Актуальность и степень разработанности темы исследования
Интенсивное внедрение магнитогидродинамических (МГД) технологий в металлургию пришлось на конец 50-х годов. Это стало результатом предыдущих исследований, которые показали преимущество МГД технологий над классическими механическими способами воздействия на расплавленный металл. Отсутствие прямого контакта с расплавом, легкая управляемость, малая инерционность и экономичность позволяли применять их практически в любых технологических процессах.
На начальном этапе внедрения МГД установок в металлургическое производство, они имели значительное преимущество над всеми старыми способами воздействия на расплав. Но со временем, рост требований к количеству, качеству и стоимости конечной продукции привел к необходимости поиска способов повышения эффективности уже существующих систем или необходимости разработки новых типов установок.
На протяжении следующих 60 лет в этих направлениях было проведено множество научно-исследовательских работ. Наибольший вклад в них внесли: М.Г. Резин, Л.А. Верте, И.М. Кирко, А.Б. Капуста, З.Н. Гецелев, М.В. Окороков, В.Н. Тимофеев, Ф.Н. Сарапулов, Р.М. Христинич, М.В. Первухин, С.Ф. Сарапулов и др. Среди зарубежных ученых широко известны работы A. Jakovics, V. Bojarevics, S. Lupi, E. Baake, B. Nacke и др.
Одним из основных ограничителей роста эффективности уже существующих систем можно назвать большую величину рабочего зазора между верхней плоскостью индуктора и нижней плоскостью расплава. Его наличие связано с необходимостью использования огнеупорной футеровки большой толщины для защиты индуктора МГД установки от температурного воздействия со стороны расплава. Вместе с этим, снижается эффективность воздействия на жидкий металл электромагнитного поля, индуцируемого МГД установкой.
Можно сказать, что большая часть исследовательских работ была направлена на компенсацию рабочего зазора непрямым или прямым способом. К первым можно отнести разработку системы управления, определение наиболее эффективных параметров источника питания, разработка новых конструкций индукторов и т.д. Ко вторым: внедрение водоохлаждаемых зубцов в футеровку, врезку в футеровку специального водоохлаждаемого гнезда для размещения в нем индуктора и т.д. Отдельно стоит выделить не электромеханический, но важный для дальнейших рассуждений метод создания новых футеровочных масс, применение которых позволит уменьшить толщину огнеупорной кладки с сохранением степени влияния температуры на индуктор.
Несмотря на определенные успехи в этих направлениях, они имеют ряд недостатков, таких, как: увеличение токовой нагрузки на обмотки индуктора, что приводит к значительным затратам меди и железа на его производство; увеличение механических напряжений и градиентов температуры в огнеупорной кладке; значительным тратам на разработку и производство новых огнеупорных масс, что приводит к увеличению затрат на обслуживание емкостей и каналов для расплава. Применение этих решений в комплексе так же не является выходом из сложившейся ситуации, поскольку происходит суммирование как положительных, так и отрицательных эффектов.
Таким образом, поиск новых решений по повышению эффективности индукционных магнитогидродинамических машин металлургического назначения имеет большую актуальность.
Исходя из вышесказанного, наиболее выгодным является применение такого метода, при котором толщина футеровки остается прежней, но уменьшается рабочий или немагнитный зазор в зависимости от конструкции машины, что позволит увеличить значение индукции магнитного поля в металле, на который оказывается электродинамическое воздействие. Вместе с этим, не должно произойти значительных изменений в механической и термической прочности футеровки.
Данный метод может быть реализован за счет продления зубцов магнитопровода индуктора вставками из специального композитного материала, сочетающего в себе огнеупорные, диэлектрические и магнитные свойства. Применение такого высокотемпературного магнитодиэлектрического (ВМД) композита позволит повысить эффективность индукционных магнитогидродинамических машин металлургического назначения.
Объект исследования: индукционный магнитогидродинамический перемешиватель расплавленного металла, в конструкции которого применены вставки из ВМД композита.
Предмет исследования: электромагнитные, гидродинамические и тепловые процессы в индукционных МГД перемешивателях, в конструкции которых применены вставки из ВМД композита.
Цель работы: повышение эффективности работы МГД перемешивателя за счет использования в его конструкции вставок из ВМД композита.
