Проблема совмещения непрерывного контроля основных информативных технологических параметров (массы, температуры, расхода расплава) и управления процессом заливки актуальна практически для всех современных заливочных устройств.

Постановка задачи. Разработка методов обеспечения точности заливки, особенно при заливке малыми дозами, является важной задачей для литейного производства.

Цель. Целью является исследование зависимостей расходных характеристик магнитодинамического оборудования от подаваемого напряжения в различных условиях его работы.

Материалы и методы. Физическое моделирование применено для исследования точности дозирования малых доз в диапазоне 1,5—3 кг.

Результаты. На основе экспериментальных исследований с использованием физической модели магнитодинамического устройства (МДУ) установлен коэффициент численной зависимости мгновенного массового расхода модельной жидкости в желобе от мгновенной массы модельной жидкости в желобе.

Исследования доз заполнения в диапазоне от 1,5 до 3 кг показали, что этот коэффициент соответствует диапазону напряжения питания электромагнита от 12,3 до 16,3 В. Определены эффективный диапазон отношения массы заливаемого металла к мгновенному расходу массы при литье (2,20—2,25) и соответствующий диапазон напряжения питания электромагнита МДД для минимизации влияния пульсаций струи на точность дозирования за счет уменьшения их амплитуды. Погрешность дозирования не превышает 1,5% по массе дозы при заливке малых порций (1,5—3 кг).

Выводы. Разработано новое техническое решение МДД с наклонным весовым желобом традиционной конструкции, основанное на электромагнитной передаче силы, пропорциональной мгновенной массе расплава в желобе. Реализация данного решения позволяет сократить количество тензодатчиков мощности для мгновенного измерения массы расплава с четырех датчиков, установленных под плавильным тиглем прототипа MDD, до одного, размещенного непосредственно под желобом.

Долгое время алюминий был одним из самых ценных металлургических ресурсов в мире. Сегодня, учитывая прогнозы о том, что его мировое потребление к 2025 году вырастет до 120 млн тонн, он является вторым по распространенности металлом в мире после стали. Такой высокий спрос на алюминий влияет на специфику литейного производства. В 2017 году мировое производство алюминия выросло на 6%, во многом за счет автомобилестроения, аэрокосмической промышленности, машиностроения и упаковки. По мере ужесточения требований экологического законодательства все большую актуальность приобретает необходимость снижения расхода топлива и выбросов CO2 автомобилями.

Новые более экологичные автомобили должны быть легче, поэтому для производства некоторых компонентов (особенно крупных конструкционных деталей) целесообразно выбирать алюминий вместо более тяжелой стали. Таким образом, к 2022 году содержание алюминия в среднестатистическом автомобиле увеличится на 100 кг, так как алюминиевые детали заменят более тяжелые компоненты. К 2025 году использование алюминиевых деталей в автомобилях во всем мире вырастет в два раза (с 12% до 25%), до 30 млн тонн [1—5].

Быстрорастущий мировой рынок сложных литых алюминиевых деталей требует идеальной синхронизации оборудования для обработки алюминия, включая устройства для плавки, выдержки, дозирования, литья и обработки. Сложные конструктивные автомобильные детали из алюминия сложно отливать точно и хорошо обрабатывать. Это означает, что в области литья качество постепенно берет верх над количеством, а для этого требуется специализированное сложное оборудование. Чтобы повысить ставки, литейным заводам необходимо инвестировать в оборудование и инновации.

Проблема совмещения непрерывного контроля основных информативных технологических параметров (массы, температуры, массового расхода) и управления процессом заливки актуальна сегодня практически для всех заливочных устройств. Ее решение позволит улучшить воспроизводимость результатов и эффективность обработки расплавов, оптимизировать работу такого оборудования, снизить энергопотребление, повысить конкурентоспособность многофункционального литейного оборудования.

Повышение качества металлопродукции неразрывно связано с возможностями литейно-дозирующего оборудования, используемого в литейном производстве. Практика эксплуатации такого оборудования показала, что высоких результатов можно добиться, используя многофункциональные магнитодинамические устройства (МДУ), разработанные в ФТИМА НАНУ.

Они обеспечивают плавку до требуемого химического состава, внепечную обработку перед заливкой в ​​изложницу или другой металлоприемник, а также высококачественную разливку расплавов [6—8]. Несмотря на преимущества и простоту временного или объемного способов дозирования, наиболее точным является весовой. Особенно эффективным является сочетание подачи расплава в литейные формы с помощью МДУ и непрерывного контроля его переменной массы в процессе литья [9]. Такой подход позволяет реализовать дискретный способ дозирования с заливкой массы расплава непосредственно из МДУ в изложницу.

