Бестигельная плавка титана в переменном электромагнитном поле
Ключевые слова:
индукционный нагрев, расплав титана, бестигельная плавка, переменное электромагнитное поле, температурное поле, поле скоростей в жидком металле, численное моделирование
Аннотация
Статья посвящена разработке технологии получения в переменном электромагнитном поле жидкой фазы металла внутри цилиндрического слитка из титановых сплавов с сохранением твёрдой оболочки, защищающей жидкий металл от контакта с внешней средой. Явление образования внутри цилиндра жидкой фазы титановых сплавов было предсказано на численной модели и подтверждено экспериментальными исследованиями. Численная модель сочетает в себе тесно связанные электромагнитные, термодинамические, гидродинамические и механические процессы. Уникальное сочетание теплофизических свойств титана с воздействием переменного электро-магнитного поля в индукторе позволяет получить до 90 % общей массы титановой цилиндрической заготовки в жидкой фазе. Определены принципы выбора частоты тока, конструкции индуктора и режимов нагрева и плавки. Особую роль в достижении этого результата играют магнитогидродинамические эффекты после начала расплавления. Экспериментальные исследования подтвердили результаты численного моделирования
Литература
1. Ильин А.А., Колачёв Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. М.: ВИЛС–МАТИ, 2009, 520 с.
2. Андреев А.Л. и др. Плавка и литье титановых сплавов. М.: Металлургия, 1978, 383 с.
3. Крапухин В.В. Печи для цветных и редких металлов. М.: Металлургия, 1993, 416 с.
4. Волохонский Л.А. Вакуумные дуговые печи. М.: Энергоатомиздат, 1985, 232 с.
5. Muehlbauer A. History of Induction Heating and Melting. Essen: Vulkan-Verlag, 2008, 202 p.
6. Gubchenko A.P. Metal Melting and Crystallization in an Electromagnetic Crucible on a Support. – Magnetohydrodynamics, 1986, vol. 22, No. 1, pp 113–117.
7. Сайт компании ALD [Электрон. ресурс], URL: http://www.ald-vt.ru (дата обращения 14.08.2023).
8. Постыляков А.Ю., Шварц Д.Л., Михайленко А.М. Определение коэффициента излучения титановых сплавов ВИ-0 и ВТ6 после нагрева при повышенных температурах. – XII Конгресс прокатчиков, Выкса, 2019, с. 242–246.
9. Шамов А.Н., Бодажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Л.: Машиностроение, 1974, 280 с.
10. Demidovich V., Rastvorova I. Precise Induction Heating of Ti and Zr. – Journal of Electromagnetic Analysis and Application, 2014, vol. 6(13), pp. 404–412, DOI:10.4236/jemaa.2014.613042.
11. Масликов П.А. Исследование условий получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических тел при индукционном нагреве: автореф. дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2014, 19 с.
12. Хацаюк М.Ю. Теория и моделирование магнитогидродинамических процессов в электротехнологических комплексах металлургического назначения: автореф. дис. … доктора техн. наук. СПб., 2020, 39 с.
13. Гецелев З.Н. О формировании жидкого металла магнитным полем при непрерывном литье. – Магнитная гидродинамика, 1972, № 4, с. 152–154.
14. Гецелев 3.Н. и др. Непрерывное литье в электромагнитный кристаллизатор. М.: Металлургия, 1983, 152 с.
15. Pervukhin M.V. et al. Mathematic Simulation of Electro-magnetic and Thermal Hydrodynamic Processes in the “Inductor-Ingot” System of an Electromagnetic Mould. – Magnetohydrodynamics, 2011, vol. 47, No. 1, pp. 79–88.
16. Передовые производственные технологии: возможности для России. Экспертно-аналитический доклад / под ред. А.И. Боровкова. СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2020, 436 с.
