Способ автоматического регулирования температурного режима в установке получения отливок постоянных магнитов направленной кристаллизацией Советский патент 1989 года по МПК B22D27/04 

1 .

Изобретеггие относится к автоматическому управлению в специальной металлургии сплавов, в частности к получению отливок постоянных магнитов со столбчатой структурой в установках, использунхцих метод направленной кристаллизации.

Цель изобретения - повьшение производительности установки и улучше-- ния качества постоянных магнитов.

На чертеже представлена схема реализации способа.

2

Схема содержит заливочные формы Т, футеровку 2 печи-кристаллизатора, графитовый нагреватель 3, индуктор 4, исполнительный механивм- 5 перемещения печи-кристаллизатора, регулирукщее устройство 6 механизма перемещения печи-кристаллизатора, ходовой винт 7, холодильник .8, датчики. ,9, tO и Т1 температуры,, генератор, 12 высокой частоты (Г), блок ТЗ управления генератором (БУ), блок Т4 коммутации, блок 15 сравнения.

О1

На чертеже датчик 10 закреплен в подставке, на которой установлена собстпенно печь-кристатшизатор с нагревателем 3. Печь с датчиком 10 на подставке перемещаются относительно заливочных форм 1, закрепленных на подвижном холодиль нике 8. Свобод- ньй конец датчика 10 в процессе движения печи контактирует с формой и скользит по ней.

Перемещение печи-кристаллизатора начинают при достижении градиента температур между источником тепла и холодильником ( ) определенного значеьшя. Скорость перемещения печи- «кристаллизатора изменяется в зависимости от изменения G,,. , пока он не достигнет своего определенного минимального значения. По мере удаления

источника тепла (нагревателя) от холодильника, влияние его на тештоот- вод от зоны кристаллизации ослабевает и градиент С,ит уменьшается. При достижении GS«T значения, при кото- ром не выполняется условие G/V const (V - скорость перемещения индуктора), при- данной скорости пере .меще1шя. .печи-кристаллизатора можно считать, что теплоотвод через боковы стенки формы оказывает большее влияние на процесс кристаллизации, чем теплоотвод через затвердевший участо отливки к холодильнику, с этого мо- мента скорость перемещения печи-кристаллизатора изменяют пропорционально градиенту температур между источнико теппа и затвердевшей отливкой ниже зоны кристаллизации (G ) .

Скорость кристаллизации зависит от градиента температур в зоне крис таллизации. По мере подъема печи- кpиcтaлo изaтopa, т.е. удаления зоны кристаллизации от холодильника, градиент температур в зоне кристаллизации уменьшается, что связано с умень шением те1тоотвода к. холодильнику теплопроводностью- и увеличением теп- лоотвода через боковые стенки к окружающему воздуху излучением.

Изменение теплоотвода, вызывающее уменьшение градиента температур в зоне кристаллизации, приводит к изменению температуры холодильника.

При постоянных расходе и TeNinepa туре охлалодающей воды с удалением нагревателя от холодильника темпера jypa холодильника уменьшается. Характеры изменения температур в зоне

,

20

25- е к35м

ь- 40

кристаллизации и температуры холодильника можно считать идентичными только на небольшом отрезке кристаллизации отливки, зависящими от конструктивных особенностей -печи-кристаллизатора. С момента начгипа движения (печи-кристаллизатора характер изменения градиента температуры s зоне кристаллизации совпадает с характером изменения температуры холодильника, причем влияние температуры холодильника на градиент температур в зоне кристаллизациибудет резко уменьшаться и в конечном итоге сведется к нулю.

Оценка истинного характера изменения теплоотвода от зоны кристал.пи- зации будет производиться по температуре верхнего участка затвердевшей отливки.

Таким образом, градиент между температурой футеровки у нагревателя печи и температурой верхнего участка затвердевшей отливки будет являться прямой характеристикой градиента температур в зоне кристаллизации. Использование изменения данного градиента в зависимости от изменения интенсивности теплоотвода от форм в окружающую среду, учитывая такие факторы, как изменение температуры затвердевшей части отливки температуры окружающей среды, качество футеровки печи и изменение .температуры расплавленного металла, позволит поддерживать скорость перемещения печи равной скорости роста кристаллов и тем самым существенно улучшить кристаллическую структуру по всей высоте отливки. Это приводит к повьш1ению качества постоянных магнитов.

50

55

45

В предварительно прогретые заливочные формы 1, установленные на холодильник 8, заливают расплавленный металл. Пр и этом с помощью индуктора 4, генератора 12 и блока 13 управления генератором, стабилизирующего выходное напряжение генератора путем, например, изменения анодного или сеточного напряжения генераторной лампы, поддерживают температуру нагревателя 3 на (30-50).К вьше температуры ликвидуса заливаемого металла. Характер изменения температуры расплава и футеровки .печи 2 идентичны, поэтому оценка температуры

расплава ведется по температуре футеровки печи с помощью датчика 11.

