Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время перед заготовительным производством предприятий машиностроения актуальной задачей является создание высокопроизводительных технологических процессов литья с высокими эксплуатационными свойствами литых заготовок из жаропрочных сплавов. При относительно небольшом весе тонкостенных и протяжённых отливок предъявляются более высокие требования по обеспечению высокой геометрической точности отливок с минимальной последующей механической обработкой. Традиционно применяемые для организации направленного затвердевания уклоны и напуски существенно снижают коэффициент использования металла (КИМ) и создают большие издержки производства в части расходования дорогостоящих жаропрочных сплавов и их последующей механической обработки. Для достижения высокого качества и экономичности необходимо более эффективно управлять технологическими процессами литья методами активного физического воздействия на затвердевающий металл.
Используемые в настоящее время методы направленной кристаллизации лопаток авиационных газотурбинных двигателей связаны с нагревом формы перед заливкой до температуры на 150 - 200 К выше ликвидуса сплава. В широко известных вакуумных плавильно-заливочных установках, используемых как в России, так и за рубежом, используют тепловой узел с графитовыми нагревателями и перемещают форму сверху вниз в зону охлаждения. При этом технологический цикл для лопаток длиной до 130 мм составляет 2-3 часа, а для обеспечения стабильного технологического процесса необходимо использовать автоматизированные средства управлением скоростью перемещения формы относительно зоны нагрева. Всё это требует дорогого и сложного оборудования, большого расхода основных, вспомогательных материалов, энергии и создает высокую себестоимость отливок с направленной структурой.
Решение данной актуальной проблемы позволит существенно сократить издержки производства в части расходования материальных ресурсов, снизить цену двигателя и обеспечить высокую рентабельность производства.
Цель работы. Создание теории и технологии литья с электронагревом металла для повышения технико-экономических показателей производства высоконагруженных литых изделий из жаропрочных сплавов для газотурбинных двигателей и энергоустановок.
Для достижения указанной цели требуется решение следующих основных задач.
-
Изучение закономерностей процессов литья с направленным затвердеванием и направленной кристаллизацией из жаропрочных сплавов с электронагревом металла, обеспечивающих достижение высоких технико-экономических показателей отливок.
-
Разработка способов создания тепловых условий литья путём воздействия на металл электрическим током для получения отливок с заданными эксплуатационными свойствами.
-
Разработка системы безразмерных критериев, устанавливающих взаимосвязь теплофизических свойств материала отливки и технологических параметров литья с электронагревом для обеспечения условий направленного
Грос национальная і
затвердевания отливок (в том числе и крупногабаритных) при температуре поверхности литейной формы ниже солидуса сплава.
-
Разработка математической модели и программного обеспечения для расчёта технологических параметров литья с учётом внутренних источников теплоты от воздействия электрического тока на материал отливки.
-
Разработка методики определения энергетических и тепловых параметров вновь проектируемого оборудования для литья с электронагревом металла.
-
Экспериментальная проверка программного обеспечения и результатов исследования на промышленном оборудовании.
-
Внедрение в производство результатов исследования.
Научные положения работы
-
Впервые теоретически установлена и подтверждена экспериментально возможность последовательного затвердевания протяжённых отливок при воздействии электрического тока в неподвижной форме и постоянной температуре окружающей среды для сплавов, имеющих удельное электросопротивление в жидком состоянии больше, чем в твёрдом.
-
Разработана тепловая теория литья с направленным затвердеванием и направленной кристаллизацией при электронагреве отливки в формах, имеющих температуру перед заливкой ниже температуры солидуса сплава. Определён принцип управления процессом направленного затвердевания отливки при её электронагреве, который заключается в поддержании постоянной (требуемой) температуры жидкого сплава на удалении от фронта изоликвидуса. Установлены критические значения параметров тока и интенсивности охлаждения, при которых процесс направленного затвердевания с образованием равноосной структуры переходит к направленной кристаллизации с образованием столбчатой структуры.
-
Разработана математическая модель процесса направленного затвердевания при элекгронагреве отливки и получена система критериев, учитывающих многообразие теплофизических параметров направленного затвердевания с учетом теплового воздействия электрического тока и определяющие в безразмерной форме взаимосвязь интенсивности теплового потока на поверхности отливки со скоростью кристаллизации и величиной двухфазной зоны. Установлено, что с увеличением интенсивности теплообмена (при одной и той же температуре жидкого сплава) между отливкой и окружающей средой растет скорость кристаллизации и уменьшается величина двухфазной зоны, что повышает производительность процесса и плотность отливки за счёт улучшения фильтрации двухфазной зоны. Определён критерий, устанавливающий условия направленного затвердевания, направленного плавления и динамического равновесия с нулевой скоростью затвердевания в зависимости от теплофизических свойств отливки, температуры жидкого сплава, и интенсивности теплообмена отливки с окружающей средой.
-
Установлены факторы, оптимальное сочетание которых позволяет создать новые технические решения в области управления процессами формирования отливки переменного сечения с направленным затвердеванием и направленной кристаллизацией:
- теплофизические свойства отливки, в т. ч. удельное электросопротивление в
твёрдом и жидком состоянии; і і
теплофизические свойства формы, изменяемые во времени и по высоте отливки;
температура окружающей отливку среды, изменяемая по высоте и во времени, но не превышающая температуру солидуса сплава;
коэффициент теплопередачи в области контакта между отливкой и формой, изменяемый во времени и по высоте отливки;
коэффициент теплопередачи на границе форма-среда, изменяемый во времени и по высоте отливки;
сила тока, изменяемая в процессе затвердевания отливки; < >
площадь сечения отливки в направлении затвердевания.
