Математическое моделирование тепловыделения в шлаковой ванне при электрошлаковом литье с приплавлением фланцевых задвижек

Путем математического моделирования получено распределение объемных источников теплоты в шлаковой ванне при электрошлаковом литье с приплавлением. Задача рассмотрена в трехмерной постановке. Определены граничные условия. Достигнуто хорошее совпадение экспериментальных и расчетных значений электричес...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
Hauptverfasser:	Мужиченко, А.Ф., Полещук, М.А., Шевцов, В.Л.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2010
Schriftenreihe:	Современная электрометаллургия
Schlagworte:	Электрошлаковая технология
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96130
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Математическое моделирование тепловыделения в шлаковой ванне при электрошлаковом литье с приплавлением фланцевых задвижек / А.Ф. Мужиченко, М.А. Полещук, В.Л. Шевцов // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 2 (99). — С. 17-20. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96130
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-961302025-02-23T17:32:18Z Математическое моделирование тепловыделения в шлаковой ванне при электрошлаковом литье с приплавлением фланцевых задвижек Mathematical modeling of heat evolution in slag pool in electroslag casting with melting-on of flange- type stop valves Мужиченко, А.Ф. Полещук, М.А. Шевцов, В.Л. Электрошлаковая технология Путем математического моделирования получено распределение объемных источников теплоты в шлаковой ванне при электрошлаковом литье с приплавлением. Задача рассмотрена в трехмерной постановке. Определены граничные условия. Достигнуто хорошее совпадение экспериментальных и расчетных значений электрического тока, проходящего через приплавляемые элементы. Using mathematic modeling, the distribution of volume heat sources in slag pool at electroslag casting with melting-on is obtained. The task is considered in three-dimensional version. Boundary conditions are determined. Good correlation of experimental and calculation values of electric current passed through the elements being melted-on is achieved. 2010 Article Математическое моделирование тепловыделения в шлаковой ванне при электрошлаковом литье с приплавлением фланцевых задвижек / А.Ф. Мужиченко, М.А. Полещук, В.Л. Шевцов // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 2 (99). — С. 17-20. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96130 669.117.56 ru Современная электрометаллургия application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Электрошлаковая технология Электрошлаковая технология
spellingShingle	Электрошлаковая технология Электрошлаковая технология Мужиченко, А.Ф. Полещук, М.А. Шевцов, В.Л. Математическое моделирование тепловыделения в шлаковой ванне при электрошлаковом литье с приплавлением фланцевых задвижек Современная электрометаллургия
description	Путем математического моделирования получено распределение объемных источников теплоты в шлаковой ванне при электрошлаковом литье с приплавлением. Задача рассмотрена в трехмерной постановке. Определены граничные условия. Достигнуто хорошее совпадение экспериментальных и расчетных значений электрического тока, проходящего через приплавляемые элементы.
format	Article
author	Мужиченко, А.Ф. Полещук, М.А. Шевцов, В.Л.
author_facet	Мужиченко, А.Ф. Полещук, М.А. Шевцов, В.Л.
author_sort	Мужиченко, А.Ф.
