Индукционные комплексы для инновационных электрометаллургических технологий Фризен Василий Эдуардович

Содержание к диссертации

Введение

1. Аналитический обзор литературы и постановка задачи исследования 15

1.1.Типы и особенности индукционных устройств с проводящей загрузкой 15

1.2. Силовое воздействие на металл в индукционных установках 20

1.3.Специальные конструкции ИТП 23

1.3.1. Трехфазное питание индуктора 23

1.3.2. Перераспределение и фокусирование мощности 31

1.3.3. Индукторы с двухчастотным питанием 33

1.3.4. Источники питания ИТПСТН 35

1.4.Постановка цели и задач исследования 37

2. Методы исследования ИТПСТН 40

2.1.Методы исследования электромагнитных процессов в ИТПСТН 40

2.1.1. Метод Т-образных схем замещения 40

2.1.2. Метод конечных элементов 41

2.1.3. Метод конечных разностей 44

2.1.4. Метод детализированных магнитных схем замещения (ДМСЗ) 45

2.2.Расчет гидродинамических процессов в ИТПСТН 66

2.2.1. Методы описания турбулентных течений 66

2.2.2. Расчет формы свободной поверхности металла 68

2.3.Методы исследования тепловых процессов в ИТП 78

2.3.1. Метод конечных элементов, метод конечных разностей 78

2.3.2. Метод эквивалентных тепловых схем 80

2.3.3. Расчет поля температур в ванне с учетом движения жидкого металла 84

2.4.Выбор методов и постановка задачи исследования 87

2.4.1. Выводы по обзору методов исследования электромагнитного поля в ИТП 87

2.4.2. Выводы по методам исследования гидродинамических процессов в ИТП 89

2.4.3. Выводы по методам исследования тепловых процессов в ИТП 90 3. Исследование характеристик ИТПСТН 91

3.1.Электромагнитные характеристики ИТП

на различных стадиях плавки 91

3.2.Формирование гидродинамических процессов в ИТП 93

3.2.1. Исследование печи с фокусированием мощности 93

3.2.2. Исследование многофазных ИТПСТН с питанием от однофазного источника 105

3.2.3. Методика расчета компенсирующего устройства многофазной индукционной тигельной печи 113

3.2.4. Получение передаточных функций многосекционного индуктора 119

3.3.Исследование тепловых режимов работы ИТП 128

4. Исследование плавильного комплекса на основе ИТПСТН 133

4.1.Компьютерная модель плавильного комплекса 133

4.2.Динамическая модель индукционной тигельной печи 138

4.3. Исследование режимов работы многофункционального плавильного агрегата 151

4.4.Результаты проведенных исследований 163

5. Практическая реализация разработок 165

5.1.Система индукционного нагрева составных заготовок в производстве сверхпроводящих проводников 165

5.2.Система комбинированного нагрева отработавших тепловыделяющих сборок реактора ВВЭР-1000 172

5.2.1. Объект исследования. Описание конструкции тепловыделяющей сборки и экспериментальной установки 172

5.2.2. Описание компьютерных моделей 174

5.2.3. Результаты математического моделирования процесса индукционного нагрева сборки в экспериментальном индукторе с установкой дополнительных нихромовых стержней 179

5.2.4. Расчет комбинированного нагрева сборки 181

5.3.Лабораторный индукционный плавильно-литейный комплекс 187

5.3.1. Индукционная тигельная печь 189

5.3.2. Многофункциональный плавильный агрегат 191

5.3.3. Кристаллизатор с электромагнитным воздействием на жидкую фазу слитка 204

5.4.Электромагнитный перемешиватель для получения композитного

материала в производстве химических элементов тока 205

5.5.Лабораторный стенд "Индукционный автоклав" 215 5.6.Турбоиндукционная печь в составе плавильно заливочного комплекса 224

Заключение 230

Библиографический список

• Силовое воздействие на металл в индукционных установках
• Метод конечных элементов
• Выводы по методам исследования гидродинамических процессов в ИТП
• Исследование режимов работы многофункционального плавильного агрегата

Введение к работе

Актуальность темы. На современном этапе развития промышленности, науки, техники и технологии появились предпосылки качественного скачка на новый уровень с появлением новых материалов, обладающих уникальными свойствами. Использование новых материалов в различных сферах связано с разработкой новых технологий, позволяющих обеспечить достаточную производительность при высоком качестве продукции. Например, расширение производства сверхпроводящих проводников привело к потребности увеличения производительности существующих технологических комплексов, и внедрения в связи с этим технологий интенсивного нагрева. Современной наукой предлагаются также новые конструкционные композитные металло-матричные материалы. Промышленный комплекс в кратчайшие сроки должен предложить технологическое оборудование для получения указанных материалов в достаточных количествах. Вновь разрабатываемое для этих задач оборудование должно также отвечать современным требованиям по энерго- и ресурсосбережению. Важность вышеназванной задачи усугубляется сложившейся обстановкой, в которой Россия, обладая существенными запасами сырья, экспортирует за рубеж низкотехнологичную продукцию и получает назад продукцию, произведенную из своего же сырья, но более высоких переделов, и по существенно более высоким ценам. Собственные же технологии либо не отвечают требованиям ресурсо- и энергоемкости, что сказывается на величине добавленной стоимости, либо не обеспечивают достаточную производительность.

