авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

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

На правах рукописи

Оленин Владимир Алексеевич   ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНДУКЦИОННЫХ СИСТЕМ ПРЕЦИЗИОННОГО НАГРЕВА ДЛИННОМЕРНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Специальность: 05.09.10– Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

  Санкт-Петербург – 2009 2

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехниче ском университете "ЛЭТИ" имени В.И. Ульянова (Ленина).

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Демидович Виктор Болеславович Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор Дресвин С. В.

кандидат технических наук, доцент Злобина М. В.

Ведущая организация – Федеральное Государственное Унитарное Предприятие Центральный Научно - Исследовательский Институт Конструкционных Мате риалов «ПРОМЕТЕЙ» (г.Санкт-Петербург).

Защита состоится "_" 200 г. в часов на заседании со вета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.05 Санкт Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" имени В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф.

Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" имени В.И. Ульянова (Ленина).

Автореферат разослан “” _ 200 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссер таций к.т.н, доцент М. П. Белов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний момент в период мирового эконо мического кризиса в России особое внимание уделяется стратегически важным отраслям промышленности, в частности, связанным с авиакосмическим ком плексом.

Традиционным для авиастроения материалом является титан и его сплавы.

В нашей стране лидером в поставке титана и единственным предприятием пол ного цикла его обработки является ОАО "Корпорация ВСМПО-АВИСМА", г. Верхняя Салда. Основные потребители выпускаемой продукции это отечест венные и зарубежные производители аэрокосмической техники (ОАО "Компа ния "Сухой", Boeing, Airbus). В сегодняшних условиях для сохранения имею щегося рынка сбыта требуется постоянное увеличение качества выпускаемой продукции и уменьшение издержек производства. В связи с этим происходит модернизация производственного комплекса с применением энергосберегаю щих технологий и приобретением нового наукоемкого оборудования.

Одним из этапов модернизации производства является увеличение исполь зования в процессах нагрева индукционного оборудования. Это объясняется рядом общеизвестных преимуществ, таких как: хорошие энергетические пока затели, высокая скорость нагрева, отсутствие контакта между индуктором и ме таллом, 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 ряд особенностей связан ных с физико-химическими свойствами материала (низкой теплопроводностью, малым удельным весом и т.д.) и с высокими требованиями потребителей к ка честву продукции в соответствии с международными и национальными стан дартами авиапрома. Для обеспечения предъявляемых требований необходимо использование прецизионного нагрева (±20°С по объему), а нагревательное устройство должно проходить проверку на обеспечение технологической точ ности нагрева.

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

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

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 устройства индукционного нагрева с возможностью исследования нестационарных режимов работы оборудования;

3) Исследование нового способа индукционного нагрева длинномерных изделий с применением возвратно – поступательных движений нагреваемой за готовки;

4) Разработка и внедрение индукционных систем для прецизионного на грева длинномерных заготовок из титановых сплавов;

5) Разработка методики проверки устройства индукционного нагрева на технологическую точность нагрева заготовок.

Методы исследования. Исследования электромагнитных, температурных полей и интегральных параметров индукционных систем проводились метода ми математической физики и вычислительной математики. Достоверность по лученных результатов определялась сравнением расчетных результатов с экс периментальными данными.

Научная новизна и значимость работы состоит в следующем:

1) Разработана численная модель устройства индукционного нагрева с учетом динамики перемещения заготовки в индукторах при организации нагре ва с возвратно-поступательным движением изделия.

2) Предложен новый способ индукционного нагрева длинномерных ци линдрических изделий с организацией возвратно-поступательных движений на греваемой заготовки в индукторах, обеспечивающий прецизионный нагрев.





3) Найдена зависимость распределения температурного поля по длине из делия от параметров системы перемещения в устройства индукционного нагре ва с организацией возвратно-поступательного движений нагреваемых загото вок.

4) Разработана методика проверки на технологическую точность устрой ства индукционного нагрева с применением возвратно-поступательных движе ний заготовки.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Численная модель УИН с возможностью исследования нестационар ных режимов работы при возвратно-поступательном движении нагреваемой за готовки.

2) Способ индукционного нагрева длинномерных цилиндрических изде лий с организацией возвратно-поступательных движений нагреваемой заготов ки 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 применени ем возвратно-поступательных движений заготовки.

