Моделирование процесса циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнитодинамической установке

Рассмотрен процесс циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнитодинамической установке и механизмы удержания неметаллических включений пенокерамическим фильтром. Разработана и опробована компьютерная модель данного процесса, с помощью которой произведена оценка эффективности циркуляци...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автор:	Ященко, О.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2015
Назва видання:	Процессы литья
Теми:	Получение и обработка расплавов
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/166720
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Моделирование процесса циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнитодинамической установке / О.В. Ященко // Процессы литья. — 2015. — № 4 (112). — С. 3-8. — Бібліогр.: 2 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-166720
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1667202020-03-01T01:26:18Z Моделирование процесса циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнитодинамической установке Ященко, О.В. Получение и обработка расплавов Рассмотрен процесс циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнитодинамической установке и механизмы удержания неметаллических включений пенокерамическим фильтром. Разработана и опробована компьютерная модель данного процесса, с помощью которой произведена оценка эффективности циркуляционного фильтрования. Розглянуто процес циркуляційного фільтрування алюмінієвого розплаву в магнітодинамічній установці та механізми утримання неметалевих включень пінокерамічним фільтром. Розроблено та використано комп’ютерну модель цього процесу, за допомогою якої проведено оцінку ефективності циркуляційного фільтрування. The process of molten aluminum circulation filtration in a magnetodynamic unit and the mechanisms of non-metallic inclusions retaining by ceramic foam filters are considered. The computer model of this process is developed and the estimation of circulation filtration efficiency is made by its use. 2015 Article Моделирование процесса циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнитодинамической установке / О.В. Ященко // Процессы литья. — 2015. — № 4 (112). — С. 3-8. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 0235-5884 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/166720 669.715:62-229.31 ru Процессы литья Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Получение и обработка расплавов Получение и обработка расплавов
spellingShingle	Получение и обработка расплавов Получение и обработка расплавов Ященко, О.В. Моделирование процесса циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнитодинамической установке Процессы литья
description	Рассмотрен процесс циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнитодинамической установке и механизмы удержания неметаллических включений пенокерамическим фильтром. Разработана и опробована компьютерная модель данного процесса, с помощью которой произведена оценка эффективности циркуляционного фильтрования.
format	Article
author	Ященко, О.В.
author_facet	Ященко, О.В.
author_sort	Ященко, О.В.
title	Моделирование процесса циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнитодинамической установке
title_short	Моделирование процесса циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнитодинамической установке
title_full	Моделирование процесса циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнитодинамической установке
title_fullStr	Моделирование процесса циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнитодинамической установке
title_full_unstemmed	Моделирование процесса циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнитодинамической установке
title_sort	моделирование процесса циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнитодинамической установке
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Получение и обработка расплавов
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/166720
citation_txt	Моделирование процесса циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнитодинамической установке / О.В. Ященко // Процессы литья. — 2015. — № 4 (112). — С. 3-8. — Бібліогр.: 2 назв. — рос.
series	Процессы литья
work_keys_str_mv	AT âŝenkoov modelirovanieprocessacirkulâcionnogofilʹtrovaniâalûminievogorasplavavmagnitodinamičeskojustanovke
first_indexed	2025-07-14T22:39:46Z
last_indexed	2025-07-14T22:39:46Z
_version_	1837663820847251456