Научные положения, которые выносятся на зашиту:
1. Научно обоснованный и экспериментально подтверждённый факт о
возможности последовательного затвердевания отливки при тепловом воздействии
электрического тока в неподвижной форме и постоянной температуре окружающей
среды за счет различного удельного электросопротивления сплава в твердом и
жидком состояниях.
2. Научно обоснованные технические "решения (способы и устройства) литья с
направленным затвердеванием и направленной кристаллизацией при электронагреве
отливок в формах, имеющих температуру Перед заливкой ниже температуры
солидуса сплава, обеспечивающие повышение плотности отливок, их механических
свойств, экономию металла и электроэнергий. Новый принцип управления
процессом направленного затвердевания отливки при её электронагреве,
заключающийся в поддержании постоянной температуры жидкого сплава на
удалении от фронта изоликвидуса, которая достигается изменением параметров тока
в отливке, а также выбором величины интенсивности теплопередачи от отливки в
окружающую среду.
-
Математические модели процесса направленного затвердевания при электронагреве отливки, описывающие эффект теплового воздействия электрического тока с учётом температурной зависимости удельного электросопротивления во всём диапазоне температур формирования отливки, позволяющие выполнить анализ закономерностей затвердевания и расчет технологических параметров литья.
-
Критериальный анализ процесса, включающий новые безразмерные критерии Н, W, х, Kj, Km, Yu, установил, что основным фактором, определяющим критерии скорости затвердевания W и величины двухфазной зоны Н, является степень нагрева жидкого металла 0^, и интенсивность теплообмена Bi между отливкой и печью подогрева. С увеличением первого фактора скорость затвердевания и величина двухфазной зоны уменьшаются. С увеличением второго фактора скорость растёт, а двухфазная зоны сокращается, что повышает эффективность процесса литья. Критерий Yu определил условия для направленного затвердевания и направленного плавления в зависимости от теплофизических свойств отливки, интенсивности её теплообмена с окружающей средой и температуры жидкого сплава. Критерий Kj , отражающий многообразие теплофизических параметров, обеспечивающих направленное затвердевания при электронагреве отливки. Критерий Кт для
предварительной оценки геометрии и технологических параметров с целью выбора метода литья на стадии проектирования технологического процесса.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
- корректным использованием теоретических положений математической
физики, теплотехники и теплопередачи, теории кристаллизации, металловедения, и
электротехники;
- соответствием тепловых расчетов результатам экспериментальных измерений
температур затвердевающей отливки;
- высокой степенью приближения математической модели затвердевания
отливки к реальным условиям литья благодаря использованию современных
компьютерных технологий в области создания трёхмерных геометрических объектов
в системе UNIGRAHPICS;
- положительным результатом при практическом использовании разработок в
производстве.
Практическая значимость работы:
1. Разработаны и введены в эксплуатацию на НПО САТУРН промышленные
установки УПВ6-НК для направленного затвердевания и установка УППФ1-АМ для
направленной кристаллизации отливок из жаропрочных сплавов.
2. Разработаны программы автоматизированного расчета технологических
параметров литья для одномерных геометрических объектов; математическая модель
для трёхмерных объектов с учётом внутренних источников теплоты от
электронагрева введена в пакет прикладной отечественной программы расчета
литейных процессов «ПОЛИГОН», широко эксплуатируемой в СНГ.
3. Разработаны новые способы и устройства для направленной кристаллизации
и направленного затвердевания жаропрочных сплавов в отливках для газотурбинных
двигателей воздушного, наземного и морского применения, обеспечивающих
повышение плотности отливок, их механических свойств, экономию металла и
электроэнергии.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждались на II (Ленинград, 1983 г.) всесоюзном съезде литейщиков, на Ш (Москва, 1997 г.), на IV (Москва, 1999 г.), на V (Москва, 2001 г.) съездах литейщиков России; на 5-ой Республиканской научно-технической конференции «Повышение технического уровня и совершенствование технологических процессов производства отливок», Днепропетровск, 1990 г.; на X Всероссийской научно-технической конференции «Тешгофизика технологических процессов», Рыбинск, 2000 г.; на Международных Форумах по проблемам науки, техники и образования с присвоением премии «Золотой Диплом - 2001» в номинации «Прогрессивные промышленные технологии» (учредители Форума - Международная Академия Информатизации - ассоциированный член ООН, Международная Академия Астронавтики, Министерство общего и профессионального образования РФ, Министерство науки и технологий РФ, Комиссия по делам ЮНЕСКО, Российская Академия наук и др.), Москва, 2000, 2001 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков»,
Рыбинск, 2002 г.; на 3-ей Всероссийской научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра», Санкт-Петербург, 2002 г.; на Всероссийском конкурсе Инженер года с присвоением званий «Профессиональный инженер России» и «Лауреат конкурса инженер года 2001», (Учредитель Конкурса -РАН), Москва, 2002 г.; на конкурсе 2002 г. на соискание премии Губернатора Ярославской области в сфере науки и техники с присвоением Диплома лауреата.
Публикации. Новизна работы подтверждается 37 публикациями в ведущих центральных научно-технических журналах и материалах международных, всесоюзных и всероссийских съездов и конференций, 10-ю авторскими свидетельствами, полезной моделью и патентами на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 310 с , состоит из введения, 5 глав, списка использованных источников, включающего 222 наименования, 12 приложений, содержит 99 рисунков и 25 таблиц.
