автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Индукционные комплексы для инновационных электрометаллургических технологий

На правах рукописи

--"7

ФРИЗЕН ВАСИЛИЙ ЭДУАРДОВИЧ

ИНДУКЦИОННЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИННОВАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.09.10 Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 5 Ш 2074

005549106

Екатеринбург - 2014

005549106

Работа выполнена в Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б.Н. Ельцина на кафедре «Электротехника и электротехнологические системы», г. Екатеринбург

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор Сарапулов Ф.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Демидович В.Б.

доктор технических наук, профессор Тимофеев В.Н.

доктор технических наук, доцент Щербаков A.B.

Ведущая организация: ФГУП «Всероссийский научно-

исследовательский институт токов высокой частоты» им. В.П. Вологдина, г. Санкт-Петербург

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института.

Зашита диссертации состоится 06 июня 2014 года в аудитории М-611 в 14— на заседании диссертационного совета Д212.157.02 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 13

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан 18.04.2014

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.157.02, доцент, к.т.н

Цырук С.А.

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.

2. 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.

3. 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 индукцион-

ных 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 МаШсас! и МАТЬАВ, позволяющих провести расчет всех параметров в одном формуляре. Используются методы компьютерного моделирования с помощью пакетов Е1си1 и Сошзо1 МиИфЬувюз, 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 рекомендации 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

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

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

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

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

5. 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 нанопорошками 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 тиксо-литья".

Основные положения, выносимые на защиту:

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

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

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

4. 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 Kwi-etnia 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:

1. 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.

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

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

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении отражена и обоснована актуальность выполняемой работы, сформулированы цели и задачи, решаемые для их достижения, сформулирована научная новизна, практическая ценность результатов работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, указано соответствие паспорту специальности, обоснована достоверность научных положений, рекомендаций и выводов, приведенных в работе.

В первой главе приведен обзор индукционных печей специального технологического назначения, среди которых можно выделить установки индукционного нагрева составных заготовок со сложным характером протекания теплофизических процессов, тигельные печи с индуктором специальной конструкции, позволяющим управлять движением металла в тигле, а также многоиндукторные агрегаты специального технологического назначения — совмещенные преобразователи электрической энергии в тепловую и механическую энергию движения расплава, в том числе оснащенные электромагнитными вращателями расплава.

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). В ряде случаев для обеспечения необходимого качества нагрева ССЗ оправдано применение многофазных индукторов с бегущим и вращающимся магнитными полями.

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.

а) б)

Рис. 1. Примеры сложных составных заготовок а) тепловыделяющая сборка реактора ВВЭР-1000, б) заготовка для изготовления сверхпроводящего провода

¿Ый®7 ужб ткы

Нонераатб

Описаны особенности электромагнитных, тепловых и гидравлических процессов в ИТПСТН, связанные с изменением структуры (в связи с изменением агрегатного состояния загрузки) и физических свойств (удельной электропроводности, плотности и магнитной проницаемости материала загрузки) в процессе плавки.

Рассмотрены процессы, реализуемые в многоиндукторных ИТПСТН, оснащенных электромагнитными вращателями. Вращение металлической ванны при ведении металлургических процессов позволяет:

1. Увеличить площадь пограничного слоя между металлом и шлаком, что существенно сказывается на скорости проводимых в этой зоне высокотемпературных химических реакций при очистке металла от неметаллических включений, восстановлении металлов из оксидов в присутствии восстановителей, находящихся в шлаке и т.п.;

2. Создать благоприятные условия для плавки мелкой шихты в результате увлечения кусков потоками металла;

3. Исключить разрушающее взаимодействие активных шлаков с поверхностью футеровки в результате образования при вращении металла лунки параболической формы.

ИТПСТН может иметь как один индуктор, совмещающий несколько функций, так и несколько индукторов, выполняющих различные функции. При совмещении функций электротермического и электромеханического воздействия на расплав индуктор выполняется многосекционным, что позволяет создать в рабочем пространстве печи бегущее вдоль оси индуктора магнитное поле (рис. 2, а). При применении различных схем питания секций индуктора 2 можно получить различное соотношение бегущей и пульсирующей составляющих электромагнитного поля в тигле 1. Для осуществления специальных

технологических процессов в ИТП зачастую требуется создать помимо бегущего вдоль оси — вращающееся вокруг оси тигля электромагнитное поле. Индуктор вращателя 3 может располагаться как под днищем печи (рис. 2, б-в), так и вокруг боковой поверхности тигля (рис. 2, в-з). При расположении вращателя под днищем печи (рис. 2, б) меняется соотношение размеров тигля относительно классической конструкции печи в сторону уменьшения соотношения высоты и диаметра тигля, что может повлиять на энергетическую эффективность «греющего» бокового индуктора. В ряде случаев индуктор вращателя может размещаться вокруг боковой поверхности в верхней части тигля (рис. 2, в-г) или нижней его части (рис. 2, д). На рис. 2, е представлена совмещенная конструкция агрегата, в которой оба индуктора размещаются вокруг его боковой поверхности, но индуктор вращателя посажен поверх греющего индуктора, а их магнитопроводы 4 частично совмещены. При такой конструкции агрегата обмотки индукторов оказываются взаимно неиндуктивны, поскольку плоскости их катушек перпендикулярны друг другу. Аналогичен принцип построения агрегата на рис. 2, в. Здесь индукторы 2 и 3 также взаимонеиндуктивны. Помимо этого индуктор 3 имеет две активные поверхности — торцевую и боковую. На рис. 2, ж-з представлены конструкции «электромагнитных циклонов», индукторы которых набираются из нескольких линейных индукторов 5 с бегущим полем (рис. 2, ж) или из нескольких индукторов с вращающимся полем (рис. 2, з), токи которых смещены во временной и пространственной областях на определенный угол для создания вращающей и бегущей составляющих поля соответственно.

Приведенный на рис. 2 обзор конструкций ИТПСТН охватывает лишь конструкции с тиглем цилиндрической формы. В ряде случаев тигель выполняется из листового металла плоским или квадратным в сечении. Конструктивно такая ИТПСТН приближается к циклону на рис. 2, ж, но имеет лишь 2 или 4 индуктора соответственно с независимым питанием. При такой конструкции можно проводить нагрев и перемешивание металла как в продольном так и в поперечном поле, создаваемом индукторами 5.

Рассмотренные конструкции ИТПСТН нуждаются в специальных источниках питания. В главе рассмотрены особенности конструкции и режимов работы этих источников.

Во второй главе приводится классификация и описание различных математических моделей для исследования процессов в ИТП и ИТПСТН в частности. Можно выделить три группы процессов, которые происходят в ИТПСТН: электромагнитные, включая электрические во внешних цепях; тепловые; и гидродинамические.

