Исследование условий получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических тел при индукционном нагреве

Масликов, Павел Александрович

автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование условий получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических тел при индукционном нагреве

кандидата технических наук: Масликов, Павел Александрович
город: Санкт-Петербург
год: 2014
специальность ВАК РФ: 05.09.10
цена: 450 рублей

Диссертация по электротехнике на тему «Исследование условий получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических тел при индукционном нагреве»

Автореферат диссертации по теме "Исследование условий получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических тел при индукционном нагреве"

Масликов Павел Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТЕЛ ПРИ ИНДУКЦИОННОМ

НАГРЕВЕ

Специальность: 05.09.10- Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 ПАЙ 2014

Санкт-Петербург - 2014 005548091

005548091

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) в межотраслевой лаборатории «Современные Электротехнологии».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Демидович Виктор Болеславович Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

"ЛЭТИ" имени В.И. Ульянова (Ленина), профессор кафедры

электротехнологической и

преобразовательной техники

Фролов Владимир Яковлевич доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургский государственный политехнический университет,

заведующий кафедрой электротехники и электротехнологии

Тихомиров Илья Сергеевич

кандидат технических наук, ООО

«Интерм», начальник производства

Федеральное Государственное

Унитарное Предприятие Всероссийский Научно - Исследовательский Институт Токов Высокой Частоты ВНИИТВЧ

часов

минут на

Защита состоится " " 2014 г. в

заседании диссертационного совета Д 212.238.05 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" имени В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке СПбГЭТУ «ЛЭТИ и на сайте www.eltecli.ru

Автореферат разослан " о)" От_ иуте^ 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.238.05

М. П. Белов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Анализ международных тенденций и прогнозов в области применения металлических сплавов до 2020 года показывает, что титановые сплавы являются перспективными материалами мирового машиностроения широкого назначения. В международной научной среде идет постоянная работа по поиску новых идей применения титановых сплавов в различных отраслях промышленности, и, прежде всего, акцент ставят на областях, где важна качественная составляющая конечного изделия, а не коммерческая: космонавтика, авиатехника, военная промышленность и медицина.

Основные свойства титана и его сплавов, представляющие основную ценность для машиностроения — механическая и удельная прочности, сохраняющиеся при высоких температурах; малая плотность, ведущая к снижению массы конечного изделия — являются одновременно минусами для ценовой характеристики процесса обработки титановых сплавов и конечного изделия в целом. Исходя из вышесказанного, одна из основных проблем расширения использования титана - это сложность его механической обработки. Для обеспечения требуемых физико-механических свойств деталей из титановых сплавов и сведения механической обработки к минимуму повышаются требования к термообработке титановых заготовок. В настоящее время индукционный нагрев - это один из вариантов технологии термической обработки этого специфического металла с целью обеспечения необходимых теплофизических свойств.

Однако не только механические свойства титана и его сплавов усложняют работу с данными материалами. Титан и его сплавы в жидком состоянии имеют чрезвычайно высокую химическую активность: титан реагирует с кислородом, азотом, водородом, вступает во взаимодействие с различными оксидами, образующими огнеупорные материалы, и восстанавливает их. Кроме того, расплав титана растворяет углерод графитового тигля, что приводит к резкому снижению пластичности сплавов, поэтому титан нельзя плавить в печах, футерованных обычными огнеупорами.

На сегодняшний день единственным техническим решением для изготовления литых изделий из титановых сплавов весом до 5 кг является вакуумная плавка и разливка в медном водоохлаждаемом тигле. Все технологии, как отечественные, так и зарубежные объединяет одно условие - устранение контакта жидкого металла с окружающей средой за счет создания вакуума или защитной атмосферы, где и происходит процесс литья.

Следующим шагом в использовании титана и его сплавов является разработка технологии, обеспечивающей получение расплава титана на воздухе при нормальном давлении, что значительно удешевит процесс производства литых титановых изделий небольшой массы и расширит сферу использования титана и его сплавов. В ходе исследований предложен способ получения расплава титана внутри слитка индукционным способом, не прибегая к дополнительному оборудованию для создания вакуума, что значительно сокращает время процесса, и в конечном итоге снизит энергозатраты при производстве, уменьшит цену процесса и конечного изделия в целом.

В связи с вышесказанным целью работы является исследование, моделирование и разработка инновационной технологии получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических заготовок на воздухе и при нормальном давлении при индукционном нагреве.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ состояния и перспективы развития производства литых изделий из титановых сплавов;

2. Разработка математической модели расчета сопряженных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов для получения жидкой фазы металла внутри цилиндрических немагнитных тел;

3. Разработка в программных пакетах ANS YS и UNIVERSAL 2D численных моделей системы электромагнитной обработки титановых сплавов, на которых исследован процесс образования расплава внутри слитка;

4. Экспериментальные исследования процесса получения жидкой фазы титановых сплавов с помощью индукционной плавильной установки;

5. Исследование режимов работы индукционной установки и экспериментальная верификация разработанных численных моделей;

6. Составление рекомендаций для реализации процесса получения жидкой фазы титановых сплавов при индукционной плавке.

Методы исследования. Исследования электромагнитных, температурных полей и интегральных параметров индукционных систем проводились методами математической физики и вычислительной математики. Достоверность научных положений, представленных в диссертационной работе, подтверждается результатами моделирования с использованием апробированных программных средств и экспериментальными данными, полученными в результате верификации модели индукционного нагревателя.

