автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование процессов вакуумной дуговой гарнисажной плавки титана в медных водоохлаждаемых тиглях

На правах рукописи

Для служебного пользования

Экз. №

БОНДАРЕНКО ВЛАДИМИР ГРИГОРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВАКУУМНОЙ ДУГОВОЙ ГАРНИСАЖНОЙ ПЛАВКИ ТИТАНА В МЕДНЫХ ВОДООХЛАЖДАЕМЫХ ТИГЛЯХ

Специальность 05.16.04. - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена на кафедре 'Технология металлических материалов" МАТИ - Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Пушкин И.Л.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, лауреат государственной премии, Мусатов М.И.

кандидат технических наук Ясинский К.К.

Ведущая организация:

Балашихинский литейно-механический завод

Защита диссертации состоится

tt/&ff

.2000 года в

Ci?

часов на

заседании диссертационного Совета К083.56.05 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в области литейного производства в МАТИ -Российском государственном технологическом университете имени К.Э. Циолковского по адресу: 121552, г.Москва, ул.Оршанская, 3.

Отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью, просим высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Телефон для справок: 141-94-53 Автореферат разослан "

2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

B.C. Соколов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в различных отраслях промышленности у нас в стране и за рубежом широкое применение находят титановые сплавы. Наиболее рациональным технологическим процессом (ТП) получения сложных заготовок деталей из титановых сплавов является фасонное литье. Основные процессы литья вследствие специфических свойств титановых сплавов осуществляются в специальных плавильно-заливочных установках -вакуумных дуговых гарнисажных печах (ВДГП). Эти печи являются тепловыми технологическими агрегатами, поэтому среди комплекса явлений различной физической природы, сопровождающих вакуумную дуговую гарнисажную плавку (ВДГПл), определяющими следуют считать в соответствии с общей теорией печей явления теплообмена.

Систематическое изучение тепловых процессов в ВДГП у нас в стране начато в начале 60-их подов. Тогда же и в последующее время были сформулированы основные физические представления и разработан математический аппарат, составляющие основу существующей тепловой теории и методов расчета параметров ТП ВДГПл. Применение их на производстве и в практике проектирования ВДГП позволило достигнуть современного -уровня получения фасонных отливок из титановых сплавов и ввести в эксплуатацию целый ряд отечественных промышленных ВДГП с графитовыми водоохлаждаемыми тиглями.

Однако с течением времени, по мере развития и углубления научных представлений о процессах ВДГПл, с появлением возможностей широкого использования ЭВМ в научных исследованиях и на производстве стали сказываться те ограничения, которые были заложены в первые годы в основные положения тепловой теории и методы расчета параметров ТП ВДГПл. Стала очевидной необходимость разработки достаточно полных и строгих математических моделей процессов плавления металла в ВДГП с металлическими тиглями, которые обладают несомненными преимуществами перед широко применяемыми сейчас графитовыми тиглями. Без применения металлических тиглей, инертных по отношению к расплавляемым в них тугоплавким металлам, нельзя получить качественный жидкий металл из новых, созданных в последние гады титановых сплавов с улучшенными характеристиками и предназначенными для литья ответственных деталей.

Использование металлических, в первую очередь медных гарнисажных тиглей, имеет целый ряд неоспоримых и доказанных практикой их эксплуатации преимуществ перед графитовыми тиглями, среди них очень важным является возможность эффективного применения микропроцессорных систем для оптимизации режимов плавления металла на стадиях проектирования и управления технологическим процессом ВДГПл. Поэтому решение вопросов проектирования и эксплуатации медных гарнисажных тиглей требует подробного изучения основных вопросов теплообмена при плавлении металла в таких тиглях и разработки на этой основе систем автоматизированного проектирования и управления ТП ВДГПл в медных тиглях.

В связи с отмеченными обстоятельствами тема предлагаемой работы, включающая вопросы исследования процессов, протекающих при ВДГПл титановых сплавов в медных водоохлаждаемых тиглях, является весьма важной, актуальной и своевременной.

Целью работы является разработка новых и дополнение известных научных положений тепловой теории процессов дуговой гарнисажной плавки в медных водоохлаждаемых тиглях и создании на их основе автоматизированной системы проектирования оптимальных параметров технологического процесса вакуумной дуговой гарнисажной плавки в указанных тиглях в производстве фасонных отливок из титановых сплавов.

Для достижения указанной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Исследование общих особенностей процессов дуговой гарнисажной плавки титана в металлических тиглях.

2. Анализ предельного теплового состояния медного водоохлаждаемого гарнисажного тигля.

3. Исследование особенностей нестационарного режима работы медного водоохлаждаемого тигля и определение условий стабилизации в нем гарнисажа и изменения перегрева жидкой ванны.

4. Разработка математических моделей процессов плавления в медном водоохлаждаемом тигле на постоянной и переменной мощности дуги.

5. Составление алгоритмов, программного и информационного обеспечений системы автоматизированного проектирования ТП плавления титана в медном водоохлаждаемом тигле.

8. Математическое моделирование функций САПР ТП плавления титана в

медном водоохлаждаемом тигле. 7. Разработка некоторых практических рекомендаций по проектированию и эксплуатации медных водоохлаждаемых тиглей.

