автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Магнитогидродинамический перемешиватель алюминиевых расплавов в миксере сопротивления

На правах рукописи

¡М

Р Г Б ОД 1 1 Я Н В 2007

ПАВЛОВ ЕВГЕНИИ АЛЕКСАНДРОВИЧ

МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИИ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЬ АЛЮМИНИЕВЫХ РАСПЛАВОВ В МИКСЕРЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ

05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск-2006

Работа выполнена в Красноярском государственном техническом университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Тимофеев Виктор Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Громыко Александр Иванович

кандидат технических наук, доцент Жуков Сергей Павлович

Ведущая организация:

ООО «Красноярский металлургический завод»

Защита состоится 26 января 2006г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.098.04 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, г Красноярск, ул.. Киренского, 26, корпус «Д», ауд.501.

Факс: (3912) 43-06-92 (КГТУ, для каф." САПР) E-mail: sovet@front.ru

Телефон: (3912) 912-295 (КГТУ, каф. САПР)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Автореферат разослан «» ^^¿¿^/гсе_2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д.212.098.04, д.т.н.

С.А. Бронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В литейном производстве цветной металлургии все большее распространение получают электротехнологические установки, предназначенные для получения высококачественных, многокомпонентных сплавов. Особенно вырос спрос на подобные установки в литейном производстве алюминиевых сплавов. Требования к алюминиевым сплавам и изделиям из них постоянно растут в связи с расширением их использования практически во всех областях промышленности. В стратегиях крупных металлургических компаний, таких как ОАО «Русский алюминий» и ОАО «Си-бирско-Уралькая алюминиевая компания», предусмотрено увеличение доли сплавов в общем объеме производства алюминия. Реализация таких стратегий невозможна без создания современных, эффективных плавильно-литейных агрегатов.

В последнее время как в России, так и за рубежом при создании новых и модернизации старых литейных производств все чаще используются поворотные миксеры, оборудованные магнитогидродинамическими перемешива-телями (МГДП). Применение МГДП ускоряет процесс приготовления сплава в миксере и повышает качество сплава. Возможность плавного поворота миксера позволяет осуществить требуемую подачу расплава в литейную машину и автоматизировать литейный процесс.

Если в странах Европы и европейской части России наибольшее распространение получили миксеры и печи с газовым нагревом, то в Сибири в основном используются миксеры с электрическим нагревом (миксеры сопротивления). Это обусловлено наличием в этом регионе мощной энергетической базы, включающую гидроэлектростанции на р. Енисей и его притоках, а также тепловые электростанции Канско-Ачинского угольного бассейна. Так, литейные производства строящихся алюминиевых заводов в г. Сая-ногорске, Тайшете, Кодинске будут оборудоваться именно миксерами сопротивления.

Увеличение производительности плавильно-литейных агрегатов и повышение качества приготавливаемых сплавов является актуальной задачей. Проектирование эффективных миксеров сопротивления с большой емкостью (4(УИ00т) оборудованных МГДП невозможно без детального исследования тепловых, электромагнитных и гидродинамических процессов в них. Однако на сегодняшний день отсутствуют методики анализа эффективности работы МГДП. В этой связи, важным является разработка 3-х мерных численных моделей с использованием современных пакетов программ, проведение численного и физического экспериментов и выявления путей повышения эффективности плавильно-литейных агрегатов с МГДП.

Цель диссертационной работы — исследование электромагнитных, гидродинамических и тепловых процессов при МГД-перемешившши на основе 3-х мерных численных моделей для повышения производительности и качества приготовления алюминиевых сплавов в миксерах сопротивления.

Объект исследования — магнитогидродипамический перемешиватель в миксере сопротивления для приготовления алюминиевых сплавов.

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

Задами исследования:

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

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

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

4. Выполнить численный эксперимент и провести анализ полученных результатов.

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

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

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

Научные результаты диссертации заключаются в следующем:

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

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

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

4. Определены пути повышения производительности и качества приготовления алюминиевых сплавов.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

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

2. Выявлены зависимости распределения скоростей, температур, кинетической энергии расплава, механической мощности, передаваемой в расплав, механического КПД МГДП от отношения полюсного деления к немаг-

нитному зазору и места расположения индуктора под ванной при различных режимах работы.

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

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

Практическая ценность:

1. Разработаны численные модели и комплекс программ, обеспечивающие анализ совместных электромагнитного и гидродинамических полей в системе «миксер сопротивления — МГДП» на базе двух комплексов программ Атуэ Emag и АлБув СРХ с возможностью расширения решаемого круга задач.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 1 статья в издании по перечню ВАК, 1 статья в межвузовском

сборнике, 1 депонированная статья, 7 публикаций в сборниках трудов и конференций.

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

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения (7 страниц), четырех разделов (39 страниц, 35 страниц, 35 страниц, 30 страниц соответственно), списка литературы (100 источников на 8 страницах) и 3 приложений (4 страницы). Общий объем — 162 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулирована цель работы, научная новизна, определена практическая значимость полученных результатов.

В первом разделе определен объект исследования, изложен принцип работы технологической установки (рисунок 1), дана характеристика физических явлений. В главе также перечислены недостатки существующих методов расчета и проектирования миксеров сопротивления алюминиевых сплавов с МГД перемешиванием, приведен краткий обзор существующих программных комплексов и численных методов, позволяющих адекватно моделировать физические процессы, протекающие в миксере сопротивления

Рисунок 1 - Разрезы миксера сопротивления с МГДП: а — продольный разрез: б — поперечный разрез: 1 — металлокаркас; 2 — футеровка; 3 — расплав; 4 — нагреватель; 5 — форкамера; 6 — заливочный карман; 7 — вытяжной зонт; 8 — поворотная опора; 9 — внутренняя полость; 10 — МГДП; 11- термопара в своде; 12 — термопара на поверхности расплава; 13 — термопара в расплаве.

и МГД-перемешивателе. По результатам анализа сделан вывод о целесообразности создания математической модели МГД-перемешивания алюминиевых расплавов в системе «миксер сопротивления-МГДП» с использованием программных продуктов Апвув Еmag и Апзуэ СРХ.

Во втором разделе описана численная модель позволяющая проводить совместный анализ электромагнитного и термогидродинамического полей в процессе МГД-перемешивания. Особенностью численной модели является то, что решение задачи магнитной гидродинамики в общей расчетной области (рисунок 2) разделяется на решение задачи электродинамики и решение задачи гидродинамики. Общей областью для обеих задач является область ванны с расплавом, где происходит взаимный учет сил и скоростей. Область решения электромагнитной задачи (рисунок 3) включает: ванну с расплавом; немагнитное гнездо; обмотки индуктора; магнитопровод; непроводящую и немагнитную область внешнего пространства. Область решения термогидродинамической задачи (рисунок 4) включает: области многослойной футеровки свода, стен, подины; ванну с расплавом; слой шлака; внутреннюю полость печи; трубчатые радиационные нагреватели.

Аппроксимация области электромагнитной. задачи

конечными элементами (—165000 элементов, 86000 узлов) показана на рисунке 3. Сетка контрольных объемов (—300000 элементарных объемов), аппроксимирующих расчетную область задачи термогидродинамики, показана на рисунке 4.

