автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Индукционный перемешиватель алюминиевых расплавов в ковшах

На правах рукописи

ВЕЛЕНТЕЕНКО Анатолий Михайлович

ИНДУКЦИОННЫЙ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЬ АЛЮМИНИЕВЫХ РАСПЛАВОВ В КОВШАХ

Специальность 05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 2004

Работа выполнена в Красноярском государственном техническом университете на кафедре «Электротехнология и электротехника»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Христинин Роман Мирославович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Громыко Александр Иванович

кандидат технических наук, доцент, Жуков Сергей Павлович

Ведущая организация: ООО "Красноярский Металлургический

завод" (г. Красноярск)

Защита состоится 18 июня 2004 года в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.098.04 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: ул. академика Киренского, 26, Красноярск, 660074, ауд.Д 501.

Факс: (391-2) 43-06-92 (КГТУ, для каф. САПР) E-mail: sovet@front.ru

Телефон: (391-2) 49-77-28 (КГТУ, каф. САПР)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Автореферат разослан 18 мая 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

д. т. н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Машиностроительный комплекс предъявляет все более высокие требования к первичной составляющей своей продукции -заготовкам и слиткам. Поэтому, проблему качества заготовок и слитков необходимо решать комплексно, уделяя внимание всем звеньям технологической цепочки: исходному сырью, приготовлению сплавов, рафинированию. Спросом пользуются сплавы, отвечающие самым высоким технологическим требованиям по очистке от вредных примесей. Самым экономичным и прогрессивным способом очистки первичного алюминиевого расплава от вредных примесей является способ объемной проработки непосредственно в транспортном ковше смесью рафинирующих солей. Принцип работы такой установки заключается в создании интенсивной циркуляции алюминиевого расплава в транспортном ковше, потоки которой вовлекают рафинирующие соли и создают благоприятные условия для протекания реакций между активными примесями: натрием, литием, калием.

В настоящее время в мире для этих целей широкое распространение получили установки MIXAL и STAC, которые для обеспечения условий глубокой проработки жидкого первичного алюминия используют интенсивное механическое перемешивание расплава в ковше при помощи специальных механических роторов. Основным достоинством таких установок является существенное повышение качества первичного алюминия, недостаток -низкая надёжность механических роторов, контактирующих с жидким металлом.

Более эффективным способом перемешивания высокотемпературных расплавов в миксерах, печах и ковшах является электромагнитное перемешивание при помощи линейных индукционных устройств. Последние широко применяются как в цветной, так и в черной металлургии. Они должны быть специальной конструкции, отличной от классической и иметь защиту от воздействия внешних тепловых полей.

Опыт долголетней работы кафедры "Электротехнология и электротехника" Красноярского государственного технического университета по созданию бесканальных электромагнитных перемешивателей алюминиевых сплавов в печах и миксерах показывает, что перспективным устройством для перемешивания первичного алюминия в транспортном ковше может быть установка, созданная на базе плоской линейной индукционной' машины. Однако применить существующие индукционные машины для этих целей не представляется возможным из-за особенностей транспортных ковшей и тяжёлых условий эксплуатации, индукционных устройств.

В связи с этим на основе математического и физического моделирования следует разработать и создать надежные и эффективные специальные индукционные устройства для электромагн

алюминия в транспортном ковше с целью интенсификации процессов его рафинирования, что является актуальной задачей в настоящее время.

Объект - исследования - индукционные устройства специальной конструкции для электромагнитного перемешивания алюминия сырца в транспортном ковше.

Предмет исследования - дифференциальные и интегральные характеристики и их взаимосвязь с электромагнитными нагрузками и техническими особенностями индукционных устройств для электромагнитного перемешивания.

Целью диссертационной работы является построение математической модели индукционного устройства для перемешивания электропроводного расплава в транспортном ковше, уточнение закономерностей преобразования энергии в нем, разработка на его основе установки рафинирования первичного алюминия.

Задачи исследования Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих установок рафинирования электропроводных расплавов в ковшах и обосновать возможность применения линейной индукционной машины для перемешивания первичного алюминия в транспортном ковше без переделки последнего.