Индукционный нагрев и плавка металла для решения вышеназванных задач являются наилучшим решением по обеспечиваемой производительности и точности.

В настоящее время одним из наиболее перспективных методов плавки металлов является плавка в индукционных тигельных печах (ИТП). В нем сочетается контролируемое термическое воздействие на расплавляемый металл с электромеханическим воздействием, вызывающим интенсивное перемешивание металла в тигле. 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, увеличивая тем самым удельную мощность установки по сравнению с вариантом питания 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.

1. Современный подход к использованию ИТП как высокоэффективного и экономичного плавильного агрегата предполагает управление тепловым и электродинамическим воздействием на расплавляемый металл на всех стади-

ях плавки. Целью этого подхода являются снижение времени плавки и улучшение качества получаемого металла, что имеет большое значение в литейном производстве, где плавильные агрегаты на основе ИТП зарекомендовали себя наилучшим образом.

1. Использование электродинамического воздействия на жидкий металл позволяет создать новые агрегаты с расширенными функциональными возможностями – агрегаты специального технологического назначения (АСТН). Один из них получил название «многофункциональный плавильный агрегат» (МПА). Основу многофункционального плавильного агрегата образует ИТП. Конструктивной особенностью печи в данном случае является то, что высота и внутренний радиус тигля соизмеримы по величине (как известно, в типовой конструкции ИТП высота тигля много больше его внутреннего диаметра). Такое соотношение размеров во многом связано с особенностями технологических операций, поэтому ряд требований, которые предъявляются к классической ИТП, неприемлем для МПА. В частности, при восстановлении металлов из оксидов методом жидкофазного восстановления на вращающейся жидко-металлической подложке выделяется избыточная тепловая энергия за счет экзотермических реакций. Функция индуктора по нагреву загрузки должна быть заменена функцией отвода этой энергии («реверс» печи), превалирующей становится функция обеспечения вращения расплава с необходимой угловой скоростью, обеспечивающей создание параболической лунки достаточной глубины. Лунка образует своеобразный «сосуд» для оксидов и шлака. Эту функцию выполняет индуктор электромагнитного вращателя (ЭМВ) с вращающимся магнитным полем.

2. Для получения металломатричных композитных материалов особенно актуально получить высокую однородность состава в объеме ванны. Это может быть достигнуто только при интенсивном перемешивании металла в ванне при одновременном вмешивании твердой фазы композита в металлическую матрицу. Агрегат, отвечающий этим требованиям и получивший название турбоиндукционной тигельной печи (ТИТП), также имеет в своем составе "греющий" индуктор и ЭМВ.

Если индуктор ИТП питается от инвертора средней частоты, то индуктор ЭМВ питается от преобразователя регулируемой (от средней до низкой) частоты в зависимости от этапа технологического цикла. Если к тому же учесть, что индукторы и система охлаждения МПА должны отводить избыточное тепло на основной технологической операции, то необходимо рассмотрение работы агрегата как многокомпонентного комплекса, в который входят индукторы ИТП и ЭМВ, источники их питания, системы компенсации реактивной мощности, система охлаждения, система контроля и управления режимами работы.

Функции "перемешивателя" и "нагревателя" в различных агрегатах могут превалировать по отношению друг к другу. В ряде случаев удается частично совместить функции нагревателя и двигателя в одном устройстве, например, в индукционных лабораторных перемешивателях для получения специальных сплавов (ИПСС) для химических источников тока и индукционных

перемешивателях жидкой фазы слитка (ИПЖФС) в процессе кристаллизации в установках непрерывного и полунепрерывного литья.

4. В настоящее время актуальным является вопрос энергоэффективности нагревательных установок. Индукционный нагрев позволяет в большинстве случаев обеспечить экономию энергии. Однако в ряде случаев при нагреве сложных составных загрузок (ССЗ) для обеспечения точности и равномерности нагрева необходимо использовать специальные конструкции индукторов и системы их электропитания.

5. Конструкция индукторов и источников питания современных ИТП не отвечает вновь поставленным задачам по обеспечению высокой производительности при нагреве и управляемому магнитогидродинамическому воздействию на расплав в ванне печи. Это привело к постановке задачи синтеза новых конструкций и систем питания ИТП специального технологического назначения (ИТПСТН) с многосекционным индуктором, обеспечивающим более гибкое воздействие на металл как при нагреве, так и при перемешивании.

Для предварительного анализа электромагнитного воздействия на расплавляемый металл и расчета параметров и интегральных характеристик таких ИТП необходимо иметь 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. 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, кусковый характер загрузки печи в начальный период плавки. 1. Наиболее подходящим инструментом для исследования 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, состоящие 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, известные инженерные методы расчета ИТП, использующиеся при разработке данных агрегатов, имеют слишком большое число допущений, например, при расчете интегральных электрических параметров печи они не способны учесть трехфазный характер питания индуктора, 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 различных режимов работы устрой-

ства, изучению его как элемента системы или объекта управления, а также быстродействию.

