Разработка индукционного вращателя жидкометаллической загрузки плавильного агрегата и исследование его электромагнитных и гидродинамических характеристик

Актуальность работы. В современных экономических условиях машиностроительный комплекс и многие другие потребители продукции металлургических предприятий предъявляют высокие требования к качеству первичной составляющей своей продукции, при этом предпочтение отдается продукции с меньшей стоимостью. Решение данной проблемы особенно актуально в настоящее время, когда вопросы качества и стоимости продукции играют существенную роль, так как приходится испытывать жестокую конкуренцию со стороны зарубежных производителей. Решение вопроса кроется в создании высокопроизводительного электротехнологического оборудования, удовлетворяющего всем требованиям металлургического производства и в то же время обладающего минимальной стоимостью в производстве и эксплуатации.

Вот уже не одно десятилетие одним из наиболее перспективных методов плавки металлов является индукционная плавка в индукционных тигельных печах. Большой популярностью агрегат пользуется благодаря как простому обслуживанию агрегата в процессе технологического цикла, так и возможности получения металла достаточно дешевым способом. Но к качеству металла, получаемого таким способом, предъявляются все более высокие требования. И уже не раз отмечалось, что перспективным направлением развития технологии производства металлов и сплавов является применение методов силового воздействия электромагнитным полем на жидкометаллические среды [8,10,11,13,66]. При достаточно высокой напряженности электромагнитного поля можно получить интенсивное перемешивание металла в ванне печи. Поэтому естественен интерес к электромагнитным и гидродинамическим явлениям, происходящим в жидком металле. И в свою очередь актуален вопрос создания методики расчета электромагнитных устройств, в которых силовое воздействие на жидкий металл посредством магнитного поля является основой для проведения технологического процесса.

Эти явления описываются областью науки — магнитной гидродинамикой, находящейся на границе, между гидродинамикой и электромагнитной теорией Максвелла и изучающей поведение проводящей жидкости в электромагнитном поле.

В настоящее время остро стоит вопрос экономии электроэнергии на основе внедрения новых технологий, особенно в энергоёмких областях, к которым относится металлургическая отрасль. Часть этих технологий связана с применением индукционных магнитогидродинамических машин и устройств. В металлургии такие машины могут применяться для плавки, транспортировки и перемешивания жидкого металла. Актуален вопрос разработки электромагнитного «вращателя», целью которого является создание электромагнитного поля в его жидкометаллическом вторичном элементе, вызывающего усилия, направленные на раскручивание расплава вокруг центральной оси ванны и деформацию поверхности зеркала расплава. Это позволяет во много раз интенсифицировать скорость химических реакций восстановления металла на границе между расплавом и шлаком, сэкономить время и электроэнергию. В настоящее время на уровне технического задания создан многофункциональный плавильный агрегат и определен ряд процессов, реализация которых не возможна без МПА. Эскизный чертеж установки МПА представлен на рис. 1.1. Важен и вопрос создания математической модели электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов, происходящих в агрегате, поскольку, несмотря на обилие математических пакетов, наблюдается дефицит программных средств компьютерного моделирования поля скоростей жидкого металла совместно с расчетом электромагнитного поля в индукционных печах с вращающимся расплавом.

Объектом исследования является" специальный электромеханический преобразователь энергии (электромагнитный вращатель — ЭМВ) для создания в жидком металле вращающих электромагнитных усилий и управляемого движения металла, необходимых для проведения основного технологического процесса.

Рис. 1.1. Многофункциональный плавильный агрегат Предмет исследования: электромагнитные, гидродинамические и тепловые процессы в современных индукционных плавильных агрегатах.

Цель работы: исследование гидромеханических, электромагнитных и тепловых процессов в ЭМВ с помощью созданного набора средств математического моделирования, разработка рекомендаций по формированию его характеристик.

Решаемые задачи:

1. Анализ существующих индукционных установок, назначением которых является организация управляемого движения металлического расплава в рабочей зоне.