Методы исследований, использованные при решении перечисленных выше задач, были взяты из математической физики, теории нестационарного теплообмена и общей теории печей. Для проверки адекватности разработанной системы автоматизированного проектирования оптимального ТП ВДГПл реальным процессам плавления титановых сплавов в медных водоохлаждаемых тиглях привлечены результаты многосторонних вычислительных экспериментов и данные по производственным плавкам в промышленных ВДПП.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Выполнен анализ предельного теплового состояния медных водоохлаждаемых тиглей в ВДГП при плавке в них титановых сплавов; установлена максимальная температура на внутренней поверхности медного тигля и необходимая интенсивность его наружного водяного охлаждения.

2. Уточнена схема и математическое описание плавления кусковых литейных отходов в медном тигле и получены условия стабилизации толщины донного гарнисажа с использованием нового способа задания начального распределения температуры по его толщине.

3. Разработаны и исследованы математические модели ТП ВДГПл титана в медном водоохлаждаемом тигле на постоянной и переменной мощности дуги, учитывающие и объединяющие все главные факторы таких способов плавления металла; они необходимы для построения САПР и АСУ ТП ВДГПл.

4. Составлены алгоритмы и программы автоматизированного проектирования оптимальных режимов ТП ВДГПл титана в медных водоохлаждаемых тиглях.

5. Проведено подробное математическое моделирование ТП ВДГПл в медных водоохлаждаемых тиглях по разработанному математическому описанию а широких диапазонах изменения основных параметров процесса плавления металла.

6. Выполнено уточнение теплового баланса ТП ВДГПл титана в медных водоохладаемых тиглях, установлены пределы изменения величины термического КПД ВДГПл в зависимости от основных параметров процесса плавления металла, существенно отличающиеся от ранее установленных.

7. Проведены экспериментальные исследования известных способов, а также разработанного более эффективного способа водяного охлаждения медного

гарнисажного тигля на созданных для этого модельных установках; установлены значения коэффициента теплоотдачи при различных схемах водяного охлаждения наружной поверхности медных гарнисажных тиглей.

Практическое значение работы состоит в следующем:

1. Разработан научно обоснованный метод автоматизированного проектирования оптимальных режимов ТП ВДГПл титановых сплавов в медных водоохлаждаемых тиглях; анализ производственных плавок титановых сплавов и сопоставление его результатов с расчетными данными показал их удовлетворительное соответствие.

2. Предложена и запатентована новая система эффективного водяного охлаждения наружной поверхности медного гарнисажного тигля и её конструктивная схема.

3. Разработан и запатентован новый рациональный способ компакгирования кусковых литейных отходов для изготовления расходуемых электродов с использованием в нем 100% отходов собственного литейного производства.

4. Предложено и запатентовано механизированное устройство для вычерчивания вертикальных осевых профилей гарнисажа в любом оптимальном масштабе для определения по ним толщины гарнисажа в тигле и среднего диаметра жидкой ванны.

5. Разработан ряд практических рекомендаций по проектированию и эксплуатации медных водоохлаждаемых тиглей в ВДГП при плавлении в них титановых сплавов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Российских научно-технических конференциях "Новые материалы и технологии" (Москва, 1995И998 годы) и обсуждались на заседаниях сектора "Технология литейного производства" кафедры "Технология металлических материалов" Российского государственного технологического университета им. К.Э.Циолковского.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав с выводами по каждой главе, общих выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Диссертация изложена на 180 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц и 45 иллюстраций. Библиографический список включает 93 наименования.

б

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность вопросов исследований процессов ВДГПл титановых сплавов в медных водоохлаждаемых тиглях и разработки системы автоматизированного проектирования её оптимальных параметров.

В первой глава выполнен предварительный анализ основных процессов, протекающих при вакуумной дуговой гарнмсажной плавке титана в металлических тиглях. Подробно рассмотрены наиболее важные, ведущие процессы - тепловые процессы как стационарные, так и нестационарные. Их изучение необходимо для создания научно обоснованных методов определения эффективных режимов плавки и формирования закона управления мощностью дуги в ходе процесса плавления с целью достижения заданных конечных показателей в меняющихся условиях плавки.

На основании анализа состояния изучения на сегодняшний день основных параметров ТП ВДГПл и методов их расчета показана необходимость дальнейшего исследования процессов, так как имеющиеся результаты их изучения и методы определения и управления ими далеко не полностью отражают существенно важные особенности плавки в ВДГП с металлическими охлаждаемыми тиглями.

8 этой главе поставлены и решены задачи анализа предельного теплового состояния плавильного узла ВДГП с медным водоохлаждаемым тиглем с целью определения максимальной температуры на внутренней поверхности медного тигля на границе его соприкосновения с гарнисажем, т.е. контактной температуры Тк, а также для установления необходимой интенсивности охлаждения наружной поверхности медного тигля - величины коэффициента теплоотдачи ас . Величины Тк и ас находились иэ уравнений стационарной теплопередачи:

Тк -Тп +</Ы . "С и ас кВт/мЧ где (1)

Тп и Тс - средние температуры соответственно наружной охлаждаемой поверхности тигля и охлаждающей среды (воды), 'С.

Я - удельный тепловой поток, проходящий через тигель и отводимый с его наружной поверхности, кВт/м2.

Ат - коэффициент теплопроводности материала тигля, кВт/м*К.