2. Построить математические модели анализа и синтеза индукционных устройств для электромагнитного перемешивания жидкого металла в ковше и создать программные средства для их реализации.

3. На основе разработанных алгоритмов выявить взаимосвязи дифференциальных и интегральных характеристик с электромагнитными нагрузками и техническими особенностями индукционных устройств для электромагнитного перемешивания.

4. Путем сравнения экспериментальных данных, полученных на физической модели с результатами вычислительного эксперимента подтвердить адекватность разработанных математических моделей.

5. Разработать индукционные устройства и дать практические рекомендации по конструированию установки рафинирования первичного алюминия в транспортном ковше.

Методы исследований. Математическое моделирование осуществлялось численным методом (дискретизации свойств сред) анализа электромагнитных полей с применением современной вычислительной математики. Экспериментальные исследования проведены на физических моделях, оценка воспроизводимости натурных экспериментов проведена статистическими методами.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- Разработана математическая модель индукционного электромагнитного перемешивателя жидкого металла в ферромагнитном ковше, учитывающая его конструктивные особенности.

- Впервые, на основе, метода дискретизации свойств сред разработан способ синтеза электротехнических устройств.

- Выявлены зависимости интегральных и дифференциальных электромагнитных характеристик перемешивателей от их конструктивных особенностей и режимов работы.

Значение для теории состоит в развитии метода дискретизации свойств сред к решению задач анализа электромагнитного поля и разработке на его основе способа синтеза электротехнических устройств.

Значение для практики диссертационной работы представляется следующими результатами:

- Разработаны алгоритмы и программы математического моделирования электромагнитных процессов и технических особенностей индукционных устройств для перемешивания жидкого металла в ковше.

- Предложены новые способы и устройства перемешивания жидкого металла в транспортном ковше, оригинальность которых подтверждена пятью патентами.

- На основании теоретических и экспериментальных исследований выполнен рабочий проект установки для электромагнитного перемешивания первичного алюминия в транспортном ковше, который сдан заказчику.

Достоверность полученных результатов оценивалась путём сравнения результатов вычислительного эксперимента (с использованием разработанных математических моделей) с результатами натурного эксперимента на физических моделях, а также с результатами полученными при использовании программного комплекса БЬСЦТ.

Реализация результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты выполнены в рамках НИОКР кафедры «Электротехнология и электротехника» КГТУ и «Научно-производственного центра Магнитной гидродинамики», как по заказу предприятий и организаций, так и в рамках научно-технических программ и госбюджетных тем. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе студентов специальности 180500 - "Электротехнологические установки и системы". Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Впервые предложено использовать индукционную машину специальной конструкции для перемешивания первичного алюминия в транспортном ковше с ферромагнитным металлокаркасом.

2. Построена математическая модель для анализа индукционного перемешивателя на основе метода дискретизации свойств сред и исследованы

его дифференциальные и интегральные характеристики, при этом обеспечены необходимые точность расчета и сходимость вычислительного процесса.

3. Впервые на основе метода дискретизации свойств сред разработан способ синтеза электротехнических устройств, подтверждена его адекватность и с его помощью выявлены особенности конструкции индуктора электромагнитного перемешивателя.

4. Разработанную физическую модель индукционной установки для перемешивания жидкого алюминия в транспортном ковше и результаты экспериментальных исследований индукционных устройств на модели.

5. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований с целью выявления новых способов воздействия на жидкий металл в ковше, обеспечивающих новые технологии получения высококачественных металлургических полуфабрикатов.

Апробация. Основные научные и практические результаты работы докладывались автором и обсуждались на: Восьмой Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технология» (Томск, 2002г.); Международной конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромагнитные системы» - EECCES-2003 (Екатеринбург, 2003г.); Международном научном коллоквиуме «Моделирование электромагнитных процессов» (Германия, Ганновер, 2003г.); Всероссийской научно-практической конференции «Достижения науки и техники —развитию сибирских регионов» (Красноярск, 2003г.)

