Размещено на http://www.allbest.ru/

Специальность 05.13.06 - "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Автоматизация проектирования процессов электрошлакового литья

Янишевская Анна Генриховна

Омск - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Омский государственный технический университет.

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Коростелев Владимир Федорович

доктор технических наук Луконин Вадим Павлович

доктор технических наук, доцент Рауба Александр Александрович

Ведущая организация: ФГУП ОмПО "Иртыш", г. Омск

Защита диссертации состоится 14 октября 2009 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.01 при Владимирском государственном университете по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд. 211-1

Автореферат размещен на сайте www.vak.ed.gov.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Автореферат разослан 3 сентября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета профессор, д.т.н. Р.И. Макаров

Общая характеристика работы

В диссертации изложены опубликованные, апробированные и внедренные в практику автоматизации проектирования процессов электрошлакового литья за период 1986-2009 гг. основные научные положения и результаты решения важной для условий современной России научной проблемы создания методов автоматизации проектирования специфического производства. Исследование выполнено в круге научных идей автора и базируется на трудах по разработке и использованию информационных систем, металлургии, автоматизации проектирования. Этим вопросам уделяли внимание М.В. Бурлаков, А.П. Костров, В.А. Веников, Б.В. Гнеденко, И.Н. Коваленко, А.В. Гордеев, П.П. Арсентьев, Л.А. Коледов, Г.Ф. Баландин, В.И. Баптизманский, В.Н. Карножицкий, В.Н. Бороненков, С.М. Шанчуров, С.И. Попель, Ю.П. Никитин, Л.Н. Бармин, Б.Е. Патон, Б.И. Медовар, Ю.В. Орловский, Ю.В. Латаш, В.Л. Артамонов, Ю.А. Шульте, М.П. Собакин, Я.Л. Вербицкий, А.Е. Гончаров, В.А. Ефимов, Г.И. Жмойдин, М.М. Клюев, А.Ф. Каблуковский, С.Е. Волков, Б.И. Кубрак, Б.М. Лепинских, В.И. Махненко, Г.С. Маринский, В.Л. Шевцов, А.К. Цыкуленко, В.С. Моисеев, В.И. Данков, И.И. Багаев, О.Д. Молдавский, И.П. Норенков, А.П. Огурцов, И.А. Миленький, С.Е. Самохвалов, В.А. Олейник, О.А. Есин, А.Л. Тихоновский, В.А. Судник, Б.Я. Советов, С.А. Яковлев, Б.С. Чуркин и др. Вместе с тем, не все теоретические результаты этих работ могут быть непосредственно использованы в практике автоматизации проектирования, что обусловило необходимость дальнейших исследований.

Актуальность проблемы. Интенсивное развитие различных областей новой техники авиационной, ракетно-космической, атомной, поставило перед металлургами задачу получения сталей и сплавов с заданным сочетанием служебных свойств, например, очень высокой прочности при одновременно высоких пластичности и вязкости. Большие возможности в этом отношении открывает использование электрошлаковой технологии. Основные пути повышения качества электрошлакового металла и эффективности электрошлаковой технологии - использование особо чистого исходного металла, максимальная интенсификация процесса электрошлакового рафинирования, всемерное улучшение экономических показателей.

В конце 70-80-х годов XX века для оборонной промышленности остро стала проблема о дефиците таких металлов, как W, Mo, Pt, Ni, Ti, Cr, V и их сплавов. Эта проблема оказалась неразрешимой для большой металлургии. Получение таких сталей и сплавов стало возможным благодаря развивающему новому направлению в металлургии, возникшему в это время в ИЭС им. Е.О. Патона - электрошлаковому литью.

В настоящее время все большее распространение получает концепция управления предприятием на основе понятия жизненного цикла изделия, под которым понимают интервал времени от момента осознания потребности в изделии до момента окончания его обслуживания у пользователя.

Развитие промышленного производства характеризуется широким внедрением новейших достижений науки и техники, обеспечивающих повышение технико-экономической эффективности производства для получения конкурентоспособной продукции. Сокращение сроков выполнения заказов на электрошлаковое литье (ЭШЛ) во многом зависит от длительности и трудоемкости стадии проектирования процесса.

Разработка методов прогнозирования химического состава металла отливки дает возможность оптимизации процесса электрошлакового литья еще на стадии проектирования путем подбора таких составов металла и шлака и режимов процесса, которые обеспечивают заданный состав литого металла. Прогнозирование процессов кристаллизации металла и шлака и вероятность возникновения деформаций и напряжений в форме позволяют подбирать конфигурации кристаллизаторов, удовлетворяющих всем технологическим и экономическим требованиям.

Создание подобных методов важно и в теоретическом отношении, поскольку близость расчетных и опытных данных является подтверждением адекватности принятой расчетной схемы физической картине взаимодействия фаз при электрошлаковом литье.

Автоматизация проектирования является весьма сложной проблемой, которая включает в себя достижения в рассматриваемой предметной области, связанные с математическим описанием процессов, математическим моделированием, использованием информационных технологий.

Автоматизация проектирования процесса в данной диссертации рассматривается как интегрирующее звено, связывающее все этапы подготовки и реализации ЭШЛ в единую систему.

Развитие вычислительной техники, ее доступность позволяют в настоящее время решать сложные задачи анализа физико - химических процессов в металлургических системах, в частности, анализа равновесия и кинетики процессов при большом числе одновременно протекающих реакций, оптимизации процесса кристаллизации металла отливки в форме. В диссертации развитие программных средств автоматизации проектирования представлено несколькими направлениями: создание программ для моделирования физико-химических процессов при электрошлаковом литье и прогнозирования химического состава металла отливок; разработка универсальных средств создания чертежных средств, предназначенных для изготовления чертежей; создание программных средств автоматизации расчетных работ; а также создание интегрированных систем автоматизации проектирования.

Данная работа направлена на разработку автоматизации проектирования процесса электрошлакового литья на основе анализа и математического моделирования.

