Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1 АНАЛИЗ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.. 10
1.1 Непрерывное литье алюминиевых слитков 10
Образование лунки при отливке слитка 14
Строение слитка 15
1.) .3 Современное состояние проблемы исследования лунки 16
Виды иеразрушающего контроля . 19
Физические основы распространения ультразвука 24
Измерительная аппаратура, промежуточные среды и сущность 28
методики контроля
1.5 Типы преобразователей и их основные характеристики 33
ВЫВОДЫ 42
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ 44
УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЛУНКИ
Вывод одномерных уравнений 44
Вывод уравнений акустики для многомерных задач 47
Характеристики эволюции ультразвуковой волны 50
Влияние неоднородности в одномерной постановке.... 51
Влияние неоднородности в многомерных задачах 56
Расчет эхо-сигнала от границы лунки 59
Математическая модель лунки 61
ВЫВОДЫ 70
3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ РАБОТЫ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ 71
УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЛУНКИ
Методика ультразвукового зондирования лунки 71
Исследование температуры расплава в лунке 76
3.3 Цифровая обработка сигналов 79
Переход к дискретному сигналу 79
Непрерывное и дискретное преобразования Фурве. 82 Аналитическое представление сигнала
Связь дискретных и непрерывных функций 84
Вычисления с дискретными сигналами 87
3.4 Двумерный метод формирования бездифракционного луча 89
3.4.1 Алгоритм формирования узкой диаграммы 90
направленности
3.4.2 Алгоритм цифровой обработки сигналов 98
ВЫВОДЫ 99
4 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ 101
ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЛУНКИ
Схема ультразвукового контроля 101
Выбор компонентов системы ультразвукового контроля 102 геометрических параметров лунки
Выбор ультразвуковых датчиков 102
Выбор микроконтроллера 104
Интерфейс связи с ПК 109
4.3 Описание программного обеспечения 110
Структурная схема ПО микроконтроллера 112
Блок управления таймером.. 112
Блок анализа входного сигнала 113
Реализация алгоритма цифровой обработки сигналов... 114
4.4 Проведение экспериментальных исследований 117
ВЫВОДЫ 120
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 121
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 122
Введение к работе
Актуальность работы.
Современный уровень развития науки и техники требует постоянного повышения качества промышленной продукции. От алюминиевой отрасли зависят многие сферы производства. Поэтому к качеству алюминиевой продукции предъявляются повышенные требования.
В настоящее время алюминиевые заводы работают в сложных условиях: рост цен на энергоносители и непрерывный рост требований к защите окружающей среды [56].
Строительство новых алюминиевых заводов с современной технологией производства не всегда является финансово оправданным решением. В большинстве случаев модернизация и более эффективное использование уже имеющегося оборудования обеспечивают реальное повышение качества алюминиевой продукции.
Технологический цикл производства алюминиевых сплавов состоит из нескольких этапов, наиболее важным среди которых является процесс литья слитков.
При отливке алюминиевого слитка на его поверхности могут образовываться различные дефекты; трещины, неслитины, ликвационные наплывы [3]. С увеличением размеров слитка указанные дефекты появляются чаще, что обусловливает необходимость его механической обработки перед дальнейшим использованием. Для сведения доли этих дефектов в общей массе слитка к минимуму прибегают к различным способам по их предупреждению. Постоянно ведется совершенствование кристаллизатора - главного компонента литейной машины. Отечественные производители по-прежнему в большинстве случаев работают с морально устаревшими кристаллизаторами (щелевые, струйные). На сегодняшний день зарубежными специалистами разработано несколько более совершенных конструкций кристаллизато-
ров (Epsilon, LHC). Эти кристаллизаторы обладают лучшей системой охлаждения слитка, что обеспечивает высокое качество кристаллизации слитка.
Помимо внесения изменений в систему охлаждения слитка производители все чаще используют литье цилиндрических и плоских слитков в электромагнитный кристаллизатор (ЭМК) [42], принцип работы которого заключается в том, что при подаче тока в кольцевой индуктор возникающее электромагнитное поле сжимает металл и препятствует его вытеканию из кристаллизатора. Высоту индуктора выбирают так, чтобы граница жидкой и твердой фаз на боковой поверхности слитка находилась примерно на уровне его середины.
Основное преимущество метода литья в ЭМК заключается в отсутствии соприкосновения между кристаллизатором и слитком на любой стадии процесса. Наличие столба жидкости над кристаллизующимся слитком предотвращает образование неслитин и позволяет избежать механической обработки слитков и связанную с этим потерю металла. Кроме того, применение ЭМК позволяет повысить скорость литья на 10-30 % [54].
