Выбор скоростного режима пускового этапа непрерывного литья слитков алюминиевых сплавов в ЭМК

19. Титова Ю.В. Получение нанопорошка карбида кремния и композиции на его основе по азидной технологии СВС [Текст] / Ю.В. Титова, А.П. Амосов, А. А. Ермошкин Ю.М. Марков, А.В. Попова, Т.Н. Хусаинова // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2013. - № 3. - С. 43-48.

20. Titova Y.V., Illarionov A.Yu., Amosov A.P., Maidan Б.А. Development of SHS azide technology of silicon carbide nanopowder // International conference on mechanical engineering, automation and control systems 2016. - 177 (2017) 012115.

Shchelchkova Natalya Sergeevna, student

Titova Yuliay Vladimirovna, Cand.Tech.Sci., associate professor

Safaeva Diana Radikovna, postgraduate student

Samara State Technical University, Samara, Russia

SYNTHESIS OF SIC NANO-POWDER OF SHS-AZ BRAND, USING MIXTURE WITH SURPLUS CONTENTS OF CARBON

Abstract. The paper shows the prospects of using azide technology of self-propagating high-temperature synthesis to produce a nanosized SiC powder. It was found that when the "19Si+23C+6NaN3+(NH4)2SiF6" mixture burns, silicon carbide is synthesized in particles shape of irregular shape about 100 nm in size. The content of the desired reaction product - silicon carbide in combustion products is 91.5%.

Keywords: self-propagating high-temperature synthesis, sodium azide, combustion, nanopowder, silicon carbide.

УДК 669.715:621.74.047

ВЫБОР СКОРОСТНОГО РЕЖИМА ПУСКОВОГО ЭТАПА НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ СЛИТКОВ АЛЮМИНИЕВЫХ

СПЛАВОВ В ЭМК Якубович Ефим Абрамович, к.т.н., доцент Самарский государственный технический университет, Россия

Рассматриваются проблемы, связанные с изучением особенностей начального пускового этапа формирования донной зоны плоского слитка при непрерывном литье в электромагнитный кристаллизатор. Показано влияние закономерностей увеличения скорости вытягивания слитка до технологической на деформацию донной части на начальном этапе литья. Полученные результаты используются для прогнозирования технологиче-скихрежимов литья и конструктивных особенностей инструментальной оснастки, обеспечивающих снижение потерь на донную обрезь за счет уменьшения деформации торца слитка.

Ключевые слова: непрерывное литье, электромагнитный кристаллизатор, начальный этап, скоростной режим, слиток, деформация

Процессы заготовительного литья стальных слитков и слитков из алюминиевых сплавов хорошо изучены и подробно описаны в литературе [1-4, 7,8]. Важным этапом в развитии технологии непрерывного литья явилось

создание и успешное промышленное освоение метода формирования слитков алюминиевых сплавов в электромагнитном кристаллизаторе (ЭМК) [5,6]. Закономерным следствием структурных изменений, происходящих в процессе кристаллизации в условиях эффективного электромагнитного перемешивания расплава и заметного повышения интенсивности охлаждения поверхности слитка, стало достижение высокого уровня механических и технологических свойств получаемых заготовок. В связи с тем, что производство листовой продукции из алюминиевых деформируемых сплавов занимает существенный объем по сравнению с другими видами изделий (профили, трубы, прутки и т.д.), актуальной является задача совершенствования технологии производства плоских слитков прямоугольного сечения [7-9].

Достигнутый в настоящее время уровень понимания физических процессов, лежащих в основе теории формирования слитка внешним электромагнитным полем и обоснования методологии проектирования технологических режимов литья слитков разнообразных типоразмеров, опирается на результаты масштабных исследований и практических результатов по разработке основ расчета и проектирования промышленных установок непрерывного литья в ЭМК, оценке влияния электромагнитных параметров и технологических режимов на температурные условия кристаллизации, структуру и свойства слитков [ 6,10,11].

Среди прикладных проблем анализа температурных условий кристаллизации слитков центральное место занимают задачи оптимизации стационарных состояний на установившемся этапе формирования слитка, к кругу которых относятся вопросы, рассматриваемые в [10-12,13-15]. Детальные исследования общего характера выполнены здесь, главным образом, применительно к одномерным уравнениям теплопроводности для ряда типовых критериев оптимальности, характерных для описания процесса формирования непрерывного слитка. Установлены важные характеристики технологических условий охлаждения и предложены различные вычислительные алгоритмы расчета соответствующих оптимальных процессов.