В диссертации исследуются процессы автоматизации проектирования процессов электрошлакового литья.

Таким образом, решая эту проблему можно утверждать, что она в настоящее время является весьма важной и актуальной.

Цель работы и предмет исследования. Целью работы является повышение качества отливок, полученных электрошлаковым литьем на основе автоматизации проектирования процессов электрошлакового литья, исследования и математического моделирования расплавления, химических реакций, кристаллизации при электрошлаковом литье легированных сталей и сплавов. отливка электрошлаковый металл

Предметом исследования являются автоматизация проектирования процессов ЭШЛ, системы автоматизированного проектирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать концепцию производственных систем нового поколения, охватывающую вопросы автоматизации проектирования, технологии и управления.

2. Разработать метод математического описания кинетики химических процессов при электрошлаковом литье с учётом одновременного протекания произвольного числа реакций и их взаимного влияния. Изучить влияние технологических параметров центробежного электрошлакового литья (ЦЭШЛ) на массоперенос между металлом и шлаком на различных стадиях процесса ЦЭШЛ методом "холодного" моделирования и в реальном процессе.

3. Разработать алгоритм и программы для автоматизированного проектирования процессов электрошлакового литья.

4. Осуществить проверку адекватности разработанных моделей, а также эффективность алгоритмов и программ при производстве ЭШЛ.

Методы исследований. В работе использованы методы математического моделирования, конечных элементов, теории массового обслуживания и экспертных оценок, дифференциальные системы уравнений, понятия математической логики, современные компьютерные технологии и объектно-ориентированное программирование.

Научная положения, выносимые на защиту, их новизна:

1. Концепция производственных систем нового поколения для электрошлакового литья в отличие от аналогов, охватывающая вопросы автоматизации проектирования, технологии и управления;

2. Математический метод кинетики химических процессов при ЭШЛ, позволяющий прогнозировать химический состав металла и шлака и учитывающий одновременное протекание произвольного числа реакций и их взаимное влияние, изменение масс реагирующих элементов во времени и зависимость их от технологических параметров;

3. Разработаны для электрошлакового литья новые математические и информационные модели управления:

- математическая модель химических процессов при ЭШЛ, позволяющая прогнозировать химический состав металла изделия;

- модель лимитирующих этапов химических реакций при электрошлаковом литье, влияния технологических параметров процесса на химический состав изделия;

- модель теплофизических процессов при электрошлаковом литье в плавильной емкости и кристаллизаторе.

4. На основании результатов диссертации внедрено несколько информационных программ и учебных комплексов, на них получено 8 свидетельств о государственной регистрации программ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается методологической базой исследований, основанной на фундаментальных теоретических положениях, корректным использованием математического моделирования, достаточным объемом экспериментальных исследований, полученных применением современных приборов и оборудования, обеспечивающих требуемую точность и надежность результатов, соответствием результатов расчетов и экспериментальных данных, положительным опытом внедрения на ряде промышленных предприятий.

Практическая значимость результатов работы состоит в совершенствовании автоматизации проектирования за счет внедрения системного анализа решению ряда проблем концептуального проектирования интегрированных производственных систем, который может быть использован при создании автоматизации проектирования автоматизированного производства электрошлакового литья - от общей концепции производственной системы до разработки программно-аппаратного обеспечения, а также системы моделирования технологии электрошлакового литья с использованием программы расчета химического состава отливок, а также использованием предложенной технологии в производстве в НПФ "ЭШЛ", институте физико-технических проблем экологии, ООО "Специальные технологии", "Фланцевый завод", ООО "Ресурсосберегающие технологии", ООО ПКФ "МираМет" г. Омска.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных конференциях и семинарах (1986-2009 гг.) различных уровней. Основные результаты и положения диссертации доложены и обсуждены на: международной научно-технической и практической конференции "Проблемы и перспективы автоматизации производства и управления, "Автоматизация-97"" (Ташкент, 1997); XVII международной конференции "Математическое моделирование в механике сплошных сред на основе методов граничных и конечных элементов" (Санкт-Петербург, 1999); международной конференции "Информационные технологии в инновационных проектах" (Ижевск, 1999); IV Минском международном форуме "ТЕПЛОМАССООБМЕН "ММФ-2000"" (Минск, 2000); международной конференции "Fundamental and applied technological problems of machine bilding - Technology-2000" (Орел, 2000); международной научно-технической конференции "Современные материалы и технологии - 2002" (Пенза, 2002); международной научно-технической конференции "Современные проблемы металлургического производства" (Волгоград, 2002); IX международной научно-технической конференции "Машиностроение и техносфера XXI века" (Донецк, 2002); II Международном технологическом конгрессе "Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе" (Омск, 2003); III Международном технологическом конгрессе "Военная техника, вооружение и технологии двойного применения" (Омск, 2005); на заседаниях кафедры "Системы автоматизированного проектирования машин и технологических процессов" Омского государственного технического университета и др.

Публикации. Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 133 научных работах, среди которых в том числе: без соавторов 22 работы, в изданиях из перечня ВАК 13 статей, одна монография, два авторских свидетельства, восемь свидетельств об отраслевой регистрации разработок, одно свидетельство IV международной выставки военной техники, технологий и вооружения сухопутных войск.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 299 страницах, и включает в себя 31 таблицу, 51 рисунок. Библиографический список содержит 266 наименований. Приложение представлено на 18 страницах.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность, сформулирована цель исследований, научная новизна, основные защищаемые положения, практическая значимость работы.

В первой главе на основании научных источников дается анализ автоматизированных систем проектирования и процессов электрошлаковых технологий.

Отмечено, что развитие новой техники в современных условиях замедляется не столько отсутствием научных достижений и инженерных идей, сколько сроками и не всегда удовлетворительным качеством их реализации при конструкторско-технологической разработке. Одним из направлений решения этой проблемы является создание и развитие автоматизации проектирования.