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 7 статьях и докладах и 5 положительных решениях на выдачу патентов.

Личный вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве, состоит в постановке задач повышения эффективности электротехнологического оборудования, разработке алгоритмов и программ, проведении вычислительных процессов, организации и проведении экспериментальных исследований.

Структура и объем диссертации. Результаты изложены на 205 страницах текста, иллюстрированного таблицами и рисунками на 53 страницах. Список использованных источников включает 101 наименование на 11 страницах. Работа состоит из введения, четырех разделов текста с

выводами по каждому из них, заключения, списка использованных источников и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, указаны цель и задачи исследования, научная новизна, практическая ценность и реализация результатов работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, отражены вопросы апробации и достоверности полученных результатов.

В первой главе приведен обзор способов и устройств для перемешивания электропроводных расплавов в ковшах. Показано, что с целью проработки расплавов в процессе рафинирования наиболее эффективными и технологичными в эксплуатации являются индукционные устройства на базе линейных индукционных машин специальной конструкции. Проведен обзор по теоретическому исследованию дифференциальных и интегральных параметров индукционных перемешивателей и показано, что исследования таких устройств необходимо проводить комплексно, используя теоретические методы и экспериментальные исследования.

Исследование и анализ существующих технологий получения высококачественных алюминиевых сплавов показывает, что в настоящее время целесообразной технологией является схема, когда жидкая шихта -первичный алюминий очищается от вредных примесей в процессе отстаивания в ковше, а готовится и доводится сплав по химическому составу в миксере (печи). Такая технологическая схема позволяет экономить время приготовления сплава, так как его рафинирование проводится в период отстаивания и, в некоторых случаях, исключить повторное рафинирование

после приготовления сплава в печи или миксере.

На рисунке 1 схематично изображена установка рафинирования жидкого первичного алюминия в транспортном ковше с применением механического ротора мешалки. Сущность технологии рафинирования первичного алюминия в ковше заключается в следующем: в жидкий металл 1, находящийся в транспортном ковше 2 на площадке отстоя опускается механический ротор - мешалка 3, который создает вращательное движение жидкого металла с воронкообразной лункой на оси

Рисунок 1

вращения и нисходящими осевыми потоками. В образовавшуюся лунку жидкого металла подается солевой раствор рафинирующей смеси 4, частицы которого вовлекаются в объем расплава в ковше. Образовавшиеся газы откачиваются при помощи газоотсоса 5. Весь процесс рафинирования занимает не более 7-10 минут, после чего содержание Li, Mg, К и других

вредных компонентов уменьшается до требуемой величины.

Результаты работы кафедры «Электротехнология и электротехника» КТТУ по созданию бесканальных электромагнитных перемешивателей алюминиевых сплавов в печах и миксерах, разработка способов и технологий перемешивания алюминиевых сплавов, позволили предложить установку электромагнитного переме -шивания алюминия в транспортном ковше, эскиз которой представлен на Рисунок 2 рисунке 2. Конструктивно такая

установка представляет собой транспортный ковш 1 с крышкой 2, в которой установлены газоотсос 3 и дозатор рафинирующей смеси 4. Механический ротор — мешалка здесь заменен на индуктор 5, который располагается, в основном, с боковой стороны ковша. Максимальная проработка алюминиевого расплава рафинирующей смесью достигается за счет создаваемого электромагнитным полем интенсивного движения жидкого металла в объеме ковша. Индуктор бегущего электромагнитного поля может располагаться как с боковой стороны ковша (рисунок 2), создавая вращательное или аксиальное движение металла в ковше, так и в крышке, закрывающей ковш или со стороны дна ковша.

В этих случаях могут использоваться: плоский линейный индуктор, расположенный вертикально вдоль боковой стороны ковша; дугостаторный индуктор, охватывающий боковую образующую ковша; торцевой индуктор, расположенный в крышке или под дном ковша. Особенностью таких индукторов, независимо от их конструкции и расположения, является наличие большой намагничивающей силы и пониженной частоты питающего напряжения, что должно обеспечивать проникновение электромагнитного поля в расплав алюминия сквозь ферромагнитный каркас ковша, выполненный из конструкционной стали и создавать достаточные электромагнитные усилия в расплаве, необходимые для его перемешивания.

