автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Линейные индукционные машины для электромагнитного воздействия на кристаллизующийся слиток

РГБ ОД

1 О дп? 2333

На правах рукописи

ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА КРИСТАЛЛИЗУЮЩИЙСЯ СЛИТОК

Специальность 05.09.01 - Электромеханика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 2000

*

Работа выполнена на кафедре «Электротехника и электротехнологические системы» Уральского государственного технического университета, г.Екатеринбург, и ОАО «Каменск-Уральский завод по обработке цветных металлов», г.Каменск-Уральский.

Научный руководитель - академик Российской академии

электротехнических наук, доктор технических наук, профессор САРАПУЛОВ Ф.Н.

Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент СОКУНОВ Б. А.

Официальные оппоненты: академик Российской академии

электротехнических наук, доктор технических наук, профессор РУБЦОВ В.П. (г.Москва);

кандидат технических наук,

доцент СИДЕЛЬНИКОВ Л.Г. (г.Пермь)

Ведущее предприятие - АО «Уралэнергоцветмет», г.Екатеринбург

Защита состоится 19 апреля 2000 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 063.14.05 в Уральском государственном техническом университете (главный учебный корпус, ауд. Э-406).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, г.Екатеринбург, К-2, ул.Мира, 19, УГТУ, ученому секретарю совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан /

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

2000 г.

-/> / /7./

В.Ф.Шутько

К615.ЧОО. 5

»»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Одним из направлений развития электротехнологических процессов является МГД-воздействие различного рода в металлургических технологиях. Это МГД-методы и устройства для управления течением и обработкой расплавов с использованием целенаправленного возбуждения в проводящей среде МГД-эффекта посредством приложенных извне электромагнитных полей. Сюда относятся различные типы МГД-насосов, регуляторов, вентилей и др., служащих для транспорта, дозирования, перемешивания расплавов, воздействия на структуру затвердевающего металла и т.п.

Частным применением этого метода является электромагнитное воздействие (ЭМВ) на структуру затвердевающего металла - электромагнитное перемешивание (ЭМП) в процессе кристаллизации.

Производственной задачей ОАО «Каменск-Уральский завод по обработке цветных металлов» являлось получение латунной проволоки из сплава Л63 с повышенными эксплуатационными свойствами, а также слитков квадратного сечения из меди марки М1 с измельченной литой структурой с использованием ЭМП в процессе литья.

Цель работы - создание и исследование линейных индукционных машин для воздействия на кристаллизующийся слиток сплава меди на основе разработанных методик расчета и опыта эксплуатации устройств данного типа.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Оценка влияния ЭМВ на структурообразование слитков из сплавов меди для условий технологии Каменск-Уральского завода по обработке цветных металлов (ОАО КУЗОЦМ).

2. Выявление конструктивных особенностей индукторов, обеспечивающих необходимое электромагнитное воздействие на кристаллизующийся слиток.

3. Совершенствование и разработка новых модификаций методик расчета характеристик электромагнитных перемешивателей.

4. Проведение и систематизация результатов физических экспериментов на лабораторных и промышленных образцах электромагнитных перемешивателей, проверка корректности полученных научных положений и методик расчета.

Научную новизну составляют следующие результаты:

1. Сформулированы основные требования к устройствам электромагнитного воздействия на кристаллизующийся слиток сплава меди, а также к матема-

тической модели, позволяющей исследовать электромагнитные процессы в таких устройствах.

2. Разработана математическая модель электромагнитного перемешивателя, в основу которой положена многослойная детализированная магнитная схема замещения, и отличающаяся от известных более строгим математическим обоснованием, более широкими возможностями исследования дифференциальных характеристик (приближающимися к возможностям полевых моделей), более широким набором модификаций.

Практическая ценность заключается в следующем:

1. Исследован широкий спектр конструкций и режимов работы электромагнитных перемешивателей, на основе чего получены рекомендации по разработке и эксплуатации устройств данного типа.

2. Разработана методика расчета характеристик электромагнитных перемешивателей различного исполнения, применяемая также в учебном процессе кафедры «Электротехника и электротехнологические системы» Уральского государственного технического университета и при разработке устройств ЭМВ на слиток ОАО КУЗОЦМ-

Реализация результатов работы. Разработаны, рассчитаны и созданы образцы электромагнитных перемешивателей, предназначенные для ЭМП жидкой фазы кристаллизующихся слитков из сплава Л63 (диаметр 163 мм) и меди М1 (108 х 108 мм). Проведены опытно-промышленные и промышленные отливки из сплава ЛбЗ и опытно-промышленные отливки из меди М1 с применением ЭМП. Разработана и внедрена в производство технологическая карта изготовления слитков из латуни Л63 с применением электромагнитного перемешивания в процессе кристаллизации.

Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на

- научно-технической конференции с международным участием «Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств», Москва - Суздаль, 1995 г.;

- международной научно-технической конференции «Нетрадиционные электромеханические и электротехнические системы», Севастополь -Щецин, 1995 г.;

- научно-технической конференции «Вопросы совершенствования электротехнологического оборудования и электротехнологий», Екатеринбург, 1996 г.;

- научном семинаре кафедры «Электротехника и электротехнологические системы» УГТУ, Екатеринбург, 2000 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и трех приложений общим объемом 214 страниц. Основная часть изложена на 153 страницах машинописного текста, иллюстрирована 67 рисунками, 39 таблицами. Список использованной литературы содержит 79 наименований.

Во введении сформулирована цель работы.

В первой главе на основе анализа отечественных и зарубежных работ, связанных с электромагнитным воздействием на жидкие металлы, сделан вывод о перспективности электромагнитного перемешивания жидких металлов в процессе кристаллизации как способа, позволяющего управлять структурообразо-ванием слитков. Сформулированы предмет и задачи исследования.