17. Demidovich V.B. Computer Simulation and Optimal Designing of Energy-Saving Technologies of the Induction Heating of Metals. – Thermal Engineering, 2012, vol. 59, No. 14, pp. 1023–1034, DOI: 10.1134/S0040601512140030.
18. Демирчян К.С., Чечурин В.Л. Машинные расчеты электромагнитных полей. М.: Высшая школа, 1986, 239 с.
19. Сильвестер П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков. М.: Мир, 1986, 229 с.
20. Тозони О.В. Метод вторичных источников в электротехнике. М.: Энергия, 1975, 295 с.
21. Демидович В.Б. Цифровое моделирование электромагнитных процессов в технологических индукционных устройствах. – Электричество, 2021, № 7, с. 26–32.
22. Патанкар С.В. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984, 150 с.
23. Недопекин Ф.В., Белоусов В.В. Моделирование гидродинамических и тепломассообменных процессов в металлургических технологиях. – Вестник удмуртского университета. Серия физика и химия, 2008, № 1, с. 189–199.
24. Демидович В.Б. и др. Численное моделирование бестигельного плавления титанового сплава в переменном электромагнитном поле. – Известия РАН. Энергетика, 2015, № 6, с. 52–62.
#
\1. Il'in A.A., Kolachyov B.A., Pol'kin I.S. Titanovye splavy. Sostav, struktura, svoystva (Titanium Alloys. Composition, Structure, Properties). M.: VILS–MATI, 2009, 520 p.
2. Andreev A.L. et al. Plavka i lit'e titanovyh splavov (Melting and Casting of Titanium Alloys). M.: Metallurgiya, 1978, 383 p.
3. Krapuhin V.V. Pechi dlya tsvetnyh i redkih metallov (Furnaces for Non-Ferrous and Rare Metals). М.: Metallurgiya, 1993, 416 p.
4. Volohonskiy L.А. Vakuumnye dugovye pechi (Vacuum Arc Furnaces). M.: Energoatomizdat, 1985, 232 p.
5. Muehlbauer A. History of Induction Heating and Melting. Essen: Vulkan-Verlag, 2008, 202 p.
6. Gubchenko A.P. Metal Melting and Crystallization in an Electromagnetic Crucible on a Support. – Magnetohydrodynamics, 1986, vol. 22, No. 1, pp 113–117.
7. ALD Company website [Electron. resource], URL: http://www.ald-vt.ru (Date of appeal 14.08.2023).
8. Postylyakov A.Yu., Shvarts D.L., Mihaylenko A.M. XII Kongress prokatchikov – in Russ. (XII Congress of Distributors), Vyksa, 2019, pp. 242–246.
9. Shamov A.N., Bodazhkov V.А. Proektirovanie i ekspluatatsiya vysokochastotnyh ustanovok (Design and Operation of High-Frequency Installations). L.: Mashinostroenie, 1974, 280 p.
10. Demidovich V., Rastvorova I. Precise Induction Heating of Ti and Zr. – Journal of Electromagnetic Analysis and Application, 2014, vol. 6(13), pp. 404–412, DOI:10.4236/jemaa.2014.613042.
11. Maslikov P.А. Issledovanie usloviy polucheniya zhidkoy fazy titanovyh splavov vnutri tsilindricheskih tel pri induktsionnom nagreve: avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk (Investigation of the Conditions for Obtaining the Liquid Phase of Titanium Alloys Inside Cylindrical Bodies under Induction Heating: Abstract of the Cand. Sci. (Eng.)). SPb., 2014, 19 p.
12. Hatsayuk M.Yu. Teoriya i modelirovanie magnitogidrodinami-cheskih protsessov v elektrotekhnologicheskih kompleksah metallurgicheskogo naznacheniya: avtoref. dis. … doktora tekhn. nauk (Theory and Modeling of Magnetohydrodynamic Processes in Electrotechnological Complexes of Metallurgical Purpose: Abstract of the Dr. Sci. (Eng.)). SPb., 2020, 39 p.