2. Построение и разработка достаточно простых и доступных математических моделей, которые могут использоваться при проектировании указанных устройств и для анализа их электромагнитных, гидродинамических и тепловых процессов в рабочих режимах, адаптация существующих методик к конкретным конструктивным и режимным особенностям электромеханического преобразователя энергии.

3. Исследование различных модификаций индукторов вращателя и определение эффективности их применения.

4. Создание и исследование экспериментальных установок и сравнение результатов расчета с экспериментальными зависимостями.

5. Выбор практических и формулировка теоретических рекомендаций к основным техническим решениям для создания опытно-промышленного образца электромагнитного вращателя металлического расплава.

Методы исследования. В работе используются методы теории электрических цепей, метод эквивалентных тепловых схем замещения, методы конечных разностей и конечных элементов. Основной ряд задач реализован в пакете МаШСАОМ, позволяющий провести расчет всех параметров в одном формуляре. Используются методы компьютерного моделирования с помощью пакета СОМЗОЬ МиШрЬузюБ, предназначенного для анализа полевых задач. Также используются физические методы исследования с применением лабораторных установок.

Научную новизну представляет математическая модель взаимосвязанных электромеханических, тепловых процессов на основе детализированных электрических, магнитных, тепловых схем замещения и гидродинамических процессов по МКР, результаты исследований и анализа указанных процессов и рекомендации по выбору режимов работы.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

Создана программа для расчета взаимосвязанных электромагнитных, гидродинамических и тепловых процессов, происходящих в ПА с вращающимся расплавом. Программа может быть использована для оценки гидромеханических переходных процессов в расплаве при пуске или реверсе и для оценки тепловых переходных процессов в ЭМВ.

Приведены технические решения и результаты расчетов, которые могут быть использованы при проектировании ЭМВ.

Созданы лабораторные модели ЭМВ для проверки адекватности и корректности представленной математической модели.

Реализация.

1. Результаты исследования электромагнитных, тепловых и гидромеханических процессов в расплаве ПА и в ЭМВ переданы ЗАО «РЭЛТЕК» (г. Екатеринбург).

2. Результаты работы используются на кафедре электротехники и электротехнологических систем УрФУ в учебном процессе, при курсовом и дипломном проектировании, проведении научных исследований и проведении лабораторных работ.

3. Диссертационная работа подготовлена в рамках целевой программы министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2010)» «Разработка, технологическое и электрофизическое обоснование процессов получения высоколегированных сплавов (в том числе с упрочняющей нанокристаллической структурой) при интенсификации перемешивания в агрегате с вращением шлака и металла».

Апробация. Основные результаты доложены, обсуждены и одобрены на следующих научных мероприятиях:

— Konferencyjne «VI Lubuska konferencja naukowo-techniczha Innowacyjne Materi-aly I Technologie w Elektrotechnice — z-MITEL 2010», Przylcsko k. Gorzowa Wielkopolskiego, 2010;

— Международная научно-техническая конференция «Проблемы повышения эффективности элетромеханпческих преобразователей в электроэнергетических системах». Севастополь, 2007, 2010;

— XIII Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты — МКЭЭ — 2010». Крым, Алушта, 2010;

— 14-ая Международная плесская научно конференция по нанодисперсным магнитным жидкостям, Плес, Россия, сентябрь 2010;

— Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2009), Новосибирск, НГТУ, декабрь 2009;

— IV научно-техническая конференция с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», Новосибирск, НГТУ, 23−24 октября 2009;

— Международная научная конференция «Электронная культура. Информационные технологии будущего и современное электронное обучение «MODERN IT & (Е-) LEARNING», Астрахань, 2009;

— VII, VIII-я научно-практическая конференция с международным участием «Проблемы и достижения в промышленной энергетике», Екатеринбург, 2007, 2008;

— XII Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты — МКЭЭ — 2008». Крым, Алушта, 2008;

— THE 3rd INTERNATIONAL FORUM ON STRATEGIC TECHNOLOGIES, IFOST — 2008. Novosibirsk State Technical University (Novosibirsk, Russia) -Tomsk Polytechnic University (Tomsk, Russia). June 23−29, 2008;

— Российско-британский семинар молодых ученых и студентов «ЭКОТЕХНО-ЛОГИИ 21 ВЕКА: ЭКОТЕХ — XXI» Проект Британского Совета. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2007;

— III Международная НТК «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы». Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 22 печатные работы, в том числе 3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложений. Общий объем 209 страниц. Основная часть изложена на 168 страницах машинописного текста, иллюстрирована 83 рисунками, 12 таблицами. Список использованной литературы содержит 102 наименования.

