Содержание к диссертации
Введение
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 ANSYS 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. 2D-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 20x30мм и 30x35мм на лабораторном макете 79
4.2. Исследования нагрева титановых заготовок 60x100мм 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 c имитацией расчета гидродинамической задачи, разработанная в программном пакете ANSYS
Выводы по главе 140
Заключение 141
Список литературы 142
- Основная идея и описание предлагаемой технологии получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических заготовок на воздухе и при нормальном давлении при индукционном нагреве
- Двумерная численная модель системы электромагнитной обработки титановых сплавов для получения расплава внутри цилиндрической заготовки индукционным методом, разработанная в программном пакете UNIVERSAL 2D
- Исследования нагрева титановых заготовок 60x100мм на экспериментальной установке с целью получения расплава внутри слитка на частоте 4 кГц
- Двумерная численная модель сопряженных тепловых и магнитогидродинамических процессов в слитке в осесимметричной постановке, разработанная в программном пакете FLUENT
Введение к работе
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:
-
Анализ состояния и перспективы развития производства литых изделий из титановых сплавов;
-
Разработка математической модели расчета сопряженных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов для получения жидкой фазы металла внутри цилиндрических немагнитных тел;
-
Разработка в программных пакетах ANSYS и UNIVERSAL 2D численных моделей системы электромагнитной обработки титановых сплавов, на которых исследован процесс образования расплава внутри слитка;
-
Экспериментальные исследования процесса получения жидкой фазы титановых сплавов с помощью индукционной плавильной установки;
-
Исследование режимов работы индукционной установки и экспериментальная верификация разработанных численных моделей;
-
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:
-
Разработаны численные модели расчета сопряженных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов для получения жидкой фазы титановых сплавов при индукционной плавке цилиндрических заготовок;
-
На моделях исследовано влияние частоты тока и режима плавки на процесс получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических тел при индукционном нагреве;
-
Установлены закономерности получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических заготовок при индукционной плавке;
-
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.
-
Разработан экспериментальный макет индукционной установки для получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических заготовок при индукционном нагреве.
-
Даны рекомендации по выбору частоты тока и режимов нагрева с целью получению расплава внутри титановой заготовки индукционным способом.
-
По результатам научных исследований получен патент РФ на полезную модель №136666 «Индукционная установка для плавки титановых сплавов».
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Условия получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических тел индукционным способом;
-
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;
-
Исследование предложенного процесса получения расплава внутри титановой заготовки на основе разработанных численных моделей;
-
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.
Основная идея и описание предлагаемой технологии получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических заготовок на воздухе и при нормальном давлении при индукционном нагреве
Наряду с достоинствами ИПХТ имеют и серьёзные недостатки, которые сдерживают их распространение. Одним из них являются большие электрические потери в ХТ (до 40 % мощности, подводимой к индуктору в зависимости от конструкции установки). Следует также учесть и большие тепловые потери в ХТ, что ещё больше снижает энергетические показатели ИПХТ [18].
Как сказано выше, плавка в тигельной индукционной с холодным тиглем связаны со значительными энергозатратами в связи с высокой реакционной способностью титана. Для решения задачи повышения энергоэффективности компания Linn High Therm GmbH, расположенная в городе Эшенфельден и являющаяся одним из ведущих производителей оборудования для высокотемпературных технологий, предлагает прецизионное литье с использованием центробежных литейных модулей – это метод литья, значительно превосходящий обычный гравитационный метод литья в отношении плотности материала и качества заполнения формы. Технология выплавки сплава в керамическом тигле посредством индукционного тока средней или высокой частоты является энерго- и времясберегающей и требует малого пространства в заливочном комплексе при относительно низких издержках [19-21]
Помимо нагрева вихревые токи, возникающие при индукционном нагреве, гомогенно перемешивают содержимое тигля, обеспечивая равномерность состава отливки, что особенно важно при литье из сплавов и практически недостижимо с помощью других методов литья.
Схема установок центробежного литья представлена на рисунке 8. Такая установка состоит из плавильного тигля и литейной формы из многослойной керамики; катушки индуктора, которая перемещается от пода до края плавильного тигля; системы вакуумирования, где используется система насосов которая соединена через герметичное роторное устройство с осью разливочного рычага, представляющей собой полый вал, и обеспечивающая защиту жидкого металла от негативного влияния атмосферы; вращающегося вала, разливочного рычага, за счет вращения которого вокруг вертикального вала создается центробежная сила, под воздействием которой жидкий расплав переливается из плавильного тигля в предварительно подогретую форму.