Во второй главе сформулированы принципы формирования модели линейной индукционной машины технологического назначения, дано строгое математическое обоснование перехода от конечно-разностной модели двумерного магнитного поля к детализированной магнитной схеме замещения, показаны особенности учета индуцированных в проводящей среде токов для установившихся режимов работы машины, сформулированы особенности построения схем замещения цилиндрической линейной машины. На рис. 1 показаны два слоя цилиндрической линейной индукционной машины толщиной /г и высотой г.

По формуле Стокса поток выделенного на рис.1 контура (через круг 2т радиуса г), называемый далее контур-

Индукция по оси 2 определяется как приращение потока через единич-

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ф,=2лгА, (1)

а его приращение (поток через кольцо шириной <Лг)

ёФк =а{2ягА).

ным,

Рис. 1

ный участок кольца площадью (¡г -2л ~ 2т- ■ <1г

В

8Фк 1 Э(2 ттА^г 1 д(гЛ)

г

2 ж ■ дг 2 яг дг г дг

Индукция по оси г определяется как приращение потока через единичный участок кольца площадью ■ 2я{ /- + 1 = 2жг ■ (к

В, =•

_1_дФ___I д(2лгЛ) дЛ

2nr dz 2т dz dz

При движении кольца а1г • ¿г по оси 2 со скоростью V, закон полного тока для него записывается

Г дФк

1 ЗВг 1 дВ: . у .

------= _Vr

fjr дх dr 2m ' 2m dz

или через поток

1 1 d20k 1 Г цг 27tr dz2 fJz

1 d0k | 1 д2Фк

2nr2 dr 2ж dr2

■ T a. „ Y дФк

= -;о}-/—Фк -V,—--—

2m- 2ж dz

• (2)

Переходим к конечным разностям в выражении (2) с шагами t, по оси Z и А по оси г, домножая его на (t.-h) и опуская индекс к. Левая часть при этом принимает вид

ht,

— II Ct) -(Г) .—Л...

__hL_

juz2m22hvrj'

ht„

H,27a-ih"

(3)

гае R%pa.= 1 1

цг 27trh V 2r

RM =

* * Г10Л

1 t.

цг 2nrh\ 2r

R? = — —-— - магнитные сопротивления фрагмента схемы замещения.

jur 2/trt.

j

Полная детализированная магнитная схема замещения (ДМСЗ) линейной индукционной машины (ЛИМ) показана на рис. 2.

Записанная для всех слоев система уравнений (3) решается относительно векторов неизвестных потоков в участках слоев ; при заданных токах в

пазах индуктора или напряжениях питания.

В третьей главе рассмотрена линейная индукционная машина при различных вариантах включения обмоток отдельных индукторов, показано существенное демпфирующее действие кристаллизатора на интенсивность магнитного поля в слитке, выполнена оценка влияния схемы обмотки индуктора на распределение токов и усилий в участках слоев по длине и глубине слитков, показано влияние частоты питающего тока на характеристики машины.

На рис. 3 показано аксиальное сечение цилиндрического индуктора под слиток диамечром 200 мм с разбиением на слои пространства между индуктором и осью. Толщина каждого слоя Hs =0,0092 м. Корпус индуктора размешен в 1-м слое, а кристаллизатор - в 3-м, слои с 4-го по 14-й заполнены жидким металлом. Приняты следующие значения удельных электрических сопротивлений материалов: нержавеющая стать корпуса индуктора рк =10'6 Ом-м, медь кристаллизатора (рст =1,72• 10'8 Ом-м, жидкий металл) рт-4 ■ 10~1 Ом-м. Следует отметить, что в реальном устройстве жидкий металл отделен от кристаллизатора слоем твердого (закристаллизовавшегося) металла. Удельное сопротивление

о ' ' -X

его при t = 20 С резко уменьшается рт =6.8-10 Ом-м. Наличие корочки затвердевшего металла учтено далее при расчетах, однако эту особенность нужно иметь в виду при сравнении интегральных расчетных и экспериментальных характеристик ЛИМ и в рассматриваемых случаях.

На рис. 4 приведены кривые, показывающие распределения нормальной Вп и тангенциальной Bt индукций, а также токов 1С и тяговых усилий FF в участках слоев. Номер слоя указан в индексе величины. На рис. 5 показано распределение нормальной составляющей индукции вдоль одного магнитопровода по радиусу рабочего пространства для момента времени t = 0° (схема соединения AZBXCY).

Hí H,i

сер де чин* кидл-хтс

>т Tj.x'nc з I"¡1

игтадл втсркч-тото зле лея-га

(ВЭ) сердечюо; ВЭ

1. J

Рис. 2. Фрагмент детализированной магнитной схемы замещения ЛИМ и кристаллизатора

Видно, что индукции и тем более усилия резко падают по мере удаления от поверхности индуктора. При этом наибольшие токи и усилия наблюдаются в стенке кристаллизатора (слой 3), что вполне закономерно. Этот слой оказывает сильное демпфирующее действие, например, наибольшая индукция

Р,-106С1м»

Рис. 121 Сяуут^слоиждаиЦЛИНс ЩИд**а«11яхвф11Юмм

Лс-йШм ¿•ИШм Я • 10'еСмм Рт-ЧО~7Омм •кг-СО!* Лв-Щн Р&-М2 10-'0»М

Рис.3

на поверхности индуктора Вп! « 0,075 Тл, а в четвер-

том слое Вп4 -0,013 Тл, т.е. г

практически в 6 раз меньше. '

Тангенциальная (осевая) индукция ослабляется с ""

В,2 =0,174 Тл в первом 1Ш1/

слое до В,5 - 0,017 Тл в 4-м слое модели рис. 3 (первом ' ' ,» снаружи слое металла), т.е. *

в 10 раз.