В описанной численной модели предусмотрено более 40 варь- Рисунок 2 - Геометрия расчетной об-ируемых параметров, что позволяет лас™ совместной электромагнитной и анализировать процессы в иссле- термогидродинамической задачи: 1-дуемой установке при любом до- миксеР сопротивления; 2 - индуктор пустимом сочетании геометриче- МГДП

ских размеров, из которых наиболее важными являются полюсный шаг, ширина магнитопровода, немагнитный зазор, глубина расплава, размеры ванны, определяющие емкость миксера.

Дгя корректного учета произвольного поля скоростей в Албуб Еп^ были добавлены два модифицированных конечных элемента — для решения задачи электродинамики в комплексных и мгновенных значениях.

а 6

Рисунок 3 - Аппроксимация области электромагнитной задачи конечными элементами: а - каркасное представление всей сетки; б — аппроксимация индуктора сеткой

- <

Рисунок 4 — Аппрюксимация области термогидродинамической задачи сеткой контрольных объемов: а — общий вид; б — в продольном разрезе

Нестационарное электромагнитное поле в расчетной области электромагнитной задачи, описывается системой уравнений Максвелла, без учета токов смещения:

= (1)

,3г дв -го!Е =--;

дI '

(2)

_ ¿ЫВ = 0, (3)

где//— напряженность магнитного поля, А/м; у— удельная электрическая проводимость, См/м; Е— напряженность электрического поля, В/м; и — скорость, м/с; В — индукция магнитного поля, Тл; / — время, с.

Система уравнений (1) — (3) решается путем замены В =го1А и использованием кулоновской калибровкиШуА=й, где А — векторный магнитный потенциал. С учетом допущения ца=соп81 система полученных уравнений для А сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) методом конечных элементов, как для комплексных, так и мгновенных величин. Решение СЛАУ осуществляется Ьи-разложением матрицы.

Нестационарное термогидродинамическое поле в расчетной области расплава описывается системой уравнений, которая для единичного объема включает уравнение неразрывности (4), уравнения моментов для турбулентного движения (5) — (7) и уравнение теплового баланса (8):

р<Йу(и) = 0 ; (4)

Э(.") Э(и'у') з(и,и>')

~Р~— Р , ох ду

дг

р 3 У ) + рМу (»ГЦ )=-—+>;-(/>» (шгаЛ]? ) + д! дг

- ГУ—^-- — о—--¿ — о—---

дх

-Р \ ' ~ Р - д ду дг

-Р

5 ^и ' м1 Э(*'»') 5(и''1)

дх

- р —--— р-

ду дг

+ <5>

(6) ;(7)

+ РЯ + р,

э(г) ■ , +,

рс—2—- + рсТ<Цу{\1) = Л ■div(gradT), дI

(8)

где р— плотность, кг/м ; Ч, V, -уи -г компоненты скорости соответст-

венно, м/с; Р — давление, Па; Т) — динамическая вязкость, Па-с; ы'^'.и/ — флуктуации -х, -у, и -г компонент скорости; g — ускорение свободного падения, м/с ; Р, — сила Лоренца, Н; с — удельная теплоемкость, Дж/(кг-°С); Г-температура, °С; Л — теплопроводность, Вт/(м-°С);

Для замыкания системы уравнений (4) — (7) используется к-е-модель турбулентности, описываемая уравнениями:

аы\з±-ггаак^ + '2г,,Е1ГЕ,1-РЕ ;

р Р<Ну{е и )= j + С,. ^п.Е^-Е,, - С г. р > (10)

где к — энергия турбулентных пульсаций; г}, — турбулентная вязкость; е — энергия диссипации; Еи — деформация объема; а, =1,00, а6=1,30, Си = 1,44, С2е=1,92.

Турбулентная вязкость т\, определяется исходя из к и е: т},=С„р91 = рС/1 — ,

(9)

где 9 — масштаб скорости, 9 = к"1; / — масштаб длины, / =-.

е

В области футеровки миксера и внутренней полости учитывался теплообмен теплопроводностью описываемый уравнением (8) без учета конвективного члена.

Радиационный теплообмен во внутренней полости описывается с помощью уравнения переноса радиационного потока:

£ = -<*.+*.)/; (11)

где 5 — единичный вектор направления излучения; I— интенсивность излучения, Вт/(м2-страд); г — координата; Ка — коэффициент поглощения; К, — ко-

эффициент рассеяния; /0 — интенсивность излучения на границе, Вт/(м2страд); 5—расстояние от точки на границе до точки в объеме газа, м.

Решение уравнений (4) - (10) осуществлялось многосеточным (АМв) методом. Взаимный учет скоростей в уравнении (1) и сил в уравнениях (5) — (7) осуществлялся итерационной процедурой решения соответствующих уравнений.

Приведенные уравнения полно описывают электромагнитные, гидродинамические и тепловые поля и являются основой создания вычислительной модели МГД-перемешивания в миксере сопротивления.

Третий раздел посвящен созданию вычислительной модели и анализу результатов, полученных решением задачи магнитогидродинамического перемешивания на численной модели, описанной во втором разделе.

Для решения задачи магнитогидродинамического перемешивания применялась итерационная процедура, показанная на рисунке 5.

В начале решения задачи осуществлялся ввод данных управления решением: интервал времени на котором производится моделирование шаг по времени 3=1/8/, количество временных шагов к= 1^*8/. На этом же шаге определялись начальные условия термогидродинамической задачи, соответствующие стационарному распределению температур в пространстве миксера.

Далее следовали решение электромагнитной задачи на текущем временном шаге (блок 2), определение сил Лоренца в ванне и е запись их в массив (блок 3).

Затем решалась термогидродинамическая задача на текущем временном интервале (блок 4). Скорости в ванне, полученные в результате решения записывались в массив (блок 5). Далее осуществлялась оценка сходимости скоростей в ванне между итерациями (блок 6) с условием, что относительная потреш-ность скоростей между итерациями е < 10"4. В случае невыполнения этого условия производились уточняющие итерации до достижения сходимости.

При достижении сходимости по скорости осуществлялась оценка текущего времени решения (блок 8) на условие не превышения заданного времени. При выполнении этого условия осуществлялся переход на следующий временной шаг (блок 9).

В результате решения были получены дифференциальные и интегральные характеристики электромагнитного, теплового, гидродинамического полей. При постановках задач варьировались некоторые параметры модели,

( Начало )

( Конец )

Рисунок 5 — Итерационная схема решения задачи МГД-перемешивания

остальные считались постоянными. Варьируемыми параметрами являлись -полюсный шаг индуктора т, немагнитный зазор А„, частота питающего напряжения /, линейная токовая нагрузка 1л, место расположения индуктора под подиной.

На первом шаге решения, когда решаются уравнения ЭМП рассматривается система «индуктор МГДП и неподвижный расплав» (все скорости в ванне равны нулю). В этом случае ЭМП локализовано вблизи индуктора, проникая в расплав в соответствии с величиной глубины проникновения (<5 = л/2/ац^у)• На рисунке 6 показана картина распределения магнитной индукции в индукторе и расплаве, на рисунке 7 представлено векторное изображение средних за период сил Лоренца, действующих на расплав в ванне.

