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 данного вопроса кроется в создании высокопроизводительного электро- технологического 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. При достаточно высокой напряженности электро-магнитного 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. 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» (ЭМВ), целью которого является создание электромагнитного поля в 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 разработан много-функциональный плавильный агрегат (МПА) и определен ряд процессов, реализация которых невозможна без МПА с вращением расплава. В состав МПА входит ЭМВ, как часть основного электрооборудования, который может иметь несколько модификаций. Общий вид МПА представлен на рис. 1.
Важен и вопрос создания математической модели электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов, происходящих в агрегате, поскольку, несмотря на обилие математических пакетов
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.
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 и магнитных цепей, метод эквивалентных тепловых схем замещения, методы конечных разностей и конечных элементов. Основной ряд задач реализован в пакете Ма1йСАВ14 с помощью алгоритмов, позволяющих провести расчет всех параметров в одном формуляре. Используются методы компьютерного моделирования с помощью пакета СОМЗОЬ МиШрйузюз, предназначенного для анализа полевых задач. Используются также физические методы исследования с применением лабораторных установок.
Научную новизну представляют математическая модель взаимосвязанных электромеханических и тепловых процессов на основе детализированных электрических, магнитных и тепловых схем замещения, а также гидродинамических процессов с помощью МКР, результаты анализа указанных процессов и рекомендации по выбору режимов работы ЭМВ.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Создана программа для расчета взаимосвязанных электромагнитных, гидродинамических и тепловых процессов, происходящих в плавильном агрегате (ПА) с вращающимся расплавом. Кроме того, 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, при 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 Materialy I Technologie w Elektrotechnice - z-MITEL 2010», Przylçsko k. Gorzowa Wielkopol- skiego, 2010;
Международные научно-технические конференции «Проблемы повышения эффективности элетромеханических преобразователей в электроэнергетических системах». Севастополь, 2010, 2007;
XIII, XII Международные конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». Крым, Алушта, 2010, 2008;
14-ая Международная плесская научная конференция по нанодисперсным магнитным жидкостям, Плес, Россия, 2010;
Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2009), Новосибирск, НГТУ, 2009;
IV научно-техническая конференция с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», Новосибирск, НГТУ, 2009;
Международная научная конференция «Электронная культура. Информационные технологии будущего и современное электронное обучение «MODERN IT &(E-) LEARNING», Астрахань, 2009;
VIII-я, IX-я научно-практические конференции с международным участием «Проблемы и достижения в промышленной энергетике», Екатеринбург, 2007, 2008;
THE 3rd INTERNATIONAL FORUM ON STRATEGIC TECHNOLOGIES, IFOST - 2008. Novosibirsk State Technical University (Novosibirsk, Russia) - Tomsk Polytechnic University (Tomsk, Russia), 2008;
Российско-британский семинар молодых ученых и студентов «ЭКОТЕХНОЛОГИИ 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 печатных работы, из них 3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора состоит в разработке алгоритмов расчета и адаптации метода ДСЗ и МКР для расчета параметров индукционного устройства с вращающимся расплавом в активной зоне; проектировании и изготовлении лабораторных моделей ЭМВ для проведения экспериментов.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, 6 приложений. Общий объем 209 страниц. Основная часть изложена на 168 страницах машинописного тек-ста, иллюстрирована 83 рисунками, 12 таблицами. Список использованной литературы содержит 102 наименования на 10 страницах.
Выполненная диссертационная работа представляет собой развитие разработок коллектива кафедры ЭЭТС УГТУ-УПИ в области исследования взаимосвязанных электромагнитных, гидродинамических и тепловых процессов в МГД- устройствах 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 катушками;
- гидродинамическая модель, позволяющая производить расчет скорости движения расплава в ванне ПА в двумерной постановке, и скорость разгона ВЭ до необходимой скорости в одномерной постановке;
- тепловая 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 МаШСАЭ.
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 и способов охлаждения торцевого ЭМВ в различных режимах работы.
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 об-мотки индуктора в зависимости от требований по создаваемому усилию и активной мощности во ВЭ, выбору типа охлаждения и влияния толщины футеровки.
7. 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.
Автор выражает благодарность доценту Сарапулову С.Ф. за помощь в подготовке материалов и написании диссертационной работы.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