Тяговое (осевое) усилие в Рис.5

участке стенки кристаллизатора (слой 3) ¥3~27 Н превышает усилие в участке внешнего слоя металла (слой 4) Р4 = 0,34 Н в 79 раз. Если кристаллизатор и металл отсутствуют, то исчезает демпфирующее действие токов в них, и индукции уменьшаются по мере приближения к центру менее интенсивно. Распределения индукций в слоях для данного случая свидетельствуют о том, что В„, - 0,0225 Тл, а Вп4 - 0,0128 Тл, т.е. нормальная индукция ослабляется менее чем в 2 раза. В то же время Ва = 0,023 Тл и В,5 = 0,015 Тл, т.е. тангенциальная составляющая индукции ослабляется в 1,6 раза.

Результаты сравнения расчетных и опытных данных приведены в таблице 1.

Таблица 1

Значения максимальных индукций, Тл Расчет Опыт

Нормальных Вт На поверхности 1-го слоя 0,025 0,025

На поверхности 4-го слоя 0,014 0,013

На поверхности 8-го слоя 0,008 0,006

Осевых В1х На поверхности (опыт) и в середине (расчет) 1-го слоя 0,0255 0,0290

То же 4-го слоя 0,019 0,0180

То же 8-го слоя 0,011 0,0108

Из таблицы видно, что расчеты дают достаточно близкие к экспериментальным результаты. Это подтверждает корректность расчетной модели.

Существенное влияние на распределение дифференциальных характеристик электромагнитного поля оказывает схема распределения секций обмотки по пазам индуктора. Для схемы ААХХВВ при тех же прочих условиях видно, что хотя максимум индукции Вп, = 0,048 Тл уменьшается, но распределение её по координате становится более равномерным, а тангенциальные составляющие индукции в участках слоев несколько увеличиваются (В,2 =0,2 Тл,

В,5 = 0,0195 Тл). Тангенциальное (тяговое) усилие в слое 4 достигает Р4 = 0,25 Н (намного меньше, чем в базовом варианте).

Суммарное значение нормального усилия = 32,9 Н, в то время как в базовом варианте =26,15 Н, т.е. наблюдается увеличение нормального усилия и ослабление тягового. Соотношение суммарных тягового и нормального усилий для данного случая Рт-^/Рп^ =89,2/32,9 и для базового

Ртх/Кг =137,19/26,15.

Таким образом, изменяя схему включения секций обмотки индуктора можно изменять соотношения тяговых и нормальных усилий в слоях машины а также характер их распределения по координате. Это объясняется тем, что во втором случае помимо бегущей составляющей индукции появляется большая пульсирующая составляющая (мы формируем лишь одно полюсное деление индуктора). Эта составляющая создает лишь пульсирующее усилие, что в ряде случаев полезно с точки зрения технологических критериев.

Для оценки влияния частоты питающего тока был рассчитан вариант питания индуктора напряжением частоты 5 Гц. При этом нормальные индукции в слоях 1 и 4 достигают значений Вп, =0,141 Тл и Вп4 = 0,078, которые существенно превышают значения в базовом варианте. Это объясняется уменьшением демпфирующего действия кристаллизатора и металла. Максимальные значения тяговых усилий в участках слоя 4 достигают значения Р4 = 1,25 Н, что намного больше, чем в базовом варианте. Соответственно, соотношение

суммарных осевого (тягового) и нормального усилий составляет

252,7

Р ~ 13 *

причем тяговое усилие возрастает почти вдвое, а нормальное почти вдвое падает.

Воздействие на металл существенно зависит от выбора материала кристаллизатора, т.к. при уменьшении его электропроводности уменьшается и демпфирующее действие индуцированных в нем токов. Были рассчитаны распределения по участкам слоев индукций, токов и осевых усилий для варианта, когда кристаллизатор выполнен из бронзы БрХ 0,8 с удельным электрическим сопротивлением рсг

= 0,0383-10'6 Ом •м, а также из бронзы БрАЖМц 10-3-1,5 с удельным сопротивлением рсг =0,1831 ■ 10~6 Омм (как видно, оно намного превышает удельное сопротивление меди в базовом варианте). В последнем случае индукции и усилия существенно возрастают, достигая значений В„4 = 0,0451л и Р4 =2,3 Н по сравнению с базовыми (с медным кристаллизатором) Вп4 =0,0131л и Р4 =0,34 Н.

Были исследованы также варианты, когда в слитке существует лунка с жидким металлом (р1 -- 40 ■ 10~8 Ом-м), отделенная от кристаллизатора корочкой затвердевшего металла (р2 =6,8-10'8Ом-м), как показано на рис.3 ступенчатой линией. В этом случае расчетная модель в области слитка содержит слои с различным на различных участках слоя удельным сопротивлением. Напри-

мер, в слое 8 для участков 1...8 принято р]г а для участков 9... 16 - р2. Эта особенность заложена в алгоритм формирования комплексных магнитных сопротивлений слоя.

В сравнении с базовым вариантом характеристики несколько изменяются. Корочка твердого металла демпфирует магнитное поле, ослабляя воздействие на жидкую фазу. Кривые деформируются, теряя относительную симметрию, хотя значения величин остаются на прежнем уровне. Интегральные характеристики ЛИМ изменяются незначительно. Это объясняется тем, что основное влияние на распределение электромагнитного поля в ЛИМ оказывает кристаллизатор, а не металл слитка.

В табл. 2 приведены некоторые результаты расчета ЛИМ под слиток диаметром 163 мм.

