Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор литературы и постановка задачи исследования 10
1.1. Типы и особенности индукционных устройств с проводящей загрузкой 10
1.2. Силовое воздействие на металл в ИТП 11
1.3. Специальные конструкции ИТП 17
1.3.1. Трехфазное питание индуктора 17
1.3.2. Перераспределение и фокусирование мощности 24
1.3.3. Индукторы с двухчастотным питанием 27
1.4. Методы исследования ИТП 29
1.4.1. Методы исследования электромагнитных процессов в ИТП 29
1.4.1.1. Метод Т-образных схем замещения 29
1.4.1.2. Метод конечных элементов 40
1.4.1.3. Метод конечных разностей 42
1.4.1.4. Метод детализированных магнитных схем замещения (ДМСЗ) 42
1.4.2. Методы описания турбулентных течений 43
1.4.3. Методы исследования тепловых процессов в ИТП 45
1.4.3.1. Метод конечных элементов, метод конечных разностей 45
1.4.3.2. Метод эквивалентных тепловых схем 48
1.5. Выбор методов и постановка задачи исследования 50
1.5.1. Выводы по методам исследования электромагнитного поля в ИТП 50
1.5.2. Выводы по методам исследования гидродинамических процессов в ИТП 52
1.5.3. Выводы по методам исследования тепловых процессов в ИТП 52
1.5.4. Постановка задачи исследования 53
Глава 2. Математическая модель индукционной МГД-установки 55
2.1. Электромагнитная математическая модель на основе метода ДМСЗ 55
2.1.1. Общая характеристика метода ДМСЗ 5 5
2.1.2. Принципы построения модели ИТП на основе метода ДМСЗ 56
2.1.3. Расчет магнитных сопротивлений 59
2.1.3.1. Расчет магнитных сопротивлений жидкометаллического вторичного элемента цилиндрических МГД-устройств 59
2.1.3.2. Расчет магнитных сопротивлений вторичного элемента МГД-устройств с кусковой загрузкой 61
2.1.4. Решение системы уравнений магнитного состояния 74
2.1.5. Описание компьютерной модели цилиндрического МГД-устройствана примере ИТП 75
2.1.5.1. Исходные данные для построения модели ИТП 76
2.1.5.2. Определение магнитных и электрических сопротивлений схем замещения 80
2.1.5.3. Определение собственных и взаимных сопротивлений секций индуктора 85
2.1.5.4. Расчет токов, потоков, мощностей, индукций и усилий в индукционной тигельной печи 89
2.2. Расчет скоростей движения расплава 91
2.2.1. Принципы построения гидродинамической модели МГД-устройства 91
2.2.2. Описание программы 96
2.2.2.1. Исходные данные для расчета 96
2.2.2.2. Расчет шагов разностной сетки по осям X и Y 97
2.2.2.3. Расчет усилий в клетках разностной сетки 98
2.2.2.4. Интегрирование двухмерного уравнения Навье-Стокса 99
2.2.2.5. Расчет поля скоростей 101
2.3. Математическая модель для исследования тепловых процессов в МГД-устройствах на примере ИТП 103
2.3.1. Одномерная модель тепловых процессов в ИТП 103
2.3.2. Двумерная тепловая модель ИТП 106
2.3.2.1. Нагрев шихты до температуры плавления 107
2.3.2.2. Расчет поля температур в ванне с учетом движения жидкого металла 108
Глава 3. Исследование характеристик МГД-устройств 112
3.1. Электромагнитные характеристики ИТП на различных стадиях плавки 112
3.2. Формирование гидродинамических процессов в ИТП 114
3.2.1. Исследование схемы с двухчастотным питанием индуктора ИТП 114
3.2.2. Исследование печи с фокусированием мощности 127
3.2.2.1. Получение картины усилий в расплаве 127
3.2.2.2. Получение картины распределения скоростей движения расплава 135
3.2.2.3. Получение передаточных функций многосекционного индуктора 141
3.3. Расчет тепловых режимов работы ИТП 149
Глава 4. Экспериментальное исследование индукционных МГД-устройств 154
4.1. Сравнение интегральных параметров ИТП, полученных расчетным и экспериментальным путем 154
4.2. Исследование электромагнитного перемешивателя 155
4.2.1. Описание технологии процесса получения магниевого сплава 157
4.2.2. Проведение экспериментальных исследований
4.3. Исследование индукционного автоклава 163
Заключение 168
Библиографический список 170
- Метод конечных элементов, метод конечных разностей
- Расчет магнитных сопротивлений жидкометаллического вторичного элемента цилиндрических МГД-устройств
- Получение картины распределения скоростей движения расплава
- Описание технологии процесса получения магниевого сплава
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время одним из наиболее
перспективных методов плавки металлов является индукционная плавка в
печах без сердечника или индукционных тигельных печах (ИТП). Данный
плавильный агрегат снискал наибольшую популярность в России и за
рубежом в области литейного производства в виду того, что в нем сочетается
контролируемое термическое воздействие на расплавляемый металл с
электромеханическим воздействием, вызывающим интенсивное
перемешивание металла в тигле, что немаловажно при получении высококачественных сплавов. В течение длительного времени производились попытки усовершенствования ИТП. Во-первых, для увеличения эффективности плавки и термического КПД установки было предложено питать данный агрегат токами средней и повышенной частоты, тем самым увеличивая удельную мощность установки по сравнению с питанием от источников промышленной частоты. Во-вторых, предпринимались попытки управления движением расплава различными способами.
