Механотронна система керування виплавкою титану

Abstract

Цибрій Ю.О. Механотронна система керування виплавкою титану. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 - Машинознавство. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2018. Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-практичної задачі розробки механотронної системи керування виплавкою титанових зливків електронно-променевою плавкою, яка забезпечує підвищення ефективності роботи електронно-променевої установки завдяки ресурсо- та енергозбереженню при високій якості готових титанових зливків. В Україні промислове виробництво високоякісних титанових зливків пов’язане з вакуумно-дуговою, електрошлаковою, плазмовою та електронно-променевою плавкою. Остання вважається найбільш прогресивною технологією, завдяки високій степені очищення зливку від домішок, відсутності жорстких вимог по хімічному та фізичному складу шихтового матеріалу та можливість активного втручання в технологічний процес. Однак електронно-променева плавка має недостатньо високу продуктивність та є однією з найбільш енергозатратних. Через відсутність вимірювання температури титанового розплаву в проміжній ємності процес плавки суттєво залежить від вибору режиму обігріву оператором. Крім того, при витягуванні зливку з кристалізатора на його поверхні утворюються різноманітні дефекти, для усунення яких при обробці зливку втрачається до 10% його маси. Загальною причиною вищевказаних недоліків є неузгодженість керування процесом плавки, витягування зливку та подачі шихти в зону плавки. Тому розробка механотронної системи керування виплавкою титану при електронно-променевій плавці, яка узгоджує керування процесами виготовлення титанових зливків та підвищує їх ефективність шляхом зниження питомих енерговитрат та збільшення продуктивності виплавки, визначає мету дисертаційної роботи. Згідно поставленої мети при розробці механотронної системи для моделювання процесів в проміжній ємності електронно-променевої установки та напружено-деформованого стану мембран гідравлічного виконавчого мембранного механізму застосовано методи скінчених різниць та скінченних елементів. При моделюванні процесів в проміжній ємності використано метод дробових кроків рішення багатовимірних задач. При створенні алгоритмів керування траєкторією руху електронного променю в проміжній ємності та алгоритму витягування зливку з кристалізатора застосовані методи теорії автоматичного керування. Наукова новизна роботи дисертаційної роботи полягає в наступних положеннях: - вперше на основі розробленої нестаціонарної тривимірної математичної моделі тепло-масообміну в проміжній ємності при електронно-променевій плавці науково обґрунтовано застосування механотронної системи керування виплавкою титану, яка дозволяє обирати раціональні тепло-енергетичні характеристики процесу плавки титану з урахуванням подачі шихти та динаміки наплавлення зливку в кристалізаторі; - вперше на основі дослідження процесу плавки титану розроблено метод раціонального розподілу потужності обігріву розплаву в проміжній ємності електронно-променевої установки, за рахунок керування траєкторією руху електронного променю із зворотним зв’язком по температурі розплаву та положенню нерозплавленої шихти відносно зливного носка; - отримано залежності для вибору раціональних геометричних параметрів гідравлічного мембранного виконавчого механізму для подачі коливань на зливок в межах заданого ресурсу роботи, які враховують напружено-деформований стан сталевих мембран.

Адекватність розробленої математичної моделі процесу в проміжній ємності, розрахунків напружено-деформованого стану мембрани, роботи алгоритмів керування траєкторією руху електронного променю та механотронної системи керування виплавкою титану вцілому підтверджена результатами моделювання, які були проведені за допомогою програмного пакету MATLAB, програмних пакетів інженерних розрахунків Ansys Mechanical APDL, Ansys Fluent та COMSOL Multiphysics. Розроблені комп’ютерні моделі можуть також бути використані для перевірки правильності вибору технологічних параметрів чи алгоритмів керування траєкторією руху електронного променю при плавці титанового розплаву в проміжній ємності, при виборі раціональних геометричних параметрів мембрани гідравлічного мембранного виконавчого механізму для забезпечення його необхідного ресурсу роботи. Практична цінність одержаних результатів полягає в наступному: - запропоновано механотронну систему керування виплавкою титану при електронно-променевій плавці зі зворотним зв’язком по температурі розплаву в проміжній ємності та по рівню розплаву в кристалізаторі, яка дозволяє, у порівнянні з ручним керуванням, підвищити на 18% ефективність роботи, у тому числі зменшити на 14% енергоспоживання, збільшити на 16% продуктивність виплавки та знизити втрати маси зливку при обробці поверхні до 7%; - розроблено алгоритм керування траєкторією руху електронного променю в ПЄ зі зворотним зв’язком по температурі за допомогою тепловізора, який дозволяє отримати однорідні температурні поля в діапазоні 1950…2200 К, розрахувати швидкість подачі шихти в зону плавки, і як результат – отримати зливок з необхідним хімічним складом; - запропоновано спосіб витягування зливку з кристалізатора з подачею додаткових коливань на нього (патент № 91877 України), який дозволяє за допомогою гвинтової передачі та гідравлічного мембранного виконавчого механізму здійснювати грубе та точне регулювання рівня розплаву в кристалізаторі, завдяки чому зменшується вірогідність розриву поверхні та отримання гофрів на готових зливках і знижуються втрати матеріалу при подальшій обробці зливків; - розроблено та запатентована конструкцію гідравлічного мембранного виконавчого механізму (патент № 91889 України) і запропоновано інженерну методику вибору його раціональних геометричних параметрів на основі розрахунку напружено-деформованого стану мембрани.