Концептуальное проектирование, конструирование, инженерный анализ и технологическая подготовка производства неразрывно связаны, поэтому их процессы иногда выполняют параллельно.

Представлен, разработанный автором, подход к созданию системы автоматизированного проектирования процессов электрошлакового литья, отражающий идею структурно-функциональной декомпозиции - основного метода анализа сложных организационно-технических систем. В его основе лежит понятие открытой системы.

Создание компьютеризированного интегрированного производства является важнейшей задачей во всех отраслях промышленности. Одним из основных результатов исследований в этом направлении явилась разработка модели расширенной производственной системы (рис. 1).

В реальных условиях схема удовлетворения потребностей сложнее и может включать в себя жизненный цикл изделия CALS (Continuos Acquisition and Life Cycle Support - поддержка Жизненного Цикла Изделия), кроме производственного цикла, циклы распределения, потребления и утилизации изделий. Совокупность всех этих производств и образует расширенную производственную сеть для удовлетворения рассматриваемой потребности рынка.



Рис. 1. Модель расширенной производственной системы

Понятия изделия и его жизненного цикла являются центральными в рассматриваемой концепции производственной системы, они лежат в основе анализа ее организационной структуры. Более того, рассматривая само сложное изделие, как систему, можно в рамках общего подхода рассматривать задачу построения методологии проектирования, внедрения и сопровождения производственных процессов.

Жизненный цикл изделия имеет определенную структуру. Для каждого вида изделий могут существовать свои варианты структуры жизненного цикла.

Детальная разработка открытой производственной системы для электрошлакового литья, является задачей исследований. Здесь рассмотрим один из таких вариантов. Жизненный цикл разбивается на ряд фаз. В каждой фазе решаются свои специфические задачи в общем процессе создания изделий. Фазы могут частично перекрываться, что позволяет сократить сроки создания изделия и приводит к следующей декомпозиции процесса жизненного цикла:

1. Анализ и предпроектное исследование потребности в изделии.

2. Проектирование процесса.

3. Автоматизация проектирования.

4. Техническая подготовка производства изделия.

5. Производство изделия.

6. Продвижение изделия к потребителю.

7. Использование и утилизация изделия.

Однако этого недостаточно для определения функциональной структуры предприятия, постоянно создающего новые изделия. Необходима дополнительная декомпозиция по функциям управления жизненным циклом (рис. 2).

В число этих функций входят элементы, представленные на рисунке 2. Каждая функция имеет свою интерпретацию для каждой фазы. Так, например, функция изготовления в фазе технической подготовки может включать в себя изготовление опытного образца, а в фазе производства - выпуск деталей, сборочных единиц и серийных машин. Соответственно, в этих двух фазах существенно различаются требования к уровню автоматизации, методы планирования и др. В результате получается матрица задач "функция-фаза", которая фактически определяет матричную структуру предприятия.

На втором уровне декомпозиции можно рассматривать разбиение фаз на более мелкие этапы и/или уточнить список функций. В результате получается новый набор матриц. Подобная процедура декомпозиции, следующая методологии структурного анализа, носит регулярный характер, что позволяет упорядочить процесс построения организационной структуры предприятия и структурировать сам процесс управления жизненным циклом.

Автоматизированное проектирование технологических процессов литья, особенно деталей сложной конструкции и ответственного назначения, способствует сокращению сроков и снижению материальных и трудовых затрат как при технологической подготовке производства, так и в основном производстве. Высокий уровень и комплексность автоматизации проектирования обеспечивается применением рациональных расчетных методов и процедур. В свою очередь это необходимо для создания автоматизации проектирования технологических процессов.

Рис. 2. Модель "функция-фаза"

В рамках предлагаемого подхода интегрированная производственная система выступает как теоретическая модель компьютеризированного интегрированного производства.

, (1)

где - предметная постоянная, отражающая состав технологического оборудования и оснастки; - предметная постоянная, отражающая технологический элемент производственного процесса; - предикат состава технологического оборудования и оснастки; - предикат производственного процесса изготовления изделия.

На промышленном предприятии, выпускающем сложные изделия, производство, как правило, функционирует по технологическому принципу.

Производство с учетом конструкторского состава изделия может быть представлено:

. (2)

Состав производства с учетом конструкторского состава изделия в диссертации рассматривается через призму элементарных предикатов:

. (3)

где - предикат состава технологического оборудования и оснастки, для которых требуется введение признака "уровень готовности"; - предикат нового технологического оборудования и оснастки, образованных по технологической необходимости; - предикат "мнимых сборок", которые исключаются из состава технологического оборудования и оснастки, как самостоятельные единицы; - предикат, учитывающий замену материала для изделия по экономико-производственной необходимости; - предикат вариантов исполнения технологического оборудования и оснастки, необходимость которых вызвана требованиями заказчика; - предикат состава технологического оборудования и оснастки, учитывающий только номенклатуру нормализованных и стандартизованных деталей и узлов.

Конечно, в производстве другого предприятия могут появляться предикаты, отличные от рассмотренных (3).

Учитывая то, что объем информации, содержащий сведения о составе сложного технологического оборудования и оснастки является одним из наиболее крупных и постоянно используемых в решении задач автоматизации проектирования, проблема минимизации его становится весьма актуальной.

Множество, представляющее собой область рабочего поля магнитного носителя, на котором записан объединенный массив состава технологического оборудования и оснастки и технологического маршрута изготовления изделия, можно выразить следующим неравенством:

, (4)

где - подмножество элементов поля состава технологического оборудования и оснастки; - подмножество элементов поля технологического маршрута изготовления изделия в производстве.

Подмножество (4) выражается функциональной зависимостью

, (5)

где - шифр технологического оборудования и оснастки; - шифр i-ой оснастки, входящей в i-ое технологическое оборудование; - входимость j-й оснастки в i-е технологическое оборудование, шт.; - постоянная величина, зависящая от принадлежности j-й оснастки или технологического оборудования к соответствующему виду (оригинальных, нормализованных, стандартизованных и т.д.); учитывает усредненную величину шифра соответствующего вида технологического оборудования и оснастки и зависит от шифра цеха.

