СОДЕРЖАНИЕ 3
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Применение установок фильтрации 8
1.1 Методы удаления неметаллических включений 8
1.2 Фильтрация 11
1.3 Структура открытых пор пенокерамики 13
1.4 Эффективность фильтрации расплава металла 15
1.5 Источники включений 17
1.6 Как работает фильтр 17
1.7 Свойства фильтров 22
1.8 Существующие аналоги 24
Выводы по главе 31
2 Математическое моделирование теплофизики 32
2.1 Законы конвективного тепломассообмена 32
2.2 Уравнения конвективного тепломассообмена 35
2.3 Приближение Буссинеска в задачах свободной тепловой конвекции 46
2.4 Постановка задачи и основные допущения 47
2.5 Определение размера пенокерамического фильтра 57
2.6 Результаты математического моделирования и их анализ 59
Выводы по главе 62
3 Описание промышленной установки 63
3.1 Технология фильтрации и фильтрующий бокс 63
3.2 Разработка технического проекта фильтрующего бокса 66
3.3 Автоматизация электропитания и построение АСУ ТП установки фильтрации 72
3.4 Экспериментальные данные 78
Выводы по главе 80
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 81
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 83
ПРИЛОЖЕНИЕ А Схема электрическая общая 86
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Чертеж общего вида 87
Актуальность. Алюминий и его сплавы применяют во многих областях промышленности, строительстве и быту. Прежде всего, алюминий и его сплавы используют авиационная и автомобильная отрасли промышленности. Широко применяется алюминий и в других отраслях промышленности: в машиностроении, электротехнической промышленности и приборостроении, промышленном и гражданском строительстве, химической промышленности, производстве предметов народного потребления.
Высокое качество металла во многом определяется низкой концентрацией неметаллических включений. Одним из эффективных способов снижения их количества является очистка расплавов пористыми фильтрами. Уменьшение концентрации твердых включений в отливке обеспечивает улучшение механических и других свойств металла.
Наряду с эффектом фильтрования, вспененные керамические фильтры улучшают текучесть расплава. Проходя через фильтр, поток металла проходит по системе разветвлённых каналов. Мелкие частицы, которые не задержались на поверхности фильтра, так как оказались слишком маленькими, продолжают движение вместе с потоком металла внутри сети каналов фильтра. В процессе фильтрации каналы фильтра постепенно зарастают, задерживая небольшие частицы включений. Благодаря этому удаётся очистить металл и от мелких частиц загрязнений содержащихся в расплаве. Это имеет большое значение, т.к. даже мельчайшие включения, обнаруженные в литых колёсных дисках, заготовках для изготовления фольги либо строительном профиле исключают их дальнейшее использование. Кроме того, было отмечено, что при прохождении через пенокерамический фильтр (ПКФ) снижается содержание растворенного в металле газа, что также положительно сказывается на дальнейших свойствах металла.
Разработка установки фильтрации с комбинированным нагревом задача актуальная, так как для прогрева ПКФ самым эффективным способом является конвективный нагрев, а для компенсации тепловых потерь расплава в желобах и фильтрационной камере во время литья эффективнее использовать радиационный нагрев. Использование только лишь радиационного нагрева не позволит полностью по всей глубине прогреть ПКФ, а греть алюминий горячим воздухом не рекомендуется во избежание окисления.
Объектом исследования является установка фильтрации расплава алюминия производительностью от 20 до 45 тонн в час с комбинированным нагревом.
Предметом исследования являются тепловые процессы в камере фильтрации, в частности при конвективной теплопередачи в момент прогрева ПКФ и радиационном нагреве камеры фильтрации с расплавом алюминия.
Цель работы заключается в разработке компактного фильтр-бокса с пенокерамическим фильтром и комбинированным нагревом, который используется в составе плавильно-литейного агрегата для механической отчистки расплава алюминия от включений с целью повышения качества сплава, эффективного как в режиме предварительного нагрева, так и в режиме литья.
Для достижения поставленной цели необходимо решить комплекс задач:
1. Поиск существующих аналогов. Анализ преимуществ и недостатков, анализ способов их исследования, разработки путей дальнейшего совершенствования.