Задачи исследования:
1. Анализ существующих конструкций МГД перемешивателей и
способов повышения их эффективности.
2. Исследование тепловых, электрических и магнитных свойств
высокотемпературного магнитодиэлектрического композита.
3. Создание верифицированной компьютерной модели МГД перемешивателя, предназначенной для исследования электромагнитных, гидродинамических и тепловых процессов протекающих в нем.
4. Исследование рационального соотношения размеров вставок из ВМД композита для определения конструкции индуктора МГД перемешивателя миксера емкостью 40 тонн.
5. Обоснование выбора формы вставок для индуктора с целью максимально эффективного перемешивания на максимально возможной высоте вставок.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Рассмотрена и обоснована необходимость применения ВМД композита для повышения эффективности работы МГД перемешивателей.
2. Определены наиболее выгодные соотношения размеров и формы вставок из ВМД композита для индуктора МГД перемешивателя.
Теоретическая значимость работы, заключается в следующем: создана и верифицирована компьютерная модель, описывающая связанные электромагнитные, гидродинамические и теплообменные процессы в МГД перемешивателе алюминия с вращающимся электромагнитным полем с донным расположением индуктора.
Практическая значимость работы:
1. Разработаны рекомендации по созданию промышленного образца МГД перемешивателя, в конструкции которого использованы вставки из ВМД композита.
2. Определено рациональное соотношение размеров и формы вставок из ВМД композита для конструкции индуктора МГД перемешивателя миксера объемом 40 тонн.
Методология и методы исследования: использованы общеизвестные законы электромагнетизма, магнитной гидродинамики и тепломассообмена; методы измерения электрофизических, магнитных, теплофизических и механических свойств; методы компьютерного моделирования связных электромагнитных, гидродинамических и теплообменных задач в конечноэлементном пакете COMSOL Multiphysics; физический эксперимент.
Положения, выносимые на защиту:
1. Верифицированная компьютерная модель электромагнитных и теплогидродинамических процессов протекающих в расплаве, на который воздействует подовый МГД перемешиватель.
2. Результаты измерения электрофизических, теплофизических и
механических свойств разных составов высокотемпературного магнитодиэлектрического композита.
3. Результаты исследования эффективности применения вставок из ВМД композита в конструкции металлургических МГД перемешивателей.
4. Результаты исследования влияния формы вставок из ВМД композита на эффективность работы металлургических МГД перемешивателей.
Достоверность результатов подтверждена использованием апробированного компьютерного пакета COMSOL Multiphysics; использованием поверенных измерительных приборов; сравнением экспериментальных и теоретических результатов исследования; сравнением с результатами, полученными другими авторами.
Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. Международная научно-практическая конференция "МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. МАШИНОСТРОЕНИЕ. ЭНЕРГЕТИКА.", Екатеринбург, Россия, 8-11 июля, 2015 г.
2. 19th International Symposium on Electrical Apparatus and Technologies (SIELA 2016), Burgas, Republic of Bulgaria, 29 May - 01 June, 2016.
3. IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2017 ElConRus), St. Petersburg, Russia, February 1-3, 2017.
4. VIII International Scientific Colloquium Modelling for Materials Processing (MMP 2017), Riga, Latvia, September 21-22, 2017.
5. Международная конференция «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий, АПЭЭТ-2017», Екатеринбург, Россия, 2017 г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 научных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 статьи в журналах, включенных в базу Web of Science, и 6 материалов конференций, индексируемых в базах Scopus и РИНЦ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 104 библиографических ссылок. Текст работы изложен на 110 страницах, содержит 72 рисунка и 6 таблиц.
Выполненная диссертационная работа представляет собой развитие разработок коллектива кафедры ЭЭТС ФГАОУ ВО УрФУ в области исследования взаимосвязанных электромагнитных, гидродинамических и теплообменных процессов в МГД перемешивателях. Основные результаты могут быть выражены в следующем:
1. Рассмотрены основные типы конструкций МГД установок для перемешивания жидкого металла, их основные достоинства и недостатки, а так же способы применения. Одним из общих недостатков всех типов конструкций является наличие большого немагнитного зазора между индуктором и расплавленным металлом, что приводит к значительному снижению эффективности их работы. В настоящий момент времени проводятся обширные исследования по повышению эффективности работы металлургических МГД- установок для перемешивания и транспортировки металла, однако, остается слабо изученным актуальный вопрос уменьшения величины немагнитного зазора без изменения толщины футеровки. Сделан вывод о том, что одним из перспективных способов уменьшения немагнитного рабочего зазора является внедрение в огнеупорную футеровку специальных вставок из ВМД композита.
