Разработка режимов охлаждения шлакокаменных отливок на основе изучения теплофизических свойств петрургического литья тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Савинов, Александр Сергеевич

• Савинов, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Савинов, Александр Сергеевич

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса Постановка цели и задач исследования

1.1. Преимущества и недостатки шлакокаменного литья.

1.2. Методы оценки и методики расчета шихты.

1.3. Условия кристаллизации шлакокаменного литья.

1.4. Исследование теплофизических параметров шлако-каменных расплавов.

1.5. Исследование тепловых условий затвердевания шлако-каменных расплавов.

Глава 2. Методика проведения исследований. Оборудование и материалы

2.1. Методика получения петрургических сплавов.

2.2. Методика определения плотности петрургического сплава.

2.3. Методика определения теплоемкости петрургического сплава.

2.4. Методика определения температур плавления петрургического сплава.

Глава 3. Расчет и оптимизация шихты с помощью нейросетевого моделирования

3.1. Постановка задачи расчета шихты.

3.2. Проведение расчетов. Анализ полученных результатов.

Глава 4. Определение теплофизических свойств шлакокаменного литья с последующей нейросетевой обработкой полученных данных 4.1. Получение шлакокаменного литья. Нейросетевые методы обработки экспериментальных данных.

4.2. Определение плотности шлакокаменных сплавов.

4.3. Определение теплоемкости шлакокаменных сплавов.

4.4. Определение теплопроводности шлакокаменных сплавов.

4.5. Определение температур плавления шлакокаменного литья.

Глава 5. Математический расчет охлаждения петрургического литья в системе отливка - форма

5.1. Постановка задачи.

5.2. Построение разностных схем.

5.3. Явная разностная схема.

5.4. Охлаждение петрургического литья в системе отливка -форма.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка режимов охлаждения шлакокаменных отливок на основе изучения теплофизических свойств петрургического литья»

В экономике России существует целый комплекс отраслей, осуществляющих многотоннажную промышленную переработку производственных ресурсов, - энергетика, металлургия, производство минеральных удобрений и др. Количество побочного продукта от промышленной переработки колеблется (по массе) от 10-15 % в сталеплавильном производстве до 90 % в производстве фосфора. Техногенные отходы (шлаки, золы, фосфогипс и пр.) могут стать дополнительной сырьевой базой в производстве некоторых видов изделий и строительных конструкций.

Одним из перспективных направлений по увеличению переработки техногенных отходов является получение для шлакокаменных сплавов.

Одно из преимуществ изделий и конструкций из шлаковых отходов состоит в возможности их получения на основе технологий и оборудования литейного производства. Наиболее рациональным является использование так называемых огненно-жидких шлаков, полученных в плавильных агрегатах после выпуска металла. В этом случае не требуется дополнительных затрат на получение расплава. Но даже расплавление отвальных шлаков для получения петрургических изделий намного эффективнее, чем многопередельная переработка путем гранулирования, помола, фракционирования для создания шлакобетона и вяжущих или для любых других применений. Как правило, изделия из шлакокаменного литья не нуждаются в дополнительной механической обработке, которая обязательна для природного камня.

Применение изделий из шлакокаменного литья не только экономически целесообразно, но также улучшает экологическую обстановку за счет сокращения шлаковых отвалов в промышленно развитых регионах России.

Высокие эксплуатационные свойства петрургического литья известны давно, однако, несмотря на многочисленные работы по его изучению, широкого применения шлакокаменное литье в ведущих отраслях промышленности России не получило. Это связано прежде всего как с высокими требованиями к культуре производства, так и с недостаточно изученной и систематезирова-ной теоретической базой по производству шлакокаменного литья.

Одним из важнейших параметров изготовления петрургических изделий, влияющих на получение качественного шлакокаменного литья с заданной микро- и макроструктурой, является скорость и время охлаждения полученных расплавов. Данные параметры зависят как от условий охлаждения силикатных расплавов (ПГФ, кокиль), так и от конкретного химического состава, влияющего на теплофизические свойства сплава

До сегодняшнего дня прогнозирование скоростей затвердевания и охлаждения шлакокаменного литья было довольно проблематично. Это обусловлено прежде всего как отсутствием баз данных по теплофизическим свойствам шлакокаменного литья, так и недостаточно проработанными математическими моделями по описанию процессов его охлаждения.

