Введение к работе
Актуальность работы. Основной проблемой качества заготовок и слитков, отливаемых на заводах цветной и чёрной металлургии, является неоднородность химического состава, наличие примесей в заготовке, укрупнённая кристаллическая структура, присутствие осевой ликвации и микротрещин в заготовке или слитке. Проблему качества литых заготовок и слитков необходимо решать комплексно, уделяя особое внимание всем звеньям технологической цепочки: приготовлению сплавов (выплавке), рафинированию, транспортировке и дозированию, разливке.
К основным агрегатам для выплавки и приготовления сплавов в чёрной и цветной металлургии относятся индукционные печи, дуговые сталеплавильные печи (ДСП) и ковши (ДСК), пламенные печи, миксеры, ковши; к вспомогательным - установки для рафинирования сплавов, комплексы для электромагнитного перемешивания (ЭМП) расплавов. К устройствам для разливки сплавов можно отнести установки и машины непрерывной разливки, литейные машины; к вспомогательному оборудованию - электромагнитные насосно-дозирующие устройства и системы электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитков.
В настоящее время существует достаточно много модификаций индукционных канальных печей (ИКП) для выплавки чёрных и цветных металлов. Для выплавки алюминиевых сплавов наибольшее распространение получили ИКП типа БК и ИАК: БК-16 успешно эксплуатируются на ОАО «Белокалитвинский металлургический завод», а печи типа ИАК - на ОАО Красноярский металлургический завод-. Накопленный опыт эксплуатации позволил специалистам ОАО «КраМЗ» г. Красноярска, ОАО «ВНИИЭТО» г. Москвы и ОАО «Сибэлектротерм» г. Новосибирска разработать принципиально новые индукционные единицы (ИЕ), на базе которых созданы крупнотоннажные индукционные канальные печи ИАК-25/2,1; ИАК-40/3,5; ИАК-100/4,5.
Одним из недостатков ИКП является зарастание каналов ИЕ шлаками и окислами. Механическая очистка влечёт за собой простои оборудования и сокращение срока службы ИЕ из-за повреждения футеровки каналов, Для уменьшения зарастания каналов окислами в процессе плавки можно применять вращательное движение металла в каналах посредством электромагнитных сил, которые обеспечиваются наложением электромагнитного поля (ЭМ) обмотки индуктора и поля дополнительных катушек, получивших название электромагнитных вращателей (ЭМВ). Вращательное движение жидкого металла в канале ИЕ приводит также к возникновению поступательного движения расплава из канальной части в ванну печи, что улучшает тепломассообмен и позволяет увеличить мощность ИКП. Исследования работы ИЕ с ЭМВ позволили обнаружить, что бесконтактное вращательное движение металла позволяет воспроизвести в каналах ИЕ процесс коагуляции, в результате которого неметаллические включения скатываются в шары и
всплывают на поверхность. В результате этого явления на базе ИЕ печей ИАК были разработаны устройства для внепечного магннтогидродинамического рафинирования (МГДР) алюминиевых сплавов.
Важной задачей при получении качественных сплавов цветных и чёрных металлов является их перемешивание в печах, миксерах и ковшах, что позволяет улучшить химсостав в объеме ванны, снизить расход легирующих добавок, интенсифицировать тепломассообмен, уменьшить количество шлака.
За рубежом подобные работы, начиная с 40-х годов, велись корпорацией ABB (Швеция), в частности, отделением крупных электрических машин в Вестерасе. В России на ОАО «Электросила» была разработана серия подобных машин с водяным охлаждением обмоток типа СЭП - для перемешивания стальных сплавов в ДСП и СКЭП - для перемешивания сталей в ДСК.
Начиная с 80-х годов, электромагнитное перемешивание применяется в цветной металлургии и особенно успешно для перемешивания сплавов на основе алюминия, приготавливаемых в миксерах и печах. На практике для перемешивания алюминиевых сплавов используются канальный и бесканальный способы, различающиеся по виду стыковки индуктора с ванной плавильно-литейного агрегата.
Разработанные в ИФ АН Латвии Специальным конструкторским бюро магнитной гидродинамики (СКВ МГД) электромагнитные перемешиватели канального типа доказали свою эффективность. Однако в процессе эксплуатации этих устройств происходит зарастание каналов шлаками и окислами, а также наблюдается протекание металла через футеровку в месте установки индуктора.