Для моделирования электромагнитных процессов ИТПСТН можно выделить несколько типов моделей, пригодных для этого:

- двух- и трехмерные модели с расчетом магнитного поля методами конечных элементов или конечных разностей. Эти методы требуют больших вычислительных ресурсов, слабо ориентированы на синтез систем автоуправления и малопригодны для моделирования в реальном времени;

- модели, основанные на методе индуктивно связанных контуров, позволяют получить решение практически для любого случая моделирования поля, но чрезвычайно трудоемки на этапе задания решаемой системы уравнений в сложных случаях моделирования поля (питание от нескольких источников, составной характер загрузки). По сути, здесь число элементов в каждом уравнении системы равно числу контуров, на которые разбивается моделируемая область;

- модели, основанные на детализированных магнитных схемах замещения (ДМСЗ). Здесь задача сводится к расчету магнитной цепи, параметры которой интегрально представляют участки конструкции при моделировании устройства. Эти модели наиболее пригодны для "быстрых" расчетов при встраивании в динамические модели при синтезе систем автоуправления.

В данной работе развиваются математические модели, основанные на методе детализированных схем замещения с сосредоточенными параметрами.

Структура математической модели индукционного устройства на основе схем замещения включает три блока уравнений, записанных в соответствии с законами Кирхгофа для электрической цепи индуктора, электрической цепи вторичного элемента и магнитной цепи.

Параметры цепей характеризуются матричными сопротивлениями, которые в общем случае могут быть нелинейными и уточняться по ходу решения задачи с помощью итерационных процедур. Для движущихся электрических контуров вторичного элемента уравнения Кирхгофа записываются в неподвижной системе координат с учетом индуцированных трансформаторных ЭДС и ЭДС движения.

Полная ДМСЗ устройства синтезируется путем каскадного соединения схем замещения отдельных участков по радиальной и осевой координатам. Разбиение на слои производят в тех зонах, которые представляют наибольший интерес. Для определения потоков в слоях составлена система уравнений магнитного равновесия. На рис. 3 представлена схема элементарного участка ши-

риной и высотой 2й?г на примере модели цилиндрического устройства (рис. 2, а).

Рис. 3 Схема замещения контура

Здесь 1

=

Л„„ =

Я-А) 4яСгх +0.25- " 1 А,

Я • я 4л- <!/; - 0.25 • Аг £ нормальные магнитные сопротивления полуслоев; 1 /г

Л,

тангенци-

/А, • /¿0 2 л- ■ • Их

альное (по оси) магнитное сопротивление слоя

А.

ё„ = Г2-г,

4ж-(Яг,+0.25-А1)

А,

4л- (Я^ -0.25 А,)

электрические проводимости участков полуслоев (верхнего и нижнего)

Полная ДМСЗ устройства синтезируется путем каскадного соединения схем замещения отдельных зубцовых делений (рис. 4)

1Е участок I уиосток

Рис. 4 Полная ДМСЗ для плоских и цилиндрических линейных индукторов

При моделировании сложной составной загрузки УИН и кусковой загрузки ИТПСТН она может быть представлена в общем случае набором цилиндров и может быть как однородной (кусковая загрузка ИТП), так и неоднородной. В случае кусковой загрузки свойства усредненного куска шихты изотропны. Для упрощения описания электромагнитных процессов усредненный кусок шихты можно представить в виде условного объекта, обладающего изотропией магнитных свойств только в двух направлениях - нормальном (направлении, перпендикулярном оси тигля) и тангенциальном (соответственно, по оси тигля), а также изотропией электрических свойств по окружной координате.

Объект, который удобно использовать для модели куска шихты, представлен на рис. 5. Это цилиндр, имеющий ту же массу, плотность, удельное электрическое сопротивление, что и усредненный кусок шихты. Ось этого расчетного цилиндра-магнитопровода I (рис. 5) при расчетах всегда совпадает с направлением магнитного потока Ф^ или Фп. При учете контактного сопротивления между элементарными цилиндрами в модель куска шихты встраивается также цилиндр-электропровод, и рассчитывается окружная плотность тока 4.

Рис. 5. Элементарный цилиндр

Комплексное магнитное сопротивление цилиндров-магнитопро-водов вычисляется с помощью функций Бесселя.

В объеме тигля элементарные цилиндры группируются в кольца, размер которых ограничен высотой витка по высоте и выбранным шагом разбиения по радиусу

ШНИ» I

Проводник нндукторз ' Ансамбль элементарны* цшшндров в

пределах расчетной зоны

Рис. 6. Укладка цилиндров в объеме печи

Суммарное магнитное сопротивление слоя вычисляется как последовательно-параллельное соединение вычисленных магнитных сопротивлений проводящих цилиндров:

N

н =гиа--—— - для сопротивления слоя в радиальном направле-

■

НИИ,

N

, = ¿иа--—--Для сопротивления слоя в осевом направлении со-

^ • Ки

ответственно. Здесь 2Ш - комплексное магнитное сопротивление элементарного цилиндра, выраженное через функции Бесселя; - число элементарных цилиндров в слое в радиальном направлении; Ит - число элементарных цилиндров в слое в осевом направлении; Ыси - число элементарных цилиндров в слое по окружности.

Представленная модель кусковой загрузки ИТП учитывает также и кольцевые токи, наводимые в шихте через контактные сопротивления. Цилиндры-электропроводы 3 (рис. 5), совмещенные с цилиндрами-магнитопроводами, ориентированы при этом в кольцевом направлении. В целом они создают кольцевой электропровод, сопротивление которого складывается из параллельно включенных внутренних сопротивлений 7 £ цилиндров, а также последовательно включенных (вдоль кольца) Иахе внутренних сопротивлений цилиндров и стольких же сопротивлений Л д. контакта между этими цилиндрами:

7 -7 R =o __Nm fl)

„ m J ,,Сл/— 2 jmj)

где 7¿ = P -p-- - электрическое сопротивление цилиндра-

V2 J^-ljmJ

электропровода, =— " - электрическое сопротивление цилиндра-

^(О

электропровода постоянному току, /оА. - удельное электрическое сопротивление контакта между цилиндрами, Ом/м2, Ju и Ji - функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядков.

Полученное сопротивление кольца из цилиндров-электропроводов встраивается в общую магнитную схему замещения загрузки печи в виде магнитного сопротивления:

7 - (2)

—Mckl rj „ ■ У >

йаоч + кт

В дальнейшем производится решение системы алгебраических уравнений для контурных потоков и вычисление тангенциальной и нормальной составляющих потоков в каждом куске шихты (рис. 4). В области тигля нормальные и тангенциальные магнитные сопротивления Rn и R, заменяются на комплексные магнитные сопротивления кусковой загрузки zUnJ и ZMo„ соответственно. ZMctl учитывается в модели при "свертывании" детализированной схемы замещения.

Разработаны следующие модификации математических моделей ИТПСТН на основе ДСЗ:

1. По конструкции индуктора

a. плоский линейный индуктор

b. цилиндрический линейный индуктор

c. торцевой индуктор с вращающимся полем

d. круговой индуктор с вращающимся полем

2. По типу загрузки

a. однородная среда (сплошная загрузка)

b. неоднородная среда (кусковая загрузка)

3. По типу источника питания

a. источник тока

b. источник напряжения

Во второй главе представлены также разработанные одно- (рис. 7) и двухмерная (рис. 8) тепловые динамические модели на основе метода эквивалентных тепловых схем.

