Магнитогидродинамический перемешиватель алюминиевых расплавов в миксере сопротивления Павлов Евгений Александрович

Содержание к диссертации

ВВЕДЕНИЕ 6

1 МИКСЕР СОПРОТИВЛЕНИЯ С МГД-ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЕМ 13

1.1 Общие сведения 13

1. Миксеры сопротивления алюминиевых сплавов 14

2. Магнитогидродинамические перемешиватели алюминиевых сплавов 25

1.2 Краткий обзор комплексов программ и численных методов 36

3. Обзор комплексов программ 36

4. Краткий обзор численных методов 47

1.3 Выводы по разделу 50

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МГД-ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЯ

В МИКСЕРЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ 51

5. Постановка задачи и основные допущения 51

6. Математическая модель для анализа электромагнитного поля... 56

7. Математическая модель для анализа термогидродинамического поля 73

8. Выводы по разделу 83

3 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЦЕДУРА РАСЧЕТА И АНАЛИЗ
РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕТА 84

9. Вычислительная модель процесса МГД-перемешивания 84

10. Анализ интегральных и дифференциальных характеристик электромагнитного поля в системе «индуктор-расплав» 87

3. Анализ интегральных и дифференциальных характеристик термогидродинамического поля в миксере сопротивления 98

4. Выводы по разделу 117

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МГД-

ПЕРЕМЕШИВАНИЯ НА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МИКСЕРА

СОПРОТИВЛЕНИЯ И ПРОМЫШЛЕННОМ АГРЕГАТЕ 119

1. Общие замечания 119

2. Физическая модель миксера сопротивления с МГД-перемеши-вателем 119

3. Система для определения скоростей в расплаве 123

4. Измерение температур в расплаве модели 132

5. Определение электрических характеристик МГД-перемеши-

вателя 132

6. Измерение скоростей на промышленном агрегате 134

7. Выводы по разделу 147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 148

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 150

ПРИЛОЖЕНИЯ

-4-СОКРАЩЕНИЯ:

МГДП - магнитогидродинамический перемешиватель;

ЛИМ- линейная индукционная машина;

ЛПА - литейно-плавильный агрегат;

ЭМП- электромагнитное поле;

СДУ- система дифференциальных уравнений;

СЛАУ- система линейных алгебраических уравнений;

CAE - computer-aided engineering (система ускорения инженерных расчетов);

CFD - computational fluid dynamics (вычислительная гидродинамика);

АЦП- аналогово-цифровой преобразователь;

ГДСК- глобальная декартова система координат;

ЛЦСК- локальная цилиндрическая система координат;

МКЭ - метод конечных элементов;

МКР - метод конечных разностей;

МКО - метод контрольных объемов.

ОБОЗНАЧЕНИЯ:

Во - число Больцмана;

р- плотность, [кг/м ];

V- скорость, [м/с];

с_р - теплоемкость воздуха [Дж/(кг-К)];

а - постоянная Стефана-Больцмана, а = 5,67-10";

Г-температура, [Щ;

Bi_p - число Био радиационное;

Рг - число Прандля;

L - характерный размер, [м];

1 - коэффициент теплопроводности, [Вт/(м -К)];

ц - динамическая вязкость, [Па-с];

-5-т- полюсный шаг, [м];

д - глубина проникновения электромагнитного поля в расплав, [м]; со - круговая частота питающего напряжения, [рад/с]; у - удельная электрическая проводимость расплава, [См/м]; /- циклическая частота, [Гц]; S-скольжение [о.е.]; V_M - скорость движения металла, [м/с]; V_u - скорость движения ЭМП вдоль индуктора, [м/с]; 1_Л - линейная плотность тока, [А/м]; 1ф - действующее значение тока в фазе, [А]; w - число витков в фазе (обмотке); п - число пазов;

so - добротность электрической машины, [о.е.]; Но - магнитная проницаемость вакуума, Цо ⁼ 4л-10"⁷, [Гн/м]; ft_а - абсолютная магнитная проницаемость, [Гн/м]; ^-относительная магнитная проницаемость, [Гн/м]; А_н - немагнитный зазор, [м]; Re - число Рейнольдса; На - число Гартмана; В - индукция магнитного поля, [Тл]; Ре - число Пекле; Re_m - число Рейнольдса магнитное; Сої - число Каулинга; S_st - число Стюарта;

Н - напряженность магнитного поля, [А/м]; Ё- напряженность электрического поля, [В/м]; J_г суммарная плотность тока, [А/м ]; t - время [с];

А - векторный магнитный потенциал; Р - активная мощность.