220

а

1

| 180

2

4) У-

5 140

100

Расчеты по формулам (1) были сделаны при следующих значениях теппофизических величин: Аг =0,395, Тл=70, Тс=40, р =300+750. Результаты расчетов представлены на рис.1 и рис.2. Из рис.1, видно, что значения максимальной контактной температуры не превышают 150+260°С при различных значениях удельного

теплового потока; но это не Рис. 1. Зависимость контактной температуры от означает, что они

Уде льныйт еппово .— I поток, кВг/мг 750 /1т

500

"400' 300

0,03

0,05 0,07

Толщина дна тигля, м

0,09

толщины гарнисажа и удельного теплового потока

«

2

*

ж"

7 СО

6

О с; с

Р

н х ю

5

аг к

£

обязательно будут

достигнуты при плавке, однако безусловно то, что эти температуры не будут превышены.

Из рис.2, следует, что с увеличением удельного теплового потока

коэффициент теплоотдачи в охлаждающую среду

возрастает, а с увеличением температурного напора (Т„ - Тс) он уменьшается.

При анализе

теплопередачи через боковую стенку тигля была установлена динамика Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи от изменения толщины

удельного теплового потока и температурного напора, бокового гарнисажа .

Оказалось, что боковой гарнисаж периодически то подплавляется до некоторой минимальной толщины

20

15

10

5

20 У

30 >

40^-

Темпе .... ратурный н апор, "С

300 400 500 600 Удельный тепловой поток, кВт/м2

700

1-гБтт> Т0 вновь утолщается до максимального значения Объясняется это

тем, что при подплавлении гарнисажа, когда он становится очень тонким и переходит в пластическое состояние, гидростатическое давление расплава прижимает тонкий гарнисаж к боковой поверхности тигля. При этом резко возрастает интенсивность отвода тепла от гарнисажа в стенку тигля, и гарнисаж вновь начинает утолщаться до некоторой величины 1-п;,^«, равной, как показали расчеты, около 20 мм. Затем гарнисаж вследствие усадки отходит от стенки тигля и,опять начинает лодплавляться.

В заключительной части первой главы рассмотрены особенности решения вопроса оптимизации режимов плавления металла в медных водоохлаждаемых тиглях, а также сформулированы задачи исследований в диссертационной работе.

Во второй главе рассмотрены наиболее важные теплофизические процессы в медном водоохлаждаемом тигле.

При анализе нестационарной теплопередачи через гарнисаж и дно тигля вследствие сложности решения задачи был использован известный прием замены составной. стенки (гарнисаж-тагель) однородной эквивалентной ей в тепловом смысле стенкой с соответствующими эквивалентными теплофизическими константами. В этом случае учитывается также термическое сопротивление теплоотдаче на охлаждаемой поверхности медного тигля, что позволяет рассматривать задачу о прогреве однородной эквивалентной стенки с граничными условиями первого рода на обеих поверхностях. Такое решение известно из общей теории теплопроводности и применительно к нашей задаче оно имеет вид:

=Ь*^ _£(_•,)- ^ехр^оД где (2)

'пл-|с 1"ЭК 1-1 Мл "-эк

ТШ~ТС - разность температур плавления и охлаждающей тигель среды; Ьзк-эквивалентная толщина расчетной стенки, м; ¡¡п =п-хл-характеристические

Чйсла; Роз* = - эквивалентный критерий Фурье; аэк =——--эквивалентный

'-эк ^экРэк

коэффициент температуропроводности, м2/с; г - время, с; . Лэк- эквивалентный коэффициент теплопроводности, Вт/м*К; Сж- эквивалентная удельная теплоемкость, кДж/кг*К; р^- эквивалентная плотность, кг/м3; х- расстояние от нагреваемой поверхности, м.

Решение (2) требуется для анализа процесса плавления кусковых литейных

отходов, загружаемых в тигель перед плавкой, и определения условии стабилизации толщины донного гарнисажа. На рис. 3 представлена общая расчетная схема плавления кусковой шихты.

Как и в работах Пушкина И.Л., процесс расплавления кускового металла в тигле, толщиной (.ц^и массой Сщ, разделен на два этапа (периода): на первом этапе, продолжительность одновременно с плавлением расходуемого

электрода (массой С31) происходит расплавление верхнего слоя кусковой шихты (толщиной 1_Ш1, массой Сш,). Образующийся при этом жидкий металл (массой = ) стекает вниз и заполняет пустоты между расположенными ниже

холодными кусками и, затвердевая, сваривает их в монолитный блок. Начальный донный гарнисаж (толщиной массой См) по этой причине увеличивается до

величины и массы Ст1. Выделяющаяся при затвердевании расплава теплота нагревает сваренную шихту и первоначальный донный гарнисаж до некоторой средней температуры Т1СР. На втором этапе происходит подпла-вление утолщенного гарнисажа (1.т,) на величину 1-™ и впл и образование жидкой ванны, масса которой

Ряс. 3. Расчета« схема плавления кусковых литейных Равна сУмме масс отходов в гарнисажном тигле. подплавленного слоя

донного гарнисажа впл

и сплавленной за время второго этапа с расходуемого электрода массы металла Сэг • С учетом коэффициента плотности укладки кусков отходов в тигеле

Кр =-^-«0,5 (где рн-насыпная плотность шихты, кг/м3; рТВ - плотность твердого Ртв

металла, кг/м3), а также принимая доли распределения полной мощности дуги Рд. между анодом РДА = 0,4РД и катодом Рдх = 0,6РД , можно получить следующие выражения, которые будут использованы дальше:

О™ -£>ш +<3Э1 -О./вб^р^^п, -1ГН0)=1,43Ош -0,785^(^-0, (3)

(4)

в, = вЭ1 +вЭ2=вв-вш-+ 0,785с1 ¿рт|! - 1.гно), (5)

^ 0,7140и гт = р гд

Рп(Тт -Т5)+яп„] , где (6)

средний диаметр жидкой ванны, м; Сте- теплоемкость твердого металла, кЦж/кг*К; Т0 - начальная температура шихты, "С; удельная теплота плавления металла, кДж/кг.