, (6)

где - величина, объединяющая важность и значимость шифра технологического оборудования и оснастки, принадлежащей к соответствующему виду; - величина шифра цеха.

Подмножество поля можно записать как

при , (7)

где - количество этапов маршрута движения i-ого изделия; , - величина шифра цеха соответственно.

Построение объема информации, записанной на магнитном носителе через максимально допустимые области, зарезервированные под эти цели упрощает построение модели. Однако это приводит к появлению пустых фрагментов на магнитном носителе, темп роста которых отражен зависимостью:

, (8)

где - приращение фрагментов пустого поля на магнитном носителе области множества ; - пустые символы в шифре изделия, а пустое поле магнитного носителя области множества от файла состава технологического оборудования и оснастки описывается выражением

при . (9)

Предлагаемая модель производственной системы, опираясь на созданные ранее, учитывает декомпозицию конструкции изделия, которая используется для автоматизации проектирования изделий и может быть использована также для описания и формализации специфики технологии изготовления этих изделий, что необходимо для автоматизации проектирования процессов изготовления деталей включая и автоматизацию проектирования процесса производства электрошлаковой продукции.

Во второй главе в целях реализации предложенной в 1-ой главе модели при автоматизации проектирования целесообразно процесс получения заготовок методом ЭШЛ представить из следующих основных стадий: расплавления и накопления металла электрошлаковым способом в плавильной емкости; заливки металла и шлака в кристаллизатор; формообразовании и последующей кристаллизации металла заготовки (рис. 3).

Отличительными особенностями его являются - температура жидкой металлической ванны, превышающей на 200-300 градусов температуру плавления самого тугоплавкого компонента, высокая реакционная способность компонентов, входящих в состав сплавов при указанных температурах, наличие шлаковой ванны, вступающей во взаимодействие с компонентами расплава и футеровкой.

В известных изданиях описаны случаи распределения одного элемента по высоте слитка в предположении одностадийности процесса, математические модели массопередачи для описания кинетики использования марганца для раскисления и взаимодействия металла со шлаком в условиях электрошлакового переплава. Швердтфегер К. с соавторами представили модель для описания состава слитка ЭШП, в которой рассмотрено одновременное окисление шлаком двух и более элементов, растворенных в металле. Учитывалось также последовательное протекание реакций на стадиях электрода и ванны, образование гарнисажа и возможность электролиза. В работах В.Н. Бороненкова и др. предложена более полная математическая модель процессов взаимодействия многокомпонентных металла и шлака при ЭШП, достаточно полно учитывающая большинство факторов, влияющих на химический состав металла.

Рассмотренный материал позволил заключить что наиболее полным и строгим методом для описания кинетики совместных реакций в системе металл-шлак-газ является метод в котором взаимодействие всех элементов металла со шлаком описывается реакциями с одним компонентом, например, с FeO. Поэтому он был использован при разработке математической модели электрошлакового литья, в частности и для ЦЭШЛ.

Представлена математическая модель химических процессов при ЭШЛ, учитывающая изменение химического состава металла слитка, в том числе в его поперечном сечении. Модель представляет систему уравнений для расчета скоростей химических реакций на каждой стадии ЭШЛ, состав и массу шлаковой ванны, изменение массы металлической и шлаковой ванны при заливке.

Взаимодействие металла со шлаком описано комплексом одновременно протекающих и взаимозависимых реакций окисления примесей железа шлаком

, (10)

где [Эi] - Mn, Si, Cr и т.д.

Материальный баланс [Эi] (кг/с) для рассматриваемого элемента в металле представлен следующими уравнениями:

на стадии электрода (j=1)

, (11)

на стадии ванны (j=2)

(12)

Стадию ванны разделяем на два периода: первый - накопление металла при плавлении электрода и второй - заливка металла из плавильной емкости. В первый период в уравнении (12) Me2 = Me1, во второй Me2 = -зал, а p = 0, m = 0. Кроме того, во втором периоде и зависят от ф.

На стадии струи (j=3)

, (13)

на стадии кристаллизации (j=4)

(14)

где [Эi]о, [Эi]j, [Эi]m, [Эi]p - массовое содержание i-го элемента в электроде, на стадии j, в модификаторе и раскислителе, мас. %; Jj - скорость перехода элемента в шлак на стадии j, т.е. скорость химической реакции, моль Эi/(м 2*с); Sj - площадь реакционной поверхности на стадии j, м 2; Mэi - атомная масса i-го элемента, кг/моль, Me1, Me2, m, p, Me4, Meкр - скорости: плавления электрода и накопления металла в плавильной емкости, подсыпки модификатора и раскислителя, заливки и кристаллизации металла, кг/с, ф - время процесса, с, GMe2, GMe4 - массы металла в плавильной емкости и литейной форме, кг, ч - коэффициент ликвации.

Стадия кристаллизации также разделена на два периода: в первом происходит накопление металла за счет заливки из плавильной емкости, во втором - кристаллизация металла. В первом периоде в уравнении (14) GMe4 и S4 зависят от , во втором - S4=const, VMe4=0.

Материальный баланс для рассматриваемого элемента в шлаке представлен следующими выражениями:

на стадии ванны (j=2)

(15)

на стадии струи (j=3)

(16)

на стадии кристаллизации (j=4)

(17)

где (ЭinОm)0, (ЭinОm)2, (ЭinОm)3, (ЭinОm)4, (ЭinОm)ф, - концентрация оксида i-го элемента в исходном флюсе, в шлаковой ванне, в струе, в литейной форме и в футеровке, %; ф, р.ф,, шл.кр 4, шл 4 - скорости подсыпки флюса, растворения футеровки и оксидных пленок с электрода, кристаллизации и заливки шлака, кг/с; Мок - молекулярная масса оксида ЭinОm, кг/моль; Gшл 2, Gшл 4 - массы шлака в тигле и в форме, кг; (ЭinОm)ок - концентрация ЭinОm в оксидной пленке на электроде, %.