title	Математическое моделирование тепловыделения в шлаковой ванне при электрошлаковом литье с приплавлением фланцевых задвижек
title_short	Математическое моделирование тепловыделения в шлаковой ванне при электрошлаковом литье с приплавлением фланцевых задвижек
title_full	Математическое моделирование тепловыделения в шлаковой ванне при электрошлаковом литье с приплавлением фланцевых задвижек
title_fullStr	Математическое моделирование тепловыделения в шлаковой ванне при электрошлаковом литье с приплавлением фланцевых задвижек
title_full_unstemmed	Математическое моделирование тепловыделения в шлаковой ванне при электрошлаковом литье с приплавлением фланцевых задвижек
title_sort	математическое моделирование тепловыделения в шлаковой ванне при электрошлаковом литье с приплавлением фланцевых задвижек
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Электрошлаковая технология
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96130
citation_txt	Математическое моделирование тепловыделения в шлаковой ванне при электрошлаковом литье с приплавлением фланцевых задвижек / А.Ф. Мужиченко, М.А. Полещук, В.Л. Шевцов // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 2 (99). — С. 17-20. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series	Современная электрометаллургия
work_keys_str_mv	AT mužičenkoaf matematičeskoemodelirovanieteplovydeleniâvšlakovojvannepriélektrošlakovomlitʹespriplavleniemflancevyhzadvižek AT poleŝukma matematičeskoemodelirovanieteplovydeleniâvšlakovojvannepriélektrošlakovomlitʹespriplavleniemflancevyhzadvižek AT ševcovvl matematičeskoemodelirovanieteplovydeleniâvšlakovojvannepriélektrošlakovomlitʹespriplavleniemflancevyhzadvižek AT mužičenkoaf mathematicalmodelingofheatevolutioninslagpoolinelectroslagcastingwithmeltingonofflangetypestopvalves AT poleŝukma mathematicalmodelingofheatevolutioninslagpoolinelectroslagcastingwithmeltingonofflangetypestopvalves AT ševcovvl mathematicalmodelingofheatevolutioninslagpoolinelectroslagcastingwithmeltingonofflangetypestopvalves
first_indexed	2025-11-24T04:00:14Z
last_indexed	2025-11-24T04:00:14Z
_version_	1849642780604760064
fulltext	УДК 669.117.56 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В ШЛАКОВОЙ ВАННЕ ПРИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОМ ЛИТЬЕ С ПРИПЛАВЛЕНИЕМ ФЛАНЦЕВЫХ ЗАДВИЖЕК А. Ф. Мужиченко, М. А. Полещук, В. Л. Шевцов Путем математического моделирования получено распределение объемных источников теплоты в шлаковой ванне при электрошлаковом литье с приплавлением. Задача рассмотрена в трехмерной постановке. Определены граничные условия. Достигнуто хорошее совпадение экспериментальных и расчетных значений электрического тока, прохо- дящего через приплавляемые элементы. Using mathematic modeling, the distribution of volume heat sources in slag pool at electroslag casting with melting-on is obtained. The task is considered in three-dimensional version. Boundary conditions are determined. Good correlation of experimental and calculation values of electric current passed through the elements being melted-on is achieved. Ключ е вы е с л о в а : тепловыделение в шлаковой ванне; математическое моделирование; трехмерная постановка; граничные условия; сравнение экспериментальных и расчет- ных данных Задвижки с фланцами на концах патрубков приме- няют при добыче нефти и природного газа фонтан- ным способом. На многих украинских месторожде- ниях они работают при давлении добываемого про- дукта до 70 МПа. В Институте электросварки им. Е. О. Патона разработали технологию изготовления заготовок корпусов таких задвижек способом элек- трошлакового литья с приплавлением (ЭШЛП), предусматривающим электрошлаковую выплавку только центральной части корпуса задвижки с од- новременным приплавлением к ней предварительно изготовленных патрубков с фланцами [1, 2]. Процесс ЭШЛП протекает в три стадии (рис. 1). Первая (рис. 1, а) и третья (рис. 1, в) представляют собой электрошлаковое литье цилиндрического слитка сплошного сечения по монофилярной схеме. Собственно процесс приплавления патрубков про- исходит на второй стадии (рис. 