Одномерная тепловая модель с достаточной степенью детализации позволяет получить представление о температурах элементов конструкции ИТПСТН, однако тепловые процессы, происходящие в загрузке, представлены интегрально. С помощью одномерной модели не представляется возможным, например, оценить влияние движения расплава на распределение темпе-

Конйекция

Рис. 8. Двухмерная тепловая модель ИТП

ратур в ванне печи, так как в одномерной модели весь металл загрузки представлен одной или двумя тепловыми массами.

КонИекция

Изличение

Рис. 7. Одномерная тепловая модель ИТП

Для тепловых проводимостей, отражающих теплообмен теплопроводностью через боковую стенку, можно записать

о = Л, •————-, (3)

2 л-Нс,

где Яа. - теплопроводность слоя в функции средней температуры слоя: = А + В ■ '"'утр +'""""" , Я„ - высота слоя, £>„ - внутренний диаметр слоя, Ьсл

- толщина слоя.

Соответственно, тепловая проводимость через слои подины и крышку:

71 • й2 а

где —- площадь поверхности теплообмена.

Тепловая проводимость для теплообмена излучением

где О,2 - внутренний диаметр тигля, с, и £, - коэффициенты излучения соответственно тепловоспринимающей и теплоотдающей поверхностей, £ - коэффициент диафрагмирования.

Тепловая проводимость для теплообмена конвекцией: С = а- /г, (6)

где а - коэффициент теплоотдачи с поверхности теплообмена Я".

В каждой точке с определяемой в процессе расчета температурой располагается тепловая масса.

Получены выражения для эффективного коэффициента теплопроводности движущегося металла и соответственно тепловой проводимости среды с

учетом тепломассопереноса:

/ \

К фф -

V-с р

+—(7)

Р'. .

где Рг, - турбулентное число Прандтля, V— скорость движения слоя, а - коэффициент температуропроводности, <7^-удельная мощность тепловыделения, ср - удельная теплоемкость слоя, р— плотность слоя, у, - кинематическая вязкость слоя.

В итоге получим систему нелинейных дифференциальных уравнений с членами вида:

^ = - С, + >, + с, • +см-1м, (8)

г )' Ыт

решение которой нетрудно найти, используя численные методы в любом из математических пакетов.

Двумерная тепловая модель построена следующим образом: загрузка в печи условно разделена на "узлы", пять по вертикали (в осевом направлении) и три по горизонтали (в радиальном направлении). Соответствующее разделение на "узлы" получила и футеровка печи (боковая стенка, подина и крышка). При таком разделении загрузка в печи представляет собой пять участков по оси печи, каждый из которых представляет собой конструкцию из центрального цилиндра и двух коаксиально расположенных колец.

В расчете принимается, что мощность, передаваемая в загрузку, определенным образом распределяется между слоями. Задаются параметры внешней среды, такие как температура охлаждающей воды в индукторе, температура внешней поверхности крышки и подины, а также свойства материалов слоев в функции средней температуры слоя.

Произведено исследование влияния разбиения расчетной области методом контрольного объема. В результате исследования сделаны выводы: использование разбиения методом половинчатых контрольных объемов для по-

ставленной выше задачи является более точным; при более подробном разбиении точность результатов увеличивается, однако при работе устройства в установившимся режиме, погрешность в расчете не превышает 7%, поэтому нет необходимости увеличивать степень детализации футеровки более, чем на 2 слоя.

Моделирование гидродинамических процессов в ИТПСТН производилось как в коммерческих пакетах (Сот8о1 МиШрЬуз^сэ), так и в пакетах, разработанных коллективом кафедры.

Форма уравнений движения, используемая в математической модели имеет вид:

81+У'дх1 «/[ ' дх,

(9)

где V,, Р — осредненные по времени компоненты скорости, внешней силы и давления соответственно; й, V— плотность и коэффициент кинематической вязкости жидкости соответственно;

= + = + = у + = у + - коэффициент турбулентной вязкости

оценим в рамках модели Климонтовича; V = £ у* — скорость течения в

данной точке; — критическая скорость, соответствующая переходу ламинарного течения в турбулентное.

В уравнении движения это внешние силы, под действием которых расплав приходит в движение (электродинамические силы). Другие внешние силы, например, сила гравитации или силы давления на рассматриваемый объем жидкости, в уравнении (9) не учитываются, поскольку в соответствии с законом механики, в состоянии покоя равнодействующая всех внешних сил, приложенных к произвольному объему жидкости, равна нулю.

При определении формы свободной поверхности в расчет включаются все силы, воздействующие на расплав - силы тяжести и реакции опоры, компоненты электродинамических и центробежных сил, скоростной напор. Таким образом, расчет производится последовательно, уже после определения скорости движения металла в ванне. Расчет производится послойно для выбранной области модели, что позволяет учесть месторасположение источника электродинамических сил. Считаем при этом, что вертикальные компоненты давлений уравновешиваются плотностью силы тяжести выбранного узла (высотой столба металла). Компоненты давлений перпендикулярного направления имеют положительный знак в случае направления к стенке. На каждом шаге расчета производится суммирование высоты слоев, и полученная частная форма свободной поверхности является исходной (формой дна сосуда) для следующего слоя.

В третьей главе исследуются индукционные комплексы на базе ИТПСТН. Для управляемого воздействия на металл используются многосекционные индукторы ИТП с различными схемами включения обмоток.

На рис. 9 а представлена схема подключения трехсекционного индуктора, являющаяся развитием схемы с фокусированием мощности.

I

Рис. 9. Схема подключения трехсекционного индуктора с независимой компенсацией секций (а) и векторная диаграмма токов и напряжений для этой

схемы (б)

При исследовании данной схемы с несимметричной компенсацией реактивной мощности секций было замечено, что фазы токов оказываются сдвинутыми друг относительно друга на определенный угол, что создает предпосылки для создания бегущего или квазибегущего поля индуктора. Для улучшения характеристик печи как электромеханического преобразователя энергии необходимо, чтобы фазы магнитодвижущих сил (МДС) секций были сдвинуты на угол 120°. Сдвиг фаз токов при несимметричной компенсации может составлять не более 90°, поэтому одна из секций печи выполнена со встречной намоткой для разворота фазы МДС относительно тока на 180°. Полученная векторная диаграмма токов и напряжений секций представлена на рис. 9 б.

Л'

О'

о;

< *

I

*

. ;

. 4 4 4 \ I » I к »

- ^ ч * 1. V I

1 * (

П! 111 I г » I f г > Г

I I

Как видно из векторной диаграммы, токи секций сдвинуты на угол приблизительно 120°, а ток инвертора / опережает напряжение на индукторе V, что требуется для устойчивой работы инвертора.

Получив распределение индукций и вихревых токов в расплаве с помощью компьютерной модели на основе метода детализированных магнитных схем замещения, мы определили удельные электродинамические усилия, воздействующие на расплав. Затем передали полученные данные в модуль расчета гидродинамики и получили векторное поле скоростей, а также численное значение осевой » компоненты скорости, представ-

Рис. 10. Векторное поле скоростей на ленные на рис. 10. половине продольного сечения тигля

1 ♦ > >

/ / ? * „

г > г - » . * 1 т ' .