Стадия кристаллизации аналогично делится на два периода. В первом в уравнении (17) Gшл 4 и S4 зависят от ф, во втором -

Gшл 4=const, S4=const, шл 4=0, .

Зависимости GMe2, GMe4, Gшл 2, Gшл 4, S2, S4 от времени найдены автором экспериментально.

При введении модификатора и раскислителя происходит их расплавление при прохождении через шлаковую ванну с образованием металлических капель, химически взаимодействующих со шлаком. Содержание элемента Эi в каплях [Эi]к массой Gк при прохождении шлаковой ванны к моменту попадания в металлическую ванну определяется из уравнения

, (18)

где Sк - поверхность капли, м 2.

Для определения концентрации [Эi] любого элемента в металлической и оксида (ЭinОm) в шлаковой ваннах время процесса ф разбиваем на достаточно малые отрезки времени Дф, в течение которых скорости химических реакций можно считать постоянными.

Расчет состава металла и шлака производился последовательно для каждой из стадий.

Скорость каждой реакции при совместном их протекании описывается уравнением:

(19)

где xj - концентрация оксида железа у поверхности раздела металл - шлак на стадии j,

Kj=(ЭiOm)1/m/{(FeO)[Эi]1/m} -

равновесное соотношение концентраций элементов и оксидов для реакции j, вj - константа конвекции, с-0,5; Dj и Dок - коэффициенты диффузии реагентов в металле и шлаке, м 2/с; Kj и j - опытные константы, описывающие разряд иона Эi(2m/n)+.

xj находится из уравнения

, (20)

где ij - плотность тока на соответствующей стадии, А/м 2; F - число Фарадея.

На основе разработанной математической модели составлены алгоритм и программа расчета для персональных компьютеров, описывающая поведение 15 элементов, химически активных при ЭШЛ сталей: Fe, C, Si, Mn, Ti, Cr, V, W, B, Al, P, S, O, Ca, Zr. Блок-схема программы представлена на рис. 4. Расчет изменения химического состава металла и шлака происходит последовательно, постадийно.

Найдены математические зависимости изменения площади реакционной поверхности в плавильной емкости, масс жидких металла и шлака от времени заливки.

Рис. 4. Блок-схема расчетов математической модели химических процессов при ЭШЛ

Третья глава посвящена нахождению констант массопереноса () реагентов в металле и шлаке к границе металл-шлак, необходимых для расчета скоростей реакций и состава металла.

В данной главе методом "холодного" моделирования и для реального процесса определены величины и для ванны в период заливки, на стадиях струи и кристаллизации и исследовано влияние скорости заливки, времени заливки и кристаллизации на массообмен между металлом и шлаком при электрошлаковом литье.

Впервые получены значения констант массоотдачи () и конвекции

(b) методом "холодного" моделирования процесса для ряда стадий ЦЭШЛ.

Для изучения массообмена при ЦЭШЛ на "холодной" модели в качестве металла использовали легкоплавкий сплав Вуда; в качестве аналога шлака - глицерин.

В "шлак" вводили CuSO4 до 0,05 мас.% и фиксировали изменение концентрации Cu2+ во времени, предварительно подтвердив опытным путем диффузионный режим реакции

(Cu2+)+[Me]=[Cu]+Me2+. (21)

Это позволило принять, что

(22)

Значения для плавильной емкости и на стадии заливки рассчитывали по формулам:

 (23)

где Ccu1, Ccu2 - массовые содержания Cu в периоды времени ф1 и ф 2, % мас.; с - плотность, кг/м 3; ф 1 и ф 2 - время, с; - исходная масса жидкого "шлака", кг; - коэффициент изменения массы "жидкого" шлака, кг/с 2; - исходная реакционная поверхность, м 2; - коэффициент изменения реакционной поверхности, м 2/c2.

Для стадии струи нашли

, (24)

где зал- скорость заливки, м 3/с; d1-диаметр струи жидкогометалла, м; d2- внешний диаметр струи жидкого шлака, м; l - длина струи, м.

На стадии кристаллизации

, (25)

где h - высота литейной формы, м; rкр- радиус литейной формы, м.

Используя соотношение

, (26)

и экспериментальные данные о Di, нашли .

В реальном процессе ЦЭШЛ поток массы в шлаке характеризовали скоростью химической реакции взаимодействия ионов никеля (Ni2+) с металлом

Ni2+ + [Fe] = Fe2+ + [Ni]. (27)

Поток в металле характеризовали скоростью окисления титана

Ti + 2FeO = 2Fe + TiO2. (28)

При сравнении значений и b для "холодной" модели и реального процесса было видно, что они практически совпадают. В дальнейших расчетах использовались значения b, найденные методом "холодного" моделирования, так как необходимые для расчета b значения Di более точно определены при низких температурах.

По результатам исследований для использования в расчетах рекомендую следующие значения констант конвекции: на стадии плавильной емкости - 1,5 с 1/2, на стадии струи - 12 с 1/2 и на стадии кристаллизации - 1,4 с 1/2.

В четвертой главе рассмотрены меры по оптимизации технологических процессов ЭШЛ, а именно: проведен анализ и разработана модель лимитирующих этапов химических реакций при ЦЭШЛ и влияние электролиза на поведение химических элементов при электрошлаковом литье; разработана модель влияния технологических параметров заливки металла и шлака на химический состав отливки; выявлено влияние количества модификатора и раскислителя на химический состав отливки.

С помощью разработанной математической модели химических процессов при ЦЭШЛ установлены количественные зависимости содержания элементов в металле от различных факторов. Установлено, что на всех стадиях процесса ЦЭШЛ стали Р 6М 5 основным раскислителем кремния является Al. Основным тормозящим звеном при этом является медленная диффузия окислителя в шлаке, на стадии ванны в период накопления металла - диффузия кремния в металле. При восстановлении алюминия и кальция основным тормозящим фактором является диффузия этих элементов в металле. На стадии электрода и ванны в период накопления металла происходит значительное - на 45 отн. % и 70 отн. % соответственно обессеривание металла. Реакции здесь тормозятся диффузией серы в металле - на стадии электрода и диффузией серы в шлаке - на стадии ванны.