Применение математических моделей для описания процессов затвердевания металлических сплавов осуществляется довольно давно /1, 2/, но здесь следует учитывать, что процессы затвердевания шлакокаменного и металлического литья различны. Использование аналитических моделей, созданных для описания охлаждения литья на основе металлов, в петрургии невозможно в виду большой разности теплофизических характеристик процессов /3 - 6/. Употребляемые на данный момент методы прогнозирования затвердевания силикатных расплавов основаны на опытных данных и не учитывают изменения теплофизических характеристик сплавов от химического состава.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вьюод, что прогнозирование параметров затвердевания и охлаждения шлако-каменных отливок без достаточно обширной базы данных по изучению влияния химического состава на теплофизические свойства петрургических расплавов вызывает определенные затруднения.

Цель и задачи работы. Определение параметров охлаждения петрургическо-го литья на основе изучения его теплофизических свойств.

Для достижения данной цели решались следующие задачи:

- комплексное исследование основных теплофизических свойств шлакока-менных сплавов в стеклообразном и закристаллизованном состоянии с последующим созданием математических моделей, позволяющих адекватно прогнозировать теплофизические свойства сплава в зависимости от химического состава;

- адаптация математической модели для описания динамики охлаждения и затвердевания силикатного расплава;

- разработка методики расчета параметров охлаждения шлакокаменных отливок для определения режимов выдержки отливки в форме, кристаллизации и отжига полученных изделий; получение шлакокаменных расплавов на основе техногенных отходов идентичных по физико-химическим свойствам сплавам из природных материалов.

Практическая ценность заключается в том, что использование новых теоретических разработок позволяет получать качественное шлакокаменное литье с высокими свойствами при максимальном использовании недефицитных материалов - отходов производства.

Даны практические рекомендации по охлаждению щелочестойкого петрур-гического литья.

Результаты исследований использованы при подготовке технического задания на проектирование цеха шлакокаменного литья.

На защиту выносятся:

- методика расчета шихты;

- результаты экспериментальных исследований, теоретического анализа и выявленные закономерности взаимосвязи химического состава и тепло-физических параметров шлакокаменного литья;

- методика определения теплофизических параметров отдельных компонентов сплава в стеклообразном состоянии;

- результаты исследований по адаптации математической модели применительно к условиям шлакокаменного литья;

- расчет охлаждения и затвердевания гцелочестойкого петрургического литья.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на научно-технических конференциях МГТУ, 2001,2002, 2003.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из 5 глав, общих выводов, приложений, изложена на 136 страницах, включает 71 рисунок, 25 таблиц и список используемых источников из 109 наименований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Савинов, Александр Сергеевич, 2003 год

1. Жуковский B.C. Основы теории теплопередачи. - М.: Государственное энергетическое издательство, 1960. -211 с.

2. Вейник А. И. Техническая термодинамика и основы теплопередачи. М.: Металлургия, 1965. - 376 с.

3. Бондарев В.А., Вейник А.И. Общая теплотехника: Лабораторный практикум. Минск: Высшая школа, 1965. - 132 с.

4. Белов И.Е., Евстигнеев А.И. Исследование тепловых процессов при затвердевании и охлаждении отливки в магнитной форме // Изв. вузов. Черная металлургия, 2001. - №6. - С. 47 - 53.

5. Анисович Г. А. Влияние продолжительности течения металла в форме на затвердевание отливки // Литейное производство, 1997. - №11. - С. 14-16.

6. Белов К Е., Евстигнеев А. И. Исследование тепловых процессов при литье в магнитную форму // Изв. вузов. Черная металлургия, 2000. - №10. - С. 29 -34.

7. Чернявский И.Я., Миллер С.Н. Износоустойчивые металлошлаковые трубы. -М.: Стройиздат, 1973. 144 с.

8. Чечулин В.А., Карпов В.М. Особенности технологии изготовления и применения каменных отливок // Вопросы теории и технол. литейн. процессов. Комсомольск-на-Амуре: 1985. - С. 110-113.