Оптимальная масса шихты для загрузки в тигель для сохранения заданной толщины донного гарнисажа 1тв конце плавки определяется из уравнения интегрального теплового баланса:

Ов+а^кк-Опл+агжк. (7)

где <Э8, 01АМС, Овд, - количество теплоты соответственно, подведенное за время второго этапа плавления г2Ш1 от жидкой ванны к поверхности плавления металла на дне тигля, аккумулированное донным гарнисажем на первом этапе плавления, затраченное на расплавление металла в тигле и аккумулированное донным гарнисажем и дном тигля на втором этапе плавления, кДж.

После подстановки в (7) выражений для отдельных статей баланса получаем объединенное уравнение процессов плавления, перегрева металла и изменения толщины донного гарнисажа:

И "I ас

ж аж м п'

гв- продолжительность процесса образования жидкой ванны в тигле, с; г1ЭК и гплэк~ соответственно эквивалентные (расчетные) продолжительности первого этапа и всего процесса плавления, с; 1_1а( и 1_2ЭК - соответственно эквивалентные толщины донного гарнисажа для первого и второго этапов плавления, м;

•"1ЭК

ЭК"

^"экгпл.эк L2

Чэк

(9)

Fo13K-эквивалентный критерий Фурье для 1-го этапа плавления; F<^3K-эквивалентный критерий Фурье для всего процесса плавления.

В третьей главе поставлены и решены задачи разработки математических моделей, которые вместе с построенными на их основе алгоритмами и программным обеспечением образуют, так называемое "идеалогическое" содержание как САПР, так и АСУ ТП ВДГПл.

Были разработаны два вида математических моделей - для процессов плавления на постоянной и на переменной мощностях дуги. Они построены с использованием результатов анализа, проделанного в главе 2 и некоторых элементов математического описания ТП ВДГПп в графитовых тиглях, содержащихся в работах Неуструева А.А, Пушкина И.Л., Шитова C.B. и других исследователей.

Математическая модель плавления на постоянной мощности дуги состоит из системы следующих уравнений:

1. Уравнение для определения необходимой массы расходуемого электрода: 6э=Ов-Э№ = Св-Сш+3532,5с1*,кг (10)

2. Уравнение для определения начальной длины электрода:

L , =--- 2ft3 Л™ "g* , м,Где d,- диаметр электрода, м (11)

0,785 xdlрте d|

3. Уравнение для определения продолжительности процесса плавления металла:

= 3040

3 К

e а

Gj Рл

Gш - 3532,5 xdg(Lr

1

, где

(12)

дэ-средняя массовая скорость плавления расходуемого электрода, кг/с 4. Продолжительность образования в тигле жидкой ванны металла:

_ G 23

9э

- 3040 ^ рд

1,43G ш - 3532,5d l(Ln -L^ )'

, с

(13)

5. Уравнение для определения среднего объемного перегрева жидкой ванны в конце плавления:

АТВ ,где

П (А + i - 1)

(14)

1,43Gtfl-3532,5dl(LrH-LrHO)" Ge

В =1 + 6,1 X 103

4s— А

РдКЭ

(15)

С = 7,1

G ВА <*8РЯКэ

Д = А

d2^

1080 - 7,73 х105 —

(16)

Кэ- коэффициент, учитывающий отклонение величины скорости плавления расходуемого электрода от ее расчетного значения, его значение Кэ < 1 находится опытным путем для каждой конкретной ВДГП.

6. Объединенное уравнение процессов плавления (электрод, кусковые литейные отходы), перегрева жидкой ванны и изменения толщины донного гарнисажа:

1670-Тс

а. ДТвКр = [1,43х вщ -3532,5с * (Ц* - I^J х 1739+

к 1

ы'Д Ос

,(17)

л a^ir гм п

ЭКП=11

гдеДТв(-1ГхС" ос {18)

° П (В + i - 1)х п

м

ДТВ - средний за процесс плавления перегрев расплава, °С;. KF - коэффициент формы поверхности плавления донного гарнисажа, KF «1,5.

В приведенной математической модели объединены и взаимосвязаны все основные параметры ТП ВДГПл в медном водоохлаждаемом тигле. Эта математическая модель является основной для разработки САПР ТП ВДГПл.

Математическая модель промесса плавления на переменной мощности дуги требуется в тех случаях, когда процесс плавления металла разбивают на несколько этапов с неодинаковой на них мощностью дуги. Она необходима также для создания АСУ ТП ВДГПл в качестве ее главного элемента. Эта математическая модель строится так же, как и приведенная выше математическая модель ТП ВДГПл на постоянной мощности дуги. Принципиальное различие между ними заключается в том, что модель плавления на переменной мощности дуги позволяет оценивать параметры процесса плавления в любой момент времени и при необходимости их корректировать для достижения заданных конечных значений массы и перегрева расплава и толщины донного гарнисажа в конце процесса плавления.

В четвертой главе рассмотрены вопросы построения алгоритмов, программного и информационного обеспечений, функциональной структуры САПР ТП плавления металла в медных тиглях.