Научная новизна и значимость работы состоит в следующем:

1. Разработаны численные модели расчета сопряженных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов для получения жидкой фазы титановых сплавов при индукционной плавке цилиндрических заготовок;

2. На моделях исследовано влияние частоты тока и режима плавки на процесс получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических тел при индукционном нагреве;

3. Установлены закономерности получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических заготовок при индукционной плавке;

4. Экспериментально исследовано получение жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических заготовок индукционным методом на воздухе и при нормальном давлении.

Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:

1. Реализованы в виде программ численные модели, позволяющие выполнить расчет различных параметров индукционной системы и характеристик процесса получения расплава внутри титанового слитка цилиндрической формы.

2. Разработан экспериментальный макет индукционной установки для получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических заготовок при индукционном нагреве.

3. Даны рекомендации по выбору частоты тока и режимов нагрева с целью получению расплава внутри титановой заготовки индукционным способом.

4. По результатам научных исследований получен патент РФ на полезную модель №136666 «Индукционная установка для плавки титановых сплавов».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Условия получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических тел индукционным способом;

2. Численные модели электромагнитной обработки титановых сплавов в программных пакетах ANSYS, UNIVERSAL 2D и FLUENT для получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических заготовок индукционным методом;

3. Исследование предложенного процесса получения расплава внутри титановой заготовки на основе разработанных численных моделей;

4. Экспериментальные исследования образования расплава внутри титановых слитков разных высоты и диаметра на воздухе при нормальном давлении.

Внедрение результатов. Научные и практические результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы при проектировании установок, использующихся для получения литых изделий из титановых сплавов весом до 5кг, а также при обучении студентов ВУЗов.

Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах и конференциях кафедры ЭТПТ и МОЛ СЭТ СПбГЭТУ (2010 - 2013), на международном молодежном форуме «Энергоэффективные электротехнологии» (Санкт-Петербург, 2011), на 27-ом международном конгрессе UIE-2012 (Санкт-Петербург, 2012), на международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты МКЭЭЭ-2012» (Алушта, 2012), на научных коллоквиумах в Институте Электротехнологии Университета Ганновера (Ганновер, Германия, 2012 и 2013), на международном симпозиуме «HES-13 International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources» (Падуя, Италия, 2013).

Диссертационная работа написана в рамках выполнения ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, госконтракты ГК 14.740.11.0951 и ГК 14.740.11.0824.

Публикации по теме диссертации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 17 работах, среди которых 6 работ в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендуемых в действующем перечне ВАК, 3 - материалах всероссийских конференций и форумов, 6 работ - в материалах международных конференций и форумов и 2 - в иностранных издательствах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 53 наименования. Работа изложена на 147 листах машинописного текста и содержит 120 рисунков и 36 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показывается актуальность диссертационной работы, формулируется цель ее проведения, излагаются основные концепции, лежащие в основе работы и определяющие ее структуру и методы исследования.

Первая глава посвящена обзору технологий получения литых изделий из титана и титановых сплавов. Целью исследований являлось выявление состояния уровня техники в области разработок нагревательных систем, обеспечивающих достижение жидкого состояния заготовок из титана и его сплавов для последующего литья и использования изделий в различных областях машиностроения и металлургии. Выполнен анализ работ, в результате которого выявлены основные недостатки существующих технологий, и показана перспективность технологии с применением индукционного нагрева без использования защитной атмосферы или вакуума.

Кварцевая трубка

Опора

Рисунок 1 - Общий вид оборудования для плавки титана при отказе от вакуумной камеры (слева) и ЗВ-модель индукционной установки для бестигельной плавки титановых сплавов (справа). Характер изменения температурного поля по сечению заготовки в процессе индукционного нагрева и получения расплава внутри слитка иллюстрирует рисунок 2.

Время нагрева I,

Время нагрева

Радиус

Рисунок 2 - Характер распределения температурного поля по радиусу заготовки в процессе индукционного нагрева в различные моменты времени.

До момента времени ^ происходит интенсивный нагрев поверхности заготовки при постоянном значении подаваемой мощности, вследствие чего температура поверхности значительно превышает температуру центра ТП>Т„. Далее значение мощности снижается, и температурный перепад между поверхностью и центром выравнивается. В момент времени 12 температуры на поверхности и в центре равны Т„ = Тц и соответственно ДТ2=0. Из-за тепловых потерь с поверхности заготовки максимум температуры находится на некоторой глубине от поверхности. При достижении температуры поверхности уровня 1400С°-1450СС и уменьшении мощности за счет излучения и конвекции максимум температур постепенно переходит в центр заготовки. Это явление имеет место при индукционном нагреве всех металлов, однако для титановых сплавов оно проявляется сильнее из-за низкой теплопроводности и высокой температуры плавления. Перегрев внутренних слоев металла приводит к их расплавлению в момент времени 13. Процесс плавления происходит до наступления термодинамического равновесия между энергией, поступающей в заготовку, и тепловыми потерями с её поверхности, когда внутри заготовки образуется зона расплава, отделенная от внешней среды слоем защитного гарнисажа ДХ (момент времени 14).

Во второй главе рассмотрены принципы построения электротепловых моделей, которые учитывают взаимное влияние электромагнитных и

температурных полей. Расчет

С

х

3

Создание геометрии и

формирование пространственной сетэси

Рисунок 3 - Алгоритм совместного решения электромагнитной и тепловой задач при индукционном нагреве.