1, б). На этой стадии по мере плавления расходуемого электрода шлако- вая и металлическая ванны перемещаются вверх вдоль торцов патрубков. Происходит их приплав- ление к литой части заготовки. При разработке технологии ЭШЛП основное внимание уделяли качественному приплавлению патрубков без трещин и несплавлений и получению в зонах приплавления требуемых свойств металла [3]. Особенностью ЭШЛП является то, что на стадии приплавления в шлаковой ванне появляются © А. Ф. МУЖИЧЕНКО, М. А. ПОЛЕЩУК, В. Л. ШЕВЦОВ, 2010 Рис. 1. Схема процесса ЭШЛП фланцевых задвижек: а – начальная; б – стадия приплавления; в – завершающая; 1 – поддон; 2 – кристаллизатор (нижняя часть); 3 – патрубки с фланцами; 4 – кристаллизатор (верхняя часть); 5 – расходуемый электрод; 6, 7 – соответственно шлаковая и металлическая ванны; 8 – источник питания; 9 – выплавленная часть заготовки 17 дополнительные пути прохождения тока от расхо- дуемого электрода к патрубкам (рис. 1, б), что вли- яет на распределение теплоты в шлаке, а значит, и на качество приплавления. Исследование особенностей тепловыделения в шлаковой ванне проведено нами с помощью мате- матического моделирования. Подобные задачи рас- сматривали многие исследователи с первых лет при- менения математических методов моделирования для изучения электрошлаковых процессов [4—7]. Одна- ко все они были двумерными осесимметричными или сводились к ним. В то же время рассматрива- емая нами задача в области приплавления патруб- ков становится трехмерной. Заготовка корпуса фланцевой задвижки пред- ставляет собой сложную пространственную фигуру (рис. 2). Задачу о распределении плотности тепло- выделения в шлаковой ванне при ЭШЛП заготовок такого типа решали в цилиндрической системе ко- ординат (z, r, θ) с началом, расположенным на пе- ресечении продольных осей корпуса и патрубков. Заготовка имеет две плоскости симметрии: при θ = = 0 и 180° (ГC1 – вдоль оси патрубка) и θ = 90 и 270° (ГC2 – поперек оси патрубка). Поэтому мате- матическое моделирование процессов проводим только в одной четверти заготовки. Математическая модель электрических и тепло- вых процессов в шлаковой ванне при ЭШЛП сос- тоит из решения следующих задач: построения трехмерной конечно-элементной мо- дели плавильного пространства. Для этого геомет- рическую модель заготовки втягиваем в нашу рас- четную программу в трехмерном формате IGS из конструкторской программы Autocad. Этот формат позволяет передать как объемы заготовки и шлако- вой ванны, так и ограничивающие их поверхности, линии и ключевые точки. При решении поставлен- ной задачи мы можем подробно рассматривать толь- ко центральную часть заготовки, ограниченную плавильным пространством кристаллизатора с об- ращенными внутрь его торцами приплавляемых патрубков. Остальные части будем рассматривать с меньшей детализацией; расчета полей электрического потенциала и плотностей токов в шлаковой ванне в трехмерной постановке; расчета распределения удельных объемных ис- точников теплоты в шлаковой ванне в трехмерной постановке. Кроме того, для проверки адекватности реаль- ному процессу разработанной модели проведен рас- чет интегральных значений токов на границах пат- рубков, расходуемого электрода и металлической ванны для различных моментов ЭШЛП. Расчетные значения токов сравнивали с экспериментальными данными, полученными в соответствующий момент ЭШЛП. Для расчета плотностей токов в шлаковой ванне нами использована модель электрических процессов, сформулированная в виде поля потенциалов [6, 8]: div(σ grad ϕ) = 0. (1) По результатам расчетов плотностей токов опре- деляем объемную плотность источников теплоты, выделяемой в шлаковой ванне: q = σ \| grad ϕ \|2 , (2) где σ = σ(t) – удельная электропроводность шлака, зависящая от температуры величина, обратная удель- ному электрическому сопротивлению, Ом—1⋅мм—1); ϕ – потенциал электрического поля, В. Значение изменения удельного электрического сопротивления шлака АНФ-6 в интервале темпера- тур 1200… 1600 °С заимствовано из работ [7, 8]. В качестве начальных условий нами использованы ре- зультаты распределения температуры в шлаковой