК, обеспечивающего в переходных режимах
требуемый по технологии для данной марки алюминиевого сплава диапазон
температур в контрольных сечениях до и после зоны прессования.
Научная новизна работы:
1. Разработана компьютерная модель нестационарного
тепломассопереноса в установке непрерывного совмещенного литья и
прессования цветных металлов с карусельным горизонтальным
кристаллизатором, система уравнений и краевые условия в которой
учитывают реальную геометрию элементов, систему их охлаждения,
движение кристаллизатора и охлаждающего агента, образование теплоты при
фазовом переходе и прессовании металла.
2. Установлены количественные температурно-временные
зависимости при затвердевании алюминиевых расплавов различного состава
в переходном тепловом режиме, заключающиеся в следующем:
– показано, что разогрев кристаллизатора увеличивает
несимметричность температурного поля расплава, которое вблизи
инструмента прессования (дугообразного сегмента) характеризуется сдвигом
области с максимальной температурой к поверхности кристаллизатора;
– определена зависимость продолжительности переходного процесса и
скорости затвердевания расплава от температуры его перегрева и темпа
разогрева кристаллизатора;
– определен максимальный температурный предел перегрева
алюминиевых расплавов, при превышении которого металл попадает под
инструмент прессования в жидкой фазе, что требует организации
принудительного охлаждения элементов установки.
3. Разработаны рациональные режимы интенсивности водяного
охлаждения кристаллизатора и инструмента прессования при обработке
алюминиевого сплава АК12 в нестационарных и установившихся условиях
работы установки.
Теоретическая значимость работы:
– с использованием результатов экспериментального и численного
исследования изучена теория тепловой работы установки НСЛиП с ГК
алюминиевых сплавов в переходных режимах ее работы;
– разработана система принудительного охлаждения установки НСЛиП
с ГК, позволяющая путем контролируемого отвода избыточного количества
образующейся теплоты в различных режимах ее эксплуатации обеспечить
при достижении зоны прессования среднюю по сечению оптимальную для
данной марки алюминиевого сплава температуру (интервал температур)
деформирования.
Практическая значимость:
– разработана двухзонная система принудительного водяного
охлаждения установки, позволяющая обеспечить оптимальный диапазон
температур затвердевающего расплава перед зоной прессования.
– разработана установка терморегулирования для непрерывного литья
и прессования цветных металлов и сплавов;
– разработано устройство управления тепловым режимом работы
установки непрерывного литья и прессования цветных металлов и сплавов
(Патент РФ №2657396);
– предложена тепловая защита подшипников кристаллизатора,
обеспечивающая поддержание их рабочей температуры на уровне, не
превышающем максимально допустимые значения в процессе эксплуатации
установки;
– разработана математическая модель и программа инженерного
расчета на ЭВМ температуры кристаллизующегося расплава цветных
металлов в ручье колеса установки Конформ-Кастэкс (свидетельство о
регистрации программы № 2017614574);
– разработанные математические модели могут быть использованы при
проектировании новых и модернизации действующих конструкций
установок НСЛиП с ГК цветных металлов и сплавов;
– научные и практические результаты работы используются в СФУ при
подготовке бакалавров и магистров по направлению подготовки
«Теплоэнергетика и теплотехника».
Защищаемые научные положения:
1. Компьютерная модель теплообмена в установке НСЛиП с ГК
цветных металлов и сплавов.
2. Результаты экспериментального и теоретического исследования
процессов теплопереноса в установке НСЛиП с ГК алюминиевых сплавов.
3. Рекомендации по рациональным конструкции и режимным
параметрам работы установки НСЛиП с ГК алюминия и алюминиевых
сплавов.
Методы исследований состояли в проведении экспериментов на
опытно-промышленной установке НСЛиП с ГК с применением стандартных
сертифицированных средств измерения. Численные исследования
проводились с использованием разработанной компьютерной модели
теплообмена, построенной на базе лицензионного программного продукта
ANSYS CFX.
Достоверность полученных результатов подтверждается
удовлетворительной сходимостью результатов компьютерного
моделирования и экспериментальных данных.
Личный вклад автора. Все приведенные в диссертации основные
положения, экспериментальные и теоретические результаты, а также выводы
получены лично автором или при его непосредственном участии. При
постановке исследований и анализе их результатов использовались
консультации Ю.В. Горохова.
Апробация работы. Основные результаты исследования, изложенные
в диссертации, докладывались и были представлены на: Международной
научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь
и наука: проспект Свободный» (г. Красноярск, 2014-2017), Ⅵ
Международном конгрессе «Цветные металлы и минералы» (г. Красноярск,
2014), ⅩⅩⅤ международной научно-практической конференции
«Достижения вузовской науки» (г. Новосибирск, 2016), Ⅲ Международной
научно-практическая конференция «Актуальные вопросы науки и техники»
(г. Самара, 2016), Ⅳ Всероссийской научно-практической конференции (с
международным участием) «Моделирование и наукоемкие информационные
технологии в технических и социально-экономическихсистемах» (г.
Новокузнецк, 2016),II Международной научно-практической конференции
«Современные научные достижения металлургической теплотехники и их
реализация в промышленности» (г. Екатеринбург, 2017).
Публикации по работе: по теме диссертации опубликовано 18
научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ,
2 статьи, индексируемые в научной базе Scopus, 1 патент РФ на изобретение
и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти
глав с выводами, заключения, списка использованных источников из 143
наименований. Работа изложена на 186 страницах, содержит 2 таблицы и 124
рисунка.