* ^ * , .. V К \ * *

. , ^ ^ V

я к

и

'■н

О

Следующая схема (рис. 11) является развитием предыдущей и получена путем разбиения каждой секции на две, включенные встречно-последовательно для создания бегущей волны электромагнитного поля. Индуктор в этом случае имеет два полюса, поскольку его секции включены по классической для линейных индукционных машин схеме А2ВХСУ. Данная схема дает более равномерное распределение МДС и активной мощности по оси тигля, что обеспечивает более равномерную циркуляцию металла вдоль всего тигля без образования дополнительных вихрей. На рис. 12. представлена полученная векторная диаграмма токов.

Создать необходимый сдвиг фаз между токами секций индуктора можно также за счет дополнительных реактивных элементов, как показано, например, на рис. 13. Дополнительная емкость и индуктивность сдвигают токи секций четырехсекционного индуктора на угол 90°, что позволяет получить че-тырехлучевую звезду МДС вдоль оси индуктора и обеспечить тем самым создание бегущего электромагнитного поля

V, 2

V 6

Рис. 11. Схема включения шестисек- Рис. 12. Результаты расчетов для ционного индуктора ИТП схемы на рис. 1 1

На рис. 14 (а) представлена векторная диаграмма токов секций. Угол между токами составляет около 80°. Токи не равны по величине из-за наличия магнитной связи между секциями, что не мешает получить удовлетворительную картину движения металла в тигле и хорошее значение осевой компоненты скорости в глубине тигля.

Разработана методика расчета параметров компенсирующего устройства на рис. 9, 11 по критерию равенства амплитуд и заданной величины сдвига начальных фаз токов секций.

Проведенные экспериментальные исследования показали хоро-Рис. 13. Схема питания четырехсек- шую сходимость результатов фи-

ционного индуктора зического моделирования с полу-

чаемыми по данной методике результатами.

100--4 зоо-з МО-2 300-1 ш/ ¡а к 00 20 00 31 00 и 00 5С

/ \

\

\

>4 \

\

\

\

\

1П4 1т(1 1) \ ■з

1П4 °т(?,Л \

-1? □□□ 1

а б

Рис. 14. Результаты расчетов для схемы на рис. 13

Проведены исследования по нахождению оптимальных с позиций электромеханического воздействия на расплав частот питающего тока для различных схем включения обмоток цилиндрического индуктора.

В четвертой главе приведено исследование динамических режимов работы ИТПСТН и МПА на их основе в комплексе с источником питания - полупроводниковым преобразователем частоты и системой управления процессом плавки.

В основе модели загрузки ИТП лежит одномерная модель, построенная по методу эквивалентных тепловых схем (Рис. 7). Она с достаточной степенью детализации позволяет получить представление о температурах элементов конструкций ИТП. Тепловые процессы, происходящие в загрузке, представлены интегрально. В качестве «точного» метода разбиения огнеупорной стенки выбран метод половинчатых контрольных объемов.

В основе электромагнитной модели ИТП лежит метод схем замещения. При однофазном питании достаточно рассчитать параметры Т-образной схемы замещения, при питании индуктора по более сложным схемам используются модели на основе детализированных схем замещения.

Модель создана в пакете МАТЬАВ 7.0.1/81МиЫЫК. Она содержит 4 основных блока: задания данных, расчета масс, блоки электрического и теплового расчета.

Блок электрического расчета состоит из 2-х основных модулей: расчета параметров инвертора и электромагнитного расчета параметров индуктора ИТП.

В качестве источника питания для ИТП обычно используется автономный параллельный инвертор тока. Так как для всей модели выбирается единый шаг интегрирования по времени, наиболее рациональной представляется реализация модели с использованием статической модели инвертора (рис. 17), которая позволяет получить интегральные параметры режимов его работы без детального исследования работы силовых ключей. Необходимыми и достаточными для описания работы инвертора параметрами являются действующее значение тока инвертора и частота тока.

Рис. 17. Алгоритм расчета токов и частоты инвертора и индуктора доваггок со второй с перекрытием уровня расплавленного металла.

Математическая модель МПА на основе ИТП создана на базе одномерной динамической модели ИТП.

Отличительной особенностью работы МПА по сравнению с ИТП на первом этапе является то, что нет необходимости заполнять весь тигель расплавленным металлом, так как в дальнейшем включается электромагнитный вращатель (ЭМВ) и уровень металла у пристеночной области увеличивается, по-

этому уровень наплавляемого металла обычно не превышает трети высоты тигля.

Второй этап (собственно процесс переработки) реализован следующим образом: после запуска вращателя в агрегат сначала загружается определенная масса восстановителя, который нагревается до температуры подложки и растворяется в ней. Затем последовательно загружается часть реагента (восстанавливаемого оксида). После нагрева до реакционной температуры начинается реакция восстановления с выделением шлака и продукта при постоянной досыпке реагента. Управление процессами реакций организовано посредством та11аЬ-функции, где задаются и вычисляются необходимые коэффициенты реакции, а также мощности, которые выделяются в ходе реакций восстановления. Вследствие наличия вращателя в моделируемой установке, при включении которого изменяется геометрия загрузки, в блок расчета масс был интегрирован модуль вычисления геометрии лунки. В качестве геометрии формы лунки для расчетов был выбран "эквивалентный" конус по объему лунки.

Тепловой блок расчета. В процессе работы МПА структура и параметры тепловой схемы замещения постоянно изменяются. Собственно структура меняется при переходе к рабочему режиму работы МПА (рис. 19). Здесь тепловые массы реагентов и шлака (рис. 18) распределены по следующим узлам: 3 - шлак, 4 -реагент, 5 - подложка.

Мощность, выделяемая в подложке (рис.18): Р2 = Рт\ + Рету+ Рреас, где Рт1 - мощность, передаваемая в загрузку от ИТП в составе МПА; Рету - мощность, передаваемая в загрузку от вращателя; Рреас - мощность, выделяемая в подложке от реакции восстановления.

Электрический блок расчета. Для расчетов электромагнитных параметров загрузки на этапе наплавления металлической подложки была взята математическая модель на основе Т-образных схем замещения. Модуль электромагнитного расчета вращателя МПА построен на методе ДМСЗ и включает электромагнитный и гидродинамический расчет ЭМВ. Од-Рис. 18. Тепловая модель МПА на втором ним из важнейших энергети-этапе. Реагенты и шлак находятся в лунке, ческих параметров работы образовавшейся при вращении металла ЭМВ является мощность, выделяемая во вторичном элементе и потери в обмотке ЭМВ.

Основной режим работы МПА - режим жидкофазного восстановления с вращением подложки, представляет большой интерес для изучения. Задачами управления на данном этапе является: создание лунки необходимой глубины,

поддержание ее на необходимом уровне при различных возмущениях (изменение электропроводности и массы подложки), поддержание температуры подложки не выше заданного значения.

Для управления агрегатом возможно использовать следующие каналы: 1 — тепловая мощность реакции восстановления, которой можно управлять через скорость подачи реагентов; 2 - напряжение на обмотке индуктора и частота тока индуктора вращателя, которые определяют электромагнитную мощность, передаваемую в подложку и скорость вращения подложки.