Практическая значимость полученных в диссертационной работе ре зультатов заключается в следующем:

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

2. Разработанная численная модель позволяет выполнить расчет ин дукционных 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 повы сить производительность и качество нагрева изделия по сравнению с аналогич ным нагревом в имеющихся печах сопротивления.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы использу ются 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 вне дрения).

Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссер тационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах и кон ференциях кафедры ЭТПТ и МОЛ СЭТ СПбГЭТУ (2004 – 2009), на симпозиу ме “Молодые ученые – промышленности северо-западного региона” (СПбГПУ, Санкт-Петербург, 2004), на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные проблемы энергосберегающих элек тротехнологий» (ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 2006), на 4-ой между народной конференции молодых специалистов «Металлургия ХХI века» (ВНИИМЕТМАШ, Москва, 2008), на XVI международной конференции «Elec tricity Applications in Modern World» (UIE, Краков, 2008), на 2-ой международ ной конференции APIH-09 «Актуальные проблемы теории и практики индук ционного нагрева» (СПбГЭТУ, Санкт-Петербург, 2009).



Публикации по теме диссертации. Основные теоретические и практиче ские результаты диссертации опубликованы в 10 работах, среди которых 1 ра бота в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендуемых в действующем пе речне ВАК, 4 – статьи в специализированных журналах, 6 работ – в материалах международной конференции. По результатам научных исследований получен патент РФ на изобретение №2333618 «Способ индукционного нагрева длинно мерных изделий».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 58 наименова ний и одного приложения. Работа изложена на 113 листах машинописного тек ста, содержит 72 рисунка и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показывается актуальность диссертационной работы, форму лируется цель ее проведения, излагаются основные концепции, лежащие в ос нове работы и определяющие ее структуру и методы исследования.

В первой главе показаны особенности нагрева заготовок из титановых сплавов, сформулирована проблема обеспечения качества нагрева индукцион ным способом, выявлены пути ее решения и сформулированы задачи исследо вания.

Операции нагрева широко применяются в производстве титановых изде лий. Особенности нагрева титана и его сплавов связаны с полиморфизмом ма териала, его химической активностью в диапазоне высоких температур и осо бенными тепло- и электрофизическими свойствами. Непременным условием обеспечения качества титановой продукции является высокая точность распре деления температурного поля по объему заготовки (до ± 20 °С), исключение перегрева металла и минимизация времени процесса нагрева. Также немало важным фактором при выборе способа нагрева является возможность адапта ции нагревательной системы к существующему производству.

Наиболее полно соответствует требуемым условиям индукционный способ нагрева. Основные недостатки, ограничивающие применение индукционного нагрева в титановом производстве, связаны с трудностями формирования рав номерного температурного поля, обусловленными низкой теплопроводностью титана, высоким уровнем тепловых потерь и характером распределения источ ников тепла.

Как известно из теории оптимального управления процессом индукцион ным нагрева, при двухинтервальном управлении предельные отклонения тем пературы по сечению inf в одномерном случае достигаются при условии равен ства температур на поверхности и в центре заготовки Tп = Tц. Температурный максимум Тmax находится на некоторой глубине от поверхности. Характер изменения температурного поля по сечению цилиндрической заготовки в про цессе индукционного нагрева заготовок иллюстрирует рис.1.

На рис. 2а приведена зависимость inf от диаметра и температуры заготов ки, полученная по 1D-модели при постоянной частоте нагрева 1000 Гц. На рис. 2б показана зависимость inf от величины заглубления заготовки в индук тор –, при стационарном нагреве в одном индукторе по 2D-модели. Материал заготовки титановый сплав – ВТ6, длина -750 мм, частота нагрева -1000 Гц.

Предельные отклонения температуры по всему объему заготовки достигаются при условии равенства температур в трех точках по длине и по сечению заго товки Тп=Тц=Т3, где Т3 –температура на торце заготовки. Учет конечной дли ны заготовки и индуктора, также как наличие или отсутствие торцевых крышек сильно влияет на предельно достижимые кондиции нагрева.