Таким образом, ИТП является агрегатом двойного действия -высокоэффективной плавильной установкой с возможностью управления движением расплава для получения равномерного распределения примесей (легирующих добавок) в процессе плавки. В последнем случае ИТП аналогична электромагнитному перемешивателю (миксеру) и является общим случаем МГД-устройства металлургического назначения.
Опыт показывает, что для предварительного анализа электромагнитного воздействия на расплавляемый металл и расчета параметров и интегральных характеристик ИТП необходимо иметь математическую модель, учитывающую весь комплекс воздействий, а именно: электромагнитное воздействие, вызывающее наведение вихревых токов в металле, разогревающих и расплавляющих нагреваемый металл; тепловое воздействие, заключающееся в формировании заданной картины температурного поля в ИТП; гидродинамическое воздействие, влияющее в значительной степени на технологические параметры плавки в виду того, что турбулентное течение жидкого металла, как правило, возникающее в ИТП, увеличивает эффективный коэффициент теплопроводности на три порядка, а коэффициент диффузии - на шесть порядков, что приводит к выравниванию температур и химического состава во всем объеме жидкой ванны. Математическая модель также должна учитывать схемы включения обмоток индуктора, частоту питающей сети, физические свойства расплавляемых металлов и сплавов, неоднородность свойств металла и футеровки по радиусу и оси индуктора печи, кусковой характер загрузки печи в начальный момент плавки.
Наиболее подходящим инструментом для исследование и разработки ИТП является аппарат детализированных электрических, магнитных и тепловых схем замещения (СЗ). Он позволяет гибко изменять степень
детализации магнитной, электрической и тепловой цепей агрегата, строить гибридные СЗ, состоящих из интегральных и детализированных фрагментов в соответствии с выделяемыми объемами конструкции. При этом порядок системы уравнений, составляющих математическую модель, можно существенно ограничить в сравнении, например, с универсальными «полевыми» численными методами конечных элементов (МКЭ) или конечных разностей (МКР). С другой стороны, инженерные методы расчета ИТП, использующиеся до недавнего времени при разработке данных агрегатов имеют слишком большое число допущений, например, при расчете интегральных электрических параметров печи они не способны учесть трехфазный характер питания индуктора печи, а также неоднородность свойств кусковой загрузки печи. Вместе с тем, как показывает опыт, по точности исследования процессов в заданной области метод детализированных схем замещения (ДСЗ) не уступает выше упомянутым полевым методам, превосходя их по возможностям анализа возможных режимов работы устройства, изучению его как элемента системы или объекта управления.
Объектом рассмотрения является ИТП со сплошной и кусковой загрузкой как наиболее общий случай совмещенного электротермического и электромеханического преобразователя энергии (нагревателя и миксера), питающегося от полупроводникового преобразователя частоты, с многосекционным индуктором, создающим бегущее или пульсирующее электромагнитное поле в рабочей зоне, а также с регулированием нагрузки на секциях индуктора.
Целью работы является развитие метода СЗ, разработка математической модели ИТП и исследование на ее основе специальных конструкций ИТП. При этом решаются такие задачи:
Анализ конструкций ИТП и областей их применения.
Разработка методики расчета электромагнитных процессов в МГД-установке со сплошной и кусковой загрузкой на основе СЗ на примере ИТП.
Разработка методики расчета скоростей движения расплава на основе МКР.
Разработка методики и алгоритма расчета тепловых процессов в ИТП на различных стадиях плавки на основе эквивалентных тепловых СЗ.