Исследование влияния рода и полярности тока показало, что наибольшее содержание алюминия в отливке стали Р 6М 5 достигается на постоянном токе прямой полярности - до 1,0 мас. %. Окисление алюминия на электроде протекает в предельном диффузионном режиме по алюминию в металле. При использовании постоянного тока обратной полярности значения концентрации алюминия в металле отливки близки к содержанию его на переменном токе. Наибольшая степень обессеривания металла наблюдается при использовании постоянного тока прямой полярности и переменного тока. Наименьшее содержание кальция в отливке дает использование постоянного тока обратной полярности.

Установлено, что при увеличении толщины оксидной пленки на электроде из стали Р 6М 5 более 0,5.10-3 м уменьшается содержание алюминия в металле на 20 отн. %, кальция - на 19,5 отн. % и ухудшается обессеривание металла на 60 отн. %.

На основе предложенной модели влияния технологических параметров на состав металла было рассмотрено влияние скорости плавления электрода и времени заливки металла на содержание циркония, алюминия, кальция и серы в стали Р 6М 5. Расчеты показали, что с увеличением времени плавления с 1000 с до 1500 с содержание серы в металле снижается на 61,1 отн. %. При 1200 с концентрации циркония, алюминия и кальция в металле не изменяются. Время заливки металла не влияет на концентрацию циркония в отливке. При 90 с концентрация алюминия возрастает на 4 отн. %, а при 60 с содержание серы и кальция уменьшается на 10,2 и 20,7 отн. %.

Выявлено, что при изменении диаметра струи жидкого металла (то есть скорости заливки) от 10-2 до 10-1 м концентрация алюминия увеличивается на 2,5 отн. %, содержание серы и кальция уменьшается на 8,4 отн. % и 7,4 отн. % соответственно.

Проведенные исследования, показали, что увеличение количества модификатора от 0,001 кг до 0,1 кг и раскислителя от 0,001 кг до 6.10-2 кг при ЦЭШЛ стали Р 6М 5, в состав которых входит кремний, увеличивает его содержание в слитке с 0,37 мас. % до 0,78 мас. %. Количество циркония в металле зависит от количества модификатора, но не превышает 0,004 мас. % в отливке. Алюминий поступает в металл в результате химических реакций между металлом и шлаком, а также за счет введения раскислителя в металлическую ванну. Его содержание изменяется от 0,069 мас. % до 0,158 мас. % в зависимости от скорости введения раскислителя. С ростом массы вводимого раскислителя увеличивается содержание кальция в металле, но его концентрация не превышает 0,03 мас. %.

Пятая глава посвящена вопросам совершенствования технологических процессов при электрошлаковом литье. На основе предложенной модели теплофизических процессов при электрошлаковом литье проводился их анализ для технологий ЭШЛ, используемых на ряде промышленных предприятий. На основе метода конечных элементов и программного комплекса ANSYS исследованы процессы теплообмена в плавильной емкости и литейной форме. На рис. 5 указана схема плавильной емкости, принятая для расчетов, на рисунке 8 - схема литейной формы. Получены зависимости изменения температуры в плавильной емкости при плавлении электрода и накоплении необходимого количества жидких металла и шлака от времени процесса плавления (рис. 6 и 7), и в литейной форме при заливке металла со шлаком, охлаждении и кристаллизации металла.

Рис. 5. Схема плавильной емкости, принятая для расчетов:

1 - медный корпус плавильной емкости; 2 - охлаждающая жидкость (вода); 3 - магнезитовая футеровка; 4 - поддон; 5 - токоподводящая затравка; 6 - жидкий металл; 7 - жидкий шлак; I - I - поперечное сечение емкости для расчета температур; * - места, для которых рассчитывали температуру

На рис. 6 показано изменение температуры по времени на внутренней стенке плавильной емкости. Кривая 1' показывает изменение температуры в зоне контакта плавильной емкости охлаждающая жидкость (вода); кривая 2' - в медном плавильном корпусе; кривая 3' - в зоне контакта гарнсаж-медный корпус плавильной емкости. Из этих графиков видно, что происходит резкое увеличение температуры контактирующих поверхностей в течение примерно 20 секунд, затем происходит более плавный нагрев исследуемых областей примерно до 35 секунды от начала процесса плавления электрода. Дальнейший нагрев исследуемых областей от 35 секунды процесса плавления до окончания расплавления электрода (накопления необходимого количества жидкого металла и шлака) 90 секунде процесса плавления уже подчиняется линейному закону: происходит плавное увеличение температуры в зоне контакта плавильной емкости охлаждающая жидкость (вода) до температуры примерно 1000 ^оС; в медном плавильном корпусе - 750 - 800 ^оС и в зоне контакта гарнисаж-медный корпус плавильной емкости - до температуры не более 200 ^оС.

Рис. 6. Изменение температуры по времени на внутренней стенке плавильной емкости: 1' - в зоне контакта плавильной емкости охлаждающая жидкость (вода); 2' - в медном плавильном корпусе; 3' - в зоне контакта гарнсаж-медный корпус плавильной емкости



Рис. 7. Изменение температуры по времени по толщине футеровки на внутренней поверхности плавильной емкости: 3' - в зоне контакта гарнисаж-медный корпус плавильной емкости; 4' - внутри гарнисажа; 5' - в зоне контакта жидкий металл-гарнисаж

На рис. 7 показано изменение температуры по времени по толщине футеровки на внутренней поверхности плавильной емкости. Кривая 3' показывает изменение температуры в зоне контакта гарнисаж-медный корпус плавильной емкости; кривая 4' - внутри гарнисажа; кривая 5' - в зоне контакта жидкий металл-гарнисаж.