В Красноярском государственном техническом университете созданы новые способы и разработаны электротехнические комплексы для бесканального электромагнитного перемешивания алюминиевых сплавов в миксерах и печах с возможностью установки индуктора с боковой стороны плавильного агрегата. Такие комплексы эффективно эксплуатируются в течение 5 лет на ОАО «КраМЗ», ОАО «КрАЗ», ОАО «СаАЗ».
Разливка и транспортировка жидкого металла являются непременными звеньями технологических процессов в металлургическом и литейном производствах. В то же время эти операции трудно поддаются механизации и автоматизации. В основном, в качестве исполнительного механизма электромагнитных насосов-дозаторов и электромагнитных перемешивателей, применяются линейные индукционные машины (ЛИМ), в исследование, разработку и создание которых большой вклад внесли А. И. Вольдек, Н. М. Охременко, Я. Я. Лиелпетер, И. Р. Кириллов, О. Н. Веселовский, В. П. Полищук, Б. И. Петленко, Ф. Н. Сарапулов, В. Н. Тимофеев, А. П. Епифанов и другие. Из зарубежных авторов в разработку ЛИМ внесли ощутимый вклад Е. Laitwaiter, S Yamamura, Н. Bolton, S. Nozar, E. Freeman.
В чёрной и цветной металлургии для повышения качества непрерывно литых заготовок целесообразно применять электромагнитные устройства для активного воздействия на жидкую сердцевину затвердевающего слитка. Электромагнитное воздействие позволяет усреднить химический состав по
сечению заготовки, уменьшить осевую ликвацию слитка, увеличить производительность машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и установок непрерывной разливки стали (УНРС). Разработке основ перемешивания и устройств для их реализации посвящены работы А. Д. Акименко, Л. П. Орлова, Л. Б. Шендерова, Ю. А. Самойловича, 3. К. Кабакова, Л. Н. Ясницкого, А. И. Цаплина, И. Н. Шифрина, А. Г. Чеповецкого и других ученых.
Ф. Н. Сарапулов и О. Ю. Сидоров научно обосновали и разработали комплексный, подход технического проектирования ЭМ индукционных устройств для обработки металлических расплавов.
Известно, что технологическое оборудование в металлургии потребляет большое количество энергии, а его работа оказывает существенное влияние на работу смежного оборудования. Поэтому к качеству работы такого оборудования предъявляются особые требования. Особенно важными являются комплексные исследования процессов систем электроснабжения и управления, решающие задачи энергосбережения и оптимизации электрических режимов работы, проводимые под руководством В. П. Рубцова (г. Москва).
Проведённый анализ индукционных устройств для плавки металлов, магнитогидродинамического рафинирования, перемешивания, дозирования, перекачивания жидких металлов показывает, что такие устройства имеют много общего, что позволяет выделить их в отдельную группу и рассматривать с единых позиций. Это индукционные устройства для технологического воздействия на жидкие металлы. В результате такого подхода можно выделить основные принципы, которые должны быть положены в основу теории и методики расчёта как исполнительных механизмов (индукторов), так и самих комплексов для электротехнологического воздействия на жидкие металлы: учёт реальных свойств магнитопроводов (нелинейность, анизотропия), конечных размеров составных частей реальных свойств обмотки, дополнительных технических элементов, гидродинамических свойств рабочего тела, особенностей работы индуктора в динамических режимах.
Значит, необходимо разработать основы теории и методики расчета устройств для технологического воздействия на жидкие металлы с учетом приведенных особенностей и создать новые, высокоэффективные электротехнологии и комплексы для их реализации по заказам промышленности,
В основу диссертационной работы положены результаты НИР, выполненных в Красноярском государственном техническом университете при непосредственном участии автора в период с 1982 г. по 2000 г., как по заказам предприятий, так и в рамках научно-технических программ и госбюджетных тем: программа АН СССР «Сибирь», раздел 6.01.08; программа АН СССР «Физико-химические основы металлургических процессов» на 1985-1990 гг., направление 2.26; краевая целевая программа «Активизация инновационной деятельности в Красноярском крае» (Закон № 5-303 от 12.02.99 г.); программа Государственного фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по проекту 634 «Разработка, изготовление и
внедрение в производство бесканальных электромагнитных комплексов для
перемешивания алюминиевых сплавов».