Таблица 2

N п/п Схема /. Гц В „4, Тл в,4, Тл Iс4 * А РТ4, н Материал кристаллизатора

1 Основная схема А2ВХСУ 50 40,08 =12,8) 0,0076 0,0126 46 0,096 Медь

2 Основная схема А2ВХСУ 5 72,95 0,045 0,066 32 0,375 Медь

3 Схема ллггвв 50 23,17 0,0053 0,014 60 0,077 Медь

4 Основная схема лгвхсу 50 75,8 0,037 0,061 280 2,3 Бронза БрАЖМц

Они позволяют прийти к следующим выводам:

1. В варианте 2 при питании индуктора током частоты 5 Гц полное тяговое усилие, действующее на кристаллизатор и металл ВЭ, возрастает в 1,75 раза. В то же время в слое 4 металла (непосредственно примыкающем к кристаллизатору) усилие возрастает в 3,8 раза, т.е. усилие «перемещается» в металл. Уменьшается ток в слое 4; в целом, как ток, так и усилие затухают по глубине слитка менее интенсивно. Можно сказать, что во внешних слоях металла ток и потери уменьшаются (ослабляется термическое воздействие на слои), а усилия возрастают (усиливается механическое воздействие на слои). Это вполне согласуется с теорией проникновения электромагнитного поля в проводящую среду.

2. В варианте 4 при питании индуктора током частоты 50 Гц и выполнении кристаллизатора из бронзы полное тяговое усилие возрастает практически до уровня варианта 2, а усилие в слое 4 - в 24 раза. Одновременно в этом слое ток возрастает в 5,5 раз, а потери примерно в 30 раз. Можно сказать, что механическое и термическое (в особенности) воздействия на внешние слои металла ВЭ возрастают намного интенсивнее по сравнению с вариантом 2. Этот ре-

зультат вполне объясним, т.к. ослабляется демпфирующее влияние кристаллизатора.

3. В варианте 3, когда кривая МДС индуктора содержит значительную пульсирующую составляющую, суммарное усилие уменьшается в 1,8 раза, а усилие в слое 4 металла ВЭ - лишь на 20%, ток в этом слое возрастает на 30%. Можно сказать, что механическое воздействие на слой ослабляется, а термическое возрастает. Одновременно возрастает суммарное нормальное усилие (с/2.5НдоД4Н).

В четвертой главе дано описание лабораторных моделей, полупромышленных и промышленных образцов электромагнитных перемешивателей. Приведены результаты промышленных испытаний электромагнитных перемешивателей при различных режимах электромагнитного воздействия на кристаллизующиеся слитки латуни Л63 и меди М1. Описаны режимы электромагнитного воздействия, создающие достаточный перемешивающий эффект.

Принципиальная технологическая схема переработки латуни марки JI63 от литья до получения проволоки диаметром 1,3 + 1,5 мм, применяемая на ОАО «КУЗОЦМ». выглядит следующим образом: плавка в печи ШЮ-0,6 литье в кристаллизатор, оснащенный электромагнитным перемешивателем -»• прессование на гидравлическом вертикальном прессе (Р = 1700 т) при температуре 700" - 800°С на пруток диаметром 9,2 мм -> волочение на многократной волочильной машине «Грюне» с диаметра 9,2 мм на диаметр 4,5 мм -» отжиг заготовки при t = 550° С в течение 3 + 4 часов (масса садки до 2 т) в печи «Шон-130» -» травление -> волочение с диаметра 4,5 мм до диаметра 2 мм на многократной волочильной машине ВМ-13 —> отжиг проволоки диаметром 2 мм при t = 5500 С в течение 3 ± 0,5 часов в печи «Шон-130» -» травление -» волочение с диаметра 2 мм на диаметры 1,27 мм, 1,37мм, 7,47мм на многократной волочильной машине ВМ-15 -> отжиг по режимам для полутвердого и мягкого состояний.

Разработанный и рассчитанный электромагнитный перемешиватель имеет шесть магнитопроводов с шестью пазами, объединенных кольцевыми катушками (рис. 6).

Размеры электромагнитного перемешивателя выбирались, исходя не только из электрических параметров и электромагнитных характеристик, но и с учетом ограничений, связанных с размещением электромагнитного перемешивателя на рабочем столе литейной установки. Внутренний диаметр электромагнитного перемешивателя 213 мм, наружный диаметр - 500 мм. Толщина верхнего фланца электромагнитного перемешивателя 10 мм, нижнего фланца -5 мм.

Модуль магнитопровода электромагнитного перемешивателя имеет следующие геометрические размеры: длина! = 0,255 м; высота h = 0,138 м; ширина Ь = 0,095 м; высота спинки hcn = 0,057 м; высота паза h„ - 0,081 м; высота меди в пазу hM - 0,079 м; ширина паза Ъ„ = 0,025 м; ширина зубца

/?, =0,015 м; зубцовый шаг /э = Ь„ + Ъ3 =0,040 м. Вес электромагнитного пе-ремешивателя 228 кг.

Электромагнитный перемешиватель оснащен специальным кристаллизатором с верхним кольцевым водоподводом.

Водоподвод выполнен из трубы прямоугольного сечения 25 х 40 мм. Это позволило приблизить фланец кристаллизатора к торцевой поверхности электромагнитного перемешивателя и тем самым увеличить зону электромагнитного воздействия на кристаллизующийся слиток.

При литье сплава Л63 в качестве материала гильзы кристаллизатора использована медь, внутренняя поверхность гильзы кристаллизатора хромирована. Толщина стенки гильзы кристаллизатора 10 мм, длина - 308 мм.

Корпуса электромагнитного перемешивателя и кристаллизатора выполнены из немагнитной нержавеющей стали Х18Н9Т толщиной 2 мм. Предусмотрено два варианта исполнения корпуса: в первом случае электромагнитный перемешиватель устанавливается на столе литейной машины (рис. 7), во втором случае - опускается в проем литейной машины с опорой верхним фланцем на стол. В обоих случаях предусматривается литье как непосредственно из плавильной печи, так и из миксера в кристаллизатор.

