Введение к работе
Актуальность работы
Для современного промышленного комплекса страны особенно большое значение имеет первичная оставляющая продукции. К качеству и стоимости исходного сырья и полуфабрикатам предъявляются серьезные требования. Учитывая жесткую конкуренцию со стороны зарубежных производителей, отечественные предприятия должны совершенствовать технологические процессы, уменьшая издержки, снижая энерго- и ресурсопотребление и постоянно повышая качество готовых изделий. Продукция металлургических предприятий является одной из основных исходных составляющих для изготовления изделий машиностроения, станкостроения, электротехнической продукции, строительных конструкций и многих других отраслей, включая высокотехнологичные, такие как электроника и авиакосмическая техника. Несмотря на то, что наша страна обладает большими запасами полезных ископаемых и всеми необходимыми знаниями для извлечения из них большей части химических соединений, промышленный комплекс по-прежнему ориентирован на выпуск продукции низких переделов. Это, как правило, полуфабрикаты черной и цветной металлургии, которые экспортируются за рубеж для использования в технологиях высоких переделов, а полученные продукты с высокой добавленной стоимостью поставляются обратно в Россию и в другие страны уже совсем по другим ценам. В этой ситуации возникает острая необходимость повышения качества и уровня выпускаемой продукции, выход на высшие технологические переделы и освоение новых, не имеющих аналогов в мире продуктов и технологий.
Высококачественная выплавка и литье металла является залогом качества и востребованности на рынках готовых изделий. Уже не одно десятилетие одним из наиболее перспективных методов плавки металлов является выплавка металлов и сплавов в индукционных тигельных печах (ИТП). Большой популярностью ИТП пользуется благодаря ее простой конструкции, приемлемому по затратам обслуживанию, сравнительно низкой себестоимости получаемого металла. Но к качеству металла, получаемого таким способом, предъявляются все более высокие требования.
Обычная выплавка металлов и сплавов в ИТП постепенно вытесняется технологиями высокоинтенсивной плавки с использованием силового воздействия на расплав, позволяющего более эффективно проводить операции восстановления, модифицирования, легирования, дегазации, удаления примесей и гомогенизации расплава. Это дает возможность проведения широкого спектра металлургических процессов непосредственно в печи без использования промежуточных этапов приготовления сплава. Укорочение технологической цепочки существенным образом снижает стои-
мость готового продукта, одновременно повышая его качество и зачастую добавляя новые полезные свойства.
Электромагнитное воздействие на расплав известно достаточно давно, но благодаря современному уровню развития техники и технологий, с появлением новых материалов, полупроводниковой техники, методов измерения технологических параметров, способов регулирования и управления процессами, оно переживает в настоящее время новый виток развития. Имея в арсенале методы математического моделирования физических процессов в расплаве и в элементах технологического оборудования, выстраивая связь между этими процессами с помощью современных вычислительных возможностей, мы получаем мощный инструмент анализа, оптимизации и синтеза новых технологических систем, позволяющих реализовать сколь угодно сложные технологические процессы, направленные на получение новых, либо на существенное повышение качества уже известных продуктов металлургии и машиностроения.
Индукционные магнитогидродинамические машины (ИМГДМ) могут применяться для плавки, транспортировки и перемешивания жидкого металла. Технология индукционной плавки в тигельных печах, в особенности при переработке оксидосодержащего сырья, требует применения устройств для интенсивного перемешивания расплава. Одним из них может выступать электромагнитный «вращатель» (ЭМВ), целью которого является создание электромагнитного поля в жидком еталлическом 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 многофункциональный 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.
Важен и вопрос создания математической модели электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов, происходящих в агрегате, поскольку, несмотря на обилие математических пакетов, наблюдается дефицит программных средств компьютерного моделирования поля скоростей жидкого металла совместно с расчетом электромагнитного поля в индукционных печах с вращающимся расплавом.
Известно, что качество металлических изделий, полученных обработкой давлением, в значительной степени определяется структурой и уровнем свойств литых заготовок, их физической и химической неоднородностью. Проблема эта очень широкая, и одним из главных вопросов в ней является знание литой структуры металла и возможность управлять последней с тем, чтобы обеспечить конечную структуру, отвечающую необходи-
мому комплексу свойств изделия после обработки литой заготовки различными способами.
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.
При использовании ЭМП можно выделить следующие основные виды воздействий электромагнитного поля на кристаллизующийся расплав: непосредственно перемешивание расплава, управляющее теплоотводом при кристаллизации; механическое обламывание растущих дендритов, вызывающее увеличение количества центров кристаллизации вследствие возрастания времени нахождения в переохлажденном ниже температуры ликвидуса сплава частиц, в обычных условиях не успевающих стать зародышами для кристаллизации твердого раствора; понижения и выравнивания температуры жидкой лунки слитка; формирование поверхности слитков (формообразование слитков); уменьшение или увеличение силы тяжести за счет электромагнитных сил, так называемые левитационные эффекты; регулирование движения расплава в достаточно широком диапазоне скоростей.