электромагнитных и тепловых полей, позволяющий обеспечить

адекватность разрабатываемых

моделей реальным процессам нагрева заготовок, осуществляется

различными методами, в частности МИУ, МКР или МКЭ, или их комбинацией, но алгоритм расчета электротепловых процессов одинаков (рисунок 3).

На первом этапе производится первичная обработка исходных данных, в том числе формирование пространственной сетки тепловой задачи, аппроксимация таблично заданных тепло- и электрофизических свойств, зависящих от температуры, установление эквивалентных

граничных условий для тепловой задачи, разбиение загрузки на элементы для электрической задачи. Затем производится расчет электрических параметров системы и распределения источников теплоты.

После решения электрической задачи происходит формирование массива внутренних источников теплоты в узлах пространственной сетки загрузки. Одновременно задаются граничные условия для тепловой задачи, причем на торцах и поверхности заготовки условия теплообмена могут быть заданы разными. В дальнейшем производится расчет температурного поля в заготовке, как с внутренними источниками теплоты, так и без них. После чего полученные данные обрабатываются, и процесс расчета либо повторяет цикл, либо завершается.

В третьей главе на основе разработанных численных моделей исследовано влияние частоты тока и режима нагрева на процесс получения жидкой фазы титановых сплавов при индукционном нагреве цилиндрических тел. На первом этапе исследований в программном пакете АЫБУЗ была рассмотрена простейшая одномерная модель процесса индукционного нагрева заготовки из титанового сплава ВТ6 диаметром 60мм, которая позволила наглядно продемонстрировать образование защитного слоя гарнисажа и построить семейство графиков

Рисунок 4 - Распределение температуры по радиусу заготовки на первом этапе

Рисунок 5 — Постепенное смещение Рисунок 6 - Распределение температуры максимума температуры с поверхности к с момента появления расплава до внутренним слоям заготовки в разные наступления термодинамического моменты времени. равновесия.

Главной целью данного моделирования является определение потенциальной возможности реализации технологии плавки внутри слитка. Длина как заготовки, так и индуктора не играет роли ввиду использования на начальном этапе исследований только одномерного моделирования. Нагрев осуществлялся на частоте, оптимальной для заготовки, исходя из обеспечения приемлемого электрического КПД и максимальной глубины проникновения токов в материал.

Второй этап включал в себя более подробные исследования на 2D моделях в программах ANSYS и UNIVERSAL. Исследования проводились в диапазоне частот от 1кГц до 100 кГц (рисунок 7). Для подтверждения результатов, полученных при численном моделировании в ANSYS, были проведены расчеты в программном пакете UNIVERSAL 2D, что позволило путем перекрестных расчетов подтвердить достоверность результатов (таблица 1). Расчеты проводились до наступления термодинамического равновесия между энергией, поступающей в заготовку, и тепловыми потерями с её поверхности, когда внутри заготовки образуется зона расплава, отделенная от внешней среды слоем защитного гарнисажа (рисунок 8).

Таблица 1.

Частота, Гц Активная мощность загрузки, Вт Актив мощно индукто) ■ая сть )а, Вт Напряжение индуктора, В Объём расплава в % от общей массы слитка

ANSYS UNI 2D ANSYS UNI 2D ANSYS UNI 2D ANSYS UNI 2D

1000 6770 7321 19054 16200 66 70 60 65

4000 7383 7658 11602 11500 116 119 75 70

10000 7714 7789 11542 11450 209 213 72 60

15000 7597 7880 11296 11100 271 277 67 52

25000 7656 7930 11285 11080 383 388 52 50

35000 7569 7870 11117 11040 481 492 15 10

44000 7459 7720 10949 11000 560 574 4 3 .

66000 7219 7440 10626 10820 840 856 2 2

100000 7051 7120 10389 10500 974 980 1 1

Расхождение результатов в двух программных пакетах составляет около 5-7% при расчете напряжения, мощностей и КПД. Нагрев на частоте 4 кГц позволяет получить максимальное количество расплава (около 75% от общей массы) внутри титановой заготовки без

значительного перегрева торцов, тогда как увеличение частоты до 30 кГц и выше ведет к резкому перегреву и проплавлению заготовки в торцевой зоне, нарушая технологический процесс. Вследствие «раннего» проплавления поверхности заготовки количество расплава значительно

Ч»«вг». кГа

Рисунок 7 - Количество расплава в % от общей массы слитка в зависимости от частоты тока.

снижается, при этом время процесса остается неизменным и колеблется в пределах 10-11 минут. Перегрев заготовки объясняется краевыми эффектами индуктора и детали, которые с увеличением частоты становятся ярко выраженными.

Рисунок 8 - Ванна расплава внутри слитка на частотах слева направо: 1кГц, 4кГц, 1 ОкГц, 15 кГц, 25 кГц, 35 кГц, 44 кГц.

Дальнейшие исследования проводились в программном пакете АЫБУБ на частоте 4 кГц, и уже на заданной частоте осуществлялся подбор оптимального режима по мощности, напряжения и току (таблица 2). Лучший результат (максимальный объём расплава в % от общей массы слитка) достигается на частоте 4 кГц при токе индуктора 1270 А. Дальнейшее даже незначительное увеличение тока индуктора и мощности соответственно приводит к проплавлению поверхности заготовки. В то же время тока в 1160 А недостаточно для образования расплава внутри слитка (рисунок 9).

Таблица 2.

