Crucibleless Melting of Titanium in an Alternating Electromagnetic Field
Keywords:
induction heating, titanium melt, crucibleless melting, alternating electromagnetic field, temperature field, velocity field in liquid metal, numerical simulation
Abstract
The article addresses matters concerned with development of a technology for obtaining a liquid metal phase in an alternating electromagnetic field inside of a cylindrical ingot of titanium alloys with retaining a solid shell that protects the liquid metal from coming in contact with the external environment. The phenomenon of a titanium alloy liquid phase to emerge inside a cylinder was predicted using a numerical model and confirmed by experimental studies. The numerical model combines closely inter-connected electromagnetic, thermodynamic, hydrodynamic, and mechanical processes. The unique combination of the titanium thermophysical properties with the action of an alternating electromagnetic field in the inductor makes it possible to obtain up to 90% of the total mass of a titanium cylindrical billet in the liquid phase. The principles for choosing the current frequency, the inductor design, and the heating and melting modes have been determined. The magnetohydrodynamic effects that come in picture after the melting onset play a special role in achieving this result. Experimental studies have confirmed the numerical simulation results.
References
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
Published
2023-08-31
Issue
Section
Article