Разработка и апробация комплекса компьютерных программ для исследования ИТП на различных стадиях плавки в стационарном и переходном режимах на основе современных вычислительных средств.
Методы исследования. В работе использованы методы теории электрических машин и теории электрических цепей. Использованы методы численного решения систем нелинейных дифференциальных уравнений, а также методы математического моделирования на ЭВМ с использованием пакета Mathcad.
Научную новизну составляют разработанные связанные математические модели электромагнитных и тепловых процессов в ИТП с кусковой и жидкометаллической загрузкой в квазистатических и динамических режимах работы.
Практическая ценность заключается в следующем:
Разработан алгоритм и программное обеспечение для расчета электромагнитных процессов в ИТП с кусковой загрузкой на начальной стадии плавки;
Разработана компьютерная модель для расчета переходных процессов в ИТП со сложной обмоткой индуктора, питающейся от полупроводникового преобразователя частоты;
Разработан алгоритм расчета сил, воздействующих на жидкий металл в тигле ИТП, индуктор которой имеет сложную обмотку с неравномерной загрузкой секций или получает питание сложной структуры (многочастотное, трехфазное или двухчастотное трехфазное питание);
Разработано программное обеспечение для исследования гидродинамических процессов в жидкой ванне.
Разработано программное обеспечение для расчета динамики тепловых процессов в ИТП, с помощью которого произведена оценка влияния движения расплава в ванне печи на характер распределения температур в последней.
Практически все разработанные программные продукты связаны между собой и являются цельным программным комплексом для разработки и исследования МГД-устройств с жидкометаллической и кусковой загрузкой.
Реализация. Разработан и исследован индуктор для электромагнитного перемешивания специальных магниевых сплавов на ОАО «Уралэлемент» (г. В.У фал ей), разработан и исследован при различных режимах питания трехсекционный индуктор печи ИЧТ-10 для ЗАО «Рэлтек».
Апробация. Основные результаты доложены и обсуждены на следующих научных мероприятиях:
IV международный симпозиум «ЭЛМАШ-2002. Прспективы и тенденции развития электротехнического оборудования для энергетики, транспорта, нефтяной и газовой промышленности», Москва, 2002 г.
VII международный симпозиум «Электротехника 2010 год. Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения энергии», Московская область, 27-29 мая, 2003 г.
- «Урало-сибирская научно-практическая конференция», Екатеринбург,
23-24 июня 2003 г.
Были сделаны доклады также на региональных научно-практических конференциях.
5-ая Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение», Крым, Алушта, 2003 г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и шести приложений общим объемом 232 страниц. Основная часть изложена на 179 страницах машинописного текста, иллюстрирована 88 рисунками, 14 таблицами. Список использованной литературы содержит 127 наименований.
Краткое содержание работы
Во введении сформулирована цель работы
В первой главе описаны природа и характер движения металла в печи, изложены требования, предъявляемые к современным плавильным агрегатам. Проведен анализ существующих методов исследования электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в индукционных МГД-установках. Поставлена задача исследования.
Во второй главе приводится описание разработанных математических моделей и программных средств для исследования электромагнитных. гидродинамических и тепловых процессов в ИТП.
Третья глава посвящена компьютерному исследованию и выработке рекомендаций по питанию и конструкции ИТП для получения заданных характеристик нагрева и движения металла в ванне ИТП со специальной конструкцией индуктора.
В четвертой главе приведены результаты сравнения экспериментальных и компьютерных исследований следующих индукционных установок: индукционной печи ППИ-0,4; электромагнитного перемешивателя магниевых сплавов; индукционного автоклава.
В заключении работы перечислены основные результаты исследований.
В приложении 1.1 приведена программа расчета электромагнитного поля в цилиндрическом МГД-устройстве с кусковой загрузкой.
В приложении 1.2 приведен модуль вычисления магнитных сопротивлений сплошного вторичного элемента цилиндрического МГД-устройства.
В приложении 2.1 приведен модуль программы расчета фазо-частотных характеристик трехсекционного индуктора ИТП с независимой компенсацией секций.
В приложении 2.2 приведен модуль программы расчета передаточных функций элементов развернутой схемы замещения трехсекционного индуктора ИТП с независимой компенсацией секций.
В приложении 3 приведен модуль программы расчета электромагнитных процессов в многочастотном трехсекционном индукторе.
В приложении 4 приведена программа расчета динамики тепловых процессов в ИТП (двумерная постановка).
