Механотронна система керування виплавкою титану

Abstract

Цибрій Ю.О. Механотронна система керування виплавкою титану. - 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. Дисертація присвячена підвищенню ефективності процесу виготовлення титанових зливків при електронно-променевій плавці, що забезпечує збільшення продуктивності виплавки, покращення якісних характеристик зливків за рахунок узгодження взаємодії виконавчих пристроїв шляхом створення механотронної системи керування виплавкою титану зі зворотним зв’язком по температурі розплаву в проміжній ємності та по рівню розплаву в кристалізаторі. Розроблено нестаціонарну тривимірну математичну модель процесу в проміжній ємності електронно-променевої установки, в якій враховано зміну джерела нагріву та швидкості течії розплаву. Досліджено вплив швидкості течії розплаву, потужності обігріву та коефіцієнту розподілу по поверхні проміжної ємності на середню температуру розплавленого титану. За результатами моделювання запропоновано метод керування траєкторією руху електронного променю зі зворотним зв’язком по температурі розплаву, що забезпечує зменшення часу виплавки титанового зливку. Розроблено спосіб витягування зливку з кристалізатора з подачею додаткових коливань на зливок за допомогою гідравлічного мембранного виконавчого механізму. Досліджено вплив значень геометричних параметрів сталевої мембрани виконавчого механізму на її напружено-деформований стан та ресурс спрацювання. Отримано аналітичну залежність максимального напруження в сталевій мембрані від її геометрії в процесі подачі коливань. Запропоновано інженерну методику вибору раціональних геометричних параметрів гідравлічного мембранного виконавчого механізму. Використання запропонованої механотронної системи зі зворотним зв’язком по температурі розплаву в проміжній ємності і по рівню розплаву в кристалізаторі, у порівнянні з аналогічними показниками установки типу ВМО, дозволяє зменшити на 14% енерговитрати та підвищити продуктивність виплавки на 16%, а із врахуванням зменшення втрат на обробку титанового зливку підвищити загальну продуктивність процесу на 18%.

Цибрий Ю.А. Механотронная система управления выплавкой титана. – На правах рукописи. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 – Машиноведение. – Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», МОН Украины, Киев, 2018. Диссертация посвящена повышению эффективности процесса изготовления титановых слитков при электронно-лучевой плавке, что обеспечивает увеличение производительности выплавки, улучшение качественных характеристик слитков за счет согласования взаимодействия исполнительных устройств путем создания механотронной системы управления выплавкой титана с обратной связью по температуре расплава в промежуточной емкости и по уровню расплава в кристаллизаторе. Разработано нестационарную трехмерную математическую модель процесса в промежуточной емкости электронно-лучевой установки, в которой учтены изменения источника нагрева и скорости течения расплава. Исследовано влияние скорости течения расплава, мощности обогрева и коэффициента распределения по поверхности промежуточной емкости на среднюю температуру расплавленного титана. По результатам моделирования предложен метод управления траекторией движения электронного луча с обратной связью по температуре расплава, который обеспечивает уменьшение времени выплавки титанового слитка. Разработан способ вытягивания слитка из кристаллизатора с подачей дополнительных колебаний на слиток с помощью гидравлического мембранного исполнительного механизма. Исследовано влияние значений геометрических параметров стальной мембраны исполнительного механизма на ее напряженно-деформированное состояние и ресурс срабатывания. Получена аналитическая зависимость максимального напряжения в стальной мембране от ее геометрии в процессе подачи колебаний. Предложено инженерную методику выбора рациональных геометрических параметров гидравлического мембранного исполнительного механизма. Использование предложенной механотронной системы с обратной связью по температуре расплава в промежуточной емкости и по уровню расплава в кристаллизаторе, по сравнению с аналогичными показателями установки типа ВМО, позволяет уменьшить на 14% энергозатраты и повысить производительность выплавки на 16%, а с учетом уменьшения потерь на обработку титанового слитка повысить общую производительность процесса на 18%.

the crystallizer and ingot pulling-out from it. Based on the coupled Fourier heat-conduction equation and Navier-Stokes equations, a non-stationary three-dimensional mathematical model of the process in the intermediate capacity of an electron-beam unit was developed, which takes into account changes in the heat source coordinates and the melt flow velocity. The simulations were done using the finite-element method and MATLAB software, the finite-difference method and the tridiagonal matrix algorithm. The influence of the velocity of the titanium melt flow, the heating power and its distribution over the intermediate capacity surface on the average temperature of the molten titanium and the ratio of the molten titanium volume to the total volume of the intermediate capacity was investigated. The analytical dependencies were obtained which allow setting the rational parameters of the titanium melt heating during the electron beam melting. Based on the simulation results, a method for controlling the trajectory of the electron beam motion with feedback on the titanium melt temperature was proposed, which enables reducing the titanium ingot melting time. The simulations of the titanium melt heating in the intermediate capacity were performed due to the proposed control method. It was found that the application of the proposed control method at the coefficient of heat distribution over the intermediate capacity surface equal to n = 50 ... 60% provides titanium melt heating within the required temperature range 1950-2200 K and the required stable flow of the titanium melt from the intermediate capacity into the crystallizer. Heat and mass transfer in the intermediate capacity was simulated for the case of the entry of an unmolten charge piece during the heating with temperature feedback. The average melting time of the charge piece was found to be 16 seconds. On the basis of the proposed method for controlling the electron beam motion trajectory, an algorithm was developed for simultaneous control of several electron beam guns with redistribution of their influence zones on the intermediate capacity surface. A method of the ingot pulling-out from the crystallizer by applying additional oscillation to the ingot using a hydraulic drive was developed. A design of the hydraulic membrane actuator for applying oscillation to the ingot of any mass was proposed. A mathematical model was proposed to describe stress and strain state of the actuator steel membrane. Using the finite-element method (ANSYS, COMSOL), the influence of the geometric parameters of the steel membrane on its stress and strain state and durability was investigated for a given oscillation amplitude. An analytical expression of the maximum stress in the oscillating steel membrane was derived depending on its geometric parameters. An engineering method was proposed to choose rational geometric parameters of the hydraulic membrane actuator. As compared to similar parameters of the VMO electron-beam unit, the application of the proposed mechatronic system with feedback on the melt temperature in the intermediate capacity and the melt level in crystallizer allows to reduce the energy consumption by 14%, increase the melting productivity by 16%, and, if taking into account the reduction of losses during the mechanical treatment of titanium ingot surfaces, increase the overall process performance by 18%.