.157Е-04 .05 .15 .5

.01 .1 .3 1

Рисунок 6 — Магнитуда индукции магнитного поля в расплаве и индукторе

^ V и Ш

.825Е-07 .385904 .771807 1.158 1.544

.192952 .578855 .964759 1.351 1.737

Рисунок 7 — Силы Лоренца, действующие на ванну (вид сбоку)

Движение магнитного поля направленно слева направо. Как следует из рисунка, кроме тангенциальных сил, обеспечивающих горизонтальное движение расплава, существуют значительные нормальные составляющие сил (силы отталкивания), особенно на входной части индуктора. В линейных асинхронных двигателях с твердым рабочим телом процессы, связанные с ограниченной длиной индуктора, называются продольным краевым эффектом. Такой эффект существенно снижает энергетические показатели двигателя, так как только поступательное движение рабочего тела преодолевает силы на входе и выходе.

В случае когда рабочим телом является жидкий металл, характер его движения является сложным и определяется распределением электромагнитных сил, геометрией ванны и другими факторами.

Электромагнитная мощность от индуктора через немагнитное гнездо передается в расплав. Вся активная мощность, выделяемая в гнезде, расходуется на нагрев. Часть активной мощности, передаваемой в расплав, также расходуется на повышение температуры, другая часть затрачивается на механическое движение расплава. На рисунках 8 и 9 представлены картины распределения удельной активной мощности на поверхностях расплава и немагнитного гнезда соответственно. Зная места выделения максимальной мощности в гнезде, для снижения потерь мощности в немагнитном гнезде можно выполнить разрезы поперек линий плотности тока (рисунок 9). При заданной линейной токовой нагрузке индуктора, сечения зубцов и ярма выбираются из условия недопустимости их насыщения, а толщина и материал его листов — из условия недопустимости локального и общего перегрева. Очевидно, что потери мощности в магнитопроводе, немагнитном гнезде, а также передаваемая мощность в расплав зависят от частоты тока в индукторе. На рисунке 10 представлены зависимости этих величин от частоты в диапазоне 0,1-2 Гц.

На рисунке 11 представлена картина скоростей расплава вблизи дна ванны при г = 40 с, 1Л = 1,4-105 А/м,/ = 0,5 Гц, Л„ = 0,345 м, т = 1,1 м. Максимальная величина скорости вблизи дна достигает значения V = 0,77 м/с.

Р 1«вт) V

10

*

О

а

■ -о. и

рщ »»-II

Рисунок 11 — Распределение скорости вблизи дна ванны в момент I = 40 с,

/ — 1 Л.Л(\* Л /.. Л - — I 1..

Рисунок 10 — Зависимость активной мощности от частоты при Л=1,4105 А/м, Л„ = 0,345м, х =1,1м

/,=1,410 А/м, Д„- 0,345 м,т= 1,1м.

Дня выявления динамики движения основного потока расплава на рисунке 12 представлен изообъем с магнитудой скорости V > 0,3 м/с в различные моменты времени. Если при К 50 с основной поток распределен по дну, то при Г > 90 с наблюдается появление более выраженной структуры потока в вертикальной плоскости. Траектории в продольном сечении ванны в различные моменты от начала перемешивания представлены на рисунке 13.

Рисунок 12 — Объем в ванне с магнитудой скорости V > 0,3 м/с в различные моменты времени от начала перемешивания: а —/ = 2 с; б -I = 20 с; е-/ = 90 с.

Рисунок 13 — Траектории в продольном сечении ванны в различные моменты времени от начала перемешивания: а — 2 с\ б -Х = 20 с; в—г = 90 с.

Рисунок 14 — Объем в ванне с энергией турбулентных пульсаций к>0.001 м2/сг в различные моменты времени от начала перемешивания: а —I =2с; б-*= 20с; в-/=90с.

Рисунок 15 — Траектории на поверхности расплава в различные моменты времени от начала перемешивания: а —* = 2 с; б -Ч = 20 с; е-/ — 90 с.

В начале перемешивания (i = 2c) характер движения определяется преобладанием силы отталкивания — F„ от индуктора над тангенциальной силой-F,. С течением времени ( / = 20 с) скорость расплава увеличивается и достигает V = 0,77 м/с. При этом поток становится преобладающим вдоль движения ЭМП, тогда как на входе индуктора образуется значительное вихревое движение (результат продольного краевого эффекта). При дальнейшем воздействии ЭМП характер движения изменяется: вихревые структуры перемещаются к торцам ванны.

В целом турбулентное движение с течением времени перемешивания нарастает, что подтверждается динамикой изменения размеров области е кинетической энергией турбулентных пульсаций к > 0,001 м' 7с2, представленной на рисунке 14.

В процессе разгона основной части расплава, в ванне образуются крупные вихревые структуры, которые перемещаются и изменяются с течением времени. Вихревое движение на поверхности расплава отображено на рисунке 15 траекториями в расплаве вблизи поверхности в различные моменты времени.

Для изучения динамики изменения температуры в объеме расплава при максимальном перепаде температуры между поверхностью (Гпов = 800 °С) и подиной (Гпод= 720 °С) AT = 80 °С, возникающем при загрузке в ванну лигатур было произведено математическое моделирование.

Динамика изменения температур на поверхности расплава приведена на рисунке 16, из которого следует, что силы отталкивания играют важную роль в начале перемешивания (/ = 20 с), так как обеспечивают быстрый вынос значительного количества холодного металла с подины на поверхность ванны.

Процесс изменения температуры расплава на подине ванны идет также достаточно интенсивно (рисунок 17), однако интенсивный тепломассообмен происходит только в 2/3 объема ванны, а 1/3 часть объема (расположенная перед индуктором) перемешивается с очень низкой интенсивностью. Этот факт подтверждает целесообразность реверсирования бегущего магнитного поля через определенное время.

Очевидно, что на процесс перемешивания кроме частоты питающего индуктор напряжения значительное влияние оказывают параметры и режим работы индуктора. На рисунках 18 — 20 представлены зависимости механической мощности N, Вт, кинетической энергии Ек, Дж и механического КПД Чмех, % установки от соотношения полюсного шага т к величине немагнитного зазора Д„ при различной величине линейной плотности тока индуктора 1„ o.e. За базовую величину принята линейная плотность серийно выпускаемого ООО «НПЦ магнитной гидродинамики» индуктора, равная /л0 = 1,4-105 А/м. Как следует из представленных графиков, эффективность перемешивания увеличивается с ростом величины т/Дн, однако при этом растет длина индуктора или уменьшается толщина футеровки в месте немагнитного гнезда. При постоянной величине т/Д„, с ростом линейной плотности тока, эффективность по представленным показателям существенно растет.