Активная мощность загрузки, Вт Активная мощность индуктора, Вт Время нагрева, с Ток индуктора, А Напряжение индуктора, В Эл. кпд Cos ф Объём расплава в % от общей массы слитка

6159.62 9678.88 625 1160 106,2 0,636 0,0786 Расплава нет

6244.87 9812.85 625 1168 106,93 0,636 0,0786 Появление расплава

6266.27 9846.48 620 1170 107,11 0,636 0,0786 7

6427.98 10100.57 605 1185 108,48 0,636 0,0786 42

6591.74 10357.9 605 1200 109,86 0,636 0,0786 55

6813.3 10706.04 605 1220 111,69 0,636 0,0786 62

7145,75 11239,04 600 1250 114,44 0,636 0,0786 70

7383.21 11601.57 575 1270 116,27 0,636 0,0786 75 (лучший результат)

7499.94 11784.99 570 1280 117,18 0,636 0,0786 Проплавление поверхности

Исследования показывают, что максимально возможный объем расплава, полученный при нагреве титана, составляет 75-76%, но при этом с ростом частоты вследствие краевого эффекта идет сильный перегрев торцов, что недопустимо для технологического процесса.

Численное моделирование показало возможность реализации предложенной технологии, после чего полученные результаты были перенесены на экспериментальные исследования.

Рисунок 9 - Ванна расплава внутри слитка при токе индуктора слева направо: 1168А, 1170А, 1185А, 1200А, 1220А, 1270Аи 1280А.

В четвертой главе производится экспериментальное исследование системы индукционного нагрева заготовок из титанового сплава ВТ6 с целью проверки на технологическую точность и адекватность реальному процессу нагрева разработанной в диссертации электротепловой двухмерной модели.

После проведения численного моделирования, были разработаны лабораторные макеты для индукционного нагрева заготовок 020x30мм, 030x35мм и 060x100мм, параметры которых представлены в таблице 3, которые позволили оценить степень соответствия данных, рассчитанных по модели и данных, полученных в результате проведения эксперимента.

_Таблица 3.

Макет №1 Макет №2 Макет №3

Размеры заготовки 020x30мм | 030x35мм 060x100мм 060x100мм

Диаметр индуктора 60 мм 100 мм 100 мм

Высота индуктора 85 мм 190 мм 190 мм

Частота 7 кГц 7 кГц 4кГц ббкГц

Ток индуктора -975 А -910 А ~ 1050 А -55 А

Время процесса ~ 235 сек - 245 сек -700 сек -2100 сек

Индуктор представляет собой многовитковую спиральную катушку из тонкостенной медной трубки с различными монтажными элементами, длина, диаметр, количество витков которой повторяют данные при численном моделировании. В индукторе по центру и коаксиально установлена кварцевая трубка, на верхний торец которой помещена титановая заготовка симметрично относительно обоих концов индуктора (рисунок 10).

Исходное значение мощности генератора, полученное по численной модели, корректировалось оператором в зависимости от температуры на поверхности заготовки. На конечном этапе нагрева наблюдалась стабилизация температуры и соответственно

Рисунок 10 - Макет экспериментальной установки для нагрева заготовок 060x100мм на 4кГц

стабилизация электрических параметров. В ходе экспериментов на лабораторных макетах №1 и №2 было получено частичное подтверждение численных результатов (рисунки 11,12), после чего сделан вывод, что численное моделирование не показывает точного распределения расплава внутри заготовки, и для представления картины процесса необходимо в модель включать расчет кроме тепловой и электромагнитной, еще и гидродинамической задачи.

Рисунок 11 - Заготовка 020x30мм после нагрева (слева) и результат эксперимента с заготовкой 030x35 (справа).

Рисунок 12 - Половина заготовки 06Ох 100мм - стенка гарнисажа ~ в 2 мм.

Для оценки роли МГД процессов были проведены дополнительные экспериментальные исследования на высоких частотах. В процессе дополнительных экспериментов на ббкГц на лабораторном макете №3 (рисунок 13), несмотря на режим длительной стабилизации температуры, когда значение тепловых потерь с поверхности заготовки компенсируется значением потребляемой мощности, произошло проплавление боковой поверхности

Рисунок 13 - Макет экспериментальной Рисунок 14 — Результат эксперимента установки для нагрева заготовок на частоте ббкГц. Поверхность

060x100мм на ббкГц заготовки расплавлена

Это позволяет сделать выводы о важном влиянии на формирование расплава МГД процессов, связанных с воздействием электромагнитного поля на интенсивность перемешивания жидкого металла, и приводит к необходимости комплексного моделирования системы с учетом электромагнитных, тепловых и магнитогидродинамических явлений.

В пятой главе разрабатывается численная модель, сочетающая в себе решение электромагнитной, тепловой и гидродинамической задач, для получения расплава внутри титанового слитка на воздухе при нормальном давлении.

Результаты, полученные в ходе экспериментальных исследований, наглядно показали, что в ходе данного технологического процесса происходит сильное «размывание» металла внутри заготовки за счет движения жидкого металла под воздействием электромагнитных сил.

Течение металла внутри заготовки описывается уравнением Навье — Стокса, которое основано на законе сохранения импульса и для несжимаемой жидкости может быть записано в следующей форме:

ди: ди, 1 др 82и, , . , „,

—- + и<—- =---— + и-— + /,, 1 = 1,2,3,

д! дх, р, дх, 8х,дх;

где и; - скорость жидкости, р - плотность жидкости, о = ц/р - кинематическая вязкость, р — давление и/¡ — представляет собой вязкость внешней объёмной силы, действующей на жидкость. В приведённой выше и следующих формулах индексы могут принимать значение 1, 2 и 3, обозначая направления х, у и ъ.