Во второй главе произведен выбор расчетной модели и на основе метода дискретизации свойств сред разработана математическая модель для анализа характеристик индукционного перемешивателя жидкого металла в ковше.

На рисунке 3 представлен эскиз транспортного пятитонного ковша для транспортирования первичного алюминия, применяемого на заводах ОАО «Русский алюминий». Ковш состоит из металл окаркаса 1, футеровки днища 2, футеровки боковых стенок 3, стального пояса 4, косынок 5 и цапфы 6. Основные размеры транспортного ковша фиксированные и принимают следующие значения: высота ковша 1569 мм; наибольший внешний диаметр

ковша 1930 мм, толщина футеровки стенок 65 мм; толщина стального металлокаркаса 8мм

На рисунке 4а представлена расчетная модель системы "индуктор - ковш" при вертикальном расположении индукторов, а на рисунке 46 - то же при горизонтальном расположении индукторов. При построении математической модели приняты следующие допущения:

1. Расчетная область 1 ограничена поверхностью шириной А и длиной 1. магнитную проницаемость и удельную

Рисунок 3

Поверхность имеет электропроводность

2. Шихтованные магнитопроводы 2 заменяются анизотропной средой с магнитными проницаемостями и электропроводностью

Рисунок 4

3. Жидкий металл 3 в емкости ковша представлен средой с удельной электропроводностью ус и магнитной проницаемостью /лм-1 и имеет две

степени свободы, реализуемые скоростями

4 Металлокаркас 4 транспортного ковша заменяется изотропной средой с электропроводностью и магнитной проницаемостью

5. Обмотки индукторов 5 представлены поверхностными распределенными источниками с плотностью тока J=in/(A• 6), где /„ -ток, протекающий через элементарную ячейку, А; Л,5 - размеры элементарной ячейки в плане, м.

В расчетной модели электромагнитное поле является двухмерным, а комплексные напряженности электрического и магнитного полей имеют составляющие

Е=ёу-Еу\Н=ёх-Нх+ёг-Н2. (1)

Анализ электромагнитного поля выполнен методом дискретизации' свойств сред. Для этого расчетная область разбивается на конечное число элементарных объемов (рисунок 5) с размерами 'Л-8-е. Размеры объемов

Рисунок 5 Рисунок 6

выбираются такими, чтобы изменение электромагнитного поля в нем было незначительным. В этом случае массивные элементы можно заменить ортогональными стержнями с соответствующими физическими свойствами.

Разбив расчетную область по длине (ось X) на N частей, а по ширине (ось Z) - на М частей, получим двухмерную дискретную модель с размерами элементарной ячейки A=t/N и 8-h/M (рисунок 6). Предположив, что пространство вне стержней в элементарной ячейке имеет электропроводность у=0, диэлектрическую проницаемость е=0 и магнитную проницаемость

и принимая во внимание направление векторов запишем закон

полного тока в комплексной форме для замкнутого периметра элементарной ячейки

Используя закон электромагнитной индукции, реализованный для этих элементарных ячеек, запишем уравнения

Ё(Ш.,) ~Ё{кл) = °> 'Ро ' • $

Ё(к.,) - Ё(к+и) = У®-Ро • ^(1,) • й(кш1) ■ Л

Е(к.1)-Е(к-и) •>"(*-/,/) 'М{к-и)'

из которых выразим - Й^ .у Н^ .у ^ и и подставим в

уравнение (2). После несложных преобразовании получим уравнение, связывающее напряженности электрического поля в соседних стержнях

¿Г = 1 (А'Ё(к+1.1) , Л'Чк-и) , 6'Ё{к.1-1) -

(к,0 7вн „X о „X х „2 л

Цк,1) \ ^(клУ5 »{к-иУ6 ^.¡-¡УЛ

(3)

5-Ё,

*Д(и+1) ¡ст. . т

-- {к,¡У У

л-А

■Мо

(4)

где ^ ~ относительное сопротивление элементарных ячеек, которое определяется из выражения

Л Л 5

•у «И

»(кАУ* »{к-иуб 4¡.¡-1УЛ

4.0 'Л

+ j^a}■м0■y(ktj)^A■S.

