Современное промышленное производство осваивает и широко использует полиметаллические композиции, что обусловлено уникальностью свойств получаемых материалов. Обеспечение стабильности этих свойств, а также высоких экономических показателей требует применения в технологическом процессе автоматизированных систем управления.
Автоматизированные системы управления, базирующиеся на современных научных достижениях в области технической кибернетики, применении экономико-математических методов, широком использовании средств вычислительной техники, являются мощным средством повышения производительности труда и качества выпускаемой продукции, значительной экономии материальных, энергетических и трудовых ресурсов.
Развитие систем автоматизации литейного и кузнечно-штамповочного производства, являющихся родительскими технологиями процесса СКПД, от простейших локальных систем автоматического контроля и регулирования до совершенных автоматизированных систем управления на основе электронных вычислительных машин является одним из наиболее действенных средств мобилизации резервов и дальнейшего повышения технико-экономических показателей процессов производства полиметаллических заготовок.
С увеличением таких факторов, как рост единичных мощностей агрегатов, усложнение технологических процессов, повышение скорости работы оборудования растет сложность управления технологическими процессами, насыщенность их средствами автоматики, что ведет к необходимости создания автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП).
Полиметаллические изделия являются особым видом композиционных материалов, состоящие из армирующего элемента, воспринимающего внешнее воздействие, и матричного сплава, передающей упрочнителям нагрузку. В отличие от обычных композитов, в объеме которых упрочняющая фаза распределена периодично и равномерно, в полиметаллических заготовках армирующий элемент, как правило, расположен локально, воспринимая внешние нагрузки какой-либо природы. И в зависимости от того, какие нагрузки должен воспринимать армирующий элемент, его изготавливают из материалов с соответствующими свойствами: износостойкость, термостойкость, твердость, прочность и т. д.
Одним из прогрессивных методов получения полиметаллических заготовок является процесс совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации металлов. Комбинирование основных технологий изготовления деталей — литья и обработки давлением совмещает преимущества родительских технологий в ассортименте изготавливаемых изделий. Это позволяет значительно улучшить технологические свойства заготовки и эксплуатационные характеристики продукции.
Технология, совмещающая литье и обработку давлением появилась в середине 30-х годов в России. Наиболее значимые работы в этой области выполнены Пляцким В. М., Липчиным Т. Н., Батышевым А. И., Беспалько В. И., Баландиным Г. Ф., Любавиным A.C., Белоусовым И. Я., Гейко И. В., Тимофеевым Г. И., и др. Процесс штамповки металла в кристаллизующемся состоянии в разные периоды развития и различными исследователями назывался по-разному: жидкая штамповка, штамповка жидкого металла (ШЖМ), прессование при кристаллизации, кристаллизация под поршневым давлением, прессование из расплава, литье с кристаллизацией под давлением (ЛКД) и т. п.
В работе разработан способ формообразования полиметаллических заготовок в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации, далее СКПДпоказаны его существенные отличительные признаки от других формообразующих методов металлообработки. Название разработанного способа СКПД, полно и строго отображает сущность происходящих процессов, а потому более удачно, чем упомянутые выше названия способов формообразования металлов в твердожидком состоянии. Предложенное название содержит информацию о том, что имеют место процессы затвердевания расплава и механическая деформация закристаллизовавшегося металла, причем, оба процесса протекают одновременно, что имеет место при штамповке в реальных условиях.
Изготовление полиметаллических заготовок в условиях СКПД имеет ряд преимуществ перед традиционными процессами изготовления композиционных материалов. Это возможность изготовления полиметаллических изделий с практически любым расположением и объемной долей армирующего элемента, малые нагрузки на него, плотность структуры закристаллизовавшегося под давлением расплава, высокое качество поверхности, плотный контакт материалов армирующего и матричного элементов по всей поверхности.