В связи с наличием большого градиента температур между расплавленным металлом и холодильником 8 металл начинает кристаллизоваться, образуя столбчатую структуру отливок. В процессе кристаллизации интенсивность теплового потока через холодильник снижается за счет уменьшения теплопроводности затвердевшего металла. Поэтому градиент температур (GXMT) между, жидким металлом и хо- .. (Лодильником, измеряемый датчиками 9, 11, будет уменьшаться, при которых G,y стабилизируется, что соответствует началу образования кристаллической структуры и достигает равенсттер процесса регулирования псвтор)7ет- ся. По мере дальнейшего удаления ка- гревателя от холодильника градиент G ,„ уменьшается, следовательно,, уменьшается и скорость перемещения печи. Градиент G ,,„ достигает своего минимального значения и не меняется при удалеш1и печи от холодильника, Q достигается установившийся тепловой режим и скорость перемещения печи- лсристаллизатора остается постоянной.

Пример. Получают отливку с направленной кристаллизацией по вы- 5 сокочастотной установке типа ЛПЗ-2 -67 м.

Исходные данные. Тип сплапа ЮН 15 ДК 25 ,БЛ. Диаметр линейной формы 26 мм. Длина линейной формы 500 мм,.

Изобретение относится к специальной металлургии сплавов и может быть использовано для получения отливок постоянных магнитов методом направленной кристаллизации. Цель изобретения л- повьшение производитель- ности печи-кристаллизатора (ПК) путем уменьшения времени процесса вытяжки отливок, а также повысить ка- честно отливок постоянных магнитов аа счет поддерживания оптимальной скорости ПК. Перемещение ПК производят в зависимости от градиента температур по высоте отливок, причем градиент определяют измеряя температуру (Т) холодильника,. Т футеровки около источника тепла, Т затвердевающей отливки ниже зоны кристаллизации. 1 ил.

ва опорному напряжению, востанавлива- 20 Количество линейных форм 27 шт, Иасса заливаемого расплава 21 кг. Темпе- .ратура заливаемого расплава 1873 К.

Начало перемещения печи-кристалли- 25 затора синхронизировано системой

регулирования с достижением верхнего торца холодильника температуры около 573 К (в зависимости от температуры охлаждающей воды).

30 Величина двухфазной области перед фронтом кристаллизацш (1,5-2) см. Таким образом градиент температур в зоне кристаллизации G 650 К/см. Отношение G/V 10000 const для „g данного сплава. Следовательно, начальная скорость перемещения печиемому в блоке 15 сравнения, в результате чего сигнал подается в ре- гулирукяцее устройство 6 исполнительного механизма перемещения индуктора 5, обеспечивакщего перемещение печи-кристаллизатора с определенной скоростью, а следовательно, и перемещение зоны кристаллизации. В регулирующем устройстве 6 вырабатывается сигнал, прямопропорциональный , следовательно и скорость перемещения исполнительным механизмом 5 печи-кристаллизатора 4 будет производиться

пропорционально G

лит

т.е. будет

уменьшаться с изменение G,

При

достижении в процессе вытяжки заготовок магнитов градиента G уит второго порогового значения, при котором эффективность тегшоотвода через боковые стенки формы в воздух становиться значительно вьше теплоотвода через твердую фазу отливки к холодильнику, сигнал в блока 15 сравнения поступает на блок 14, который переключает второй вход блока сравнения с датчика 9 на датчик 10.

Сигналы от датчика tt после преобразования через блок 13 управления

еИ от датчика ТО температуры поступает в регулирующее устройство 6. С этого момента в регулирукщем устройстве 6 вырабатывается сигнал, пропорциональный градиенту G,,, температур между футеровкой и затвердев- шик металлом. Тек самым обеспечивается изменение скорос.ти перемещения печи-кристаллизатора посредством ис-,

.полнительного механизма 5 в соответствии с изменением G,et . Далее хаоаккристаллизатора V

нач

36 мм/мкн.

При достижении холодильником Т 1223 К, через 5 мин поапе начала

40 движения печи на расстоянии около 180 мм от холодильника градиент в зоне кристаллизации уменьшится до G 325 К/см. Для соблюдения условия G/V 10000 const пройдет автома45 тическое переключение входа БС с термопары. 9 холодильника на датчик 10 температуры, одновременно произой,цет уменьшение скорости перемещения печи до 19,5 мм/мин. Скорость перемещения печи в конце образоваш1я кристаллической структуры заготовок магнитов V 12 мм/мин. При этом длительность процесса направленной кристаллизации с момента заливки расплава составляет около (26-30) мин в отличии от процесса длительностью 92 мин, которая имеет место в случае регулирования скорости перемещения печи в зависимости только от температуры

50

55

кристаллизатора V

нач

36 мм/мкн.