2. Одной из важнейших функций вновь создаваемых агрегатов на основе ИТП является управляемое электромеханическое воздействие на расплав. В связи с этим возникает задача создания относительно быстрых математических моделей движения расплавленного металла в ванне. Важной задачей является также расчет формы свободной поверхности расплава, поскольку для ряда агрегатов (например, МПА) этот фактор является определяющим с позиций технологических операций, происходящих на поверхности расплава.

3. Важным фактором при разработке конструкции установок индукционного нагрева и плавки является согласование электрических параметров и характеристик источников питания. Для обеспечения всего многообразия воздействий на металл в качестве источников питания могут использоваться как силовые трансформаторы, так и различная преобразовательная техника. Сложный характер процессов, происходящих в комплексах на основе МПА, ТИТП, ИТП, ИПСС, установок индукционного нагрева, взаимное влияние этих процессов, вызывает необходимость проведения анализа их динамики. В ряде случаев для управления технологическим процессом необходимо использовать данные, которые сложно получить прямыми методами измерения. Они вычисляются в реальном времени с помощью математической модели. В этом случае к математической модели предъявляются особые требования по быстродействию и точности расчета.

Объектом исследования является комплекс на основе индукционной многоиндукторной тигельной печи специального технологического назначения с одно- и многофазным питанием, предназначенный для оказания на металл управляемого электротермического и электромеханического воздействий, обеспечивающих движение металлического расплава в заданном направлении с заданной скоростью и с контролируемым нагревом.

Предмет исследования: электрические, электромагнитные, гидродинамические и тепловые процессы в индукционных комплексах на основе одно- и многоиндукторных тигельных печей специального технологического назначения с одно- и многофазным питанием.

Цель работы: обобщение теории, создание математических моделей и исследование индукционных комплексов на основе тигельных печей с одно- и многофазным питанием, выработка рекомендаций по формированию энергоэффективных конструкций, схем питания и режимов их работы.

Решаемые задачи:

1. Анализ существующих конструкций ИТП с управляемым электромагнитным воздействием на металл, а также методов расчета их характеристик.

2. Разработка комплекса математических моделей на основе детализированных электрических, тепловых и магнитных схем замещения, метода конечных разностей (МКР) и конечных элементов (МКЭ) для использования при проектировании агрегатов на основе ИТП с управляемым воздействием на металл и анализе взаимосвязанных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в них.

3. Синтез и исследование конструкций многоиндукторных ИТП с управляемым воздействием на металл.

4. Разработка методики расчета системы питания многосекционной ИТП с управляемым воздействием на металлический расплав от однофазного источника питания.

5. Создание математической модели динамики тепловых и электрических процессов в комплексе на основе МПА. Исследование режимов работы МПА.

6. Создание и исследование экспериментальных образцов установок на основе специальных ИТП, сравнение результатов их математического моделирования с экспериментальными данными.

7. Формулировка рекомендаций к основным техническим решениям для создания опытно-промышленных образцов рассматриваемых ИТП с управляемым воздействием на металл, агрегатов и комплексов на их основе.

Методы исследования. В работе используются методы теории электрических машин и теории цепей, метод эквивалентных тепловых схем замещения, методы конечных разностей и конечных элементов. Основной ряд задач реализован в пакетах Mathcad и MATLAB, позволяющих провести расчет всех параметров в одном формуляре. Используются методы компьютерного моделирования с помощью пакетов Elcut и Comsol Multiphysics, предназначенных для анализа полевых задач. Также используются физические методы исследования с применением лабораторных установок.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации обоснована корректным использованием математического аппарата и законов электродинамики, сходимостью результатов математического моделирования и экспериментальных данных лабораторных образцов многосекционных ИТП, результатами успешной эксплуатации опытно-промышленных образцов.

Научную новизну представляют:

1. Научно обоснованные принципы создания специальных индукционных печей с управляемым электромагнитным воздействием на расплавленный металл.

2. Комплекс математических моделей на основе детализированных электрических, магнитных и тепловых схем замещения для исследования взаимосвязанных электромагнитных, гидродинамических и тепловых процессов в ИТП с управляемым электромагнитным воздействием на металл в статических и динамических режимах.

3. Методика расчета систем питания многосекционных индукторов от
однофазного источника питания.

4. Результаты исследования характеристик индукционных комплексов на
основе специальных одно- и многоиндукторных тигельных печей и рекомен
дации по синтезу энергоэффективных конструкций и режимов их работы.

Практическая ценность заключается в следующем:

- Разработан алгоритм и программное обеспечение для расчета электромагнитных процессов в ИТП с кусковой загрузкой на начальной стадии плавки.

Разработан алгоритм расчета сил, воздействующих на жидкий металл в тигле ИТПСТН, 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 формы свободной поверхности металла в ванне индукционной печи специального назначения с учетом сложного характера движения металла (одновременное вращение ванны и движение в плоскости продольного сечения ванны).

Предложены принципы построения, и на основе этих принципов создан ряд компьютерных моделей тепловых процессов в загрузке индукционных нагревателей, имеющей сложную внутреннюю структуру.