(5)

Выражение (4) совместно с соответствующими краевыми условиями, при и к-1,2,...,М позволяет организовать итерационный процесс для

определения ^ во всех элементарных ячейках. Итерационный процесс

продолжается до тех пор, пока не выполнится условие

^ГЧЙ'ЛЙК (в

где т - номер итерации, ер - заданная погрешность расчета.

При наличии в расчетной модели жидкометаллических сред, движущихся со скоростью V =ёхУх + ё2У2 в уравнении (5) появляется ЭДС движения и оно преобразуется к виду

(7)

При известных значениях Ё^ в каждой элементарной расчётной ячейке

ть м

т.п. Так плотность тока в элементарной ячейке

можно определить напряжённость магнитного поля Н^у ¡у магнитную

И Н Д У ЙХ и Я*

Б{и) и ВШ)

определим по закону Ома в дифференциальной форме,

а, электрс-

%0 "ЦыуЕ^,)

(8)

'ражении

А-81

А-8-1

(9)

где - сопряженная комплексная напряжённость магнитного поля,

длина расчётной ячейки в нормальном направлении (ось У).

В качестве примера расчета электромагнитного поля на рисунке 7 приведена картина распределения напряженности электрического поля при работе дугостаторных индукторов, на которой наблюдается шунтирующее действие металлокаркаса ковша. На рисунке 8 сплошной линией представлены зависимости Н=/{() в среднем сечении индуктора (по рисунку 4),

---- 7

выполненные с использованием разработанной модели, а пунктирной линией - то же, полученные при использовании программного пакета ELCUT 4.2, где

Рисунок 7 Рисунок 8

наблюдается их хорошее совпадение. Распределение электромагнитных сил в металле ковша, представленное на рисунке 9 позволяет определить величину вращающего электромагнитного момента в к, I-й ячейке по выражению

(10)

где р - текущий радиус.

Максимальный момент возникает при согласном включении дугостаторных индукторов, а его изменение представлено на рисунке 10. Так при рабочей частоте питающего напряжения индуктора вращающий

Рисунок 9 Рисунок 10

электромагнитный момент действует практически на половину радиуса жидкого металла, уменьшаясь от краёв ковша до нуля при значении г*>± 0,4,

Рисунок

тем самым вовлекая единовременно большую часть жидкого металла в движение.

Распределение электромагнитных сил позволило при использовании пакета Aero Chem получить картину распределения скоростей- в жидком металле с учётом его гидравлических свойств. На рисунке 11 представлена картина распределения скоростей жидкого металла в ковше по рисунку 4а при, согласном включении индукторов. Максимальных

значений 0,5 м/с скорость достигает пристроенной области ковша.

В третьей главе рассмотрен способ синтеза электротехнических устройств, использующий в своей основе явную алгебраическую связь между составляющими уравнений Максвелла, представленными в комплексной форме и реализующими метод дискретизации свойств- сред. Реализация способа синтеза может быть представлена следующим образом.

Используя выражение (4), представленное в разностном варианте и применяющееся для анализа параметров электротехнических устройств,

выразим из него ¿^¡у полагая ч т естны. Тогда получим выражение

которое позволяет при известных получить картину распределения токов в обмотке индуктора с учетом влияния внешних факторов.

Аналогичным образом можно получить уравнение для уточнения электропроводности обмотки индуктора или жидкометаллического

рабочего тела при наличии, например, рафинирующих солей в жидком металле. В этом случае уравнение будет иметь вид

в

Выражения для уточнения анизотропных характеристик магнитопровода индуктора или ферромагнитного металлокаркаса ковша можно получить в виде

(13)

Аналогично можно получить выражение для определения'//^^,

, которые в совокупности позволяют уточнить величины магнитнои

проницаемости и оценить влияние изменения характеристик поля на них.