В приложении 5 приведена программа расчета динамики тепловых процессов в автоклаве (одномерная постановка).
В приложении 6 приведены акты использования материалов диссертационной работы.
Метод конечных элементов, метод конечных разностей
На данный момент существуют программные средства, позволяющие рассчитать размер и форму мениска в индукционной тигельной печи с учетом всех вышеперечисленных замечаний. Примером такой программы (учитывает замечания 3 и 4) может служить программа DYNAMICS, созданная коллективом Московского энергетического института [43].
Величина тока в индукторе может доходить до нескольких тысяч ампер, а напряженность магнитного поля имеет величину порядка 10 — 10 А/м [11]. Вследствие этого давления, возникающие в индукторе и расплавляемом металле, могут достигать значительной величины — от десятков грамм до 1 кг на 1 см . Это давление вызывают движение жидкого металла в тигле, принимающее форму циркуляции, в результате которой металл в ванне энергично перемешивается. Тигельная печь представляет собой относительно короткую электромагнитную систему (отношение высоты загрузки к диаметру редко превосходит 1,5). В однофазных индукторах ИТП имеет место так называемый продольный краевой эффект, который проявляется в уменьшении значения напряженности магнитного поля у поверхности расплава в зоне верхнего и нижнего торцов индуктора. Следствием проявления краевого эффекта является неравномерное по высоте распределение электродинамических сил. Электродинамические силы направлены строго радиально только в средней по высоте части тигля. Ближе к верхнему и нижнему краям тигля, где магнитное поле искажается и линии его не идут параллельно оси, радиальная составляющая электродинамических сил уменьшается, как показано горизонтальными стрелками на рис. 1.3. Под действием такой системы сил металл в средней части перетекает от периферии к оси, затем по оси тигля выжимается вверх к зеркалу ванны и вниз ко дну тигля.
Вверху и внизу он перетекает к стенкам и вдоль стенок возвращается к средней части тигля, совершая так называемую двухконтурную циркуляцию. Движение металла у зеркала ванны и у дна не вполне одинаково вследствие неодинаковости гидростатических давлений и сил трения в этих местах [97,98].
Интенсивность циркуляции характеризуется скоростью движения металла v в той или иной зоне тигля, которая является результатом воздействия на расплав электромагнитных сил и сил вязкого и турбулентного трения. Обычно в качестве характерного значения скорости принимают ее максимальное значение на оси тигля в верхнем контуре. Значения v в промышленных печах разного назначения и конструктивного исполнения могут отличаться в десятки раз, и являются одним из факторов, определяющих пригодность печи для того или иного технологического процесса. Так, они могут составлять как несколько сантиметров в секунду (при выдержке расплава на пониженной мощности, а также при плавке в печах средней частоты), так и несколько метров в секунду (в печах промышленной частоты с относительно высокой удельной мощностью) [97]. Скорость движения металла оказывает влияние на: ? ход массообменных процессов с вводимыми в расплав компонентами при легировании, рафинировании и модифицировании; ? взаимодействие металла с футеровкой тигля; ? темп плавления шихты и интенсивность взаимодействия металла с газовой фазой и шлаками. Сам факт электродинамической циркуляции металла, которая может быть весьма интенсивной, является достоинством индукционной тигельной печи, выгодно отличающим ее от дуговой печи. Циркуляция: ? ускоряет расплавление; ? выравнивает температуру и химический состав ванны; ? способствует взаимодействию металла со шлаком. Однако описанная двухконтурная циркуляция имеет и серьезные недостатки [ 11,97]. 1. В каждом из контуров, т.е. в верхней и нижней половинах ванны, металл циркулирует раздельно, слабо смешиваясь. 2. При одинаковых скоростях переноса примесей (времени выравнивания химического состава по объему ванны металла) в печах с двухконтурной циркуляцией по сравнению с печами с одноконтурной циркуляцией, быстрее изнашивается футеровка, вследствие больших скоростей движения металла в первых печах по сравнению со вторыми [95,97,98]. 3. На поверхности ванны образуется выпуклый мениск, с возрастанием высоты которого приходится увеличивать количество шлака, поскольку он должен полностью покрывать поверхность металла. При этом шлак взаимодействует с огнеупором тигля, разъедая его и способствуя загрязнению ванны. 4. При увеличении количества шлака он получается более холодным, поскольку в индукционной печи шлак нагревается только путем теплопередачи от металла. Понижение температуры шлака замедляет протекание химических реакций и увеличивает продолжительность плавки.