Рис. 8. Схема кристаллизации металла и шлака в кристаллизаторе: 1 - кристаллизатор; 2 - крышка; 3 - закристаллизовавшийся шлак; 4 - металл; * - места, в которых рассчитывали распределение температуры; I - I, II - II - поперечное и продольное сечения кристаллизатора, принятые в расчетах

Полученные расчетные данные позволяют сделать следующее заключение: к моменту времени, когда жидкий металл находится в заданном месте плавильной емкости, гарнисаж, а вместе с ним и внутренняя стенка плавильной емкости начинают интенсивно нагреваться до температуры 1050 ^оС - 1200 ^оС, а затем происходит плавное увеличение температуры до 1900 ^оС, в течение примерно 80 - 100 с от начала соприкосновения с жидким шлаком или металлом. После этого резкого дальнейшего повышения температуры не происходит. За счет внутреннего охлаждения водой перегрев плавильной емкости, а следовательно, и ее деформация не наблюдаются. Было установлено, что перепад температур на границе раздела жидкий металл-гарнисаж незначительно зависит от толщины стенки плавильной емкости или толщины гарнисажа. Но из-за налипания после каждой плавки определенного количества шлака на гарнисаж его толщина увеличивается, вследствие чего изменяется теплообмен плавильная емкость-гарнисаж-жидкий металл. Производственные испытания показали, что для данного типоразмера плавильной емкости возможно проведение не менее 50 плавок с заданными технологическими параметрами процесса, так как это существенно не повлияет на теплообмен в самой плавильной емкости и на сам процесс накопления необходимого количества жидкого металла.

В процессе заливки металла и шлака в кристаллизатор начинает нагреваться кристаллитор до температуры примерно 1100 -1200 оС примерно до 55 - 70 с после полной заливки металла и шлака, а затем она начинает охлаждаться вместе с металлом и шлаком. Быстрее всего остывает внутренний слой шлака, а также верхний и нижний периферийные части кристаллизатора. По краям кристаллизатора из-за резкого перепада температур в процессе остывания могут возникнуть тепловые деформации, которые приводят к изменению геометрических размеров формы и, как следствие, к браку отливок. Охлаждение отливки при расчетных исходных данных происходит в течение не более 1,5 - 4 мин, что соответствует реальным технологическим данным. Использование такой формы в технологическом процессе рекомендуется в течение не более 100 - 150 раз. После этого происходит заметная деформация кристаллизатора.

В шестой главе рассмотрены вопросы практического применения разработанных программ расчета, описывающих поведение 15 химических элементов, для различных марок сталей и сплавов и расчетов в программном комплексе ANSYS. На основе разработанных математических моделей и программы для ЭВМ автором были проведены расчеты по определению химического состава отливок из сплавов ВНЛ, ВНЛ-6, ЭП-202 и сталей 20, 12Х 18Н 10Т.

С использованием систем автоматизированного проектирования Solid Works, КОМПАС, T-FLEX, ProEngineer и программного комплекса ANSYS по проводились исследования по оптимизации технологии электрошлакового литья заготовок из сталей 20, 09Г 2С, 12Х 18Н 10Т, 20Х 13, 08Х 13, 14Х 17Н 2. На рис. 9 показана схема поперечного сечения отливки, принятая в расчетах при кристаллизации металла и шлака в кристаллизаторе.

Рис. 9. Схема поперечного сечения отливки, принятая в расчетах при кристаллизации металла и шлака в кристаллизаторе: 1, 2, 3, 7, 8 - точки соответствуют распределению температуре в отливке; 4, 6 - в шлаке; 5 - в кристаллизаторе

На рис. 10 и 11 приведены данные по распределению температуры при кристаллизации металла и шлака в форме в точках, указанных на рис. 7, характеризующих некоторые основные участки, позволившие сделать вывод о поведении температуры в металле, шлаке и кристаллизаторе при остывании отливок сложной формы. Точки 1, 2, 3, 8, 9 соответствуют распределению температуры в отливке; точки 4 и 13 - в шлаке; точка 5 - в кристаллизаторе.

Из рис. 10 следует, что к 150 - 200 секунде от начала заливки металла и шлака в кристаллизатор металл и шлак плавно остывают до температуры 1150 - 1050 ^оС, а кристаллизатор нагревается до температуры 900 ^оС. Затем эти температуры выдерживаются в этих интервалах примерно 200 секунд, а затем уже происходит постепенное охлаждение до температуры окружающей среды 20 ^оС до 110⁰ С от начала заливки.

Из рис. 11 видно, что изменение температуры по времени в кристаллизаторе в указанных точках 7 и 8 (см рисунок 7) происходит по следующему закону: вначале происходит остывание до температуры 1180 - 1100 ^оС, в течении 200 секунд, затем эти температуры сохраняются примерно 100 секунд. А потом происходит постепенное остывание до температуры окружающей среды.

Видно, что интенсивное охлаждение металла и шлака происходит в интервале до 20⁰ с от начала заливки до температуры 1150 - 1050 ^оС, а затем уже происходит постепенное охлаждение до температуры окружающей среды 20 ^оС до 1100 с от начала заливки. Время начала и конца кристаллизации металла находится в интервале 200 - 300 с. Тепловые деформации возникают в металле для данного типоразмера отливки в период, когда начинается рост кристаллов примерно в интервале 200 - 300 с после начала процесса охлаждения.

Рис. 10. Изменение температуры по времени в кристаллизаторе в точках 1 - 6, указанных на рисунке 7: 1, 3 - в зоне контакта металл-шлак; 2 - металл; 4 - в зоне контакта шлак-литейная форма; 5 - литейная форма; 6 - шлак



Рис. 11. Изменение температуры по времени в кристаллизаторе в точках 7, 8, указанных на рисунке 6.3, в зоне контакта металл-шлак

Расчеты напряжённо-деформированного состояния отливки в кристаллизаторе позволяют определить величину деформаций при остывании и кристаллизации металла.