ванне, полученные в работе [9]. Решение уравнений (1) и (2) будем искать в области шлаковой ванны, ограниченной сверху тор- цом расходуемого электрода ГЭ и свободной поверх- ностью шлаковой ванны ГШ; снизу – зеркалом рас- плавленного металла ГМ; с боков – стенкой крис- Рис. 2. Заготовка корпуса фланцевой задвижки с условным проходом 80 мм: а – эскиз; б – изометрия 18 таллизатора, покрытой гарнисажем ГК и оплавляе- мым торцом патрубка ГП, а также двумя плоскос- тями симметрии (ГC1 и ГС2 – соответственно вдоль и поперек оси патрубка) (рис. 3). Задачу решаем в квазистационарной постановке для различных положений зеркала металлической ван- ны относительно продольной оси приплавляемого пат- рубка. Граничные условия представлены в таблице. Геометрическая модель разбивается на сетку ко- нечных элементов. Наибольший градиент изменения потенциала в шлаковой ванне имеет место в подэлек- тродной области, поэтому сетка у торцов электрода и патрубков назначается в несколько раз гуще [5, 6]. С целью проверки правильности задания гра- ничных условий и принятых допущений проведена опытная выплавка заготовки корпуса задвижки с условным проходом 80 мм. С помощью многока- нального самописца и трансформаторов тока, уста- новленных в соответствующих цепях, непрерывно регистрировали значение тока, протекающего через расходуемый электрод, выплавляемую заготовку и приплавляемые патрубки в течение всей плавки. При этом значения тока расходуемого электрода и напряжения источника питания поддерживали пос- тоянными (соответственно 3,2 кА и 57 В) при глу- бине ванны шлака АНФ-6, равной 75 мм. Положе- ние зеркала металлической ванны относительно поддона определяли расчетным путем по времени сплавления меток на расходуемом электроде. Результаты измерений приведены на рис. 4 в виде кривых. Здесь же указаны значения тока, про- ходящего через эти элементы, полученные расчет- ным путем с помощью математической модели на различных уровнях зеркала металлической ванны. На рис. 4 зафиксирована хорошая корреляция между расчетными и экспериментальными данны- ми. Это подтверждает соответствие разработанной математической модели распределения объемных источников теплоты в шлаковой ванне реальному процессу при ЭШЛП. На рис. 5 приведено распределение плотностей тока и объемной плотности источников теплоты в шлаковой ванне в различные моменты процесса ЭШЛП заготовок корпусов фланцевых задвижек с условным проходом 80 мм. При расчете глубина ванны шлака (АНФ-6) равнялась 75 мм, диаметр расходуемого электрода – 130 мм, диаметр прип- лавляемых патрубков – 160 мм, рабочий ток – 3,2 кА, напряжение на расходуемом электроде U = 40 В, Рис. 3. Схема граничных условий, принятых при решении за- дачи: 1 – выплавленная часть заготовки; 2 – шлаковая ванна; 3 – расходуемый электрод; 4 – приправляемый патрубок; 5 – кристаллизатор; 6 – гарнисаж Рис. 4. Распределение значений тока и в зависимости от высоты заготовки корпуса задвижки H: 1 – ток расходуемого электрода (1′ – расчет); 2 – ток поддона (2′ – расчет); 3 – патрубок (3′ – расчет) Граничные условия для расчета распределения объемных источников теплоты Обозначение границы Параметры на границе ϕ, В σ, Ом —1 ⋅мм —1 Tс, °С ГЭ ϕ = U sM(T) 1510 ГШ ∂ϕ ∂Y = 0 σШ(T) 1600 ГМ ϕ = U0 σМ(T) 1550 ГК σ = ∝ 1200 ГП ϕ = U0 σМ(T) 1510 ГC1, ГС2 ∂I ∂n = 0 ∂ϕ ∂n = 0 σМ(T) σШ(T) TШ ТМ Прим е ч а н и е . Здесь σм, σш – удельные проводимости соот- ветственно металла и шлака; Tм, Tш – температуры соответ- ственно металла и шлака; n – нормаль к плоскостям сим- метрии. 