Разработана система управления "скоростью" подачи реагента в рабочую камеру (рис. 19), регулирование осуществляется по температуре подложки, определяемую напрямую с помощью пирометра, либо через косвенные параметры, получаемые через систему охлаждения. Задается предельная температура подложки, определяемая стойкостью футеровки.

ТвсЗлиЭГ" \ Л

..........................

Тгсдя

зн

Р.СПР

Система -, ^ |

подачи реагента

МПА

ТпоЗп

Датчик

температуры,

Рис. 19. Функциональная схема управления подачей реагента в ванну агрегата (ЗН - зона нечувствительности, РСПР — регулятор "скорости" подачи реагента)

Разработана система управления ЭМВ (рис. 20), которая позволяет получить требуемую высоту лунки. Высота лунки зависит от массы металла, его удельной электропроводности, частоты и величины тока индуктора

Рис. 20. Функциональная схема управления ЭМВ

В главе приведены результаты компьютерного моделирования некоторых технологических процессов переработки в МПА оксидсодержащей руды. Например, на рис. 21 приведены результаты компьютерного моделирования цикла переработки концентрата якутского титаномагнетитового месторождения. При этом энергопотребление из электросети на нагрев подложки и вращение ванны составило 2222 кВт-ч за цикл, а тепло, утилизированное водой из системы охлаждения агрегата, 7900 кВт-ч. Эта энергия может быть исполь-

зована для обогрева зданий и промышленного оборудования комплекса. Не утилизированные водой потери составили 434 кВт-ч за цикл.

технологического цикла

В пятой главе описываются экспериментальные установки, которые были созданы при выполнении работ на различных предприятиях и в лабораториях. Приводится расчет характеристик этих установок и сравнение результа-

Рис. 22. Индуктор экспериментальной уста- Рис. 23. Индуктор электромагнитного новки для нагрева ОТВС реактора ВВЭР- перемешивателя для сплавов с мик-1000 рочастицами

На рис. 22. Приведен индуктор экспериментальной установки, установленной на ООО СвердНИИХиммаш для нагрева сложной составной загрузки. По результатам компьютерного и физического моделирования в ходе работ

была разработана конструкция нагревательной установки для охрупчивания ОТВС реакторов ВВЭР-1000 и подобран режим ее работы.

Индуктор на рис. 23 был изготовлен при участии автора для Института высокотемпературной электрохимии. Он предназначен для создания движения расплавленного лития в реторте в процессе изготовления композитных материалов.

Рис. 24. Индуктор печи лабораторного плавильно-литейного комплекса

Рис. 26. Боковой индуктор лабораторного МПА в составе ЛПЛК

Рис. 25. Перемешиватель жидкой фазы слитка в процессе кристаллизации в составе ЛПЛК

Рис. 27. Донный индуктор лабораторного МПА в составе ЛПЛК

На рис. 24-27 приведены созданные при участии автора индукционные устройства для учебно-научной лаборатории преобразовательной техники и электротехнологий УрФУ, и являющиеся частью ЛПЛК. На рис. 28 приведен внешний вид созданного при участии автора лабораторного стенда для исследования индукционного автоклава и печи сопротивления.

л

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы создания научно-методической основы и комплекса компьютерных программ для математического моделирования взаимосвязанных электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов, а также разработке на основе проведенных исследований энергоэффективных конструкций, схем обмоток, схем и параметров электропитания ИТПСТН как особой группы электротехнологических устройств.

Рис. 28. Лабораторный стенд "Индукционный автоклав"

_

Рис. 29. Турбоиндукционная печь

Вид сверху На рис. 29,30 приведены фотографии изготавливаемой в данный момент ООО РЭЛТЕК турбоиндукционной печи, емкостью 50 кг (по алюминию), разработанной при реализации государственной программы по теме "Создание плавильно-заливочного формующего комплекса на базе турбоиндук-ционных печей для получения фасонных отливок из композиционных материалов методом тиксолитья". В рамках проведенных работ был также разрабо-Рис. 30. Турбоиндукционная печь тан и изготавливается кристаллизатор с Вид слева электромагнитным перемешиванием

жидкой фазы слитка. В приложенииях приведены результаты следующих исследований, не вошедших в основной текст диссертации: влияние параметров загрузки на характеристики ИТП; моделирование процессов переработки оксидсодержащего сырья в МПА; характеристики вращателя расплава турбоиндукционной тигельной печи, а также документы об использовании результатов работы.

Основные результаты работы могут быть сформулированы в следующих выводах:

1. Обобщены и развиты математические модели ИТПСТН на основе детализированных электрических, магнитных и тепловых схем замещения в следующих направлениях:

- модели цилиндрических индукторов ИТПСТН с бегущим и вращающимся магнитными полями, с детализацией по осевой и радиальной координатам, с однородной сплошной и не сплошной загрузками;

- модели плоских индукторов ИТПСТН с бегущим и вращающимся магнитными полями, с детализацией по продольной и нормальной координатам, с однородной сплошной и не сплошной загрузками;

- тепловые одно- и двумерные модели загрузок ИТПСТН на основе метода эквивалентных тепловых схем с учетом всех видов теплофизического взаимодействия, а также тепломассопереноса внутри загрузки.

2. В пакете МаШсас! разработан комплекс компьютерных программ для моделирования электромагнитных, гидродинамических и тепловых процессов в ИТПСТН на основе МКР (гидродинамика), детализированных электрических, магнитных и тепловых схем замещения.

3. Предложены новые варианты конструкции и схем питания ИТПСТН от полупроводниковых преобразователей частоты. С помощью разработанного программного обеспечения было произведено моделирование электродинамических процессов в ИТП с фокусированием мощности, а также с бегущим вдоль оси тигля магнитным полем путем индивидуальной компенсации реактивной мощности каждой из секций.

4. Проведены исследования по нахождению оптимальных с позиций электромеханического воздействия на расплав частот питающего тока для различных схем включения обмоток цилиндрического индуктора с бегущим и вращающимся магнитными полями.

5. Разработана методика расчета устройства компенсации реактивной мощности многосекционного индуктора ИТПСТН с бегущим магнитным полем при питании от однофазного источника.

6. 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.

7. Разработана математическая модель, позволяющая исследовать процессы в загрузке МПА, состоящая из следующих основных взаимосвязанных элементов (подмоделей):

- модель электромагнитных процессов для нагревательного индуктора на основе метода Т-образных схем замещения;

- модель источника питания для нагревательной части, позволяющая реализовать логику работы силовой части инвертора при регулировании мощности в загрузке по заданию регулятора температуры металла;

- тепловая модель, основанная на детализированных эквивалентных тепловых схемах замещения;

модель электромагнитных процессов на основе метода детализированных схем замещения для вращающего индуктора;

гидродинамическая модель, позволяющая производить расчет скорости вращения расплава и размеры лунки в ванне плавильного агрегата.

В. Произведена верификация электромагнитной модели нагревательной части на основе Т-образных и детализированных схем замещения с полевыми методами.

9. Создана компьютерная модель МПА, как многокомпонентного комплекса, реализованная в компьютерных программах в среде МАТЬАВ-8\тиИпк. Для управления работой МПА на всех этапах предусмотрено использование нескольких каналов воздействия.