Рис. б. Электромагнитный перемешиватель Рис. 7. Электромагнитный перемешана гель

на литейной устаяолке

Электрические параметры электромагнитного перемешивателя; номинальное напряжение фазы Vпом(ф) =220 В; номинальный ток фазы 1Н0М(ф) =87,8 А;

номинальная частота тока /„„,, = 50 Гц; номинальный коэффициент мощности сох(рнпм =0,117; номинальная активная мощность/1,,^ =6779 Вт; номинальная реактивная мощность £)наи =57535 вар; номинальная полная мощность 5Н0Л) =57934 ВА; номинальная плотность тока]'нок =3,9 А/мм2; номинальная линейная нагрузка на поверхности магнитопровода Аном(0) = 1,1 ■ 105 А/м; номинальный фактор нагрева Лном(0) • Унеа,(0) -4,27 -10" А2/м3.

При проведении опытно-промышленных плавок латуни ЛбЗ и меди М1 исследовалось достаточно большое количество режимов. В работе приведены двенадцать режимов, наиболее перспективных с точки зрения экспертов-

металловедов. Эти режимы охватывают достаточно широкий спектр воздействия ЭМП на кристаллизующиеся слитки.

При опытно-промышленной плавке с применением электромагнитного перемешивания изменялись схемы соединения обмоток, обеспечивающие различные варианты распределения электромагнитного поля в рабочем объеме (схемы со сдвигом фаз между токами 60, 120, 60 ~ 60 - 240 электрических градусов). Изменялось направление бегущей составляющей электромагнитного поля (согласное или встречное по отношению к направлению вытягивания слитка). Изменялась интенсивность электромагнитного поля (величина индукции на уровне внутренней поверхности гильзы кристаллизатора соответствовала 0,01612 + 0,02518 Тл). При плавке латуни Л63 удельный средний расход электроэнергии при различных режимах включения электромагнитного пере-мешивателя составляет 0,492 +1,236 кВт'ч/т.

Специальные металлографические исследования литой структуры и структуры полуфабрикатов и готовых изделий, исследования механических характеристик полуфабрикатов и готовых изделий, а также эксплуатационных свойств готовых изделий показали, что в целом электромагнитное перемешивание в значительной мере влияет на структурообразование слитка и, как следствие, на механические характеристики и эксплуатационные качества готовых изделий;

В качестве примера на рис.8 - 9 представлены поперечные темплеты круглого слитка диаметром 163 мм из сплава ЛбЗ, отлитого как без ЭМП, так и с применением электромагнитного перемешивания.

Рис. 8. Поперечный темпдст круглого слитка диаметром 163 мм из сплава Л63, отлитого без ЭМП по традиционной технологии в обычный кристаллизатор

Рис. 9. Поперечный темплет круглого слитка диаметром 163 мм из сплава ЛбЗ, отлитого с использованием ЭМП:

схема соединения обмоток - АА22ВВ, направление поля относительно направления вытягивания слитка - «вниз»,

А - 0,5974 ■ 105 А/м

Анализ макроструктуры литого металла (слитки диаметром 163 мм из сплава Л63), полученного с применением ЭМП в процессе кристаллизации показал следующее:

- при ЭМП происходит существенное изменение условий кристаллизации и, как результат, изменение макроструктуры слитка, т.е. изменяется кинетика процесса кристаллизации, что приводит к измельчению зерна слитка;

- характер макроструктуры зависит от интенсивности магнитного поля и его направления относительно направления вытягивания слитка, а также схемы включения обмоток электромагнитного перемешивателя, определяющей характер изменения магнитного поля в рабочем объеме и, как следствие, развиваемых усилий в жидком металле.

Анализ микроструктуры (рис. 10, 11) показывает, что электромагнитное перемешивание оказывает существенное влияние и на размер зерна аг-фазы. Размер зерна «-фазы оценивался в поперечном направлении столбчатых кристаллов. В исходном состоянии диаметр зерна составляет 300 - 600 мкм. После воздействия ЭМП по всем режимам он уменьшается в 6 -15 раз.

Таким образом, приложение электромагнитного поля, вызывающее интенсивное перемешивание латуни Л63, изменяет условия кристаллизации сплава. В результате структура латуни становится более однородной, уменьшается размер зерна а- и >9-фаз, увеличивается количество уЗ-фазы с § до 20%, а прочность латуней прямо зависит от количества /?-фазы в сплаве - чем больше /¿фазы, тем выше прочность.

Обнаруженное влияние ЭМП на прочность и пластичность латуни Л63 можно объяснить изменением микроструктуры слитка.

Повышение пластичности после литья с ЭМП по режимам АНЗХСУ и А ЛИ В В при направлении магнитного поля, совпадающем с направлением вытягивания слитка, связано с изменением зерна а-фазы, большей однородностью структуры, измельчением и более однородным распределением /?-фазы.

Рис. 10, Микроструктура латуни Л63

в литом состоянии. Схема включения обмоток А2ВХСУ: без ЭМП.

Кратность увеличения - х 250

Рис. 11, Микроструктура латуни 1163

в литом состоянии. Схема включения обмоток АА22ВВ. Движение электромагнитного поля согласованное с направлением

вытягивания слитка. А = 0,5974 • 10" А/м Кратность увеличения - х 250

На рис. 12 приведена структура проволоки диаметром 2 мм (промежуточная стадия) из латуни Л63, полученной обычным литьем и литьем с использованием ЭМП. Размер зерна а-фазы в первом случае составил 8-10 мкм, в последнем 3-5 мкм.

Рис. 12. Микроструктура проволоки диаметром 2 мм из латуни ЛбЗ, выплавленной без ЭМП (а) и с использованием ЭМП (б) (Состояние проволоки - отожженное. Кратность увеличения х 500)

Таким образом, можно сделать вывод, что использование ЭМП в процессе полунепрерывного литья позволяет получить более однородную мелкодисперсную структуру и, как результат, более однородные свойства по длине проволоки из сплава ЛбЗ.