Рисунок 16 — Распределение температур на поверхности расплава в различные моменты времени от начала перемешивания: а — / = 2 с; б — I = 20 с; е — г = 90 с

Рисунок 17 — Распределение температур на подине ванны в различные моменты времени от начала перемешивания: а —1 = 2 с; б-г = 20 с; е-Г = 90 с

Для интегральной характеристики эффективности перемешивания можно также ввести величину, полученную из следующих рассуждений. Представим весь объем расплава в ванпе V = V« + V,, где V,, и V,- объемы расплава с не выровненной и выровненной температурой соответственно (под выравниванием понимаем условие, при котором разность температур в любой точке объема не превышает 5 °С).

Рисунок 18 — Зависимость механической мощности N от отношения т/Л„

Рисунок 20 — Зависимость механического КПД г] от отношения т/Д„

т/д^ое!

Рисунок 19 — Зависимость кинетической энергии Ек от отношения т/Д„

Рисунок 21 — Зависимость постоянной времени тепломассообмена от отношения т/Д„

Тогда время, в течение которого величины Уц/У или УцЛ/ изменяются в е=2,718... раз, можно назвать постоянной времени скорости выравнивания температуры расплава в процессе перемешивания с. На рисунке 21 представлены зависимости I, от отношения т/Д„ при различных значениях I,. Величина и выбирается из производительности всего плавильно-литейного агрегата, включая литейную машину. При заданной величине tв из представленных зависимостей могут определяться требуемые величины т/Ди и /,.

Сравнительный анализ динамики изменения температуры в расплаве показал увеличение скорости перемешивания при сдвиге индуктора от центра ванны к краю. На рисунке 22 приведены распределения температур на подине ванны в момент / = 90 с при расположении индуктора по центру (/= 1/2£„) и при расположении индуктора на расстоянии / = 1/3 ¿„ и 1/61, от прямой стенки ванны, где Ь, — длина ванны. Из рисунка 22, б, в следует, что при сдвиге индуктора на / = 1/3Ь, перемешивание осуществляется практически равномерно во всей ванне и в зоне перед индуктором отсутствует застой расплава, по сравнению с расположением индуктора по центру /=1/2/,, (рису-

нок 22, а). Анализ распределения температур на поверхности расплава в момент времени Г = 90 с со смещенным индуктором (рисунок 23, б, в) показал, что температура поверхности также более выровнена, чем при не смещенном индукторе (рисунок 23, а).

Анализ траекторий в момент Г = 90 с показывает, что при сдвинутом положении индуктора (рисунок 24, б, в) наблюдается полное промешивание металла, т. е. весь объем расплава участвует в перемешивании. При расположении индуктора по центру (рисунок 24, а) наблюдается перемешивание только 2/3 ванны, и для ускорения перемешивания требуется реверсирование бегущего магнитного поля.

Рисунок 22 — Распределение температур на подине миксера в момент 1=90с: а — при расположении индуктора по центру, /=1/2£,; б-при смещенном индукторе, I = 1/3/.,; в - при смещенном индукторе, /=1/61».

Рисунок 23 — Распределение температур на поверхности миксера в момент 1=90с: а — при расположении индуктора по центру, /=1/2£„;б — при смещенном индукторе, / = 1/3£„; в — при смещенном индукторе, /=1/6/,,.

а б в

Рисунок 24 — Траектории в расплаве в момент 1=90с: а — при расположении индуктора по центру, /=1/2Л„; б - при смещенном индукторе, 1 = 1/3/,,; в -при смещенном индукторе, 1=\!6Ь^

В результате численного моделирования определены дифференциальные и интегральные характеристики МГД-перемешивания алюминиевых расплавов в миксере сопротивления, анализ которых позволяет выбрать параметры и режимы работы оборудования, обеспечивающие заданные технологический режим и энергетические показатели.

В четвертом разделе рассматриваются результаты экспериментальных исследований на физической модели миксера сопротивления с МГД-перемешивателем, установленным под подиной ванны. Физическая модель, представленная на рисунке 25, изготовлена в масштабе 1:10. Вместо жидкого алюминия в модели используется низкотемпературный сплав Вуда (температура плавления —80 °С). Параметры модели подобраны так, что при частоте f = 50Гц выполняется условие

_ _вУ/УГот2__ _ Д>„-/УГ, 2

й0 - _2 'О ~ Ьм ~ 2 м •

Я 71

Здесь индексом 0 обозначен оригинал, индексом м модель.

На рисунке 26 представлен двухполюсный (2 р = 2) индуктор МГДП, обмотки которого подключаются к двухфазному напряжению со сдвигом фаз 90°. При проведении экспериментов производился нагрев ванны расплава нагревателями 2 (рисунок 25) до температуры 125 —150 °С, после чего включался МГДП и изучалась динамика изменения скоростей и температур при различной линейной плотности тока. Измерения скоростей производились одновременно в 8-ми точках на одинаковой глубине, варьировалась также глубина погружения измерительных датчиков в разных экспериментах.

Рисунок 25 — Физическая модель поворотного миксера емкостью 100 т: 1— верхняя съемная часть модели (свод); 2 — тепловой электрический нагреватель (ТЭН); 3 — группа термопар; 4 — ванна со сплавом Вуда; 5 — нижняя неподвижная часть модели (подина); 6 — МГДП

Для измерения скоростей использовалась измерительная система, показанная на рисунке 27. Принцип измерения скоростей в расплаве состоял в измерении отклонения лазерного луча, фиксируемого на шкале, расположен-

ной на стеклянной плите 2. Отклонение луча происходило за счет поворота зеркала расположенного на измерительном маятнике (рисунок 28), состоял из шаровой опоры размещенной в отверстии фторопластовой пластины, медного стержня, источника лазерного луча и груза (свинцовый шар). Под действием силы со стороны потока жидкости, действующей на груз, маятник отклонялся и соответственно отклонял лазерный луч. С изменением расстояния между стеклянной плитой 1 и текстолитовой плитой 2 изменялась чувствительность измерения угла отклонения маятника.

Рисунок 26 — Физическая модель МГДТ1

Рисунок 27 - Плита с измерительными датчиками: 1 - регулировочная шпилька;2 — стеклянная плита; №1.. .№8 — лазерные модули соответствующих датчиков

Рисунок 28 — Схема работы измерительного маятника: 1 — стеклянная плита; 2 - текстолитовая плита; 3 — лазер

Для измерения относительно «ю«!» больших скоростей расплава вблизи «, индуктора был изготовлен отдельный я датчик, отличающийся от остальных большей упругостью на поворот и увеличенным расстоянием между плитой 1 " и стеклом 2, благодаря чему достига- • лось малое отклонение маятника в сильных потоках и высокая чувствительность к углу отклонения. На рисунке 29 представлены графики скоростей расплава над центром индуктора в раз-

Рисунок 29 — Сравнительные графики скоростей по высоте физ. модели (1,=31,7103 А/м;/=50 Гц; т

=17,5см; Дн=2см)

личных точках по глубине ванны (отсчет от подины ванны), определенные в результате физического и численного экспериментов. При больших скоростях разница в значениях скоростей не превышает 20% и увеличивается в точках, где скорости приближаются к нулевым значениям.