„X

При наличии характеристик скоростей и> для каждой из

элементарных ячеек рабочего тела, первоначально полученных из других источников и- участвующих при расчете характеристик индукционного устройства, может произойти их изменение при изменении параметров электромагнитного поля в активной зоне жидкометаллического рабочего тела. В этом случае, используя выражение (7), легко получить зависимости для

_у —7

и получить по ним новые значения, при возмущении

электромагнитного поля, например, внешними источниками.

При создании бегущего электромагнитного поля отличного от магнитного поля в пусковом режиме индукционной машины и при наличии-движения жидкого металла по образующей ковша, что предопределяет уменьшение входного продольного краевого эффекта, картина электромагнитного поля видоизменяется. Зафиксировав изменения в массиве,

и

например

500 400 300 200 100 0,

'О 1

2 3 4

Рисунок 12

(kt)' получим новую картину распределения токов в пазах

индуктора, представленную на рисунке 12 (сплошная линия), которая необходима для обеспечения улучшенного режима работы перемешивателя. Кроме того, отличается и фазовый сдвиг токов в расчетных ячейках пазов магнитопровода.

Таким образом, можно сделать вывод, что для улучшения бегущего

электромагнитного поля, увеличения тяговых усилий индукционной машины и уменьшения

_влияния продольных краевых эффектов,

Li, o.e. индуктор следует выполнять многокатушечным и питать многофазным напряжением, оптимально обеспечивающим

максимальное тяговое усилие.

В четвертой главе рассмотрена экспериментальная физическая модель индукционного перемешивателя жидкого металла в ковше, позволяющая исследовать следующие типы индукционных устройств: на базе статора цилиндрического асинхронного двигателя; на базе торцевого асинхронного двигателя; плоскую индукционную машину и дугостаторную индукционную машину, а также представлены результаты экспериментальных исследований

этих устройств.

На разработанной физической модели (рисунок 13) проведено исследование различных типов индукционных устройств, упомянутых ранее. Модель установки выполнена в масштабе 1:12 по отношению к i оригиналу; в качестве моделирующего металла использовался галлий, температура плавления Рисунок 13 которого 29,9°С и

электропроводность близкая к электропроводности алюминия. На рисунке 13 показаны: 1 - индуктор, 2 - ферромагнитный ковш, 3 - индукционный регулятор, 4 - трансформатор, 5 - измерительный комплекс К505, 6 -милливольтметр. В процессе исследований экспериментальная установка

может быть дополнена измерителями скорости движения жидкого металла; измерителями индукции магнитного поля и другими устройствами. На рисунке 14а представлена картина движения моделирующего металла при работе линейного индуктора, установленного вдоль вертикальной образующей ковша, а на рисунке 146 - фотография эксперимента.

а) ' . б)

Рисунок 14

При использовании в качестве индуктора статора асинхронного двигателя, распределение индукции магнитного поля в поперечном сечении

ковша при токе 1ф = 1,35 А

представлено на рисунке 15, где 1 - нормальная составляющая, а 2 -тангенциальная составляю -щая. На графике наблюдается снижение магнитной

индукции практически до величины В=0,002 в приосевой области. Из этого следует, что приосевые слои жидкого металла могут и 1 ^ Ьк о е вовлекаться в движение

рисунок 15 """ за счет вязкостных

сил трения. Усредненная характеристика вращения активных слоев расплава в ковше представлена на рисунке 16, где 1 - при высоте металла в ковше 30 мм, а 2 - при высоте 60 мм.

Рабочие характеристики линейного индуктора показаны на рисунке 17. Здесь кривая 1 - для одной фазы, 2 - для другой фазы. Неравномерность в пофазном потреблении мощности обусловлено разомкнутостью магнитопровода линейной индукционной машины.