К режимам, позволившим реализовать поставленную задачу' - получение проволоки из сплава ЛбЗ с применением ЭМП с целью повышения эксплуатационных свойств, следует отнести:

- режим со схемой соединения обмоток АТВХСУ при направлении поля, согласном направлению вытягивания слитка, и линейной нагрузке А = 0,6 + 0,7 • 105 А/м;

режим со схемой соединения обмоток АА22ВВ при направлении поля, согласном с направлением вытягивания слитка, и линейной нагрузке А = 0,6-105 А/м.

В зависимости от схемы включения, направления поля относительно направления вытягивания слитка и интенсивности воздействия были получены различные эффекты влияния ЭМП на структурообразование меди М1 при полунепрерывной отливке слитков квадратного сечения.

Анализируя макроструктуры литого металла, можно полагать, что изначально поставленная задача по измельчению литой структуры меди М1 практически выполнена. К режимам, позволившим реализовать поставленную задачу, следует отнести:

- режим со схемой соединения обмоток А2ВХСУ при направлении поля, встречном направлению вытягивания слитка, и линейной нагрузке А = 0,754-105 А/м;

режим со схемой соединения обмоток АА22ВВ при направлении поля, согласном с направлением вытягивания слитка, и линейной нагрузке А = 0,723 ■ 105 А/м.

С использованием результатов экспериментальных исследований электромагнитного перемешивателя, полученных при отливке слитков квадратного сечения, был разработан, рассчитан и создан промышленный образец электромагнитного перемешивателя под квадратный слиток.

В приложениях приведены фотографии опытных, опытно-промышленных и промышленных образцов электромагнитных перемешивате-лей, макро- и микроструктур литого металла из сплава Л63 и М1 и готовых изделий из латуни ЛбЗ, технологическая карта изготовления слитков из латуни ЛбЗ с применением электромагнитного перемешивания в процессе кристаллизации и акт внедрения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Дан обширный аналитический обзор литературы по теме диссертационной работы, на базе которого сформулированы основные требования к устройствам электромагнитного воздействия на кристаллизующийся слиток сплава меди, а также к математической модели, позволяющей исследовать электромагнитные процессы в таких устройствах.

2. Разработана математическая модель электромагнитного перемешивателя с бегущим и пульсирующим магнитным полем, в основе которой лежит многослойная детализированная магнитная схема замещения. При этом дано строгое математическое обоснование перехода от конечно-разностной сетки двумерного магнитного поля к детализированной магнитной схеме замещения, приведены выражения для расчета магнитных сопротивлений с учетом индуцированных в металле токов и физических свойств слоев рабочей зоны машины. Показаны способы ограничения зоны моделирования в случае симметрии магнитного поля путем размещения на оси симметрии магнитного экрана или магнитного шунта. Разработана разновидность модели для анализа цилиндрической линейной индукционной машины. Выполнено сравнение результатов расчета при помощи предлагаемой модели с данными физического эксперимента, показавшее хорошую сходимость (погрешность не превышает 10% по токам и 15% - по мощностям).

3. При помощи разработанной модели исследованы электрические и магнитные характеристики конкретных электромагнитных перемешивателей (в том числе для слитков диаметров 163 и 200 мм). Показано влияние на распределение магнитного поля, индуцированых токов и усилий по длине и глубине

слитка таких факторов, как схема соединения обмотки индуктора, частота и амплитуды питающих токов, свойства слоев корпуса, кристаллизатора и металла, в том числе и корочки затвердевшего металла слитка. Например, медный кристаллизатор при частоте 50 Гц уменьшает индукцию на поверхности слитка в 4,5 раза, ток в 4,3 раза и усилие в 19 раз, а бронзовый (из БрАЖМц 10-3-1,5) соответственно в 3,6 , 3,4 и ¡2 раз по сравнению с вариантом отсутствия всякого кристаллизатора.

4. Выполнен большой объем экспериментальных исследований на лабораторных и промышленных установках, который позволил

- проверить и показать корректность разработанной математической модели электромагнитного перемешивателя,

подтвердить полученные путем математического моделирования рекомендации по выбору схем соединения и питания обмоток, частоты и амплитуды питающего тока, материалы кристаллизатора (наибольшие значения усилий и токов в металле слитка достигаются при частоте 5 Гц, кристаллизаторе из бронзы БрАЖМц 10-3-1,5 и схеме обмотки АИВХСУ).

5. Установлено, что при ЭМП происходит существенное изменение условий кристаллизации и, как результат - изменение макроструктуры слитка, т.е. перераспределение зон мелкого зерна столбчатых и равноосных кристаллов. Определены режимы ЭМВ, при которых макроструктура латуни Л63 становится более однородной, как по сечению, так и по длине слитка (происходит измельчение зерна). При этом в макроструктуре отсутствуют зоны столбчатых кристаллов, уменьшается размер зерна а и /3-фаз, увеличивается количество /?-фазы, что сказывается на увеличении прочности и пластичности литых заготовок. В готовых изделиях использование ЭМП в процессе литья позволяет получить более однородную мелкодисперсную структуру, и, как результат, более однородные свойства по длине проволоки. Проведена оценка эффективности ЭМП по результатам механических испытаний готовых изделий. Определены режимы ЭМВ, при которых в макроструктуре меди М1 наблюдается измельчение зерна.

Приведены фотографии макроструктур поперечных и продольных темплетов слитков латуни Л63 и поперечных темплетов меди М1, отлитых как с применением ЭМП при различных режимах электромагнитного воздействия, так и без него, а также фотографии микроструктур литой латуни и готовых изделий. Вышеприведенные результаты могут быть использованы при разработке технологий литья медных сплавов.

6. Полученные в диссертационной работе результаты по применению ЭМП в литейном производстве, а также по математическому моделированию линейных индукционных машин технологического назначения используются в учебном процессе кафедры «Электротехника и электротехнологические системы».

7. Внедрена в производство на ОАО «КУЗОЦМ» от 22 февраля 1999 г. технологическая карта ТКЦМО 15-Л63/5-2 Изготовление слитков из латуни Л63 с применением электромагнитного перемешивания в процессе кристаллизации.