Слиток (шихтовая заготовка) выплавляемого сплава помещается в плавильный тигель, который вставляется в разливочный рычаг. Затем происходит вакуумирование разливочной камеры или в нее поступает потоки инертного газа. Катушка индуктора перемещается от пода до края плавильного тигля, вследствие чего шихтовая заготовка быстро плавится. После достижения необходимой температуры разливки (контроль осуществляется пирометрами), индуктор опускается, и начинается процесс центробежного литья. За счет вращения разливочного рычага с высоким ускорением вокруг вертикального вала создается центробежная сила, под воздействием которой жидкий расплав переливается из плавильного тигля в предварительно подогретую форму. В зависимости от конфигурации отливки и толщины ее стенки конечную скорость вращения разливочного рычага можно плавно регулировать. После остывания отливку извлекают, разбив керамическую форму. Рисунок 8 – Схема установки центробежного литья титановых сплавов.
Как правило, дополнительной механической обработки готовые изделия не требует, поэтому после полировки или пескоструйной очистки деталь готова к эксплуатации Устройства способно производить отливку металлов с температурой плавления до 2000 С. Микропроцессорный контроль обеспечивает высочайшую воспроизводимость условий литья и, таким образом, гарантирует отсутствие изменений в структуре отливок. Ряд установок для литья титана и его сплавов фирмы Linn включает модели, которые позволяют проводить отливку деталей весом от 40 г до 2 кг (рисунок 9, 10) [20,21].
Недостатком устройств такого типа является также как и в случае использования ИПХТ то, что весь процесс плавки титана осуществляется в вакууме с использованием оборудования, которое усложняет конструкцию установки и приводит к удорожанию процесса в целом.
Установка Supercast вместе со среднечастотным генератором (слева) и разливочные рычаги установок Supercast, Titancast и Platicast (справа). Первые шаги в направлении бестигельного литья были сделанные еще в 90е годы прошлого века, но дальнейшего развития такие технологии не получили. В работах [22-24] приводится описание установки, которая обеспечивала плавку химически активных металлов, таких как титан и его сплавы без использования тигля. Использование специальной конструкции индуктора, а именно дополнительные слои вокруг нижнего торца заготовки для усиления магнитного поля, позволяло обеспечить плавку цилиндрической заготовки от верхнего торца к нижнему. После чего металл сливался через отверстие в плите, на которой устанавливалась заготовка, в плавильную форму. Минус подобной технологии, кроме усложненной конструкции индуктора по-прежнему являлось использование защитной атмосферы или вакуума.
Следующим шагом в использовании титана и его сплавов является разработка технологии, обеспечивающей получение расплава на воздухе при нормальном давлении, что значительно удешевит процесс производства титана и его использование. Однако для разработки подобной технологии необходимо проводить как экспериментальные исследования, так и исследования на численных моделях в различных программных пакетах, анализировать
Двумерная численная модель системы электромагнитной обработки титановых сплавов для получения расплава внутри цилиндрической заготовки индукционным методом, разработанная в программном пакете UNIVERSAL 2D
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 может привести, в конечном счете, к их расплавлению. Характер изменения температурного поля по сечению заготовки в процессе индукционного нагрева и получения расплава внутри слитка иллюстрирует рисунок 13.
Характер распределения температурного поля по радиусу заготовки в процессе индукционного нагрева в различные моменты времени. До момента времени ti происходит интенсивный нагрев поверхности заготовки при постоянном значении подаваемой мощности, температура поверхности значительно превышает температуру центра Тп Тц. Далее значение мощности снижается, и температурный перепад между поверхностью и центром выравнивается. В момент времени І2 температуры на поверхности и в центре равны Тп = Тц и соответственно Т2=0. Из-за тепловых потерь с поверхности заготовки максимум температуры находится на некоторой глубине от поверхности. При достижении температуры поверхности уровня 1400 С0 - 1450 С0 и уменьшении мощности 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 может привести, в конечном счете, к началу их расплавления в момент времени t3. 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 Х (момент времени t4).
