Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в условиях формирования конкурентной рыночной среды, либерализации внешнеэкономической деятельности и в связи с выходом российских предприятий на мировой рынок проблема обеспечения качества и конкурентоспособности изделий является весьма актуальной. В особенной степени это относится к производству высокоответственных и уникальных изделий, таких как газотурбинные двигатели (ГТД). Характерной особенностью современного газотурбинного двигателестроения является его многофункциональное назначение: ракетная техника, авиация, наземный и морской транспорт, энергомашиностроение, от чего в значительной степени зависят требования к материалам и отдельным деталям двигателя предъявляются соответствующие требования по физико-механическим и эксплуатационным свойствам. Это в свою очередь обуславливает необходимость использования новых материалов с требуемым комплексом свойств, а также наиболее рациональных технологических процессов. В настоящее время наиболее ответственные детали ГТД изготавливаются из дорогостоящих жаропрочных сплавов с использованием энергоемких технологических процессов литья по выплавляемым моделям с получением равноосной направленной и монокристаллической структуры. В соответствии с требованиями международных стандартов и системы качества в отливках не допускается использование в составе шихты металла вторичного переплава (возврата). Поэтому обеспечение высокого выхода годного является обязательным условием работы литейных цехов. Структура лопаток состоит из достаточно крупных столбчатых зёрен с произвольной кристаллографической ориентацией. Для обеспечения стабильного технологического процесса необходимо использование современных методов математического моделирования, базирующихся на знании теплофизических свойств сплавов и математических моделях процесса литья. К сожалению, до сих пор эти вопросы проработаны не в полной мере. Это создает определенные технологические трудности и приводит к повышению себестоимости литья.
Решение данной актуальной проблемы позволит существенно сократить издержки производства в части расходования материальных ресурсов, снизить цену двигателя и обеспечить высокую рентабельность производства.
Цель диссертационной работы.
Разработка высокоэкономичной технологии изготовления отливок ГТД на основе математического моделирования процессов затвердевания при пропускании электрического тока через металл внутри формы. Для достижения указанной цели требуется решение следующих основных задач:
1. Анализ материальных и энергетических затрат при производстве отливок для ГТД с использованием традиционных технологических процессов.
4БЛИ0ТЕКА (
Ж?;
-
Разработка методики определения температурной зависимости теплофизических свойств жаропрочных сплавов.
-
Разработка математической модели и алгоритма программного обеспечения для расчёта технологических параметров литья с учётом внутреннего источника теплоты от воздействия электрического тока на материал отливки.
4. Получение критерия, характеризующего эффективность воздействия
электрического тока, который позволяет проводить предварительный анализ
возможности процесса направленного затвердевания с учетом трехмерной
геометрической модели.
Научная новизна:
-
Разработана оригинальная методика, позволяющая расчетно-экспериментальным путем определить температурную зависимость теплофизических свойств жаропрочных сплавов в интервале кристаллизации жаропрочных сплавов.
-
Установлено влияние геометрических факторов отливки на параметры, определяющие формирование будущего типа макроструктуры при моделировании процесса затвердевания
-
Исследованы особенности процесса затвердевания протяженных тонкостенных отливок при пропускании электрического тока через металл с целью разработки новых технологических процессов литья, обеспечивающих повышение плотности отливок, их механических свойств, экономию металла и электроэнергии.
-
Разработана трёхмерная математическая модель процесса направленного затвердевания при электронагреве отливки.
-
Предложен критерий интенсивности электронагрева Кр позволяющий провести предварительный анализ возможности протекания процесса в данной отливке. Доказано, что управление процессом направленного затвердевания отливки возможно при обеспечении значения Kj=l в верхней части отливки.
-
Теоретически доказано, что последовательное затвердевание отливки возможно при условии возрастания критерия К, как по высоте, так и в горизонтальном направлении от входной и выходной кромок пера лопатки к центру максимальной толщины профиля.
Практическая значимость работы:
-
Установленная зависимость изменения величины расхода материалов и энергоресурсов от массы отливок позволяет определить границы области применения разработанной технологии получения крупногабаритных отливок с заданной структурой.
-
Разработаны новые способ и устройство для направленной кристаллизации и направленного затвердевания отливок из жаропрочных сплавов для ГТД, обеспечивающие получение более высоких температурных градиентов и скорости кристаллизации, что позволило сократить затраты на производство отливок за счет сокращения времени кристаллизации и расхода жидкометаллического охладителя.
I
-
Разработана система предварительной критериальной оценки возможности направленного затвердевания с целью выбора соответствующего технологического обеспечения на стадии проектирования техпроцесса.
-
В программу расчета литейных процессов «ПОЛИГОН» добавлена математическая модель теплового баланса для трёхмерных геометрических объектов с учётом внутренних источников теплоты от электронагрева, что позволяет расширить функциональные возможности программы «ПОЛИГОН».
-
Получена статистическая зависимость удельных энергозатрат от интервала кристаллизации, которая может быть использована для расчета нормативных показателей расхода электроэнергии при плавке сплавов.
-
Результаты исследований прошли промышленное опробование на ОАО «НПО» Сатурн». Использована программа расчёта на ЭВМ основных технологических параметров литья лопаток ГТД с равноосной структурой при электронагреве металла. Механические свойства лопаток соответствуют требованиям, предъявляемым к изделиям с равноосной и направленной структурами. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 3,1 млн. рублей в год за счёт снижения металлоёмкости и энергоёмкости процесса.
Автор защищает:
-
Результаты анализа особенностей процесса затвердевания отливок из жаропрочных сплавов при пропускании электрического тока через металл с целью разработки новой ресурсосберегающей технологии изготовления отливок необходимого качества.
-
Математическую модель процесса направленного затвердевания отливки включающую эффект внутреннего тепловыделения от электронагрева с учётом температурной зависимости удельного электросопротивления в интервале кристаллизации.
-
Основные принципы управления процессом направленного затвердевания отливки при её электронагреве, заключающиеся в поддержании постоянной температуры жидкого сплава на удалении от фронта изоликвидуса, что достигается изменением плотности тока или напряжения на отливке, а также обеспечением необходимой интенсивности теплоотдачи от отливки к поверхности печи подогрева;
-
Возможность использования критерия К,, для предварительной оценки направленного затвердевания и направленной кристаллизации при воздействии электрического тока.
Достоверность полученных результатов подтверждается: І.Вьісокой сходимостью результатов расчетов, полученных при математическом моделировании и экспериментальных исследованиях электрических параметров, таких как сила тока и напряжения, которые свидетельствуют о работоспособности методики по определению теплофизических свойств и корректности математической модели, учитывающей тепловыделение внутри отливки от внутреннего источника электронагрева.
2. Совпадением результатов оценки предполагаемой макроструктуры, определяемой такими параметрами затвердевания как температурный градиент, скорость кристаллизации, со структурой, полученной на реальных отливках.
Апробация работы.
Тезисы докладов на X Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов», Рыбинск, РГАТА - 2000 - С 8-9; тезисы доклада X Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов», Рыбинск, РГАТА 2000- С 7-8; труды Международного Форума по проблемам науки, техники и образования. Том 1. Москва -2000. - С. 79-80; труды 5-го Съезда литейщиков России. Российская Ассоциация литейщиков. Москва 2001 -С 256-259; тезисы доклада Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков», Рыбинск, РГАТА - 2002г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в т.ч. 1 патент РФ, 1 свидетельство на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, 3 приложений, списка используемых источников, содержащего 105 наименований. Общий объем диссертации 167 стр., содержит 61 рис. и 15 таблиц.