Введение к работе

В последнее время в литейном производстве цветной металлургии все большее распространение получают электротехнологические установки, предназначенные для получения высококачественных, многокомпонентных сплавов. Особенно вырос спрос на подобные установки в литейном производстве алюминиевых сплавов. Требования к алюминиевым сплавам и изделиям из них постоянно растут в связи с ростом их использования практически во всех областях промышленности. Стратегии крупных металлургических компаний, таких как ОАО «Русский алюминий», ОАО «Сибирско-Уралькая алюминиевая компания», предусмотрено увеличение доли сплавов в общем объеме своей продукции [1].

Особое место в установках для приготовления сплавов занимают магнитогидродинамические (МГД) технологии, совмещающие простоту, надежность и высокую эффективность. Применение МГД-перемешивания для интенсификации приготовления алюминиевых сплавов является практически обязательным условием при создании современных литейно-плавильных агрегатов [2]. При создании нового и реконструкции уже имеющегося оборудования необходимо применять точные методы расчета физических процессов, протекающих в проектируемых установках [3,4].

Несмотря на довольно широкое промышленное внедрение технологии МГД-перемешивания, вопросы создания новых и совершенствования известных устройств остаются актуальными в связи с большим разнообразием печей и сложностью анализа физических процессов МГД-перемешивания в миксерах [5,6,7]. Поэтому, большое значение приобретает поиск известных и разработка новых методик анализа и расчета, сложных физических явлений с учетом всего многообразия факторов, определяющих технологический процесс в миксере с МГД-перемешиванием [7,8].

Большой вклад в развитие теории проектирования печей внесли такие известные исследователи как Свенчанский А. Д., Рафалович И. М., Громов Б. С, Артюмов В. А., Анищенко Л. М., Андреев А. Д. [10, 11, 3, 4, 12]. В развитие теории МГД явлений в металургии большой вклад внесли такие выдающиеся исследователи как Вольдек В. И., Верте Л. А., Кирко И. М., -7-Лиеласиус О. А., Милпетер Я. Я., Валдманис Я. Я, Тимофеев В. Н. [13, 14, 15, 16]. Особенно следует отметить вклад коллектива ООО «НПЦ магнитной гидродинамики» (г. Красноярск), который целенаправленно в течении ряда лет занимается разработкой и внедрением МГД-технологий в алюминиевую промышленность [17,18 ].

Существенным недостатком подходов у всех вышеназванных исследователей является большое количество упрощений и допущений расчетных моделей и невозможность точной количественной оценки параметров технологического процесса. Можно сказать, что существующие методики подходят скорее для качественного анализа процессов, чем для точного определения дифференциальных и интегральных характеристик МГДП и миксера сопротивления. Вторым существенным недостатком существующих методик является их «разделенность» т.е., методы расчета МГД-перемешивателей не учитывают процессы в расплаве, особенности миксеров и печей, а методики расчета миксеров в свою очередь не учитывают влияние МГД-перемешивания расплава, что приводит к искаженной оценке работы агрегата в целом.

Все вышеперечисленные недостатки существующих методик можно объяснить скорее историческим фактором, нежели некорректностью математического аппарата и применяемых подходов. Историческая обусловленность заключается в том, что в 20-м веке применение детальных 3-х мерных численных моделей с адекватным математическим аппаратом было затрудненно из-за ограниченности ресурсов вычислительной техники и малой распространенностью, доступностью совершенного вычислительного программного обеспечения для решения задач математической физики [19]. В настоящее время исследователи имеют возможность использовать все преимущества вычислительных систем и специального программного обеспечения, что обуславливает резкое увеличение решения сложных и разнообразных задач [19].