Качество получаемого при СКПД изделия определяется микроструктурой соединяемых металлов, ее однородностью. Микроструктура связана, в основном, с температурным режимом формообразования: так при повышении разности температур контактирующих материалов — фронт кристаллизации движется в направлении свободной поверхности, при снижении — кристаллизация происходит равномерно со всех сторон, что позволяет получить более качественные заготовки. Качество получаемого изделия зависит и от других технологических параметров процесса (давление и скорость оборудования, осуществляющих формообразование и подачу расплава на ленту). Таким образом, качество изделия имеет сложную зависимость от технологических параметров процесса, что вызывает необходимость управления процессом посредством поддержания этих параметров в требуемых пределах. Поэтому разработка автоматизированного производственного модуля формообразования, позволяющего получать высококачественные полиметаллические изделия, системы управления, позволяющей поддерживать оптимальные значения технологических параметров с помощью математической модели процесса кристаллизации наносимого покрытия является актуальной проблемой.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
• Исследование закономерностей формообразования в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации.
• Построение математических моделей зависимости теплофизических и физических свойств материалов полиметаллической заготовки от технологических параметров.
• Разработка технологических схем и технологической оснастки для создания производственного модуля формообразования (ПМФ) в условиях СКПД и АСУ для него.
• Разработка алгоритмов и программного обеспечения, обеспечивающих работу автоматизированной системы управления.
• Определение оптимальных технологических параметров процесса, обеспечивающих требуемое качество заготовок и производительность модуля.
Содержание работы по главам.
В первой главе проводится краткий обзор существующих систем автоматического регулирования, принципов управления, исследованы возможности создания автоматизированного технологического процесса формообразования полиметаллической заготовки методом СКПД. Показана целесообразность разработки АСУ производственным модулем для формообразования, а также необходимость разработки технологического процесса для получения конструкционных и технологических материалов машиностроительных заготовок методом СКПД.
Во второй главе охарактеризованы основные отличительные признаки процесса СКПД и оценена возможность реализации его на автоматизированном производственном модуле. Показано, что это новый метод формообразования металла, при котором в полиметаллической заготовке одновременно осуществляются два физически различных процесса: пластическая деформация закристаллизовавшейся части металла, как правило, с уплотнением структуры и измельчением зерен, и кристаллизация жидкой фазы, перераспределяемой в межи внутридендритном пространстве под действием механического давления. Кроме этого, на контакте разнородных металлов полиметаллической заготовки протекают процессы смачивания расплавом твердой поверхности, развитие адгезионного взаимодействия, относительное смещение затвердевшей фазы по поверхности твердого элемента. Произведена оценка целесообразности применения рассматриваемого метода при изготовлении полиметаллических изделий по комплексному критерию привлекательности технологического процесса. Разработаны технологические схемы процесса с учетом его автоматизации и технологическая оснастка производственного модуля формообразования полиметаллической заготовки при совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации. Осуществлено математическое планирование эксперимента по определению производительности процесса в зависимости от технологических параметров процесса и состава исследуемых сплавов.
Третья глава посвящена разработке математической модели процесса кристаллизации наносимого покрытия, необходимой для разработки алгоритмов управления производственным модулем, с целью получения качественных полиметаллических заготовок. Предложен алгоритм оценки качества на основе имитационного моделирования получаемых параметров покрытия.
В четвертой главе рассмотрены основные элементы разработанного ПМФ СКПД, а также принципы построения и требования для АСУ. Описана работа микропрограммы, управляющей АСУ ТП, описаны прикладные программы, предназначенные для моделирования формообразования при СКПД. В результате обработки результатов проведенного численного эксперимента определена зависимость времени процесса кристаллизации наносимого покрытия от технологических параметров и состава материала покрытия.
В результате решения поставленных задач в работе были получены новые научные результаты, которые выносятся на защиту:
• Математические модели, устанавливающие взаимосвязь между теплофизическими свойствами кристаллизующегося материала полиметаллической заготовки и технологическими параметрами формообразования заготовок, позволяющие осуществить расчет температурного поля и уточнить значения коэффициента кристаллизации К для сплавов БрОЦС 5−5-5 и БрОФ 10−1, влияющего на определение основных технологических параметров процесса совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации.