Рис.1. Характер распределения температурного поля по радиусу заготовки в про цессе индукционного нагрева.

inf, C 2D задача 1D задача 0 50 100 150 200 a) б),см Рис.2. Зависимость предельной погрешности нагрева от диаметра заготовки (а) и от величины заглубления заготовки в индуктор (б):

1 - без торцевых крышек, 2 - с торцевыми крышками  Кроме параметров заготовки (длина,  диаметр, материал) и параметров на гревательной системы (температура нагрева, частота, мощность) на погреш ность формирования температурного поля большое влияние оказывает способ реализации нагрева.

Основные типы индукционных нагревателей разделяется по способу пере мещения заготовки и представлены на рис. 3. Наилучшим по достижению пре дельной равномерности является периодический способ нагрева в одном ин дукторе. Такой способ подходит для заготовок небольшой длины, но для длин номерных заготовок он нереализуем из-за затруднения перемещения заготовки внутри катушки индуктора. Кроме того, при этом способе нагрева изделие, весь процесс располагается на жаропрочных направляющих, подстуживающих низ заготовки и искажающих ее температурное поле.

Наиболее удобным по организации движения длинномерных заготовок яв ляется непрерывный способ индукционного нагрева. В этом случае транспор тировка заготовок через зону индукторов осуществляется с помощью привод ных роликов, установленных между индукторами, подача заготовок в нагрева тель носит непрерывный характер, каждая последующая заготовка упирается в торец предыдущей, создавая единый столб.

Индуцирующая катушка  Футеровка  Индуктор 1 Индуктор 2 Индуктор 3  Нагреваемая заготовка Нагреваемая заготовка  Периодический нагрев  Нагрев с возвратнопоступательным движение заготовок  Индуктор 1 Индуктор 2 Индуктор 3 Индуктор 4  Нагреваемая заготовка  Методический нагрев Рис. 3. Схемы индукционных нагревательных систем Однако при нагреве длинномерных заготовок непрерывным способом возникает проблема неравномерного остывания по длине заготовки на выходе из нагревателя, когда часть изделия находится под работающими индукторами, часть на открытом воздухе.

Для исключения остывания длинномерных заготовок к зоне основного нагрева необходимо добавлять зону термостатирования (термостат), которая будет компенсировать тепловые потери с поверхности заготовки. Добавление термостата значительно увеличивает габариты установки и усложняет процесс управления нагревом.

Исходя из проведенного анализа следует, что для обеспечения прецизион ного нагрева длинномерных цилиндрических заготовок из титановых сплавов требуется создание нагревателя с роликовой системой перемещения и нагрева тельной частью обладающей характеристиками индуктора периодического дей ствия.

К таким системам относится нагреватель с организацией возвратно поступательных движений нагреваемых заготовок в нескольких индукторах.

Схема индукционного нагревателя с организацией возвратно-поступательных движений заготовок изображена на рис. 3.

Предложенная схема легко вписаться в существующую технологическую линию производства титановых изделий, позволяет уменьшить габариты нагре вателя, обеспечить транспортировку длинномерных заготовок через зону на грева, но для достижения требуемых температурных полей необходимо проек тирование систем с использованием численного моделирования.

Во второй главе рассмотрены методы численного моделирования индук ционных нагревателей, подробно описана модель индукционного нагреватель ного комплекса, разработанная в среде Universal 2D, для численного расчета индукционной системы с организацией возвратно-поступательных движений нагреваемого изделия.

В моделе используется комбинированный метод расчета индукционных нагревателей, когда задача делится на внешнюю (расчет входных параметров индукторов и поля вне загрузки) и внутреннюю (расчет распределения элек тромагнитного и температурного поля в загрузке). Принцип построения элек тротепловых моделей в среде Universal 2D представлен на рис. 4.

Информационно – логический блок Внутренняя элек Внешняя электро Импедансные граничные тротепловая задача магнитная задача условия Решение методом интегральных уравнений Внутренняя элек- Внутренняя тепловая тромагнитная задача задача Решение методом конечных разностей Рис.4. Принцип построения электротепловых моделей в среде Universal 2D Внешняя задача решается на базе метода интегральных уравнений (МИУ), а внутренняя на базе метода конечных разностей (МКР). Сшивание задач про исходит на поверхности заготовки с постановкой импендансных граничных ус ловий, позволяющих не рассматривать поле внутри тела.

Простейшая осессимитричная индукционная система, состоящая из индуктора и нагреваемого те ла, на поверхности которого известен поверхностный импеданс, представлена на рис. 5.