Разработан комплекс программных средств для математического моделирования электромагнитных и тепловых процессов в индукционном комплексе на основе одно- и многоиндукторных ИТП специального технологического назначения.

Разработана методика и программное обеспечение для расчета сложной схемы компенсации реактивной мощности многосекционной индукционной печи для создания в ней бегущего вдоль оси тигля магнитного поля.

Созданы лабораторные модели ИТП специального технологического назначения для проверки корректности представленных математических моделей и эффективности предлагаемых конструктивных решений.

Реализация

3. Результаты исследования электромагнитных и тепловых процессов в современных плавильных агрегатах для разработки и проектирования современных энергоэффективных индукционных печей переданы ЗАО «РЭЛТЕК» (г. Екатеринбург).

4. Результаты исследования установки для индукционного нагрева составных заготовок в производстве сверхпроводящих проводов переданы ЗАО «РЭЛТЕК» (г. Екатеринбург).

5. Результаты исследования установки для индукционного нагрева отработавших тепловыделяющих сборок ядерных реакторов переданы в ОАО «СвердНИИхиммаш» (г. Екатеринбург).

6. Результаты предварительных исследований и разработанная документация по теме НИОКР «Разработка и создание турбоиндукционных печей» переданы ООО «РЭЛТЕК» (г. Екатеринбург).

7. Результаты работы используются на кафедре электротехники и электротехнологических систем УрФУ в учебном процессе, при курсовом и дипломном проектировании, проведении научных исследований и лабораторных работ.

6. Диссертационная работа подготовлена в рамках государственных программ:

целевой программы министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)» «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 на-нопорошками алюмоматричных лигатурных сплавов, полученных методом турбоиндукционного переплава (2011 г.)»;

государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации на выполнение НИР «Разработка теоретических основ и математическое моделирование автоматизированных технологий и агрегатов по производству новых эффективных нано- и конструкционных материалов с применением плазменных, акустических и индукционных методов обработки»;

подпрограммы "Развитие отечественного станкостроения и инструментальной промышленности" на 2011 - 2016 годы федеральной целевой программы "Национальная технологическая база" на 2007 - 2011 годы. "Создание плавильно-заливочного формующего комплекса на базе турбоиндукционных печей для получения фасонных отливок из композиционных материалов методом тиксоли-тья".

Основные положения, выносимые на защиту:

8. Комплекс математических и компьютерных моделей индукционных АСТН на основе детализированных электрических, тепловых и магнитных схем замещения.

9. Компьютерные модели комплексов на основе ИТП и АСТН на базе ИТП, включающих плавильный агрегат, источники питания и систему управления комплексом.

10. Методика расчета специального компенсирующего устройства многофазной ИТП, получающей питание от однофазного источника питания.

11. Рекомендации по конструктивному исполнению, схемам соединения и питания обмоток АСТН на базе ИТП, улучшающие их рабочие характеристики.

Апробация. Основные результаты доложены, обсуждены и одобрены на следующих научных мероприятиях:

- IV международный симпозиум «ЭЛМАШ-2002. Перспективы 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.

5-ая Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение», Крым, Алушта, 2003 г.

- 5-ая Международная конференция «Электромеханика, электротехника и
электротехнологии» МКЭЭЭ-2003, Часть II, Москва. 2003.

- Six International Conferece On Unconventional Electromachanical And
Electrical Systems, Vol. 2, Alushta, Ukraine, september 24-29, 2004.

Электротехнология на рубеже XX-XXI веков. Науч.-техн. Семинар, посвященный 100-летию профессора А.Д. Свенчанского. Москва. МЭИ. 2005.

Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий. Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием. Екатеринбург. 2006.

XI Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», МКЭЭЭ-2006 (ICEEE-2006). МЭИ. Москва. 2006.

Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XIII Бенардосовские чтения). Иваново. 2006.

International Simposium on Heating by electromagnetic Sources. Padua. Italy. June 19-22. 2007.

Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты - МКЭЭ-2008». Крым. Алушта. 2008.

Международная научно-практической конференции «Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева». С-Пб. 2009.

International Simposium on Heating by electromagnetic Sources. Padua. Italy. May 18-21. 2010.

IV Lubuska Konferencja Naukowo-Techniczna – i-MITEL 2010. 21-23 Kwietnia 2010

Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-11. Екатеринбург. 2011.

Tenth International Conference on Advanced Methods in the Theory of Electrical Engineering, Klatovy. Czech Republic. September 6-9. 2011.

VII Lubuska Konferencja Naukowo-Techniczna – i-MITEL 2012.

XVII Congress Energy efficient, economically sound, ecologically respectful, educationally enforced electrotechnologies. St.Petersburg, 21 – 25 MAY 2012.

«Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах». Севастополь. 2012.

- XIV Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты - МКЭЭ-2012». Крым. Алушта. 2012.

Публикации. Общее количество публикаций по теме диссертации – 94, в том числе 2 учебных пособия, 22 в издательствах, утвержденных перечнем ВАК, получен патент на полезную модель.