Технология выглядит конкурентоспособной и энергоэффективной по отношению к существующей технологии плавки в холодном тигле ввиду того, что в процессе не используется дополнительное оборудование для создания вакуума, а сам процесс получения расплава титана внутри слитка индукционным способом требует значительно меньшего времени и энергозатрат.
Для исследования инновационной технологии получения расплава внутри титанового слитка на воздухе при нормальном давлении индукционным способом в работе необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать модель индукционного нагревателя периодического действия для нагрева цилиндрических титановых заготовок. Модель должна соответствовать поставленной цели исследования возможности индукционного нагрева цилиндрических заготовок с требуемым распределением температурного поля, быть универсальной при использовании ее в качестве инструмента для исследования технологии получения расплава внутри титанового слитка. Для оценки адекватности модели необходимо проверить результаты, полученные при моделировании и в ходе выполнения натурного эксперимента.
2. На разработанной модели индукционной установки исследовать возможность получения расплава внутри титанового слитка на воздухе и при нормальном давлении без использования дополнительного оборудования.
3. Разработать численную модель индукционной установки для анализа сопряженных электромагнитной, тепловой и гидродинамической задач в ходе образования расплава внутри титановой заготовки. 4. Разработать численную модель индукционной установки для получения расплава внутри титанового слитка для оптимизации конструкции индукционного нагревателя и режимов работы комплекса с учетом электромагнитной обработки заготовок из титанового сплава различной длины и диаметра.
5. Разработать конструкцию индукционного нагревателя. Провести оптимизацию конструкции и режимов работы нагревателя с целью получения максимального количества расплава внутри титановой заготовки при нагреве заготовок различной длины и диаметра.
Исследования нагрева титановых заготовок 60x100мм на экспериментальной установке с целью получения расплава внутри слитка на частоте 4 кГц
На первом этапе экспериментальных исследований было принято решение проверить возможность реализации технологии получения расплава внутри титанового цилиндра на заготовках малого диаметра и длины. В институте Электротехнологий Университета Ганновера им. Лейбница был изготовлен лабораторный макет индукционной установки, на котором проводились исследования.
В качестве исследуемых были использованы заготовки из сплава ВТ6 размерами 020x30мм и 030x35мм. Индукционная установка для плавки титановых сплавов, содержит индуктор, выполненный из медной тонкостенной трубки в виде многовитковой спиральной катушки с выводами для подключения к источнику питания. Для защиты индуктора использовалась кварцевая трубка, концентрически которой на керамическую подставку помещалась заготовка. Основные технические параметры макета представлены в таблице 26.
На рисунках 60 и 61 показаны образцы, которые позволяют сказать о возможности реализации процесса получения расплава с помощью предложенной технологии, однако стоит отметить, что численные модели не показывали точного распределения расплава внутри заготовки. Заготовка 020x30мм после нагрева. Металл вытек через нижний торец заготовки, образовав идеальную ванну расплава.
Результат эксперимента с заготовкой 030x35 Дальнейшие исследования проводились в научно-образовательном центре «Электромагнитная обработка материалов» при ВНИИТВЧ на заготовках из сплава ВТ6 размерами 060x100мм с помощью индукционной системы, параметры которой перенесены из численных расчетов главы 3. 4.2 Исследования нагрева титановых заготовок 60x100мм на экспериментальной установке с целью получения расплава внутри слитка на частоте 4 кГц
Для наглядной демонстрации полученных данных, в ходе численных исследований, на лабораторном макете был реализован процесс получения расплава титана внутри слитка. Параметры нагреваемой заготовки: - Диаметр, мм 60 - Высота, мм 100 - Материал титановый сплав ВТ6 Параметры нагрева: - Температура нагрева поверхности заготовки (max), C 1500-1600 - Температура образования расплава внутри заготовки (max),C 1663±5 Параметры индукционного оборудования для нагрева с использованием частоты 4кГц: - Тип источника питания - машинный генератор - Мощность источника питания, номинальная, кВт 250 - Рабочая частота, кГц 4 - Выходное напряжение генератора, номинальное, В 800 - Емкость батареи конденсаторов (max), мкФ 278 Состав установки для индукционного нагрева на средней частоте: - Индуктор – 1шт. - Источник питания – 1шт. - Станция охлаждения - 1шт. - Батарея конденсаторов – 1шт. - Пульт управления – 1шт. - Кабель среднечастотный КВСП – мерная длина.
