Актуальность работы. Применение электромагнитных перемешивателей металлов и сплавов в процессе кристаллизации позволяет решить ряд задач, относящихся к проблеме повышения качества, как полуфабриката, так и конечного продукта. Следует подчеркнуть, что свойства материала, его качество определяются не только кристаллической структурой, но и такими дефектами, как пористость, неметаллические включения, ликвация. Важно отметить, что макро- и микроструктура и дефекты, сформировавшиеся при литье заготовок, могут сохраняться в процессе дальнейшей технологической обработки материала.
Таким образом, целесообразно уже в процессе литья сформировать оптимальную, с точки зрения последующей технологической обработки, структуру, а также снизить дефектность материала по основным показателям: пористости, количеству неметаллических включений, неоднородности химического состава.
Работа электромагнитного перемешивателя основана на использовании комплекса электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов, аналитическое исследование которых затруднено, а эксперименты являются дорогостоящими и длительными. Поэтому создание в предлагаемой работе универсальных методов компьютерного моделирования электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в электромагнитных перемешивателях, позволяющих находить опти-мальные конструкции и режимы их работы, является актуальной задачей.
Объектом исследования является специальная электрическая машина - электромагнитный перемешиватель, воздействующий электромагнитным полем на кристаллизующийся металл с целью получения рационального распределения температур и скоростей, обеспечивающих регламентированные параметры слитка.
Предмет исследования: электромагнитные, тепловые и гидродинамические процессы в современных устройствах, предназначенных для электромагнитного перемешивания расплавов.
Цель работы: создание компьютерных моделей для исследования электромагнитных, тепловых и гидромеханических процессов в электромагнитных перемешивателях и методик их проектирования, обеспечивающих совершенствование конструкций и режимов работы электромагнитных перемешивателей для цветных металлов и сплавов.
Решаемые задачи:
1. Анализ существующих электротехнологических установок, предназначенных для создания перемешивающего эффекта в кристаллизующемся металле и тенденций их развития.
2. Разработка математических и физических моделей для исследования электромагнитных, гидродинамических и тепловых процессов в электромагнитных перемешивателях.
3. Разработка методик проектирования электромагнитных перемешивателей с за-данными характеристиками.
4. Анализ различных модификаций устройств, предназначенных для электромагнитного перемешивания (ЭМП) и определение эффективности их применения.
5. Сравнительные исследования на математических и физических моделях электромагнитного воздействия на металлы.
6. Экспериментальная проверка разработанных методик проектирования на промышленных электромагнитных перемешивателях.
7. Выработка рекомендаций по выбору конструкций и режимам работы промышленных образцов устройств ЭМП.
Методы исследования. В работе используются методы теории цепей, конечных элементов, конечных разностей и эквивалентных тепловых схем замещения, а также эксперименты на физических моделях и промышленных образцах электромагнитных перемешивателей. Большинство из созданных компьютерных моделей реализованы при помощи пакетов СОМБОЬ Мн1йрйуз1сз и МаШСАБ.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
В соответствии с формулой специальности 05.09.01 «Электромеханика и электрические аппараты», содержащей исследования по физическим и техническим принципам создания и совершенствования силовых устройств для преобразования электрической энергии, а также комплексные исследования научно-технических, производственных и технологических проблем, проводящихся с целью повышения технологичности преобразователей, в диссертации разработаны методы исследования специальной электрической машины - электромагнитного перемешивателя цветных металлов и сплавов. Научные результаты соответствуют пунктам 1,2,3,5 области исследования паспорта специальности 05.09.01:
1. Анализ и исследование физических явлений, лежащих в основе функционирования электромеханических преобразователей энергии.
2. Разработка научных основ совершенствования электромеханических преобразователей.
3. Разработка моделей, методов анализа и синтеза преобразователей электрической энергии.
5. Разработка подходов, методов и алгоритмов, обеспечивающих проектирование электромеханических преобразователей.
Научные результаты, выносимые на защиту:
- методики расчёта характеристик, математические и физические модели электромагнитных, тепловых и гидромеханических процессов в рабочей зоне электромагнитных перемешивателей;
- результаты исследований электромагнитных перемешивателей цветных металлов и сплавов в процессе кристаллизации;
- рекомендации по конструктивному исполнению и выбору режимов работы электромагнитных перемешивателей цветных металлов и сплавов.
Научную новизну представляет разработанная универсальная компьютерная модель, позволяющая проводить исследования и проектирование электромагнитных перемешивателей с учетом взаимосвязей между тепловыми, электромагнитными и гидродинамическими процессами. Результаты исследований указанных процессов, рекомендации по проектированию промышленных устройств ЭМП и выбору энергоэффективных режимов их работы.
Практическая значимость работы заключается в разработке компьютеризированной методики проектирования системы «электромагнитный перемешиватель - кристаллизатор - жидкая фаза металла - твердая фаза металла», а также в разработке рекомендаций по проектированию промышленных устройств ЭМП и выбору энергоэффективных режимов их работы.