Наиболее полную картину физических процессов в электротехнологической установке - миксер сопротивления с МГД перемешивателем можно получить только решением детальных трехмерных численных задач учитывающих все основные физические процессы в -8-установке. К таким процессам относится: электромагнитное воздействие на жидкий металл; гидродинамические течения с тепломассообменом в ванне расплава и пространстве печи; радиационный теплообмен во внутренней полости печи [7,20]. Рассмотрение указанных явлений должно производиться, с учетом их взаимного влияния, а также нелинейных и анизотропных физических свойств сред в расчетной модели [20].

Цель диссертационной работы - исследование электромагнитных, гидродинамических и тепловых процессов при МГД-перемешивании на основе трехмерных численных моделей для повышения производительности и качества приготовления алюминиевых сплавов в миксерах сопротивления.

Объект исследования - магнитогидродинамический перемешиватель в миксере сопротивления для приготовления алюминиевых сплавов.

Предмет исследования - тепловые, гидродинамические и электромагнитные процессы, протекающие в системе «миксер сопротивления-МГДП».

Задачи исследования:

1. Провести анализ конструктивных особенностей миксеров сопротивления с МГДП и программных средств для математического моделирования в них тепловых, электромагнитных и гидродинамических процессов.

Разработать трехмерную математическую модель системы «миксер сопротивления-МГДП».

Разработать алгоритм и программу математического моделирования процессов в миксере при МГД-перемешивании с применением пакетов программ Ansys Emag и Ansys CFX.

Выполнить численный эксперимент и провести анализ полученных результатов.

Провести экспериментальные исследования на физической модели, определить достоверность математической модели.

6. Разработать практические рекомендации по повышению эффективности магнитогидродинамического перемешивания алюминиевых расплавов в миксере сопротивления.

Методы исследования. Поставленные задачи решены современными методами вычислительной математики. При разработке численных моделей использован алгоритмический язык FORTRAN 90 и пакеты программ Ansys Emag vlO и Ansys CFX vlO. В экспериментальных исследованиях использовались методы физического моделирования с соблюдением электродинамического подобия.

Научные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Разработана трехмерная математическая модель МГД- перемешивания алюминиевого расплава в миксере сопротивления с учетом тепломассообмена.

2. Разработаны алгоритмы и программы, адаптирующие существующие комплексы программ Ansys CFX и Ansys Emag для совместного анализа тепловых, электромагнитных и гидродинамических полей в системе «миксер сопротивления - МГДП» при МГД-перемешивании.

Выявлены зависимости характеристик МГД перемешивания от конструктивных параметров и режимов работы МГДП.

Определены пути повышения производительности и качества приготовления алюминиевых сплавов.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

Впервые предложена математическая модель, позволяющая одновременно проводить анализ тепловых, электромагнитных и гидродинамических процессов в миксерах сопротивления с МГД-перемешиванием.

Выявлены зависимости распределения скоростей, температур, кинетической энергии расплава, механической мощности, передаваемой в расплав, механического КПД МГДП от отношения полюсного деления к немагнитному зазору и места расположения индуктора под ванной при различных режимах работы.

3. Предложены и формализованы критерии, позволяющие оценить эффективность работы МГДП.

Значение для теории. Развита теория линейных индукционных машин в части анализа тепловых, электромагнитных и гидродинамических процессов при МГД-перемешивании. -10-Практическая ценность:

1. Разработаны численные модели и комплекс программ, обеспечивающие анализ совместных электромагнитного и гидродинамического полей в системе «миксер сопротивления - МГДП» на базе двух комплексов программ Ansys Emag и Ansys CFX с возможностью расширения решаемого круга задач.

2. Предложены технические решения для проектирования и управления режимами работы электромагнитного перемешивателя алюминиевых сплавов в плавильно-литейном агрегате.

3. Разработаны рекомендации по повышению эффективности МГД- перемешивания в миксерах сопротивления.

Апробация работы. Результаты работы докладывались, были обсуждены и одобрены на следующих конференциях:

1. Международная конференция выставка «Алюминий Сибири 2006». Красноярск, сентябрь 2006 г.

2. Научно-техническая конференция с международным участием «Электротехника, электромеханика, электротехнологии». Новосибирск, октябрь 2005 г.