10. С помощью компьютерной модели проведены исследования разрабатываемого варианта МПА. Подробно изучены особенности тепловых и электромагнитных процессов в загрузке, влияние параметров загрузки на характеристики МПА на этапе создания жидкометаллической подложки, влияние параметров подложки на энергетические характеристики МПА и геометрию подложки. Выполнено исследование режимов работы МПА.

11. Даны рекомендации по формированию энергоэффективных режимов работы многофункционального плавильного агрегата. Сформулированы рекомендации к основным техническим решениям для создания опытно-промышленного образца МПА.

12. На основании проведенных исследований предложен ряд конструкций ИТПСТН с вращением жидкометаллической ванны, в частности в рамках программы "Создание плавильно-заливочного формующего комплекса на базе турбоиндукционных печей для получения фасонных отливок из композиционных материалов методом тиксолитья" предложена конструкция турбоин-дукционной печи и кристаллизатора с электромагнитным перемешиванием жидкой фазы слитка в процессе кристаллизации; в рамках программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии и инноваций в Свердловской области» разработана конструкция и изготовлена лабораторная ИТПСТН с организацией двухплоскостного движения металла в тигле. Предложен на основании проведенных исследований ряд конструкций и режимов работы индукционных нагревателей сложных составных заготовок. Результаты исследования переданы в ЗАО Рэлтек и ОАО Свердниихиммаш. Разработана, изготовлена и запущена в эксплуатацию опытно-промышленная установка с индукционным перемешивателем по получению сплавов с микрочастицами в Институте высокотемпературной электрохимии УрО РАН. Результаты работы используются также на кафедре электротехники и электротехнологических систем УрФУ в учебном процессе, при курсовом и дипломном проектировании, при проведении научных исследований и лабораторных практикумов.

По теме диссертации опубликовано 94 работы. Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Учебные пособия

1. Электротехнологическая виртуальная лаборатория: Учебное пособие/ Ф.Н. Сарапу-лов, С.Ф. Сарапулов, Д.Н. Томашевский, В.Э. Фризен, И В. Черных. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2003 г, 233 е.

2. Плавильные комплексы на основе индукционных тигельных печей и их математическое моделирование: Учебное пособие/ В.И. Лузгин, С.Ф. Сарапулов, Ф.Н. Сарапулов, Б.А. Сокунов, Д.Н. Томашевский, В.Э. Фризен, И.В. Черных, В.В. Шипицын. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005 г. 464 с.

Статьи в изданиях по перечню ВАК

1. Электромагнитное воздействие на жидкие металлы в технологических циклах металлургической обработки цветных металлов и сплавов / A.B. Бычков, С.Ф, Сарапулов, Б.А. Сокунов, В.Э. Фризен, В.А. Карташева. Промышленная энергетика, №6, 2001. С. 41-42.

2. Динамическая модель индукционной тигельной печи / В.И. Лузгин, В.Э. Фризен, И.В. Черных. Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы: Вестник УГТУ-УПИ, в 2-х частях, Ч. 2. Екатеринбург, 2003. С. 163-166.

3. Индукционный перемешиватель алюминиевых сплавов в процессе кристаллизации / С.Ф. Сарапулов, Б.А. Сокунов, В.Э. Фризен. Электромеханические и электро-магнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы: Вестник УГТУ-УПИ, в 2-х частях, Ч. 2. Екатеринбург, 2003. С. 171-174.

4. Моделирование кусковой загрузки индукционной тигельной печи с помощью метода детализированных магнитных схем замещения / В.И, Лузгин, Ф.Н. Сарапулов, Б.А. Сокунов, В.Э. Фризен. Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы: Вестник УГТУ-УПИ, в 2-х частях, Ч. 2. Екатеринбург, 2003. С. 175-178.

5. Использование современных компьютерных программ при подготовке инженеров на кафедре «Электротехника и электротехнологические системы» / Ф.Н. Сарапулов, A.A. Идиятулин, С.М. Фаткуллин, С.Ф. Сарапулов, В.А. Дмитриевский, В.Э. Фризен. Москва: Вестник МЭИ (ТУ), № 1. 2008. С. 109-113.

6. Турбоиндукционная тигельная печь для получения специальных сплавов / В.И. Лузгин, А.Ю. Петров, С.А. Рачков, Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов, В.Э. Фризен. Металлургия машиностроения. 2008. №3. М.: ООО "Литейное производство", 2008, С. 6-7.

7. Многофункциональная турбоиндукционная тигельная печь для плавки чер!гых и цветных металлов в литейном производстве / В.И. Лузгин, А.Ю. Петров, С.А. Рачков, Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов, В.Э. Фризен. Литейщик России, № 4, 2009. С. 11-13.

8. Формирование МГД-процессов в индукционной тигельной печи при однофазном питании индуктора / Ф.Н. Сарапулов, В.Э. Фризен. Электротехника, №3, 2010. С. 56-61.

9. Одномерная динамическая модель индукционной тигельной печи / С.М. Фаткуллин, Ф.Н. Сарапулов, A.A. Идиятулин, В.Э. Фризен. Электротехника, №5, 2010. С. 37-42.

10. Многофункциональный плавильный агрегат для мини металлургических предприятий / В.И. Лузгин, А.Ю. Петров, Ф.Н. Сарапулов, В.Г. Лисиенко, С.Ф. Сарапулов, Е.А. Коршунов, B.JI. Бастриков, B.C. Третьяков, A.A. Идиятулин, В.Э. Фризен. Промышленная энергетика, №5, 2010. С. 7-10.

11. Математическое моделирование индукционной тигельной печи в составе многофункционального плавильного агрегата / С.М. Фаткуллин, В.Э. Фризен. Промышленная энергетика, №5, 2010. С. 14-17

12. Энергетические характеристики многосекционной индукционной тигельной печи с независимой компенсацией секций индуктора / В.Э. Фризен. Промышленная энергетика, №5,2010. С. 21-24.

13. Управление электромагнитным перемешиванием путем фокусирования мощности в крупных индукционных тигельных печах / Ф.Н. Сарапулов, В.Э. Фризен. Электрометаллургия, №11, 2010. С 32-35.

14. Режимы работы индукционного плавильного агрегата / А.А. Идиатулин, Ф.Н. Сарапулов, С.М. Фаткулин, В.Э. Фризен. Индукционный нагрев №2, 2011. С. 10-16.

15. Турбоиндукционный плавильно-литейный комплекс для получения композитных сплавов / А.Ю. Петров, В.И. Лузгин, Ф.Н. Сарапулов, В.Э. Фризен. Индукционный нагрев №4(18), 2011. с.32-36

16. Турбоиндукционные плавильно-литейные комплексы для производства качественного чугуна / В.И. Лузгин, А.Ю. Петров, С.М. Фаткуллин, В.Э. Фризен . Металлургия машиностроения. 2012. № 1. С. 2-5.

17. Исследование гидромеханических процессов в жидкометаллическом роторе индукционного вращателя / Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов, Ф.Е. Тарасов, В.Э. Фризен. Индукционный нагрев №22, 2012. С. 21-24.

18. Электромагнитная модель многофазной индукционной тигельной печи с кусковой загрузкой / Ф.Н. Сарапулов, В.Э. Фризен. Электротехника, №3, 2013. С. 55-61.