Цель работы: разработка основ теории индукционных устройств для
технологического воздействия на жидкие металлы, создание новых
электротехнологий и комплексов для их реализации.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1. Обобщить результаты исследований индукционных устройств для
технологического воздействия на жидкие металлы.
2. Построить математическую модель индукционных устройств с
анизотропными, нелинейными и движущимися средами путем развития и
адаптации к исследованию этих устройств методов дискретизации свойств
сред, интегральных преобразований, граничных коллокаций.
3. Разработать численно-аналитический метод исследования
электромагнитных и гидродинамических процессов в системе индуктор-канал с
некоординатными поверхностями.
4. Развить метод дискретизации свойств сред для исследования
трехмерного электромагнитного поля индукционных устройств с
жидкометаллическим рабочим телом, анизотропными и нелинейными средами.
-
Применение явления резонанса в индуктивно связанных контурах к созданию бегущего магнитного поля в линейных индукционных машинах.
-
Методом физического моделирования на лабораторных моделях и натурных агрегатах подтвердить достоверность теоретических расчетов и правильность технических решений: электромагнитных перемешивателей в миксерах, печах, ковшах; электромагнитных врашателеи для индукционных канальных печей, установок внепечного рафинирования металла; машин непрерывной разливки стали; электромагнитных насосов-дозаторов для перекачивания и дозирования высокотемпературных жидких металлов.
-
На основе анализа теоретических результатов и данных физического моделирования разработать новые способы электротехнологического воздействия на жидкие металлы, создать комплексы для их реализации.
Методы исследования.
Теоретические исследования проведены на основе сочетания методов теории электромагнитного поля, теории электродинамики, теории цепей и методов дискретизации токовых слоев и дискретизации свойств сред. Решение конкретных задач потребовало использования аппарата дифференциального и интегрального исчисления, теории матриц и методов численного моделирования. Достоверность основных теоретических положений подтверждается сопоставлением расчётных и экспериментально определённых параметров на физических моделях и промышленных образцах.
Научная новизна диссертационной работы заключается вследующем:
1. На основе развития и совмещения методов дискретизации свойств сред, интегральных преобразований, точек коллокаций созданы основы теории индукционных устройств для технологического воздействия на жидкие металлы.
4. Предложены технические решения, позволяющие улучшить технико-экономические и энергетические показатели индукционных устройств.
Реализация результатов работы.
Наиболее важными из проведённых разработок, которые были выполнены при непосредственном участии автора и с использованием материалов диссертации, являются:
1. Методики электрического расчёта индукционных канальных печей
типа ИАК с электромагнитными вращателями и установок
магнитогидродинамического рафинирования алюминиевых сплавов МГДР-2,
переданные на ОАО «КраМЗ», г. Красноярска для непосредственного
использования.
-
Технические решения по совершенствованию индукционных канальных печей ИАК-1/1,5, ИАК-25/2,1, ИАК-40/3,5, ИАК-100/4,5 для ОАО «КраМЗ» г. Красноярска и печи БК-16 ОАО «БКМПО» г. Белая Калитва.
-
Создание и проектирование комплекса для бесканального электромагнитного перемешивания. алюминиевых сплавов на миксерах: 30 т для ОАО «КраМЗ» (5 комплексов) г. Красноярска; 45 т для ОАО «КрАЗ» г. Красноярска (1 комплекс); 60 т для ОАО «СаАЗ» г. Саяногорска (4 комплекса).
4. Разработка и проектирование установок внепечного
магнитогидродинамического рафинирования алюминиевых сплавов МГДР-2
для ОАО «КраМЗ» г. Красноярска (2 установки).
5. Технические решения по созданию комплекса электромагнитного
перемешивания стали в дуговой сталеплавильной печи ДСП-10 для ОАО
«Сибэлектросталь» г. Красноярска.
-
Разработка и изготовление установки для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины заготовок сечением 82x82 мм при непрерывной разливке стали на машине непрерывного литья для ОАО «Сибэлектросталь» г. Красноярска.
-
Содействие в организации выпуска комплексов бесканального электромагнитного перемешивания алюминиевых сплавов с привлечением ОАО «Электросила» г. Санкт-Петербурга, ОАО «ХЭМЗ» г. Харькова, ОАО «КраМЗ» г. Красноярска.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Ряд классификационных признаков, позволяющих рассматривать индукционные устройства для технологического воздействия на жидкие металлы как особый класс специального оборудования.
