Исследование и разработка индукционных систем прецизионного нагрева длинномерных цилиндрических заготовок из титановых сплавов

Актуальность темы

На сегодняшний момент в период мирового экономического кризиса в России особое внимание уделяется стратегически важным отраслям промышленности, в частности, связанным с авиакосмическим комплексом.

Традиционным для авиастроения материалом является титан и его сплавы. Основная доля использования титана приходится на самолетостроение, основная страна потребитель — США. На рис. В.1. представлены данные потребления титана в мире по областям и по странам на 2007 г [1].

ПРОЦЕНТЫ) россия и снг 28% сша 44%.

КИТАЙ 1% германия 17% великобритания 4% япония 5% другие страны 1%.

Рис. В.1. Структура реализации титановой продукции по областям и по странам (2007 г.).

В нашей стране лидером в поставке титана и единственным предприятием полного цикла его обработки является ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», г. Верхняя Салда. Основные потребители выпускаемой продукции это отечественные и зарубежные производители аэрокосмической техники (ОАО «Компания «Сухой», Boeing, Airbus). На рис. В.2. представлена динамика развития производства предприятия в последние годы и прогноз на увеличение мировой потребности в титане [1].

ПРОЦЕНТЫ) самолетостроение 55% медицина 2% химическая промышленность и энергетика 27% спортивные товары 2% авиадвигателестроение 13% другие отрасли 1%.

ОБЪЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ТИТАНОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ruy1 мировая потребность в титане по областям применения.

Рис. В.2. Темпы роста производства предприятия ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» и прогноз по мировому потребления титановой продукции.

В сегодняшних условиях для сохранения имеющегося рынка сбыта требуются постоянное увеличения качества выпускаемой продукции и уменьшение издержек производства. В связи с этим происходит модернизация производственного комплекса с применением энергосберегающих технологий и приобретением нового наукоемкого оборудования.

Одним из этапов модернизации производства является увеличение использования в процессах нагрева индукционного оборудования. Это объясняется рядом общеизвестных преимуществ, таких как: хорошие энергетические показатели, высокая скорость нагрева, отсутствие контакта между индуктором и металлом, простота управления процессом, возможность полной автоматизации, небольшие габариты установок, легкость механизации и обслуживания, в том числе, при пуске, остановке и смене номенклатуры изделий.

В отличие от нагрева сталей нагрев титана имеет особенности связанные с физико-химическими свойствами материала (низкая теплопроводностью, малым удельным весом и т. д.) и с высокими требованиями потребителей к качеству продукции в соответствие с международными и национальными стандартами авиапрома. Для обеспечения предъявляемых требований необходимо использование прецизионного нагрева (±20 °С по объему), а нагревательное устройство должно проходить проверку на обеспечение технологической точности нагрева.

В данной ситуации применение традиционных способов индукционного нагрева часто бывает неприемлемым и требуется разработка новых технологий и оборудования предусматривающего прецизионный нагрев титановых изделий.

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

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

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

2) Разработка численной модели УИН с возможностью исследования нестационарных режимов работы оборудования;

3) Исследование нового способа индукционного нагрева длинномерных изделий с применением возвратно — поступательных движений нагреваемой заготовки;

4) Разработка и реализация индукционных систем для прецизионного нагрева длинномерных заготовок из титановых сплавов;

5) Разработка методики проверки УИН на технологическую точность нагрева заготовок.

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 модель УИН с учетом динамики перемещения заготовки в индукторах при организации нагрева с возвратно-поступательным движением изделия.

2) Предложен новый способ индукционного нагрева длинномерных цилиндрических изделий с организацией возвратно-поступательных движений нагреваемой заготовки в индукторах, обеспечивающий прецизионный нагрев.

3) Найдена зависимость распределения температурного поля по длине изделия от параметров системы перемещения в УИН с организацией возвратно-поступательного движений нагреваемых заготовок.

4) Разработана методика проверки на технологическую точность УИН с применением возвратно-поступательных движений заготовки.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Модель УИН с возможностью исследования нестационарных режимов работы при возвратно-поступательном движении нагреваемой заготовки.

2) Способ индукционного нагрева длинномерных цилиндрических изделий с организацией возвратно-поступательных движений нагреваемой заготовки в индукторах.

3) Зависимость распределения температурного поля по длине заготовки от параметров системы перемещения в УИН с организацией возвратно-поступательного движений нагреваемых заготовок.

4) Методика проверки на технологическую точность УИН с применением возвратно-поступательных движений заготовки.

Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:

1. Применение нового способа индукционного нагрева с возвратно — поступательным движением заготовок позволяет организовать периодический нагрев длинномерных заготовок индукционным способом с равномерным распределением температурного поля по длине заготовки, а также обеспечить режим термостатирования заготовок в установках полунепрерывного действия.