Скорости измеренные измерительной плитой в 8 точках на глубине И = 8 см (пунктирные линии) и полученные при численном эксперименте (сплошные линии) приведены на рисунке 30. Относительная погрешность вычислений при этом не превышала е < 45%, что характерно для таких измерительных систем. Как видно из рисунка, характеры распределения скоростей, полученные при измерениях и расчетах совпадают.

Кроме измерения скоростей на физической модели проводилось измерение температур в верхней и нижней точках расплава в спокойном состоянии и в процессе перемешивания расплава.

На рисунке 31 приведены зависимости этих температур, полученных экспериментально и в расчетах, от времени. В начальный момент времени разность температур составляла 14 °С. В момент времени / =10 с включался МГДП. Как видно из приведенных зависимостей, в течение времени / ~11 с температуры практически выравниваются как по расчетным, так и по экспериментальным данным.

Достоверность расчета электромагнитного поля в индукторе МГДП проверялась путем анализа результатов расчетных и экспериментальных данных магнитного потока в различных сечениях маг-нитопровода и электрических параметров промышленного индуктора МГДП 2,5 В в ЛПО № 1 ДЛП ОАО «Русал Красноярск». Максимальная относительная погрешность вычисления магнитных потоков составила 9,45 %, электрических параметров 5 %.

Длина ванны [см]

Рисунок 30 — Скорости в ванне модели измеренные и рассчитанные

тГс)1

- » Т тв измеренная —Т измеренная —о—Т ^^ рассчитанная —о— Т дал рассчитанная -1---М—--1-

<|с]

Рисунок 31— Выравнивание температуры расплава в модели

Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных подтверждает пригодность разработанной математической модели для исследования тепловых, электромагнитных и гидродинамических процессов при МГД перемешивании.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В результате анализа конструктивных особенностей миксеров сопротивления с МГДП и обзора известных программных продуктов для численного моделирования физических процессов, определен подход к решению задачи МГД-перемешивания алюминиевых расплавов в миксерах сопротивления с использованием пакетов программ Ansys Emag и Ansys CFX.

2. Предложена трехмерная математическая модель МГД-переме-шиваиия алюминиевого расплава в миксере сопротивления, позволяющая одновременно анализировать электромагнитные, гидродинамические, тепловые процессы в системе «миксер сопротивления-МГДП».

3. Разработаны алгоритмы и программы, адаптирующие комплексы программ Ansys CFX и Ansys Emag к расчету дифференциальных и интегральных характеристик МГД-неремешнвания алюминиевого расплава в миксере сопротивления.

4. Достоверность разработанных математических моделей подтверждена удовлетворительным совпадением экспериментальных и расчетных данных.

5. Выявлены зависимости распределения скоростей, температур, кинетической энергии расплава, механической мощности, механического КПД от отношения полюсного шага к немагнитному зазору; расположения индуктора под подиной ванны при различных значениях линейной плотности тока индуктора и частоты питающего напряжения.

6. Предложены и формализованы критерии, позволяющие оценить время растворения лигатуры и скорость выравнивания химического состава в расплаве.

7. Определены полная, активная и реактивная электромагнитные мощности индуктора, параметры схемы его замещения, активная мощность, передаваемая в расплав прн различных параметрах и режимах работы. Выделение из активной мощности в расплаве механической мощности позволило определить механический КПД МГДП.

8. Разработаны рекомендации по выбору параметров и режимов работы МГДП в миксере сопротивления, позволяющие повысить его производительность и качество приготавливаемых алюминиевых сплавов.

9. В результате численного эксперимента выявлены место расположения индуктора и частота питающего напряжения, обеспечивающие режим перемешивания, при котором время выравнивания температуры между подиной и поверхностью расплава сократилось с 180 до 60 с, а выравнивание температуры в 95 % объема расплава сократилось с 150 до 85 с по сравнению с принятым расположением в центре ванны. При этом время растворения кремния до достижения 15 % содержания в объеме расплава сократилось с 3 ч 55 мин до 2 ч 30 мин.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Магнитогидродинамическое перемешивание алюминиевых расплавов в миксерах сопротивления / Е. А. Павлов, С. В. Боговалов, В. Н. Тимофеев, Д. С. Надточий // Вестник СибГАУ. Приложение к вып. 3 (10) / гл. ред. Г. П. Беляков: Город, 2006. - С. 199-204.

2. Трехфазные устройства для электромагнитного перемешивания жидких металлов У С. А. Бояков, Е. А. Павлов, Л. К. Собочинский, А. В. Богдан-чиков // Оптимизация режимов работы электротехнических систем: межвуз. сб. науч. тр. / отв. ред. С. Р. Залялеев — Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004. - С. 10-17.

3. Промышленный нагреватель для миксера сопротивления / А. А. Те-меров, В. Н. Тимофеев, Е. А. Павлов и др. // КГТУ. Красноярск, 2004. — 9с.— Деп. в ВИНИТИ, №1265-В2004.

4. Собочинский, Л. К. Моделирование устройств электромагнитного перемешивания жидких металлов / Л. К. Собочинский, А. И. Серебряков, Е. А. Павлов и дрУ/ Вестник Красноярского государственного технического университета. Вып. 33. Математические методы и моделирование. — Красноярск, 2004. - С. 260 - 266.

5. Тимофеев, В. Н. Применение информационных технологий при создании современного металлургического и электротехнологического оборудования / В. Н. Тимофеев, Е. А. Павлов // Труды КГТУ / гл. ред. С. А. Подлес-ный. - ИПЦ КГТУ, 2006. - №2-3. - С 57-66.

6. Павлов, Е. А. Математическое моделирование нестационарных тепловых процессов в миксерах сопротивления с учетом МГД-перемешивания / Е. А. Павлов, В. Н. Тимофеев // Алюминий Сибири-2006: сб. науч. ст. / отв. ред. П. В. Поляков. — Красноярск: Бона компани, 2006. — С 446-448.

7. Павлов, Е. А. Моделирование нестационарных МГД-течений в миксере сопротивления алюминиевых сплавов / Е. А. Павлов, С. В Боговалов, В. Н. Тимофеев // Инновационное развитие регионов Сибири: материалы межрегион. науч.—практ. конф.: В 2 Ч. Ч 2 / науч. ред. С. А Подлесный. — Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. - С 356-360.

8. Масальский, Г.Б. Моделирование нестационарных тепловых и электрических процессов миксера сопротивления./Г. Б. Масальский, Д. Про-ске, Е. А. Павлов и др. // Электротехника, электромеханика, электротехнологии: материалы второй научно-технической конференции с международным участием / ред. Н. ИДЦуров. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. - С. 225-228.

9. Собочинский Л.К. Моделирование МГД перемешивателя с АРС статора / Л.К. Собочинский, A.B. Богданчиков, Е.А. Павлов // Электротехника, электромеханика, электротехнологии: материалы второй научно-технической конференции с международным участием / ред. Н. И. Щуров. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. - С. 15- 18.

10. Моделирование напряженно-деформированного состояния металлических каркасов миксеров в программном комплексе ANSYS / Е. А. Павлов А.В Богданчиков, С. А. Бояков и др. // Сб. тр. 4-й конф. пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH / ред. А. С. Шадский. — М.: Полигон-пресс, 2004. -С. 153-161.

