Актуальность избранной темы. На современных металлургических производствах существует дефицит в надежных и сравнительно простых устройствах для автоматизированного выкачивания алюминиевых расплавов из подовых стационарных печей в литейные машины и конвейеры. С одной стороны, задача эффективно решается с помощью поворотных печей на гидравлическом приводе. Но стоимость таких печей в 2-3 раза выше, чем стационарных. С другой стороны, задачу автоматизированного выкачивания из стационарных печей могут успешно выполнять электромагнитные лотки (далее - ЭМЛ) на базе плоских линейных индукционных машин (далее - ЛИМ).
Степень разработанности темы исследования. Большой вклад в разработку технологии ЭМЛ внесли выдающиеся ученые СССР: И.М. Кирко, Л.А. Верте, В.Д. Мищенко, А.Э. Микельсон, В.М. Фолифоров и другие, а в развитие теории плоских ЛИМ - Ю.К. Круминь, А.И. Вольдек, Ф.Н. Сарапулов, В.Н. Тимофеев и другие.
Несмотря на очевидные достоинства ЭМЛ не получили массового внедрения. В СССР внедрением ЭМЛ активно занималось СКБ Института физики АН Латвийской ССР, однако сегодня в России эксплуатируют не более 10 комплексов ЭМЛ. Продвижением ЭМЛ по всему миру занимаются компании Solios Thermal (Италия), SMS-Group (Германия) и другие. Мировая потребность в таких установках оценивается экспертами сотнями и тысячами штук. Она обусловлена простотой и доступностью технологии ЭМЛ применительно к стационарным подовым печам.
Низкая динамика внедрения ЭМЛ стала следствием его низкой эксплуатационной надежности. Средний срок наработки на отказ ЭМЛ не превышает полгода. По экспертной оценке, увеличения срока эксплуатации можно добиться за счет изменения толщины футеровки в месте установки индуктора ЭМЛ с 50 до 200 мм. Однако для этого необходимо увеличить полюсное деление индуктора, что приведет к усилению краевых эффектов.
Основные разработки и проектирование ЭМЛ были выполнены в 70-е годы прошлого века, поэтому для разработчиков были доступны лишь аналитические методы расчета с существенными допущениями. Но для решения задач комплексного проектирования новых топологий индукторов ЭМЛ известные подходы не приемлемы.
Актуальной научно-технической задачей является разработка новых и развитие известных подходов, алгоритмов и программ вычислительного и физического моделирования для анализа и исследования физических явлений в системе “индуктор-канал” ЭМЛ.
Диссертационное исследование проведено в соответствии с соглашением №250 от 29.05.2007 г. между ФГАОУ ВПО “Сибирский федеральный университет” и ООО “Красноярский металлургический завод” по теме “Разработка оборудования и технологий перелива металла из печи (миксера) в раздаточный миксер МГД-лотком”.
Объект исследования - индуктор ЛИМ для выкачивания расплава по наклонному каналу из подовой стационарной печи в литейную машину или конвейер.
Предмет исследования - электромагнитные и гидродинамические физические процессы в электромеханической системе «индуктор-канал» в процессе выкачивания алюминиевых расплавов.
Цель диссертации: развитие методов численного и физического моделирования для исследования физических явлений, лежащих в основе электромеханического преобразования энергии в системе «индуктор-канал» ЭМЛ, для достижения высокой технологической и энергетической эффективности.
Основные задачи:
1. Анализ опыта эксплуатации ЭМЛ в условиях металлургических производств, анализ подходов, методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих их проектирование и надежность, выбор решений для новой конструкции ЭМЛ.
2. Обоснование возможности получения приемлемой технологической эффективности путем оптимизации конструктивных параметров плоской ЛИМ.
3. Разработка универсального алгоритма взаимосвязанного трехмерного анализа электромагнитных и гидродинамических процессов в системе «индуктор-канал» с учетом распределённого поля скоростей в канале для исследования основных закономерностей работы ЭМЛ.
4. Исследование физических процессов на лабораторных образцах ЭМЛ с твердометаллическим и жидкометаллическим рабочим телом для подтверждения эффективности предложенной конструкции ЛИМ и верификации численных моделей.
5. Разработка электрического эквивалентирования схемы ЭМЛ с учетом взаимных индуктивностей для исследования различных схем электропитания индуктора.