Реализация
1. В ОАО «Уралэлемент» (Челябинская область, г. Верхний Уфалей) были приняты и внедрены результаты исследования электромагнитных, тепловых и гидромеханических процессов в кристаллизующемся металле, методики расчёта устройства, предназначенного для ЭМП в процессе плавки и кристаллизации специальных сплавов в рабочем (закрытом) объеме электромагнитного перемешивателя.
2. Материалы диссертационной работы используются при создании процесса ЭМП сплавов МН0,6, МН2, МН6, МН10, МН18, МН19 в изложнице на предприятии ООО «Производственное объединение высокоточных сплавов и лигатур» (Курганская область, г. Далматово).
3. Результаты работы используются на кафедре «Электротехники и электротехнологических систем» УрФУ в учебном процессе, при курсовом и дипломном проектировании, проведении научных исследований и учебных лабораторных работ.
Апробация. Основные результаты доложены, обсуждены и одобрены на следующих научных семинарах и конференциях:
- Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-2011». Екатеринбург. 2011;
- Научно-практические конференции с международным участием «Проблемы и достижения в промышленной энергетике». Екатеринбург. 2007, 2008, 2010;
- Всероссийская научная конференция молодых ученых. Новосибирск. 2009;
- IV научно-техническая конференция с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии ЭЭЭ-2009». Новосибирск. 2009;
- XII международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». Крым, Алушта. 2008;
- III Международная НТК «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы». Екатеринбург. 2007;
- «Всероссийская студенческая олимпиада, научно-практическая конференция и выставка студентов, аспирантов и молодых ученых». Екатеринбург. 2006;
- Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологий». Иваново. 2006;
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, 4 приложений. Общий объем 218 страниц. Основная часть изложена на 167 страницах машинописного текста, иллюстрирована 138 рисунками, 10 таблицами. Список использованной литера-туры содержит 107 наименований на 12 страницах.
1. На базе пакета Сошзо1 МиШрйузхсз разработана универсальная компьютерная модель, позволяющая исследовать электромагнитные, тепловые и гидродинамические процессы в рабочей зоне электромагнитного перемешивателя расплавов.
2. На основании аналитических и экспериментальных исследований электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в рабочей зоне промышленного электромагнитного перемешивателя установлено влияние на его характеристики частоты питающей сети, схемы соединения обмоток и конструктивных факторов. Схемы соединения катушек обмотки ЛЛ//ВВ, Л/ВХСУ, ААВВСС являются наиболее эффективными применительно к устройствам ЭМП жидких металлов и сплавов.
3. Установлено, что для создания сосредоточенного интенсивного движения в области начальной фазы кристаллизации медного слитка 0200 мм целесообразно использовать схему соединения катушек обмотки Л/ВХСУ, направление поля «вверх». При использовании электромагнитного перемешивателя при отливке слитков 0 200 мм из оловянной и кремнистомарганцевой бронзы рекомендуется использовать схему АА//ВВ , направление поля «вверх». Гильзу кристаллизатора для промышленных установок рекомендуется выполнять с толщиной стенки до 10 мм из сплава БрАЖМц. При использовании электромагнитных перемешивателей относительно большого диаметра (300 - 400 мм) рекомендуется переходить на пониженную частоту 25 Гц.
4. Предложен и исследован универсальный электромагнитный перемешиватель, позволяющий осуществлять переход от исходного диаметра к меньшему диаметру. Показана возможность использования устройства в предлагаемой конфигурации, приведены его характеристики.
5. Предложена схема внутренней компенсации реактивной мощности. Показано, что емкости, необходимые для компенсации реактивной мощности, уменьшаются по сравнению с вариантом классической схемы Усилие, действующее на металл, увеличивается в 1,06 раза по сравнению с базовым вариантом. При питании обмотки компенсированного индуктора токами 50 Гц внутренняя компенсация рассматриваемым способом позволяет увеличить усилие на металл в 1,1 раза .
6. Сравнение результатов экспериментальных исследований на физических моделях и промышленных образцах электромагнитных перемешивателей с результатами аналитических исследований подтверждает достоверность полученных рас-четных данных, а также показывает, что принятые допущения приемлемы для получения достаточной в инженерной практике точности расчётов. В результате металлографических исследований показано, что выбранные в соответствии с п.2 конструкции и режимы работы электромагнитного перемешивателя ведут к улучшению макро- и микроструктур слитков. В частности, применение ЭМП в процессе кристаллизации сплава БрБ-2 позволило получить литую мелкозернистую структуру (условный средний размер зерна 0,04 - 0,048 мм).
Результаты исследований были переданы и внедрены в ОАО «Уралэлемент» (Челябинская область, г. Верхний Уфалей), используются при создании процесса ЭМП сплавов МН0,6, МН2, МН6, МН10, МН18, МН19 в изложнице на предприятии ООО «Производственное объединение высокоточных сплавов и лигатур» (Курганская область, г. Далматово), а также применяются в учебном процессе и научных ис-следованиях кафедры «Электротехника и электротехнологические системы» УрФУ.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
