Актуальность работы. Потребность в специальных алюминиевых сплавах ключевыми отраслями российской экономики обусловливает рост требований, предъявляемых к их качеству и эксплуатационным характеристикам. Обеспечить требуемое качество позволяет использование современного эффективного оборудования, обеспечивающего воздействие на расплав в течение всего производственного цикла - от приготовления до разливки. Особая роль при этом отводится оборудованию для получения непрерывнолитой заготовки (прутка) из высоколегированных алюминиевых сплавов.
Одним из перспективных направлений повышения эффективности оборудования для приготовления и непрерывной разливки сплавов цветных металлов является применение управляемого магнитогидродинамического (МГД) перемешивания в процессе приготовления сплава и его кристаллизации. В совокупности с высокими скоростями охлаждения, МГД перемешивание расплава способствует получению равномерного химического состава и кристаллической структуры по сечению и длине непрерывнолитого слитка.
Проведенный анализ показал, что обеспечить совокупное воздействие на расплав указанных выше факторов, позволяет индукционная установка, основанная на принципе литья слитков малого поперечного сечения в электромагнитный кристаллизатор. Такой подход позволяет получить высокие скорости охлаждения слитка и МГД воздействие на кристаллизующийся слиток в процессе литья. В качестве плавильной печи, в совокупности с электромагнитным кристаллизатором, целесообразно использовать индукционную тигельную печь с электропроводным тиглем, оснащенную МГД-перемешивателем расплава. При этом обеспечивается высокая равномерность химического состава и температуры в объеме расплава, уменьшается время его приготовления и выдержки, что позволяет обеспечить стабильность параметров на всем протяжении процесса литья и высокое качество непрерывнолитого слитка по всей его длине.
Электромагнитные параметры, входящего в состав индукционной установки оборудования, определяют совокупность тепловых и гидродинамических процессов, протекающих при ее эксплуатации, и влияют на качество конечной продукции. Поэтому, наибольшая эффективность установки может быть получена на основе синтеза электромагнитных параметров индукционной тигельной печи и электромагнитного кристаллизатора. В свою очередь, синтез может быть осуществлен на основе глубокого знания электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов, протекающих в указанном оборудовании, их взаимного влияния и влияния на качество непрерывнолитых алюминиевых слитков.
Вопросами исследования физических процессов, протекающих в оборудовании, входящем в состав индукционной установки, занимались российские ученые Л.А. Верте, И.М. Кирко, А.Б. Капуста и З.Н. Гецелев, В.Н. Тимофеев, Ф.Н. Сарапулов, Р.М. Христинич, М.В. Первухин др. Среди зарубежных ученых широко известны работы A. Jakovics, E. Baake, B. Nacke и др.
Разработка, модернизация и оптимизация индукционного оборудования металлургического назначения связаны с исследованием физических процессов в агрессивных средах с высокими температурами, что существенно ограничивает возможность проведения физических экспериментов. Поэтому, основным инструментом исследований становится математическое моделирование. Благодаря развитию математического аппарата и росту вычислительных мощностей, стало возможным применение прямого численного моделирования для решения задач магнитной гидродинамики в сложных системах. Таким образом, становится актуальным развитие методов математического моделирования индукционного оборудования металлургического назначения с использованием современных моделей для выявления новых закономерностей протекания физических процессов в сложных магнитогидродинамических системах, с целью повышения их эффективности.
Объект исследования. Индукционная установка для получения непрерывнолитого слитка из высоколегированных алюминиевых сплавов с МГД воздействием на расплав в процессе его приготовления и разливки.
Предмет исследования. Электромагнитные, тепловые и гидродинамические процессы, протекающие в индукционной установке, в процессе приготовления и разливки алюминиевых сплавов, их взаимосвязь с конструктивными и электромагнитными параметрами и режимами ее работы.
Целью работы является исследование физических процессов в индукционной установке с МГД воздействием на алюминиевые сплавы в процессе приготовления и разливки и развитие методов численного анализа, с точки зрения обеспечения высокой точности и эффективности процесса ее эксплуатации.
Задачи:
1. Проведение анализа и обобщение опыта эксплуатации существующего металлургического оборудования с использованием МГД воздействия на алюминиевый сплав.