На рис. 4. показана укрупненная блок-схема алгоритма автома-

тизированного проектирования оптимальных параметров ТП ВДГПл в медном водоохлаждаемом тигле. Она включает два взаимосвязанных контура:

1) для определения начального значения мощности дуги Рд, обеспечивающего достижение к концу плавки заданного среднего объемного перегрева жидкой ванны ДТЮ;

2) для определения оптимальной массы кусковых отходов, при которой может быть достигнута в конце плавки заданная конечная толщина гарнисажа L^.

Ввод исходных данных при проектировании ТГ) ВДГПл предполагает задание следующих величин в числовой форме:

1) Масса жидкой ванны

2) Средний объемный перегрев жидкой ванны

3) Толщина донного гарнисажа начальная

4) Толщина донного гарнисажа конечная заданная

5) Диаметр расходуемого электрода

6) Средний диаметр жидкой ванны

Определение начальных значений варьируемых параметров производится по следующим формулам:

еш=231х10-«вВ1 La-LfH-WlxW^G,. G^ =0,1GB-3532,5d|(Lm-LrK), (19) ДСШ =3532,5d|(LrK - Lne), Jfl где (20)

коэффициенты а и b находят по вольт-амперным характеристикам дуги или (что лучше) по известным результатам плавок на данной ВДГП, £в = 5 + 15°С , £г = 0,01 + 0,02, м

Программное .обеспечение составлено на основании математической модели (10)+(18) на языке прогаммирования "Паскаль" и ориентировано на использование персональных компьютеров JBM PC, Pentium и др. Программа разработана для решения, так называемой, обратной задачи проектирования, т.е. определения оптимальных режимов ТП плавления металла: силы тока дуги, про-должительности плавления, массы отходов для загрузки в тигель с учетом начальной толщины донного гарнисажа, массы расходуемого электрода, которые обеспечивают с необходимой точностью достижение в конце плавления заданных по условиям литья массы заливаемого а литейные формы жидкого металла, его среднего объемного перегрева, а также определенной конечной толщины донного

GB ,кг ЛТВЗ ,°С Lmo .М L-па ,м d3 ,м d8,M

ПУСК

Ввод исходных, данных

бьбор начального значении мпцноси дуги Рдн

Коррекция мессы

загружаемых » тнгаль епсодое

Определение веп. сред объемного

перегрева* кпщ/ плазю» ЛТВ

Коррекция мощности дут

гарнисажа. Программа автоматизированного проектирования прошла доработку и детальную проверку на соответствие поставленным требованиям по точности расчета перечисленных параметров в процессе предварительного математического моделирования. Результаты некоторых расчетов представлены на рисунке 5.

Из рис.5 вполне естественно следует, что величина среднего перегрева титановой ванны возрастает с повышением мощности дуги и уменьшается с увеличением массы наплавляемой жидкой ванны, так

как возрастает продолжительность плавления и время отвода тепла с увеличивающейся поверхности соприкосновения жидкого металла с поверхностью гарнисажа.

На рис. 6. показана схема

оптимизации ТП

плавления титана в ВДГП, поясняющая состав исходной информации о ТП ВДГПл, последовательность ее переработки в автоматизированной системе проектирования ТП и выдаче директивных указаний для проведения ТП ВДГПл. При этом используется система разработанного информационного обеспечения САПР ТП ВДГПл. Она включает все основные и необходимые для осуществления процедуры

Опредолвте конечной гсш^имы дойного гарнисажа

8

{да 1 11

Определение Вывод наптатъ

О .1 Г1 ,т » » 1 П1

Рис. 4. Укрупненная блок-схема алгоритма автоматизированного проектирования оптимальных параметров ТП ВДГПл.

проектирования 1/ТП

автоматизированного проектирования утп плавления металла в ВДГП. Все параметры предложено разбить на три группы: исходные параметры, параметры проведения ТП и конечные фактические результаты проведения ТП ВДГПл.

В заключение четвертой главы были составлены критерии оптимизации проектирования ТП плавления металла в ВДГП: минимум времени процесса плавления металла, минимум энергозатрат, максимум литейных отходов в общей массе наплавленной жидкой ванны, минимумы отклонений расчетных и фактических величин конечных параметров плавки:

о

На, и '100 'а 0,30 '300 6 0,35 1500 а 0, АО '750 г 0,ВО 1000

400 ,750 1000 1250

Мощность дуги, кВт

Ряс.5. Зависимость среднего перегрева титановой ванны от ее массы и мощности душ.

!

заданные конечные параметры процесса

0.. ЛТ„

и

| геометрические размеры 1 ; электрода и плавильного ! тигля

Из, Й,. I™

критерии оптимизации

Кг, К|, Кц Ну

Л и.

исходные

данные алгоритм 3

1 1 1 перебора

вариантов

математическое

обеспечение <-

эвм

начальные условия оптимального хода технологического процесса плавления металла

Рис. 6. Схема оптимизации гиавяеншг гитана в ВДГП

среднего перегрева расплава, его массы и толщины донного гарн и сажа.

В пятой глава осуществлено математическое моделирование расчетных функций САПР ТП плавления титана в медном водоохлаждаемом тигле.

Математическое моделирование сложного ТП ВДГПл приобретает важное значение в условиях настоящего времени, когда практически отсутствует возможность проведения натуральных экспериментов в заводских условиях. Оно также позволяет провести анализ разработанных математических моделей плавки в широких диапазонах изменения основных исходных параметров процесса и тем самым спрогнозировать его ход и конечные показатели на экстремальных режимах проведения ТП ВДГПл. Следует также учитывать небольшую стоимость и малые затраты времени на проведение математического моделирования по сра-внению с экспериментами на действующих промышленных ВДГП.