Використання запропонованого способу керування траєкторією руху електронним променем при одночасні роботі декількох електронно-променевих гармат в процесі обігріву в проміжній ємності забезпечує підвищення витрати титанового розплаву в необхідному температурному діапазоні в кристалізатор, що дозволяє скоротити час на наплавлення зливку. Одержані в роботі практичні результати прийняті до впровадження на підприємствах ДП НВЦ «Титан» ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України (Київ) та ТОВ «Стратегія БМ» (Київ). Запропонована інженерна методика вибору раціональних геометричних параметрів, яка дозволяє оцінити довговічність існуючих і підвищити довговічність нових приводів подачі коливань, прийнята до впровадження на підприємстві ДНВК «КІА» (Київ). Новизну результатів дослідження захищено 2-ма патентами України на корисні моделі, зокрема системи витягування зливку з кристалізатору (Патент № 91877 України), а також конструкції гідравлічного мембранного виконавчого механізму двосторонньої дії (Патент № 91889 України). Результати дисертаційної роботи впроваджені в навчальний процес: кафедри прикладної механіки та машин Київського національного університету технології та дизайну при викладанні курсу «Мехатроніка в галузевому машинобудуванні» та «САМ-технології комп’ютерно-інтегрованого обладнання»; кафедри машинознавства Національного авіаційного університету при викладанні курсу «Details of Machines» та «Основи конструювання»; кафедри прикладної гідроаеромеханіки та механотроніки Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» при викладанні лекційного курсу «Особливості проектування систем гідроавтоматики» та в курсі лабораторних робіт з дисципліни «Мікропроцесорне управління мехатронних модулів та систем».

