Введение к работе
Актуальность работы. Одним из основных путей повышения эффективности работы современных металлургических агрегатов являются разработка теории технологических процессов, методов управления ими, а также создание соответствующего математического, алгоритмического и программного обеспечения.
В металлургической промышленности достаточно широко распространены различные технологии с использованием больших электрических токов, протекающих через ванну расплава. Типичными примерами являются электрометаллургия, электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплав. В этих случаях металлургические расплавы представляют собой высокотемпературные токонесущие жидкости. Их поведение описывается законами магнитной гидродинамики, одно из направлений которой связано с явлениями, возникающими при взаимодействии проходящего через расплав электрического тока с его собственным магнитным полем. Эти явления сначала в советской, а далее и в российской научной литературе получили название «электровихревых течений» (ЭВТ). В их изучение большой вклад внесли В.В. Бояревич, В.Х. Власюк, СБ. Дементьев, А.Б. Капуста, А.И. Чайковский, А.Ю. Чудновский, Э.В. Щербинин, Е.И. Шилова и др.
Наиболее активно ЭВТ изучаются в электролизерах для получения алюминия и в установках электрошлакового переплава, где высокая проводимость расплава сочетается с электрическими токами в десятки килоампер. В последнее время интерес к изучению ЭВТ усилился в связи с появлением дуговых печей постоянного тока (ДППТ), в которых они используются для перемешивания расплава, а в перспективе могут быть применены в качестве эффективного инструмента для целенаправленного управления потоками жидкого металла и воздействия на процессы тепломассообмена (ТМО). Существенный вклад в изучение ТМО при перемешивании расплава в различных металлургических агрегатах внесли В.И. Явойский, Ю.П. Новиков, В.Г. Лисиенко, М.К. Закамаркин, СВ. Казаков, В.Л. Пилюшенко, В.Я. Кубланов и др.
При эффективном перемешивании расплава в ванне дуговой печи достигается экономия энергоресурсов, повышается качество металла за счет уменьшения удельного содержания неметаллических включений и вредных примесей, угара легирующих составляющих, а также увеличивается срок службы футеровки и подовых электродов.
Одним из важных достижений российских металлургов является разработка технологии плавки в ДППТ с двумя асимметрично расположенными подовыми электродами (АРПЭ). Циркуляция металла и его перемешивание осуществляются здесь за счет эффективного взаимодействия протекающих через расплав токов с их собственными магнитными полями. Технология перемешивания расплава в ДППТ за счет возбуждения ЭВТ (без использования внешних индукторов) успешно применяется на ряде российских и зарубежных предприятий: ОАО «ПО Усольмаш» (г. Усолье-Сибирское), ОАО «Курганмашзавод» (г. Курган), ОАО «Костромамотордеталь» (г. Кострома), ОАО «Ижсталь» (г. Ижевск), ОАО
«ГАЗ» (г. Нижний Новгород), ОАО «Тяжпрессмаш» (г. Рязань), ОАО «Ковров-ский электромеханический завод» (г. Ковров), «Elektrotherm Ltd» (Индия, г. Ах-медабад), «Aluminium alloys of Estonia AS» (Эстония, г. Таллинн) и др. Однако теоретические и практические аспекты процесса перемешивания расплава в ванне посредством ЭВТ, возникающих за счет АРПЭ, остаются малоизученными. Положение электродов, характеристики проходящих через ванну токов подбираются эмпирически. При этом остаются неясными вопросы оптимизации такого выбора и определения характера образующихся ЭВТ. Серьезной проблемой для действующих агрегатов с токонесущим расплавом остается также высокий износ футеровки в районе подовых электродов.
Хотя ЭВТ могут служить эффективным инструментом для управления потоками жидкого металла и воздействия на процессы тепломассообмена, однако существующий низкий уровень знаний о них приводит к сдерживанию дальнейшего совершенствования конструкций и технологий. Причиной такого положения является сложность экспериментального изучения магнитогидродинамиче-ских процессов, протекающих в ваннах металлургических агрегатов. Теоретическое исследование посредством точных решений соответствующих уравнений также не представляется возможным, и его приходится отложить на будущее. Выходом из создавшегося положения может быть создание адекватных математических и удобных компьютерных моделей рассматриваемого объекта, позволяющих провести необходимые исследования и вьщать рекомендации для их практической проверки и использования. Поэтому изучение ЭВТ и ТМО в ванне расплава посредством математического моделирования актуально.