fulltext	ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 4 (112) 3 ПОЛУЧЕНИЕ И ОБРАБОТКА РАСПЛАВОВ УДК: 669.715:62-229.31 А. В. Ященко Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ФИЛЬТРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО РАСПЛАВА В МАГНИТОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ Рассмотрен процесс циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнито- динамической установке и механизмы удержания неметаллических включений пенокера- мическим фильтром. Разработана и опробована компьютерная модель данного процесса, с помощью которой произведена оценка эффективности циркуляционного фильтрования. Расчёт показал, что процесс циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнитодинамической установке позволит удалить 99 % неметаллических включений неза- висимо от их начального содержания в расплаве. Расчётное время обработки не превышает реальную продолжительность комплексного процесса рафинирования, включающего про- дувку аргоном и фильтрование, во время которого осуществляется исследуемый процесс. Ключевые слова: компьютерное моделирование, фильтрование, рафинирование, цирку- ляция, магнитодинамическая установка, алюминиевый расплав, пенокерамический фильтр. Розглянуто процес циркуляційного фільтрування алюмінієвого розплаву в магнітодинамічній установці та механізми утримання неметалевих включень пінокерамічним фільтром. Розробле- но та використано комп’ютерну модель цього процесу, за допомогою якої проведено оцінку ефективності циркуляційного фільтрування. Розрахунок показав, що процес циркуляційного фільтрування алюмінієвого розплаву в магнітодинамічній установці дозволить видалити 99 % неметалевих включень незалежно від їх початкового вмісту в розплаві. Розрахунковий час об-Розрахунковий час об- робки не перевищує реальної тривалості комплексного процесу рафінування, який включає продувку аргоном та фільтрування, під час якого проводять досліджуваний процес. Ключові слова: комп’ютерне моделювання, фільтрування, рафінування, циркуляція, магнітодинамічна установка, алюмінієвий розплав, пінокерамічний фільтр. The process of molten aluminum circulation filtration in a magnetodynamic unit and the mechanisms of non-metallic inclusions retaining by ceramic foam filters are considered. The computer model of this process is developed and the estimation of circulation filtration efficiency is made by its use. The calculation showed that molten aluminum circulation filtration in magnetidynamic unit allows removing 99% of non-metallic inclusion regardless of their initial content in the melt. The estimated time of processing doesn’t exceed the real duration of complex refining, including argon blow and filtration. Keywords: computer modeling, filtration, refining, circulation, magnetodynamic installation, aluminum melt, ceramic foam filter. 4 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 4 (112) Получение и обработка расплавов В отделе МГД ФТИМС НАН Украины разработан новый эффективный метод ра� финирования алюминиевого расплава путём организации циркуляции распла� ва через пенокерамический фильтр в магнитодинамической установке [1]. Схема процесса показана на рис. 1. Процесс фильтрования осу� ществляют следующим образом. На боковом устье канала 3 уста� навливают пенокерамический фильтр в специально подготовлен� ное углубление в футеровке тигля. Установку включают в режим, при котором поток расплава 4 дви� жется по контуру, обозначенному стрелками 6. Благодаря динами� ческому напору потока, фильтр 2 прижимается к устью бокового канала 3, поэтому не требуется дополнительного устройства для его удержания в рабочем по� ложении. В процессе рафини� рования алюминиевый расплав проходит через пенокерамиче� ский фильтр 2 и возвращается в тигель 5 установки 1, где содер� жится основная масса расплава. В отличие от других технологий фильтрования, где расплав проходит через фильтр однократно, особенность нового процесса рафинирования состоит в том, что про�, особенность нового процесса рафинирования состоит в том, что про�особенность нового процесса рафинирования состоит в том, что про� фильтрованный расплав смешивается с жидким металлом, содержащемся в тигле, и снова проходит через фильтр. Для теоретического обоснования эффективности данного метода, которая определяется не только качеством, но и продолжитель� ностью рафинирования, была построена компьютерная модель, основанная на особенностях технологического процесса и механизме работы пенокерамического фильтра. Известно, что пенокерамический фильтр имеет сеточный и адгезионный меха� низмы удержания неметаллических включений. При этом второй механизм зависит от ряда факторов, таких как: размер и состав включения, температура расплава, скорость потока расплава и траектория движения включения. Из�за этого в процессе фильтрования невозможно гарантировать удержание фильтром всех неметалличе� ских включений, размер которых меньше среднего диаметра пор [2]. Схема работы фильтра в адгезионном режиме приведена на рис. 2. В работе представлена компьютерная модель данного процесса. В основе модели программа, написанная на языке объективно�ориентированного программирования 1 3 2 4 5 6 Рис. 1. Схема процесса циркуляционного фильтрова� ния в магнитодинамической установке типа МДН�6А: 1 – миксер�дозатор МДН�6А; 2 – пенокерамический фильтр; 3 – устье бокового канала; 4 – алюминиевый расплав; 5 – тигель с жидким металлом; 6 – направ� ление потока расплава Рис. 2. Схема работы пенокерамического фильтра в адгезионном режиме: 1 – материал фильтра; 2 – неметаллические включения 1 2 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 4 (112) 5 Получение и обработка расплавов javascript, основанная на принципе циклического вычисления с заданным условием прекращения работы. Моделируемый процесс был разделён на множество циклов. За один цикл принимается время, за которое расплав полностью заполняет фильтр, то есть происходит обработка одной порции расплава. По завершении каждого цикла производится расчёт текущей концентрации