автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Основы теории и расчет характеристик индукционных электромеханических преобразователей энергии для обработки металлических расплавов

РГ 6 од

V. с

С'/ЛОРОЗ Олег Юрьевич

^ ДПР ^995» На гг?авах р^01™011

' ¿Г' ■

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ИНДУКЦИОННЫХ ЭЛЕКТгаЖСАНИЧЕСКМХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕН ЭНЕРГИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

Специальности: 05.09.01 - Электрические машнк;

01.04.и - Теплофизика и

молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург 1995

Работа выполнена на кафедре электротехники и электротехнологических систем, в проблемной научно-исследовательской лаборатории черной и цветной металлургии и на кафедре физию: Уральского государственного технического университета, г. Екатеринбург.

Научнй консультант - академик Академии электротехнических наук РО, доктор технических наук, . профессор Сарапуле® О.Н. Официальные оппоненты: академик Академии электротехнических

наук ГО, доктор технических наук, профессор Ковалев D.S. (г. Омск); доктор технических наук, профессор Беспалов В.Я. (г. Москва);

доктор технических наук, профессор Цаплин А.И. (г. Пермь). Ведущая организация - АО "Уралэлектротякмаш", г. Екатеринбург.

Зашита состоится " 19 " апреля - 1995 г. в 10 часов ев заседании специализированного совета Д 063. U. 05 в Уральском государственном техническом университете (главшй учебна корпус, ауд. 406).

Отзыв в одном экземпляре, заверенный гербозой печатью, просим направлять по адресу: 620002, г.Екатеринбург, К-2, ул. Кира. t9. УГТУ, ученому секретарю совета. Автореферат разослан " (?- " марта 1995 г. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. УченкЗ секретарь специализированного ~ ß

совета, канждат технических наук, доцент д^/Щи В.О.Шутько

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ \ктуальность работа. Проблема создания перспективных конструкций и совораепсгвования методов расчета элоктромехапических ел, в частности, магнитогидродинамических-МГД) преобразователей энергии несомненно актуальна. Важное место среди этих преобразователей занимают МГД-устройства с бегущим или пульсирующим магнитным полем, используемые в современных экологически чистых и онергосоорогапшх технологиях транспортировки и обработки металлических расплавов.

Трудности решения данной проблемы обусловлены особыми требованиями к подобным устройствам металлургического назначения, а также сложностью электромагнитных, гидродинамических, тепловых и .физико- химических процессов, происходящих в жкдкометалличес-ком вторичном элементе (ВЭ).

Значительный вклад в развитие модельных представлений и понимание физики происходящих явлений при движении проводящей среды в магнитном поле внесли Кирко И.М., Вольдек А.П.. Лиелпе-тер Я.Я., Верте Л.А.. Гельфгат Ю.М.и др. Остроумов Г.А., сформулировал задачу комплексного исследования МГД-машины. Оптимизация конструкций индукционных канальных печей исследовалась в работах Тира Л.Л. Столова U.Я..Золотухина В.А..Тимофеева В.Н.. Колесниченко А.Ф., Гориславца Ю.М. конструкции, принципы работы и применение МГД-устройств для дозирования, плавки и рафинирования чёрных я цветных металлов обсухдаются в работах Пслищука В.П.,

Пина М.Р., Горна Р.К., Дубоделова В.И. Процессы кристаллизации и гидродинамические особенности в жидком металле рассматривались в работах Самойловича D.A. и Цашшна А.И.

Ввиду высокой температуры рабочего тела немагнитный зазор в

МГД-устроЯствах металлургического назначения имеет значительную величину порядка 0,1 м. Кроме того, во вторичном эломонте нет четко выраженных токовых путей а невозможно выделить направления силовых линий магнитного поля. Уже эти факторы существенным образом отличают подобные устройства от круговых или линейных асинхронных машин, в которых воздушный зазор мал, а преимущественные направления магнитных потоков заранее известны. Движение рабочего тела в них носит строго определенный характер (одна компонента скорости), а в кидкометаллическом Ю скорость различна в каждой точке токопроводяией среды.

С учетом сказанного процесс проектирования электротехнического устройства с жидкометаллическкы рабочим телом предусматривает решение следующих задач: 1) определение электромагнитных сил. вызывающих движение расплава; 2) исследование движения расплава и связанных с ним тенломассоооменных процессов: 3) выяснение металлургических особенностей,обусловленных гидродинамическими, электромагнитными и фкзико-химическими процессами.