В процессе плавления основными объёмными силами, действующими на металл, являются сила гравитации и сила электромагнитного поля.

Закон сохранения массы принимает для несжимаемой жидкости вид ди,

уравнения неразрывности: —= О

дх:

Если плотность жидкости не является постоянной, для замыкания системы используется следующее уравнение: р= р(Т, р).

Для несжимаемой жидкости — = 0. Это условие удовлетворяет для потока

5/

металла в индукционной системе «расплав - твердая заготовка», т.к. скорости потока много меньше скорости звука в данной среде. В связи с тем, что жидкость несжимаема, в модели отсутствует учёт плавучести. Если градиенты температур в жидкой среде не велики (несколько градусов) флуктуации плотности р' будут крайне малы: р' « р, таким образом, уравнение состояния среды может принять не зависимую от давлению форму: р = р0 (1 - аДТ), где р0 - значение средней плотности, а = -р~'(др/дТ)р коэффициент термического расширения, АТ — разница температур.

С другой стороны конвективному течению в металле способствует электромагнитное поле. Сила электромагнитного поля может быть представлена как: /£М=0.5И-е^хв), где ^ плотность тока в индукторе; В - интенсивность магнитного поля.

В математической модели, использованной для исследования, в связи со значительными временными затратами на каждый численный эксперимент с целью упрощения влияние гравитации на движение металла не учитывалось.

Таким образом, уравнение Навье - Стокса может быть переписано в безразмерном виде, включающее число Рейнольдса Re, которое определяет

отношение сил инерции к силам вязкости:+ = + —__д и> + 7

dt 1 дх, дх, Re dxjdxj J"

где число Рейнольдса определяется как: Re = = —

Ц V

В работе в качестве характерного размера L был принят диаметр заготовки, под значением скорости U понимается средняя скорость потока самых больших вихрей в потоке, и динамическая вязкость расплава. Под характерным временем принят период обращения вихрей. В процессе моделирования для упрощения расчётов также не были включены уравнения, учитывающие перенос массы.

Существует несколько подходов к моделированию турбулентности. Широко известен метод с осреднением уравнений Навье - Стокса по Рейнольдсу (Reynolds Averaged Navier-Stokes - RANS) при замыкании рейнольдсовских напряжений полуэмпирическими моделями турбулентности, например к-е моделью. Преимуществом RANS являются пониженные требования к вычислительной мощности компьютера, к ограничениям относится существенное упрощение пульсационной структуры течения. Именно данный метод был использован на данном этапе исследований гидродинамической задачи в качестве альтернативы прямого решения трёхмерных нестационарных уравнений Навье -Стокса. Значения всех необходимых параметров для расчета магнитогидродинамической задачи извлекаются в ходе решения электромагнитной задачи. Совместное решение осредненных уравнений Навье-Стокса, уравнения теплопроводности и уравнения состояния с помощью методов численного моделирования RANS позволяют увидеть форму ванны расплава в процессе плавления внутренних слоев слитка и получить результат распределения вектора скоростей в расплаве (рисунок 15).

I

I:

I

м:

Рисунок 15 - Распределение средних скоростей в расплаве титана с момента образования расплава и до момента наступления термодинамического равновесия

в системе

Стандартные методы описания гидродинамической задачи требуют значительных затрат вычислительной техники и не всегда целесообразны в использовании ввиду длительности расчета. Основываясь на вышесказанном,

была разработана упрощенная модель получения жидкой зоны внутри слитка при индукционном нагреве.

Одной из основных причин «размывания» металла внутри заготовки является скачкообразное изменения теплопроводности металла при образовании расплава. Исходя из данного предположения, было принято решение внести в модель понятие «турбулентной теплопроводности» в момент появления расплава внутри заготовки. В жидких металлах теплопроводность велика, и поэтому распределение температур существенно от неё зависит. При этом, имея ту же вязкость, что и многие жидкости, расплавы обладают в десятки раз большей теплопроводностью, а количество теплоты, передаваемой по молекулярному и турбулентному механизму, значительно превосходит аналогичное значение в жидкостях. Наряду с явлением теплопроводности, развивающимся на микрофизическом уровне, в жидких средах существует турбулентная теплопроводность, которая обусловливаются возникающим при определенных обстоятельствах макроскопическим пульсационным движением молей. В отличие от коэффициента X коэффициент Хт только отчасти зависит от физических свойств данной среды, определяемых ее внутренним состоянием, главным же образом характеристики турбулентной структуры течения зависят от конфигурации и размеров поля, от уровня осредненных скоростей, от первоначальной организации потока и от других внешних факторов. Кроме того, величина 1г может меняться и действительно меняется от места к месту. Турбулентному режиму течения свойствен специфический вид переноса теплоты, физически отвечающий конвективному, а по форме записи - теплопроводности: 0Г = - Яг *grad Т

При развитой турбулентности АГ»А и соответственно С>Г»С)Г; исключение составляют зоны потока, прилегающие к твердой поверхности, где турбулентность затухает, и интенсивность турбулентного переноса уменьшается. Значения Аг во много раз превышают значения Я, так как в ядре потока количество тепла, переносимое турбулентными пульсациями, гораздо больше, чем при переносе путем теплопроводности.

В результате численного моделирования в программном пакете была

разработана модель, которая позволяет наглядно продемонстрировать процесс образования расплава внутри заготовки, где поверхность, оставаясь в твердом состоянии, образует защитный слой гарнисажа, и качественно показывает направление, в котором происходит «размывание» металла внутри титанового цилиндра (рисунок 16).