5.6. Выводы.

1. В главе приведены результаты расчета основных конструкций ЭМВ. Доказана адекватность предложенной «быстрой» модели на основе ДСЗ и МКР в МаШСАБ путем сравнения результатов расчета с другими пакетами.

2. Предложен способ внутренней компенсации реактивной мощности в ЭМВ, показаны преимущества данного способа по сравнению с традиционной поперечной компенсацией.

3. Проведен сравнительный анализ использования бокового и торцевого ЭМВ, даны рекомендации по выбору ЭМВ при различном заполнении тигля расплавом.

4. Произведена оценка теплового состояния торцевого ЭМВ, работающего в различных режимах.

5. Расчетные эксперименты показали, что использование низких частот более эффективны для силового воздействия на расплав.

6. Описано влияние электродинамических усилий на расплав и на картину распределения скорости по объему от греющего индуктора ПА.

7. Даны рекомендации по техническим решениям выполнения основных конструктивных элементов ЭМВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненная диссертационная работа представляет собой развитие разработок коллектива кафедры ЭЭТС УГТУ-УПИ в области исследования взаимосвязанных электромагнитных, гидродинамических и тепловых процессов в МГДУ специального назначения — ЭМВ. Основные результаты могут быть выражены в следующем:

1. Разработана математическая модель, позволяющая исследовать процессы в жидкометаллическом ВЭ с учетом присущих ему особенностей, состоящая из трех основных взаимосвязанных элементов (подмоделей): модель электромагнитных процессов на основе метода детализированных схем замещения, при этом адаптирован метод ДСЗ для уточненного расчета параметров ЛИМ с кольцевыми катушкамигидродинамическая модель, позволяющая производить расчет скорости движения расплава в ванне ПА в двумерной постановке, и скорость разгона ВЭ до необходимой скорости в одномерной постановкетепловая модель, учитывающая особенности конструкции и тепловых процессов, основанная на детализированных эквивалентных тепловых схемах замещения.

2. Математическая модель ЭМВ на основе ДСЗ и МКР реализована в виде быстродействующих алгоритмов и программ в среде МаШСАБ.

3. Произведено сравнение результатов математического моделирования с экспериментальными данными, а также с результатами расчета полевыми методами, которое подтверждает достоверность выполненных исследований, и показывает, что допущения, принятые при разработке моделей, приемлемы для получения достаточной для инженерной практики точности.

4. На основе созданной математической модели произведены, исследования электромагнитных, гидромеханических и тепловых процессов в ЭМВ и его лабораторных моделях.

Подробно изучены, особенности гидромеханических процессов в расплаве ЭМВ. Рассмотрено влияние на скорость расплава и удельные усилия в расплаве ПА различных схем соединения обмоток ЭМВ на различных частотах питающего напряжения.

Проведен анализ теплового состояния торцевого ЭМВ в различных режимах работы и способом охлаждения.

5. Изготовлены уменьшенные физические модели торцевого ЭМВ в двух исполнениях: с кольцевыми и барабанными обмотками.

6. Даны рекомендации к разработке и техническим решениям основных конструктивных элементов ЭМВ, в частности, по выбору частоты питающего тока, выбору типа вращателя, числу пар полюсов индуктора, выбору схем соединения обмотки индуктора в зависимости от требований по создаваемому усилию и активной мощности во ВЭ, выбору типа охлаждения и влияния толщины футеровки.

Результаты исследований переданы ЗАО «РЭЛТЕК» и используются им при разработке и проектировании современных ПА на основе ИТП. Математические модели, программы и лабораторные модели используются в учебном процессе и научных исследованиях кафедры «Электротехника и электротехнологические системы» УрФУ.