неметаллических включений в расплаве и массы жидкого металла, прокаченного через фильтр. Программа све- ряет расчётные данные с заданным заранее условием прекращения вычислений, если оно ложно – расчёт повторяется, если условие истинно – работа программы завершена. В модели принято допущение, что скорость течения расплава через фильтр и эффективность его работы остаются неизменными на протяжении всего процесса рафинирования. Было проведено моделирование трёх процессов: • Однократное фильтрование без перемешивания рафинированного металла с ещё необработанным. Условие завершения расчёта – пропускание всей массы расплава через фильтр. • Циркуляционное фильтрование с условием «мгновенного» перемешивания ра- финированного металла со всем объёмом расплава. Условие завершения расчёта – снижение концентрации неметаллических включений до 1 % от начальной величины. • Циркуляционное фильтрование с условием «отсроченного» перемешивания рафинированного металла со всем объёмом расплава. Под «отсроченным» пере- мешиванием подразумевается, что расплав, поступающий в зону рафинирования, имеет более высокую концентрацию неметаллических включений, чем усреднённая концентрация неметаллических включений для всего объёма металла в текущий момент времени. Условие завершения расчёта – снижение концентрации неметал- лических включений до 1 % от начальной величины. Третий тип модели наиболее соответствует реальному технологическому про- цессу, блок-схема данной программы приведена на рис. 3. Для учёта особенности технологического процесса, а именно адгезионного механизма фильтрования в пенокерамическом фильтре, в модель был введён коэффициент вероятности удер- жания неметаллических включений k при их прохождении через фильтр, то есть какой процент неметаллических включений с размером меньше среднего диаметра пор будет гарантированно удержан фильтром. На схеме приняты следующие обозна- чения: h – высота фильтра, мм; S – рабочее сечение фильтра, мм2; k – коэффициент вероятности удержания включений, размер которых меньше среднего диаметра пор фильтра; R – рабочий ресурс фильтра, кг; w – пропускная способность фильтра, кг/с; M – масса расплава, кг; p – плотность расплава, кг/м3; С 0 – начальная концентрация неметаллических включений, %; Q – массовый расход расплава, кг/с; z – условие «отсроченного» перемешивания расплава; v – скорость движения металла через фильтр, м/с; t – время одного цикла, с; m 0 – масса расплава, обработанная за один цикл, кг; i – номер текущего цикла; ∆С – снижение концентрации неметалличе- ских включений за текущий цикл; Сi – текущая концентрация неметаллических включений; Mf – масса расплава, прошедшего через фильтр, кг; I – количество циклов; Т – общее время обработки, с; Сk – концентрация неметаллических включе- ний после завершения рафинирования; N – кратность пропускания расплава через фильтр. Компьютерная модель построена таким образом, что для её работы нет не- обходимости задавать реальное значение содержания неметаллических включений в расплаве. Суммарное количество всех неметаллических включений, находящихся в расплаве, принимается за единицу, и работа программы будет завершена после того, как их концентрация в металле снизится на 99 %. Расчёты проводились для четырёх значений коэффициента k = 100; 90; 70 и 50 %, масса расплава М = 250 кг, массовый расход жидкого металла через канал установки был принят за Q = 1 кг/с. 6 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 4 (112) Получение и обработка расплавов Начало Ввод параметров фильтра: h, S, k, R, w Ввод параметров расплава M, p, Co. Ввод параметров обработки Q, z Расчёт скорости потока расплава через фильтр v = Q (р⋅S) Расчёт длительности одного цикла обработки t = h⋅v Расчёт массы расплава, которая обрабатывается за один цикл (m0=S⋅h⋅р) Цикл расчёта концентрации неметаллических включений Условие «отстрочённого» перемешивания i ≤ z Расчёт снижения концентрации неметаллических включений за текущий цикл ∆C = (m0⋅M)⋅k⋅C 0 Расчёт текущей концентрации неметаллических вклю- чений после завершения текущего цикла Cі = C(і-1)–∆С Расчёт текущей массы расплава, прошедшей через фильтр Mf =Mi+m0 Расчёт снижения концентрации неметаллических включений за текущий цикл ∆C = (m0⋅M)⋅k⋅Ci-z Расчёт текущей концентрации неметаллических включений после завершения текущего цикла Cі = C(і-1)–∆С Расчёт текущей массы расплава, прошедшей через фильтр Mf= Mi + m0 Условия остановки расчётаCі ≤ 0,01 Вывод результатов: t, I, T, Mf, Ck, N Конец ДаНет ДаНет Рис. 3. Блок-схема программы компьютерной модели процесса циркуляционного фильтро- вания для условия «отсроченного» перемешивания ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 4 (112) 7 Получение и обработка расплавов Расчёт показал, что при моделировании процесса однократного фильтрования без перемешивания общее время обработки Т = 4 мин, масса профильтрованного расплава Мf = 250 кг. Для различных значений коэффициента k = 100; 90; 70 и 50 % конечная концентрация неметаллических включений в расплаве составила Сk = 0; 10; 30 и 50 %, кратность прокачки расплава через фильтр N = 1 для всех четырёх случаев. При моделировании процесса циркуляционного фильтрования с условием «мгновенного» перемешивания для различных значений коэффициента k = 100; 90; 70 и 50 % конечная концентрация