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真空电弧炉提升系统的强度分析

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学 位 论 文

真空电弧炉提升系统的强度分析

作 者 姓 名： 段晓柳 指 导 教 师： 黄 英 副教授 东北大学机械工程与自动化学院 申请学位级别： 硕士 学 科 类 别： 工学 学科专业名称： 机械设计及理论 论文提交日期： 2009年6月论文答辩日期： 2009年7月学位授予日期： 2009年7月答辩委员会主席： 评 阅 人：

东 北 大 学 2009年7月 A Thesis in Mechanical Design and Theory Strength Analysis of Lifter System of Vacuum Arc Furnace

By Duan Xiaoliu Supervisor ： Associate Professor Huang Ying

Northeastern University July 2009 I

独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名： 日 期：

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。

作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年 □ 一年□ 一年半□ 两年□ 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 签字日期：东北大学硕士学位论文 摘要 II 真空电弧炉提升系统的强度分析

摘 要 真空自耗电弧炉是熔炼难熔金属和活性金属的重要设备，在工业领域的许多特种材料的制备中应用非常广泛。随着我国航空航天工业的快速发展及民用对钛合金的需求扩大，大型真空自耗电弧炉的强度分析和参数化设计是个急需解决的问题。 针对真空电弧炉的提升系统进行强度模拟分析，其分析结果对该设备的设计有重要的指导作用。本文以2T真空电弧炉的提升系统为研究对象，主要进行了如下几个方面的研究： （1）利用ANSYS/LS-DYNA对2T真空电弧炉提升系统进行动力学接触仿真分析，分析了提升过程中应力、应变的变化情况。分析结果表明，在最大载荷条件下提升系统的各部位的最大von Mises应力均小于材料的屈服应力，提升系统静强度满足要求，但安全系数过大，造成材料浪费。 （2）利用有限元软件ANSYS对真空电弧炉提升系统进行了动态分析中的模态分析，得到了提升系统的前六阶固有频率，并在此基础上扩展得到了提升系统的前六阶振型，可用于指导提升系统的动态设计。 （3）在理论分析的基础上，本文研究了提升系统的稳定性。特征值屈曲分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度。由于初始缺陷和非线性使得很多实际结构的屈曲行为不是在弹性屈曲强度处发生，因而需要采用非线性屈曲分析。比较了非线性分析下结构的临界屈曲载荷与特征值屈曲分析下的临界屈曲载荷，结果表明特征值屈曲分析的结果过于保守。 （4）对提升系统中的受预紧力的螺栓和螺栓联接结构作了有限元模型简化及接触有限元模拟计算。为了真实的模拟受预紧力螺栓的复杂应力状况，应用ANSYS 非线性接触算法对螺栓连接进行了仿真，利用预紧力单元法模拟了螺栓的预紧力，模拟结果表明螺纹根部是应力集中部位，为复杂结构中螺栓连接的强度计算提供了可靠参考依据。

关键词：真空自耗电弧炉；接触分析；模态分析；稳定性分析；螺栓的强度分析 东北大学硕士学位论文 Abstract

III Strength Analysis of Lifter System of Vacuum Arc Furnace

Abstract Vacuum arc remelting furnace is a very important equipment for melting refractory alloys and active metals which plays an important role in the preparation of special materials. Strength analysis and parametric design of vacuum arc remelting furnace is an important question for discussion along with development on aviation’s industry and increased demand on titanium alloy. The results of analysis for structural strength can be used to direct the method of design of the lifter system of vacuum arc furnace.And the thesis has chiefly carried on research of lifter system of 2T-vacuum arc furnace as following aspects: （1）Dynamic contact emulation analysis of lifter system of 2T-vacuum arc furnace is operated with ANSYS/LS-DYNA software. The stress and deformation during the promotion process are calculated. The result indicates that the maximum von Mises stress of each region of the lifter system of vacuum arc furnace is significantly less than the yield limit of the material under the workload, but the safety factor is too large, it is a waste of material. （2）Modal analysis of dynamical analysis on the lifter system of vacuum arc furnace has been done with finite element analysis software ANSYS.Through the modal analysis, the frontal 6 natural frequencies have been achieved and in the background the frontal 6 vibration modes are gained，Which can direct dynamical design of the lifter system of vacuum arc furnace. （3）Based on the theoretical analysis，the thesis studies stability characteristics of the lifter system. Eigenvalue buckling analysis being used to forecast the theory bucking intensity of an ideal elasticity structure, because the initial defect and nonlinearity，many buckling behaviors of actual structure are not happened in the elastic buckling intensity place, therefore, it is necessary to use nonlinear buckling analysis for this situation.The buckling loads in eigenvalue buckling and nonlinear buckling analysis are compared，it indicates that analytical result of eigenvalue buckling is excessively conservative. 东北大学硕士学位论文 Abstract IV （4）The simplized finite element model and contact analysis for bolt with pre-tightened force and bolt structure of hoisting systems was introduced in this paper. Nonlinear contact arithmetic of ANSYS is applied for simulating complex stress of bolt with pre-tightened force and emulating bolt joint truly. By pretension element method, pre-tightened force of bolt is caused. The result indicates that stress concentration spot is existed in thread roots. Reliable references are provided for strength computation of bolt connection from complex structure.