Павлов Евгений Александрович Магнитогидродинамический перемешиватель алюминиевых расплавов в миксере сопротивления Автореф. Дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук. Подписано в печать 22.12.2006. Тираж 100 экз. Заказ № S5í Формат 60x90/16. Усл. печ. Л. 1 Тираж 100 экз. Типография Красноярского государственного технического университета 660074, г. Красноярск, ул.Киренского, 28

ВВЕДЕНИЕ.

1 МИКСЕР СОПРОТИВЛЕНИЯ С МГД-ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЕМ.

1.1 Общие сведения.

1.1.1 Миксеры сопротивления алюминиевых сплавов.

1.1.2 Магнитогидродинамические перемешиватели алюминиевых сплавов.

1.2 Краткий обзор комплексов программ и численных методов.

1.2.1 Обзор комплексов программ.

1.2.2 Краткий обзор численных методов.

1.3 Выводы по разделу.

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МГД-ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЯ

В МИКСЕРЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ.

2.1 Постановка задачи и основные допущения.

2.2 Математическая модель для анализа электромагнитного поля.

2.3 Математическая модель для анализа термогидродинамического поля.

2.4 Выводы по разделу.

3 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЦЕДУРА РАСЧЕТА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕТА.

3.1 Вычислительная модель процесса МГД-перемешивания.

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

-33.3 Анализ интегральных и дифференциальных характеристик термогидродинамического поля в миксере сопротивления.

3.4 Выводы по разделу.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МГД-ПЕРЕМЕШИВАНИЯ НА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МИКСЕРА СОПРОТИВЛЕНИЯ И ПРОМЫШЛЕННОМ АГРЕГАТЕ.

4.1 Общие замечания.

4.2 Физическая модель миксера сопротивления с МГД-перемеши-вателем.

4.3 Система для определения скоростей в расплаве.

4.4 Измерение температур в расплаве модели.

4.5 Определение электрических характеристик МГД-перемешивателя.

4.6 Измерение скоростей на промышленном агрегате.

4.7 Выводы по разделу.

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

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

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

Большой вклад в развитие теории проектирования печей внесли такие известные исследователи как Свенчанский А. Д., Рафалович И. М., Громов Б. С., Артюмов В. А., Анищенко Jl. М., Андреев А. Д. [10, 11, 3, 4, 12]. В развитие теории МГД явлений в металургии большой вклад внесли такие выдающиеся исследователи как Вольдек В. И., Верте JI. А., Кирко И. М.,

Лиеласиус О. А., Милпетер Я. Я., Валдманис Я. Я, Тимофеев В. Н. [13, 14, 15, 16]. Особенно следует отметить вклад коллектива ООО «НПЦ магнитной гидродинамики» (г. Красноярск), который целенаправленно в течении ряда лет занимается разработкой и внедрением МГД-технологий в алюминиевую промышленность [17,18 ].

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

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

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

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

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

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

Задачи исследования:

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

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

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

4. Выполнить численный эксперимент и провести анализ полученных результатов.

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

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

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

Научные результаты диссертации заключаются в следующем:

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

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

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

4. Определены пути повышения производительности и качества приготовления алюминиевых сплавов.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

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

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

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

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

Практическая ценность:

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

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

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

Апробация работы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В заключении изложены основные выводы и результаты работы.

В приложении представлены материалы по использованию результатов диссертационной работы.

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

4.7 Выводы по разделу

1. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных в ходе экспериментов на физической модели и промышленном агрегате подтвердил достоверность разработанной математической модели и вычислительной процедуры для исследования тепловых, электромагнитных и гидродинамических процессов при МГД перемешивании в миксере сопротивления с МГДП, а также справедливость рекомендаций по повышению производительности и качеству приготовления сплавов, приведенных в разделе 3.

-148-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения работы получены следующие научные и практические результаты:

1. В результате анализа конструктивных особенностей миксеров сопротивления с МГДП и обзора известных программных продуктов для численного моделирования физических процессов, определен подход к решению задачи МГД-перемешивания алюминиевых расплавов в миксерах сопротивления с использованием пакетов программ Ansys Emag и Ansys CFX.

2. Предложена трехмерная математическая модель МГД-переме-шивания алюминиевого расплава в миксере сопротивления, позволяющая одновременно анализировать электромагнитные, гидродинамические, тепловые процессы в системе «миксер сопротивления-МГДП».

3. Разработаны алгоритмы и программы, адаптирующие комплексы программ Ansys CFX и Ansys Emag к расчету дифференциальных и интегральных характеристик МГД-перемешивания алюминиевого расплава в миксере сопротивления.

4. Достоверность разработанных математических моделей подтверждена удовлетворительным совпадением экспериментальных и расчетных данных.

5. Выявлены зависимости распределения скоростей, температур, кинетической энергии расплава, механической мощности, механического КПД от отношения полюсного шага к немагнитному зазору; расположения индуктора под подиной ванны при различных значениях линейной плотности тока индуктора и частоты питающего напряжения.

6. Предложены и формализованы критерии, позволяющие оценить время растворения лигатуры и скорость выравнивания химического состава в расплаве.

-1497. Определены полная, активная и реактивная электромагнитные мощности индуктора, параметры схемы его замещения, активная мощность, передаваемая в расплав при различных параметрах и режимах работы. Выделение из активной мощности в расплаве механической мощности позволило определить механический КПД МГДП.

8. Разработаны рекомендации по выбору параметров и режимов работы МГДП в миксере сопротивления, позволяющие повысить его производительность и качество приготавливаемых алюминиевых сплавов.

9. В результате численного эксперимента выявлены место расположения индуктора и частота питающего напряжения, обеспечивающие режим перемешивания, при котором время выравнивания температуры между подиной и поверхностью расплава сократилось с 180 до 60 с, а выравнивание температуры в 95 % объема расплава сократилось с 150 до 85 с по сравнению с принятым расположением в центре ванны. При этом время растворения кремния до достижения 15 % содержания в объеме расплава сократилось с 3 ч 55 мин до 2 ч 30 мин.

-150

1. Бузунов, В.Ю. Итоги работы РУСАЛа / В.Ю. Бузунов // Технико-экономический вестник РУСАЛа. Вып. 14. - 2006. - С. 5-7.

2. Непрерывное литье алюминиевых сплавов / В.И. Напалков, Г.В. Черепок, С.В. Махов и др. М.: 2005. 512 с.

3. Громов, Б. С. Тепловые процессы в электролизерах и миксерах алюминиевого производства / Б.С. Громов. М.: ГУП издательский дом «Руда и металлы», 1998. 316 с.

4. Анищенко, Л. М. Математические основы проектирования высокотемпературных технологических процессов / Л. М. Анищенко, С. Ю. Лавренюк. М.: Наука, 1986. 342 с.

5. Тимофеев, В.Н. Электромагнитные вращатели, перемешиватели и дозаторы алюминиевых сплавов: автореф. дис. . докт. техн. наук: 05.09.03 / В.Н. Тимофеев. Красноярск. - 1994. - 39 с.