13. Getselev Z.N. Magnitnaya gidrodinamika – in Russ. (Magnetic Hydrodynamics), 1972, No. 4, pp. 152–154.
14. Getselev Z.N. et al. Nepreryvnoe lit'e v elektromagnitnyy kristallizator (Continuous Casting in an Electromagnetic Mold). M.: Metallurgiya, 1983, 152 p.
15. Pervukhin M.V. et al. Mathematic Simulation of Electromagnetic and Thermal Hydrodynamic Processes in the “Inductor-Ingot” System of an Electromagnetic Mould. – Magnetohydrodynamics, 2011, vol. 47, No. 1, pp. 79–88.
16. Peredovye proizvodstvennye tekhnologii: vozmozhnosti dlya Rossii. Ekspertno-analiticheskiy doklad (Advanced Manufacturing Technologies: Opportunities for Russia. Expert and Analytical Report) / Ed. by A.I. Borovkov. SPb.: POLITEKH-PRESS, 2020, 436 p.
17. Demidovich V.B. Computer Simulation and Optimal Designing of Energy-Saving Technologies of the Induction Heating of Metals. – Thermal Engineering, 2012, vol. 59, No. 14, pp. 1023–1034, DOI: 10.1134/S0040601512140030.
18. Demirchyan K.S., Chechurin V.L. Mashinnye raschety elektromagnitnyh poley (Machine Calculations of Electromagnetic Fields). M.: Vysshaya shkola, 1986, 239 p.
19. Sil'vester P., Ferrari R. Metod konechnyh elementov dlya radioinzhenerov i inzhenerov-elektrikov (The finite element method for radio engineers and electrical engineers). M.: Mir, 1986, 229 p.
20. Tozoni O.V. Metod vtorichnyh istochnikov v elektrotekhnike (The Method of Secondary Sources in Electrical Engineering). M.: Energiya, 1975, 295 p.
21. Demidovich V.B. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2021, No. 7, pp. 26–32.
22. Patankar S.V. Chislennye metody resheniya zadach teploob-mena i dinamiki zhidkosti (Numerical Methods for Solving Problems of Heat Transfer and Fluid Dynamics). М.: Energoatomizdat, 1984, 150 p.
23. Nedopekin F.V., Belousov V.V. Vestnik udmurtskogo universiteta. Seriya fizika i himiya – in Russ. (Bulletin of the Udmurt University. Physics and Chemistry Series), 2008, No. 1, pp. 189–199.
24. Demidovich V.B. et al. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Power Engineering), 2015, No. 6, pp. 52–62
2. Андреев А.Л. и др. Плавка и литье титановых сплавов. М.: Металлургия, 1978, 383 с.
3. Крапухин В.В. Печи для цветных и редких металлов. М.: Металлургия, 1993, 416 с.
4. Волохонский Л.А. Вакуумные дуговые печи. М.: Энергоатомиздат, 1985, 232 с.
5. Muehlbauer A. History of Induction Heating and Melting. Essen: Vulkan-Verlag, 2008, 202 p.
6. Gubchenko A.P. Metal Melting and Crystallization in an Electromagnetic Crucible on a Support. – Magnetohydrodynamics, 1986, vol. 22, No. 1, pp 113–117.
7. Сайт компании ALD [Электрон. ресурс], URL: http://www.ald-vt.ru (дата обращения 14.08.2023).
8. Постыляков А.Ю., Шварц Д.Л., Михайленко А.М. Определение коэффициента излучения титановых сплавов ВИ-0 и ВТ6 после нагрева при повышенных температурах. – XII Конгресс прокатчиков, Выкса, 2019, с. 242–246.
9. Шамов А.Н., Бодажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Л.: Машиностроение, 1974, 280 с.
10. Demidovich V., Rastvorova I. Precise Induction Heating of Ti and Zr. – Journal of Electromagnetic Analysis and Application, 2014, vol. 6(13), pp. 404–412, DOI:10.4236/jemaa.2014.613042.