Для выполнения математического моделирования составлен алгоритм, программа и массив исходных данных по основным исходным параметрам ТП ВДГПл.

Массив исходных данных включает следующие параметры и диапазоны их изменения при моделировании: масса жидкой ванны от 35 до 1600 кг, средний диаметр ванны от 0,3 до 0,8 м, начальная толщина донного гарнисажа от 0,040 до 0,100 м, толщина дна тигля от 0,040 до 0,100 м, мощность дуги от 300 до 5000 кВт.

Математическое моделирование построено на решении, так называемой, обратной задачи проектирования параметров ТП ВДГПл, когда по заданной мощности дуги Рд, массе жидкой ванны Св, начальной толщине донного гарнисажа ^ и его заданной конечной величине а также среднему диаметру ванны и диаметру

электрода определяют средний перегрев расплава ДТВ, массу кусковой шихты для загрузки в тигель перед плавкой, массу и длину электрода и продолжительность плавления гпл.

Некоторые результаты обработки данных моделирования показаны на рисунках 7+10.

в 180 200 240 280 320 380

Масса жидкой ванны, кг

Рис. 7. Зависимость среднего объемного перегрева жидкой ванны от ее массы и мощности дуги при плавке.

Относительная глубина жидкой ванны, м

Рис. 8. Зависимость среднего объемного перегрева расплава от относительной глубины жидкой ванны для тиглей с различными значениями диаметра ванны.

Рис. 7. Уменьшение среднего объемного перегрева жидкой ванны с увеличением ее массы по мере плавления объясняется тем, что возрастает время пребывания (охлаждения) расплава в тигле и увеличивается поверхность теплоотдачи к гарнисажу.

Рас, 9. Изменение доли кусковых отходов в зависимости от относительной глубины жидкой ванны для тиглей с различными диаметрами ванн, при различных отношениях начальной и конечной заданной толщины гарписажа

О-пн^О

Рис. 8. Средний объемный перегрев жидкой ванны уменьшается с увеличением ее относительной глубины по той причине, что возрастает масса и время пребывания расплава в тигле, а следовательно продолжительность его охлаждения.

Рис.9. Так как начальная толщина донного гарнисажа больше его конечной заданной толщины, то идёт процесс подплавления донного гарнисажа, при этом в жидкую ванну со дна тигля поступает одинаковая масса расплавленного гарнисажа, но при увеличении массы расплава, увеличивается время плавления и, чтобы чрезмерно не подплавить гарнисаж, в тигель необходимо помещать все большее абсолютное и относительное количество кусковой шихты при

увеличении (—|.

Рис. 10. Продолжительность плавления при Рд=соп81, естественно, возрастает с увеличением массы наплавляемой жидкой

• ■■ V' . "г. • ,

ванны.

а 40 50 ео 70 80 80 500

С . 90 110 130 150 170 180 1000

в 180 200 260 300 340 360 1800

т 300 420 500 580 640 720 2000

Д £00 000 700 800 ООО 1000 2800

е 600 800 1000 1200 1400 1600 5000

■ Масса жидкой ванны, кг Рис. 10. Связь продолжительности процесса плавления с массой жидкой ванны и мощностью дуги.

В шестой главе приведены некоторые практические рекомендации по проектированию и эксплуатации медных водоохлахщаемых тиглей.

Целью проектирования плавильного узла ВДГП является разработка безопасного и работоспособного медного тигля с водяным охлаждением боковой и донной наружной поверхности.

Задачами проектирования являются: выбор конфигурации и внешних геометрических размеров, определение толщины стенок и дна тигля, задание оптимальной толщины донного гарнисажа, выбор отношения диаметра расходуемого электрода к среднему диаметру жидкой ванны, определение схемы водяного охлаждения стенок и дна тигля, выбор отношения максимальной высоты (глубины) жидкой ванны к ее среднему диаметру, задание материала для изготовления тигля, задание системы контроля теплового состояния тигля и т.д. Исходными данными для проектирования должны быть: максимальная вместимость тигля по жидкому титану, максимальная температура перегрева расплава, стабилизированная толщина донного гарнисажа, материал тигля и его физические свойства, температура воды на входе и выходе из системы охлаждения тигля, расход охлаждающей воды.

В диссертационной работе из перечисленных выше задач по проектированию медного водоохлаждаемого тигля рассмотрены только те, которые непосредственно связаны с результатами наших исследований.

Затем в работе были выполнен анализ различных схем водяного охлаждения медного тигля, от которых непосредственно зависит интенсивность охлаждения медных тиглей и, следовательно, надежность их работы.

На рис. 11 представлены результаты расчета коэффициента теплоотдачи с поверхности тигля в систему его охлаждения в случае применения щелевой системы охлаждения. Расчеты выполнены по формуле рекомендованной Кутателадзе С.С.:

t0.2 ЬС

,, кВт/м *К, где

(21)

\/Ус - скорость течения воды в канале, м/с; 1_с - толщина щели, м.