Для анализа процессов ЭМП и при выработке рекомендаций для электромагнитного воздействия на расплав очень важно использовать математический инструментарий, который позволял бы учитывать специфику всего многообразия индукционных устройств для ЭМП, иметь возможность моделировать электромагнитные, тепловые, гидродинамические и кристаллизационные процессы в расплаве с целью разработки устройств, позволяющих добиться наилучшего качества литых заготовок.
Еще одним классом индукционных МГД устройств являются насосы для транспортировки жидких металлов и сплавов. В настоящее время известны многочисленные виды электромагнитных насосов как кондукцион-ного, так и индукционного типов. Все они, в той или иной мере, связаны непосредственно с технологическим процессом, конструктивными особенностями установок, в которых эти насосы используются для транспорта жидких металлов. Теория электромагнитных насосов достаточно хорошо разработана, в основном применительно для конструкций, используемых в системе первичных контуров охлаждения ядерных установок.
Применение электромагнитных насосов для транспорта жидких металлов позволяет механизировать и автоматизировать процессы переноса заданного объема металла по подогреваемому металлотракту из печи в миксер или на литейно-прокатную установку. Электромагнитный транспорт жидких металлов, таких как цинк, алюминий и их сплавы, способствует снижению потерь металла, связанных с появлением окисных пленок, и потерь на угар, с одной стороны, а с другой стороны - существенно облегчает труд рабочих.
При расчете конструкций МГД - насосов возникает необходимость учитывать массу особенностей, связанных, например, с наличием центрального магнитопровода, степенью начального заполнения канала металлом, формой канала и его длиной, режимом работы насоса и др.
Еще одним немаловажным фактором при проведении расчетов конструкций и режимов работы линейных индукционных машин (ЛИМ) технологического назначения является необходимость сопряжения полученных электрических параметров с характеристиками источников питания и коммутирующих устройств. При всем разнообразии требуемых типов силового воздействия на расплав источниками питания выступают как силовые трансформаторы, так и сложная преобразовательная техника, требующая точной настройки и правильного подбора элементов. Таким образом, к математическому аппарату предъявляются особые требования по учету параметров источников питания. В некоторых случаях для управления процессом плавки и электромагнитного воздействия на расплав используются процессоры, осуществляющие вычисления в реальном времени по математической модели, используя на входе минимум интегральных показателей, получаемых с датчиков. В этом случае к математической модели предъявляются особые требования по быстродействию с одновременно высокой точностью расчета.
Объектом исследования является индукционный электромеханический преобразователь энергии (индукционная магнитогидродинамиче-ская машина - ИМГДМ) для создания в жидкометаллическом вторичном элементе электромагнитных усилий, обеспечивающих управляемое движение металла при его транспортировке, вращении или перемешивании.
Предмет исследования: электромагнитные, гидродинамические и тепловые процессы в индукционных МГД - машинах технологического назначения.
Цель работы: обобщение теории, создание математических моделей и исследование индукционных МГД - машин технологического назначения, разработка рекомендаций по формированию энергоэффективных конструкций и режимов их работы.
Решаемые задачи:
-
Анализ существующих индукционных преобразователей энергии, назначением которых является организация управляемого движения металлического расплава в рабочей зоне, а также методов расчета их энергетических характеристик.
-
Разработка комплекса математических моделей индукционных МГД - машин на основе детализированных электрических, тепловых и магнитных схем замещения, методов конечных элементов (МКЭ) и конечных разностей (МКР) для использования при проектировании и для анализа взаимосвязанных электромагнитных, гидродинамических и тепловых процессов в рабочих режимах электрических машин данного класса.
-
Исследование и совершенствование электромагнитного перемеши-вателя (ЭМП) жидкой фазы кристаллизующегося медного или алюминиевого слитка.
-
Исследование и разработка конструкций электромагнитного вращателя (ЭМВ) жидкометаллической загрузки многофункционального плавильного агрегата (МПА).
-
Исследование и совершенствование плоского многофазного МГД-насоса для транспортировки металлического расплава.
-
Создание и исследование экспериментальных образцов индукционных МГД - машин, сравнение результатов их математического моделирования с экспериментальными зависимостями.
-
Формирование рекомендаций по основным техническим решениям при создании опытно-промышленных образцов рассматриваемых МГД -машин.