11. Масликов П.А. Исследование условий получения жидкой фазы титановых сплавов внутри цилиндрических тел при индукционном нагреве: автореф. дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2014, 19 с.
12. Хацаюк М.Ю. Теория и моделирование магнитогидродинамических процессов в электротехнологических комплексах металлургического назначения: автореф. дис. … доктора техн. наук. СПб., 2020, 39 с.
13. Гецелев З.Н. О формировании жидкого металла магнитным полем при непрерывном литье. – Магнитная гидродинамика, 1972, № 4, с. 152–154.
14. Гецелев 3.Н. и др. Непрерывное литье в электромагнитный кристаллизатор. М.: Металлургия, 1983, 152 с.
15. Pervukhin M.V. et al. Mathematic Simulation of Electro-magnetic and Thermal Hydrodynamic Processes in the “Inductor-Ingot” System of an Electromagnetic Mould. – Magnetohydrodynamics, 2011, vol. 47, No. 1, pp. 79–88.
16. Передовые производственные технологии: возможности для России. Экспертно-аналитический доклад / под ред. А.И. Боровкова. СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2020, 436 с.
17. Demidovich V.B. Computer Simulation and Optimal Designing of Energy-Saving Technologies of the Induction Heating of Metals. – Thermal Engineering, 2012, vol. 59, No. 14, pp. 1023–1034, DOI: 10.1134/S0040601512140030.
18. Демирчян К.С., Чечурин В.Л. Машинные расчеты электромагнитных полей. М.: Высшая школа, 1986, 239 с.
19. Сильвестер П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков. М.: Мир, 1986, 229 с.
20. Тозони О.В. Метод вторичных источников в электротехнике. М.: Энергия, 1975, 295 с.
21. Демидович В.Б. Цифровое моделирование электромагнитных процессов в технологических индукционных устройствах. – Электричество, 2021, № 7, с. 26–32.
22. Патанкар С.В. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984, 150 с.
23. Недопекин Ф.В., Белоусов В.В. Моделирование гидродинамических и тепломассообменных процессов в металлургических технологиях. – Вестник удмуртского университета. Серия физика и химия, 2008, № 1, с. 189–199.
24. Демидович В.Б. и др. Численное моделирование бестигельного плавления титанового сплава в переменном электромагнитном поле. – Известия РАН. Энергетика, 2015, № 6, с. 52–62.
#
\1. Il'in A.A., Kolachyov B.A., Pol'kin I.S. Titanovye splavy. Sostav, struktura, svoystva (Titanium Alloys. Composition, Structure, Properties). M.: VILS–MATI, 2009, 520 p.
2. Andreev A.L. et al. Plavka i lit'e titanovyh splavov (Melting and Casting of Titanium Alloys). M.: Metallurgiya, 1978, 383 p.
3. Krapuhin V.V. Pechi dlya tsvetnyh i redkih metallov (Furnaces for Non-Ferrous and Rare Metals). М.: Metallurgiya, 1993, 416 p.
4. Volohonskiy L.А. Vakuumnye dugovye pechi (Vacuum Arc Furnaces). M.: Energoatomizdat, 1985, 232 p.
5. Muehlbauer A. History of Induction Heating and Melting. Essen: Vulkan-Verlag, 2008, 202 p.
6. Gubchenko A.P. Metal Melting and Crystallization in an Electromagnetic Crucible on a Support. – Magnetohydrodynamics, 1986, vol. 22, No. 1, pp 113–117.
7. ALD Company website [Electron. resource], URL: http://www.ald-vt.ru (Date of appeal 14.08.2023).
8. Postylyakov A.Yu., Shvarts D.L., Mihaylenko A.M. XII Kongress prokatchikov – in Russ. (XII Congress of Distributors), Vyksa, 2019, pp. 242–246.