При проектировании индукционных тигельных печей нередко удельную мощность приходится ограничивать из соображений не энергетики, а магнитогидродинамики, так как при увеличении удельной мощности растет и высота мениска (1.10), а следовательно и скорость движения расплава в тигле, что пагубно сказывается на долговечности футеровки. Такое ограничение мощности не лучшим образом сказывается на общем КПД установки, так как потери тепловой энергии прямо пропорциональны времени плавки. Наиболее распространенный способ уменьшения высоты мениска состоит в расположении верхнего края индуктора ниже зеркала ванны [11,95,97,98]. Этот способ применяется, например, в печах для плавки алюминия, для которых особенно важно ослабить циркуляцию на зеркале ванны, чтобы предотвратить взламывание тугоплавкой окисной пленки. При такой конструкции поле в верхней части ванны ослабляется и циркуляция вблизи оси тигля не достигает поверхности. Вблизи поверхности возникает местная циркуляция, вызванная завихрением струи металла вблизи стенки тигля, создающая мениск, противоположный основному, в результате чего зеркало ванны становится почти плоским. Однако эта конструкция имеет существенный недостаток. Ослабление поля в верхней части ванны приводит к снижению выделяющейся в этой зоне мощности. Вследствие чего в процессе расплавления куски шихты в верхней части тигля свариваются, образуя «мост», под которым расплавленный металл перегревается. Поэтому в печах с низким расположением индуктора плавку ведут, тщательно осаживая шихту вручную, чтобы не допустить образование мостов.
Расчет магнитных сопротивлений жидкометаллического вторичного элемента цилиндрических МГД-устройств
Фокусирование мощности с данной схемой компенсации реактивной мощности осуществляется за счет изменения величин реактивных составляющих тока, падения напряжения на секциях индуктора и, как следствие, активных мощностей во вторичном элементе каждой из секций, при неравномерной компенсации секций индуктора.
Авторами [11,95], упоминающими данную схему, последняя специально не исследовалась. Очевидно, что секции индуктора в данной схеме являются магнитосвязанными контурами, и, следовательно, токи в первой секции оказывают влияние на падение напряжения на второй секции. Данный аспект должен быть учтен при моделировании ИТП с фокусированием мощности.
В зарубежной практике также используются технологии фокусирования мощности. Например, фирмой Junker (Германия) [38,92] предложена технология "Power-focus", осуществляющая свободное управление распределением мощности по высоте ванны печи, принцип которой в литературе, однако, не раскрывается из коммерческих соображений. Тем не менее, данная технология при плавке чугунной стружки позволяет получить производительность на 10% большую по сравнению с аналогичными агрегатами, работающими по классической технологии выплавки, и кроме того имеет следующие преимущества: - отсутствие окисления стружек (незначительный угар); - устранение опасности образования зависаний; - редуцирование опасности приплавления шихты к футеровке; - гомогенизация ванны относительно температуры и химического состава. Российскими авторами [26,32,94] предложен трехсекционный индуктор с возможностью перераспределения мощности между секциями индуктора (рис. 1.9). Как видно, схема на рис. 1.9. подобна схеме на рис. 1.8, позволяющая, однако более гибко регулировать распределение мощности между секциями индуктора.
Та же фирма Junker (технология DUOMELT), а также другие зарубежные фирмы, например Inductoterm (США), предложившая технологии TRIRAK и MULTIRAK [80,119], в своих установках предполагают использование фокусирования мощности при питании двух и более печей от одного источника. Данные технологии дают существенное увеличение эффективности использования оборудования по сравнению с комплексами, построенными по принципу одна печь - один источник питания. Однако в литературе, также в силу коммерческих интересов, не дано описания принципа данных технологий фокусирования мощности.
Разработки подобных технологий фокусирования мощности ведутся и в России. Например, авторами [80] предлагается использование настройки силовых колебательных контуров двух и более печей, включенных последовательно к источнику питания, на различные резонансные частоты. Регулирование же мощности в такой системе осуществляется с помощью регулирования частоты в общей цепи печей резонансным преобразователем частоты, являющимся общим для всех печей источником питания.
Как отмечалось выше, чрезвычайно важным требованием к системе электропитания при индукционной плавке является обеспечение возможности управления силовым воздействием электромагнитных полей на ванну расплава металла для организации управляемого активного перемешивания металла на разных стадиях технологического процесса плавки. Силовое воздействие индуцируемых токов по мере роста частоты значительно уменьшается и становится недостаточным для создания конвективных потоков на средних частотах. При плавке больших объемов тяжелых металлов требуется воздействие электромагнитного поля низкой частоты (десятки Герц), которое вызывает повышенное удельное силовое давление в глубинных слоях ванны расплава металла, способствующее интенсивному перемешиванию и выравниванию температуры по всему объему расплава.