Поверхностный импеданс или сопротивление & единичного квадрата Z 0, равно отношению танген- Рис. 5. Расчетная схема индукционной системы циальных составляющих напряженностей электриче ского и магнитного полей:

& && Z0 = E Ht. (1) & Значение Z 0 в любом элементе поверхности тела в общем случае изменя ется в процессе нагрева.

На основе определения поверхностного импеданса, закона электромагнит ной индукции и закона Био-Савара для элементов нагреваемого тела Q с осе вым размером lQ и радиусом RQ получаем:

( jМ Z Q N QP ) I P = & & Q Т ;

(2) QP P & & Здесь Z Q = 2 Z 0Q RQ lQ – поверхностное сопротивление кольцевого эле мента Q, N QP – безразмерный коэффициент, связывающий МДС на участке Q с током элемента P. Коэффициент N QP является аналогом взаимной индук тивности M QP.

Для элементов индуктора запишем уравнение равновесия напряжений по второму закону Кирхгофа:

QИ ;

rQ I Q + jM QP I P = U Q. (3) & & & P Уравнения (2) и (3) образуют полную систему уравнений, описывающую индукционное устройство (см. рис. 5) В результате внешнего электрического расчета при заданном напряжении на выводах индуктора, либо токе или мощности в цепи, определяются основ ные электрические параметры системы: полная активная мощность, полная ре активная мощность, активная мощность, выделяющаяся в заготовке, мощность потерь в индукторах, токи в индукторах, электрический КПД нагревателя, рас пределение напряженности магнитного поля на поверхности заготовки.

Цель решения внутренней электротепловой задачи– определение распре деления температуры в объеме заготовки при определенных граничных услови ях на поверхности, которые задаются или из условия свободного теплообмена с окружающей средой, или с учетом теплоизоляции. Одновременно рассчитыва ются общие тепловые потери и распределение температуры внутренней по верхности теплоизоляции по длине нагревателя.

Внутренние электромагнитная и тепловая задачи в поперечном сечении за готовки описываются системой дифференциальных уравнений & 1 H & R = j 0 H ;

(4) R R R T 1 T T (5) = R + +q C t R R R Z Z & где H – комплексное действующее значение напряженности магнитного поля;

& H T – температура;

q – внутренние источники теплоты, q = ;

– удельное R – сопротивление;

относительная магнитная проницаемость;

0 = 4 10 9 Гн/см;

– круговая частота, = 2f ;

C – объемная теплоем кость;

– удельная теплопроводность.

Решение внутренней электро тепловой задачи дает количест венную картину распределения электромагнитного и температур ного полей внутри нагреваемой заготовки и позволяет рассчитать импедансные условия на поверх ности тела, необходимые для ре шения внешней задачи.

Общая функциональная схема Рис. 6. Общая функциональная схема электротепловой модели индук электротепловых моделей индукцион- ционных нагревателей, реализо ных нагревателей в среде Universal 2D  ванная в среде Universal 2D, пред ставлена на рис. 6. Эта схема вклю чает в себя несколько основных блоков. Основным характерным от личием данной модели является на личие блока управления расчетом, который определяет внешние воз действия на систему нагрева и сис тему перемещения нагревателя. Ча стным случаем использования блока управления расчетом является орга низация возвратно-поступательных движений заготовки в процессе на грева. Блок управления задает на правление, скорость и время движе ния заготовки в рамках одной ста дии. Алгоритм нагрева заготовки с организацией возвратно поступательных движений, исполь зованный в модели индукционного нагревателя, изображен на рис. 7.

Кроме внешнего управления движе нием заготовки происходит также управление по температуре нагрева.

В третьей главе на основе раз работанной математической модели исследована установка индукцион- Рис. 7. Алгоритм индукционного нагрева ного нагрева с организацией воз- заготовки с организацией возвратно вратно-поступательных движений поступательных движений заготовок.

Особенностью исследуемой системы является условное разделение нагре вателя на несколько повторяющихся участков с одинаковым распределением внешних источников тепла. Таким образом, за один цикл покачивания каждая точка заготовки проходит через зону нагрева, равную длине индуктора, и зону остывания, равную расстоянию между индукторами.