6. Хоменков П.А. Электрический миксер сопротивления для приготовления алюминиевых сплавов: дис. . канд. техн. наук: 05.09.03: защищена 29.05.04. утв. 27.05.05 / Хоменков Петр Алексеевич Красноярск, 2000. 170 с. - Библиогр.: с.156-164.

7. Гнучев, С. М. Выплавка стали в дуговых печах с электромагнитным перемешиванием ванны / С. М. Гнучев // Сталь. 1961. - №6. - С. 238245.

8. Андреев, А. Д. Высокопроизводительная плавка алюминиевых сплавов / А. Д. Андреев, В.Б. Гогин. М: Металлургия, 1980. - 136 с.

9. Вольдек, А.И. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом / А. И. Вольдек. Л.: «Энергия», 1970.-272 с.

10. М.Верте, JI. А. МГД технология в производстве черных металлов / Л. А. Верте - М.: Металлургия, 1990. - 120 с.

11. Кирко, И.М. Жидкий металл в электромагнитном поле / И.М. Кирко. -Л: «Энергия», 1964. 160 с.

12. Лиелпетер Я.Я. Жидкометаллические индукционные МГД-машины / Я.Я. Лиелпетер. Рига: «Зинатне», 1969. - 246с.

13. А.С. 1697577 СССР, МКИ F27D23/04. Электромагнитный перемешиватель жидкого металла / В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинич, С. А. Бояков, А. А. Темеров и др. (СССР). №4755856/25; заявл. 01.11.89; опубл. 08.08.91, Бюл. №3 4 с.

14. Тимофеев, В.Н. Электромагнитные вращатели, перемешиватели и дозаторы алюминиевых сплавов: Автореф. дис. докт. техн. наук / В.Н. Тимофеев. -Красноярск, 1994.-39 с.

15. Versteeg, Н. К. An Introduction to computational fluid dynamics: The finite volume methods approach / H. K. Versteeg, W. Malalasekera. Prentice Hall, 1996.-257 p.

16. Лыков, А. В. Тепломассообмен / А. В. Лыков. M.: «Энергия», 1971. -560 с.

17. Башенко, B.B. Электроплавильные печи цветной металлургии / В.В. Башенко, А.В.Донской, И.М. Соломахин. М.: Металлургия, 1971. -320 с.

18. Диомидовский, Д.А. Металлургические печи цветной металлургии / Д.А. Диомидовский. М.:Металлургия, 1970. - 704 с.

19. Вайнберг, A.M. Индукционные плавильные печи / A.M. Вайнберг. -М.:Энергия, 1967.-415 с.

20. Фомин, Н.И. Электрические печи и установки индукционного нагрева / Н.И. Фомин, JI.M. Затуловский. М.:Металлургия, 1979. - 247 с.

21. Фарбман, С.А. Индукционные печи / С.А. Фарбман, Н.И. Колобнев. -М.:Энергия, 1975.-110 с.

22. Тир, J1.J1. Современные методы индукционной плавки / Jl. J1. Тир, Н.И. Фомин. М.:Энергия, 1975. - 110 с.

23. Гутман, М.Б. Расчет и проектирование нагревателей электропечей сопротивления / М.Б. Гутман, Г.К. Рубин, и др. М.:Л.:Энергия, 1966. -101 с.

24. Рубин, Г.К. Электропечи с нагревателями из дисилицида молибдена / Г.К. Рубин, А.П.Слободской,Т.Д.Тимофеева.-М.:Энергия, 1964. -64с.

25. Телегин, А.С. Конструкция и расчет нагревательных устройств / А.С.Телегин, Н.С.Лебедев. 2-е изд. доп. и перераб. М.Машиностроение, 1975. - 280 с.

26. Химушкин, Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы / Ф.Ф. Химушкин. -М:Металлургиздат, 1964.-671с.

27. Resistance Heating Alloys and System for Industrial Furnaces. 1-A-5B. KANTHAL. Hallsahammar, Sweden, 2001.

28. Прохоров, A. M. Физическая энциклопедия. / A. M. Прохоров. M.: Наука, 1998.-3500 с.

29. Кацевич, Л.С. Расчет и конструирование электрических печей / Л.С. Кацевич. М.:Госэнергоиздат, 1961. - 240 с.

30. King, P. E. Design and operation of an experimental reverberatory aluminum furnace / P. E. King, M. C. Hayes, T. Li e.a. // Light Metals 2005:

31. Proceeding of technical session presented by TMS Aluminum Committee at the 134th TMS Annual Meeting San Francisco, California, February 13-17, 2005 / Editor H. Kvande. P. 899-904.

32. Мастрюков, Б.С. Теория, конструкция и расчеты металлургических печей. В 2 т. Т.2.Расчеты металлургических печей / Б.С. Мастрюков. М. Машиностроение, 1986. 272 с.

33. Казанцев, Е.И. Промышленные печи: Справочное руководство для расчетов и проектирования: учебник для вузов / Е.И. Казанцев. -М.:Металлургия, 1975. 367 с.

34. Бессонов, JI.A. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле / JI. А. Бессонов. М.:Гардарики, 2001. - 317 с.

35. Антонова, О.А. Электротехника и основы электроники: Учеб. для вузов / О.А. Антонова, О.П. Глудкин, П.Д. Давидов и др.; под ред. О.П. Глудкина, Б.П.Соколова. М.:Высш.шк.1993. - 445 с.

36. Баранов, Г.А. Расчет и проектирование индукционных МГД-машин с жидкометаллическим рабочим телом / Г.А.Баранов, В.А.Глухих, И.Р.Кириллов. М.:Атомиздат,1978. - 248 с.

37. Валдманис, Я.Я. К теории продольного краевого эффекта в линейной индукционной магнитогидродинамической машине / Я.Я. Валдманис, Я.Я. Милпетер // Магнитная гидродинамика. 1965. - №3

38. Веселовский, О.Н. Линейные асинхронные двигатели / О.Н. Веселовский, А.Ю. Коняев, Ф.Н. Сарапулов. -.М.:Энергоатомиздат,1991. 256 с.

39. Кирко, И.М. Жидкий металл в электромагнитном поле / И.М. Кирко. -M.-JL: изд-во «Энергия», 1964. 160 с.

40. Сарапулов Ф.Н. Математические модели линейных индукционных машин на основе схем замещения: Учебное пособие / Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов, П.Шмычак. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005.-431 с.

41. Веселовский О.Н. Линейные асинхронные двигатели / О.Н. Веселовский, А.Ю. Коняев, Ф.Н. Сарапулов. М.:Энергоатомиздат, 1991.-256 с.

42. Ямамура, С. Теория линейных асинхронных двигателей: Пер с.англ. / С. Ямамура. Л.:Энергоатомиздат, 1983. - 180 с.

43. Ландау, Л. Д. Теоретическая физика: T.IV Гидродинамика / Л. Д. Ландау, Е. М. Лившиц. М.: Физматлит, 2003. - 736 с.