Для подтверждения адекватности математической модели, подробное описание которой представлено во второй главе, был проведен сравнительный анализ результатов математического и физического моделирования линейного электромагнитного перемешивателя жидкого металла в ковше. Для этих целей с помощью математической модели было рассчитано электромагнитное поле линейной индукционной машины, имеющей те же геометрические размеры и свойства материалов, что и физическая модель. На рисунке 18 представлены зависимости распределения магнитной индукции на активной поверхности статора при токе в обмотке где 1 - результат математического

моделирования, 2 - результат физического моделирования. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что математическая модель адекватно отражает процессы в индукционной машине, а допущения использующиеся в ней, приняты корректно и обоснованно. Величина расхождения результатов, равная нескольким процентам,- обусловлена погрешностью расчетов и экспериментальных измерений на физической модели.

По результатам математического и физического моделирования

проведен сравнительный анализ испытанных устройств и предпочтение отдано электро -магнитному перемешивателю первичного алюминия в транс -портном ковше, использующем линейный индуктор, располо -женный вдоль вертикальной образующей ковша, т.к. у него лучшие энергетические

показатели, меньшие габариты, высокая надежность эксплуата -ции.

По результатам исследований вытолнен технический и создан рабочий проект установки для электромагнитного перемешивания первичного алюминия в транспортном ковше с целью интенсификации процессов при рафинировании алюминиевого расплава для ООО «Инженерно-технологический центр» компании ОАО «Русский алюминий».

В приложении приведены результаты исследований различнык индукционнык машин для перемешивания электропроводного расплава в ковше, данные расчетов сравнительного анализа индукторов и документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поставленная в диссертации цель достигнута тем, что проведено обобщение результатов исследований и систематизация технических решений перемешивателей жидкого металла в транспортных ковшах; на основании численного метода дискретизации свойств сред разработана математическая модель анализа индукционных устройств; реализован способ синтеза электротехнических устройств; разработана физическая модель и проведены экспериментальные исследования электромагнитных перемешивателей жидкого металла в ковшах.

Работа носит расчетно-практический характер. Ее результаты позволяют понять сущность протекающих в специальной электрической машине явлений. Их практическое использование позволяет разработать эффективную конструкцию электромагнитного перемешивателя жидкого алюминия в транспортных ковшах.

Предложенные способы расчета ориентированы, в основном, на использование современных ЭВМ, а конечные выражения имеют простой вид и легко поддаются программированию.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Определены основные признаки и технологические особенности устройств для перемешивания жидкого металла в транспортных ковшах и показано, что наиболее перспективными являются бесконтактные устройства, реализованные на базе индукционных машин. Проведен анализ теоретических исследований машин, адаптированных к работе с высокотемпературными жидкометаллическими рабочими средами.

2. На основе метода дискретизации свойств сред разработана математическая модель для анализа электромагнитных перемешивателей, позволяющая рассчитать электромагнитное поле и рабочие характеристики специальной индукционной машины, а также распределение плотности тока, магнитной индукции и электромагнитных сил в жидкометаллическом рабочем теле.

3. Разработан способ синтеза параметров электротехнических устройств, реализованный на основе метода дискретизации свойств сред, который прошел апробацию при уточнении параметров индукционного перемешивателя жидкого металла в ковше. Показано, что выражения для синтеза имеют простой и удобный вид.

4. На физической модели электромагнитного перемешивателя жидкого металла в ковше проведены исследования индукционных устройств следующих типов: индуктора на основе АД, индуктора на базе торцевого АД, плоской линейной индукционной машины, дугостаторной индукционной машины.

5. В результате теоретических и экспериментальных исследований устройств доказано, что наиболее предпочтительным является перемешиватель с использованием плоской линейной двухфазной машины, наилучшим образом удовлетворяющей показателю: цена - качество.

6. Сравнительный анализ теоретических результатов и экспериментальных данных, полученных при физическом моделировании подтвердили правомерность принятых допущений и правильность выкладок при разработке математической модели индукционного перемешивателя жидкого металла в ковше.