Другим эффективным инструментом анализа процессов кристаллизации и формирования слитков, учитывающим реальные конструктивные особенности оборудования и технологические особенности непрерывного литья, является применение приближенных моделей регрессионного типа на основе моделирования по табличным данным [16,17,18].

Спектр применимости полученных результатов достаточно широк и их совокупность можно охарактеризовать как создание и существенное развитие основ теории и технологических приложений, служащих основой для проектирования технологии и промышленных установок для непрерывного литья слитков.

Тем не менее остаются открытыми многие вопросы, связанные с реализацией начального пускового нестационарного этапа формирования слитка, характеризующегося высоким уровнем сложности и глубокой

спецификой комплекса взаимосвязанных тепловых и деформационных явлений, порождаемой неполнотой информации о происходящих физических процессах и значениях управляющих воздействий, в пределах которых они могут изменяться предсказуемым образом. Именно на начальном этапе в системе « кристаллизатор - затравка» образуется донная часть слитка, обеспечивающая последующее устойчивое формирование слитка при заданных скоростных параметрах вытягивания из кристаллизатора и интенсивности охлаждения.

В настоящей работе рассматриваются некоторые особенности выбора скоростного режима на начальном этапе формирования донной части плоского слитка при непрерывном литье алюминиевых сплавов в электромагнитных кристаллизатор с целью минимизации деформации и коробления донной части.

Основные качественные показатели непрерывного литья слитков алюминиевых сплавов в ЭМК во многом определяются особенностями начального неустановившегося этапа литья, являющегося самой сложной и трудоемкой частью процесса формирования слитка. Особенно важным этот этап представляется для литья плоских слитков, формирование донной части которых происходит в условиях растекания первых порций расплава по затравке, нестационарного теплообмена с затравкой и бокового водяного охлаждения. При этом электромагнитные силы, удерживающие расплав в заданной геометрии, исключают теплоотвод на уровне мениска расплава.

Существенные затруднения при разработке промышленной технологии непрерывного литья плоских слитков в ЭМК вызывает неизбежная деформация донной части слитка, оказывающая определенное влияние на стабильность процесса литья в целом, а также вероятность образования горячих трещин на начальной стадии кристаллизации слитка. В условиях неустановившейся скорости вытягивания слитка, возрастающей от начальной до технологической для каждой марки сплава и типоразмера слитка и сложного характера теплообмена в системе «слиток - затравка - охладитель» деформация донной части нередко приводит к проливам жидкого металла и нарушению процесса формирования слитка [6]. При успешном завершении отливки слитка деформированная донная часть подлежит удалению перед дальнейшими операциями обработки давлением.

Деформация донной части плоского слитка на пусковом этапе литья и соответствующее изменение зазора между торцевой поверхностью и затравкой, а также изменение расстояния между индуктором ЭМК и формирующейся боковой поверхностью слитка являются достаточно сложными явлениями. Пусковой режим непрерывного литья слитков в ЭМК, являясь по форме детерминированным, по существу несет в себе черты стохастичности. Отмеченное обусловлено сложным воздействием на процесс формирования слитка большого числа факторов (нестационарный скоростной режим на пусковом этапе, уровень и температура расплава и

нестабильность его физико-химических свойств, температура, расход и давление охлаждающей воды, конструктивные особенности ЭМК и затравки и т.д.). В этой связи оптимизация пускового режима представляется чрезвычайно сложной научно-технической задачей, направленной на повышение технико-экономических показателей процесса литья.

Обоснование и синтез алгоритмов управления скоростным режимом пускового этапа непрерывного литья плоских слитков в ЭМК, обеспечивающих оптимальное, с точки зрения заданного критерия качества, управление таким стохастическим объектом, является задачей корреляционной теории оптимального управления [19], которая основывается на математическом аппарате теории статистических решений [20,21]. Несмотря на очень важные общие результаты, которые получены в этом направлении, их использование для анализа специфических проблем формирования температурного и напряженно-деформированного состояния донной части плоского слитка встречает значительные трудности.