2. Анализ физических процессов, протекающих в индукционном оборудовании, при МГД перемешивании расплава в процессе его приготовления и кристаллизации, с целью обоснованного выбора программного продукта для их математического моделирования.
3. Построение математических моделей, позволяющих проводить анализ связанных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов, выявлять закономерности их протекания и их влияние на электромагнитные параметры установки и качество получаемой продукции.
4. Проведение экспериментальных исследований на опытной индукционной установке с МГД воздействием на алюминиевый сплав в процессе приготовления и разливки, с целью верификации результатов, полученных на математических моделях.
5. Выбор и обоснование технических решений и рекомендаций по повышению эффективности преобразования энергии в индукционной установке с МГД воздействием на алюминиевый сплав в процессе его приготовления и разливки.
Методы исследования. Математическое моделирование осуществлялось с применением метода конечных элементов (МКЭ), для решения задачи электродинамики, и метода конечных объемов (МКО), для решения задачи термогидродинамики. Для решения задачи течения жидкости, с учетом кристаллизации и плавления тела, применялся метод «энтальпия-пористость». Для реализации решения уравнений на основе указанных методов использовались современные CAE системы ANSYS (МКЭ) и Fluent (МКО). Для передачи и интерполяции данных между системами ANSYS и Fluent использовалась внешняя программа, реализованная на языке C++. Интерполяция осуществлялась методом «ближний сосед» с восстановлением регрессии на основании формулы Надарая-Ватсона.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Построены сопряженные математические модели для анализа электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в системах «индуктор - расплав» и «индуктор - слиток», учитывающие динамику турбулентных пульсаций в расплаве и кристаллизующемся слитке, и их влияние на термогидродинамические процессы в индукционной установке.
2. На основании построенных сопряженных математических моделей выявлено влияние механической энергии, передающейся электромагнитным полем в расплав на тепловые и гидродинамические процессы, протекающие в индукционной установке, а именно:
- увеличение на 30% эффективной теплопроводности расплава (до 130 Вт/(мК)) за счет применения МГД перемешивания, что приводит к интенсификации процессов теплообмена в печи и кристаллизующемся расплаве;
- увеличение энергии турбулентных пульсаций в расплаве до 0,8 мДж, что приводит к интенсификации механического воздействия на кристаллизующийся расплав и обеспечивает равномерную мелкозернистую структуру слитка.
3. Определена комбинация синтезируемых параметров оборудования индукционной установки, обеспечивающая режим работы, при котором осуществляется устойчивое формирование слитка с равномерным распределением свойств как в поперечном сечении, так и по его длине.
Значение для теории. Проведен анализ и исследование закономерностей протекания физических явлений, лежащих в основе функционирования электромеханических преобразователей энергии.
Практическая значимость:
1. Разработаны и реализованы алгоритмы: передачи и интерполяции источниковых членов уравнений движения и энергии для магнитогидродинамической задачи; определения энергетических параметров, обеспечивающих устойчивое формирование слитка заданного диаметра; определения параметров схемы замещения системы «индуктор - слиток» на основании результатов решения электромагнитной задачи.
2. Выданы рекомендации по выбору параметров магнитогидродинамического перемешивателя и электромагнитного кристаллизатора, обеспечивающих эффективную работу индукционной установки в требуемых технологических режимах. Спроектирована и создана опытно-промышленная установка.
3. Получен патент на способ получения слитка из сплавов цветных металлов №201106625.
