Исследование и разработка энергосберегающих индукционных систем прецизионного нагрева титановых заготовок

Актуальность темы

В последнее время благодаря комплексу уникальных физико-механических, а также химических свойств титановые сплавы находят все более широкое распространение в современной технике. В связи с повышением требований к качеству, надежности и безопасности техники, непосредственно связанной с жизнью людей (авиакосмическая, автомобильная промышленность) возрастают также требования к материалам, применяемым при ее производстве. Для обеспечения требуемых физико-механических свойств материалов из титановых сплавов предъявляются определенные требования к обработке таких изделий, в том числе и к термообработке. Перед механической обработкой титановая заготовка должна обладать строго определенной температурой с высокой равномерностью по всему объему. Температура слитка не должна выходить за определенные пределы в течение всего процесса нагрева, при этом обязательным условием является непревышение максимально допустимой температуры нагрева. Основной задачей, стоящей перед разработчиками оборудования для нагрева титановых сплавов, является определение возможности достижения максимально точного температурного режима заготовки и обеспечение предельно допустимой неравномерности нагрева.

Кроме того, в промышленных условиях часто приходится подвергать механической обработке заготовки различной длины и диаметра, что вызывает определенные трудности при проектировании установок для термообработки таких изделий. Особенно это касается немагнитных легких сплавов, к которым относятся сплавы титана. Повышенные требования, предъявляемые при этом к качеству нагрева всех заготовок вне зависимости от их геометрических размеров, обуславливает задачу построения таких систем.

При этом немаловажным в тенденции энергосбережения в мировой энергетике является обеспечение максимальной энергоэффективности работы таких устройств. Кроме того, при нынешнем уровне и темпах развития мировой экономики наряду с высокими требованиями по качеству изделий, возникает задача увеличения производительности работы производств, в которых используется термообработка изделий из титановых сплавов. В данной ситуации применение традиционных способов термообработки часто бывает неприемлемым, и требуется разработка новых технологий и оборудования для обеспечения прецизионного нагрева титановых изделий.

Новые решения в области индукционного нагрева титановых изделий позволяют существенно повысить производительность предприятия, минимизировать энергетические затраты, но требует детального исследования для обеспечения необходимых температурных полей по длине и сечению нагреваемых заготовок.

Целью работы является исследование, разработка и внедрение энергосберегающих систем прецизионного нагрева заготовок из титановых сплавов индукционным способом.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

1) Анализ и классификация существующих способов и типов устройств индукционного нагрева (УИН) цилиндрических заготовок с возможностью организации прецизионного нагрева;

2) Разработка в среде UNIVERSAL 2D численной модели комплекса комбинированного нагрева, включающего в себя индукционный нагреватель цилиндрических заготовок и печь сопротивления, который позволяет обеспечивать прецизионный нагрев титановых заготовок с максимальной производительностью;

3) Исследование влияния различных средств пространственного управления на распределение температурного поля по объему заготовки;

4) Исследование возможности обеспечения качества нагрева цилиндрических заготовок из титановых сплавов различной длины и диаметра в одном индукционном нагревателе;

5) Разработка модели индукционного нагревателя цилиндрических заготовок из титановых сплавов различной длины и диаметра с учетом характеристики источника питания (ТПЧ) и учетом неравномерных электрических потерь по виткам однослойных и многослойных индукторов;

6) Разработка методики проверки индукционного нагревателя периодического действия на технологическую точность нагрева и экспериментальная верификация разработанных математических моделей;

7) Оптимизация конструкции индукционного нагревателя и режимов работы комплекса по критерию энергоэффективности;

8) Определение принципов организации автоматизированной работы комплекса комбинированного нагрева для обеспечения прецизионного нагрева заготовок из титановых сплавов с информационным сопровождением в течение всего цикла подготовки слитка к прессованию.

Методы исследования. Исследования электромагнитных, температурных полей и интегральных параметров индукционных систем проводились методами математической физики и вычислительной математики. Достоверность полученных результатов определялась сравнением расчетных результатов с экспериментальными данными.