Личный вклад автора состоит в постановке задачи исследования, разработке математических и компьютерных моделей индукционных печей специального технологического назначения, проектировании, изготовлении и исследовании лабораторных и опытно-промышленных образцов вышеназванных устройств.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, 4 приложений. Общий объем 317 страниц. Основная часть изложена на 247 страницах машинописного текста, иллюстрирована 154 рисунками, 13 таблицами. Список использованной литературы содержит 202 наименования.

Соответствие научной специальности. Исследование, проводимое в рамках диссертационной работы, полностью соответствует области исследования, приведенной в паспорте специальности 05.09.10 Электротехнология. А именно:

12. Развитие общей теории передачи электромагнитной энергии в сложные среды, разработка методов физического и математического моделирования явлений, возникающих при взаимодействии электромагнитного поля с веществом и конструктивными материалами технологических установок.

13. Обоснование совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнологических комплексов и систем.

14. Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнологических комплексов и систем, их оптимизация, разработка алгоритмов эффективного управления.

15. Разработка новых технологических процессов для получения чистых металлов, сплавов с заданными физическими и химическими свойствами, в том числе для нужд полупроводниковой промышленности.

Силовое воздействие на металл в индукционных установках

Основой любого индукционного устройства является индуктор, который создает электромагнитное поле с заданными параметрами в объеме, занятом проводящей загрузкой (вторичным элементом). Тип устройства определяется видом и свойствами вторичного элемента.

Большую группу составляют устройства с проводящим дисперсным или мелкокусковым вторичным элементом. Сюда относятся магнитные или электродинамические сепараторы в технологиях сепарации отходов, обогащения сырья или водоочистки [23,24,25,26,39,67,115,171]. Индуктор выполняет соответствующую технологическую операцию путем электромеханического воздействия на проводящие частицы. Сюда же можно отнести и индукционную тигельную печь (ИТП) на начальной стадии работы, когда осуществляется индукционный нагрев загрузки, состоящей из отдельных проводящих кусков шихты [40,41,156,172]. Режимы работы установок индукционного нагрева сложных составных заготовок (УИНССЗ) подобны режимам работы ИТП на начальном этапе плавки, что позволяет использовать общий математический аппарат для описания теплофизических и электромагнитных процессов в загрузке этих устройств со смещением акцента от интегральных параметров индуктора (в ИТП) к более подробному рассмотрению поля в загрузке (в УИНССЗ) [13,121]. В ряде случаев для обеспечения необходимого качества нагрева ССЗ оправдано применение многофазных индукторов с бегущим и вращающимся магнитными полями [59,98]. При этом необходимо иметь представление о процессах, происходящих в загрузке, расположенной в различных зонах установки, и, по возможности, управлять этими процессами.

На рис. 1 приведены примеры поперечных сечений составных заготовок со сложным характером протекания теплофизических процессов. При нагреве заготовки на рис. 1, а важно было обеспечить равномерность распределения температур по сечению, что сложно реализовать при нагреве в пульсирующем поле. Элементы составной заготовки находятся в поле равной напряженности и соответственно имеют одинаковую мощность тепловыделения, но теплоотдача от периферийных элементов выше, что и приводит к указанной неравномерности температурного поля. Применение в данном случае вращающегося или бегущего поля может решить указанную проблему.

На рис. 1, б приведено сечение внутреннего наполнения составной заготовки, помещаемого в бронзовую трубу, с заваренными с торцов крышками. При нагреве такой заготовки важно обеспечить помимо высокой скорости нагрева также и высокую равномерность распределения температур по сечению заготовки. Первое условие решается применением индукционных нагревателей, необходим лишь подбор соответствующего режима нагрева заготовки, учитывающий сложный характер теплообменных процессов в ней и удовлетворяющий требованиям по равномерности нагрева. Задача по обеспечению равномерности нагрева может быть решена, например, если заготовки перемещаются вдоль двухзонного индуктора, каждая из зон которого кратна длине заготовки и получает питание от отдельного источника. При этом возможна настройка каждой зоны на заданный уровень мощности. В первой зоне осуществляется форсированный нагрев оболочки, во второй – обеспечивается выравнивание температур по сечению заготовки.

Примеры сечений сложных составных заготовок а) тепловыделяющая сборка реактора ВВЭР-1000, б) заготовка для изготовления сверхпроводящего провода Вторую группу составляют устройства, в которых осуществляется как термическое так и электромеханическое воздействие на металлический расплав. Сюда в первую очередь следует отнести магнитогидродинамические насосы, предназначенные для перекачивания жидкого металла в технологиях литья заготовок [22,46,123,158]. Они должны преимущественно соответствовать заданным требованиям по расход-напорным характеристикам, а также по условиям работы, прежде всего с точки зрения нагрева обмотки индуктора. Также сюда можно отнести различные перемешиватели, задействованные в технологиях получения сплавов [42,45,48,52,71,100,103,104,114,116,117,119,120,163,164,189] и перемешиватели металлов в процессе кристаллизации [58,107,115,116,126,136,159,161,168]. К этой же группе устройств относятся ИТП с жидкометаллической загрузкой [23,40,41,102,105,107,108,166] и плавильные агрегаты на их основе [25,26,104,137,167]. Электромагнитные процессы в жидком металле, заполняющем тигель на этапе расплавления и перегрева, существенно отличаются от процессов в кусковой загрузке. На этом этапе индуктор осуществляет и термическое, и силовое воздействие на металл. В этом случае ИТП позволяет решать специальные металлургические задачи – управление физико-химическими процессами на границе между шлаком и металлом или же вводимыми в металл легированными или обогащающими веществами, между металлом и материалом футеровки, между веществами различной плотности и различных физико-химических свойств.