2. Проведен обзор литературных источников по теме перспективных
разработок в области создания магнитомягких материалов, которые могут быть использованы для создания вставок: ферритов и магнитодиэлектриков.
Преимуществом ранее разработанных материалов с этой структурой является сочетание диэлектрических и магнитных свойств, однако низкая рабочая температура не позволяет применить их для модернизации металлургических МГД-установок. Металлокерамические соединения на основе железа и оксида алюминия отвечают всем требованиям, предъявляемым к высокотемпературным магнитодиэлектрикам и может быть использован в качестве вставок для модернизации металлургических МГД установок.
3. Были изготовлены образцы нескольких составов ВМД огнеупоров и проведены исследования следующих их свойств: магнитных, электрических, механических и теплофизических. На основе полученных результатов был сделан вывод о дальнейшем использовании вставок из ВМД композита с составом 70% - карбонильное железо, 30% - огнеупорный наполнитель.
4. На основе анализа вычисленных чисел подобия: число Рейнольдса, магнитное число Рейнольдса, параметр МГД-взаимодействия, число Гартмана, число Рэлея. Получено представление о характере процессов, протекающих в модернизированном лабораторном подовом МГД перемешивателе алюминия. Была составлена компьютерная модель описываемой системы, включающая в себя квазистационарную электромагнитную задачу, гидродинамическую задачу турбулентных течений и задачу теплообмена в объеме расплава. Так же были приняты основные допущения.
5. Произведено сравнение результатов компьютерного моделирования теплообменных процессов с экспериментальными данными, полученными для модернизированного лабораторного МГД перемешивателя. На основании этого сравнения сделан вывод о достаточной достоверности компьютерной модели, описывающей электромагнитные, гидродинамические и теплообменные процессы и возможности использовать ее для выполнения расчетов в аналогичных системах.
6. На основе ранее верифицированной компьютерной модели было проведено исследование по модернизации с помощью вставок из ВМД композита промышленного металлургического МГД перемешивателя алюминиевых расплавов в миксере сопротивления объемом 40 тонн. Сравнение полученных результатов компьютерного моделирования электромагнитных, гидродинамических и теплообменных процессов протекающих при перемешивании расплава с помощью не модернизированного и модернизированного МГД перемешивателей позволили сделать вывод об эффективности применения вставок из ВМД композита высотой более 200 мм. Сравнение полученных результатов компьютерного моделирования распределения температурного поля в футеровке и вставках из ВМД композита позволило определить верхнюю границу значения высоты вставок равную 232 мм.
7. Применение вставок из ВМД композита высотой от 200 мм до 232 мм
позволяет отказаться от использования немагнитного водоохлаждаемого гнезда, применяемого в промышленном образце установки, при сохранении эффективности перемешивания для вставок высотой 200 мм и повышении эффективности перемешивания на 26% для вставок высотой 232 мм, по сравнению с вариантом конструкции перемешивателя с немагнитным гнездом.
8. Было выполнено дополнительное исследование влияния формы вставок из ВМД композита на эффективность перемешивания расплава. Результатом компьютерного моделирования стало определение формы вставок, при которой эффективность выравнивания температуры возрастает на 12%, эффективность растворения кремния в подовой части возрастает на 18%, на выходе индуктора на 17%, по сравнению с обычными вставками.
9. Применение вставок обычной формы и меньшей высоты позволит уменьшить количество сырья на их производства в 1,6 раза, но увеличит энергопотребление, в среднем, на 10%, по сравнению с перемешивателем, в конструкции которого есть вставки измененной формы высотой 232 мм. Вместе с тем, применение в конструкции МГД перемешивателя вставок обратнотрапециевидной формы (5=145°) и высотой 232 мм, позволяет уменьшить энергопотребление для различных технологических процессов, в среднем на 57,6%, по сравнению с МГД перемешивателем, в конструкции которого нет вставок из ВМД композита.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