Также приведены учебно-методические комплексы, созданные для специалистов промышленных предприятий, помогающие инженерным работникам самостоятельно использовать некоторые системы САПР на своих рабочих местах. В состав разработанной САПР процессов электрошлакового литья входят обучающие материалы по некоторым системам автоматизированного проектирования. Большое развитие и внедрение в процесс обучения за рубежом и у нас в стране получили электронные учебники, позволяющие самостоятельно изучить определенную тему или научиться работе в том или ином программном продукте или системе. Каждый раздел в учебнике начинается с меню, которое позволяет быстро находить нужную информацию. Автором диссертации были созданы электронные учебники по таким программным продуктам как: ANSYS, Solid Edge, Solid Works, DelCam's Power Solution, MathCAD, T-FLEX и другие.

Основные результаты и выводы

На основании выполненных исследований и математического моделирования расплавления, химических реакций, кристаллизации при электрошлаковом литье легированных сталей и сплавов осуществлена автоматизация проектирования процессов электрошлакового литья, позволившая оптимизировать затраты, повысить качество продукции.

В диссертационной работе приведены следующие выводы:

1. Предложена концепция производственных систем нового поколения, охватывающая вопросы автоматизации проектирования, технологии и управления.

2. Разработан метод математического описания кинетики химических процессов при ЭШЛ с учетом одновременного протекания произвольного числа реакций и их взаимного влияния, а также учитывающие изменение массы реагирующих элементов во времени и зависимость их от технологических параметров. Разработаны алгоритм и программы расчетов обеспечивающих получение литых заготовок требуемого химического состава.

3. В результате анализа широкого спектра технологических параметров процесса осуществлен подбор параметров математической модели и выявлены те из них, которые необходимо определить экспериментально. Экспериментально установлены зависимости площади реакционной поверхности в плавильной емкости от времени заливки.

4. Разработаны методы определения параметров массообмена между металлом и шлаком методом "холодного" моделирования и в реальном процессе на различных стадиях ЦЭШЛ.

5. Разработана модель лимитирующих этапов химических реакций при ЭШЛ, учитывающая влияние технологических параметров процесса на химический состав изделия.

6. С помощью разработанной математической модели на примере ЦЭШЛ стали Р 6М 5 проанализировано влияние различных факторов на поведение элементов.

7. Осуществлена проверка адекватности разработанных моделей, а также эффективность алгоритмов и программ на ряде промышленных предприятий. В частности, проведены расчеты химического состава отливок из сплавов ВНЛ, ВНЛ-6, ЭП-202, стали 12Х 18Н 10Т и ст. 20 и 09Г 2С. Программы расчета переданы в НПФ "ЭШЛ", институт физико-технических проблем экологии, общество с ограниченной ответственностью "Специальные технологии", "Фланцевый завод", ООО "Ресурсосберегающие технологии" г. Омск.

8. Разработана модель теплофизических процессов при электрошлаковом литье в плавильной емкости и кристаллизаторе.

9. С помощью программного комплекса ANSYS проведены расчеты по оптимизации технологии электрошлакового литья заготовок из сталей 20; 09Г 2С; 12Х 18Н 10Т; 20Х 13; 08Х 13; 14Х 17Н 2. Результаты расчета переданы в общество с ограниченной ответственностью "Специальные технологии", "Метизный завод", ООО ПКФ "МираМет", ООО "Ресурсосберегающие технологии" г. Омск. Это позволило сократить затраты на проведение технологических исследований.

10. Разработаны электронные обучающие комплексы для студентов и аспирантов ВУЗов, а также специалистов промышленных предприятий по ANSYS, Solid Edge, Solid Works, DelCam's Power Solution, MathCAD, T-FLEX и другие.

Основное содержание диссертации изложено в работах

В изданиях из перечня ВАК

1. Жеребцов, С.Н. Применение электрошлаковой сварки при производстве толстолистовых конструкций / С.Н. Жеребцов, А.Г. Янишевская // Сварочное производство. - 2005. - №10. - С. 32-35. (50 % соискателя)

2. Математическая модель химических процессов при центробежном электрошлаковом литье (ЦЭШЛ) / В.Н. Бороненков [и др.] // Металлы. - 1993. - №5. - С. 35-42. (38 % соискателя)

3. Пергун, И.Н. О некоторых программных продуктах фирм DELCAM и INTERGRAPH / И.Н. Пергун, С.П. Шамец, А.Г. Янишевская // Омский научный вестник. - 1997. - Вып.1 - С. 74-75. (50 % соискателя)

4. Программа многоцелевого анализа - ANSYS / С.И. Верхман [и др.] Омский научный вестник. - 1998. - Вып.5 - С. 105 - 107. (17 % соискателя)

5. Фомин, А.А. Особенности внедрения программного продукта AutoCAD в единое информационное пространство промышленного предприятия / А.А. Фомин, А.Г. Янишевская // Автоматизация и современные технологии. - 2009. - №3. - С.37 - 39. (50 % соискателя)

6. Шамец, С.П. Прогнозирование процессов затвердевания фланцев из легированных сталей с использованием программы ANSYS / С.П. Шамец, А.Г. Янишевская // Автоматизация и современные технологии. - 2002. - №6. - С. 27 - 29. (50 % соискателя)

7. Янишевская, А.Г. Использование программного комплекса ANSYS при модернизации процесса кристаллизации отливок / А.Г. Янишевская // Технология машиностроения. - 2001. - №4. - С. 9 - 11. (100 % соискателя)

8. Янишевская, А.Г. Математическая модель химических процессов при электрошлаковом литье / А.Г. Янишевская // Технология машиностроения. - 2005. - №1. - С. 62 - 67. (100 % соискателя)

9. Янишевская, А.Г. Моделирование тепловых процессов в плавильной емкости при электрошлаковом литье с помощью программы ANSYS / А.Г. Янишевская // Автоматизация и современные технологии. - 2005. - №6. - С. 16-19. (100 % cоискателя)

...