• Зависимости между параметрами технологического процесса получения полиметаллических заготовок и структурой получаемого изделия, из которых следует превалирующее влияние температурных граничных условий на поверхностях кристаллизующегося материала, составляющего полиметаллическую заготовку, позволяющие оценить качество заготовки получаемой в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации.
• Методика расчета параметров процесса формообразования полиметаллических заготовок, которая в отличие от ранее известных состоит в том, что учитывает влияние технологических параметров на свойства кристаллизующегося материала и получаемую структуру, тем самым позволяет рассчитывать и оптимизировать параметры технологического процесса формообразования полиметаллических заготовок в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации.
Практическая полезность работы:
• Предложен автоматизированный технологический процесс получения полиметаллических заготовок.
• Разработана структурная схема АСУ и конструкция автоматизированного производственного модуля для формообразования биметаллической ленты в условиях СКПД.
• Разработано программное обеспечение определения значений технологических параметров процесса, обеспечивающих требуемое качество заготовок и производительность модуля.
• Разработан и испытан опытный образец автоматизированной системы управления ПМФ СКПД.
Методы исследования. При разработке теоретических аспектов для определения основных технологических параметров процесса совместной кристаллизации и пластической деформации были использованы положения теплофизики, гидродинамики, математического анализаметод конечно-разностных уравнений для решения задач математического моделирования, методы оптимизации, методы планирования эксперимента, методы статистического анализа.
2.5 Выводы по 2 главе
1. Разработаны технологические схемы процесса формообразования в условиях совместно протекающей кристаллизации и пластической деформации, позволяющие реализовать производство полиметаллической заготовки, в частности, биметаллической ленты способом непрерывного нанесения металлопокрытия на листовой металл.
2. Анализ разработанных технологических схем СКПД показал, что самой эффективной по технологическим возможностям и пригодной для автоматизации является модель, по которой полосу листового материала подают в вертикальном направлении сверху вниз вдоль раздаточного устройства.
3. Технологическую оснастку целесообразно проектировать для схемы указанной в п. 2.
4. Предложена технологическая оснастка для ПМФ СКПД в условиях автоматизированного производства.
5. Спланирован трехфакторный эксперимент с вариацией факторов на двух уровнях.
Глава 3 Построение математической модели процесса затвердевания наносимого покрытия при СКПД
3.1 Основные характеристики процесса СКПД
Процесс совместной кристаллизации и пластической деформации — один из наиболее прогрессивных технологических процессов. К преимуществам этого процесса можно отнести: а) совмещение непрерывного литья и прокатки в единой технологической линииб) возможность механизации и автоматизации процесса и существенное улучшение условий труда на разливочной площадкев) достижение однородности кристаллического строения и технологических свойств литого покрытия вдоль оси ленты.
К основным показателям режима СКПД относятся скорость литья (скорость вытягивания ленты), температура разливаемого металла и интенсивность вторичного охлаждения.
Скорость вытягивания ленты — основной параметр, определяющий не только производительность агрегата, но и качество ленты.
В современном плавильном цехе, где применяется разливка методом «плавки на плавку», скорость литья должна быть согласована с ритмом выдачи плавок из плавильного агрегата. Если во — вместимость плавильного агрегатаN — число ручьев установки- ^ - цикл разливки, то производительность одного ручья где т=0,9 — коэффициент, учитывающий снижение скорости литья в начале и конце разливки, временное замедление процесса литья при смене разливочных стаканов и перековшовку. С другой стороны,
3.2) гдер — плотность жидкой бронзы;
3.1)
V, — скорость литья (вытягивания) лентыплощадь поперечного сечения ленты. Приравнивая правые части соотношений (3.1) и (3.2), выразим скорость литья через массу плавки, цикл разливки и площадь поперечного сечения:
О, V О/
3.3) рт (0№).
