книги из ГПНТБ / Технические и экономические основы литейного производства

3.ЭНТРОПИЯ ЛИТЕЙНЫХ ПРОЦЕССОВ

ИМЕТОДЫ ЕЕ СНИЖЕНИЯ

Очевидно, что запланированное качество отливок достигает­ ся, когда реальные значения технологических параметров литей­ ных процессов Х і близки к их необходимым (оптимальным) вели­

чинам Х { . Для этого в процессе производства отливок должны быть выполнены два условия:

где М ( Х і ) — математическое ожидание і-го параметра, опреде­ ляемое в общем виде как его средневзвешенное значение при большом числе замеров Лі; щ — среднее квадратическое отклоне­ ние і-го параметра (і = 1, 2, ..., т ) .

Эти статистические характеристики определяются по следую­ щим формулам:

равная частоте его появления N q, соотнесенной к общему количе­ ству замеров этого параметра N \ q — 1,2, ..., г — количество раз­ личных значений t-го параметра.

Математическое ожидание и среднее квадратическое отклоне­ ние имеют размерность параметра.

Несовпадение математического ожидания і-го параметра и его оптимальной (необходимой) величины Х і свидетельствует о несовершенстве технологии или неспособности средств произ­ водства осуществлять процесс в соответствии с заданными тре­ бованиями, и эти отклонения можно рассматривать как система­ тические. Так, если в течение длительного времени средняя тем­ пература перегрева жидкого металла, получаемого из вагранки, оказывается ниже необходимой температуры, то это свидетель­ ствует о несоответствии процесса ваграночной плавки предъяв­ ляемым требованиям.

Среднее квадратическое отклонение характеризует стабиль­ ность процесса, определяет случайные отклонения его парамет­ ров. Например, недостаточно получить среднюю температуру пе­ регрева, удовлетворяющую заданным требованиям, т. е. обеспе­ чить условие (35), необходимо также, чтобы эта температура поддерживалась стабильно, т. е. было удовлетворено усло­ вие (36).

82

в допуск и соответственно не влияют на качество отливок, если математическое ожидание параметров М ( Х і ) близко к их необ­ ходимой величине.

Графическое представление ЛІ(Л'і), оі, 6j параметров показа­

цесса, его эффективность. Чем выше будет вероятность получе­ ния оптимальных значений параметров процесса, тем больше гарантий получить «здоровые» отливки с заданными качествен­ ными показателями.

Неопределенность процесса по і-му параметру предложено оценивать по аналогии с количеством недостающей информации

Такая количественная оценка неопределенности процесса по­ зволяет суммировать неопределенность значений различных па­ раметров и судить об эффективности процесса в целом. Тот ва­ риант построения процесса будет лучшим, энтропия которого наименьшая. Суммарная энтропия параметров процесса S, обус­ ловленная построением производственного процесса, составит

Исходя из изложенных выше положений, были проведены оценка и сравнение некоторых литейных процессов [47].

84

Процесс плавки чугуна. Наиболее распространенный пла­ вильный агрегат в чугунолитейных цехах — вагранка — сравни­ тельно проста в изготовлении, достаточно надежна в эксплуата­ ции, занимает немного площади, обеспечивает достаточно

нимающий большую площадь, доволньо сложна в эксплуатации и требует решения многих инженерных задач, расходует много электроэнергии и, не являясь конвейерным агрегатом, обу­ словливает дополнительные затраты для обеспечения поточно­ сти производства. Но наряду с этим индукционная печь обла­ дает рядом технических характеристик, коренным образом отличающих индукционную плавку чугуна от ваграночной.

Индукционная печь позволяет управлять качеством металла, обеспечивает возможность готовить металл, доводить его в жид­ ком состоянии до необходимой кондиции, обеспечивает регули­ рование температуры перегрева в широком диапазоне, позволяет регулировать время выдержки металла в печи.

Индукционная печь в отличие от вагранки является метал­ лургическим агрегатом, способным выплавлять металл с высо­

85

кими механическими и особыми свойствами, более однородный, более плотный и менее газонасыщенный. Кстати, можно отме­ тить, что иногда термин «плавка» отличают от термина «вы­ плавка», подразумевая под первым термином чисто теплотехни­ ческий процесс, при котором получают металл стабильного заданного химического состава, в то время как под вторым тер­ мином — процессом выплавки — подразумевается возможность осуществления в плавильном агрегате ряда превращений метал­ ла в процессе плавки.

Высокая температура перегрева металла, достигаемая в ин­ дукционных печах, обеспечивает более высокую жидкотекучесть чугуна, позволяет оптимизировать температуру заливки металла в формы, что, в свою очередь, приводит к сокращению литейных пороков, таких как газовые раковины, недоливы и др.

Высокая температура перегрева позволяет шире использо­ вать дешевые стальные отходы и науглероживанием их полу­ чать синтетический чугун, обладающий рядом преимуществ по сравнению с чугуном, полученным из ваграночной шихты. Использование стальных отходов в чугунолитейных цехах решает также важную народнохозяйственную задачу — значительное высвобождение мощности доменных печей [22].

Однако, не имея количественных оценок процессов ваграноч­ ной и индукционной плавок чугуна, трудно установить, какой из плавильных агрегатов будет лучшим для конкретных производ­ ственных условий. И это тем более трудно, так как экономичес­ кое сравнение вагранки и индукционной печи в настоящее время недостаточно правомерно. Эволюция вагранки охватывает столетия, а опыт индукционной плавки чугуна исчисляется годами. Естественно, что процесс индукционной плавки чугуна будет также непрерывно совершенствоваться.