Фирмой Junker [92] была предложена в связи с этим технология "Multi-Frequenz", предполагающая питание ИТП на различных стадиях плавки от источника с переключателем на низкую и высокую частоты. Преимущества данной технологии следующие: - возможность непрерывного введения в ванну мелкокусковых материалов; - оптимальные условия для корректировки химического состава (например, для науглероживания); - избежание образования зависаний; - минимизирование степени засасывания газов; - минимизация угара; - снижение расхода электроэнергии; - оптимальное использование мощности. В частности, при проведении испытаний установки, использующей технологию "Multi-Frequenz" на литейном заводе серого чугуна MAN Diesel в Дании были получены следующие результаты: при науглераживании металла в двух печах, первая из которых получала питание от источника 250 Гц, а вторая - 125 Гц, практически одинаковой массе загрузки в обеих печах (4010 и 3980 кг соотвественно), процесс науглераживания в первой печи проходил большее время (3 мин 20 сек) по сравнению со второй (2 мин 20 сек) при большем потреблении мощности (2500 кВт) по сравнению со второй (2000 кВт) с большим ростом температуры, что в данном режиме работы печи нежелательно.
Как показали эти а также другие [31,80,122] исследования, метод двух частот весьма эффективен при получении нержавеющих и инструментальных сталей, а также для сплавов, имеющих состав металлов с резко дифференцированной плотностью, выплавляемых в проводящих или полупроводящих тиглях. В связи с этим в настоящее время проектируются двухчастотные преобразователи частоты, более полно реализующие данную задачу: высокочастотная компонента питающего напряжения представляет однофазный сигнал, а низкочастотная - трехфазный [11,31,95].
В печи с многофазным или многосекционным индуктором при одноконтурной циркуляции металл перемешивается во всем объеме ванны, а поверхность его остается почти плоской (рис. 1.10).
Бегущее поле, оказывающее силовое воздействие на расплав, создается многофазным током низкой частоты (16 или 50 Гц), а энергия для нагрева передается в садку на более высокой частоте, т. е. печь является двухчастотной. Нагрев и перемешивание могут производиться одновременно или поочередно. В первом случае используются раздельные индукторы — однофазный для нагрева и многофазный для перемешивания, оборудованные фильтрами для защиты источника одной частоты от проникновения другой частоты. Во втором случае печь имеет один секционированный индуктор, подключаемый поочередно с соответствующими переключениями к двухчастотным источникам питания.
Получение картины распределения скоростей движения расплава
Универсальные пакеты, реализующие моделирование гидродинамических процессов в жидких и газообразных средах, такие, например, как Ansys или Femlab, пока еще слабо распространены в России. Кроме того, данные инструменты исследования ориентированы в основном на использование специализированными организациями, производящими обслуживание данных пакетов, и в силу этих обстоятельств последние слабо ориентированы на широкий круг пользователей. Однако разработанные методы моделирования [46,89,90,116], и в том числе рассмотренный метод [46], позволяют создавать собственные программные продукты, ориентированные на решение узкого круга задач. Например, коллективом Уральского государственного технического университета была создана программа «Электролаборатория», предназначенная для производства расчетов электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в электротехнологических установках с жидким проводящим вторичным элементом (магнитогидродинамические насосы, электромагнитные перемешиватели, и в том числе ИТП). В данном программном продукте моделирование гидродинамических процессов производится с использованием метода конечных разностей. Проведенные исследования [46], показали высокую сходимость результатов моделирования с экспериментальными данными, из чего можно сделать вывод о целесообразности использования данного метода и вышеназванного программного продукта для исследования МГД-установок и в том числе ИТП специальных конструкций.
Тепловые процессы в ИТП имеют достаточно сложный механизм. Металл, помещенный в печь, меняет свое агрегатное состояние, при этом значительные изменения претерпевают тепловые характеристики материалов в моделируемой области. Причем в различные моменты времени в различных областях печи расплавляемый металл может находится в твердой и жидкой фазе, при полном расплавлении металла в ванне печи, оп начинает двигаться, что также оказывает значительное влияние на ход тепло- и массообменных процессов в ванне печи.