Исследования и патенты на изобретения, посвященные решению этой проблемы и опубликованные за последние два десятилетия, в основном содержали новые разработки в области автоматизированного литейного оборудования для дозированной разливки металла в разовые и постоянные литейные формы. Анализ аналогичного магнитодинамического оборудования, согласно ГОСТ 30573-98, показал, что к его основным параметрам относятся:

  • расход металла при разливке, соответствующий полезной массе загрузки ванны, изменяется от 0,3—0,6 кг до 2,5—3,5 кг/с;
  • масса дозы изменяется от 0,3—1,2 кг до 30—120 кг;
  • погрешность дозирования от 4—5% для минимальной массы дозы; до 1,5—2,5% для максимальной массы дозы (чем меньше заданная доза, тем больше погрешность).

На втором этапе было взято аналогичное оборудование ведущих мировых производителей, таких как: ABB (Швейцария-Швеция), Otto Junker (Германия), Siemens VAI (Австрия). Сравнение расходных характеристик существующего оборудования для предварительной обработки и литья металлов и сплавов с существующим МДД приведено ниже.

Высокая стоимость и сложность практических испытаний по модернизации действующего и созданию нового оборудования для производства высококачественной металлопродукции, особенно на стадии металлургической комплектации, выдвинули на первый план методы физического и математического моделирования. Они могут стать эффективным инструментом в руках инженера для быстрой разработки перспективных технологий проектирования и оптимизации получаемых решений по критериям максимизации качества и минимизации энерго- и ресурсозатрат.

Повышение точности дискретного литья связано со снижением вредного воздействия внешних и внутренних дестабилизирующих факторов, приводящих к отклонению или несоответствию заданному значению основных технологических параметров процесса литья. Одним из таких факторов, отрицательно влияющих на устойчивость процесса литья, а именно на точность дозирования, является пульсация струи разливаемого расплава из-за образования вихревых гидродинамических структур в рабочей зоне литейного оборудования.

Целью данной работы является изучение зависимостей расходных характеристик магнитодинамического оборудования от подаваемого напряжения в различных условиях его работы. Экспериментальные исследования проведены на физической модели МДД для алюминиевых сплавов. Разработано новое техническое решение для МДД с утяжеляющим наклонным желобом традиционной конструкции, основанное на электромагнитной передаче силы, пропорциональной мгновенной массе расплава в желобе.

Реализация данного решения позволяет сократить количество тензодатчиков мощности для мгновенного измерения массы расплава с четырех датчиков, размещенных под тиглем прототипа МДД, до одного, установленного непосредственно под желобом. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:  разработка методики экспериментальных исследований физической модели литейной машины с утяжеляющим сливным желобом;  исследование зависимости расходных характеристик потока в различных режимах работы МДД от приложенного напряжения;  определение условий повышения точности дозирования малых доз в диапазоне 1,5—3 кг. Изложение основного материала.

В известных технических решениях для получения непрерывной информации о переменной массе расплава МДД устанавливается на платформе весов различной конфигурации [3]. В основном используются электромеханические весы на основе тензометрических силоизмерительных датчиков [7]. Для повышения точности взвешивания и дозирования при заливке расплава из МДД в ​​формы разработано новое техническое решение, реализующее непрерывное измерение массы расплава без использования платформенных весов. Для определения эффективности его реализации разработана физическая модель МДД усовершенствованной конструкции для алюминиевых сплавов. Согласно данному решению, тензодатчик, измеряющий силу, располагается непосредственно под сливным желобом БДД, а усилие, создаваемое массой металла в желобе, влияет на его энергозатраты.

В состав модели входят: емкость с модельной жидкостью (водой), которая установлена ​​на неподвижной платформе; электронасос; наклонный желоб обычной конструкции; электромагнит; тензодатчик (с системой измерения сигнала выходного датчика); электронные весы класса 0,03 (ЧПД составляет 6 кг); головка стрелочного индикатора; набор эталонных гирь 4-го разряда (массой 0,5; 1,0; 5,0; 10,0 кг); блок управления; блок питания; приемная емкость; персональный компьютер. Перед проведением экспериментальных исследований проводятся следующие подготовительные работы:

  • организация электропитания блока управления и проверка работы элементов схемы;
  • проверка и настройка измерительной схемы дозатора;
  • настройка схемы измерения нагрузки в целом и дозирования дозатора в диапазонах 1, 2 и 10 кг (в каждом диапазоне провести по 5 измерений).