В ходе анализа системы и по результатам численного моделирования было выявлено, что для создания участков с одинаковым распределением внешних источников тепла необходимо выполнение следующих условий: одинаковые геометрические параметры всех индукторов (длина, диаметр, количество вит ков, параметры футеровка), одинаковое расстояние между индукторами, равен ство величины амплитуды покачивания сумме длины индуктора и расстоянию между индукторами, одинаковое значение тока в индукторах в процессе нагре ва.

Соблюдая эти условия, мы получаем предельную равномерность нагрева по длине заготовки, при этом значение температурного перепада в процессе пе ремещения заготовки сильно меняется. На рис. 8 изображено распределение температуры по длине на поверхности заготовки в течение одного цикла «кача ния»: а - в момент начала цикла возвратно – поступательного движения, б - в процессе перемещения заготовки между крайними положениями, в - в момент окончания цикла возвратно-поступательного движения.

а) б) в) Рис. 8. Распределение температурного поля по длине заготовки в процессе одного цикла покачивания Одинаковое значение тока в индукторах в процессе нагрева достигается путем стабилизации работы источников питания по току. В случае стабилиза ции питания по напряжению режим, максимально приближенный к стабилиза ции тока, может быть получен путем применения последовательной схемы со единения всех индукторов. Последовательная схема позволяет сделать электри ческие параметры УИН в меньшей степени зависимыми от изменения величи ны заполнения индукторов заготовкой в процессе качания.

При параллельном соединении индукторов неравномерность распределе ния мощности источника питания между последовательными группами создает неодинаковое распределение внешних источников тепла. Неравномерность на грева при параллельном подключении индукторов может достигать 150 С, то гда как при последовательном соединении неравномерность составляет около 20 С. Для сравнения на рис. 9. представлено распределение температурного поля по длине заготовки для раз личных схем подключения индук торов. Расчеты проведены для за готовки из сплава ВТ6, диаметром -120 мм, длинной 5800 мм до ко нечной температуры 750 оС. Ко личество индукторов - 8шт. выби ралось из возможности нагрева заготовки максимальной длины и типичной в данном случае длине индуктора.

В реальных условиях на ус- Рис.9. Распределение температурного поля по длине заготовки в зависимости от схемы корение и остановку системы подключения индукторов приводов в момент реверсирова ния заготовки затрачивается определенное время. Это время было введено в модель индукционной системы, как некоторая временная остановка или за держка заготовки в момент смены направления движения на противоположное.

Влияние любой задержки может быть скомпенсировано за счет изменения ам плитуды покачивания. Анализ полученных данных позволил ввести учет вре мени задержки через простую формулу:

(6) Lамплитуда = Lинд + Lзазор t з V где tз – время остановки привода при реверсировании заготовки, c;

V – cкорость движения заготовки при осуществлении возвратно-поступательных движений.

Рис. 10 демонстрирует данные полученные в результате моделирования подтверждающие достоверность этой формулы для разных скоро- Lамп, см стей перемещения заготовки в режиме стабилизации тока, в ре жиме стабилизации напряжения эти значения будут отличаться. В четвертой главе рассмат риваются особенности конструк- v = 4 см/с ции нагревателя, особенности ал- v = 6 см/с v = 8 см/с горитма нагрева длинномерных v = 10 см/с заготовок, описан метод проверки работы оборудования на техноло- 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 tз, c гическую точность и представле ны данные, полученные в ходе Рис. 10. Зависимость оптимальной амплитуды горячих испытаний оборудования покачивания заготовки от времени задержки на заводе ОАО “Корпорация на реверс при различных скоростях движения ВСМПО-АВИСМА”.

По результатам чис ленного моделирования была спроектирована и из готовлена индукционная система для нагрева цилин дрических титановых заго товок перед правкой. Тех нологическая схема про цесса правки изображена на рис. 11.

“Холодная” заготовка с загрузочного стеллажа поступает на рольганг, с которого загружается в ин дукционный нагреватель.

Рис.11. Технологическая схема процесса правки.

После нагрева “горячая” за готовка выгружается обратно и затем происходит процесс правки с последую щим равномерным охлаждением на “холодильнике”. Диаметр заготовок варьи руется от 60 до120 мм, длина от 2000 до 5800 мм, материал заготовок – сплавы титана.

