Введение к работе
'іктуальность работы. Проблема создания перспективных конструкций и совершенствования методов расчета электромеханических ел, в частности. мапштогидродинамических-МГД) преобразователей энергии несомненно актуальна. Важное место среди этих преобразователей занимают МГД-устройства с бегущим или пульсирующим магнитным полем, используемые в современных экологически чистых и онергосборогапшх технологиях транспортировки и обработки металлических расплавов.
Трудности решения данной проблемы обусловлены особыми требованиями к подобным устройствам металлургического назначения, а также сложностью электромагнитных, гидродинамических, тепловых и физико-химических процессов, происходящих в жидкометалличес-ком вторичном элементе (ВЭ).
Значительный вклад в развитие модельных представлений и понимание физики происходящих явлений при движении проводящей среды в магнитном поле снесли Кирко И.М., Вольдек А.П.. Лиелпе-тер Я.Я., Верте Л.А.. Гельфгат Ю.М.и др. Остроумов Г.А. сформулировал задачу комплексного исследования мГД-машины. Оптимизация конструкций индукционных канальных печей исследовалась з работах Тира Л.Л. Столова U.Я..Золотухина В.А..Тимофеева В.Н.. Колесниченко А.Ф., Гориславца D.M. Конструкции, принципы работы и применение МГД-устройств для дозирования, плавки и рафинирования чёрных я цветных металлов обсухдаются в работах Пслищука В.П.,
Пина М.Р., Горна Р.К.. Дубоделова В.И. Процессы кристаллизации и гидродинамические особенности в жидком металле рассматривались в работах Самойловича D.A. и Паплзша А.И.
Ввиду высокой температуры рабочего тела немагнитный зазор в
мТД-устройствах металлургического назначения имеет значительную величину порядка 0,1 м. Кроме того, во вторичном эломонте нет четко выраженных токовых путей и невозможно выделить направления силовых линий магнитного поля. Уже эти факторы существенны! образом отличают подобные устройства от круговых или линейных асинхронных машин, в которых воздушный зазор мал, а преимущественные направления магнитных потоков заранее известны. Движение рабочего тела в них носит строго определенный характер (одна компонента скорости), а в кидкометаллическом Ю скорость различна в каждой точке токопроводяией среды.
С учетом сказанного процесс проектирования электротехнического устройства с жидкометаллическкм рабочим телом предусматривает решение следующих задач: 1) определение электромагнитных сил. вызывающих движение расплава; 2) исследование движения расплава и связанных с ним тешюмассоооменных процессов: 3) выяснение металлургических особенностей,обусловленных гадроди намическими, электромагнитными и физико-химическими процессами.
Цель работы - создание комплексного подхода при техническом проектировании электромагнитных индукционных устройств для обработки металлических расплавов.
В рамках поставленной проблемы решались следующие вопросы:
-
Развитие метода детализированных магнитных схем замещения, учитывающего насыщение ферромагнитных частей электрической машины, а также поле скоростей движения жядкометадлического вторичного элемента. Расчет статических и динамических параметров.
-
Разработка методики расчета фазных токов первичной обмотки при заданном законе изменения напряжения.
-
Разработка модели, позволявшей оценивать концентрационные
зависимости тешіоОизичесюи характеристик кидкометаллического раоочогс т^л?».
л. Развитие методов модельного списания гидродинамики, процессов кристаллизации и тепломассоперенсса в жидкометаллическом ВЗ. I. Оформление сделанных разработок в виде пакета программ. Ь. Применение модельных представления для описания ряда электротехнических устройств с жидкометаллическим рабочим телом.
Пи; решении поставлешшх задач возникали более частные вопросы, которые обсуждались по году изложения..
Научная новизна. Заключается в комплексном подходе при анализе индукционного электромеханического устройства с жидкоме-таллическим вторячнкм элементом. Она характеризуется:
-
Развитием метода детализированных магнитных схем замещения, учитывашим нелинейные свойства магнитопровода, двумерное поле скоростей движения расплавленного металлического рабочего тела, двумерность магнитного поля, продольные краевые эффекты, неравномерность разбиения моделируемой области.
-
Разработкой методики расчета фазЕых токов первичной обметка при заданном законе изменения напряжения з динамических с статических режимах.
-
Одновременным расчетом гидродинамики, процессов тепломасео-переноса и кристаллизации (с учетом диаграммы состояния) во взаимосвязи с решением электромагнитной задача.
-
Созданием модели, позволятеи оценивать термодинамические и кинетические характеристики Еидкометаллического рабочего тела. в основе которой лежит зрй-модель электронной структуры.