Научная новизна и значимость работы состоит в следующем:

1) Разработана в среде UNIVERSAL 2D численная модель комплекса комбинированного нагрева, включающего в себя индукционный нагреватель цилиндрических заготовок и печь сопротивления, который позволяет обеспечивать прецизионный нагрев титановых заготовок с максимальной производительностью;

2) Разработана конструкция универсального индукционного нагревателя цилиндрических заготовок из титановых сплавов различной длины и диаметра с гарантированным обеспечением отсутствия перегрева по объему заготовки при контроле температуры в одной точке по центру заготовки;

3) Разработана модель индукционного нагревателя цилиндрических заготовок из титановых сплавов различной длины и диаметра с учетом характеристики источника питания (ТПЧ) и учетом неравномерных электрических потерь по виткам однослойных и многослойных индукторов;

4) Разработана методика оптимизации конструкции индукционного нагревателя и режимов работы комплекса по критерию энергоэффективности.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Численная модель комплекса комбинированного нагрева, включающего в себе индукционный нагреватель цилиндрических заготовок и печь сопротивления, который позволяет обеспечивать прецизионный нагрев титановых заготовок с максимальной производительностью.

2) Модель индукционного нагревателя цилиндрических заготовок из титановых сплавов различной длины и диаметра с учетом характеристики источника питания (ТПЧ) и учетом неравномерных электрических потерь по виткам однослойных и многослойных индукторов;

3) Запатентованная конструкция универсального индукционного нагревателя цилиндрических заготовок из титановых сплавов различной длины и диаметра с гарантированным обеспечением отсутствия перегрева по объему заготовки при контроле температуры в одной точке по центру заготовки- ^.

4) Методика оптимизации конструкции индукционного нагревателя и режимов работы комплекса по критерию энергоэффективности.

Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:

1) Применение индукционного способа нагрева цилиндрических заготовок из титановых сплавов с последующим термостатированием в печи сопротивления позволяет обеспечить прецизионный нагрев с требуемым распределением температурного поля по длине и сечению заготовки с максимальной производительностью;

2) Применение разработанного индукционного нагревателя цилиндрических заготовок из титановых сплавов различной длины и диаметра с управлением процессом нагрева по пирометру, расположенному в середине индукционного нагревателя, позволяет обеспечить отсутствие брака при нагреве;

3) Разработанная численная модель комплекса комбинированного нагрева позволяет выполнить расчет характеристик процесса нагрева цилиндрической заготовки в зависимости от ее длины и диаметра, а также расположения заготовки в индукторе;

4) Разработанный способ оптимизации конструкции индукционного нагревателя позволяет выбрать оптимальный режим нагрева заготовок в комплексе «индукционные нагреватели — печи сопротивления»;

5) Разработанная модель многослойного индукционного нагревателя периодического действия позволяет оценить влияние различных пространственных средств управления температурным полем заготовки;

6) Внедрение в процесс термообработки заготовок из титановых сплавов комплекса комбинированного нагрева позволяет повысить производительность нагрева, качество изделий из титановых сплавов и понизить потребление энергии на тонну нагреваемого металла по сравнению с аналогичным нагревом в имеющихся печах сопротивления.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы используются в процессе проектирования индукционного оборудования во ФГУП &ldquo-ВНИИТВЧ&rdquoи ООО &ldquo-РТИН&rdquo-. Установка для нагрева изделий из сплавов титана внедрена на ОАО &rsquo-&rsquo-Корпорация ВСМПО-АВИСМА" (подтверждено актом внедрения).

Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах и конференциях кафедры ЭТПТ и МОЛ СЭТ СПбГЭТУ (2008 -2011), на 2-ой международной конференции АР1Н-09 «Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева» (СПбГЭТУ, Санкт-Петербург,.

2009), на 6-ой международной конференции по электромагнитной обработке материалов ЕРМ-2009 (Дрезден, Германия, 2009), на международном симпозиуме «HES-Ю International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources» (Падуя, Италия, 2010), на 13-й международной конференции по электромеханике, электротехнологиям, электрическим материалам и компонентам ICEEE-2010 (Алушта, Крым, Украина, 2010), на международной конференции «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-2011» (Екатеринбург, 2011), на международном молодежном форуме «Энергоэффективные электротехнологии» (Санкт-Петербург, 2011).

Диссертационная работа написана в рамках выполнения:

АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2011 годы)», регистрационный № проекта «2.1.2/2869»,.