9. Крупногабаритные изделия из каменного и шлако-каменного литья / В. В. Вагин, В.В. Килесо и др. // Черная металлургия, 1990. -№2. - С. 35 - 47.

10. Байрон В.Г., Вагин В.В. Шлако-камнелитые изделия и конструкции // Огнеупоры и техническая керамика. 1999. -№11. - С. 44 - 48.

11. Пеликан А. Плавленые камни.- М.: Государственное научно техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1959. 288 с.

12. Здановский В.Г., Буцьо З.Ю. Проблемы использования каменного литья в энергетике // Энергетик. 1993. -№6. - С. 26 - 27.

13. Коток А.П. Разработка шлако-каменных сплавов на основе металлургических отходов для производства износо- и корозионностойких отливок: Дис. на соиск. уч ст. к. т. н. / науч. рук. В. М. Колокольцев. Магнитогорск: МП У, 2001.-184 с.

14. Чернов В.П., Коток А.П Шлако-каменное литье один из способов утилизации отходов производства // Окружающая среда и здоровье. Под ред. проф. Черчинцева: Сб. науч. тр. Международного симпозиума Магнитогорск: МГМА, 1998. - С. 112-113.

15. Липовский И.Е., Дорофеев В.А. Основы петрургии.- М.: Металлургия, 1972. 320 с.

16. Производство каменного литья из доменного шлака Череповецкого металлургического комбината / М.Я Бикбау, Н.Н. Щеглова, Б.Я. Борухин и др. // Стекло и керамика, 1995. -№1-2. - С. 36 - 40.

17. Липовский И.Е., Дорофеев В.А., Развитие камнелитейного производства: -Донецк: Донбасс, 1965. 54 с.

18. Чернов В.П., Колокольцев В.М, Коток АП Влияние химического состава и технологических факторов на структуру и механические свойства шлако-каменного литья // Вопросы прикладной химии: Межвуз. сб. науч. тр. — Магнитогорск: Ml ТУ, 1999.-С. 135-142.

19. Гинзберг А. С. К вопросу об оценке сырья для камнелитейной промышленности. М.: АН СССР, 1934. 35 с.

20. Липовский И.Е., Дорофеев В.А. Камнелитейное производство. М.: Металлургия, 1965. 40 с.

21. Проблемы каменного литья: Сб. н. тр. Киев: ИПЛ, 1963. - 156 с.

22. Кузнецов В.Д Кристаллы и кристаллизация.- М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1953. 410 с.

23. Годовиков А. А. Минералогия. М.: Недра, 1983. 646 с.

24. Вертушков Г. Н., Авдонин В. Н. Таблицы для определения минералов по физическим и химическим свойствам. М.: Недра, 1980. - 289 с.

25. Кручинин Ю.Д, Иванова Л.В., Кендзерская А.Д Влияние некоторых компонентов и восстановительной среды при плавке на кристаллизационные свойства синтетических шлаков // Технология силикатов: Сб. науч. тр. УПИ. -Свердловск: УПИ, 1966. С. 130 138.

26. Торопов Н.А. О последовательности выделения кристаллических фаз различного состава из силикатных расплавов // Стеклообразное состояние. Вып. 1. Катализованная кристаллизация стекла. Сб. науч. тр. М.-Л.: АН СССР, 1963. -С. 5 32.

27. Чечулин В.А., Букман Г.Д, Карпов В.М. Каменное литье в оболочковые формы для энергетического оборудования // Повыш. качества и эффектив. литья по выплавл. моделям. М. 1986. - С. 136-139.

28. Тухватулин И. X. Долгополова JI. Б. Применение нейросетей для изучения влияния свойств сталей на износостойкрсть // Теория и технология металлургического производства. Вып. 1.: Межрег. сб. науч. тр.: МГТУ. Магнитогорск : МГТУ, 2001. - С. 118-124.

29. Тухватулин И.Х., Колокольцев В.М. Экспертная система оценки свойств сплавов // Литейное производство. 2000. - №3. - С. 51 - 52.