Рисунок 18 - Пошаговое образование расплава внутри заготовки при увеличении значения тепловодности в расплаве в 15 раз по оси X и в 150 раз по оси Y по сравнению с этим параметром твердого материала

Основываясь на результатах численного моделирования и сравнивая их с экспериментальными данными, можно сделать следующие выводы:

1. Скорость движения и соответственно «размывание» металла после появления расплава внутри слитка по осям различны: в стороны торцов слитка скорость значительно выше, нежели у боковой поверхности.

2. В расплаве теплопроводность титана по оси Y примерно в 10 раз выше теплопроводности по оси X. Стоит учитывать, что увеличение тепловодности в сторону боковой поверхности больше, чем в 20 раз по сравнению с тепловодностью твердого металла, приводит к снижению толщины боковой стенки до критического уровня и влечет за собой проплавление. В то же время увеличение теплопроводности расплава в сравнении с этим же показателем твердого металла меньше, чем в 10 раз по оси X, недостаточно для образования достаточно тонкого слоя гарнисажа у торцов заготовки, независимо от увеличения теплопроводности по оси Y.

3. Увеличив значение тепловодности титана в расплаве в 15 раз по оси X и в 150 раз по оси Y по сравнению с этим параметром твердого материала, численная модель повторяет результаты эксперимента и расчет в программном пакете FLUENT, доказывая тем самым значительную роль МГД процессов в реализации предложенной технологии получения расплава титана внутри слитка индукционным способом на воздухе и при нормальном давлении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ состояния уровня техники в области ' разработок нагревательных систем, обеспечивающих достижение жидкого состояния заготовок из титана и титановых сплавов для последующего литья, в результате которого выявлены основные недостатки существующих технологий, и показана перспективность технологии с применением индукционного нагрева без использования защитной атмосферы или вакуума;

2. Разработаны в средах FLUENT, ANSYS и UNIVERSAL 2D численные модели расчета сопряженных электромагнитных, тепловых и гидродинамических задач для получения жидкой фазы металла в цилиндрических немагнитных телах индукционным способом;

3. Показана методология расчета и оптимизация предложенного процесса получения расплава внутри титановой заготовки на основе разработанных численных моделей;

4. Спроектирован индукционный нагреватель для реализации технологии получения расплава внутри титанового слитка на воздухе при нормальном давлении;

5. Проведены экспериментальные исследования образования расплава внутри титановых слитков разных высоты и диаметра на воздухе при нормальном давлении.

6. По результатам научных исследований получен патент РФ на полезную модель №136666 «Индукционная установка для плавки титановых сплавов».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации, входящие в перечень ВАК:

1. Масликов П.А. Моделирование электромагнитных и температурных полей при периодическом индукционном нагреве цилиндрических немагнитных заготовок [Текст] / Демидович В.Б., Чмиленко Ф.В., Григорьев Е.А., Растворова И.И., Масликов П.А. // Индукционный нагрев. - 2010. - №4(14), С. 13-18

2. Масликов П.А. Прецизионный нагрев цилиндрических заготовок в индукционном нагревателе периодического действия [Текст] / Демидович В.Б., Григорьев Е.А., Растворова И.И., Масликов П.А // Известия «ЛЭТИ» - 2011. -№2, С.53-59

3. Масликов П.А. Влияние на качество нагрева в одном индукторе заготовок различной длины и диаметра [Текст] / Демидович В.Б., Григорьев Е.А., Масликов П.А. // Индукционный нагрев. - 2011. - №2(16), С.22-26

4. Масликов П.А. Технологии электромагнитного получения литых изделий из титана и титановых сплавов [Текст] / В.Б. Демидович, П.А. Масликов, Д.А. Баранов, A.A. Ковинька // Индукционный нагрев. - 2012. - №2(20), С.14-18

5. Масликов П.А. Инновационные технологии обработки титановых сплавов с применением индукционного нагрева [Текст] / В.Б. Демидович, П.А. Масликов, Е.А. Григорьев, В.А. Оленин // Индукционный нагрев. - 2012. -№3(21), С.26-28

6. Масликов П.А. Роль МГД явлений для получения жидкой фазы в титановом слитке при безтигельной плавке на воздухе [Текст] / В.Б. Демидович, П.А. Масликов // Индукционный нагрев. — 2013. - №2(24), С.33-36

Другие публикации:

7. Maslikov P. Precize heating of the cylindrical billets in the stage induction heaters (Прецизионный нагрев цилиндрических заготовок в индукционном нагревателе периодического действия) [Текст] / Demidovich V., Grigoriev Е., Maslikov P., Rastvorova I.// ICEEE-2010 "13th International Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Electromaterials and Components" Alushta, Crimea, Ukraine, - 2010 - P. 123

8. Maslikov P. Precize heating of the cylindrical billets in the stage induction heaters (Прецизионный нагрев цилиндрических заготовок в индукционном нагревателе периодического действия) [Текст] / Demidovich V., Grigoriev Е., Maslikov P., Rastvorova I., Olenin V. // International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources, Padua, - 2010 — P. 37-44

9. Масликов П.А. Особенности индукционного нагрева титановых сплавов [Текст] / Демидович В.Б., Григорьев Е.А., Масликов П.А., Растворова И.И., Комагорцева У.В. // Материалы конференции «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-11», Екатеринбург - 2011 - С. 111-116

10. Maslikov P. Precise induction heating of Ti and Zr billets (Прецизионный нагрев титановых и циркониевых заготовок) [Текст] / Demidovich V., Grigoriev Е., Maslikov P., Rastvorova I., Olenin V. // Heat Processing, Essen, Germany, - 2011 . -№3(9), C.266-270