Основное содержание диссертации отражено в следующих печатных работах:

1. Научно-техническое сотрудничество Уральского государственного технического университета с Каменск-Уральским заводом ОЦМ/ Ю.С.Прудников, Б.А.Сокунов, В.И.Свинин, Ю.Н.Юрьев и др. // Цветные металлы, 1995, № 9. С. 15 - 18.

2. Электромагнитный транспорт и перемешивание жидких металлов / Б.А.Сокунов, Ю.С.Прудников, В.С.Токарь, Ю.ШОрьев. и др. //Научно-техническая конференция с международным участием «Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств»: Тез. докл. Москва: МАМИ, 1995. С. 56.

3. Состояние разработок в области электромагнитного перемешивания металлов и сплавов / В.С.Токарь, В.И.Свинин, Б.Е.Балуков, Ю.Н.Юрьев, Б.А.Сокунов и др.// Вопросы совершенствования электротехнологического оборудования и электротехнологий: Сб. научн. трудов. Екатеринбург: УГТУ, 1996. С. 10-14.

4. Электротехнологические установки в процессе литья цветных металлов / В.С.Токарь, В.И.Свинин, Ю.Н.Юрьев, Б.Е.Балуков, С.А.Трусков, Б.А.Сокунов и др. // Вопросы совершенствования электротехнологического оборудования и электротехнологий: Сб. научн. трудов. Екатеринбург: УГТУ, 1996. С. 15 - 17.

5. Формирование структуры сплавов цветных металлов при электромагнитном воздействии в процессе кристаллизации / Д.К.Фигуровский, М.Л.Соколова, Б.Е.Балуков, Ю.Н.Юрьев, Б.А.Сокунов // Вопросы совершенствования электротехнологического оборудования и электротехнологий: Сб. научн. трудов. Екатеринбург: УГТУ, 1996. С. 18 - 23.

6. Электромагнитное перемешивание жидкого металла в процессе кристаллизации / В.С.Токарь, В.И.Свинин, Б.Е.Балуков, Ю.Н.Юрьев, С.А.Трусков, Ф.Н.Сарапулов, Б.А.Сокунов и др. // Инф. листок Свердловского ЦНТИ № 183-96.

7. Электромагнитное воздействие на кристаллизующийся металл // В.С.Токарь, В.И.Свинин, Б.Е.Балуков, Ю.ШОрьев, С.А.Трусков, Ф.Н.Сарапулов, Б.А.Сокунов и др. // Инф. листок Свердловского ЦНТИ № 132-96.

8. Элементы расчета устройств индукционного воздействия на жидкие металлы / Б.А.Сокунов, Ф.Н.Сарапулов, Б.Е.Балуков, Ю.Н.Юрьев, А.И.Кривонищенко // Управление процессами структурообразования металлических сплавов в жидком и твердом состояниях: Сб. научн. трудов. Москва: МГАПИ, 1995. С. 47-62.

9. Специальная электрическая машина в литейном деле / Ф.Н.Сарапулов, Б.А.Сокунов, Кривонищенко А.И., Юрьев Ю.Н. и др. // Электротехнические

системы автотранспортных средств и их роботизированных производств: Сб. начн. трудов. Москва, 1995. С. 155- 158.

10. Применение магнитной схемы замещения в расчете индукторов для целей электромагнитного перемешивания / Б.А.Сокунов, Ю.Н.Юрьев, Ю.С.Прудников и др. // Управление процессами структурообразования металлических сплавов в жидком и твердом состояниях: Сб. научн. трудов. Москва: МГАПИ, 1995. С. 71 -82.

] 1. Особенности математического моделирования магнитогидродинами-ческих устройств с жидкометаллическим вторичным элементом / Ю.Н.Юрьев, Ф.Н.Сарапулов, О.Ю.Сидоров, Б.А.Сокунов // Вопросы совершенствования электротехнологического оборудования и электротехнологий: Сб. научн. трудов. Екатеринбург: УГТУ, 1996. С. 123 - 137.

12. Электромагнитное воздействие на металлы / Ф.Н. Сарапулов, Соку-нов Б.А., Юрьев Ю.Н. и др. //Вестник Уральского государственного технического университета: Современные проблемы энергетики, электромеханики и электротехнологии. 4.2. Электромеханика и электротехнология. УГТУ: Екатеринбург, 1995. С. 264-269.

13. Влияние электромагнитного перемешивания на структуру сплава JI63 / Сокунов Б.А., Прудников Ю.С., Юрьев Ю.Н. и др. //Вестник Уральского государственного технического университета: Современные проблемы энергетики, электромеханики и электротехнологии. 4.2. Электромеханика и электротехнология. УГТУ: Екатеринбург, 1995. С. 270 - 274

14. Двухканальный насос для жидких металлов / Б.А.Сокунов, Ю.С.Прудников, Ю.Н.Юрьев и др. //Вестник Уральского государственного технического университета: Современные проблемы энергетики, электромеханики и электротехнологии. 4.2. Электромеханика и электротехнология. УГТУ: Екатеринбург, 1995. С. 275-279.

15. Нагрев полосовой заготовки / Б.А.Сокунов, Ю.С.Прудников, Ю.Н.Юрьев и др. //Вестник Уральского государственного технического университета: Современные проблемы энергетики, электромеханики и электротехнологии. 4.2. Электромеханика и электротехнология. УГТУ: Екатеринбург, 1995. С. 280-284

16. Электромагнитное воздействие на жидкие металлы / Б.А.Сокунов, Ю.Н.Юрьев, Б.Е.Балуков, С.А.Трусков // International Scientific-technical conference on unconventional electromechanical and electrotechnical systems, July 10-15, 1995, Sevastopol, Ukraine, Szczecin, 1995. P. 307 - 312.