Бак, заполненный водой, устанавливается на неподвижной платформе и снабжается электронасосом, подключенным к блоку управления. Выходной патрубок насоса располагается над сливным желобом, один конец которого шарнирно установлен на неподвижном основании, а другой присоединен к входу питания двухконтурного тензорезисторного датчика, также размещенного на неподвижном основании.

Выход датчика через усилитель и аналого-цифровой преобразователь подключен к микропроцессорному блоку управления для дискретного дозирования модельной жидкости в приемную емкость. Питание системы управления процессом дозирования осуществляется от блока питания, подключенного к сети переменного тока напряжением 220 В. Управление насосом осуществляется блоком управления, подключенным к блоку питания. Индикация дозы осуществляется с помощью цифрового индикатора.

В состав физической модели также входит персональный компьютер, предназначенный для исследования динамики процесса дозирования. Физическая модель работает следующим образом. В исходном состоянии бак заполнен модельной жидкостью, система управления подключена к сети и находится в спящем режиме, на индикаторе отображаются нули во всех разрядах. По команде блока управления включается привод насоса и модельная жидкость начинает поступать в сливной желоб по трубопроводу в приемный бак. При этом на входе питания датчика появляется сигнал Um, пропорциональный мгновенной массе m модельной жидкости в желобе.

Сигнал Uм интегрируется в микропроцессорный блок и по достижении сливаемой массы жидкости в приемной емкости заданного значения mд привод насоса отключается. Очередные дозы жидкости заливаются аналогично. Напряжение является параметром, контролируемым в процессе дозирования, поэтому целью настоящих исследований является определение его эффективного диапазона. Для этого с помощью разработанной методики и физической модели МДД при наблюдении за гидравлическими параметрами струи модельной жидкости получены и зафиксированы следующие данные.

Такой подход обоснован тем, что с высокой точностью заливка дозы возможна только при постоянном расходе и, соответственно, ламинарном течении струи в сливном желобе. Экспериментальные данные, где U — напряжение, В; Q — мгновенный массовый расход в желобе, г/с; Qср — средний массовый расход модельной жидкости, г/с; σ — среднеквадратическое отклонение; ν — коэффициент вариации, %; mvis — мгновенная масса жидкости в желобе (определяется тензодатчиком); K — коэффициент зависимости мгновенного расхода модельной жидкости от ее мгновенной массы.

В целом особенностью предлагаемого способа повышения точности дозирования расплава по сравнению с существующими является то, что при заливке малых доз погрешность дозирования не превышает 1,5%, тогда как погрешность аналогичного оборудования для малых доз составляет 4—5%. Использование полученного коэффициента при проектировании новых опытных образцов оборудования для розлива является предметом дальнейших исследований.

Заключение

На основе экспериментальных исследований с использованием физической модели магнитодинамического устройства установлен коэффициент численной зависимости мгновенного массового расхода модельной жидкости в желобе от мгновенной массы модельной жидкости в желобе. Исследования доз наполнения в диапазоне от 1,5 до 3 кг показали, что данный коэффициент соответствует диапазону напряжения питания электромагнита от 12,3 до 16,3 В. Новизна исследования заключается в следующем:

1. В результате физического моделирования установлен оптимальный диапазон расхода жидкости в весовом желобе. Он позволяет минимизировать влияние пульсаций струи на точность дозирования за счет уменьшения их амплитуды. При этом погрешность дозирования при наполнении дозами 1,5—3 кг не превышает 1,5%, тогда как погрешность аналогичного оборудования для малых доз составляет 4—5%.

2. Разработанная конструкция весового желоба позволяет повысить надежность и точность дозирования расплава за счет отсутствия механической связи между датчиком нагрузки и сливным желобом.

3. Предложенное техническое решение упрощает конструкцию оборудования, что положительно влияет на себестоимость литейной продукции и обеспечивает экономический эффект при внедрении в производство. Финансирование исследований. Исследования выполнены в Физико-технологическом институте металлов и сплавов НАН Украины. Исследования выполнены в рамках проекта НДР III-09-17-671 «Разработка основ научных исследований по созданию новых высокоэффективных многофункциональных магнитодинамических промежуточных ковшей для процессов непрерывного литья заготовок».