Схема индукционного нагревателя представлена на рис. 12. Индукционный нагреватель состоит из 8 одинаковых индукторов, длиной Lинд = 530 мм каж дый, расположенных с межиндукторным зазором Lзаз = 350 мм. Между индук торами расположены 7 роликов, связанных с электроприводом движения. Ро лики имеют общий вал, приводимый в движение асинхронным электродвигате лем, питающимся от преобразователя частоты, что позволяет регулировать ско рость движения прутка в пределах 4 – 20см/с;

минимальное время остановки на реверс направления движения было установлено равным 0,5с.

Контроль амплитуды движения прутка осуществлялся двумя оптическими датчиками перемещения. Каждый датчик имеет открытый оптический канал, перекрытие которого в момент прохода торца прутка позволяет фиксировать этот момент.

Рис.12. Схема индукционной установки для нагрева заготовок из сплавов титана с организацией возвратно-поступательных движений Питание индукционной системы осуществлялось тиристорным преобразо вателем частоты серии ТПЧ мощностью 400кВт, частотой 1000Гц, выходным напряжением 800В. Все индукторы соединялись между собой последовательно.

Частота, мощность источника питания, рабочее напряжение и время нагрева выбирались по известным правилам для решения задачи сквозного нагрева ци линдрических заготовок заданной геометрии до заданной температуры.

Исходя из условий равномерного нагрева были выбраны следующие пара метры системы: Lинд =530 мм, Lзаз =340 мм, tз min= 0,5 с, = 4см/с, амплитуда качания прутка 830мм.

Для диаметров заготовок 50-80 мм нагрев осуществлялся в одну стадию, при неизменном значении мощности источника питания. Для диаметров заго товки 80-120 мм нагрев выполнялся в две стадии: первая стадия – нагрев на максимальной мощности (уставке напряжения генератора). Вторая – нагрев с пониженной мощностью для выравнивания температуры по сечению и умень шения градиента температуры за один цикл качания в конце нагрева.

Выключение нагрева и переключение между стадиями осуществлялось только после прохождения заготовкой полного цикла качания для создания равных условий нагрева каждой точки по длине заготовки.

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.

Периодический характер распределения температурного поля по длине за готовки позволяет определить расстояние между точками по длине, где дости гается максимальная разница температур. Расстояние между этими точками по длине заготовки равняется приблизительно половине амплитуды возвратно поступательных движений заготовки. Для проверки устройства индукционного нагрева длинномерных заготовок на технологическую точность минимальное количество термопар должно равняться четырем. Расстояние по длине заготов ки между термопарами должно быть равно половине амплитуды возвратно поступательных движений, при этом одна термопара должна располагаться в центре заготовки, одна в глубине на заранее просчитанной точке нахождения температурного максимума.

Для исследования динамики изменения и конечного распределения темпе ратуры по сечению и длине прутка в процессе нагрева, были изготовлены спе циальные образцы длиной 4010 мм, диаметром 100 мм. Температура записыва лась с интервалом 1 мин в течение всего времени нагрева равного 15мин.

Схема размещения термопар для проверки теплоперепада по длине заго товки с полученными экспериментальными данными представлены на рис. 13 и в табл. 1. Термопары K1, K4, K6, K5 расположены на глубине 50 мм, К2,K3,К5,К7 –на глубине 10 мм.

Рис.13. Схема установки термопар по длине заготовки Таблица Время Температура в точках контроля нагрева, t1, оС t2, оС t3, оС t4, оС t5, оС t6, оС t7, оС t8, оС с 10 18 18 21 21 20 17 18 70 21 75 22 21 21 22 72 130 50 80 22 21 22 50 78 190 70 99 33 26 28 70 92 250 101 139 136 60 102 100 120 310 126 234 236 101 125 128 213 370 212 329 311 115 269 205 313 430 334 409 391 260 368 327 400 490 415 490 460 374 448 407 476 550 489 553 529 458 524 484 544 610 557 617 583 530 587 552 608 670 613 666 634 599 647 615 663 730 667 718 683 656 702 667 712 790 713 749 721 709 743 718 750 850 742 761 741 741 762 747 762 Проведенные эксперименты на разработанной и внедренной промышлен ной установки показали, что достигается высокая точность нагрева - отклоне ние конечной температуры по объему прутка от требуемой не более, чем на 20 оС. Эта точность является предельно достижимой для изделий данного диа метра, когда неравномерность по длине прутка не превышает неравномерность по сечению прутка.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработка численной модели устройства индукционного нагрева с возможностью исследования нестационарных режимов работы оборудования 2. Разработан и исследован способ индукционного нагрева длинно мерных изделий с организацией возвратно-поступательных движений загото вок, 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 ор ганизацией возвратно-поступательных движений заготовок от параметров при вода системы, даны рекомендации по выбору амплитуды покачивания для уменьшения этой зависимости.