11. Масликов П.А. Современные технологии получения литых изделий из титановых сплавов [Текст] / Масликов П.А. // Материалы международного молодежного форума «Энергоэффективные электротехнологии», Санкт-Петербург - 2011 - С. 58-59

12. Масликов П.А. Исследование энергоэффективных индукционных технологий обработки титановых сплавов [Текст] / П.А. Масликов, В.Б. Демидович, Б. Наке // Сборник материалов Всероссийской студенческой олимпиады, научно-практической конференции и выставки работ студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», Екатеринбург-2011-С. 153-155

13. Maslikov P. Innovative induction heating technologies of processing titanium alloys (Инновационные индукционные технологии по обработке титановых сплавов) [Текст] / Demidovich V., Maslikov P., Olenin V. // Proceedings of the XVII UIE Congress, St.Petersburg - 2012 - P.390-393

14. Масликов П.А. Получение твердожидкого состояния титановых сплавов индукционным способом [Текст] / В.Б. Демидович, П.А.Масликов, А.А. Ковинька. // Материалы международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты МКЭЭЭ-2012», Крым, Алушта - 2012 - С.341-343

15. Масликов П.А. Энергоэффективные индукционные технологии получения твердожидкого состояния титановых сплавов с применением индукционного нагрева [Текст] / П.А. Масликов, В.Б. Демидович, Б. Наке // Сборник материалов Всероссийской студенческой олимпиады, научно-практической конференции и выставки работ студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», Екатеринбург — 2011— С. 111-113

16. Maslikov P. Obtaining of semi-solid state of titanium alloys by the induction method (Получение твердо-жидкого состояния титановых сплавов индукционным способом) [Текст] / V.Demidovich, Е. Grigoriev, P.Maslikov // International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources, Padua, - 2013 - P. 523-530

17. Maslikov P. Advanced induction heating technology for titanium alloy (Передовые технологии индукционного нагрева титановых сплавов) [Текст] / Demidovich V., Maslikov P., Grigoriev E., Olenin V. // Heat Treatment, Shanghai, China,-2013 . - Vol. 28 №6(125), C.16-18

Подписано в печать 28.03.2014 Формат 60х84'Лб Цифровая Печ. л. 1.0 Тираж 100 Заказ 01/04 печать Бесплатно

Типография «Фалкон Принт» (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2)

Текст работы Масликов, Павел Александрович, диссертация по теме Электротехнология

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»

На правах рукописи

04201459100 Масликов Павел Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТЕЛ ПРИ

ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ

Специальность: 05.09.10- Электротехнология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Демидович Виктор Болеславович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр

ВВЕДЕНИЕ................................................................................... 5

1. АНАЛИЗ И ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ....................... 11

1.1. Состояние и перспективы развития производства литых изделий из титановых сплавов.................................................................. 11

1.2. Основная идея и описание предлагаемой технологии получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических заготовок

на воздухе и при нормальном давлении при индукционном нагреве... 19

1.3. Постановка задачи.................................................................. 22

Выводы по главе.................................................................... 24

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОПРЯЖЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В

ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ НЕМАГНИТНЫХ ТЕЛАХ.......................... 25

Выводы по главе.................................................................... 36

3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАСПЛАВА ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ ИНДУКЦИОННЫМ МЕТОДОМ............................. 37

3.1. Одномерная численная модель системы электромагнитной обработки титановых сплавов для получения расплава внутри цилиндрической заготовки, разработанная в программном пакете ANS YS.................. 37

3.2. Двумерная численная модель системы электромагнитной обработки титановых сплавов для получения расплава внутри цилиндрической заготовки индукционным методом, разработанная в программном пакете UNIVERSAL 2D............................................................ 40

3.3. 2Б-модель сопряженных электромагнитных и тепловых полей, разработанная в программном пакете ANSYS, для исследования

процесса образования расплава внутри слитка.............................. 58

3.4. Сравнение результатов моделирования в программных пакетах ANSYS и UNIVERSAL 2D........................................................ 67

3.5. Подбор оптимальных входных параметров режима работы индукционной системы для образования расплава внутри титановой

заготовки в программном пакете ANSYS на частоте 4 кГц............... 74

Выводы по главе...................................................................... 78

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ РАСПЛАВА ВНУТРИ ТИТАНОВЫХ СЛИТКОВ РАЗНЫХ ВЫСОТЫ И ДИАМЕТРА НА ВОЗДУХЕ ПРИ НОРМАЛЬНОМ ДАВЛЕНИИ.......................................................................... 79

4.1. Исследования нагрева титановых заготовок 020x30мм и 030x35мм

на лабораторном макете........................................................... 79

4.2. Исследования нагрева титановых заготовок 060x100мм на экспериментальной установке с целью получения расплава внутри слитка на частоте 4 кГц............................................................ 81

4.3. Дополнительные исследования электромагнитной системы воздействия на металлы для оценки роли МГД процессов на высокой

частоте................................................................................. 90

Выводы по главе..................................................................... 95

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МГД ПРОЦЕССОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ВАННЫ РАСПЛАВА ВНУТРИ ТИТАНОВОГО СЛИТКА ПРИ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ............................... 96

5.1. Математическое описание движения расплава под воздействием силы электромагнитного поля........................................................... 96

5.2. Двумерная численная модель сопряженных тепловых и магнитогидродинамических процессов в слитке в осесимметричной постановке, разработанная в программном пакете FLUENT............... 101

5.3. Двумерная численная модель системы электромагнитной обработки титановых сплавов с имитацией расчета гидродинамической задачи,

разработанная в программном пакете ANS YS..............................................................103

Выводы по главе..........................................................................................................................................140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................................................141

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................................................142

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Анализ международных тенденций и прогнозов в области применения металлических сплавов до 2020 года показывает, что титановые сплавы являются перспективными материалами мирового машиностроения широкого назначения [1].

