Долгое время алюминий был одним из самых ценных металлургических ресурсов в мире. Сегодня, учитывая прогнозы, что его мировое потребление к 2025 году вырастет до 120 млн тонн, это второй по распространенности металл в мире после стали. Столь высокая потребность в алюминии влияет на специфику литейного производства. В 2017 году мировое производство алюминия выросло на 6%, в основном за счет автомобильной, аэрокосмической промышленности, машиностроения и упаковки. По мере ужесточения требований экологического законодательства необходимость снижения расхода топлива и выбросов CO2 от автомобилей становится все более актуальной.

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

Быстрорастущий мировой рынок сложных формованных алюминиевых деталей требует идеальных синхронизаторов, модернизации оборудования для обработки алюминия, включая устройства для плавления, выдержки, дозирования, литья и обработки. Сложные конструкционные автомобильные детали из алюминия трудно точно отливать и хорошо обрабатывать. Это означает, что в сфере литья качество постепенно берет верх над количеством, а для этого требуется специализированное сложное оборудование. Чтобы повысить ставки, литейным предприятиям необходимо инвестировать в оборудование и инновации.

Проблема совмещения непрерывного мониторинга основных информативных технологических параметров (массы, температуры, массового расхода) и контроля процесса разливки актуальна почти для всех заправочных устройств сегодня. Ее решение позволит повысить воспроизводимость результатов и эффективность обработки расплава, оптимизировать работу такого оборудования, снизить энергопотребление, повысить конкурентоспособность многофункционального литейного оборудования.

Повышение качества металлопродукции неразрывно связано с возможностями литейного и дозирующего оборудования, используемого в процессах литейного производства. Практика эксплуатации такого оборудования показала, что высоких результатов можно достичь при использовании многофункциональных магнитодинамических устройств (МДД). Они обеспечивают плавку до необходимого химического состава, внепечную обработку перед заливкой в форму или другой металлоприемник, а также качественную разливку расплавов.

Весовое дозирование

Наиболее точным является метод дозирования, основанный на взвешивании. Особенно эффективным методом является сочетание подачи расплава в литейные формы с использованием МДА и непрерывного контроля его переменной массы в процессе литья. Такой подход позволяет реализовать метод дискретного дозирования с заливкой расплавленной массы непосредственно из МДА в форму. 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 одиночные и несъемные формы. Анализ аналогичного магнитодинамического оборудования показал, что к его основным параметрам относятся: расход металла в процессе литья, соответствующий полезной массе загрузки ванны, варьируется от 0,3—0,6 кг до 2,5. —3,5 кг/с; масса дозы варьируется 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 выше погрешность). На втором этапе было взято аналогичное оборудование от ведущих мировых производителей.

Высокая стоимость и сложность практических испытаний по модернизации существующего оборудования и разработке нового для производства высококачественной металлопродукции, особенно на стадии металлургической составляющей, обусловили необходимость физико-математического моделирования. Методы могут быть эффективным инструментом в руках инженера для быстрой разработки передовых технологий проектирования и оптимизации получаемых решений по критериям максимизации качества и минимизации энергетических и ресурсных затрат.

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

Целью статьи является изучение зависимостей расхода расплава, характеристик магнитодинамического оборудования от подаваемого напряжения в различных условиях его эксплуатации. Проведены экспериментальные исследования на физической модели МДР алюминиевых сплавов. Разработано новое техническое решение 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 для мгновенного измерения массы расплава с четырех датчиков, размещенных под плавильным тиглем прототипа МДД, до одного, установленного непосредственно под желобом.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

разработка методики экспериментальных исследований физической модели литейной машины с утяжеляющим сливным желобом;

исследование зависимости расхода от характеристики расхода в различных режимах работы МДД от приложенного напряжения;

определение условий повышения точности дозирования малых доз в диапазоне 1,5—3 кг.

Основные выкладки

В известных технических решениях для получения непрерывной информации о переменной массе расплава МДД устанавливается на платформе весов различных конфигураций. В основном используются электромеханические весы на основе тензометрических силоизмерительных датчиков. Для повышения точности взвешивания и дозирования при разливке расплава из МДД в формы разработано новое техническое решение. Он реализует непрерывное измерение массы расплава без использования платформенных весов. Для определения эффективности его реализации была разработана физическая модель МДР усовершенствованной конструкции для алюминиевых сплавов. Согласно этому решению, силометрический тензодатчик представляет собой расположен непосредственно под сливным желобом МДР, и на его энергоемкость влияет сила, создаваемая массой металла в желобе.

Модель включает в себя: резервуар с моделирующей жидкостью (водой), который установлен на фиксированной платформе; электрический насос; наклонное корыто традиционной конструкции; электромагнит; тензодатчик (с системой измерения сигнала выходного датчика); весы электронные класса 0,03 (ЧДД 6 кг); головка циферблатного индикатора; набор эталонных гирь 4-го разряда (массой 0,5; 1,0; 5,0; 10,0 кг); блок управления; силовой агрегат; приемный резервуар; и персональный компьютер.

Перед экспериментальными исследованиями проводятся следующие подготовительные работы: организация электропитания блока управления и проверка работоспособности элементов схемы; поверка и настройка схемы измерения дозатора;

настройка схемы измерения нагрузки в целом и учет дозатора в диапазонах 1, 2 и 10 кг (провести 5 замеров) в каждом диапазоне).

Резервуар с водой установлен на стационарной платформе и оснащен электронасосом, подключенным к блоку управления. Выпускной патрубок насоса расположен над сливным желобом, один конец которого шарнирно установлен на неподвижном основании, а другой присоединен к силовому входу тензорно-резисторного датчика двойного изгиба, также размещенного на неподвижном основании. Выход датчика через усилитель и аналого-цифровой преобразователь подключен к микропроцессорному блоку управления дискретного дозирования моделировочной жидкости в приемную емкость. Питание системы управления процессом дозирования питание от блока питания, подключенного к сети переменного напряжения 220 В.

Насос управляется блоком управления, подключенным к силовому агрегату. Доза указывается 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 моделирующей 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 через трубопровод в приемную емкость. При этом на входе питания датчика появляется сигнал Um, пропорциональный мгновенной массе модельной жидкости m в ванне. Сигнал Uм интегрируется в микропроцессорный блок и при достижении сливаемой массы жидкости в приемной емкости заданного значения md привод насоса отключается. Последующие дозы жидкости вливают таким же образом. Параметром, который необходимо контролировать в процессе дозирования, является напряжение, поэтому целью данных исследований является определение диапазона его действия.

С этой целью с помощью разработанной методики и физической модели МДР, учитывая наблюдения за гидравлическими параметрами струи моделирующей жидкости, были получены и зафиксированы следующие данные. Такой подход оправдан тем, что с высокой точностью восполнение дозы возможно только при постоянном расходе и, соответственно, при ламинарном течении струи в сливном желобе.

Заключение

На основе экспериментальных исследований с использованием физической модели установлен коэффициент численной зависимости мгновенного массового расхода модельной жидкости в желобе от мгновенной массы модельной жидкости в желобе магнитодинамического устройства. Исследования заправочных доз 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 течения жидкости в ванне весов. Это позволяет минимизировать влияние пульсаций струи на точность дозирования за счет уменьшения их амплитуды. При этом погрешность дозирования при наполнении доз 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. Исследования выполнены в Физико-технологическом институте металлов и сплавов в рамках проекта «Разработка научно-исследовательской базы по созданию новых высокоэффективных многофункциональных магнитодинамических промежуточных ковшей для процессов непрерывного литья заготовок».