Tsibrii I.O. Mechatronic control system for melting titanium. - Qualification scientific work on the rights of manuscripts. Thesis for the degree of Candidate of Technical Sciences in the specialty 05.02.02 - Engineering Science. - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" MES of Ukraine, Kyiv, 2018. The thesis is devoted to the increase of efficiency of the process of titanium ingot`s production, which increases the productivity of melting, improves the quality of ingots by developing of the mechatronic control system for electron beam melting with molten metal`s temperature in the intermediate capacity and melt`s level in crystallizer feedback. In Ukraine, the industrial production of high-quality titanium ingots is associated with vacuum-arc, electroslag, plasma and electron beam melting. The latter is considered to be the most advanced technology, due to the high degree of purification of ingot from impurities, the lack of strict requirements for the chemical and physical composition of charge material and the possibility of active intervention in the technological process. However, electron beam melting has not high enough productivity and is one of the most energy-consuming. Due to the lack of measurement of the titanium melt`s temperature in the intermediate capacity, the process of melting significantly depends on the choice of the heating mode by the operator. In addition, during ingot`s pulling-out from the crystallizer the various defects are formed on its surface, for elimination of which is lost to 10% of ingot`s mass during its processing. The common cause of the above disadvantages is the inconsistency of the control`s process of melting, ingot`s pulling-out and charge supply into the melting area. Therefore, the development of a mechatronic control system for the titanium melting by electron beam melting, which coordinates the control of titanium ingot production and increases their efficiency by reducing specific energy consumption and increasing the productivity of the melting, determines the purpose of the dissertation work. According to the stated purpose, the methods of finite element and the method of finite-difference are used in the development of a mechatronic system for the simulation of processes in the intermediate capacity of the electron beam unit and the membranes stress-strain state of the hydraulic executable membrane mechanism. During the simulation of the processes in the intermediate capacity, the method of fractional steps for solving multidimensional problems is used. During the creating of the algorithms for controlling the trajectory of the motion of an electron beam in the intermediate capacitance and the algorithm for ingot`s pulling-out from the crystallizer, the methods of the theory of automatic control are used. The scientific novelty of the dissertation work consists in the following principles: - for the first time on the basis of the developed non-stationary three-dimensional mathematical model of heat-mass transfer with electron beam melting in the intermediate capacity, the application of the mechatronic control system for titanium melting was scientifically substantiated, which allows to choose the rational heat-energy characteristics of the titanium melting taking into account the charge supply and the dynamics of ingot`s surfacing into the crystallizer; - for the first time, on the basis of the study of the regularities of the titanium melting process, a method for rational distribution of the melt heating in the intermediate capacity of the electron-beam unit was developed, due to the control of the trajectory of electron beam motion with the temperature of the melt feedback and the position of the unmelted charge relative to the drain sock; - dependencies were obtained for choosing rational geometric parameters of the steel membrane of the hydraulic executable mechanism, which take into account the stress and strain state of the membrane and its required durability. The adequacy of the developed mathematical model of the process in the intermediate capacity, the calculations of the stress-strain state of the membrane, the work of the algorithms for control of the trajectory of the electron beam`s motion and the mechatronic control system for titanium melting is generally confirmed by the simulation results that were performed using the software package MATLAB, Ansys Mechanical APDL, Ansys Fluent and COMSOL Multiphysics. The developed computer models may also be used to verify the correctness of the choice of technological parameters or algorithms for control of the trajectory of the electron beam`s motion during titanium melt in the intermediate capacity, or during the choice the rational geometric parameters of the membrane of hydraulic executable membrane mechanism to provide its required work life. The practical importance of the results obtained is as follows: - for the first time a mechatronic control system for the titanium melting for electron beam melting with molten metal`s temperature in the intermediate capacity and melt`s level in crystallizer feedback was developed, which allows, in comparison with manual control, to increase efficiency by 18%, including 14% decrease of power consumption, increase the productivity of melting by 16% and reduce the ingot`s weight loss during the next surface treatment up to 7%; - the control system of the trajectory of the electron beam`s motion in the intermediate capacity with temperature feedback with the aid of a thermal imager is proposed and the algorithm for control of the trajectory of the electron beam`s motion is proposed, which allows to obtain uniform temperature fields in the range 1950…2200 K, to determine the input of the charge supply to the melting zone and as the result to obtain ingots with the necessary chemical composition; - the method of the ingot pulling-out from the crystallizer with additional oscillations on ingot is offered, which allows: using a screw drive and hydraulic executable membrane mechanism to carry out rough and precise regulation of the melt level in the crystallizer; to reduce the rupture`s probability of the surface and to reduce of the ingot`s surface imperfection carrying out on finished ingots; to predict decrease to 7% of material loss during next ingot`s treatment. - the design of hydraulic executable membrane mechanism`s membranes is developed and the engineering method of choice of their rational geometric parameters is proposed. The use of the proposed method of control of the trajectory of electron beam motion during simultaneous work of several electron beam guns during the heating process in the intermediate capacity provides an increase the flow of titanium melt into the crystallizer with required temperature range, which reduces the time for the ingot`s producing. The practical results which obtained in the dissertation are accepted for implementation at the enterprises of SIC "Titan" the E.O. Paton electric welding institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv and LLC "Stratehiya Bm", Kyiv. The proposed engineering method of rational geometric parameters choice, which allows to assess the durability of existing and improve the durability of new oscillation drives, is adopted for implementation at the SSPC “Kyiv Institute of Automatics”. The novelty of the research results is protected by 2 patents of Ukraine on utility models, in particular, the system of ingots pulling-out from the crystallizer (Patent № 91877 of Ukraine), as well as designs of a hydraulic membrane actuating mechanism of double-direction action (Patent № 91889 of Ukraine). The results of the dissertation work were introduced into the educational process: at the Department of applied mechanics and machines of the Kyiv National University of Technology and Design at the teaching of the courses "Mechatronics in industrial engineering " and "CAM-technologies of computer-integrated equipment"; at the Department of Science of Machine of the National Aviation University at the course "Details of Machines" and "Fundamentals of Design"; at the Department of Applied Hydroaeromechanics and Mechanotronics of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" at the lecture course "Features of the hydroautomatics systems design" and at the course of laboratory work of course "Microprocessor controll of mechatronic modules and systems".