19. Методика расчета компенсирующего устройства многофазной индукционной тигельной печи / В.Э. Фризен. Электротехника, №5, 2013. С. 51-55.

20. Повышение энергоэффективности магнитогидродинамических машин за счет внутренней компенсации реактивной мощности / А.А. Идиятулин, С.Ф. Сарапулов, Ф.Н. Сарапулов, Ф.Е. Тарасов, В.Э. Фризен. Известия СПбГТУ ЛЭТИ №1, 2013. С.51-56.

21. Исследование влияния условий кристаллизации на структуру тиксозаготовок из литейных алюминиевых сплавов / Аксененко А.Ю., Бычков С.А., Климов В Н., Коробова Н.В., Тарасов Ф.Е., Фризен В.Э., Шевченко С.Ю. Металлургия машиностроения. 2013. №2. с. 17-20.

22. Об электромагнитном воздействии на расплав алюминия при его модифицировании / Аксененко А.Ю., Коробова Н.В., Лузгин В.И., Тарасов Ф.Е., Фаткуллин С М., Фризен В.Э. Металлургия машиностроения №1, 2013. С. 8-11.

Статьи в базе данных Scopus

1. Frizen V.E., Sarapulov F.N. Formation of MHD processes in induction crucible furnace at single-phase supply of inductor // Russian Electrical Engineering. Volume 81, Issue 3, March 2010, Pages 159-164

2. Fatkullin S.M., Frizen V.E., Sarapulov F.N., Idiyatulin A.A. One-dimensional dynamic model of induction crucible furnace // Russian Electrical Engineering. Volume 81, Issue 5, May 2010, Pages 254-258

3. Sarapulov F. N., Frizen V. E. Control of electromagnetic stirring by power focusing in large induction crucible furnaces // Russian metallurgy (Metally). Volume 2011, Issue 12, December 2011, Pages 1152-1155

4. Sarapulov F.N., Frizen V.E. Electromagnetic model of a multiphase inductive crucible furnace // Russian Electrical Engineering. Volume 84, Issue 3, March 2013, Pages 165-170

5. Frizen V.E. Compensator of a multiphase inductive crucible furnace // Russian Electrical Engineering. Volume 84, Issue 5, May 2013, Pages 285-289

Статьи в других изданиях

1. Индукционные магнитогидродинамические машины технологического назначения Б.А. Сокунов, С.Ф. Сарапулов, В.Э. Фризен // Труды четвертого международного симпозиума "ЭЛМАШ-2002. Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования для энергетики, транспорта, нефтяной и газовой промышленности", Москва, 2002, с.147-151.

2. Исследование индукционных-тигельных печей при питании от источника несинусоидального напряжения / В.И. Лузгин, Д.Н. Томашевский, В.Э. Фризен // Труды 5-ой Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение», Крым, Алушта, 2003 г. с. 29-32.

3. Исследование режимов работы плавильного комплекса "преобразователь частоты -индукционная тигельная печь" / В.И. Лузгин, А.Ю. Петров, Ф.Н. Сарапулов, Д.Н. Томашевский, В.Э. Фризен // Сборник докладов VII симпозиума "Электротехника 2010 год. Перспективные виды электрооборудования для передачи и распределения энергии", Москва, 2003, с. 181-187.

4. Математическая модель индукционной тигельной печи с кусковой загрузкой / Ф.Н. Сарапулов, В.Э. Фризен, Б.А. Сокунов, С.Ф. Сарапулов // Труды АЭН 4P, Чебоксары, 2003. с. 30-35.

5. Математическое моделирование индукционной тигельной печи с кусковой загрузкой / Ф.Н. Сарапулов, Б.А. Сокунов, В.Э. Фризен // Труды 5-ой Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение», Крым, Алушта, 2003 г. с. 29-32.

6. Исследование режимов работы плавильного комплекса "преобразователь частоты -индукционная тигельная печь" / В.И. Лузгин, А.Ю. Петров, Ф.Н. Сарапулов, Д.Н. Томашевский, В.Э. Фризен. Сборник докладов VII симпозиума "Электротехника 2010 год. Перспективные виды электрооборудования для передачи и распределения энергии", Москва, 2003.С. 181-187.

7. Энергоэффективные режимы работы индукционной тигельной печи / Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов, В.Э. Фризен. Сборник докладов 7-й региональной научно-практической конференции Энергосберегающие техника и технологии 14 мая 2004 г. Екатеринбург. 2004. С. 48-51.

8. Моделирование электромагнитных процессов в изотропной неоднородной проводящей среде / Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов, Б.А. Сокунов, В.И. Лузгин, В.Э. Фризен. Электротехнология на рубеже XX-XXI веков // Сб. докл. Науч.-техн. Семинара, посвященного 100-летию профессора А.Д. Свенчанского. -М.: Издательство МЭИ, 2005. С. 110-119.

9. Применение метода эквивалентных тепловых схем при анализе работы электротехнологических установок / Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов, П.В. Лебедев, В.Э. Фризен. Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий. Труды Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. С. 155-162.

10. Modeling Induction Heating of a Composite Billet / V.l. Luzgin, A.Yu. Petrov, V.A. Prakht, F.N. Sarapulov, V.E. Frizen. Proceedings Of International Simposium on Heating by electromagnetic Sources, Padua, Italy, June 19-22, 2007. P. 341-348.

11. Формирование поля скоростей в расплаве индукционной тигельной печи / В.И. Лузгин, Ф.Н. Сарапулов, О.Ю. Сидоров, С.М. Фаткуллин, В.Э. Фризен. Труды третьей международной научно-технической конференции Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы, Екатеринбург, 27-29 сентября 2007 г. С. 215-217.

12. Специальные электрические машины для воздействия на металлические расплавы / С.Л. Назаров, С.Ф. Сарапулов, А.Я. Великанов, В.В. Захаров, В.Э. Фризен. Электротехнический рынок, №1, 2008. С. 38-39.

13. Многофункциональные индукционные плавильные агрегаты и их технологические возможности / В.И. Лузгин, А.Ю. Петров, Ф.Н. Сарапулов, В.Г. Лисиенко, С.Ф. Сарапулов, Е.А. Коршунов, В.Л. Бастриков, B.C. Третьяков, В.Э. Фризен. Бюллетень научно-технической и экономической информации Черная металлургия, №3, 2010. С. 76-81.

14. Multipurpose melting unit based on the cruicible induction furnace / F.N. Sarapulov, V.S. Tretyakov, V.E. Frizen. Proceedings Of International Simposium on Heating by electromagnetic Sources, Padua, Italy, May 18-21, 2010. P. 303-307.

15. Modelowanie matematyczne procesow cieplnych w indukcyjnych przetwornokach cylindrycznych / S.M. Fatkullin, W.E. Frizen, P. Szymczak, S. Wiszniewski // VI Lubuska Kon-ferencja Naukovvo-Technicza / Innovvacyjne Materialy I Technologie w Elektrotechnice - i-MITEL 2010, Przylesko k. Gorzowa Wielkopolskiego. C. 131-139.