Key words: Vacuum Arc Remelting Furnace; Contact Anslysis; Modal Anslysis; Stability Anslysis; Strength Analysis of Bolt

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50t高阻抗电弧炉的三电系统

50t高阻抗电弧炉的三电系统


高压供电电压
低压供 电电压
ＡＣ ３ Ｖ ３ ５ 相 ｋ
５ ０ Ｈｚ
士１％ ０
本台炼钢 ５ ０ｔ高阻抗 电弧炉采用碱性炉衬 ，整体平 台为导轨式 ，炉子采用高架式布置。采用管式水冷炉壁 、 管式水冷炉盖 、炉盖旋开 、顶装料全 液压 式 、偏 心底出
钢 。炉 门配备 自耗式碳氧枪 。水冷 系统为 开路 循环，电
摘要 ：介绍了采用西门子公司 Ｐ Ｃ系统为核心的高阻抗 电弧炉三 电系统设计 ，主要包括有高阻抗电弧炉 的主要设计技术参数， 电 Ｌ
气 系统的硬件设计方案及组成，自动化系统的软件设计功能和主要控制对象 ，按 照铸钢生产对 控制系统 的要求，将整个 系统划分为 若干个控制子单元分别进行功能描述 ， 详细说 明了各部分的控 制范 围及 目的，使得该套高阻抗 电弧炉 的控制系统能够在铸钢生产的 过程 中全面实现工业现代化的操作、监控 、信息处理和检修维护，保障了铸钢生产设备的安全运行 。 关键词 ：高阻抗 电弧炉 ；电抗器 ；Ｐ Ｃ；Ｐ Ｏ Ｉ ＵＳ Ｌ Ｒ ＦＢ 中图分 类号 ：Ｔ ２ ． Ｍ９ ４４ 文献标 志码 ：Ｂ 文章编号：１０ ．６ ９２ １）２０ ５ ．４ ０ ２１ ３（０ ００ ．０２０
技术交流
Ｄ ： １． ６／ ｉ ｎ ０ ２１３ ．０ ０ ２ １ ＯＩ ０３ ９ ． ｓ ．１０ －６ ９ １． ． ６ ９ ｊ ｓ ２ ００
工业加热》 ９ ００年第 ２ 第３ 卷２１ 期
５ 高阻抗 电弧炉的三 电系统 ０ ｔ
韩 星 卢 海燕２ ，
（．中冶集团 １ 西安 电炉研究所有 限公司，陕西 西安 ７ ０ ６ ；２ １ ０ １ ．中国人民解放 军西安通信学院，陕西 西安 ７００） １ １６
变压器免遭 操作 过电压 、重燃过 电压 、静 电传递过 电压 器组及阻容保 护装置 。
真空电弧炉操作须知

真空电弧炉操作须知

真空电弧炉操作规程一、通水，通电1.合上电源总闸。

2.合上通向电弧炉水泵的电开关，检查各水路（共四路）是否畅通二、装料1.合上电弧炉电闸，将控制柜电源开关拨到“1”，红灯亮。

2.检查炉体，装电极，加料，升起下电极三、抽真空1.检查真空系统是否全部阀门均已关闭？yes，ok！2.开机械泵。

缓慢打开3#，4#阀。

（2#阀仍关闭）3.炉体压力真空表达到-0.1MPa时，合上复合真空计电源，当热偶真空机显示6—7Pa时，关闭4#阀，合上扩散加热电源至“1”，让扩散泵封闭加热。