Щелевая

15

"а

- "Р ш

ж

s ю

о s

Шир ина тег *LC,M / £

0,010 —■—s /у <У

0,01S У /

/а /

J //

/

1 2 3 4 5 6 ? Скорость потока веды м/с

Рис. 11. Зависимость величины коэффициента

теплоотдачи а от скорости потока боды W и с с

ширины щели Ьс водоохлажаемой полости

система

охлаждения в виде сплошной кольцевой рубашки, как видно из графиков рис. 11, не обеспечивает необходимую интенсивность охлаждения медного тигля при плавлении металла на больших удельных тепловых потоках через стенки тигля (рис.2). Поэтому для повышения значений ас стали применять

продольно-струйную систему охлаждения, когда вода , охлаждает дно тигля, протекая в щелевой полости между дном тигля и наружным кожухом, а затем в поднимается вверх по

корпусе тигля.

5

многочисленным вертикальным каналам полукруглого сечения. На сконструированной и изготовленной модели этой системы были проведены эксперименты, результаты обработки экспериментальных данных представлены на рис. 12. Из него следует, что интенсивность охлаждения медного тигля при использовании продольно-струйной системы охлаждения больше, чем при щелевой системе охлаждения.

35

см 2

I ■=£

30

25

20

15

10

/

/

т *

1 1

/ / / • --- —'—

/

/

0.0 0,2 0,4 0,8

0,8

1,0

1,2 1,4

Скорость потока воды \Л/С , м/с

Затем была

исследована на созданной модели разработанная нами (патент №2137069} система локально-

струйного охлаждения поверхности медного тигля (рис. 13). Суть локально-струйного охлаждения состоит в том, что на поверхности тигля (1) выполняются лунки (углубления) (6) полусферической формы, максимально занимающие, развивающие Ю оребряющие эту поверхность. Охлаждающая вода подается к каждой лунке отдельно через напротив

воды: а) при локально-струйном охлаждении; б) при продольно-струйном охлаждении

Рис. 12. Зависимость величины ас от скорости потока находящиеся

лунок трубки (4). Отводится нагретая вода из лунок в полость между трубками (3) и далее попадает в отводящий коллектор (2). Как видно из рис. 12 такая система повышает интенсивность охлаждения тигля в 1,5+3 раза по сравнению с системой продольно-струйного охлаждения тигля.

В работе также представлено устройство (патент N82115750) для механизированного вычерчивания профиля гарнисажа в осевых вертикальных сечениях в любом масштабе. Сравнивая полученные изображения профиля гарнисажа с внутренним контуром тигля, контролируют толщину гарнисажа в

Рнс.13. Система локально-струйного охлаждения металлического гарнисажного тигля: 1- медный тигель кольцевой канал для отвода воды; 2-огверстие для выхода воды; 3- внутренняя перегородка для крепления в ней подводящих трубок; 4- подводящие трубки; 5- наружный кожух; б-углубление (лунки) на охлаждаемой поверхности тигля; 7- вертикальная кольцевая полостк для отвода воды; 8- вертикальный кольцевой подводящий коллектор; 9-отверстие для

данном вертикальном сечении. Знание толщины бокового и донного гарнисажа необходимо для последующего проектирования оптимального режима предстоящей плавки.

В практическом плане очень важным является вопрос вовлечения в плавку максимального количества образующихся в производстве фасонного литья кусковых отходов. Для этого был разработан способ (патент №2114925) компактирования литейных отходов, схема устройства для осуществления предлагаемого способа

показана на рис. 14. Кусковые отходы (1) плотно укладывают по высоте листового шаблона (2), который размещают по внутренней поверхности водо-охлаждаемой формы (3), установленной на основании (4). Шаблон изготовлен из титанового листа и плотно прилегает к внутренней поверхности формы, он придает

входа вода; 10- гарнисаж. изготовленному электроду эстетический вид. Торцевые плоские темплеты (5) выполнены из того же сплава, что и шихта и находятся в непосредственном контакте с шихтой. Одним темплетом изготовляемый электрод опирается на дно нижнего водоохлаждаемого съемного топкоподвода (6), на другой темплет устанавливают верхний съемный водоохлаждаемый токоподвод (7). Токоподводы по диаметру электрически изолированы (8) от формы. Электрический переменный или постоянный ток пропускают одновременно через весь слой кускового материала. Для создания надежного контакта между кусками к верхнему

"юкоподводу прикладывают осевое усилие, перемещающее куски шихты вниз по высоте шаблона ло мере их оплавления и уплотняющее их. Сваренная шихта, т.е. готовый расходуемый электрод выталкивают из формы верхним токоподводом при одновременном опускании нижнего токоподвода. Затем процесс повторяется.

Рис. 14. Схема изготовления расхо-

дуемого электрода из кусковых металлических • отходов: 1 - кусковые отходы; 2 - листовой шаблон; 3 - водоохлаждаемая форма; 4 - основание; 5 -темплегы; 6 - нижний водоохлаждаемый съемный токоподвод; 7 -верхний водоохлаждаемый съемный токоподвод; 8 -изолирующая прокладка.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В настоящей работе выполнены исследования наиболее важных вопросов вакуумной дуговой гарни сажной плавки титановых сплавов в медных водоохлаждаемых тиглях, а именно:

1. Проведен подробный анализ предельного теплового состояния медного водоохлаждаемого тигля в ВДГП при плавке в них титановых сплавов; установлена максимальная температура на внутренней поверхности медного тигля и необходимая интенсивность его наружного охлаждения.

2. Уточнена схема и динамика плавления кусковых литейных отходов в тигле и получены условия стабилизации толщины донного гарнисажа с использованием нового способа задания начального перед образованием

Усилие

жидкой ванны распределения температуры по его толщине.