Цель работы - создание комплексного подхода при техническом проектировании электромагнитных индукционных устройств для обработки металлических расплавов.

В рамках поставленной проблемы решались следующие вопросы:

1. Развитие метода детализированных магнитных схем замещения, учитывающего насыщение ферромагнитных частей электрической машины, а также поле скоростей движения жядкометадлического вторичного элемента. Расчет статических и динамических параметров.

2. Разработка методики расчета фазных токов первичной обмотки при заданном законе изменения напряжения.

3. Разработка модели, позволяющей оценивать концентрационные

зависимости теплоСизичесюа характеристик кидкометаллического раоочогс т^л?*.

л. Развитие методов модельного списания гидродинамики, процессов кристзллиз&ции и тэгигомассопереноса в жидкометаллическом ВЗ. С. Оформление сделанных разработок в виде пакета программ. Ь. Применение модельных представления для описания ряда электротехнических устройств с жидкометаллическим рабочим телом. При решении поставленных задач возникали более частные вопросы, которые обсу*дались по ходу изложения..

Научная новизна. Заключается в комплексном подходе при анализе индукционного электромеханического устройства с гидкоме-таллическкм вторичным элементом. Она характеризуется:

1. Развитием метода детализированных магнитных схем замещения, учитывают»! нелинейные свойства магнитопровода, двумерное поле скоростей движения расплавленного металлического рабочего тела, двумерность магнитного поля, продольные краевые эффекта, неравномерность разбиения моделируемой области.

2. Разработкой методики расчета фазных токов первичной обметка при заданном законе изменения напряжения з динамических с статических режимах.

3. Одновременным расчетом гидродинамики, процессов тепломасео-переноса и кристаллизации (с учетом диагрзумы состояния) во взаимосвязи с решением электромагнитной задачи.

4. Созданием модели, позволяшей оценивать термодинамические и кинетические характеристики гидкометаллического рабочего тела, в основе которой лежит зрй-ыодель электронной структуры.

5. Применением указанных модельных представлений для анализа ряда индукционных устройств различного назначения.

Практическая ценность работы характеризуется факторами:

1. Реализация основной задачи исследования позволит заложить основу системы автоматизированного проектирования электротехнических индукционных устройств с токопроводяшим ВЭ.

2. РазЕити модельные представления, описывапше электромапит-ные процессы в электрических мапинах.. тепдоСизические характеристики жидких сплавов на основе (¿-металлов, процессы переноса импульса, тепла и массы в кристаллизующемся вторичном элементе.

3. Создан пакет программ для расчета электромагнитных параметров индукционных электрических машин с токопроводяшим ВЭ.

4. Разработаны программные средства оценки термодинамических и кинетических характеристик двойных металлических расплавов.

5. Реализованы программы расчета поля скоростей, температур и концентрация в жидкометаллическом рзбочем теле с учетом возможного протекания кристаллизационных процессов.

6. Указанные методы и программные сродства применены при анализе параметров ряда индукционных канальных печей для получения цветных и черных металлов, индуктора для перемешивания стали, погружного нагревателя-персмеижв£?еля. электродинамического и электромагнитного двигателей.

Работа выполнялась в соответствии с координационными планами АН СССР по проблемам "Теплсф:зика и теплоэнергетика" (1.9), "Химическая термодинамика" (2. (9), "Скзихо-лашческие оснозы металлурпгееских процессов" (2.26); прогретой Госкомитета по высшей сколе по теме "Разработка научных основ технологии вне-печксй обработки стали в условиях непрерывной разливки и создание нового эгрегата для этого процесса" (1992-1995 гг.): про -граммой ГНИ "Перспективные технологии" (1991-1995 гг.); • про-

гракмоЭ ГНТП "Ресурсо-сборегапцие процессы горно-мэталлурппес-кого производства" (1991- 1995 гг.); г/б темой 1591 "Специальные электрические машины и электромагнитные устройства для транспортных и электротехнологических установок": грантом (И 27 Гр-94) "Разработка основ теории и методов расчета электромагнитных устройств с бегущим или пульсирующим магнитным полем для энер-госберегащих и экологически чистых технологий в металлургии". Автор защищает:

1. Нелинейное обобщение метода детализированных магнитных схем замещения, учитывающее двумерное папе скоростей движения рас -плавленного металлического рабочего тела.

2. Методику расчета фазных токов первичной обмотки при заданном законе изменения напряжения.

3. Модельные построения, позволяющие оценивать теплофизические характеристики зндкометаллического рабочего тела.