-
Применением указанных модельных предстаалопги для анализа ряда индукционных устройств различного назначения.
Практическая ценность раооты характеризуется факторами:
-
Реализация основной задачи исследования позволит заложить основу системы автоматизированного проектирования электротехнических индукционных устройств с токопроводяшим ВЭ.
-
РазЕитц модельные представления, описывающие электромапит-ные процессы в электрических машинах.. теплоСизические характеристики жидких сплавов на основе d-металлов. процессы переноса импульса, тепла и массы в кристаллизущомся вторичном элементе.
-
Создан пакет программ для расчета электромагнитных параметров индукционных электрических машин с токолроводяким ВЭ.
-
Разработаны программные средства оценки термодинамических и кинетических характеристик двойных металлических расплавов.
-
Реализованы программы расчета поля скоростей, температур и концентрация в жидкометаллическом рзбочем теле с учетом возможного протекания кристаллизационных процессов.
-
Указанные методы и программные сродства приманены при анализе параметров ряда индукционных канальных печей для получения цветных к черных металлов, индуктора для перемешивания стали, погружного нагревателя-перемешквЕ^еля. электродинамического и электромагнитного двигателей.
Работа выполнялась в соответствии с координационными планами АН СССР по проблемам "Теплофізика и теплоэнергетика" (1.9), "Химическая Тбрлодинампка" (2.19). "Скзико-хкмические основы металлургических процессов" (2.26); программой Госкомитета по высшей лжоле по теме "Разработка научных основ технологии вне-гочесй обработки стали в условиях непрерывной разливки и создание нового вгрегата для этого процесса" (1992-1995 гг.): про -граммой ГНИ "Перспективные технологии" (1991-1995 гг.); про-
гракмоа ГНТП "Pscypco-сборегапциэ процессы горно-мэталлургачес-кого производства" (1991- 1995 гг.); г/б темой 1591 "Специальные электрические машины и электромагнитные устройства для транспортных и электротехнологических установок": грантом (N 27 Гр-94) "Разработка основ теории и методов расчета электромагнитных устройств с бегущим или пульсирующим магнитным полем для энер-госоерегащих и экологически чистых технологий в металлургии". Автор защищает:
1. Нелинейное обобщение метода детализированных магнитных схем
замещения, учитывающее двумерное папе скоростей движения рас -
плавленного металлического рабочего тела.
-
Методику расчета фазных токов первичной обмотки при заданном законе изменения напряжения.
-
Модельные построения, позволяющие оценивать теплофизические характеристики зндкометаллического рабочего тела.
л. Результаты теоретических расчетов теплофизических характеристик исследованных расплавов на основе Jfn, Fe, Со, Ht я Си. 5. Результаты теоретических расчетов электромагнитных параметров изученных индукционных электротехнических устройств, а такие гадродинамики. процессов тепломассообмена в аидком металле этих устройств.
6. Методы и программы расчета электромагнитных параметров индукционных электромеханических преобразователей энергии, тендо-фазических характеристик двойных металлических расплавов на основе переходных металлов, а также процессов переноса импульса, тепла и массы в хидкомвталлическом рабочем теле. 7. Выводы, полученные на основе сопоставления опытных и теоретических данных, а такав анализа результатов вычислений.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 1-м Советско-Чехословацком симпозиум.' по теории металлургических процессов (г. Москва, 1989 г.); 5-м всесоюзном совещании "Диаграммы состояния металличоских систем"(г.Звенигород, 1989 г.);
7-й всесоюзной конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов" (г. Челябинск. 1990 г.): 10-й всесоюзной конференции "Физико-химические основы металлургических процессов" (г. Москва. 1991 г); научно-технической cewmape по электромеханике (г. Екатеринбург, 1991 г.): 2-й конференции по высокоазотистым сталям (г. Киев. 1992 г.): семинаре "Нетрадиционные электромеханические преобразователи с компьютерным управлением" (г. Севастополь, 1992 г.); международном научно- техническом семинаре "Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах и в их роботизированном производстве" (г. Суздаль. 1993 г.): научной конференции с международным участием "Проблемы электротехники" (г. Новосибирск, 1993 г.); международной научной конференции "Проблемы энергетики Казахстана" (г. Павлодар, ,1994 г.); 1-й международной конференции по электромеханике н электротехнологии (г. Москва, 1994 Г.).
Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 30 научных работ (в том числе учебное пособие). .
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 342 страницы основного текста. 17 Г рисунок, 16 таблиц и состоит из введеная, 3 частей. 5 глав, заключения, списка литературы из 305 наименований и 9 прилозсениз. Обпий объем диссертащи 526 страниц.
