Введение к работе
Актуальность работы. Машиностроительный комплекс предъявляет все более высокие требования к первичной составляющей своей продукции -заготовкам и слиткам. Поэтому, проблему качества заготовок и слитков необходимо решать комплексно, уделяя внимание всем звеньям технологической цепочки: исходному сырью, приготовлению сплавов, рафинированию. Спросом пользуются сплавы, отвечающие самым высоким технологическим требованиям по очистке от вредных примесей. Самым экономичным и прогрессивным способом очистки первичного алюминиевого расплава от вредных примесей является способ объемной проработки непосредственно в транспортном ковше смесью рафинирующих солей. Принцип работы такой установки заключается в создании интенсивной циркуляции алюминиевого расплава в транспортном ковше, потоки которой вовлекают рафинирующие соли и создают благоприятные условия для протекания реакций между активными примесями: натрием, литием, калием.
В настоящее время в мире для этих целей широкое распространение получили установки MIXAL и STAC, которые для обеспечения условий глубокой проработки жидкого первичного алюминия используют интенсивное механическое перемешивание расплава в ковше при помощи специальных механических роторов. Основным достоинством таких установок является существенное повышение качества первичного алюминия, недостаток -низкая надёжность механических роторов, контактирующих с жидким металлом.
Более эффективным способом перемешивания высокотемпературных расплавов в миксерах, печах и ковшах является электромагнитное перемешивание при помощи линейных индукционных устройств. Последние широко применяются как в цветной, так и в черной металлургии. Они должны быть специальной конструкции, отличной от классической и иметь защиту от воздействия внешних тепловых полей.
Опыт долголетней работы кафедры "Электротехнология и электротехника" Красноярского государственного технического университета по созданию бесканальных электромагнитных перемешивателей алюминиевых сплавов в печах и миксерах показывает, что перспективным устройством для перемешивания первичного алюминия в транспортном ковше может быть установка, созданная на базе плоской линейной индукционной' машины. Однако применить существующие индукционные машины для этих целей не представляется возможным из-за особенностей транспортных ковшей и тяжёлых условий эксплуатации, индукционных устройств.
В связи с этим на основе математического и физического моделирования следует разработать и создать надежные и эффективные специальные
индукционные устройства для электромагнитного параняцлташньпервичного
алюминия в транспортном ковше с целью интенсификации процессов его рафинирования, что является актуальной задачей в настоящее время.
Объект - исследования - индукционные устройства специальной конструкции для электромагнитного перемешивания алюминия сырца в транспортном ковше.
Предмет исследования - дифференциальные и интегральные
характеристики и их взаимосвязь с электромагнитными нагрузками и
техническими особенностями индукционных устройств для
электромагнитного перемешивания.
Целью диссертаиионной работы является построение математической модели индукционного устройства для перемешивания электропроводного расплава в транспортном ковше, уточнение закономерностей преобразования энергии в нем, разработка на его основе установки рафинирования первичного алюминия.
Задачи исследования Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ существующих установок рафинирования электропроводных расплавов в ковшах и обосновать возможность применения линейной индукционной машины для перемешивания первичного алюминия в транспортном ковше без переделки последнего.
2. Построить математические модели анализа и синтеза индукционных
устройств для электромагнитного перемешивания жидкого металла в ковше и
создать программные средства для их реализации.
-
На основе разработанных алгоритмов выявить взаимосвязи дифференциальных и интегральных характеристик с электромагнитными нагрузками и техническими особенностями индукционных устройств для электромагнитного перемешивания.
-
Путем сравнения экспериментальных данных, полученных на физической модели с результатами вычислительного эксперимента подтвердить адекватность разработанных математических моделей.
-
Разработать индукционные устройства и дать практические рекомендации по конструированию установки рафинирования первичного алюминия в транспортном ковше.
Методы исследований. Математическое моделирование осуществлялось численным методом (дискретизации свойств сред) анализа электромагнитных полей с применением современной вычислительной математики. Экспериментальные исследования проведены на физических моделях, оценка воспроизводимости натурных экспериментов проведена статистическими методами.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Разработана математическая модель индукционного электромагнитного перемешивателя жидкого металла в ферромагнитном ковше, учитывающая его конструктивные особенности.
Впервые, на основе, метода дискретизации свойств сред разработан способ синтеза электротехнических устройств.
Выявлены зависимости интегральных и дифференциальных электромагнитных характеристик перемешивателей от их конструктивных особенностей и режимов работы.
Значение для теории состоит в развитии метода дискретизации свойств сред к решению задач анализа электромагнитного поля и разработке на его основе способа синтеза электротехнических устройств.
Значение для практики диссертационной работы представляется следующими результатами:
Разработаны алгоритмы и программы математического моделирования электромагнитных процессов и технических особенностей индукционных устройств для перемешивания жидкого металла в ковше.
Предложены новые способы и устройства перемешивания жидкого металла в транспортном ковше, оригинальность которых подтверждена пятью патентами.
- На основании теоретических и экспериментальных исследований
выполнен рабочий проект установки для электромагнитного перемешивания
первичного алюминия в транспортном ковше, который сдан заказчику.
Достоверность полученных результатов оценивалась путём сравнения результатов вычислительного эксперимента (с использованием разработанных математических моделей) с результатами натурного эксперимента на физических моделях, а также с результатами полученными при использовании программного комплекса ELCUT.
Реализация результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты выполнены в рамках НИОКР кафедры «Электротехнология и электротехника» КГТУ и «Научно-производственного центра Магнитной гидродинамики», как по заказу предприятий и организаций, так и в рамках научно-технических программ и госбюджетных тем. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе студентов специальности 180500 - "Электротехнологические установки и системы". Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Впервые предложено использовать индукционную машину
специальной конструкции для перемешивания первичного алюминия в
транспортном ковше с ферромагнитным металлокаркасом.
2. Построена математическая модель для анализа индукционного
перемешивателя на основе метода дискретизации свойств сред и исследованы
его дифференциальные и интегральные характеристики, при этом обеспечены необходимые точность расчета и сходимость вычислительного процесса.
-
Впервые на основе метода дискретизации свойств сред разработан способ синтеза электротехнических устройств, подтверждена его адекватность и с его помощью выявлены особенности конструкции индуктора электромагнитного перемешивателя.
-
Разработанную физическую модель индукционной установки для перемешивания жидкого алюминия в транспортном ковше и результаты экспериментальных исследований индукционных устройств на модели.
5. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований
с целью выявления новых способов воздействия на жидкий металл в ковше,
обеспечивающих новые технологии получения высококачественных
металлургических полуфабрикатов.
Апробация. Основные научные и практические результаты работы докладывались автором и обсуждались на: Восьмой Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технология» (Томск, 2002г.); Международной конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромагнитные системы» - EECCES-2003 (Екатеринбург, 2003г.); Международном научном коллоквиуме «Моделирование электромагнитных процессов» (Германия, Ганновер, 2003г.); Всероссийской научно-практической конференции «Достижения науки и техники —развитию сибирских регионов» (Красноярск, 2003г.)
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 7 статьях и докладах и 5 положительных решениях на выдачу патентов.
Личный вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве,
состоит в постановке задач повышения эффективности
электротехнологического оборудования, разработке алгоритмов и программ, проведении вычислительных процессов, организации и проведении экспериментальных исследований.
Структура и объем диссертации. Результаты изложены на 205 страницах текста, иллюстрированного таблицами и рисунками на 53 страницах. Список использованных источников включает 101 наименование на 11 страницах. Работа состоит из введения, четырех разделов текста с