Основными частями индукционной установки является индуктор, источник питания, батарея конденсаторов и система охлаждения. Схема подключения источника питания к конденсаторной батарее и к индуктору представлена на рисунке 62, где С – конденсаторная батарея, И – индуктор. При нагреве заготовок на частоте 4кГц использовалось схема с машинным генератором номинальной мощностью 250кВт и с параллельным колебательным контуром. Рисунок 62 - Схема подключения источника питания к индуктору для частоты 4кГц. Индуктор (И) представляет собой тонкостенную медную трубку прямоугольного сечения в виде многовитковой спиральной катушки с различными монтажными элементами. Рабочий чертеж индуктора и спецификация к нему, выполненные по 3D-модели в CAD-программе, представлены на рисунках 63 и рисунке 64. Все параметры спиральной катушки (длина, диаметр, количество витков) соответствуют результатам численного моделирования. Рисунок 63 – Чертеж индуктора, разработанный в программе AutoCad Рисунок 64 – Спецификация на индуктор, разработанная в программе AutoCad Для фиксации заготовки внутри катушки и организации места слива жидкого металла была спроектирована и изготовлена специальная металлическая опора, внутри которой располагалась форма для расплава. Электрической и тепловой изоляцией между заготовкой и опорой служила кварцевая трубка диаметром 30мм (рисунок 65).
Конденсаторная батарея (С) на рисунке 62 предназначена для компенсации реактивной мощности нагрузки. При нагреве на частоте 4 кГц использовалась конденсаторная батарея, состоящая из шести параллельно соединенных водоохлаждаемых конденсаторов общей емкостью 278 мкФ (рисунок 67). Для настройки режима нагрева в конструкции конденсатора имеются настроечные доли. Каждая из долей подключена к шинопроводу отдельной гибкой шиной («косичкой»), которая при настройке режима нагрева легко демонтируется. Шинопровод такой батареи выполнен из медной трубки прямоугольного сечения и предназначены для электрического соединения индукторов с блоком конденсаторов. К свободным выводам шинопровода подключаются кабель КВСП, подводящий питание от преобразователей частоты к нагрузке. Рисунок 67 - Батарея конденсаторов при нагреве заготовки на 4 кГц.
Система охлаждения индукционного нагревателя предназначена для организации охлаждения шинопроводов, индукторов и блока конденсаторов. Схема охлаждения составных частей построена по принципу закрытого слива (рисунок 68). Разводка охлаждающей воды осуществляется с помощью гибких шлангов от штуцеров, установленных на водораспределителях.
Двумерная численная модель сопряженных тепловых и магнитогидродинамических процессов в слитке в осесимметричной постановке, разработанная в программном пакете FLUENT
В таблице красным выделены те варианты, в которых слой гарнисажа со стороны торцы и/или боковой поверхности меньше 0,5мм и/или превышает 4мм, желтым – находится в пределах от 3мм до 4мм, зеленым – от 1мм до 2,5 мм. В результате численного моделирования получен результат, который совпадает с результатом, который наблюдался в ходе экспериментальных исследований – толщина слоя гарнисажа у боковой поверхности примерно 1мм, а у торцов заготовки около 2мм (значения выделены синим цветом в таблице). 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 Х. 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 Х, 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 Х 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.
1. Рассмотрены принципы построения математических моделей, которые учитывают движения расплава под воздействием силы ЭМ поля. На основе результатов численного моделирования в ANSYS и FLUENT доказано значительная роль МГД процессов в реализации технологии получения расплава титана внутри слитка индукционным способом на воздухе и при нормальном давлении
2. В приложении FLUENT программного пакета ANSYS разработана численная модель, сочетающая в себе решение электромагнитной, тепловой и гидродинамической задач, для получения расплава внутри титанового слитка на воздухе при нормальном давлении и производится и режимов работы индукционной установки. Совместное решение 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.
4. С помощью альтернативной численной модели, разработанной в программном пакете ANSYS, которая смогла имитировать гидродинамический расчет за счет скачкообразного изменения коэффициента теплопроводности в момент образования расплава, получено подтверждение экспериментальных данных из главы 4. Увеличив значение тепловодности в титана в расплаве в 15 раз по оси Х и в 150 раз по оси Y по сравнению с этим параметром твердого материала, численная модель повторяет результаты эксперимента. 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.