4. Результаты теоретических расчетов теялофизических характеристик исследованных расплавов на основе Мп, 7е, Со. .41 и Си.

5. Результаты теоретических расчетов электромагнитных параметров изученных индукционных электротехнических устройств, а такай гидродинамики, процессов тепломассообмена в задком металле этих устройств.

■ 6. Методы и программы расчета электромагнитных параметров индукционных электромеханических преобразователей энергии, теало-фазических характеристик двойных металлических расплавов на основе переходных металлов, а также процессов переноса импульса, тепла и массы в аидкометаллическом рабочем теле. 7. Выводы, полученные на основе сопоставления опытных и теоретических данных, а таете анализа результатов вычислений.

Апробация работа. Материалы диссертации докладывались на 1-м Советско-Чехословацком симпозиум.' по теории металлургических процессов (г. Москва, 1989 г.); 5-м всесоюзном совещании "Диаграммы состояния металлических систем"(г.Звенигород,1989 г.);

7-й всесоюзной конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов" (г. Челябинск. 1990 г.): Ю-й всесоюзной конференции "Физико-химические основы металлургических процессов" (г. Москва. 1991 г); научно-технической семинаре по электромеханике (г. Екатеринбург, 1991 г.): 2-й конференции по высокоазотистым сталям (г. Киев. 1992 г.): семинаре "Нетрадиционные электромеханические преобразователи с компьютерным управлением" (г. Севастополь, 1992 г.); международном научно- техническом семинаре "Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах и в их роботизированном производстве" (г. Суздаль. 1993 г.): научной конференции с международным участием "Проблемы электротехники" (г. Новосибирск, 1993 г.); международной научной конференции "Проблемы энергетики Казахстана" (г. Павлодар, ,1994 г.); 1-й международной конференции по электромеханике электротехнологии (г. Москва, 1994 Г.).

Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 30 научных работ (в том числе учебное пособие).

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 342 страницы основного текста, 17 Г рисунок, 16 таблиц и состоит из введения, 3 частей, 5 глав, заключения, списка литературы! из 305 наименований и 9 приложения. Обща объем диссертации 526 страниц. I

ОСНС'ННОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

НЕУЗКИЕ. Показана актуальность темы диссертационной работы, Сюмулируется ее цели, научная новизна, практическая ценность и реализация гыпалнешшх исследований, а также приводятся основные палок"кия, выносимые на загату.

ГЛАВА 1. У.Ате*АТКЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ Перечисляются М'.-таллур21ические гехнолспга, в которых используется электромагнитное воздействие на жидкий металл и рассматриваются наиболее распространенные индукционные электромеханические преобразователи энергии с жидксметаллическим рабочим тчлсм. Затем анализируются современные методы численного описания электромагнитных процессов и делается вывод, что для практических целей достаточно надежным и наглядным является метод детализированных магнитных схем замещения (ДМСЗ). В рамках последнего уравнения Максвелла для г-кокпоненты векторного потенциала можно зглисать в терминах контурного кагнитного потока (1-рззиер клетки по оса £) следущим образе»:

Ери его получении использовался особый способ разбиения модели-руекей области, обеспечзвагсиЗ для каждой клетки (нззовеи их "клетки устройства*) йостсяишэ кагнитнув прс?ецаемость и элокт-Разностную 29 сетку дда определения контурного

- «-и

" * Г * €/-1 я Г 0 Ц+1

* Чз 1и (Впи "и - *ги V ■ (1)

магнитного потока сдвинем на половину вага со обеим осям координат и назовем ех "клетка потока" (см. рис. 1). Такой подход позволяет избавиться от специальных процедур учета граничных

1 аК А Лж К 8П ~ » т

условий

и

с - с.

я

на стыке

немагнитного материала с магнитным ферронассивои. поскольку они выполняются автоматически.

клетка потока

¿.клетка устройства

Рис. 1. ДетасограваннЕЯ калшвая схема зшжвния

В уравнении (1) - проэосамость и кахвагодкысувая.

сила (1ЩС) "кяетка потека": •

где - размер "кяетка устройства" со оса 2: Вп. В» - кекго-ненты мапжтноС акдудвд: В*". Я ¿в ^ - маппггные со -противления "клеток штока", которые ссрвяагяотся как последовательные соединения пояевеекх кагЕктнкг сопротивлений граничащих мвзду собов "кжтск устройства*.