Методы исследования. В работе используются методы теории электрических машин и теории цепей, методы конечных разностей и конечных элементов. Решение основного ряда задач реализовано в пакете MathCAD с помощью алгоритмов, позволяющих провести электромагнитный, тепловой и гидродинамический расчеты в одном формуляре. Используются методы компьютерного моделирования с помощью авторских комплексов программ на основе МКЭ и МКР, а также пакета COMSOL Multiphysics, предназначенных для решения полевых задач. Используются также экспериментальные методы исследования с применением лабораторных установок.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации обоснована корректным использованием математического аппарата и законов электромеханики; сходимостью результатов математического моделирования и экспериментальных данных лабораторных образцов ИМГДМ; результатами успешной эксплуатации опытно-промышленных образцов ИМГДМ.
Научную новизну представляют:
1. Научно обоснованные принципы создания многоиндукторных
МГД - машин с частичным совмещением функций и элементов конструкций
отдельных индукторов.
-
Комплекс математических моделей на основе детализированных электрических, магнитных и тепловых схем замещения для исследования взаимосвязанных электромагнитных, гидродинамических и тепловых процессов индукционных МГД - машин, а также двумерной конечно-разностной сетки для расчета поля скоростей в сечении жидкометалличе-ского вторичного элемента (ВЭ).
-
Комплекс математических моделей на основе МКЭ и МКР для взаимосвязанных расчетов при моделировании двумерных электромагнитного и гидродинамического, а также температурного и концентрационного полей индукционной МГД - машины.
4. Результаты исследования характеристик индукционных МГД - машин и рекомендации по формированию энергоэффективных конструкций и режимов их работы.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
-
Создан комплекс программ (вычислительных на Фортране, управляющих на Delphi) на основе МКЭ и МКР для взаимосвязанных расчетов при моделировании электромагнитного, гидродинамического, температурного и концентрационного полей индукционной МГД - машины.
-
Разработан комплекс компьютерных программ (в пакете MathCAD) для моделирования электромагнитных, гидродинамических и тепловых процессов индукционных МГД - машин на основе МКР, детализированных электрических, магнитных и тепловых схем замещения.
-
По результатам проведенных исследований предложены энергоэффективные конструкции, схемы соединения обмоток индукторов и параметры системы питающих токов ЭМП жидкой фазы кристаллизующихся медных и алюминиевых слитков, расплавов с микрочастицами, специальных расплавов; ЭМВ в составе МПА для технологий жидкофазного восстановления оксидов металлов; плоских многофазных МГД - насосов для транспортировки низкотемпературных металлических расплавов.
-
Предложена конструкция универсального индуктора ЭМП для перемешивания жидкой фазы кристаллизующихся медных и алюминиевых слитков различного диаметра.
-
Предложены энергоэффективные схемы внутренней компенсации реактивной мощности рассматриваемых индукционных МГД - машин.
-
Созданы лабораторные модели индукционных МГД - машин для проверки корректности представленных математических моделей и эффективности предлагаемых конструктивных решений.
Реализация
-
Результаты исследования электромагнитных, тепловых и гидромеханических процессов в расплаве плавильных агрегатов на основе ИТП переданы ЗАО «РЭЛТЕК» (г. Екатеринбург).
-
Разработаны, изготовлены и запущены в эксплуатацию на предприятии «Уралэлемент» (г. Верхний Уфалей), промышленные образцы ЭМП специальных сплавов.
-
Разработана, изготовлена и запущена в эксплуатацию в Институте высокотемпературной электрохимии УрО РАН (г. Екатеринбург) опытно-промышленная установка с ЭМП специальных сплавов с микрочастицами.
-
При участии автора проводились работы по созданию и внедрению на ОАО «Каменск-Уральский завод по обработке цветных металлов» а также ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод» (г. Каменск-Уральский) ЭМП при литье слитков на основе медных и алюминиевых сплавов.
-
Результаты работы используются на кафедре электротехники и электротехнологических систем УрФУ в учебном процессе, при курсовом и дипломном проектировании, при проведении научных исследований и
лабораторных практикумов.
6. Диссертационная работа подготовлена в рамках государственных программ:
- гранта Президента Российской Федерации для поддержки молодых
ученых - кандидатов наук, 2004 г., грант № МК-2325.2004.8
- целевой программы Министерства образования и науки РФ
«Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011)», проекта
«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»,
- областной целевой программы Свердловской области «Развитие
инфраструктуры наноиндустрии и инноваций в Свердловской области».
Тема НИР «Создание и исследование допированных нанопорошками алю-
моматричных лигатурных сплавов, полученных методом турбоиндукцион-
ного переплава (2011 г.)».
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Комплекс математических и компьютерных моделей индукционных МГД - машин на основе детализированных электрических, тепловых и магнитных схем замещения.
