Введение к работе
Актуальность темы. Одной из главнейших задач развития народного хозяйства Казахстана является преодоление узко сырьевой направленности экономики и промышленности страны и переход на выпуск конкурентноспособ-ной продукции более высокого технологического уровня. В цветной металлургии лишь малая часть металла получается в виде специальных изделий той или иной формы, что не позволяет отнести подобные производства к технологиям полного металлургического цикла. В этом отношении недавно введенный в эксплуатацию Жезказганский завод медной катанки корпорации Казахмыс частично восполняет данный пробел, поскольку там установлена современная линия непрерывного литья и прокатки американской фирмы Саусвайер, а завод медной катанки непосредственно примыкает к территории медеплавильного завода той же корпорации.
Переплавка рафинированной меди и ее горячая прокатка и технологически и теоретически относятся к проблемам взаимосвязи жидкого и твердого состояний вещества, далеко не полно разработанным. Между тем, плавкость и пластичность являются близкими понятиями прежде всего по способности вещества принимать геометрическую форму ограничивающего пространства - в первом случае под действием силы тяжести, во втором - под действием механической нагрузки. Данная способность является характеристикой жидкости, и поэтому пластичность можно понимать как предрасположенность к плавлению, то есть к жидкому состоянию.
Подобное единство требует теоретического осмысления. При этом вполне очевидно большое практическое значение такой объединяющей теории для металлургии цветных металлов, в которой процессы дробления, измель-чения,'растворен!!я, плавления, кристаллизации и пластической деформации часто представляют неразрывную технологическую цепь. С этой точки зрения вызывает особый интерес одна из важнейших особенностей процесса плавления - практическое постоянство энтропии плавления для самых различных металлов, тем более что энтропия в отличие от других термодинамических функций является не только энергетической, но и теоретико-системной и информационной характеристикой. Данный вопрос в литературе отображается как ключевой, определяющий все последующие теоретические и практические разработки применительно к процессам превращения твердого вещества в жидкое, в том числе и в жидкоподобпое состояние при наложении механической нагрузки.
Работа в практической части выполнялась в рамках Мероприятий по Поручениям Премьер-Министра Республики Казахстан от 24.11.98 № II- 14/302, пп. 3, 4, в отношении обеспечения базы для производства кабельной продукции, эмальпровода, проволоки, проката из меди для нужд предприятий промышленности, транспорта и связи, а в теоретической части - в рамках программы исследований научного руководителя диссертации в качестве Государственного научного стипендиата Республики Казахстан в 1997-2000 гг.
Цель работы:
-
Вскрыть взаимосвязь закономерностей плавления и пластичности металлов для широкого диапазона температур в рамках термодинамического и общесистемного подходов.
-
Разработать методы расчета распределения температур и полезных энергозатрат в закрытом стане непрерывного литья и прокатки рафинированной меди.
-
Определить энергетический кпд и обеспечить автоматический контроль температуры медной катанки на выходе из прокатного стана для стабилизации качества продукции.
Научная новизна работы:
-
Для 54 типичных металлов на основе справочных данных установлены статистически достоверные корреляционные связи между теплотой, температурой плавления, средней тепловой энергией в точке плавления, энергией активации самодиффузии, теплотой и температурой кипения и показана первичная роль преодоления частицами энергетических барьеров плавления и нарушения дальнего порядка связи.
-
Предложена и обоснована концепция "жидкоподвижных" частиц в кристалле, доля которых определяется высотой энергетического барьера плавления и соответствует расширительному использованию уравнения Шредера для растворения металлов, а также пропорции золотого сечения в точке плавления.
-
Разработаны итерационные методы расчета распределения температур и полезных энергозатрат на основе входных и выходных значений температуры металла в стане с учетом относительных теплопотерь, удельной величины вновь образованной поверхности и энергетических барьеров хао-тизации частиц.
Практическая ценность. Впервые на основе математического анализа уравнения Шредера обоснованы широко известные эмпирические инварианты пластичности, относящиеся к ее оптимальной температуре и рабочему диапазону (температура Бочвара-Таммана). Для 54 типичных металлов установлены корреляционные связи основных энергетических характеристик плавления, самодиффузии и кипения. Рассчитан энергетический кпд стана непрерывного литья и прокатки рафинированной меди, выведена формула расчета полезных и полных энергозатрат в зависимости от входной и выходной температур, рассчитана номограмма энергозатрат. Разработан и внедрен фотоэлектрический пирометр для бесконтактного автоматического контроля температуры быстродвижущейся, узкой и слабонагретой полосы металла с целью стабилизации качества продукции, рекомендован и реализован более высокотемпературный режим работы стана. Положения, выносимые на защиту:
1. Концепция "жидкоподвижных" частиц в кристалле на основе постоянства энтропии плавления металлов и существования наиболее низкого барьера хаотизации, равного теплоте плавления и обусловливающего нарушение
дальнего порядка связи в кристаллической решетке для определенного числа частиц согласно энергетического спектра Больцмана.
-
Расширительное использование и математический анализ уравнения Шредера как температурной зависимости саморастворения металла, характеризующейся в точке плавления пропорцией золотого сечения в отношении доли хаотизированных частиц, а при более низких температурах - долей "жндкоподвижных" (саморастворенных) частиц, обусловливающих пластичность металла и согласующихся по экстремальным точкам с известными эмпирическими инвариантами пластичности.
-
Методы расчета распределения температур и полезных энергозатрат в многоклетевом закрытом стане при непрерывном литье и прокатке по входным и выходным температурам заготовки, относительным теплопоге-рям, удельным величинам вновь образованной поверхности и энергетическим барьерам хаотизации частиц.
Личный вклад автора. Все расчетные величины, связанные с разработкой математических моделей поведения "жндкоподвижных" частиц, распределения температур и энергозатрат в прокатном стане с использованием статистических критериев, определены лично автором с применением программных расчетов. Теоретические положения обоснованы совместно с научным руководителем. Практическое приложение результатов научных разработок на стане непрерывного литья и прокатки осуществлено при непосредственном участии и под руководством автора диссертации.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международном совещании по системам непрерывного литья и прокатки фирмы Са-усвайер (Атланта, США, 1999), на научно-технической конференции, посвященной 100-летию академика Сатпаева К.И. (Жезказган, 1999), на 5-ой научной казахстанской конференции по физике твердого тела (Караганда, 1999), па Международной конференции "Технологии и перспективы современного инженерного образования, науки и производства" (Бишкек, 1999), на Международном научном семинаре "Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент" (Караганда, 1999), на республиканской научно-практической конференции, посвященной 75-летию академика Е.А. Букетова (Караганда, 2000), на научно-технической конференции "Научно-технический прогресс и подготовка кадров цветной металлургии" (Екатеринбург, 2000).
Публикации. По диссертационной работе опубликовано 5 статей в журналах и 7 - в сборниках трудов.
Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 143 наименований и приложения. Работа содержит 26 рисунков, 26 таблиц и имеет общий объем 150 страниц.