3. Межрегиональная научно-практическая конференция «Инновационное развитие регионов Сибири». Красноярск, март 2006 г.

4. Научно-технические конференции КГТУ. Красноярск 2004, 2005 и 2006г.

Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных данных. Экспериментальные исследования включали эксперименты на физической модели миксера сопротивления с МГД-перемешивателем и действующем промышленном оборудовании.

Использование результатов работы. Результаты работы применены при разработке новых поворотных миксеров сопротивления с МГДП в ООО «НПЦ-Магнитной гидродинамики», ООО «МГД-Мехатерм», при модернизации существующих стационарных миксеров сопротивления на ООО «КраМЗ». Результаты работы использованы в учебном процессе студентов специальности 140605 «Электротехнологические установки и системы». Использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 1 статья в издании по перечню ВАК, 1 статья в межвузовском сборнике, 1 депонированная статья, 7 публикаций в сборниках трудов и конференций.

Личный вклад автора в результаты работ, состоит в разработке математических моделей магнитогидродинамического перемешивания в системе «миксер сопротивления - МГДП», алгоритмов и программ, адаптирующих существующие комплексы программ Ansys CFX и Ansys Emag для совместного анализа тепловых, электромагнитных и гидродинамических полей, создании физической модели и проведении необходимых измерений.

Содержание работы. Во введении обоснована актуальность темы, определены основная цель и задачи, сформулированы новизна и практическая ценность научных результатов, а также дано краткое описание работы.

В первом разделе определен объект исследования, изложен принцип работы технологической установки, дана характеристика физических явлений. В главе, также перечислены недостатки существующих методов расчета миксеров сопротивления алюминиевых сплавов с МГД перемешиванием, приведен краткий обзор существующих программных комплексов и численных методов, позволяющих адекватно моделировать некоторые физические процессы в миксере сопротивления с МГД-перемешиванием и предложен путь решения поставленных задач.

Во втором разделе представлена 3-х мерная численная модель, позволяющая проводить совместный анализ электромагнитного и термогидродинамического полей в процессе МГД-перемешивания.

Особенностью численной модели является то, что решение задачи магнитной гидродинамики в общей расчетной области (ванне расплава) разделяется на последовательное решение задачи электродинамики и решение задачи гидродинамики. В области решения задачи электродинамики исследуются -12-характеристики индуктора и ЭМП, а в области решения задачи гидродинамики исследуется тепломассобмен в расплаве и пространстве миксера. Математическая модель основывается на использовании готовых программных кодов - Ansys Emag v. 10 и Ansys CFX v. 10. и позволяет производить анализ МГД-перемешивания в течении заданного времени.

В третьем разделе описана вычислительная модель итерационного решения задачи магнитной гидродинамики и приведены результаты численного решения на основе рассмотренной ранее математической модели. В результатах показано влияние различных параметров на эффективность тепломассообмена в ванне расплава, определены интегральные и дифференциальные характеристики электромагнитного и термогидродинамического поля, определены характеристики МГДП. Получены зависимости основных характеристик от времени процесса перемешивания, определено время перемешивания для различных сочетаний параметров.

В четвертом разделе представлены результаты проверки разработанной математической модели на физической модели и промышленном агрегате. Результаты сравнений позволяют сделать вывод о достоверности математической модели и возможности применения предложенного автором подхода для анализа процессов при МГД-перемешивании в системе «миксер сопротивления-МГДП».

В заключении изложены основные выводы и результаты работы.

В приложении представлены материалы по использованию результатов диссертационной работы.

Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность научному руководителю, заведующему кафедрой «Электротехнология и электротехника» д.т.н., профессору В. Н. Тимофееву, к.т.н., доценту Е. А. Головенко, д.ф.-м.н. С. В. Боговалову за большое внимание, помощь, ценные советы и замечания при написании работы.

Похожие диссертации на Магнитогидродинамический перемешиватель алюминиевых расплавов в миксере сопротивления

Электрический миксер сопротивления для приготовления алюминиевых сплавов Хоменков Петр Алексеевич

Цилиндрический МГД насос для силового воздействия на расплав алюминия в процессе литья из стационарного миксераКовальский Виктор Васильевич