Цель и задачи работы. Целью работы является создание математических моделей, алгоритмов и программного обеспечения для изучения электровихревых течений в ванне токонесущего расплава металлургических агрегатов, а также поиск путей по повышению эффективности перемешивания и интенсификации тепломассообменных процессов в ванне расплава дуговых печей постоянного тока.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
разработка математических моделей, алгоритмов и программного обеспечения для изучения распределения электромагнитных параметров, объемных электромагнитных сил (ОЭМС) и ЭВТ в ванне токонесущего расплава, через который протекает один или два независимых тока;
разработка математических моделей, алгоритмов и программного обеспечения для определения степени усреднения химического состава и температуры металла в ванне при участии ЭВТ;
определение посредством физического моделирования характера ЭВТ в ванне ДІІІ1Т с одним и двумя подовыми электродами, проверка адекватности созданных математических моделей;
проведение анализа ЭВТ и ТМО в ванне с указанием направления поиска оптимальных технологических режимов и конструкций для повьппения эффективности перемешивания расплава в ванне ДНИ Г;
разработка и обоснование концепции выбора управляющих воздействий на расплав посредством ЭВТ, а также определение оптимальных конструктивных параметров при процессе перемешивания с использованием АРПЭ;
создание инженерных методов расчета электрических характеристик и параметров ЭВТ в ванне токонесущего расплава;
выработка рекомендаций по повышению эффективности существующих и созданию новых режимов перемешивания расплава в ванне дуговых и плазменных печей посредством ЭВТ и проверка их на действующих предприятиях РФ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые проведено комплексное математическое моделирование гидроди
намических и тепломассообменных процессов в ванне токонесущего распла
ва при протекании через него одного или двух постоянных или пульсирую
щих токов. С этой целью разработаны и адаптированы к реальным процессам
математические модели:
распределения электромагнитных полей и ОЭМС в ванне расплава ДППТ с одним и двумя подовыми электродами, через которые протекают пульсирующие токи;
ЭВТ расплава в осесимметричной ванне под действием ОЭМС и плазмы дуги;
теплового состояния и массопереноса примеси в ванне расплава ДППТ при наличии электровихревых течений;
геометрических параметров лунки, образующейся при силовом воздействии на расплав свободной и пульсирующей дуги.
-
Изучен механизм возникновения и динамика развития вихрей в районе подовых электродов и пятна дуги. Установлены основные факторы, влияющие на характер течения расплава в ванне. Изучена динамика ЭВТ при внезапном включении и выключении тока.
-
Впервые показано наличие симметрии электромагнитных полей, ОЭМС и ЭВТ в ванне расплава ДППТ. Установлены основные электромагнитные, силовые и гидродинамические особенности, появляющиеся при переходе от одного подового электрода, ось которого совпадает с осью ванны, к электроду, ось которого параллельна оси ванны и далее — к двум АРПЭ.
-
Установлено, как посредством асимметрии величин токов и сдвига фаз между пульсирующими токами, протекающими через два подовых электрода, можно управлять направлением и интенсивностью ЭВТ расплава в ванне.
-
Проведена теоретическая оценка частоты и коэффициента затухания малых собственных колебаний лунки на поверхности жидкости, образованной под действием свободной дуги. Проанализирована роль пульсирующего тока на ЭВТ и процессы тепломассообмена, протекающие в ванне расплава. Определен эффективный диапазон частот, скважность импульсов и коэффициент модуляции пульсаций тока дуги, обеспечивающих интенсификацию ТМО в ванне расплава.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1) предложены новые режимы воздействия на расплав, которые могут быть
применены:
в агрегатах с одним подовым электродом — использование пульсирующего тока для эффективного взаимодействия металла и шлака и интенсификации ТМО в ванне;
в агрегатах с двумя подовыми электродами — использование в качестве управляющего воздействия сдвига фаз между пульсирующими токами для интенсификации и управления перемешиванием расплава, а также для «сброса» статических вихрей в районе подовых электродов.
-
сформулированы требования, предъявляемые к параметрам токов, протекающих через подовые электроды в ДІЛ IT, и приведены рекомендации по выбору размеров и расположения подовых электродов для влияния на интенсивность ЭВТ в ванне.
-
созданы программные средства и выработаны рекомендации, позволяющие выбрать эффективный режим электровихревого перемешивания металлургических расплавов в ванне ДППТ стандартной конфигурации любой емкости по выплавке черных, цветных металлов и их сплавов;
-
разработанные математические модели поведения ОЭМС, ЭВТ и тепломассообмена могут быть применены в качестве управляющего комплекса в автоматизированной системе электровихревого перемешивания расплава в ванне;
5) получен инструмент в виде программного продукта для проектировщиков, даю
щий возможность прогнозировать поведение ЭВТ и тепломассообменных процес
сов в ванне расплава при использовании того или иного конструктивного или тех
нического решения и выбирать из набора возможных вариантов оптимальный.