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

6. Разработаны рекомендации и методика проверки УИН с организа цией возвратно-поступательных движений на технологическую точность нагре ва.

7. По результатам исследований получен патент Российской Федера ции №2333618 «Способ индукционного нагрева длинномерных заготовок», да та опубликования 10.09.2008.  8. Внедрена установка индукционного нагрева с возвратно поступательным движением заготовок перед правкой на предприятие ОАО “Корпорация ВСМПО-АВИСМА”. Внедрение подтверждено актом о вне дрении результатов кандидатской диссертационной работы.  ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ   Публикации, входящие в перечень ВАК:

1. Оленин, В.А. Индукционные установки для нагрева длинномерных цилиндрических заготовок перед обработкой давлением [Текст] / В.А. Оленин, В.Б. Демидович, Б.Н. Никитин // Электрометаллургия. – 2007. - №9. - С. 31-37.

Патент на изобретение:

2. Способ индукционного нагрева длинномерных заготовок [Текст]:

пат 2333618 Рос. Федерация: МПК Н05В 6/02 / Демидович В.Б., Оленин В.А., Чмиленко Ф.В.;

заявитель и правообладатель ФГУП ВНИИТВЧ им.

В.П.Вологдина. - № 2006141071/09;

заявл. 20.11.2006;

опубл. 10.09.2008, Бюл.

№25 – 5 с.: ил.

Другие публикации:

3. Оленин, В.А. Автоматизированная индукционная нагревательная установка для подогрева длинномерных заготовок [Текст] / В.А. Оленин, В.И.

Кубышкин, Ф.В. Чмиленко // Политехнический симпозиум 2004 - СПб.: ГОИ ВПО СПбГПУ, 2004. – С. 54 – 55.

4. Оленин, В.А. Опыт разработки и наладки системы управления ус тановки прецизионного индукционного нагрева [Текст]/ В.А. Оленин [и др.]. // Труды Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. - Екатеринбург 2006. - С. 144-148.

5. Оленин, В.А.Индукционные установки для прецизионного нагрева длинномерных заготовок [Текст]/ В.А. Оленин и // Труды Всероссийской науч но-технической конференции с международным участием, Екатеринбург 2006. С. 437-441.

6. Olenin, A., Demidovich, V., Nikitin, B., Induction installations for heat ing long cylindrical billets before metal forming (Индукционные установки для на грева длинномерных цилиндрических заготовок перед обработкой давлением) [Текст]/ A. Olenin, V. Demidovich, B. Nikitin // Russian Metallurgy – 2007 - №.8, С.98-102.

7. Оленин, В.А. Индукционный нагрев длинномерных заготовок [Текст] / В.А. Оленин, В.Б. Демидович, Б.М. Никитин // Индукционный на грев.– 2007. -№1. - С. 2-8.

8. Оленин, В.А. Индукционные установки для нагрева титановых загото вок перед пластической деформацией [Текст] / D – Металлургия XXI века.

Сборник трудов 4-й международной конференции молодых специалистов. – М.:

ВНИИМЕТМАШ им. академика А.И.Целикова, 2008, с. 302-311.

9. Olenin, V., Demidovich, V., Nikitin, B., Utilization of Induction Heating In the Titanium Industry (Применение индукционного нагрева в титановой про мышленности) [Текст]/ V. Olenin, V. Demidovich, B. Nikitin // XVI International UIE Conference on Electricity Applications in Modern World, Krakov, 2008 - P.51 52.

10. Оленин, В.А. Индукционный нагрев титановых заготовок перед об работкой давлением [Текст] / В.А. Оленин, В.Б. Демидович, Б.М. Никитин // Индукционный нагрев. - 2008. - №3/ - C. 20-25.

11. Оленин В.А. Энергосберегающие технологии прецизионного нагре ва легких сплавов в индукторах [Текст]/ В.А. Оленин [и др.] // Материалы 2-й международной конференции «APIH 09». – СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. – С.48-57.



 


Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.