Научная новизна результатов диссертации заключается в следующем:
- предложен подход к расчету и построению несимметричных электрических схем замещения ЭМЛ в трехфазном представлении на основе взаимных индуктивностей, выполнен анализ возможных схем электропитания, подтверждена работоспособность ЛИМ при схеме соединения обмоток А/ВХСУ и схеме электропитания «треугольник»;
- обоснована теоретически и экспериментально подтверждена работоспособность конструкции плоской ЛИМ для ЭМЛ с количеством полюсов 2р=2 на активную длину машины при работе на зазоре 200 мм;
- получены новые количественные закономерности изменения интегральных и дифференциальных параметров ЭМЛ с учетом поля скоростей в канальной части и стартовых условий работы;
- разработан универсальный комбинированный алгоритм взаимосвязанного анализа электромагнитного и гидродинамического полей в системе «индуктор-канал» в трехмерной постановке с учетом распределённого поля скоростей для поддержки комплексного проектирования ЭМЛ.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:
- предложенный алгоритм анализа взаимосвязанного электромагнитного и гидродинамического полей может быть применен для получения уточненных гидродинамических характеристик системы «индуктор-канал», а также при подготовке к проектированию смежных индукционных устройств с жидкометаллическим рабочим телом;
- концепция построения топологии индуктора с круглым сечением ярма апробирована при проектировании опытно-промышленных и серийных образцов ЛИМ для силового воздействия на алюминиевые расплавы (марки ЛИМ200, ЛИМ380 и ЛИМ550) и показала практически свою высокую эффективность;
- результаты численных расчетов и физического моделирования использованы при построении систем электропитания лабораторного образца ЛИМ62 и полномасштабного опытно-промышленного образца ЛИМ200.
Методология и методы диссертационного исследования
В работе были использованы аналитические методики расчетов МГД- машин предложенных известными советскими учеными: А.И. Вольдеком, Н.М. Охременко, В.А. Глухих, Л.А. Верте, В.П. Полищуком и другие.
Анализ электромагнитного поля в устройстве проведен численно с помощью метода конечных элементов (МКЭ) в комбинации с методами регрессионного анализа. Мультидисциплинарный анализ проведен с помощью МКЭ в коммерческом программном комплексе ANSYS (академическая лицензия СФУ 00144095) с использованием модулей Mechanical и FlotranCFD. Исследования физических моделей и опытно-промышленных образцов проведены с применением теории планирования эксперимента, математической статистики, методик и технологий обработки данных National Instruments.
Положения, выносимые на защиту:
1. Численная модель и алгоритм взаимосвязанного анализа электромагнитного и гидродинамического полей в системе «индуктор-канал» в трехмерной постановке с учетом распределённого поля скоростей и результаты численного моделирования.
2. Подход к расчету и построению несимметричных электрических схем замещения ЭМЛ в трехфазном представлении на основе взаимных индуктивностей.
3. Сравнение результатов численного и физического моделирования для опытного и опытно-промышленного образца ЭМЛ.
4. Рекомендации по применению ЭМЛ с количеством полюсов 2р=2 на активную длину машины при работе на зазоре 200 мм и совершенствованию их конструкции.
Степень достоверности полученных результатов подтверждена удовлетворительным совпадением результатов вычислительного эксперимента, построенного на базе разработанных численных моделей, с результатами натурного эксперимента на лабораторной установке и опытно- промышленном образце.
Апробация результатов. Результаты диссертационной работы были представлены на: пятнадцатой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электротехника и энергетика” Московского энергетического института (технического университета) (г. Москва, 2009), XV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых “Современные техника и технологии” Томского политехнического университета (г. Томск, 2009 (2011)), Х Международной научно-практической конференции (г. Железногорск, 2010), Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные системы (AIS’10)» (г. Лазурный, 2010), III Международном конгрессе «Цветные металлы - 2011», XVII Международном конгрессе «Energy efficient, economically sound, ecologically respectful, educationally enforced electrotechnologies» (г. Санкт-Петербург, 2012), Международной выставке «ALUMINIUM’12» (г. Дюссельдорф, 2012), АЛЮСИЛ - 2013, (г. Москва, 2013).
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы в рамках х/д тем №20090, №10166, №10167 с Сибирским федеральным университетом, а также при проектировании и внедрении опытно-промышленного образца электромагнитного перемешивателя марки ЛИМ550 (производство ГК ONTECOM™) на ООО «Красноярский металлургический завод» (г. Красноярск).