Метод конечных элементов

Для построения динамической модели системы ИТП - ППЧ необходимым условием является получение передаточных функций элементов данной системы. Модель, учитывающая допущения, описанные в п. 3.2.1. слабо отражает динамические процессы в системе ИТП-ППЧ. Во-первых, при нулевой частоте активная составляющая комплексного взаимного сопротивления должна быть равна нулю, так как в этом случае отсутствуют потери при магнитной связи контуров, а сделанное допущение при нулевой частоте добавляет в схему замещения дополнительное сопротивление. Во-вторых, характер зависимости собственных и взаимных индуктивностей секций может быть различным. Поэтому методику расчета частотных характеристик решено было усовершенствовать, с целью получения передаточных функций, пригодных для использования в динамических моделях системы ИТП-ППЧ.

Передаточные функции секций индуктора можно получить преобразованием численными методами частотных характеристик секций индуктора ИТП в передаточные функции, которым с достаточной точностью соответствуют данные частотные характеристики. Для получения частотных характеристик была использована модель, созданная в программе Mathcad и описанная ранее в гл. 2., с введением следующих поправок: 1. частота питающего напряжения (тока) задана в виде вектора, состоящего из z элементов в диапазоне от 5 до 500 Гц с шагом 5 Гц; 2. для каждой частоты расчет выполняется с собственным наиболее рациональным разбиением рабочей области на слои с целью исключения отрицательных толщин слоев при автоматическом разбиении на слои, а также для выполнения условия: /г. tz, результатом расчета является зависимость собственных и взаимных комплексных сопротивлений (проводимостей) секций индуктора от частоты. Поскольку расчетная частота меняется в столь широком диапазоне, то и условия разбиения рабочей области на слои должны меняться значительным образом. При разбиении фиксируются основные геометрические размеры печи: 1. внутренний диаметр индуктора, D1 ; 2. внешний диаметр тигля, D2 ; 3. число слоев, в которых закладывается обмотка индуктора; 4. число слоев в зазоре между индуктором и расплавленным металлом. Остальные слои разбиваются с выполнением вышеописанных условий.

Для учета кольцевого поверхностного эффекта в трубке индуктора, ее сопротивление учитывается как изменением толщины слоев, отведенных под индуктор, так и проводимостью каждого из слоев. В данном примере индуктор разбит на два слоя. При расчете учитывается также и проводимость боковых стенок трубки.

Далее производится расчет собственных и взаимных сопротивлений секций индуктора на каждой из частот выбранного диапазона с использованием индивидуального разбиения, соответствующего данной расчетной частоте.

В результате получаем вектор, состоящий из z элементов, каждый из которых представляет собой матрицу вида (3.2), в данном случае имеющую размерность 3х3. Из данного вектора нетрудно получить зависимости собственных и взаимных активных и реактивных сопротивлений от частоты, которые и будут являться частотными характеристиками элементов схемы замещения данной цепи. Для сравнения исходные величины удобно представить в относительных единицах (Рис. 3.24). За базовую частоту взята рабочая частота печи 250 Гц, поэтому все кривые изображенные на Рис. 3.30 сходятся в одной точке. Здесь R21 – активная составляющая взаимного комплексного сопротивления между второй и первой секциями индуктора соответственно; R22 – собственное активное сопротивление второй секции индуктора; R23 – аналогично R21 активная составляющая взаимного комплексного сопротивления между второй и третьей секциями индуктора соответственно; L11 – собственная индуктивность секции индуктора; L12 и L13 взаимные индуктивности между первой и второй и

Частотные характеристики собственных и взаимных активных сопротивлений и собственных и взаимных индуктивностей одной из секций: активные сопротивления при нулевой частоте (питание индуктора постоянным током); 2 - индуктивность пустого индуктора (отсутствуют поверхностный эффект и вихревые токи во вторичном контуре); 3 - зона неопределенности, связанная с ошибками разбиения при смене частоты.

При частоте, равной нулю, программа, с применением которой построены кривые на рис. 3.24 не может произвести вычисления параметров цепи, поэтому для этой точки воспользуемся аналитическими выражениями для общего случая (магнитное поле соленоида с постоянным током), не используя детализацию расчетной области и не прибегая к сложным вычислениям.

Например, очевидно, что кривые R21 и R23 должны сходится в точке с координатами (0,0), так как при нулевой частоте отсутствуют наведенные вихревые токи во вторичном контуре; кривая R22 в нулевой точке должна отражать собственное активное сопротивление секции индуктора постоянному току (кольцевой поверхностный эффект в индукторе отсутствует), которое нетрудно вычислить вручную. Эта область на рис. 3.24 обведена кружком с номером 1.