-
Развитие и совмещение методов дискретизации свойств сред, интегральных преобразований, точек коллокации с целью создания основ теории индукционных устройств для технологического воздействия на жидкие металлы, исследования электромагнитных и гидродинамических процессов в них с учетом анизотропии и нелинейности свойств сред.
-
Метод дискретизации свойств сред для анализа и исследования трёхмерных электромагнитных и гидродинамических полей электротехнических и электротехнологических устройств.
4. Алгоритмы и программы позволяющие реализовать:
- математическую модель индукционной электрической машины с
жидкометаллическим ротором для исследования её работы как в
установившемся, так и в переходных режимах (пуск, режим электромагнитного
торможения, рабочий режим), методики проектирования индукционной
канальной печи с электромагнитным вращателем и электромагнитного
перемешивателя жидкой сердцевины слитков;
математическую модель бесканального электромагнитного перемешивателя жидких металлов, позволяющую , исследовать электромагнитные и гидродинамические процессы устройства, методику проектирования электромагнитных перемешивателей;
- математическую модель линейной индукционной машины, позволяющую
исследовать влияние полей продольного краевого эффекта и предложить меры
по повышению энергетических показателей машины.
-
Использование явления резонанса в индуктивно связанных контурах с целью получения схемы включения катушек обмотки многофазной индукционной машины на однофазное питание.
-
Экспериментальные исследования на лабораторных и промышленных агрегатах бесканальных электромагнитных перемешивателей, насосов-дозаторов, установок внепечного рафинирования, индукционных канальных печей, электромагнитных перемешивателей жидкой сердцевины слитков и заготовок с целью проверки адекватности математических моделей и обоснования эффективности предложенных устройств и способов технологического воздействия на расплавы.
-
Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований с целью выявления новых способов электромагнитного воздействия на жидкие металлы в миксерах, печах, ковшах, рафинаторах, литейных машинах, обеспечивающих новые технологии получения высококачественных сплавов и изделий.
Апробация работы.
Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах, конференциях и семинарах:
-
Региональной научно-технической конференции «Молодые учёные и специалисты народному хозяйству», г. Красноярск, 1985 г.
-
Региональной научно-технической конференции «Устройства и системы автоматики автономных объектов», г. Красноярск, 1987 г.
-
Всесоюзном семинаре-совещании «Новые металлургические технологии и оборудование» г. Новосибирск, 1988 г.
-
XI Всесоюзном научном семинаре «Кибернетика электрических систем» г. Абакан, 1989 г.
-
Краевой научно-технической конференции «Автоматизация электроприводов и оптимизация режимов электропотребления», г. Красноярск, 1991 г.
-
Международном научно-техническом семинаре «Электротехнические
системы с компьютерным управлением на транспортных средствах и в их роботизированном производстве», г. Суздаль, 1993 г.
7. Научно-технической конференции с международным участием «Проблемы техники и технологий XXI века», г. Красноярск, 1994 г.
8.1 Международной научно-технической конференции «Математичне моделювання в електротехніці й електроенергетиці», г. Львов, 1995 г.
9. 8 th International Symposium on Theoretical Electrical Engineering,
Greece, Thessaloniki, 1995.
-
II Международной научно-технической конференции по проблемам автоматизированного электропривода «АЭП-98», г. Ульяновск, 1998 г.
-
«Fourth International Conference on Unconventional Electromechanical and Electrical System», Russia, St. Peterburg, 1999.
перспективы «ВЭЛК-99», г. Москва, 1999 г.
13. Всероссийской научно-практической конференция «Достижения
науки и техники сибирским регионам», г. Красноярск, 2000 г.
14. Объединённых семинарах кафедр «Электротехнология и
электротехника», «Теоретические основы электротехники», «Автоматизация
промышленных предприятий» и др. Красноярского государственного
технического университета, г. Красноярск, 1997-2000 гг.
Публикации.
Основное содержание диссертации отражено в 81 публикации, в том числе - 46 статьях и докладах и 26 авторских свидетельствах и патентах на изобретения.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из Л&Ъ наименований и приложений. Её содержание изложено на У 9 ? страницах, проиллюстрировано Jo3>_ рисунками и 4t> таблицами.