2. Разработка математической модели теплового поля и поля скоростей конвективного нагрева установки фильтрации Верификация данных математического моделирования.
3. Проектирование и внедрение установки фильтрации на безе ПКФ 305х305 мм. Получение экспериментальных данных работающей установки.
Научная новизна:
1. Разработка математической модели расчета тепловых полей и поля скоростей фильтр - бокса на этапе предварительного прогрева камеры фильтрации и ПКФ конвективными нагревателями. Впервые получено тепловое
6
поле в камере фильтрации при комбинированном нагреве самой камеры, и установленного в ней ПКФ.
2. Сравнение эффективности нагрева одного трехфазного нагревателя с тремя однофазными.
Практическая значимость:
1. Разработана система комбинированного нагрева (конвективного на этапе разогрева пенокерамического фильтра с бетонным картриджем и радиационного на этапе протока расплава).
2. Повышена безопасность для обслуживающего персонала, более эргономична и удобна в эксплуатации.
3. Традиционная байпасная схема фильтрации меняется на более компактную проходную, что существенно сокращает габариты установки.
1. Изучены возможные методы фильтрации алюминия от неметаллических включений. Произведен поиск существующих аналогов установки, анализ преимуществ и недостатков, способов их исследования, проведен сравнительный анализ свойств основных типов фильтров, выявлены пути дальнейшего совершенствования технической системы.
2. На основании первой главы можно сделать вывод о том, что наиболее эффективную фильтрацию алюминия может обеспечить пенокерамический фильтр. Существующие установки фильтрации не могут обеспечить одинаково эффективный предварительный нагрев и поддержание температуры расплава при литье, поэтому разработка установки с комбинированным нагревом является актуальной задачей.
3. Рассмотрена теория математического моделирования теплофизических процессов металлургических установок. Описана и построена математическая модель тепловых полей и поля скоростей конвективного нагрева установки фильтрации с учетом постановки задачи и принятыми допущениями.
4. Из расчетов математической модели выявлены следующие выводы: конвективный нагреватель Leister достаточно эффективно прогревает камеру фильтрации и ПКФ по всему объему. Один нагреватель 15-17 кВт прогревает камеру фильтрации до 400°Сза 30 минут, за 1 час до 650°С. Замена на три однофазных нагревателя сокращает время нагрева практически в 2 раза.
5. Выполнено техническое проектирование фильтрационного бокса с пенокерамическим фильтром 12 дюймов для установки на раздаточный миксер литейного конвейера. Фильтр предназначен для очистки от твердых включений и дополнительной компенсации тепловых потерь в расплаве.
6. Разработаны ряд оригинальных технических решений. В основе конструкции фильтра заложены карбидокремниевые трубчатые нагреватели в крышке для прогрева камеры фильтрации и подогрева алюминия во время литья, а так же конвективный нагреватель для предварительного прогрева ПКФ. Для защиты нагревательных элементов установлена керамическая защитная пластина. Для исключения термического поражения обслуживающего персонала, разработана рычажная система параллельного открывания крышки с применением пневматического привода и горизонтального положения крышки при подъеме.
7. Для выполнения оперативного контроля и управления была разработана система АСУ ТП на основе логического контроллера Siemens Simantic S 1 200. Функциональные возможности АСУ ТП позволяют выполнять контроль состояния нагревательных элементов, тиристорных регуляторов и системы управления. Автоматическое формирование рабочего архива с текущими контрольными параметрами и информацией об ошибках позволяют оперативно находить источник неисправностей.
8. В результате выполнения диссертационной работы были достигнуты поставленные цели, в частности разработан компактный фильтр- бокс с пенокерамическим фильтром с комбинированным нагревом, который используется в составе плавильно-литйеного агрегата для механической отчистки расплава алюминия от включений с целью повышения качества сплава, эффективного как в режиме предварительного нагрева, так и в режиме литья.
9. К практической ценности диссертационной работы можно отнести повышение безопасности обслуживающего персонала и улучшения условий труда за счет использования горизонтального расположения раскаленной поверхности крышки при ее подъеме, а так же переход с традиционной байпасной схема фильтрации на более компактную проходную, что существенно сокращает габариты установки.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