2. Разработанная компьютерная модель позволяет выполнить расчет индукционных нагревателей с возвратно — поступательным движением заготовки с учетом параметров системы перемещения.

3. Методика проверки УИН на технологическую точность позволяет по результатам измерения температуры длинномерных заготовок в четырех точках сделать вывод о максимальном отклонении температуры от заданной по всему объему нагреваемого изделия.

4. Внедрение в титановое производство индукционного нагревателя с организацией возвратно-поступательных движений заготовки позволило повысить производительность качество нагрева изделия по сравнению с аналогичным нагревом в имеющихся печах сопротивления.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы используются в процессе проектирования индукционного оборудования во ФГУП «ВНИИТВЧ» и ООО «РТИН». Установка для нагрева изделий из сплавов титана внедрена на ОАО «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 (2004 -2009), на симпозиуме «Молодые ученые — промышленности северозападного региона» (СПбГПУ, Санкт-Петербург, 2004), на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» (ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 2006), на 4-ой международной конференции молодых специалистов «Металлургия XXI века» (ВНИИМЕТМАШ, Москва, 2008), на XVI международной конференции «Electricity Applications in Modern World» (UIE, Краков, 2008), на 2-ой международной конференции APIH-09.

Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева" (СПбГЭТУ, Санкт-Петербург, 2009).

Публикации по теме диссертации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 10 работах, среди которых 1 работа в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендуемых в действующем перечне ВАК, 4 — статьи в специализированных журналах, 6 работ — в материалах международной конференции. По результатам научных исследований получен патент РФ на изобретение № 2 333 618 «Способ индукционного нагрева длинномерных изделий» [50].

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 58 наименований. Работа изложена на 113 листах машинописного текста и содержит 65 рисунков, 4 таблицы и приложение.

4.4. Выводы по главе.

Рассмотрены конструктивные особенности установки индукционного нагрева длинномерных цилиндрических заготовок из титановых сплавов. Для организации возвратно-поступательных движений создана система перемещения, обеспечивающая удобную транспортировку заготовок в процессе нагрева, загрузки и выгрузки.

Описаны различные режимы работы оборудования, в зависимости от диаметра заготовки и способу управления. Для диаметров заготовок 50−80 мм нагрев осуществлялся в одну стадию, при неизменной значение мощности источника питания. Для диаметров заготовки 80−120 мм нагрев выполнялся в две стадии: первая стадия — нагрев на максимальной мощности (уставке напряжения генератора). В процессе экспериментов были реализованы два альтернативных способа определения момента переключения на вторую стадию и выключение нагрева: управление по пирометру и управление по затраченной энергии.

Описана разработанная система управления индукционного нагревателя и реализация ее через промышленный контроллер Simatic S7−300. Основное внимание уделено взаимодействию различных технологических датчиков, а также процессу протоколирования и визуализации получаемой с них информации.

Для проверки качества выпускаемой продукции и ее сертификации разработана методика проверки индукционного нагревателя на технологическую точность. Такая проверка индукционных нагревателей с организацией возвратно-поступательных движений заготовки основана на повторяемости участков с одинаковым распределением температурного поля и ярко выраженными минимумом и максимумом температур. Эта особенность нагрева позволяет измерив температурные значения в четырех точках с большой точностью определить максимальный перепад температуры по всей длине заготовки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе получены следующие основные результаты.

1. Разработана численная модель устройства индукционного нагрева с возможностью исследования нестационарных режимов работы оборудования.

2. Разработан и исследован способ индукционного нагрева длинномерных изделий с организацией возвратно-поступательных движений заготовок, обеспечивающий прецизионный нагрев по длине и сечению заготовки.

3. Разработан алгоритм управления нагревом длинномерных изделий с организацией возвратно-поступательных движений заготовки.

4. Выявлена зависимость равномерности индукционного нагрева с организацией возвратно-поступательных движений заготовок от параметров привода системы, даны рекомендации по выбору амплитуды покачивания для уменьшения этой зависимости.

5. Проведены экспериментальные исследования разработанной системы и способа индукционного нагрева длинномерных заготовок с организацией возвратно-поступательных движений заготовки.

6. Разработаны рекомендации и методика проверки УИН с организацией возвратно-поступательных движений на технологическую точность нагрева.

7. По результатам исследований получен патент Российской Федерации № 2 333 618 «Способ индукционного нагрева длинномерных заготовок», дата опубликования 10.09.2008.

8. Внедрена установка индукционного нагрева с возвратно-поступательным движением заготовок перед правкой на предприятие ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА». Внедрение подтверждено соответствующим актом.