Например, при получении биметаллической ленты при совместной кристаллизации и пластической деформации сечением 36,96* 10″ 6 м² при р" 8000 кг/м' производительность одного ручья 0Р=8000*36,96*10 *у7 = 0,296улв частности, если вместимость плавильного агрегата 25 кг, цикл разливки плавки 120 мин, то требуемая скорость литья
V, =-^-= 0,78 м/мин.
0,296 0,296 * 0.9 * 1*120
Одной из важнейших задач процесса СКПД является повышение скорости разливки до максимально возможного значения, при котором, тем не менее гарантируется определенный уровень качества наносимого покрытия. Однако чрезмерное повышение скорости вытягивания полосы может сопровождаться случаями аварийного прорыва жидкой бронзы через твердую оболочкучаще всего подобные прорывы происходят под кристаллизатором, в начале зоны вторичного охлаждения. Для предотвращения этого необходимо детальное изучение условий затвердевания и охлаждения наносимого покрытия, как в кристаллизаторе, так и в зоне вторичного охлаждения.
Важным технологическим параметром, влияющим на качество наносимого покрытия и стабильность процесса СКПД, является температура жидкой бронзы при разливке, фиксируемая в разливочном ковше или в промежуточной емкости. Температура металла, поступающего в кристаллизатор, должна быть на 15−20 К выше температуры ликвидуса для данной марки бронзы.
Изменение температуры жидкой бронзы на пути от плавильного агрегата до кристаллизатора зависит от большого числа факторов, в частности от температуры расплава перед выпуском из печи (или конвертера), продолжительности выпуска и выдержки металла в ковше, состояния футеровки ковша, его вместимости, толщины
53 слоя шлака на поверхности металла в ковше и др. Существует ряд способов управления температурой жидкой бронзы в разливочном ковше — продувка металла аргоном, добавление металлической сечки и даже временное (на несколько минут) погружение в ковш с жидкой бронзой массивного стального сляба.
Режим вторичного охлаждения неоднородной конструкции получаемой процессом СКПД может быть охарактеризован показателями требуемого режима охлаждения наносимого покрытия:
— толщина твердой оболочки покрытия на выходе из кристаллизатора;
— изменение температуры поверхности покрытия вдоль всей технологической оси.
При выборе показателей требуемого режима литья (иногда его называют рациональным) исходят из следующих соображений:
1) толщина твердой корки покрытия скр на выходе из кристаллизатора должна быть не меньше епр, т. е. екр > епр .
2) неравномерность толщины твердой корки по периметру наносимого покрытия на выходе из кристаллизатора должна быть минимальной;
3) изменение температуры поверхности покрытия в зоне вторичного охлаждения должно быть по возможности монотонным вдоль оси и по его периметру, без резких скачков;
Выполнение условий рационального режима формирования покрытия неоднородной конструкции требует согласования скорости вытягивания слитка высоты кристаллизатора И, интенсивности вторичного охлаждения слитка и скорости его затвердевания на различных горизонтах. Таким образом, для обеспечения рационального режима формирования неоднородной конструкции необходимо определить поле температур и скорость затвердевания металла при определенных условиях на охлаждаемой поверхности наносимого покрытия, зависящих в свою очередь от конструктивного оформления ПМФ и выбранной скорости литья.
Следует отметить, что выбор скорости вытягивания слитка зависит от производительности ПМФ и не может быть меньше некоторого критического min значения ул <�ул .
С другой стороны, с увеличением скорости литья происходит уменьшение толщины твердой оболочки наносимого покрытия на выходе из кристаллизатора и возрастает опасность разрушения оболочки. Таким образом, при проектировании ПМФ необходимо выбрать такую высоту кристаллизатора, которая обеспечит стабильный, безаварийный режим разливки бронзы со скоростью, обеспечивающей необходимую производительность агрегата.
Качество конструкции, получаемой методом совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации, в немалой степени зависит от теплофизических явлений, сопровождающих образование тонкой твердой корки (оболочки) в пределах кристаллизатора. В связи с этим весьма важно знать условия теплообмена на внешней, охлаждаемой поверхности покрытия, определяющие теплоотвод от расплава в кристаллизаторе.