Для широкого развития индукционной плавки чугуна надле­ жит решить ряд кардинальных задач, в том числе таких, как автоматизация загрузки шихты, оптимизация электрического режима, способы автоматического регулирования процесса и многие другие. Поэтому выбор плавильного агрегата должен осуществляться, исходя из таких критериев, которые позволяют судить о достаточном качестве отливок. Можно полагать, что во многих случаях оптимальным может оказаться сочетание обоих агрегатов— вагранки и индукционной плавильной печи.

В этой связи было проведено исследование монопроцессов (ваграночная и индукционная плавки) и дуплекс-процесса (ваг­ ранка— индукционная печь) при выплавке серого чугуна наибо­ лее распространенных марок СЧ 18-36 и СЧ 21-40 из так называе­ мой ваграночной шихты (литейный чугун марок ЛК, чугунный и стальной лом, отходы собственного производства). Контролиро­ вались химический состав выплавляемого металла и температура его перегрева. Химический анализ определяли на специальной пробе, залитой в кокиль для получения белого чугуна, температу­

86

ра перегрева металла измерялась платино-платинородиевой тер­ мопарой и фиксировалась потенциометром. Одновременно изуча­

ления вероятностей.

Исследование показало, что математическое ожидание содер­ жания химических элементов в чугуне при большом количестве замеров и при ваграночной и индукционной плавке близко к за­ данной величине, а распределение случайных отклонений раз­ лично.

На рис. 15 и 16 приведены частотные кривые распределения содержания углерода и кремния в чугуне, выплавленном в ваг­ ранке при объемном дозировании компонентов шихты вручную. Как видно, среднее квадратическое отклонение составляет по углероду ±0,12% и кремнию ±0,17%; энтропия процесса раз-

87

При весовом дозировании компонентов шихты разброс значе­ ний содержания углерода и кремния уменьшается, однако авто­ матическое дозирование без коррекции веса дозы, учитывающее перевес или недовес шихты при каждом взвешивании, ухудшает показатели. Среднее квадратическое отклонение в этом случае составляет сгс = ±0,17% и asi = ±0,25% (рис. 19 и 20). Автома­ тическое дозирование шихты с коррекцией дозы при ваграноч­ ном процессе, наоборот, резко снижает энтропию процесса; сред­ нее квадратическое отклонение содержания углерода в чугуне уменьшается до 0,07%, а кремния — еще ниже.

Рис. 20. Распределение содержания кремния в чу­ гуне, зашихтованном при автоматическом дози­ ровании компонентов без коррекции веса дозы

Аналогичная картина при точном взвешивании компонентов шихты наблюдается при индукционной плавке чугуна, и, как по­ казывает опыт, в настоящее время дальнейшее снижение разбро­ са содержания химических элементов в чугуне практически не­ возможно. Это объясняется, в частности, значительными откло­

считать, что индукционная печь и вагранка являются равноцен­ ными плавильными агрегатами. Прогнозируя результаты иссле­ дования на стабильность параметров легированных чугунов и чугунов с особыми свойствами, где необходима высокая точность содержания легирующих добавок, трудно достижимая в вагран­ ке, предпочтение надо отдавать во всех случаях индукционной печи. Кроме того, индукционная печь обеспечивает известную гибкость при необходимости изменения химического состава чу­ гуна, что особенно важно для многономенклатурного производ­ ства. Очевидно, что при наличии «чистых» исходных материалов и благодаря интенсивному перемешиванию металла в индукци­

89

онной печи могут быть достигнуты любая точность и однород­ ность химического состава чугуна, в то время как для вагранки указанные выше средние квадратические отклонения являются уже критическими.

Другой показатель процесса— температура перегрева чугу­ на — при ваграночной плавке также имеет значительный разброс. В исследованном случае среднее квадратическое отклонение пе­ регрева Ст(п составило ±18° С при математическом ожидании

1347°С (рис. 21). Энтропия процесса, рассчитанная только по

Рис. 21. Распределе­ ние значений темпе­ ратуры перегрева ме­ талла ваграночной плавки

случайным отклонениям температуры перегрева, составляет 0,089 (разброс значений ± 2 ,5 а, 6 <п = ± 5 ° С). Анализ работы многих

чугунолитейных цехов показал, что в большинстве из них даже при значительно более высоком математическом ожидании эн­ тропия процесса, связанная со случайными отклонениями темпе­ ратуры перегрева, сохраняется на таком же уровне или растет.

Повышению математического ожидания температуры пере­ грева при ваграночном процессе способствуют подогрев дутья и регулирование его расхода по ходу плавки, а также и, главным образом, повышение расхода кокса (в некоторых цехах приме­ няется кокс с высокой реакционной способностью и расходом его свыше 20% к металлозвалке, что позволяет довести темпе­

ратуру перегрева чугуна до 1450— 1480° С). Однако в среднем температура перегрева ваграночного чугуна колебалась при проводившихся наблюдениях в пределах 1340— 1380° С.

Автоматическое регулирование расхода дутья, использующее экстремальную зависимость между расходом дутья и температу­ рой перегрева, значительно снижает энтропию процесса. Сред­ нее квадратическое отклонение при этом, как показали расчеты, уменьшается до 8° С. Однако экстремальные системы в чугуно­

литейных цехах не используются, во-первых, из-за отсутствия термопар длительного погружения (имеющиеся конструкции таких термопар, например графит — боридциркониевые, серийно

90