44. Ландау, Л. Д. Теоретическая физика: T.VIII Электродинамика сплошных сред / Л. Д. Ландау, Е.М. Лившиц. М.: Физматлит, 2003,. -656 с.

45. Andree, W. Modelling for design of industrial equipment and processes / W. Andree // Modeling for Electromagnetic Processing: Proceedings of the International Scientific Colloquium, Hannover, Marh 24-26, 2003 / Editor B. Nacke, E. Baake. P. 13-18

46. Arkhipov, G. V. The aluminum reduction cell closed system of 3d mathematical models / G. V. Arkhipov, A. V. Rozin // Light Metals 2005: Proceeding of technical session. P. 816-818.

47. Orleans, Louisiana, February 11-15, 2001 / Editor J. L. Anjier. P. 511— 518.

48. Dupuis, M. Weakly coupled thermo-electric and mhd mathematical models of an aluminium electrolysis cell / M. Dupuis, V. Bojarevics // Light Metals 2005: Proceeding of technical session presented by TMS Aluminum

49. Andree, W. Modelling for design of industrial equipment and processes / W. Andree // Modeling for Electromagnetic Processing: Proceedings of the International Scientific Colloquium, Hannover, Marh 24-26, 2003 // Editor B. Nacke, E. Baake. P. 13-18

50. Umbrashko, E. LES-Modelling and Experimental Investignation of the Melt Flow in Induction Furnaces / A. Umbrashko, E. Baake, B. Nacke e.a. // Modeling for Electromagnetic Processing: Proceedings of the International

51. Scientific Colloquium, Hannover, Marh 24-26, 2003 // Editor B. Nacke, E. Baake.-P. 111-116.

52. Аксенов А. А. Сертификация системы моделирования движения жидкости и газа Flow Vision / А. А. Аксенов, В. В. Шмелев, М. Л. Смирноваи др. и др.// САПР и ГРАФИКА Вып.4, 2006. С. 80-85.

53. Zienkiewicz, О. С. The finite element method. Volume 1: The basis / О. C. Zienkiewicz, R. L. Taylor. Woburn: Butterwort-Heinemann, 2000. 712 p.

54. Moaveni S. Finite Element Analysy. Theory and Application with Ansys / S. Moaveni. // New Jersey :Prentice-Hall. 272 p.

55. Volakis, J. L. Finite Element Method for Electromagnetics IEEE / J.L. Volakis, A. Chatterjee, L.C. Kempel // New York: Wiley-IEEE Press, 1998. -368 p.

56. Кислицин, A.JI. Расчет магнитных полей электрических машин методом конечных элементов / А.Л. Кислицин, A.M. Крицштейн, Н.И. Солнышкин и др. Изд-во Саратовского ун-та, 1980. - 200 с.

57. Демирчан, К.С. Машинные расчеты электромагнитных полей: уч.пособ. для эл.техн. и энерг. спец. вузов. / К.С. Демирчан, В.Л. Чечурин. М.:Высш.шк. 1986.-240 с.

58. Кетков, Ю.Л. MATHLAB 7: программирование, численные методы / Ю. Л. Кетков, А. Ю. Кетков, М. М. Шульц. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 752 с.

59. Метьюз, Дж. Г. Численные методы. Использование MATHLAB / Дж. Г. Метьюз, К. Д. Финк: Пер. с англ. -М.: Изд.дом «Вильяме», 2001. 713 с.

60. Потемкин В.Г. Вычисления в среде MATHLAB / В. Г. Потемкин. М.: Диалог-МИФИ, 2004. - 720 с.

61. Бартенев, О. В. Современный Фортран / О. В. Бартенев. М.: Диалог-МИФИ, 1998.-397 с.

62. Metcalf, М. Fortran 90/95 Expained / М. Metcalf, J. Reid // NewYork: Oxford university press. 1999. 357p.

63. Volakis, J. L. Finite Element Method for Electromagnetics IEEE / J. L. Volakis, A. Chatterjee, L.C. Kempel // New York: Wiley-IEEE Press, 1998. 368 p.

64. Математическое моделирование физических полей в алюминиевых электролизерах: Монография / Под ред. В. И. Быкова, В. С. Злобина. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002. 264 с.

65. Chung, Т. J. Computational Fluid Dymanics / T. J. Chung // New York: Cambridge university press, 2002. 1027 p.

66. Бруббия, К. Методы граничных элементов: Пер. с англ. / К. Бреббия, Ж. Теллес, Л. Вроубел. Л.: Мир, 1987. - 524 с.

67. Бахвалов, H. Численные методы / H. Бахвалов, Н. Жидков, Г. Кобельков. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003 г. - 632 с.

68. Ferziger, J. Н. Computational Methods for Fluid Dynamics / J. H. Ferziger, M. Peric. New York: Springer, 2002. - 434 p.

69. Peyret, R. Handbook of computational fluid mechanics / R. Peyret. -London.:Academic Press, 2004.-467 p.

70. Марков, Б. Л. Физическое моделирование в металлургии / Б.Л. Марков, А.А. Кирсанов. М.: Металлургия, 1984. - 304с.

71. Столов, М. Я. Физическое моделирование электромагнитных процессов и движение металла в индукционных канальных печах / М. Я. Столов, М. Я. Левина, А. В. Артефьев // Исследования в области промышленного электронагрева: Тр.ВНИИЭТ0.1979.№Ю. С.12-18.

72. Иванов-Смоленский, А. В. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирование / А.В. Иванов-Смоленский. М.: Энергия, 1969. -304с.

73. УТВЕРЖДАЮ ^ ^ Первый проректор КГТУ. . ; В М Журавлев4Г» > <."7.,., 2006 г1. АКТ

74. Об использовании результатов диссертационной работы Е А Павлова «Магнитогидродинамический перемешиватель алюминиевых расплавов в миксере сопротивления» в учебном процессе Красноярского государственного технического университета

75. Заместитель первого проректорапо учебной работе И А Зырянов

76. Начальник учебного управления КГТУ

77. Декан ЭМФ к т н , профессор

78. Зав Кафедрой ЭТ и ЭТ д т н , профессор1. Г П Чужкова1. В А Тремясов1. А1. В Н Тимофеев

79. Утверждаю Главный инже «КраМЗ»к т.н Кокоулин2006г1. АКТ

80. О внедрении результатов диссертационной работы Павлова Евгения Александровича «Магнитогидродинамический перемешиватель алюминиевых расплавов в миксере сопротивления» в ООО «КраМЗ»

81. В целом, результаты полученные в диссертационной работе обеспечат снижение текущих и капитальных затрат в вновь создаваемых литейно-плавильных агрегатах

82. Директор литейного производства ООО «КраМЗ»1. УТВЕРЖДАЮ:

83. В целом, результаты полученные в диссертационной работе обеспечат снижение затрат при эксплуатации вновь создаваемых и модернизируемых миксеров сопротивления с МГД-перемешивателями.

84. Первый зам. директора ^M^wy^

85. ООО «НПЦ магнитной гидродинамики)) /Г~)Р- М- Христинич0 Л\/ ///' п1. V^^V / (/ ч/У"^