Универсальные пакеты, использующие для моделирования методы конечных разностей и конечных элементов, в динамических расчетах зачастую используют избыточно подробную сетку, предлагая для ускорения расчетов введение допущений, применять которые на некоторых этапах плавки в ИТП нельзя. Поэтому представляет интерес использование более простого метода эквивалентных тепловых схем, и реализация с его помощью двух- или даже одномерной модели ИТП, с устранением всех допущений, которые зачастую приходится вводить в конечно-разностную или конечно-элементную модель в универсальных пакетах.
В связи с развитием техники и технологии индукционной плавки появляются новые перспективные конструкции ИТП, реализующие новый качественный уровень использования энергии электромагнитного поля. Сама по себе эффективность нагрева и расплавления кусковой металлической загрузки описана достаточно давно и исследовалась многими авторами [11,95,97,98]. Современный подход к использованию ИТП как высокоэффективного, а следовательно и экономичного плавильного агрегата, предполагает управление тепловым и электродинамическим воздействием на расплавляемый металл на всех стадиях плавки с целью, в основном, снижения времени плавки и улучшения качества получаемого металла (здесь имеется в виду малый перегрев металла перед разливкой и высокая равномерность температур и состава металла в ванне), что имеет большое значение в литейном производстве, где ИТП, как плавильные агрегаты зарекомендовали себя наилучшим образом.
В металлургических технологиях в последнее время прочное место занимают МГД-установки, предназначенные для электромагнитного перемешивания и транспорта металла. Функции, выполняемые этими устройствами, те же, что выполняются ИТП на конечной стадии плавки, а именно - обеспечение заданного состава и структуры получаемого металла. При этом: 1. Злободневным является вопрос создания специальных многофазных индукторов с несколькими секциями с питанием их от полупроводниковых преобразователей частоты. 2. Возникает вопрос о формировании электромагнитного воздействия на расплавляемый, расплавленный и кристаллизующийся металл. На данный момент моделирование всего комплекса воздействий электромагнитного поля на расплавленный металл на этапах синтеза МГД-устройств не производится. Требуется разработка соответствующих математических моделей, позволяющих предсказать характер и параметры электродинамических и тепловых процессов в МГД-установках. 3. Представляет интерес адаптация методики исследования МГД-устройств к анализу явлений в несплошном вторичном элементе (кусковой загрузке), имеющем источник бегущего магнитного поля. Сформированный общий подход к моделированию вторичного элемента в виде не сплошной проводящей среды (кусковой загрузки) позволит исследовать не только ИТП на начальной стадии плавки, но и целый ряд МГД-устройств, применяемых в других технологиях. 4. На данный момент также недостаточно разработан комплексный подход к формированию тепловых и гидродинамических процессов в ИТП за счет специальных (многофазных, многосекционных и т.п.) конструкций индуктора со специальным (например, многочастотным) их питанием. При этом существенным оказывается дефицит в программных средствах, с помощью которых появится возможность прогнозировать характер и режимы вышеназванных процессов. Разработанные программные продукты и методика исследования процессов в ИТП должны иметь возможность решать задачи, исходными данными для которых являются технологические параметры плавки, а результатом исследования - рекомендуемые тип конструкции и режим питания индуктора.
Описание технологии процесса получения магниевого сплава
Конструкция автоклава показана на рис. 4.3.1 [33]. Из рисунка видно, что автоклав представляет собой ИТП косвенного действия. Вихревые токи, наведенные во вторичном элементе, представляющем собой ферромагнитный цилиндр с нанесенным слоем высокопроводящего материала (медь), нагревают его и за счет теплопередачи нагревают воду, налитую в стакан или гильзу, выполненную из нержавеющей стали. Удельная проводимость стали, из которой выполнен стакан намного ниже, чем удельная электропроводность высокопроводящего слоя вторичного элемента, поэтому вихревые токи, наведенные в стакане незначительны по сравнению с токами во вторичном элементе. Поскольку средняя часть цилиндра находится ниже плоскости катушки, то магнитное поле поднимает вторичный элемент. При кратковременном отключении питания цилиндр опускается под собственным весом. Это позволяет с требуемой интенсивностью перемешивать нагреваемую среду.
Проведенные лабораторные исследования, показали, что доля полезной энергии автоклава лежит в пределах 62% на начальном этапе нагрева и значительно снижается при приближении температуры нагреваемой воды к 50 С. Это можно объяснить увеличением коэффициента теплоотдачи в окружающую среду за счет возросшего испарения с поверхности воды.
