Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в различных отраслях промышленности у нас в стране и за рубежом широкое применение находят титановые сплавы. Наиболее рациональным технологическим процессом (ТП) получения сложных заготовок деталей из титановых сплавов является фасонное литье. Основные процессы литья вследствие специфических свойств титановых сплавов осуществляются в специальных ллавильно-заливочных установках -вакуумных дуговых гарнисажных печах (ВДГП). Эти печи являются тепловыми технологическими агрегатами, поэтому среди комплекса явлений различной физической природы, сопровождающих вакуумную дуговую гарнисажную плавку (ВДГПл), определяющими следуют считать в соответствии с общей теорией печей явления теплообмена.
Систематическое изучение тепловых процессов в ВДГП у нас в стране начато в начале 60-их годов. Тогда же и в последующее время были сформулированы основные физические представления и разработан математический аппарат, составляющие основу существующей тепловой теории и методов расчета параметров ТП ВДГПл. Применение их на производстве и в практике проектирования ВДГП позволило достигнуть современного -уровня получения фасонных отливок из титановых сплавов и ввести в эксплуатацию целый ряд отечественных промышленных ВДГП с графитовыми водоохлаждаемыми тиглями.
Однако с течением времени, по мере развития и углубления научных представлений о процессах ВДГПл, с появлением возможностей широкого использования ЭВМ в научных исследованиях и на производстве стали сказываться те ограничения, которые были заложены в первые годы в основные положения тепловой теории и методы расчета параметров ТП ВДГПл. Стала очевидной необходимость разработки достаточно полных и строгих математических моделей процессов плавления металла в ВДГП с металлическими тиглями, которые обладают несомненными преимуществами перед широко применяемыми сейчас графитовыми тиглями. Без применения металлических тиглей, инертных по отношению к расплавляемым в них тугоплавким металлам, нельзя получить качественный жидкий металл из новых, созданных в последние годы титановых сплавов с улучшенными характеристиками и предназначенными для литья ответственных деталей.
Использование металлических, в первую очередь медных гарнисажных тиглей, имеет целый ряд неоспоримых и доказанных практикой их эксплуатации преимуществ перед графитовыми тиглями, среди них очень важным является возможность эффективного применения микропроцессорных систем для оптимизации режимов плавления металла на стадиях проектирования и управления технологическим процессом ВДГПл. Поэтому решение вопросов проектирования и эксплуатации медных гарнисажных тиглей требует подробного изучения основных вопросов теплообмена при плавлении металла в таких тиглях и разработки на этой основе систем автоматизированного проектирования и управления ТП ВДГПл в медных тиглях.
В связи с отмеченными обстоятельствами тема предлагаемой работы, включающая вопросы исследования процессов, протекающих при ВДГПл титановых сплавов в медных водоохлаждаемых тиглях, является весьма важной, актуальной и своевременной.
Целью работы является разработка новых и дополнение известных научных положений тепловой теории процессов дуговой гарнисажной плавки в медных водоохлаждаемых тиглях и создании на их основе автоматизированной системы проектирования оптимальных параметров технологического процесса вакуумной дуговой гарнисажной плавки в указанных тиглях в производстве фасонных отливок из титановых сплавов.
Для достижения указанной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:
-
Исследование общих особенностей процессов дуговой гарнисажной плавки титана в металлических тиглях.
-
Анализ предельного теплового состояния медного водоохлаждаемого гарнисажного тигля.
-
Исследование особенностей нестационарного режима работы медного водоохлаждаемого тигля и определение условий стабилизации в нем гарнисажа и изменения перегрева жидкой ванны.
-
Разработка математических моделей процессов плавления в медном водоохлаждаемом тигле на постоянной и переменной мощности дуги.
-
Составление алгоритмов, программного и информационного обеспечений системы автоматизированного проектирования ТП плавления титана в медном водоохлаждаемом тигле.
8. Математическое моделирование функций САПР ТП плавления титана в
медном водоохлаждаемом тигле. 7. Разработка некоторых практических рекомендаций по проектированию и
эксплуатации медных водоохлаждаемых тиглей.
Методы исследований, использованные при решении перечисленных выше задач, были взяты из математической физики, теории нестационарного теплообмена и общей теории печей. Для проверки адекватности разработанной системы автоматизированного проектирования оптимального ТП ВДГПл реальным процессам плавления титановых сплавов в медных водоохлаждаемых тиглях привлечены результаты многосторонних вычислительных экспериментов и данные по производственным плавкам в промышленных ВДПП. Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Выполнен анализ предельного теплового состояния медных водоохлаждаемых тиглей в ВДГП при плавке в них титановых сплавов; установлена максимальная температура на внутренней поверхности медного тигля и необходимая интенсивность его наружного водяного охлаждения.
-
Уточнена схема и математическое описание плавления кусковых литейных отходов в медном тигле и получены условия стабилизации толщины донного гарнисажа с использованием нового способа задания начального распределения температуры по его толщине.
-
Разработаны и исследованы математические модели ТП ВДГПл титана в медном водоохлаждаемом тигле на постоянной и переменной мощности дуги, учитывающие и объединяющие все главные факторы таких способов плавления металла; они необходимы для построения САПР и АСУ ТП ВДГПл.
-
Составлены алгоритмы и программы автоматизированного проектирования оптимальных режимов ТП ВДГПл титана в медных водоохлаждаемых тиглях.
-
Проведено подробное математическое моделирование ТП ВДГПл в медных водоохлаждаемых тиглях по разработанному математическому описанию а широких диапазонах изменения основных параметров процесса плавления металла.
-
Выполнено уточнение теплового баланса ТП ВДГПл титана в медных водоохладаемых тиглях, установлены пределы изменения величины термического КПД ВДГПл в зависимости от основных параметров процесса плавления металла, существенно отличающиеся от ранее установленных.
-
Проведены экспериментальные исследования известных способов, а также разработанного более эффективного способа водяного охлаждения медного
гарнисажного тигля на созданных для этого модельных установках; установлены значения коэффициента теплоотдачи при различных схемах водяного охлаждения наружной поверхности медных гарнисажных тиглей. Практическое значение работы состоит в следующем:
-
Разработан научно обоснованный метод автоматизированного проектирования оптимальных режимов ТП ВДГПл титановых сплавов в медных водоохлаждаемых тиглях; анализ производственных плавок титановых сплавов и сопоставление его результатов с расчетными данными показал их удовлетворительное соответствие.
-
Предложена и запатентована новая система эффективного водяного охлаждения наружной поверхности медного гарнисажного тигля и её конструктивная схема.
-
Разработан и запатентован новый рациональный способ компактирования кусковых литейных отходов для изготовления расходуемых электродов с использованием в нем 100% отходов собственного литейного производства.
-
Предложено и запатентовано механизированное устройство для вычерчивания вертикальных осевых профилей гарнисажа в любом оптимальном масштабе для определения по ним толщины гарнисажа в тигле и среднего диаметра жидкой ванны.
-
Разработан ряд практических рекомендаций по проектированию и эксплуатации медных водоохлаждаемых тиглей в 6ДГП при плавлении в них титановых сплавов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Российских научно-технических конференциях "Новые материалы и технологии" (Москва, 1995И998 годы) и обсуждались на заседаниях сектора "Технология литейного производства" кафедры "Технология металлических материалов" Российского государственного технологического университета им. К.Э.Циолковского.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав с выводами по каждой главе, общих выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Диссертация изложена на 180 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц и 45 иллюстраций. Библиографический список включает 93 наименования.