30. Новиков Б. А. Нейроинформатика. Новосибирск: Наука, 1998. - 296 с.

31. Затвердевание и кристаллизация каменного литья / Б.Х. Хан, И.И. Быков, В.П. Кораблин и др. Киев: Наукова думка, 1969. - 161 с.

32. Влияние строения и температуры на механические и упругие свойства каменного литья / Б.Х. Хан и др. // Изв. АН УССР. Неорганические материалы. 1969. т.5, №9. С. 1629 1634.

33. Попов О.Н. Производство и применение плавленолитых огнеупоров. М: Металлургия, 1985. - 256 с.

34. Тумашов В.Ф., Цимерманис Ф.Х., Чернявский ИЯ Ктехнологии получения камнелитых изделий из пироксенового порфирита // Строительные материалы на основе вермикулитов, шлаков и зол: Сб. науч. тр. Челябинск: УралНИИст-ромпроект, 1975. - С. 107 - 113.

35. Арутюнов В. А., Бухмиров В.В., Крупенников С. А. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей: Учебник для вузов.- М.: Металлургия, 1990. -239 с.

36. Производство отливок из каменного и шлако-каменного литья / В.В. Вагин, В.В. Килесо, Е.Г. Скотаренко и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1991. -№2.-С. 35-46.

37. Вагин В.В., Ермаков В.В. Блочные камнелитые мультициклоны // Литейн. пр-во. 1976. №8. - С. 42-43.

38. Каменное литье: А. с. 1331853 СССР, МКИ' С 04 В 30/00 / Ю.Ф. Садовой, А. И. Ващенко, И. М. Кущ. (СССР).-2 с.98.

39. Каменное литье: А. с. 1294785 СССР, МКИ' С 04 В 30/00 / Л.К. Тимофеева, М.В. Недосеева, М.О. Костец. (СССР).- 3 с.

40. Каменное литье: А. с. 1293152 СССР, МКИ' С 04 В 30/00 / К.С. Яроков, Н.М. Абовян, ЛК. Бчамян. (СССР). 2 с.

41. Декоративное каменное литье: А. с. 1289851 СССР, МКИ' С 04 В 30/00 / Е.К. Назимова, Г.В. Вебер, А.А. Предовский. (СССР). 2 с.-12853. Каменное литье: А. с. 114649 СССР, МКИ' С 04 В 30/00 / JI.K. Тимофеева, И.В. Лошкарев. (СССР).- 3 с.

42. Каменное литье: А. с. 1031943 СССР, МКИ' С 04 В 30/00 /М.В. Недосеева, Л.К. Тимофеева, И.М. Ярославский. (СССР).- 2 с.

43. Каменное литье: А. с. 1010037 СССР, МКИ' С 04 В 30/00 / Л.К. Тимофеева, И.П. Мыщенкова, В.В. Нечаев. (СССР). 2 с.

44. Цветное каменное литье: А. с. 996376 СССР, МКИ' С 04 В 30/00 / Н.Г. Джахва, Р. Д. Верулашвили, Ц.Г. Нанетворидзе. (СССР). 3 с.

45. Жаростойкое каменное литье: А. с. 992471 СССР, МКИ' С 04 В 30/00 / А В. Косинская, Б.Х. Хан. (СССР).-1 с

46. Кристаллизация шлакового литья / В.П Чернов, Ю.В Кочубеев, А.П. Коток и др. // Теория и технология металлургического производства Вып. 1.: Межрег. сб. науч. тр. МГТУ. -Магнитогорск: МГТУ, 2001. С. 183 - 188.

47. Изучение свойств шлаколитых изделий / Чернов В.П., Кочубеев Ю.В, Коток А.П., и др. // Теория и технология металлургического производства Вып. 2.: Межрег. сб. науч. тр. МГТУ. -Магнитогорск: МГТУ, 2001. С. 178 - 183.

48. Чернов В.П., Кочубеев Ю.В., Савинов А.С. Химическая стойкость шлакокаменного литья // Литейные процессы: Межрег. сб. науч. тр. МГТУ. Магнитогорск: МГТУ, 2002. - С. 189 - 191.