3. Разработаны математические модели ТП ВДГПл титана в медном водоохлаждаемом тигле на постоянной и переменной мощности дуги, учитывающие и объединяющие все главные факторы такого способа плавления металла и необходимые а качестве основы для создания САПР и АСУ ТП ВДГПп.

4. Составлены алгоритмы, программой, информационное и организационное обеспечения системы автоматизированного проектирования оптимальных режимов ТП ВДГПл титана в медных водоохлаждаемых тиглях.

5. Проведено подробное математическое моделирование процессов плавления титана в медных водоохлаждаемых тиглях по разработанному математическому описанию и соответствующим алгоритму и программе в широком диапазоне изменения основных параметров процесса плавления металла.

6. Выполнено уточнение теплового баланса ТП ВДГПл титана в медном водоохлаждаемом тигле, установлены пределы изменения термического КПД ВДГП в зависимости от основных параметров процесса плавления металла.

7. Проведены экспериментальные исследования известных способов, а также разработанного более эффективного способа водяного охлаждения медного гарнисажного тигля на моделях; установлены значения коэффициента теплоотдачи при различных схемах водяного охлаждения поверхности медного тигля.

8. Разработан и запатентован новый эффективный способ комлактирования кусковых литейных отходов для изготовления расходуемых электродов с использованием в нем 100% отходов собственного литейного производства.

9. Предложено и запатентовано механизированное устройство (профилограф) для вычерчивания вертикального осевого профиля гарнисажа в любом оптимальном масштабе с целью определения по нему толщины гарнисажа и среднего диаметра ванны.

10. Разработана и запатентована новая система водяного охлаждения наружной поверхности медного гарнисажного тигля и его конструктивная схема с локально-струйным охлаждением.

В итоге результаты решения перечисленных вопросов позволили создать методику и основные компоненты системы автоматизированного проектирования оптимальных параметров ТП ВДГПл титановых сплавов в медных водоохлаждаемых тиглях и разработать ряд практических. рекомендаций по проектированию и эксплуатации таких тиглей.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Пушкин И.Л., Бондаренко Б.Г., Церкозский Б.Г. Анализ теплового режима работы однородного автотигля для плавки титана в дуговых печах. Всероссийская научно-техническая конференция "Новые материалы и технологии". - М.; МГАТУ, 1995.

2. Пушкин И.Л., Бондаренко В.Г., Фадеев А.В. Оптимизация процесса дуговой гарнисажной плавки титана в медном водоохлаждаемом тигле. Всероссийская научно-техническая конференция 'Теплофизика технологических процессов". -М.: РГАТА, 1996.

3. Бондаренко В.Г. Алгоритм автоматизированного проектирования оптимальных режимов дуговой плавки титана в медном тигле. Всеросийская молодежная научная конференция. "XXII Гагаринские чтения".- М.: МГАТУ, 1996.

4. Патент Российской Федерации № 2114925. Способ изготовления расходуемого электрода из кусковых металлических отходов. / Пушкин.ИЛ., Бондаренко В.Г., Надежин A.M. и др.

5. Патент Российской Федерации № 2115750. Устройство для контроля толщины гарнисажа в плавильном тигле. / Пушкин И.Л., Бондаренко В.Г. и др.

6. Патент Российской Федерации № 2137069. Гарнисажный тигель. / Пушкин И.Л., Бондаренко В.Г., Бережной Д.В., Бондаренко Г.И.

7. Пушкин И.Л., Колесников С.П., Суров Н.С., Бондаренко В.Г. Исследование интенсивности локально-струйного охлаждения медного гарнисажного тигля в дуговых печах. Всероссийская научно-техническая конференция "Новые материалы и технологии". - М-: МГАТУ, 1997.

8. Пушкин И.Л., Колесников С.П., Суров Н.С., Бондаренко В.Г. Исследование интенсивности продольно-струйного охлаждения медного гарнисажного тигля в вакуумных дуговых печах. Всероссийская научно-техническая конференция "Новые материалы и технологии" - М.:МГАТУ, 1997.

9. Пушкин И.Л., Бондаренко В.Г. Автоматизированное проектирование режимов дуговой гарнисажной плавки титана. Научно-технический информационный бюллетень "Новые технологии" №1. -М.: МГОУ, 1997.

Ю.Пушкин И.Л., Бондаренко В.Г. Адаптивная система автоматизированного управления параметрами плавки титана. Научно-технический информационный бюллетень "Новые технологии" №2. -М.: МГОУ, 1997.

11.Бондаренко В.Г., Бережной Д.В., Хренов И.Ю., Рубцова О.Я. Математическое моделирование функции САПР ТП дуговой гарнисажной плавки титана в медном тигле. Всеросийская молодежная научная конференция. "XXIV Гагаринские чтения". - М.: МГАТУ, 1998.

12. Бережной Д.В., Мурашов В.В., Бондаренко В.Г. Алгоритм автоматизированного проектирования параметров сдвоенных плавок титана в вакуумных дуговых гарнисажных печах. Всеросийская молодежная научная конференция. "XXIV Гагаринские чтения". - М.: МГАТУ, 1998.

13. Бондаренко В.Г., Бережной Д.В., Мурашов В.В. Тепловой баланс дуговой гарнисажной плавки титана в медном водоохлаждаемом тигле. Всеросийская молодежная научная конференция. "XXIV Гагаринские чтения". - М.: МГАТУ, 1998.