9. Shamov A.N., Bodazhkov V.А. Proektirovanie i ekspluatatsiya vysokochastotnyh ustanovok (Design and Operation of High-Frequency Installations). L.: Mashinostroenie, 1974, 280 p.
10. Demidovich V., Rastvorova I. Precise Induction Heating of Ti and Zr. – Journal of Electromagnetic Analysis and Application, 2014, vol. 6(13), pp. 404–412, DOI:10.4236/jemaa.2014.613042.
11. Maslikov P.А. Issledovanie usloviy polucheniya zhidkoy fazy titanovyh splavov vnutri tsilindricheskih tel pri induktsionnom nagreve: avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk (Investigation of the Conditions for Obtaining the Liquid Phase of Titanium Alloys Inside Cylindrical Bodies under Induction Heating: Abstract of the Cand. Sci. (Eng.)). SPb., 2014, 19 p.
12. Hatsayuk M.Yu. Teoriya i modelirovanie magnitogidrodinami-cheskih protsessov v elektrotekhnologicheskih kompleksah metallurgicheskogo naznacheniya: avtoref. dis. … doktora tekhn. nauk (Theory and Modeling of Magnetohydrodynamic Processes in Electrotechnological Complexes of Metallurgical Purpose: Abstract of the Dr. Sci. (Eng.)). SPb., 2020, 39 p.
13. Getselev Z.N. Magnitnaya gidrodinamika – in Russ. (Magnetic Hydrodynamics), 1972, No. 4, pp. 152–154.
14. Getselev Z.N. et al. Nepreryvnoe lit'e v elektromagnitnyy kristallizator (Continuous Casting in an Electromagnetic Mold). M.: Metallurgiya, 1983, 152 p.
15. Pervukhin M.V. et al. Mathematic Simulation of Electromagnetic and Thermal Hydrodynamic Processes in the “Inductor-Ingot” System of an Electromagnetic Mould. – Magnetohydrodynamics, 2011, vol. 47, No. 1, pp. 79–88.
16. Peredovye proizvodstvennye tekhnologii: vozmozhnosti dlya Rossii. Ekspertno-analiticheskiy doklad (Advanced Manufacturing Technologies: Opportunities for Russia. Expert and Analytical Report) / Ed. by A.I. Borovkov. SPb.: POLITEKH-PRESS, 2020, 436 p.
17. Demidovich V.B. Computer Simulation and Optimal Designing of Energy-Saving Technologies of the Induction Heating of Metals. – Thermal Engineering, 2012, vol. 59, No. 14, pp. 1023–1034, DOI: 10.1134/S0040601512140030.
18. Demirchyan K.S., Chechurin V.L. Mashinnye raschety elektromagnitnyh poley (Machine Calculations of Electromagnetic Fields). M.: Vysshaya shkola, 1986, 239 p.
19. Sil'vester P., Ferrari R. Metod konechnyh elementov dlya radioinzhenerov i inzhenerov-elektrikov (The finite element method for radio engineers and electrical engineers). M.: Mir, 1986, 229 p.
20. Tozoni O.V. Metod vtorichnyh istochnikov v elektrotekhnike (The Method of Secondary Sources in Electrical Engineering). M.: Energiya, 1975, 295 p.
21. Demidovich V.B. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2021, No. 7, pp. 26–32.
22. Patankar S.V. Chislennye metody resheniya zadach teploob-mena i dinamiki zhidkosti (Numerical Methods for Solving Problems of Heat Transfer and Fluid Dynamics). М.: Energoatomizdat, 1984, 150 p.
23. Nedopekin F.V., Belousov V.V. Vestnik udmurtskogo universiteta. Seriya fizika i himiya – in Russ. (Bulletin of the Udmurt University. Physics and Chemistry Series), 2008, No. 1, pp. 189–199.
24. Demidovich V.B. et al. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Power Engineering), 2015, No. 6, pp. 52–62