-
Комплекс компьютерных моделей на основе МКЭ и МКР для взаимосвязанных расчетов при моделировании электромагнитного, гидродинамического, температурного и концентрационного полей индукционной МГД - машины.
-
Уточненная методика определения параметров кольцевых обмоток индуктора МГД - машины.
-
Научно-обоснованные принципы создания многоиндукторных МГД - машин технологического назначения.
-
Рекомендации по конструктивному исполнению, схемам соединения и питания обмоток индукционных МГД - машин, улучшающие их энергетические и эксплуатационные характеристики.
Апробация. Основные результаты доложены, обсуждены и одобрены на следующих научных мероприятиях:
II Symposjum Naukowe. Sterowanie I Monitorowanie ukladow przemyslowych. SM'98, Lublin, Poland, 14-15 Maja 1998.
II межвузовская отраслевая научно-техническая конференция «Ав
томатизация и прогрессивные технологии», Новоуральск, 1999.
4th International Conference on UEES. St. Petersburg, 21-24 June 1999, Szczecin, 1999.
III International Conference Of Electronic And Telecommunication For
Students And Young Scientists, SECON'99. Conference Proceedings 16-17 No
vember 1999, Warsaw, Poland.
51 International Conference On Unconventional Electromechanical And Electrical Systems, 05-08 September 2001, Szczecin and Miedzyzdroje, Poland.
5-я Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение», МКЭЭ-2003, Украина, Крым, Алушта, 2003 г.
Международная научно-техническая конференция «Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах». Севастополь, 2003 г.
Научная конференция «Электротехника 2010 год. Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения электроэнергии», Москва, 2003 г.
Научно-техническая конференция с международным участием «Электротехника, электромеханика, электротехнологии», Новосибирск, НГТУ, 27-29 октября 2003 г.
6-th International conference on unconventional electromechanical and electrical systems UEES'04. 24-29 September 2004. The Crimea, Ukraine.
Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии» 20-22 октября 2005, Томск.
Электротехнология на рубеже XX-XXI веков. Научно-технический семинар, посвященный 100-летию профессора А.Д. Свенчанского. Москва, МЭИ, 2005.
Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий. Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006.
12-я Международная Плесская конференция по магнитным жидкостям. Иваново: ИГЭУ, 2006.
XI Международная конференция «Электромеханика, электротехно
логии, электротехнические материалы и компоненты», МКЭЭЭ-2006
(ICEEE-2006), Институт электротехники ГОУ ВПО «МЭИ(ТУ)», Москва,
2006.
Международная научно-техническая конференция «Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах». Севастополь, 2007.
III Международная НТК «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы». Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007.
The 3 international forum on strategic technologies, IFOST-2008. Novosibirsk, Russia) - Tomsk Polytechnic University (Tomsk, Russia). June 23-29, 2008.
XII Международная конференция «Электромеханика, электротехно
логии, электротехнические материалы и компоненты - МКЭЭ-2008».
Крым, Алушта, 2008.
Международная научно-техническая конференция «Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах» 21-25 сентября 2009 г. Севастопольский национальный технический университет. Севастополь, Украина.
«Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева АРШ-09». 2-я международная конференция. С-Петербург: ВНИИТВЧ, 2009.
«Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений». Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием. Москва, 2009.
International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources HES-10. Padua, Italy, 2010.
VI Lubuska Konferencja Naukowo-techniczna "Innowacyjne Materialy I Technologie w Elektrotechnice I-MITEL 2010", Przylesko k. Gorzowa Wielkopolskiego, 21-23 Kwietnia 2010. Zielona Gora 2010.
«Теория и практика нагревательных печей в XXI веке». Всероссийская научно-практическая конференция. 25-26 мая 2010 г. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2010.
13-th International conference on electromechanics, electrotechnology, electromaterials and components, Alushta, Crimea, Ukraine, 2010.
«Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах». Международная научно-техническая конференция, 12-16 сентября 2010 г. Севастополь: СГТУ, 2010.
«Инновационная энергетика 2010». Вторая научно-практическая конференция с международным участием. - Новосибирск, НГТУ, 2010.
IX Международная научно-практическая конференция в рамках выставки «Энергетика и электротехника - 2010», (24-26 ноября 2010 г.) -Екатеринбург.
Публикации. Общее количество публикаций по теме диссертации -148, в том числе 1 монография, 6 учебных пособий, 22 в издательствах, утвержденных перечнем ВАК, получено 5 патентов на изобретения.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования; разработке комплекса математических моделей и компьютерных программ для моделирования электромагнитных, гидродинамических и тепловых процессов в индукционных МГД-машинах; проектировании, изготовлении и исследовании лабораторных и опытно-промышленных образцов индукционных МГД-машин.
Структура и объем работы