Все эти мероприятия позволяют снизить себестоимость продукции, повысить тех
нико-экономическую эффективность работы плазменных и дуговых печей постоянно
го тока за счет увеличения их производительности (без изменения их конструкции и
капитальных затрат), снижения энергопотребления и роста стойкости футеровки.
Практическая значимость технических решений подтверждены патентами РФ, свидетельствами об отраслевой разработке и публикациями в научных изданиях. Представленные в диссертации методы, способы и программные средства опробованы на ряде предприятий РФ. Научные аспекты исследований нашли отражение в учебно-методическом материале и используются в учебном процессе Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова». В 2008 г. научная разработка «Методика анализа технико-экономических показателей современных дуговых электропечей по выплавке сталей и цветных сплавов» награждена серебряной медалью VIII Московского международного салона инноваций и инвестиций.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов исследований в области магнитогидродинамики и тепломассообмена, базирующихся на фундаментальных законах сохранения массы, энергии, импульса, заряда, уравнениях математической физики, теории электродинамики сплошных сред, теории физического подобия, извест-
ных и апробированных численных методах. Адекватность созданных математических моделей подтверждается:
сопоставлением компьютерного моделирования и теоретических исследований с лабораторными и промышленными экспериментами;
согласованием результатов расчета тестовых и методических задач с результатами расчетов по методикам других авторов и известными экспериментальными данными;
непротиворечивостью созданных моделей устоявшимся представлениям и самим себе;
соответствием всех утверждений, измерений и выводов закону достаточного основания.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на многочисленных научно-практических конференциях и семинарах. Среди них Международные научно-практические конференции: «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии» (Москва, 2002), «Современные проблемы электрометаллургии стали» (Челябинск, 2004, 2007), «На передовых рубежах науки и инженерного творчества» (Екатеринбург, 2004), «Актуальные проблемы электрометаллургии, сварки, качества» (Новокузнецк, 2006), «Творческое наследие Б.И. Китаєва» (Екатеринбург, 2009); Всесоюзные и межгосударственные научно-технические конференции: «Перспективы применения плазменной техники и технологии в металлургии и машиностроении» (Миасс, 1986), «Перспективы применения плазменной техники и технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 1988), «Интенсификация тепловых, массообмен-ных и физико-химических процессов в металлургических агрегатах» (Свердловск, 1989); «Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века» (Магнитогорск, 1997); Всероссийские конференции: «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов» (Пенза, 2001), «Создание и внедрение корпоративных информационных систем на промышленных предприятиях Российской Федерации» (Магнитогорск, 2005, 2007); Международный конгресс сталеплавильщиков (Магнитогорск, 2002, 2008; Старый Оскол, 2006); Съезд литейщиков России (Новосибирск, 2005; Уфа, 2009); Российская школа по проблемам науки и технологий (Миасс, 2004).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 80 публикациях (из них 15 включены в список ВАК для докторских диссертаций), в том числе в 3 монографиях. Результаты исследования защищены 11 патентами РФ на изобретение и полезную модель и двумя свидетельствами о регистрации в отраслевом фонде алгоритмов и программ РФ. В работах [4, 5, 7, 11, 14-16, 29, 33, 35, 37] И.М. Ячикову принадлежит постановка задачи, разработка численных алгоритмов и методов расчета напряженности электрического и магнитного полей и ОЭМС, обработка и анализ полученных результатов моделирования. В работах [8, 9, 12, 18, 36, 39] И.М. Ячиков принимал непосредственное участие в создании экспериментальных установок, проведении лабораторных и промышленных ис-
следований и обработке полученных данных. В работах [13, 34] соискателю принадлежит создание электрической схемы замещения и математической модели электрических характеристик ванны Д1111Т с двумя подовыми электродами. В статьях [6, 10, 38, 40] И.М. Ячикову принадлежит разработка математической модели и численного алгоритма расчета ЭВТ расплава в ванне, а также программная реализация созданной модели. В работах [19-26, 30-32] соискателю принадлежит создание всех математических моделей и результаты моделирования тепломассопереноса в токонесущих расплавах металлургических агрегатов. В работах [27, 28] И.М. Ячикову принадлежит разработка компьютерной программы. В работе [17] В.М. Колокольцеву принадлежит постановка проблемы, а соискателю - все полученные результаты.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 363 страницах, в том числе: основной текст на 347 страницах, содержит - таблиц 22, рисунков 186, библиографический список из 151 наименований на 9 страницах, приложение на 7 страницах.