Выводы по методам исследования гидродинамических процессов в ИТП

Блок теплового расчета реализован с помощью метода детализированных тепловых схем. При использовании этого метода имеет смысл производить разбиение на отдельные тепловые массы объектов с одинаковыми теплофизическими свойствами в том случае, если они находятся в различных с точки зрения теплообмена условиях.

В данном случае целесообразно производить разбиение модели послойно, поскольку отдельные трубки в рядах сборки находятся примерно в равных условиях. Отдельно следует рассматривать трубки ПЭЛ и центральную трубку, имеющие отличающиеся от других трубок габариты, теплофизические свойства и удельную мощность тепловыделения.

Определение температуры в каждом узле тепловой цепи производилось путем решения системы дифференциальных уравнений, каждое из которых записано для отдельного узла цепи и в общем виде может быть представлено следующим образом: где Сj - теплоемкость материала узла; ті - масса материала; tj - температура узла; Gj - тепловая проводимость, Р - мощность, тепловыделения в узле. Тепловая схема замещения представлена на рис. 5.8.

Тепловые проводимости между узлами определяют условия теплообмена. В конечном варианте тепловой модели принято допущение, что теплообмен между трубками сборки осуществляется посредством излучения и конвекции. В соответствии с этим общее выражение для определения тепловой проводимости между трубками сборки может быть записано в следующем виде: 5,76-L-Nce -F

Nce - количество элементарных связей для данного узла и данного вида пары трубок. Расчетное количество элементарных связей между слоями и эквивалентная поверхность теплообмена излучением были получены с помощью диаграмм на рис. 5.9, F - эквивалентная расчетная поверхность теплообмена, а - конвективный коэффициент теплоотдачи, t1ut2 - температуры узлов, между которыми осуществляется теплообмен Взаимные поверхности излучения пар тел для ОТВС с учетом геометрии объектов и расстояний между ними сведены в табл. 5.2. Таблица 5.2 Наименование пары тел Взаимная поверхность излучения F, мм2/мм Примечания Центр – ТВЭЛ2 2,375 ТВЭЛ - ТВЭЛ2 1,94 ПЭЛ - ТВЭЛ2 2,72 Центр – ТВЭЛ 4,3 ТВЭЛ - ТВЭЛ 3,36 ТВЭЛ - ПЭЛ 4,99 ТВЭЛ – ТВЭЛ 2 штрих 1,94 ТВЭЛ – ПЭЛ2 штрих 2,72 Пара ТВЭЛ - плоскость 10,88 Независимо от расстояния м/у трубками и стенкой, с учетом влияния соседних пар трубок.

Для пары трубок, излучающих на плоскость через ряд с учетом влияния излучения соседних пар, и, следовательно, вне зависимости от расстояния между парой трубок и плоскостью принимается поверхность как в п. 2, но с учетом экранирования промежуточным рядом трубок путем применения коэффициента диафрагмирования = 0,88 согласно [191] (кривая зависимости коэффициента диафрагмирования от ширины бесконечной щели А). При этом ширина щели А, исходя из расстояния между поверхностями соседних ТВЭЛ, равна 3,7 мм.

Результаты математического моделирования процесса индукционного нагрева сборки в экспериментальном индукторе с установкой дополнительных нихромовых стержней В программе исследований заказчиком были определены задачи по исследованию влияния нихромовых стержней, установленных между индуктором и сборкой, на перепад температур по сечению сборки.

Целью данного исследования является определение необходимого количества и размеров нихромовых стержней, обеспечивающих требуемое минимальное значение температурного перепада по сечению сборки. Поскольку размеры индуктора при этом остались неизменными, керамическую прокладку между сборкой и стержнями не устанавливали. Сечение одного из исследованных вариантов представлено на рис. 5.10. По результатам проведенных исследований были сделаны следующие выводы: 1. Ни в одном из вариантов скорость нагрева нихромовых стержней не превысила скорости нагрева трубок сборки. 2. Положительные стороны от применения дополнительных нагревательных элементов могут проявляться только в том случае, если их температура будет выше температуры нагреваемого объекта, как и в любой другой печи. В противном случае идет обратный отток тепла. 3. Внесение в футеровку нихромовых стержней оказывает благоприятное воздействие на повторяемость результатов при ступенчатом перемещении сборки относительно индуктора, но в разы увеличивает тепловые потери, поскольку толщина теплоизоляции уменьшается на величину диаметра стержней и поскольку наиболее нагретая зона (нихромовые стержни) приближается к стенке индуктора. 4. Все варианты без предварительного разогрева футеровки тем или иным способом показали существенно худшие результаты по перепаду температур по сечению сборки по сравнению с вариантами с предварительным разогревом.