Д.П.Евтеев [98, 99] сформулировал показатели требуемого режима охлаждения слитка: а) температура поверхности слитка должна снижаться в зоне вторичного охлаждения непрерывно вплоть до момента окончания затвердевания. Это позволит свести к минимуму растягивающие напряжения во внутренних слоях (недопустим разогрев слитка на каких-либо участках) — б) недопустимы резкие изменения интенсивности теплоотвода (главным образом снижения теплоотвода) при выходе слитка из кристаллизатора в зону вторичного охлажденияв) недопустимо раздутие граней слитка в конце зоны затвердевания более 0,5% (на обе стороны) ширины.
Д.П.Евтеев называет режим вторичного охлаждения, удовлетворяющий указанным условиям, оптимальным. Использование этого термина оправдано, строго говоря, лишь в тех случаях, когда речь идет о достижении экстремума (в частности, максимума) некоторого функционала. Поскольку ни одно из упомянутых условий Д. П. Евтеева не связано с достижением экстремума функционала, лучше использовать термин «рациональный» .
Условия рационального режима вторичного охлаждения слитков, сформулированные Д. П. Евтеевым, нуждаются в дополнениях и уточнениях [100].
Во-первых, монотонное снижение температуры поверхности слитка вдоль технологической оси должно быть дополнено равномерным распределением температуры по периметру слитка. Во-вторых, нижняя граница температур поверхности слитка в конце зоны вторичного охлаждения должна быть определена с учетом конкретных условий деформирования слитка.
Кроме того, показатели рационального режима вторичного охлаждения должны быть согласованы с другими показателями процесса разливки — скоростью вытягивания полосы и (в меньшей степени) с температурой жидкой бронзы при разливке. Условия такого согласования в настоящее время определяются эмпирическим путем в ходе практического освоения технологии СКПД.
Затраты времени и усилий на освоение рациональных режимов технологии СКПД могут быть существенно сокращены за счет использования метода математического моделирования процесса СКПД и экспериментального метода измерения температуры путем вмораживания термопар [101−103].
3.2 Исследование процесса кристаллизации наносимого покрытия при СКПД
Теоретические данные о температурных полях по длине и сечению полосы могут нести полезную для технолога информацию о полной длительности затвердевания сплава, чрезмерном и опасном охлаждении отдельных участков полосы и т. д.
Рис. 3.1. Распределение изотерм в сечении наносимого покрытия
Модель затвердевания позволит построить карты распределения изотерм в сечениях кристаллизующегося покрытия, получаемого при СКПД (рис. 3.1). В результате представляется возможным оценить размеры двухфазной зоны покрытия, расположенной между изотермами ликвидуса Тлш и солидуса Тсол. Знание размеров двухфазной зоны и длительности пребывания отвердевающего сплава в двухфазном состоянии оказывается полезным при анализе условий происхождения дефектов ликвационного характера.
Моделирование процесса кристаллизации позволяет определить критические температуры для сплава, а также зависимость состава и количества фаз, выделяющихся из жидкости в процессе кристаллизации.
Другим важнейшим результатом является определение теплоты кристаллизации, а также теплоемкости фаз в зависимости от состава и температуры.
Изучение процесса равновесной кристаллизации с привлечением термодинамической модели сплава служит информационной базой для моделирования процессов затвердевания при проектировании технологии СКПД с целью анализа и управления качеством наносимого покрытия на различных этапах его получения (рис. 3.2).