19 напряжение на зеркале металлической ванны и тор- це патрубка принято равным U0 = 0. Распределение тока и объемных источников теп- лоты определяли при четырех различных положе- ниях зеркала металлической ванны относительно оси патрубка. Распределение плотностей тока соответствует шкале (а), а плотностей объемных источников тепло- ты – шкале (б). Как видно из рис. 5, пока уровень шлака не дошел до патрубка (положение I), распределение тока и объемных источников теплоты аналогично таковым при выплавке цилиндрического слитка [4, 5]. Картина токораспределения и выделения теплоты в объеме шлака существенным образом изменяется после достижении уровнем шлаковой ванны торца приплавляемого патрубка (положение II). Вблизи торца патрубка появляется новая зона интенсивного тепловыделения, отличающаяся от зоны у стенки кристаллизатора. Размещение новой зоны тепловы- деления хорошо видно на рис. 5. Картина тепловы- деления становится похожей на таковую при бифи- лярной плавке [6]. В шлаковой ванне как бы появ- ляется дополнительный квазирасходуемый элект- род. Когда зеркало металлической ванны достигает торца приплавляемого патрубка, интенсивность до- полнительных источников теплоты в шлаке снижа- ется (положение III), после окончания процесса приплавления (положение IV) картина токораспре- деления и выделения тепла становится аналогичной положению I. Таким образом, из рис. 5 видно, что если пат- рубки электрически соединить при помощи провод- ников с поддоном, то в шлаковой ванне вблизи пат- рубков появляется зона интенсивного тепловыделе- ния, благодаря чему торец патрубка более интенсив- но прогревается, оплавляется и образует качественное соединение с выплавляемой частью заготовки. Выводы 1. В результате проведенной работы создана трех- мерная математическая модель распределения то- ков и объемных источников теплоты в шлаковой ванне при ЭШЛП. 2. Показана ее адекватность экспериментальным данным. 3. Модель можно использовать при выборе тех- нологических параметров выплавки заготовок кор- пусов задвижек различных типоразмеров до прове- дения плавок. 1. Электрошлаковое литье заготовок корпусов фланцевых задвижек с приплавлением патрубков / М. А. Полещук, Л. Г. Пузрин, В. Л. Шевцов и др. // Современ. электро- металлургия. – 2009. – № 2. – С. 13—17. 2. Полещук М. А., Пузрин Л. Г., Шевцов В. Л. Электрош- лаковое литье – самый прогрессивный способ производ- ства корпусов арматуры высокого давления // Армату- ростроение. – 2009. – № 4. – С. 49—54. 3. Исследование области соединения в заготовках корпусов фланцевых задвижек высокого давления, полученных спо- собом ЭШЛ с приплавлением / М. А. Полещук, Т. Г. Соломийчук, Г. М. Григоренко и др. // Современ. электрометаллургия. – 2009. – № 4. – С. 8—12. 4. Заполнение шлаком и металлом охлаждаемых кристалли- заторов при электрошлаковом литье изделий сложной формы / В. Л. Шевцов, И. И. Кумыш, Г. С. Маринский и др. // Пробл. спец. электрометаллургии. – 1975. – № 2. – С. 26—31. 5. Определение интенсивности источников тепла при ве- дении электрошлакового процесса неплавящимся электро- дом ЭШП / А. М. Макара, Н. А. Мосендз, Н. И. Тара- севич и др. // Там же. – 1975. – № 2. – С. 6—10. 6. Оценка интенсивности джоулевых источников тепла в шлаковой ванне при ЭШП по бифилярной схеме / Б. И. Медовар, В. Л. Шевцов, В. И. Саган и др. // Ма- тематические методы в исследовании процессов специаль- ной электрометаллургии. – Киев: Наук. думка, 1976. – С. 43—54. 7. Математическое моделирование процессов укрупнения слитков из высоколегированных сталей и сплавов спосо- бом электрошлаковой наплавки жидким металлом в то- копроводящем кристаллизаторе / В. И. Махненко, Л. Б. Медовар, В. Я. Саенко и др. // Современ. элект- рометаллургия. – 2008. – № 4. – С. 30—37. 8. Eric R. H. Slag properties and design issues pertinent to matte smelting electric furnaces // VII Intern. conf. on molten slags fluxes and salts (Cape Town January, 25—28, 2004). – Cape Town, 2004. – P. 531—541. (The South African Institute of Mining and Metallurgy, 2004). 9. Hara S., Hashimoto H., Ocino K. Electrical conductivity of molten slags for electro-slag remelting // Transaction ISIJ. – 1983. – Vol. 23. – P. 1053—1058. Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев Поступила 15.04.2010 Рис. 5. Распределение плотности токов j (а) и плотности источников теплоты w в сечении по плоскости ГС1 и на поверхности шлаковой ванны (б) при различных расстояниях зеркала металлической ванны от оси патрубка: I – — 170; II – — 80; III – 0; IV – 120 мм 20

Математическое моделирование тепловыделения в шлаковой ванне при электрошлаковом литье с приплавлением фланцевых задвижек

Institution

Ähnliche Einträge