Слитки круглого и прямоугольного сечений отливаются методом непрерывного литья, сущность которого заключается в непрерывной подаче жидкого металла в специальную водоохлаждаемую изложницу (кристаллизатор) с подвижным дном, роль которого выполняет подвижный поддон, перемещающийся в вертикальном направлении.
При одновременном опускании поддона и заливке поплавка, в верхней области слитка образуется лунка жидкого металла. Граница лунки (граница между жидким и твердым металлом) является достаточно четко выраженной. Качество слитка находится в обратной зависимости от глубины лунки [7]. Для снижения глубины необходимо как можно медленнее опускать поддон со слитком. В этом случае производительность будет низкая. Немного увеличив глубину лунки, можно значительно ускорить литье и, следовательно, повысить производительность. Оптимальная глубина лунки варьируется в оп-
ределенном диапазоне, который зависит не только от технологических параметров, но и от требуемого качества слитка [5]. Зная геометрические параметры лунки (форму и глубину), можно регулировать скорость опускания поддона со слитком, обеспечивая при этом требуемое качество. На сегодняшний день контроль геометрических параметров лунки осуществляется, в основном, радиационным методом. Данный метод имеет ряд существенных недостатков. Радиационное излучение является вредным для здоровья человека, поэтому для данного способа контроля необходимо применять дополнительные меры защиты. Для слитков большого сечения необходимо использовать мощное излучение, что может привести к возникновению остаточной радиации [86].
В связи с этим актуальна задача автоматизированного контроля геометрических параметров лунки слитка.
Цель работы: разработать систему неразрушающего контроля геометрических параметров лунки в процессе непрерывного литья алюминиевых сплавов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи исследований:
Проанализировать отечественные и зарубежные достижения в области контроля геометрических параметров лунки слитка;
Проанализировать методы неразрушающего контроля с целью выявления наилучшего для задачи контроля геометрических параметров лунки;
Разработать математическую модель формирования лунки слитка;
Разработать методику контроля геометрических параметров лунки с целью точного построения изображения лунки на компьютере оператора литья;
Разработать систему контроля геометрических параметров лунки в процессе непрерывного литья алюминиевых сплавов, позволяющую контролировать геометрические параметры лунки;
6. Провести экспериментальные исследования разработанной системы контроля геометрических параметров лунки для подтверждения достоверно-сти полученных теоретических сведений и апробации системы неразрушаю-щего контроля.
Методика исследований.
Для решения поставленных задач в работе используются теоретические основы формирования слитков в кристаллизаторе, метод ультразвукового контроля. В экспериментальных исследованиях используется физическая модель лунки.
Научную новизну работы составляют:
1.. Решение актуальной научно-технической задачи контроля геометрических параметров лунки в процессе непрерывного литья алюминиевых сплавов с помощью ультразвукового зондирования, позволяющего визуально наблюдать и контролировать геометрические размеры лунки слитка;
Разработанная математическая модель формирования лунки слитка прямоугольного сечения;
Разработанная методика ультразвукового зондирования геометрических параметров лунки алюминиевого слитка, позволяющая получать изображение лунки на компьютере оператора литья.
Апробация работы
Диссертационная работа, отдельные ее разделы и результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. Межвузовская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Информатика и информационные технологии», Красноярск, 2004 г.;
XI Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ'2005», Томск, 2005 г.;
XI международная конференция «Алюминий Сибири 2005», Красноярск, 2005 г.;
IX Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы информатизации региона», Красноярск, 2005 г.;
Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2005 г.;
Публикации.
Основное содержание диссертационной работы отражено в ] 2 печатных работах и 1 публикации в электронном журнале из списка ВАК.
Основное содержание работы.
Во введении сформулирована цель и основные задачи исследования, изложены основные положения разделов работы.
В первом разделе рассматривается современное состояние непрерывного литья. Рассмотрена структура слитка и факторы, влияющие на геометрические параметры лунки. Проведен анализ существующих разработок зарубежных и отечественных специалистов в области неразрушающего контроля лунки слитка. В результате анализа для контроля лунки слитка выбран метод ультразвукового зондирования.
Во втором разделе разрабатывается математическая модель лунки плоского слитка и рассматривается математическая модель лунки цилиндрического слитка.
В третьем разделе разрабатывается методика ультразвукового зондирования лунки слитка и приводится алгоритм цифровой обработки сигналов для извлечения полезной информации из ультразвуковых эхо-сигналов.
В четвертом разделе разрабатывается аппаратная и программная часть системы ультразвукового зондирования лунки слитка. Для проверки достоверности полученных теоретических сведений проводится эксперимент с разработанной системой контроля. Эксперимент подтвердил достоверность полученных результатов диссертационного исследования.
К)