7. По результатам теоретических и экспериментальных исследований создан новый способ и устройства его реализующие для индукционного перемешивания жидкого металла в ковше, защищенные патентами РФ, на основе которых предложены новые технологии получения высококачественных полуфабрикатов металлургического производства и разработана установка для рафинирования первичного алюминия в транспортных ковшах.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Велентеенко, А. М. Электромагнитный перемешиватель для рафинирования алюминия в ковшах / А. М. Велентеенко, В. Н. Тимофеев, P.M. Христинич, В. В. Стафиевская,// Вестник УГТУ-УПИ. Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003. №5(25). 4.2. - С. 167-170.

2. Тимофеев, В. Н. Электромагнитное перемешивание жидкого металла в металлургии / В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинич, В. В. Стафиевская, А. М. Велентеенко // Моделирование электромагнитных процессов: Результаты международного научного коллоквиума. - Ганновер, 24-26 марта, 2003. - С. 29-34.

3. Христинич, Р. М. Устройство для перемешивания жидкого алюминия в ковше / Р. М. Христинич, В. Н. Тимофеев, В. В. Стафиевская, А.

М. Велентеенко // Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов: Материалы Всероссийской научно-практической конференции: Ч.З. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. - С. 117-118.

4. Христинич, Р. М. Математический анализ устройств для электромагнитного перемешивания расплавов в ковшах / Р. М. Христинич, В. В. Стафиевская, А. М. Велентеенко; КГТУ. - Красноярск, 2004. - 27 с. - Деп. в ВИНИТИ 28.01.04, №144-В2004.

5. Христинич, Р. М. Метод дискретизации свойств сред для расчёта электромагнитного поля сложных электротехнических устройств / Р. М. Христинич, В. Н. Тимофеев, А. М. Велентеенко; КГТУ. - Красноярск, 2004. -34 с. - Деп. в ВИНИТИ 09.03.04, №407-В2004.

6. Велентеенко, А. М. Математическая модель электромагнитного перемешивателя для рафинирования алюминия в ковшах / А. М. Велентеенко // Вестн. Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып.ЗЗ: Математические методы и моделирование. - Красноярск, 2003. - С. 124-129.

7. Тимофеев, В. Н. Оптимизация индуктора для сквозного нагрева цилиндрических алюминиевых заготовок с прямоугольной водоохлаждаемой обмоткой / В. Н. Тимофеев, Е. А. Головенко, А. М. Велентеенко // Современные техника и технологии: труды VIII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. -Томск: ТПУ, 2002. Т.2. - С. 39-41.

Положительные решения на выдачу патентов:

1. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2003107519. Статор для электромагнитного перемешивания жидкого металла / Р. М. Христинич, В. Н. Тимофеев, В. В. Стафиевская, Е. В. Христинич, А. М. Велентеенко. - Заявлено 18.03.03. - 7с.

2. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2003104927. Устройство для электромагнитного рафинирования алюминия и сплавов на его основе / В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинич, В. В. Стафиевская, А. М. Велентеенко. - Заявлено 18.02.03. - 7с.

3. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2003108546. Устройство для литья слитков / Р. М. Христинич, В. Н. Тимофеев, Е. В. Христинич, А. А. Темеров, В. В. Стафиевская, А. М. Велентеенко. - Заявлено 27.03.03.-6с.

4. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2003106361. Устройство для электромагнитного рафинирования алюминия и сплавов на его основе / В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинич, С. А. Бояков, В. А. Горбунов, В. В. Стафиевская, А. М. Велентеенко. - Заявлено 06.03.03. — 7с:

5. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2003116212. Способ рафинирования алюминия и его сплавов / В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинич, С. А. Бояков, В. А. Горбунов, М. В. Первухин, В. В. Стафиевская, А. М. Велентеенко. - Заявлено 02.06.03. - 8с.

Велентеенко Анатолий Михайлович Индукционный перемешиватель алюминиевых расплавов в ковшах

Автореферат

Подписано в печать 12 05.04 Формат 60x84/16 Бумага писчая. Уч изд. л. 1. Тираж 100 экз Заказ № 136

Отпечатано на ротапринте КГТУ 660074, г. Красноярск, ул. Киренского,26

»1 3 2 26