49. Чернявский И.Я., Зятькова Л.Р. К вопросу об оценке влияния состава на физико-химические свойства // Переработка промышленных отходов в строительные материалы: Сб. науч. тр. Челябинск: Урал НИИстромпроект, 1981. - С. 3 -19.

50. Краткий справочник доменщика.: Под ред. Е.Ф. Вегмана М.: Металлургия, 1981.-238 с.

51. Сталеплавильное производство. Справочник. Т. 2: Под ред. Ю. В. Самарина М.: Металлургия, 1964. - 1039 с.

52. Миляев А.Ф., Тухватулин И.Х. Выбор легирующих комплексов для разработки износостойких сталей с помощью нейросетей // Теория и технология металлургического производства. Вып. 2.: Межрег. сб. науч. тр. МГТУ. -Магнитогорск: МГТУ, 2001. С. 188 -193.

53. Камнелитые трубы / В. А. Чечулин, Э. Э Рут и др // Пути решения техн. пробл. литейн. произ-ва: Тез. докл. М:. 1971. - С. 170-171.

54. Юсупова А.И., Абдеева М.А. Получение труб из шлаков свинцово-цинковой промышленности // Теория и практика произв-вакамнелит. труб. Алма-Ата 1972. С. 74-81.

55. Чернов В.П., Савинов А.С., Кочубеев Ю.В. Влияние химического состава петрургического расплава на его физико-химические свойства // Литейные процессы: Межрег. сб. науч. тр. МГТУ. Магнитогорск: МГТУ, 2000. - С. 179 -183.

56. Чернов В.П Использование отходов металлургического производства для получения износостойких шлако-каменных отливок // Литейное производство. 2000. № 3. - С. 31 - 32.

57. Новые неметаллические материалы для износостойких деталей / В.П Чернов, В.М Колокольцев, АП Коток и др. // Прогрессивные технологии в машиностроении: Мат. Межд. Науч.-техн. конф. Одесса, 1999. - С. 35 - 39.

58. Сранительный анализ методов математического моделирования / В.П. Чернов, И.Х. Тухватулин, АС. Савинов и др. // Литейные процессы: Межрег. сб. науч. тр. МГТУ. Магнитогорск: МГТУ, 2002. - С. 221 - 225.

59. Чернявский И.Я. Расчет заполнения форм каменных и шлаковых отливок // Литейн. пр-во. 1975, №9. С. 27 - 28.

60. Методика определения остаточных напряжений в изделиях из каменного и шлако-каменного литья // Свойства, способы переработки и использ. шлаков черн. металлургии. В.В Вагин., В.В. Ермаков, Д.А. Килесо, и др. Свердловск: УНТИ, 1986. - С. 62-68.

61. Чернявский И.Я., Зятькова Л.Р. К вопросу об оценке влияния состава на физико-химические свойства// Переработка промышленных отходов в строительные материалы: Сб. науч. тр. Челябинск: Урал НИИстромпроект, 1981. - С. 3 -19.

62. Тухватулин И.Х. Моделирование и разработка составов литейных износостойких сталей нейросетевым методом: Дис. на соиск. уч ст. к. т. н. / науч. рук. А. Ф. Миляев. Магнитогорск, 2002. - 189с.

63. Панкин Ю.П. Адаптивные сети с самостоятельной адаптацией / Препринт ТО № 4 Института биофизики СО РАН, Теоротдел. Красноярск, 1998. - 17 с.

64. Панкин Ю.П., Хлебопрос Р.Г. Нейроинформатика: самоадаптирующиеся нейронные сети в экологии (возможности сетей с поисковым поведением)// Инженерная экология. 1999. - №2. - С. 28-37.

65. Панкин Ю.П. Некоторые методы самостоятельной адаптации для нейронных сетей // VI Всероссийская конференция "Нейрокомпьютеры и их применение" с международным участием "НКП-2000". М.: ИПРЖР, 2000. - С. 482485.

66. Барцев С.И., Панкин Ю.П. Автоматизированное проектирование аналоговых нейропроцессоров // VI Всероссийская конференция "Нейрокомпьютеры и их применение" с международным участием "НКП-2000". М.: ИПРЖР, 2000. -С. 411-415.