Несмотря на экономическую нестабильность в мировой экономике, на протяжении последних лет наблюдался стабильный спрос на титановую продукцию, что стало результатом высоких темпов развития авиакосмического сектора - основного потребителя титановой продукции.

В международной научной среде идет постоянная работа по поиску новых идей применения титановых сплавов в различных отраслях промышленности, и, прежде всего, акцент ставят на областях, где важна качественная составляющая конечного изделия, а не коммерческая: космонавтика, авиатехника[2], военная промышленность (рисунок 1) [3-5]. Однако по мере снижения цен на титан и роста его производства применение этого металла в военных и гражданских целях будет все больше расширяться.

Основные свойства титана и его сплавов, представляющие основную ценность для машиностроения - механическая и удельная прочности, сохраняющиеся при высоких температурах; малая плотность, ведущая к снижению массы конечного изделия - являются одновременно минусами для ценовой характеристики конечного изделия и процесса в целом. Исходя из вышесказанного, одна основных проблем расширения использования титана - это сложность его механической обработки.

Для обеспечения требуемых физико-механических свойств деталей из титановых сплавов и сведения механической обработки к минимуму повышаются требования к термообработке титановых заготовок.

14000

12000

10000

8000

3 6000

4000

2000

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

■ Авиастроение ■Ракетостроение

■ Двнгателестроенне ■ Судостроение

■ Химическая промышленность ■ Другое

■ Вертолетостроенне

■ Энергетика

Рисунок 1 - Основные направления применения титана в мировой

промышленности.

Однако не только механические свойства титана и его сплавов усложняют работу с данными материалами. Титан и его сплавы в жидком состоянии имеют чрезвычайно высокую химическую активность: титан реагирует с кислородом, азотом, водородом, вступает во взаимодействие с различными оксидами, образующими огнеупорные материалы, и восстанавливает их. Кроме того, расплав титана растворяет углерод графитового тигля, что приводит к резкому снижению пластичности сплавов, поэтому титан нельзя плавить в печах, футерованных обычными огнеупорами [1, 6-8].

На сегодняшний день единственным техническим решением для изготовления литых изделий из титановых сплавов весом до 5 кг является вакуумная плавка и разливка в медном водоохлаждаемом тигле.

По этому пути пошли лидеры в литейной промышленности по всему миру: ВИАМ, ОАО "ВСМПО-АВИСМА", ОАО БЛМЗ, ООО «03 ВНИИЭТО», НИАТ -в России; ALD Vacuum Technologies, SMS Elotherm, RWIH, Linn High Therm

GmbH, Tecnologie Alto Vuoto, ACNIS International - в Европе; Baotil Titanium Industry Co. Ltd., Luoyang Sunrui Titanium Precision Casting Co. Ltd. - в Азии; Reading Alloys Inc., Carpenter Technology Corporation, Vulcanium Inc., Allegheny Technologies Incorporated, Uniti LLC., Titanium Industries Inc., Titanium Metals Corporation, RTI International Metals Inc., Retech Systems LLC, Perryman Company-в США [9,10].

High ThfcHi 'i i i

R Ы

- rJ

uniti.

11ЖШ5

KOOTIOPAUNN

jfacMno

\j

TW l«Mt»i

a Id щ »rti

Q CARPENTER' ti

ReadingAlhys

шЫтЫ п^тцяё mmmtk-

International Metals, Inc.

TIML

! ABB

щ

ELDTHERM

БЛМЗ

Рисунок 2 - Компании, занимающиеся обработкой титана по всему миру.

Все технологии, как отечественные, так и зарубежные объединяет одно условие - устранение контакта жидкого металла с окружающей средой за счет создания вакуума или защитной атмосферы, где и происходит процесс литья.

При этом немаловажным фактором, влияющим на перспективу той или иной разработки, является энергеэффективность предложенной технологии -повышение производительности устройств и предприятия в целом при минимизировании энергетических затрат в производстве и уменьшении цены установки при ее проектировании.

Следующим шагом в использовании титана и его сплавов является разработка технологии, обеспечивающей получение расплава титана на воздухе при нормальном давлении, что значительно удешевит процесс производства литых титановых изделий небольшой массы и расширит сферу использования титана и его сплавов. В ходе исследований предложен способ получения расплава

титана внутри слитка индукционным способом, не прибегая к дополнительному оборудованию для создания вакуума, что значительно сокращает время процесса, и в конечном итоге снизит энергозатраты при производстве, уменьшит цену процесса и конечного изделия в целом.

В связи с вышесказанным целью работы является исследование, моделирование и разработка инновационной технологии получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических заготовок на воздухе и при нормальном давлении при индукционном нагреве.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ состояния и перспективы развития производства литых изделий из титановых сплавов;

2. Разработка математической модели расчета сопряженных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов для получения жидкой фазы металла внутри цилиндрических немагнитных тел;

3. Разработка в программных пакетах ANSYS и UNIVERSAL 2D численных моделей системы электромагнитной обработки титановых сплавов, на которых исследован процесс образования расплава внутри слитка;