неметаллических включений в расплаве со- ставила Сk = 1 % для всех четырёх случаев. Общее время обработки Т = 18; 20; 26 и 36 мин, масса профильтрованного расплава Мf = 1146; 1275; 1640 и 2297 кг, крат- ность прокачивания расплава через фильтр N = 4,58; 5,1; 6,56 и 9,2 соответственно. При моделировании процесса циркуляционного фильтрования с условием «отсроченного» перемешивания для различных значений коэффициента k = 100; 90; 70 и 50 % конечная концентрация неметаллических включений в расплаве составила Сk = 1 % для всех четырёх случаев. Общее время обработки Т = 14; 17; 22 и 33 мин, масса профильтрованного расплава Мf = 919; 1051; 1426 и 2101 кг, кратность прокачивания расплава через фильтр N = 3,7; 4,2; 5,7 и 8,4 соответствен- но. Результаты проведённых расчётов для второго и третьего этапа отображены графически на рис. 4. Анализ результатов показал, что при однократном пропускании всего объёма рас- плава через фильтр без перемешивания рафинированного металла с необработан- ным невозможно удалить из расплава около 90 % всех неметаллических включений, если заданный коэффициент вероятности удержания включений фильтром k будет меньше 90 %. Единственным преимуществом данного режима рафинирования яв- ляется минимальное время обработки. Подобные процессы можно реализовывать при установке фильтра на пути расплава в форму или кристаллизатор, а также в проточных системах фильтрования. Но технологические особенности магнитоди- намического миксер-дозатора МДН-6А не позволяют осуществлять процесс одно- кратного фильтрования расплава без перемешивания рафинированного жидкого металла с остальной массой расплава, ещё не прошедшей обработку. В свою очередь, циркуляционное фильтрование в магнитодинамической установ- ке позволяет осуществить удаление 99 % всех неметаллических включений путём применения метода циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в маг- нитодинамической установке через пенокерамический фильтр независимо от их на- чального содержания в жидком металле. В сравнении с однократным фильтрованием величина заданного коэффициента вероятности удержания включений фильтром k влияет только на время рафинирования и массу профильтрованного расплава, а не на качество очистки жидкого металла от неметаллических включений. Увели- чение общего времени обработки Т можно компенсировать путём подбора более рациональных режимов течения расплава через канал установки в зависимости от пропускной способности w используемого пенокерамического фильтра. В реальных условиях метод циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнито- динамической установке типа МДН-6А является составляющей частью комплексного процесса рафинирования, включающего продувку аргоном и фильтрование через пенокерамический фильтр. Продувка аргоном проводиться в течение 10-15 мин, по- сле чего расплав отстаивается 20-30 мин. Все это время жидкий металл циркулирует через пенокерамический фильтр. Таким образом, для проведения циркуляционного фильтрования не нужно увеличивать время технологического процесса приготовле- ния алюминиевого расплава в магнитодинамическом миксере-дозаторе. Расчётное время фильтрования, установленное в результате моделирования, и реальная про- 8 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 4 (112) Получение и обработка расплавов должительность фильтрования полностью сопоставимы. Разработанная компьютерная модель позволяет рассчитывать следующие параметры: текущую концентрацию неметаллических включений в заданный момент времени, выраженную в процен- тах от начальной величины С0 – Ci, массу профильтрованного метал- ла – Mf, время обработки – T, ско- рость потока расплава – v и крат- ность фильтрования – N. А также проводит сравнение заданных для расчёта данных с пропускной способностью w и рабочим ресур- сом фильтра R, то есть проверяет заданные для расчёта данные на соответствие реальным техноло- гическим параметрам процесса циркуляционного фильтрования в магнитодинамической установке. В результате компьютерно- го моделирования процесса циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в маг- нитодинамической установке показана возможность снижения концентрации неметаллических включений до 1 % от их начально- го содержания в расплаве. 1. Патент UA 90327, Україна, МПК С22В9/02С22В9/00. Спосіб рафінування розплавів філь- труванням // В. І. Дубодєлов, В. М. Фікссен, М. А. Слажнєв, А. О. Горшков (ФТІМС НАН Укра- їни). – Заявл. 11.29.2008; опубл. 26.04.2010, Бюл. № 8. 2. Теоретические и прикладные аспекты процесса фильтрационного рафинирования жидких металлов: доклад на 65-м Международном конгрессе литейщиков. – Э. Б. Тен, МИСиС, И. А. Дибров. – Корея, 2002. Поступила 30.03.2015 k150 20 40 60 80 k = 90 % k = 100 % 0 200 600 1000 1400 1800 2200 К о н ц е н тр ац и я н . в ., % Время, с k = 70 % k = 50 % 200 600 1000 1400 1600 k = 100 % Время, с 100 80 20 40 60 0 k = 50 % k = 70 % k = 90 % К о н ц е н тр ац и я н . в ., % а б Рис. 4. Графическое решение компьютерного мо- делирования: а – циркуляционное фильтрование с условием «мгновенного» перемешивания; б – цирку- ляционное фильтрование с условием «отсроченного» перемешивания

Моделирование процесса циркуляционного фильтрования алюминиевого расплава в магнитодинамической установке

Репозитарії

Схожі ресурси