Термодинамическая модель сплава I
1 Мздели теплообмена.1 кристаллизации, ] 1 ДИффуЗМ’И
Моделирование литерных процессов
Анализ и управление строением жидкого раопава, расчет фиэмю-хими^еских свойлв расгпавэ
I Анализ циркуляции и • охлаждения раслпава 1 лрм заполнении, формы. I прсю-юэ дефектов Анализ *имети"и | затвердевания., макрои мякрс-I структура отлив<�и, ' иру| ти цифвкил" [ п|зм адтеердевэкми^
Анализ фазсеых превращений е твердом состоянии, |(ЛЛ иии двфчк I ии
Задачи анализа и управления качеством НК при проектировании технологии СКПД
Рис. 3.2. Применение модели сплава
Результатом термодинамического моделирования является не только возможность получения параметров для моделей различных процессов, но и важная информация о свойствах сплава, связанных с особенностями его структуры после кристаллизации и в твердом состоянии:
— вероятное строение расплава в зависимости от температуры и состава, а также физико-химические характеристики сплава (плотность, коэффициенты диффузии, поверхностное натяжение и т. д.);
— диаграмма состояния системы сплавов и ее параметры (наклоны линий и поверхностей, коэффициенты распределения компонентов между фазами);
— критические температуры фазовых превращений сплава (ликвидус, солидус, температурный интервал кристаллизации АТщ и т. д.), влияние компонентов на критические температуры сплава;
— характер распределения компонента по сечению дендрита (характер микроликвации компонента);
— тепловые характеристики сплава (теплота кристаллизации, теплоемкость) и их изменение в процессе кристаллизации.
3.3 Математическое моделирование процесса затвердевания покрытия при СКПД
В теории затвердевания отливок [104, 105] большинство решений относится к телам в форме плиты, цилиндра, шара и при использовании ряда упрощающих задачу предположений: постоянство теплофизических свойств отливки, коэффициентов теплоотдачиотсутствие нелинейных взаимодействий и др. Между тем подавляющее большинство слитков, предназначенных для прокатки на блюминге или слябинге, имеет поперечное сечение в форме прямоугольника с округленными краями (ребрами). Тепловое состояние затвердевающего слитка во многом зависит от условий его взаимодействия с кристаллизатором. При этом нельзя не учитывать то обстоятельство, что теплообмен в зазоре между слитком и стенкой кристаллизатора осуществляется через газовый зазор путем излучения. Его рассчитывают с помощью нелинейного закона Стефана—Больцмана. Наконец, теплофизические свойства бронз (Я, с) существенно зависят от температуры, которая изменяется в ходе кристаллизации слитка. Учет всех указанных обстоятельств весьма усложняет математическую формулировку задачи, однако такая математическая модель затвердевающего слитка является более адекватной реальному объекту. Учитывая возможность использования численных методов при решении задачи о затвердевании слитка, приведем ее математическую формулировку для случая двух пространственных измерений в поперечном сечении наносимого покрытия.
Прежде всего, отметим, что большинство промышленных марок бронзы представляют собой сплавы, кристаллизующиеся в интервале температур между ликвидусом Т, шк и солидусом Тсол. При неравномерном по сечению слитка распределении температуры наличие интервала кристаллизации приводит к тому, что вместо гладкой границы раздела фаз фронт кристаллизации представляет собой пространственно распределенную систему — переплетение дендритных кристаллов с расплавом, — которую принято называть двухфазной зоной.
Для решения задачи о внутреннем теплообмене воспользуемся дифференциальным уравнением теплопроводности, имеющим в общем случае вид:
3.4) где, а = —— коэффициент температуропроводностир-с
Л — коэффициент теплопроводностир — массовая плотность веществас — удельная теплоемкость.
Если выделение теплоты кристаллизации происходит в интервале {Тлж — Тсол), вводим источник теплоты в уравнение нестационарной теплопроводности: х-^- = cliv (Лgrac^T)+ ¦> (3.5) где g — У/Уо ~ объемная доля твердой фазы в контрольном элементе двухфазной зоны.
Параметр g в общем случае определяется кинетикой роста кристаллов у фронта кристаллизации слитка. Однако можно предположить, что переохлаждение расплава у фронта кристаллизации невелико и доля твердой фазы полностью определяется равновесной диаграммой состояния изучаемого сплава. Как известно, для бинарной диаграммы состояния сплава доля твердой фазы может быть определена правилом отрезков.