При достижении холодильником Т 1223 К, через 5 мин поапе начала

40 движения печи на расстоянии около 180 мм от холодильника градиент в зоне кристаллизации уменьшится до G 325 К/см. Для соблюдения условия G/V 10000 const пройдет автома45 тическое переключение входа БС с термопары. 9 холодильника на датчик 10 температуры, одновременно произой,цет уменьшение скорости перемещения печи до 19,5 мм/мин. Скорость перемещения печи в конце образоваш1я кристаллической структуры заготовок магнитов V 12 мм/мин. При этом длительность процесса направленной кристаллизации с момента заливки расплава составляет около (26-30) мин в отличии от процесса длительностью 92 мин, которая имеет место в случае регулирования скорости перемещения печи в зависимости только от температуры

50

55

олодильника для того же типа отли

ок.

Температурное поле .в зоне нагрева- печи с помощью подводимой мощности конструкции ее футеровки формируется таким образом, что температура нижнего участка зоны у нижнего края нагревателя 3 меньше температуры солидуса заливаемого в формы расппа- |0 ва, т.е. его твердой фазы и равна 1173 К. , .

Для сплава ЮН15ДК25БА, приведенного в примере температура ликвидуса равна 1668 К. После заливки рас- 15 штава с температурой, около 1873 К при постоянном расходе воды через холодильник и истечении некоторого промежутка времени пока температура нижнего участка зоны а расплавом в 20 формах не достигнет около 1573 К, а температура верхнего торца холодильника (Т) 573 К, печь неподвижна..

При достижении Т 573 К на выхо- 25 де БС появится сигнал разрешающий РУ включение ИМ для. перемещения печи вверх от холодильника. , К этому моменту начался процесс кристаллизации расплава, следователь- ЗО . но, и появление двухфазной области высотой 1,5-2 см за счет градиента TBMnepatyp между расплавом и холодильником, который будет,равен;

35 G .Ь-1-Ii ) 50К/сн.

ит . R . 2

где R - высота двухфазной зоны.

Исходя из соотношения G/V 10000- Q ZOOOO, выведенного для указанного сплава и учитывая условия работы печи-кристаллизатора и ее корструк- тивные особенности, выбираем G/V 10000-12000 const и определяем начальную скорость перемещения печи

G

iTooo

650

TTooo

0,06 CM/deK,

или VHOM 36 MM/мин.

В процессе перемещения печи вверх и роста кристаллов будет продолжаться интенсивный отбор тепла от расплава через закристалл 1зовавшийся ме- талл к холодильнику. Температура холодильника, измеряемая датеиком 9 (Т ) будет продолжать повышаться и при Достижении расстояния от нижнего

края нагревателя до дна холодильника около 180 мм, она составит 1223 К. При сохранении величины двухфазной области перед фронтом кристаллизации около 2 см (R) величина градиента температур G, , при котором происходит переход с регулирования по датчикам 11,. 9 к регулированию по датчикам 11, to, составит ,

«ИТ

Tdl.Il .1§Z3;1223 .-325К/С. R 2

R

Действительно, величина скорости перемещения печи изменяется с течением времени, т.е. уменьшается, уменьшается и градиент с 650 до 325 К, по которому регулирующим устройством производится пропорциональное уменьшение .скорости перемещения печи. Важно то, что в конечном итоге выдерживается постоянным соотношение 10000, необходимое для направленного роста кристаллов в расплаве указанного.сплава.

Что касается датчика Ю, то он всегда будет измерять .температуру твердой фазы расютава, так как находится на расстоянии 160-180 мм ниже двухфазной зоны, которая всегда долж на находиться у нижнего края нагревателя. . ,

Использова,1ше способа позволит за счет увеличения скорости образова- ;ния направленной кристаллической структуры повысить производительност-ь установки примерно на 70% и улучшить качество на 5%.

Формулаизобретения

Способ автоматического регулирования температурного режима в установке получения отливок постоянных магнитов направленной кристаллизацией,, при котором перемещают печь-кристаллизатор вдоль отливок и охлаждают холодильником нижние торцы отливок, воздействуют на высокочастотный генератор, питакнций индуктор в зависимости от температуры его футеровки, отлича.ющийся тем, что, с целью повышения производительности установки и улучшения качества постоянных магнитов, перемещение печи- кристаллизатора производят в зависимости от градиента температур по высоте отливок, причем в начале процесса градиент определяют по разнице между температурой футеровки и температурой холодильника, а затем /Jv

между температурай футеровки и температурой отливки ниже зоны кристаллизации.