Достоверность полученных результатов подтверждена верификацией результатов математического моделирования температурного поля тигля на действующем опытно-промышленном плавильно-литейном комплексе. Проверка построенной математической модели проведена путем сравнения результатов моделирования нестационарных гидродинамических процессов c известными измерениями динамики поля скоростей магнитными датчиками, полученными для индукционной тигельной печи.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы: при разработке комплекса для получения прутковой заготовки и определении электромагнитных параметров оборудования техническими специалистами ООО «НПЦ Магнитной гидродинамики» по договорам с ООО «Конэкс» и ООО «Эльта»; при усовершенствовании технологии непрерывного литья прутков и полос из ювелирных сплавов по договорам с ОАО «Красноярский завод цветных металлов имени В.Н. Гулидова»; при создании опытного производственного комплекса для получения прутковой заготовки из алюминиевых сплавов на территории Красноярского опытного завода ГОСНИТИ; в учебном процессе при подготовке магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника» и учебных материалов для магистров Российских и Европейских университетов по проекту TEMPUS-2010 «PhD Education in Energy Efficient Electrotechnologies at Russian Universities».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 4-8 мая 2009 г.); VII Международной конференции пользователей ANSYS (г. Москва, 27-29 октября 2009 г.); Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2009 (г. Москва, 24-27 июня 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Успехи современной электротехнологии» (г. Саратов, 20-25 октября 2009 г.); Х Международной научно-практической конференции «Интеллект и наука» (г. Красноярск, 3-5 мая 2010 г.); VI Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука» (г. Красноярск, 6-9 апреля 2010 г); Международной выставке «Алюминий Сибири» (г. Красноярск, 8-10 сентября 2009, 2-4 сентября 2010 г.); Международной конференции «Алюминий Сибири» (г. Красноярск, 7-9 сентября 2011 г., 5-7 сентября 2012 г.); XVII Международном конгрессе UIE-2012 «Energy efficient, economically sound, ecologically respectful, educationally enforced electrotechnologies» (г. Санкт-Петербург, 21-25 мая 2012 г.); VI Международной конференции и выставке «Алюминий-21/Рециклинг» (г. Москва, 9-11 апреля 2013 г.), International Conference on Heating by Electromagnetic Sources HES-13 (г. Падуя, 21-24 мая 2013 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 27 работ, в том числе 8 статей в изданиях по перечню ВАК, 1 патент РФ на изобретение, 4 свидетельства государственной регистрации программы для ЭВМ, 14 публикаций в сборниках международных и всероссийских научно-практических конференций и семинаров, межвузовских сборниках научных трудов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов с выводами, заключения, списка использованных источников и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 151 страницах, содержит 7 таблиц и 78 рисунков. Список использованных источников включает 101 наименование.
Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. Проведенный анализ современных способов и устройств, обеспечивающих МГД воздействие на расплав, позволил предложить индукционную установку, осуществляющую комплексное МГД воздействие на расплав в процессе приготовления, разливки и кристаллизации.
2. Проведенный обзор методов и средств математического моделирования и их возможностей определил выбор программных продуктов ANSYS и FLUENT для анализа физических процессов в индукционной установке, позволяющих наиболее полно учесть особенности протекания этих процессов.
3. Построенные в диссертационной работе математические модели, для анализа сопряженных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в индукционной установке, позволяют учитывать динамику турбулентных пульсаций в расплаве и их влияние на процессы теплообмена.
4. Построенные математические модели позволили выявить влияние механической энергии, передающейся электромагнитным полем в расплав, на тепловые и гидродинамические процессы, протекающие в индукционной установке, а именно: увеличение на 30% эффективной теплопроводности расплава (до 130 Вт/(мК)) за счет применения МГД перемешивания, что приводит к интенсификации процессов теплообмена в печи и кристаллизующемся расплаве; увеличение энергии турбулентных пульсаций в расплаве до 0,8 мДж, что приводит к интенсификации механического воздействия на кристаллизующийся расплав и обеспечивает равномерную мелкозернистую структуру слитка.
5. Анализ физического воздействия МГД перемешивания на жидкий металл в индукционной установке позволяет сделать вывод, что наиболее эффективным является комплексное воздействие электромагнитного перемешивания на расплав - бегущим электромагнитным полем, в процессе его приготовления и разливки, и пульсирующим электромагнитным полем, в процессе его кристаллизации.
6. Определена комбинация синтезируемых электромагнитных параметров оборудования индукционной установки, обеспечивающая режим работы, при котором осуществляется устойчивое формирование слитка с равномерным распределением свойств как в поперечном сечении, так и по его длине.
7. Разработанные рекомендации по выбору параметров индукционной установки использованы при проектировании и создании опытно-промышленной установки, что позволило обеспечить ее эффективную работу в требуемых технологических режимах.
8. Разработанные алгоритмы и программы, а также отдельные элементы индукционной установки с МГД перемешиванием защищены свидетельствами и патентами: №2477193, №2011611973, №2011619131, №2011619130, №2013611431.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