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 13 работах, среди которых 3 работы в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендуемых в действующем перечне ВАК, 7 работ в материалах международных конференций. По результатам научных исследований получен патент РФ на полезную модель № 106 480 «Индуктор для нагрева мерных заготовок» и патент РФ на полезную модель № 107 439 «Индуктор для периодического нагрева цилиндрических титановых заготовок различной длины».

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 93 наименований. Работа изложена на 164 листах машинописного текста и содержит 53 рисунка и 7 таблиц.

5.4. Выводы по главе.

1. Разработана численная модель комплекса комбинированного нагрева «индукционные нагреватели — печи сопротивления» для нагрева заготовок из титановых сплавов различной длины и диаметра. Модель комплекса включает в себя модель индукционного нагревателя периодического действия для нагрева цилиндрических заготовок из титановых сплавов и модель печи сопротивления. Модель индукционного нагревателя включает в себя расчет электротепловой двухмерной задачи нагрева заготовки от начальной температуры и транспортировку нагретой заготовки в печь сопротивления. Модель печи сопротивления включает в себя нагрев заготовки с заданным распределением температурного поля по объему и расчет временных и энергетических характеристик, связанных с теплосодержанием заготовки и потерями теплоты через футеровку печи. Модель комплекса содержит четыре печи сопротивления и восемь индукционных нагревателей.

2. Разработан способ оптимизации режима нагрева комплекса комбинированного нагрева и конструкции индукционного нагревателя по критерию энергосбережения. В качестве примера приведена оптимизация комплекса нагрева титановой заготовки длиной 750 мм и диаметром 275 мм. Оптимальным для нагрева данной заготовки с точки зрения энергоэффективности работы комплекса является ускоренный способ нагрева в индукционном нагревателе, конструкция которого предусматривает наличие симметричных относительно середины индуктора.

X’Т' разрывов на наружном слое намотки с расстоянием разрыва от торца к.

0,04 и длиной разрыва =0,06. Для оптимизации конструкции по.

1 критерию энергосбережения с учетом нагрева заготовок различной длины и диаметра в одном индукционном нагревателе необходимо учитывать производственный план предприятия.

3. Нагрев титановых заготовок в печи сопротивления характеризуется высокими временными затратами, что ухудшает качество нагрева в связи с высоким уровнем окалинообразования и уменьшением выхода годного. Применение комплекса комбинированного нагрева позволяет снизить время нахождения заготовок при высокой температуре в атмосфере печи сопротивления, что обуславливает актуальность их использования и позволяет значительно повысить производительность нагрева. Кроме того, при оптимальном режиме работы комплекса и оптимальной конструкции индукционного нагревателя нагрев 1,2 или 4 заготовок является более выгодным с точки зрения энергосбережения в комплексе комбинированного нагрева по сравнению с нагревом только в печи сопротивления.

4. Результатом моделирования совместного использования двух технологий: индукционного нагрева и нагрева с помощью печи сопротивления, является комплекс комбинированного нагрева «индукционные нагреватели — печи сопротивления». Правильная организация комплекса позволяет обеспечить нагрев цилиндрических заготовок из титановых сплавов с требуемой для технологии прессования точностью и предельной неравномерностью, что обуславливает получение металла роторного качества с высокой производительностью и энергоэффективностью.

В работе получены следующие основные результаты.

1. Разработка численной модели устройства комбинированного нагрева «индукционный нагреватель — печь сопротивления», обеспечивающего прецизионный нагрев при обеспечении максимальной производительности работы установки;

2. Разработка модели индукционного нагревателя для нагрева цилиндрических заготовок из титановых сплавов различной длины и диаметра;

3. Разработка способа индукционного нагрева цилиндрических заготовок из титановых сплавов различной длины и диаметра;

4. Разработка математической модели индукционного нагревателя для оценки электрических потерь витков многослойного индуктора;

5. Использование модели «индукционный нагреватель — ТПЧ» для оценки влияния изменения частоты нагревательного контура вследствие изменения параметров загрузки на качество нагрева;

6. Исследование режимов работы комплекса и оптимизация конструкции индукционного нагревателя по критерию энергосбережения и производительности;

7. По результатам исследований получен патент РФ на полезную модель № 106 480 и патент РФ на полезную модель № 107 439;

8. Использование полученных результатов в установке комбинированного нагрева титановых заготовок перед пластической деформацией на предприятии ОАО &ldquo-Корпорация ВСМПО-АВИСМА". Внедрение подтверждено соответствующим актом.