4.扩散泵加热约40分钟，热偶真空计显示为1.3Pa时，关闭3#，打开2#，4#阀。

5.当热偶真空计满格（0.1Pa）时，可开始使用电离真空计，先预热10分钟，然后合上灯丝开关，测量真空度后，随手关闭电离真空计。

四、充氩气1.关闭2#，3#，4#阀，关闭机械泵，扩散泵，关闭复合真空计。

2.充氩，先开充氩阀，然后开启气罐总阀，在继续开启流量阀至2—3个大气压（注意流量阀螺纹旋出为关）充氩至所需压力（圆形压力表-0.1---0的某一个点）。

3.充氩达到规定压力后，关闭充氩阀。

五、引弧熔炼1.打开下电极炉体冷却水阀门。

2.合上电焊机电闸及焊机上的开关。

此时电焊机的电流指示灯亮。

3.旋转电焊机电流旋钮，按所炼材料调节电流（<350 A）,其他旋钮不要动。

4.调节阳极高度，引弧，注意不要长时间短路。

5.摆动阳极，熔炼。

6.关闭电焊机电源。

7.待金属冷却10分钟后，放气，出炉。

六、结束工作1.清理炉体，重新升起下电极，按三（2）操作开机械泵抽真空至压力表显示，关闭3#，4#阀，关闭机械泵。

2.40分钟后停水。

3.断开所有电闸。

1t真空自耗电弧炉电极杆的改进

1t真空自耗电弧炉电极杆的改进

维普资讯
或 出现故障 ， 均会引起系统程序及数据的丢失 。 由于该机床 的系
Ｔ３ 卜 口 一 Ｏ臣式力工中心 程序与参数丢失的原因
李仁 良
Ｔ３ 一 ０卧 式 加 Ｔ 中心 （ 旧 Ｃ Ｎ Ｉ Ｎ Ｔ Ｌ Ｃ Ｏ 美 ＩＣ Ｎ Ａ ＩＭＩＡ Ｒ Ｎ公
源 断 开后 ， 由一 组 辅 助 电 源 为 电池 充 电 。 以 ， 正 常状 态下 ， 所 在 总
供电电流是否在规定数值内。
ＷＯ ． － ５ ６ ８２ ０
电源断电在 ７ ｈ内， ２ 系统程序和工件程序不会 丢失 。 引起系统程 序、 机床参数 、 工件程序丢失 的原因是多方面 的， 如相关 电路板 作 者 通 联 ： 北 奔 重 庆 变 速 器 公 司 重 庆 ２０ ６２信 箱
为 １ｈ ． ：当熔 炼 （ ０ｎ ５ ￣４ １ｎ一 次 铸 锭 时 ， 备 能 满 足 ｊ艺 要 求 ， ｌ 设 二 熔 炼 一 切 正 常 。 但 在熔 炼 ￣ ５ ｍ 成 品 铸 锭 时 设 备 出现 异 常 ， ３０ ｍ 当
铸锭熔炼约 ３ ｍｉ ， ０ ｎ时 电极杆温度温 升异 常， 将电极杆动密封 烫 化， 炉体漏气 ， 真空急剧 下降 ， 熔化被迫停 止。 针对 出现 的问题 ， Ｉ炉 电极杆进行 了分析 。该 电极杆结 对 ｔ 构如图 １ 接触环 通过螺栓 与水冷 电缆连 接 ， 。 熔炼电流通过水冷 电缆 、接触环进入电极 杆组成铸锭熔炼的负极。电极 杆材料 为 ４ ：经计算 ， ５钢 电极杆 发热 的原 因是 由于 电极杆本身截而积不 够引起的 ，欲解决该 电极杆发热 问题必须增大该 电极杆 的导电
作， 需要花 费几 个小 时甚至一天的时间才能完 成， 既给操 作者增
加 ｌ作 量 ， ： 又影 响 了生 产 进 度 。 为此 ， 再 次 检 查相 应 电源 ， 发 又 未
第二章 真空冶金

第二章 真空冶金

真空冶金
区别于大气下的冶金过程，需要配备真空抽气系统和密封炉体 大气下冶炼的缺点： 活泼金属易于氧化，合金成分难于精确控制； 金属熔池与空气作用，合金中有害气体（N,H,O）难以去除； 大气下熔炼抑制了挥发过程，不能去除有害元素Pb, Sb, Bi, Sn, Cu等。 由大气下冶炼的材料很难满足现代高新技术发展所需。
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（2）熔化 主要任务：炉料熔化，去气，去除非金属夹杂，金属液有 适当温度；熔池上方保持较高真空度。 熔化期应注意： 熔化期真空度； 熔化期供电； 熔化期喷溅. （3）精炼 任务：进一步净化炉料，调整成分，调整温度。
高温沸腾;
合金化.
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（4）浇铸
将精炼获得的液态金属浇铸成锭、铸件或自耗电极 工艺要点：
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美国康萨克（Consarc）公司、德国ALD (Loyboldhereaus) 公司，日本真空株式会社致力于真空冶金设备的制 造。
这一时期，最大真空感应炉容量达60吨；最大真空电弧 炉重熔锭达52吨；最大电子束容量达12000KW。 真空冶金理论研究也有突出进展，1963年美国真空协会 成立，1964年第一届国际真空冶金会议召开，以后每三年一 次。70年代中期真空冶金发展处于相对稳定阶段，生产能力稳 定增长，工艺稳定、完善，向程序控制和自动化方面发展。 我国在1955年制定的《科学十年规划》中将真空冶金列为 重点发展项目。50年代后期钢铁研究总院、中科院金属所均建 立了小型真空感应炉及真空电弧重熔炉。1958年~1959年抚顺 钢厂特种熔炼车间建立真空冶金设备生产高温合金，大连钢厂 精密合金研究所也建立了真空冶金设备生产精密合金，形成我 国最早的真空冶金基地。
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60年代，沈阳真空技术研究所，松江、锦州、上海、长 春电炉厂制造出不同型号的真空感应炉和真空电弧重熔炉。 钢铁研究总院与长城钢厂从德国引进200KW及1200KW真空 电子束炉。 70年代末，钢铁研究总院设计并制造了200Kg同轴真空 电弧重熔炉。上海钢铁研究所建成双电极真空电弧重熔炉用 于重熔INCO-718合金。 钢铁研究总院与抚顺钢厂合作采用真空感应熔炼-真空电 弧重熔及真空感应炉熔炼+电渣重熔生产出优质铁基与镍基 高温合金。