В данном случае неизвестным параметром является коэффициент теплоотдачи с поверхности воды. Для получения данного коэффициента была создана математическая модель автоклава на основе эквивалентных тепловых схем. Схема замещения автоклава представлена на рис. 4.3.2.
При моделировании выяснилось, что при подстановке коэффициента теплоотдачи по Нуссельту [77] в функции перепада температур для поверхности воды, график нагрева получается практически линейным (рис. 4.3.3), что противоречит опыту. Поэтому был произведен подбор коэффициента теплоотдачи, при котором графики, полученные опытным и расчетным путями, совпали (рис. 4.3.4). На рисунках Tizm - измеренное значение превышения температуры, Т7 - вычисленное значение температуры воды.
В результате проведенных работ была создана численная математическая модель электромеханических и тепловых процессов в индукционной магнитогидродинамической установке на основе детализированных схем замещения, с ее помощью выполнены исследования и сформулированы рекомендации по исполнению многосекционных индукторов и эффективных режимов работы индукционной тигельной печи а также электромагнитного перемешивателя специальных металлических расплавов.
Конкретные результаты работы сводятся к следующему: 1. Разработана методика расчета электромагнитных процессов в индукционных МГД-установках с кусковой загрузкой. Вторичный элемент представлен в виде упорядоченной совокупности совмещенных проводящих цилиндров, электромагнитные процессы в которых описываются при помощи функций Бесселя. Введены термины "цилиндр-магнитопровод" и "цилиндр-электропровод" для описания электромагнитных процессов в кусковой загрузке, имеющей электрический контакт между кусками. 2. Разработана методика и компьютерная программа расчета гидродинамических процессов в жидком вторичном элементе МГД установок, подвергающемся воздействию электродинамических сил. Программа разработана в среде Mathcad и предполагает получение исходных данных (распределение электродинамических усилий во вторичном элементе) из программы расчета электромагнитных процессов, также реализованной в среде Mathcad. 3. Разработана "быстрая" компьютерная модель динамических тепловых процессов в ИТП на основе метода тепловых схем замещения в одно- и двумерной постановках. В расчетах учитываются зависимости от температуры свойств материалов, а также все виды теплообмена, присутствующие в ИТП. При расчете коэффициента теплопроводности в двумерной модели учтен тепло-массоперенос металла в ванне ИТП со скоростями, полученными при помощи программы расчета гидродинамических процессов. 4. Предложены новые варианты конструкции и схем питания ИТП от полупроводниковых преобразователей частоты. Предлагается использование трехсекционного индуктора для получения возможности управления гидродинамическими и тепловыми процессами в ИТП. С помощью разработанного программного обеспечения было произведено моделирование электродинамических процессов в ИТП с фокусированием мощности путем индивидуальной компенсации реактивной мощности каждой из секций. Также было произведено моделирование электродинамических процессов при питании трехсекционного индуктора от двухчастотного преобразователя частоты, низкочастотный сигнал которого трех-, а высокочастотный - однофазный. Полученный результат позволяет говорить о высокой эффективности формирования электромеханических процессов в ИТП данными способами. 5. Для печи с трехсекционным индуктором с помощью разработанного программного обеспечения были получены частотные характеристики собственных и взаимных электрических сопротивлений секций индуктора, а на их основе - передаточные функции, которые затем используются при моделировании переходных процессов в системе ИТП-ППЧ. 6. С помощью разработанного программного обеспечения были произведены исследования электромагнитных процессов в ИТП на различных стадиях плавки. Полученные расчетные данные в пределах инструментальной погрешности сошлись с экспериментальными. 7. С помощью разработанного программного обеспечения произведено исследования тепловых процессов в ИТП на начальной стадии плавки (тепловыделение во всем объеме металла) и конечной стадии плавки (тепловыделение в пристеночном слое на глубине проникновения тока в металл, в тепловых проводимостях учтен тепломассоперенос жидкого металла). 8. С помощью разработанного программного обеспечения были проведены исследования влияния схемы питания МГД-установки (электромагнитного перемешивателя магниевых сплавов) на картину распределения и величину суммарных усилий, воздействующих на расплав. Произведен поиск схемы с максимальным воздействием на перемешиваемый расплавленный металл и даны рекомендации по ее использованию. 9. Результаты проведенных исследований переданы ЗАО "Рэлтек", ОАО НПП "Либор", а также используются в учебном процессе кафедры ЭЭТС при подготовке специалистов специальности 1805 "Электротехнологические установки и системы".