17. Элекгротехнологические установки для электромагнитного перемешивания цветных металлов и сплавов / Ю.Н.Юрьев, Ф.Н.Сарапулов, Б.А.Сокунов и др. // Всероссийская научная конференция «Электротехнология: сегодня и завтра»: Тез. докл. 4ебоксары: 4увашский университет, 1997. С. 33 -34.

Подписано в печать 14.03.2000

Тираж 100 Заказ 55 Ризография

Екатеринбург

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 .ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.2. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЛИНЕЙНОЙ ИНДУКЦИОННОЙ МАШИНЫ С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ВТОРИЧНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ.

2.1. ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ МОДЕЛИ ЛИНЕЙНОЙ ИНДУКЦИОННОЙ МАШИНЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ.

2.2. КОНЕЧНО-РАЗНОСТНАЯ МОДЕЛЬ ДВУМЕРНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ПРЯМОУГОЛЬНОЙ СИСТЕМЕ КООРДИНАТ.

2.3. ПЕРЕХОД К ДЕТАЛИЗИРОВАННОЙ МАГНИТНОЙ СХЕМЕ ЗАМЕЩЕНИЯ.

2.4. ОСОБЕННОСТИ УЧЕТА ИНДУЦИРОВАННЫХ ТОКОВ.

2.5. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЛИМ.

2.6. ВЫВОДЫ.

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИМ

ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО РАСПЛАВА.

3.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОСКОЙ ЛИМ С ДВУСТОРОННИМ ИНДУКТОРОМ.

3.2. ВЛИЯНИЕ СХЕМ ОБМОТОК ИНДУКТОРОВ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКОВ И СИЛ В СЛОЯХ ВЭ.

3.3. ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ СЛОЕВ КРИСТАЛЛИЗАТОРА И МЕТАЛЛА

НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЛИМ.,.

3.4. ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ПИТАЮЩЕГО ТОКА НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЯ.

3.5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЛИМ.

3.6. ВЫВОДЫ.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЕЙ.

4.1. ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЕЙ.

4.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОМЫШЛЕННЫХ ОБРАЗЦОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЕЙ.

4.3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЯ.

4.4. ВЫВОДЫ.

Одним из направлений развития электротехнологических процессов является МГД-воздействие различного рода в металлургических технологиях. Это МГД-методы и устройства для управления течением и обработкой расплавов с использованием целенаправленного возбуждения в проводящей среде МГД-эффекта посредством приложенных извне электромагнитных полей. Сюда относятся различные типы МГД-насосов, регуляторов, вентилей и др., служащих для транспорта, дозирования, перемешивания расплавов, воздействия на структуру затвердевающего металла и т.п.

Частным применением этого метода является электромагнитное воздействие (ЭМВ) на структуру затвердевающего металла - электромагнитное перемешивание (ЭМП) в процессе кристаллизации.

Целью работы является создание и исследование линейных индукционных машин для воздействия на кристаллизующийся слиток сплава меди на основе разработанных методик расчета и опыта эксплуатации устройств данного типа.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Оценка влияния ЭМВ на структурообразование слитков из сплавов меди для условий технологии Каменск-Уральского завода по обработке цветных металлов (ОАО КУЗОЦМ).

2. Выявление конструктивных особенностей индукторов, обеспечивающих необходимое электромагнитное воздействие на кристаллизующийся слиток.

3. Совершенствование и разработка новых модификаций методик расчета характеристик электромагнитных перемешивателей.

4. Проведение и систематизация результатов физических экспериментов на лабораторных и промышленных образцах электромагнитных перемешивателей, проверка корректности полученных научных положений и методик расчета.

Научную новизну составляют следующие результаты:

1. Сформулированы основные требования к устройствам электромагнитного воздействия на кристаллизующийся слиток сплава меди, а также к математической модели, позволяющей исследовать электромагнитные процессы в таких устройствах.

2. Разработана математическая модель электромагнитного пере-мешивателя, в основу которой положена многослойная детализированная магнитная схема замещения, и отличающаяся от известных более строгим математическим обоснованием, более широкими возможностями исследования дифференциальных характеристик (приближающимися к возможностям полевых моделей), более широким набором модификаций.

Практическая ценность заключается в следующем:

1. Исследован широкий спектр конструкций и режимов работы электромагнитных перемешивателей, на основе чего получены рекомендации по разработке и эксплуатации устройств данного типа.

2. Разработана методика расчета характеристик электромагнитных перемешивателей различного исполнения, применяемая также в учебном процессе кафедры «Электротехника и электротехнологические системы» Уральского государственного технического университета и при разработке устройств ЭМВ на слиток ОАО КУЗОЦМ.

Реализация

Разработаны, рассчитаны и созданы образцы электромагнитных перемешивателей, предназначенные для ЭМП жидкой фазы кристаллизующихся слитков из сплава ЛбЗ (диаметр 163 мм) и меди М1 (108 х 108 мм). Проведены опытно-промышленные и промышленные отливки из сплава Л63 и опытно-промышленные отливки из меди М1 с применением ЭМП. Разработана и внедрена в производство технологическая карта изготовления слитков из латуни Л63 с применением электромагнитного перемешивания в процессе кристаллизации.

Апробация л

Основные результаты доложены и обсуждены на

- научно-технической конференции с международным участием «Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств», Москва - Суздаль, 1995 г.;

- международной научно-технической конференции «Нетрадиционные электромеханические и электротехнические системы», Севастополь - Щецин, 1995 г.;

- научно-технической конференции «Вопросы совершенствования электротехнологического оборудования и электротехнологий», Екатеринбург, 1996 г.;

- научном семинаре кафедры «Электротехника и электротехнологические системы» УГТУ, Екатеринбург, 2000 г.

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 17 печатных работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и трех приложений общим объемом 214 страниц. Основная часть изложена на 153 страницах машинописного текста, иллюстрирована 67 рисунками, 39 таблицами. Список использованной литературы содержит 79 наименований.