В этой связи представляется целесообразным в качестве первого приближения положить в основу обоснованного выбора переходных скоростных режимов литья, обеспечивающих выход на стационарные технологические значения, данные по оценке влияния ускорения вытягивания слитка на деформацию его донной части с выходом на создание устройства типа программного регулятора скорости литья.

Анализ характера деформации донного торца слитка позволяет констатировать, что определяющую роль в образовании зазора между слитком и затравкой играет интенсивное силовое воздействие бокового периферийного каркаса на донную корочку, обладающую ограниченной несущей способностью. Данные по влиянию скорости вытягивания на форму фронта кристаллизации и глубину лунки свидетельствуют: повышение скорости вытягивания приводит к пропорциональному увеличению глубины лунки и крутизны фронта кристаллизации в центральных зонах слитка. При этом создаются условия для развития осевой пористости в слитке.

Для большинства типоразмеров плоских слитков, получаемых непрерывным литьем в ЭМК, высота донной части, формируемой на начальном этапе литья, не превышает 300 - 350 мм. Впервые качественные закономерности и количественные оценки влияния ускорения вытягивания на температурно-деформированное состояние системы «слиток - затравка» для крупногабаритных слитков 300х1300 мм получены в [6,23-25]. Установлено, что перепад температур вдоль оси слитка в зонах, удаленных от оси слитка на расстояние 80 - 240 - 400 мм сравнительно невелик и составляет ~ (80 - 100)0 С. Осевой градиент увеличивается до ~ 200° С в зоне, примыкающей к узкой грани слитка. В целом перепад температур вдоль широкой грани ~ (100 - 150)° С выше, чем вдоль оси слитка. Увеличение градиента температур до ~ 225о С наблюдается только для контактной

поверхности слитка. Отмеченное подтверждает вывод о том, что рассматриваемом этапе донная часть слитка кристаллизуется в предпочтительно за счет распространения фронта кристаллизации со стороны непосредственно охлаждаемых высоконапорным потоком воды граней плоского слитка. Таким образом традиционная затравка, на которую опирается донная часть слитка, при литье в ЭМК не выполняет функции активного теплосборника, а является пассивным элементом инструментальной оснастки, служащим главным образом для оформления донной части слитка.

Для регистрации параметров температурно-деформированного состояния в характерных точках донной части слитка разработан комбинированный датчик температуры и деформации. Основным элементом датчика служат термоштыри, которые вводятся в донную зону слитка через отверстия в затравке и являющиеся электродами разобщенной вмораживаемой термопары. При поступлении жидкого металла на затравку и его кристаллизации головки термоштырей вмораживаются в слиток и при деформации последнего увлекают за собой связанный со штырями ползунок реохорда, вызывая сигнал, пропорциональный образующемуся в результате деформации зазору между торцом слитка и затравкой. Одновременно фиксируется сигнал термо-ЭДС, дающий информацию о температуре в месте закрепления головок термоштырей в слитке.

По результатам исследования различных скоростных режимов вытягивания слитка на начальном этапе литья на величину максимальной деформации донного торца (по значениям зазора между слитком и затравкой) отмечается (рис.1), что увеличение ускорения вытягивания с 12 мм/мин2 до 32 мм/мин2 приводит к существенному снижению деформации донного торца (с ~ 50 мм до ~ 25 мм).

V, мм/мин А ЦММ

Рисунок 1. Временные зависимости скорости вытягивания V и деформации донного торца АП от ускорения вытягивания --12 мм/мин2 ;----32 мм/мин2

На рис.2 приведены данные по оценке влияния ускорения вытягивания на максимальную величину деформации донного торца в сечениях на различном расстоянии от центральной оси вдоль широкой грани слитка.

ли*

0.12

ОЛ9 О.Об

О.ОЗ

О Ю 2О ММ/мин"

Рисунок 3 - Влияние ускорения вытягивания на максимальную

относительную величину деформации донного торца в сечениях на различных расстояниях от оси слитка 1 - w ;2 - 0,5^ ;3 - 0,25^

*

Здесь АП = АП^, где w - расстояние от оси слитка до узкой грани. Показано, что линейном законе роста скорости вытягивания можно выделить практический диапазон значений ускорения вытягивания < 30 мм/мин , способных заметно влиять на величину деформации. Наиболее существенное снижение коробления при этом достигается для сечений, удаленных от оси слитка и совпадающих с узкой боковой гранью. Увеличение ускорения вытягивания выше 30 - 32 мм/мин2 нецелесообразно, т.к. при этом деформация снижается незначительно, но возникает опасность образования донных трещин и срыва процесса получения качественного слитка.