Исследование режимов работы многофункционального плавильного агрегата

Исходное сырье содержит FeO = 80 %; Fe2O3 = 20 %. Технологический процесс предполагается вести в следующей последовательности: 1. Загрузка БЖ, массой 3000 кг, расплавление и перегрев до температуры 1600 С. Запуск электромагнитного вращателя. 2. Загрузка в агрегат ферросилиция массой 1000 кг. Нагрев и растворение его в подложке. 3. Загрузка части окалины массой 500 кг, ее нагрев и расплавление. Температуру подложки увеличиваем до 1700 С. 4. Начало реакции восстановления железа кремнием с образованием шлака на основе SiO2 – продукта от реакции восстановления. Ведение плавки с непрерывной досыпкой окалины (3350 кг). Время реакции задано 15000с.

При проведении расчетов приняты следующие допущения: 1. Геометрия лунки имеет вид конуса. 2. Слив металла и шлака происходит моментально без изменения геометрии лунки. 3. Мощность, передаваемая в загрузку от вращателя (250 кВт), является постоянной величиной и не изменяется при изменении геометрии лунки. 4. Скорость вращения подложки задана постоянной. 5. Время реакции восстановления 15000 с. процесса переработки титаномагнетитовых песков

Халактырского месторождения. Технологический процесс предполагается вести в следующей последовательности: 1. Загрузка железа, массой 5000 кг, расплавление. Запуск электромагнитного вращателя и перегрев до температуры 1700 С. 2. Загрузка в агрегат алюминия массой 1062 кг. Нагрев и растворение его в подложке. 3. Загрузка части Халактырского песка и известьсодержащего шлака, общей массой 500 кг и нагрев до температуры 1700 С. Температуру подложки увеличиваем до 1800 С. 4. До начала реакции восстановления слив 4000 кг железа из подложки. 5. Начало реакции восстановления: железа алюминием, кремния алюминием, титана алюминием, ванадия алюминием с образованием тепловой массы шлака Т3 (продукты реакции восстановления, а также нагретые компоненты из тепловой массы реагента, не вступавшие в реакцию) с непрерывной досыпкой Халактырского песка и известьсодержащий шлак (2850 кг). Время реакции задано равным 5000 с. 6. Охлаждение подложки до температуры 2050 С. 7. Загрузка части Халактырского песка массой 1000 кг и нагрев ее до температуры 2000 С. Температуру подложки увеличиваем до 2100 С. 8. Начало реакций восстановления: железа кремнием, ванадия кремнием, ванадия титаном. Время реакции задано равным 8000 с. 9. Охлаждение подложки до температуры 1700 С и слив 2350 кг металла из подложки. Принятые допущения: 1. Геометрия лунки имеет вид конуса. 2. Слив металла и шлака происходит моментально без изменения геометрии лунки. 3. Мощность, передаваемая в загрузку от вращателя (250 кВт), является постоянной величиной и не изменяется при изменении геометрии лунки. 4. Скорость вращения подложки неизменна. 5. Время реакции восстановления 1 этапа задано равным 10000 с, второго этапа – 8000 с. На рис. П2.12 приведена технологическая схема переработки окалины в МПА

Энергетические параметры, полученные при моделировании. Энергия, отведенная водой, охлаждающей стенки ванны агрегата: во время первой реакции, длительностью 10000 с составила 1,384 ГДж; во время второй реакции, длительностью 8000 с – 1,048 ГДж; суммарная – 2,432 ГДж. Энергия, отведенная водой со свода: во время первой реакции, длительностью 10000 с составила 7,2 ГДж; во время второй реакции, длительностью 8000 с составила 4,4 ГДж. Суммарная энергия 11,6 ГДж. Энергия, отведенная от подины: во время первой реакции, длительностью 10000 с – 0,08 ГДж; во время второй реакции, длительностью 8000 с – 0,165 ГДж. Суммарная 0,245 ГДж Энергия, подведенная от вращателя: во время первой реакции, длительностью 10000 с – 2,5 ГДж; во время второй, длительностью 8000 с – 2 ГДж. Суммарная – 4,5 ГДж.

Энергия реакций восстановления: во время первой реакции, длительностью 10000 с составила 10,274 ГДж; во время второй, длительностью 8000 с – 8,404 ГДж. Суммарная – 18,678 ГДж.

Характеристики вращателя расплава турбоиндукционной тигельной печи Характеристики бокового вращателя Расчеты характеристик боковой и торцевой частей индукционного вращателя металла в узкой (основной) и расширенной областях тигля (рис. 1.2, в и рис. 5.59) проводились с помощью метода детализированных электрических и магнитных схем замещения, а также метода конечных разностей при определении поля скоростей вращения металлического расплава [155,112].

Электромагнитный расчет Электромагнитный расчет производится с использованием многослойной детализированной магнитной схемы замещения для цилиндрического индуктора при моделировании боковой области вращателя или плоского прямоугольного индуктора, к которому с учетом большого диаметра тигля приближенно можно привести торцевую область вращателя.

При этом полная магнитная схема замещения формируется путем каскадного включения многополюсников, каждый из которых соответствует магнитной цепи отдельного зубцового деления, как показано на рис. П3.1. Продольный краевой эффект отсутствует, поскольку последний по нумерации многополюсник замыкается на зажимы первого. В рассматриваемом случае модель имеет 12 участков (зубцовых делений) по длине и 25 слоев по высоте зоны моделирования, т.е. двенадцать 25-слойных многополюсников.