67. Цыганков В. Д. Нейрокомпьютер и мозг. М.: Синтег, 2001. - 242 с.

68. Басканова Т.Ф., Панкин Ю.П. Алгоритмы самостоятельной адаптации для нейронных сетей / Препринт ТО № 5 Института биофизики СО РАН, Теоротдел. Красноярск, 1998. - 14 с.

69. Формовочные материалы и технология литейной формы. Справочник.: Под ред. С.С. Жуковского, Г. А. Анисовича М.: Машиностроение, 1993. - 431 с.

70. Жуковский B.C. Основы теории теплопередачи. JL: Энергия, 1969. - 224 с.

71. Курс общей химии. И. Н. Путилова, Г.Е Левант, Г. А. Райцын и др.- М.: Металлургия, 1964. 446 с.

72. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. М.: Машиностроение, 1976-335 с.

73. Баскаков А.П., Гуревич М.И. Общая теплотехника. М.: Государственное энергетическое издательство, 1963. - 394 с.

74. Лебедев П. Д Щукин А. А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. М.: Энергия, 1978.-410 с.

75. Антонова А.М., Старых С.В., Старых П.В. Некоторые задачи теплопроводности, возникающие в камнелитейном производстве // Деп. в УкрНИИНТИ. -Киевский ун-т. Киев, 1985. № 540.

76. Физико-химические свойства окислов. Справочник.: Под ред. Г.В. Самсонов а- М.: Металлургия, 1978. 320 с.

77. Справочник физических свойств горных пород / Под ред. В. В. Ржевского и R Н. Протодьяконова. М.: Недра, 1975. - 279 с.

78. Корнилов И. И., Глазова В. В., Взаимодействие тугоплавких металлов переходных групп с кислородом. М.: Наука, 1971. 612 с.

79. Герасимов Я. И. Химическая термодинамика в цветной металлургии. М.: Металургиздат, 1963. - 238 с.

80. Термические константы веществ. Справочник: Под ред. В.П. Глушко М.: АН СССР, 1972. - 369 с.

81. Вол А. Е. Строение и свойства двойных металлических систем. М.: Физ-матгиз, 1962. - 621 с.

82. Кей Дж., Лэби Т. Таблицы физических и химических постоянных. Пер с англ. М.: ИЛ, 1962. 491 с.

83. Кржижановский Р. Е., Штерн З.Ю. Теплофизические свойства неметаллических материалов. Л: Энергия, 1973. 334 с.

84. Филипов Л.П. Прогнозирование теплофизических свойств жидкостей и газов. М: Энергоатомиздат, 1988. - 167 с.

85. Диаграмм состояния силикатных систем. Справочник.: Н. А. Торопов, В.П. Барзаковский, В.В. Лапин и др. М.: Наука, 1965. - 536 с.

86. Агеева Д. Л. Шведов Л. В. Диаграмы состояния окисных систем: В Зт. -М.: ВИНИТИ, 1976.-Т. 11.-110 с.

87. Зигель Р., Хауел Дж. Теплообмен излучением. Пер. с англ. М.: Мир, 1975. - 840 с.

88. Исаченко В.П., Осипова В.А. Теплопередача: Учебник для вузов. М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.

89. Щукин А. А. Промышленные печи и газовое хозяйство заводов. Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. М.: Энергия, 1973. - 224 с.

90. Воробьев М.Л. Новое в камнелитейном производстве // Литейное производство. 1972. - №5. - С. 38.

91. Кристаллизация шлакового литья / В.П Чернов, А.С. Савинов, Ю.В. Кочубеев и др. // Теория и технология металлургического производства Вып. 1: Межрег. сб. науч. тр.: МГТУ. Магнитогорск: МГТУ, 2001. - С. 176-181.

92. Андреев С. М. Оптимизация режима нагрева металла в методических печах: дис на соиск. уч ст. к. т. н. / науч. рук. Б. К Парсункин. Магнитогорск, 2000. -153 с.

93. Могилев В.К Лев О.И. Справочник литейщика. Справочник. М.: Машиностроение, 1988. - 272 с.