Для реализации регулируемого набора скорости вытягивания от нулевой до технологической разработано устройство типа программного регулятора скорости. С учетом технических возможностей электропривода литейной машины типовая программа скоростного режима (рис.3) состоит из двух участков: I - участок начальной постоянной скорости, поддерживаемой до момента достижения высоты слитка ~ 50 мм; II - участок линейно растущей скорости, продолжающийся до момента достижения заданной технологической скорости вытягивания, которая для основных деформируемых сплавов составляет 60 - 90 мм/мин [6].

И мм/ммин

/

//

с

50

75

» Ь

/

/

/

25

а

-о

О

50

100

[,мм

Рисунок 3 - Типовая программа увеличения скорости вытягивания V слитка на пусковом этапе в зависимости от высоты слитка I.

Положение точек а, Ь, с на рис. 3 не является фиксированным и может смещаться. Этим обеспечивается различный наклон кривой изменения скорости вытягивания, т.е. выход на технологическую скорость литья может осуществляться с различным ускорением, значение которого корректируется в конкретной ситуации.

Обоснованный выбор скоростного режима пускового этапа непрерывного литья плоских слитков алюминиевых сплавов в ЭМК обеспечивает уменьшение деформации донной части слитка и потерь на донную обрезь, снижение брака по трещинообразованию и проливам жидкого металла, повышает устойчивость работы установки в целом.

Дальнейшие перспективы совершенствования метода непрерывного литья в ЭМК определяются прежде всего ориентацией на поиск и внедрение оптимальных технологических режимов формирования слитков при одновременном обеспечении требований к качеству, структурным и технологическим кондициям слитков, совершенствование оборудования, расширяющего возможности метода для получения изделий сложной формы, создание совмещенных процессов литья и обработки давлением.

Список литературы

1. Герман, Э. Непрерывное литье / Э.Герман; пер. с нем. под ред. В.И.Добаткина. -М.: Металлургиздат, 1961. - 816с.

2. Ливанов, В.А. Непрерывное литье алюминиевых сплавов / В.А.Ливанов, Р.М.Габидулин, В.С.Шипилов - М.: Металлургия, 1977. - 168с.

3. Добаткин, В.И. Слитки алюминиевых сплавов / В.И.Добаткин. - Сведловск: Металлургиздат, 1960. - 1176с.

4. Напалков, В.И. Непрерывное литье алюминиевых сплавов: справочник / В.И.Напалков, Г.В.Черепок, С В.Махов, Ю.М.Черновол - М.: Интермет - Инжиниринг, 2005. - 512с.

5. Гецелев, З.Н. Развитие и усовершенствование установок и технологии для отливки слитков алюминиевых сплавов в ЭМК / З.Н.Гецелев, Г.А.Балахонцев,

Г.В.чЧерепок // Цветные металлы, №2, 1980. - С. 59 - 63.

6. Гецелев,З.Н. Непрерывное литье в электромагнитный кристаллизатор / З.Н.Гецелев, Г.А.Балахонцев, Ф.И.Квасов и др. // М.: Металлургия, 1983. - 152с.

7. Шадрин, Г.Г. Разработка промышленной технологии производства крупногабаритных слитков / Г.Г.Шадрин, Г.В Черепок // Технология легких сплавов, №2, 1966. -С.18 - 20.

8. Черепок, Г.В. Исследование процесса кристаллизации и разработка технологии производства крупногабаритных слитков прямоугольного сечения: дис... канд.техн. наук / Черепок Геннадий Васильевич. - М.: ВИЛС, 1971. - 186с.

9. Макаров, Г.С. Слитки из алюминиевых сплавов с магнием и кремнием. Основы производства / Макаров Г.С. - М.: Интермет - Инжиниринг, 2011. - 528с.

10. Соболев, В.В. Теплофизика затвердевания металла при непрерывном литье / В.В.Соболев, П.М.Трефилов - М.: Металлургия, 1988. - 160с.

11. Журавлев, В.А. Теплофизика формирования непрерывного слитка / В.А.Журавлев, Е.М.Китаев - М.: Металлургия, 1974. - 216с.