Публикации. Автор опубликовал 30 научных работ, из которых 20 по теме диссертации (10 статей в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК, 2 патента РФ на полезные модели, 8 статей и тезисов докладов на всероссийских и международных научно-практических конференциях и выставках). Список трудов представлен в автореферате.
Личный вклад автора заключается в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении возможности применения малополюсных индукторов в составе ЭМЛ; разработан алгоритм анализа взаимосвязанных электромагнитных и гидродинамических процессов в трехмерной постановке; разработан лабораторный и опытно-промышленный образец, обоснована эффективность подхода к построению несимметричных трехфазных схем замещения на основе взаимных индуктивностей; в публикациях, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат: разработка и описание параметрических моделей ЛИМ, проведение численных и физических экспериментов, построение оптимизационных алгоритмов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка литературы из 107 наименований и 1 приложения. Основная часть работы изложена на 177 страницах, содержит 10 таблиц и 82 рисунка.
Основные достижения и результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. Обоснована совокупность технических, технологических, экономических критериев оценки ЭМЛ, по которым определены направления повышения технологической эффективности и надежности системы. На основании экспертной оценки сформулированы требования к увеличению рабочего зазора между индуктором и расплавом с 50 мм (у известных ЭМЛ) до 200 мм. Для работы на таком зазоре предложено использовать конструкцию индуктора с 2р=2 полюсами и числом пазов на полюс ц=1;
2. На основании численных экспериментов определены зависимости эффективности работы индуктора с применением ферромагнитного ПС. Увеличение интегрального усилия в среднем составило 80%. Предложено уточненное выражение для определения эффективной глубины проникновения индуктора. В выражении учтено влияние величины немагнитного зазора и ПС. Увеличение точности применительно к исследуемой конструкции индуктора ЭМЛ составило 13,5%;
3. Разработана универсальная численная модель системы «индуктор- канал» ЭМЛ для взаимосвязанного анализа характеристик электромагнитного и гидродинамических полей в трехмерной постановке в пространстве конструктивных параметров индуктора и параметров системы электропитания. Алгоритм модели позволяет учесть влияние распределенного поля скоростей движущегося расплав на магнитное поле индуктора. В результате применения модели удалось увеличить точность расчета поля скоростей в расплаве на 30% по отношению к расчетам без учета поля скоростей;
4. Предложена концепция применения магнитопровода с круглым сечением ярма для уменьшения массогабаритных показателей, упрощения конструкции, улучшения условий охлаждения и повышения гибкости при проектировании. Изготовлен опытно-промышленный образец ЭМЛ такой конструкции. Исследования на твердометаллическом рабочем теле доказали состоятельность концепции. Установлено, что для обеспечения выкачивания расплава по наклонному каналу необходимо создать линейную токовую нагрузку 1,4^1,5 105А/м с применением форсированного жидкостного охлаждения катушек;
5. Подтверждена удовлетворительная сходимость результатов численного моделирования и физического эксперимента. Для опытного образца ЛИМ62 с жидкометаллическим рабочим телом погрешность составила не более 25%. А для опытно-промышленного образца ЛИМ200 - не более 18,5%. Для повышения точности численной модели предложено усилить дискретизацию элементов конструкции ЭМЛ и проводить учет нелинейных свойств материалов;
6. Предложен алгоритм для расчета несимметричных трехфазных схем замещения на основе моделей взаимных индуктивностей, который позволяет учесть топологию расположения катушек на ярме магнитопровода и схему их коммутаций. Экспериментальные исследования на физической модели ЛИМ62 подтвердили эффективность метода. Расхождения моделирования и эксперимента не превысили 7,2%;
7. Получены зависимости интегральных и дифференциальных характеристик системы «индуктор-канал», которые позволили дать рекомендации для выбора коммутаций катушек и схем электропитания. Для взаимного соединения катушек следует использовать схему А/ВХСУ, которая на 35% потребляет меньше мощности, чем ААУУСС. А для электропитания от стандартных ПЧ следует использовать схему «треугольник». Схему «звезда с нейтральным проводом» можно применять только со специализированными ПЧ (отдельные силовые блоки для каждой фазы, объединенные в общую систему управления).
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