16. Использование метода эквивалентных тепловых схем при моделировании нагрева сложных составных объектов / С.Ф. Сарапулов, В.А. Прахт, Г.А. Панов, А.Н. Ряпусов, В.Э. Фризен. Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-11. Сборник научных трудов. Екатеринбург: ФГАОУ ВПО УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2011. С. 131 - 136.

17. К вопросу об определении оптимальной частоты тока индуктора электромагнитного перемешивателя осесимметричной конструкции / О.В. Хомутова, К.О. Поздеева, В.Э. Фризен. Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-11. Сборник научных трудов. Екатеринбург: ФГАОУ ВПО УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина. 2011. С.137 - 142.

18. A Laboratory Model of the Specilal-Purpose Multy-Pliase Induction Furnace / F.N. Sarapulov, A.A. Idiatulin, V.E. Frizen. Proceedings of Tenth International Conference on Advanced Methods in the Theory of Electrical Engineering, Klatovy, Czech Republic, September 69, 2011. P.II-1 -II-2.

19. Trojfazowy uklad zasilania tyglowego pieca indukcyjnego od jednofazovvego przemien-nika czgstotlivvosci / Fiodor N. SARAPULOV, Piotr SZYMCZAK, Wasilij E. Frizen. Materialy konferencyjne VII Lubuska Konferencja Naukowo-Techniczna- i-MITEL 2012, pp. 127-128.

20. Electromagnetic rotator stirrer of induction melting unit / A. Idiyatulin, F. Sarapulov, F. Tarasov, S. Fatcullin, V. Frizen. Proceedings of the Congress. Спб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. С. 239-240.

21. Operation modes of the multipurpose melting unit / A. Idiyatulin, F. Sarapulov, F. Tarasov, S. Fatcullin. V. Frizen. Proceedings of the Congress. Спб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. С. 243-244.

22. The model of the multiphase crucible induction furnace lump charging / F. Sarapulov, V. Frizen. Proceedings of the Congress. Спб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. С. 245-246.

23. Melting-casting plant on the basis of turbo-induction furnace for composite alloying / V.I. Luzgin, A.Y. Peirov, F.N. Sarapulov, V.E. Frizen. Proceedings of the Congress. Спб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. С. 371-378.

24. Исследование гидромеханических процессов в жидкометаллической загрузке многофункционального плавильного агрегата / Ф.Н. Сарапулов, В.Г. Лисиенко, B.C. Третьяков, Ф.Е. Тарасов, В.Э. Фризен. Труды международной научно-технической конференции «Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах», Севастополь, 2012. С. 73-74.

25. Линейная индукционная машина с компенсированной обмоткой индуктора / Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов, А.А. Идиатулин, В.Э. Фризен. Труды XIV Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты - МКЭЭ-2012». Крым, Алушта, 2012. С.106-108.

Патенты

1. Плавильно-заливочная установка для получения слитков из композиционных материалов: патент на полезную модель № 128530 РФ, МПК B22D 11/14 (2006.01) / В.И. Луз-гин, АЛО. Петров, Ф.Н. Сарапулов, В.Э. Фризен, Н.В. Коробова, A.M. Дмитриев, С.Ю. Шевченко, А.Ю. Аксененко // Опубл. 27.05.2013. Бюл. № 15.

Подписано в печать 27.02.1014. Формат 69x84 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 120 экз. Издательство Учебно-методический центр УПИ. _620002 г. Екатеринбург, ул. Гагарина 35А_

ФГАОУ ВПО УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

05201450895 На правах рукописи

Фризен Василий Эдуардович

ИНДУКЦИОННЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИННОВАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.09.10 Электротехнология

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Сарапулов Федор Никитич

Екатеринбург 2014

Оглавление

Перечень встречающихся сокращений 5

Введение 6

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 АПостановка цели и задач исследования 3 7

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-1 ООО 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

Заключение 230

Библиографический список 233

Приложение 1. Опытный образец МПА 249 Приложение 2. Моделирование процессов переработки оксидсодержащего

сырья в МПА 262 Приложение 3. Характеристики вращателя расплава турбоиндукционной

тигельной печи 285

Приложение 4. Акты внедрения 314

Перечень встречающихся сокращений

АСТН - агрегат специального технологического назначения

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

ДМСЗ - детализированная магнитная схема замещения

ДСЗ - детализированная схема замещения

ИПЖФС - индукционный перемешиватель жидкой фазы слитка

итп - индукционная тигельная печь

итпетн - индукционная тигельная печь специального технологического

назначения

кпд - коэффициент полезного действия

ЛАД - линейный асинхронный двигатель

лнд - литье под низким давлением

мгд - магнитогидродинамический

мде - магнитодвижущая сила

МКР - метод конечных разностей

мкэ - метод конечных элементов

МП А - многофункциональный плавильный агрегат

НИР - научно-исследовательская работа

отве - отработавшая тепловыделяющая сборка

ПВЖФВ — плавка с вращением и жидкофазным восстановлением

ппч — полупроводниковый преобразователь частоты

пч - преобразователь частоты

пэл — поглощающий элемент

сз - схема замещения

ссз — сложная составная заготовка

ТВС - тепловыделяющая сборка

ТВЭЛ - тепловыделяющий элемент

ТИТП - турбоиндукционная тигельная печь

УИН - установка индукционного нагрева

ФЧХ - фазо-частотная характеристика

цлим - цилиндрическая линейная индукционная машина

ЭВМ - электронная вычислительная машина

эде - электродвижущая сила

эмв - электромагнитный вращатель

эте - эквивалентная тепловая схема

Введение

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 металломатричные 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

г

аналогична электромагнитному перемешивателю (миксеру) и является общим случаем МГД-устройства металлургического назначения.

1. Управление как тепловым, так и электродинамическим воздействием на загрузку на всех стадиях технологического процесса является современным подходом к эксплуатации ИТП как универсального и высокоэффективного агрегата. Целями этого подхода являются снижение времени плавки и улучшение качества получаемого металла за счет управляемого электромеханического воздействия на расплав, что имеет большое значение, например, в литейном производстве.

2. 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 его конструкции образует ИТП. Конструктивной особенностью печи является то, что высота и внутренний радиус тигля соизмеримы по величине (тогда как в типовой конструкции ИТП высота тигля обычно больше его внутреннего диаметра). Такое соотношение размеров во многом обусловлено особенностями технологических процессов, проходящих в агрегате. Поэтому ряд требований, которые предъявляются к ИТП классической конструкции, неприемлем для МПА. В частности, при реализации метода жидкофазного восстановления восстановлении металлов из оксидов с помощью сильных восстановителей реакция проходит с выделением тепла. Функция индуктора по нагреву загрузки должна быть заменена функцией отвода этой энергии («реверс» печи), преобладающей становится функция обеспечения вращения расплава с необходимой угловой скоростью, обеспечивающей создание лунки достаточной глубины. Лунка образует своеобразный «сосуд» для оксидов и шлака. Эту функцию выполняет индуктор электромагнитного вращателя (ЭМВ) с вращающимся магнитным полем.

3. 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 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 фрагментов, процессы в которых могут быть представлены интегрально, и фрагментов, процессы в которых пространственно детализированы. 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 устройства, 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, 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 технологичес