12. Кац, А.М. Теплофизические основы непрерывного литья слитков цветных металлов и сплавов / А.М.Кац, Е.Т.Шадек - М.: Металлургия, 1983. - 208с.

13. Клявинь, Я.Я. Метод определения режимов охлаждения непрерывного слитка, обеспечивающих минимальную деформацию его оболочки / Клявинь Я.Я., Шмит Я.Р. // Изв. АН Латв.ССР. Сер. физ. и техн. наук, №3, 1974. С. 84 - 87.

14. Берзинь, В. А. Критерии качества для оценки температурного поля затвердевающего слитка / В.А.Берзинь, Я.Я.Клявинь, Я.Р.Шмит // Изв. АН Латв.ССР. Сер. физ. и техн. наук, №3, 1974. С.70- 76.

15. Оптимизация режимов затвердевания непрерывного слитка / В.А.Берзинь, В.Н.Жевлаков, Я.Я.Клявинь и др. - Рига, Зинатне,1977. - 148с.

16. Дюдкин, Д.А. Оптимизация режима вторичного охлаждения непрерывного слитка с помощью приближенной модели / Д.А.Дюкин, В.Л.Токарев, А.А.Ильин А.А. и др. // Сталь, №9, 1981. С. 30-32.

17. Клявинь, Я.Я. Методика синтеза регрессионных моделей на основе данных о влиянии параметров литья на критерии качества / Я.Я.Клявинь, И.Я.Клявиня,

A.А.Позняк // Изв. АН ЛатвССР. Сер. физ. и техн. науки. №1, 1982. С. 65-71.

18. Скурихин, В.И. Итеративно-табличные автоматы / В.И.Скурихин, Л.С.Житецкий, Н.М.Проценко . - Киев: Наукова думка, 1977. - 168 с.

19. Лившиц, Н. А. Корреляционная теория оптимального управления многомерными процессами / Н.А.Лившиц, В.К.Виноградов, Г.А.Голубев - М.: Советское радио, 1974. - 328с.

20. Джонсон, Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных / Н.Джонсон, Ф.Лион. - М.: Мир, 1980. - 610 с.

21. Бородюк, В.П. Статистическое описание промышленных объектов /

B.П.Бородюк, Э.К.Лецкий .- М.: Энергия, 1971. - 111 с.

22. Бабурин, И.Н. Автоматизация пускового режима непрерывной разливки плоских слитков в электромагнитный кристаллизатор / И.Н.Бабурин, З.Н.Гецелев, Б.Ф.Трахтенберг и др. // Цветные металлы, №6, 1977. - С. 58 - 62.

23. Гецелев, З.Н. О температурно-деформированном состоянии крупногабаритных слитков / З.Н.Гецелев, В.А.Калашников, Б.Ф.Трахтенберг и др.// Цветные металлы, №4,1974. - С.54 - 55.

24. Якубович, Е.А. Деформация донной части слитка при непрерывном литье в электромагнитный кристаллизатор / Е.А.Якубович // Актуальные вопросы образования и науки: сб.научн.трудов. Часть 1. Тамбов: ООО «Консалтинговая компания Юком», 2015. С.162 - 163.

25. Якубович, Е.А. Особенности инструментальной оснастки для формирования

непрерывного слитка при непрерывном литье в ЭМК / Е.А.Якубович // Современные материалы, техника и технологии: научно - практ. журнал, №6(47), 2017. - с. 150 - 155.

Yakubovich Efim Abramovich, Cand.Tech.Sci., associate professor Samara State Technical University, Samara, Russia

SELECTION OF STARTING STAGE SPEED MODE FOR CONTINUOUS CASTING OF ALUMINUM ALLOYS IN ELECTROMAGNETIC MOLD

Absract: The problems associated with studying the features of the initial starting stage of formation of the bottom zone of a flat ingot during continuous casting in an electromagnetic crystallizer are considered. The influence of the regularities of the set of the speed of drawing the ingot to the technological level on the deformation of the bottom at the initial stage of casting is shown. The obtained results are used to predict the technological casting modes and design features of the tooling, which ensure a reduction in losses to the bottom trimming due to a reduction in the deformation of the ingot's end. Keywords: continuous casting, electromagnetic mold, starting stage, speed mode, ingot, deformation