Уравнение (1) является нелинейным обобщением метода ДМСЗ. а разностная сетка (рис. 1) прообразуется в нелинейную магнитную схему замещения. Укрупняя разностную сетку, можно привести ее к такому виду, когда она будет совпадать с классической магнитной схемой замещения. С другой стороны, при уменьшении шага разбиения происходит переход к детализированной магнитной схеме замещения, определение контурных магнитных потоков которой позволяет рассчитать детальную структуру магнитного поля вблизи и внутри моделируемого устройства. В последнем случае метод магнитных схем замещения практически аналогичен методу конечных разностей.

Для определения вклада дзизения ВЭ (второй член в правой части уравнения (1)) использовали кубическую сплайн- интерполяцию контурных магнитных потоков. В этом случае первые производные от Ф по координате (а, значит, магнитная индукция и вклад-от ЭДС движег-ия) рассчитываются достаточно надежно.

Расчет контурных магнитных потеков на основе соотношения (1) с использованием описанной процедуры построения разностной сетки и текущем распределении магнитой проницаемости сводится к репеви» системы линейных уравнений относительно потока с граничными и начальными условиями Дирихле (Ф=0). При этом уравнение для клетки ({]) приобретает вид

с1-и *1-и + г1]-1 *Ц-1 + аи *и + ъии *ии +

где е^ = гп » Ъу * й1п = о : - - Я

<1)

+ - В сX1. к о <31. д __о <31

я - * г • °ии - н п • °и>1 й г

(3)

, 1,. / АГ при = О

о,, - ( Й- + я, ; + < « ^ •

71 г I 0 при «• О

ги ' 'и (Впи ~ вги

р _ гги " щв/^-о.

* А; т при * О '

I = 2.....Ь-1; J = 2.....т-/.

В этих выражениях к. т - число разбиений по осям X я У для потока соответственно; и - шаг по времени; Ф^ - значение контурного магнитного потока на предыдущем временном шаге.

Соотношения (3) получены при использовании неявного метода интегрирования уравнения (1), обеспечивающего вычислительную устойчивость решения. Отличительными особенностями системы уравнений (2) являются : 1) диагональное преобладание; 2) ленточная структура; 3) симметричность. Учитывая это. в данной работе для определения Ф использовали итерационный метод Либма-на с последующей релаксацией.

Проблема решения полевой задачи усложняется, когда ВЭ имеет конечную длину. Последнее обуславливает необходимость корректировки индуцированных в нем токов на основе первого закона Кирхгофа. приводящего к условию

|[ - — ♦ Т * В » е. ) = О.

аг с

Величину уес можно трактовать как некоторый ток. который накладывается на токи, вызванные трансформаторной ЭДС и ЭДС движения, вследствие наложении первого закона Кирхгофа.

Учет нелинейных свойств магвитопрозода проводятся в рамках метода простой итерации с релаксацией на основе сопоставления вычисления значений индукции п табличной зависимости "у-В".

Оценка тока первичной цепи в случае питания от источника напряжения осуществляется на основе-метода Ньютона. В его рамках необходимо росить систему линейных алгебраических уравнений для нахогления приращений , корректяругоос заданные значения токов. Она имеет вид:

Ф т ,« тп , * ш п , .( в . + я f 1 т * .

'11 Л 1 J12 Л 2 *1п 71 * i f ' '

,, Я , ^ Я .< П . . * Я __^ Я ^ j Я | .

al j + 2 **• J2n 71--J2 1 ' '

■» П Hf Я J. f П Ш Л -i J. * я __# Я / « Я )

Jm U 1 * ¡712 Ll 2 * f 'ТЭТ " 71 - -in < 1 ' .

где

• ■/ а / « «/ J м " ; / ei t « -- пД t/,....tn* ; : к=1,2,...,п: я-номер итерации.

Новое приближение для фазных токов определяется с помощью соотношения = t^ ♦ Atjj .

Прг описании установившихся реяпюв работа уравнение (2) сохраняет тот же самый вид, однако изменяются выражения для величин Qjj а а именно

»

При ftj ■ Я О',

л

т *0»

i * Q(<f - % ♦ Rj ♦ j

*IJ-

I' fl

i j u^ hj *0» > •

fij ttpa ftJ * о .

Отыскание комплексных фазных токов осуществляется аналогичным динамическому рейку образом. Однако число неизвестных в этом случае (е также и число уравнений) увеличивается вдвое по отношению к задаче в мгновенных значениях, поскольку необходимо определять вещественную к мнимую части каждого фазного тока.

Рассмотрим возмоюаость модельного описания высоты поднятая (Д) медных пластин различной массы (0,055, 0,08, 0,16 кг) над катушкой с током. Зависимости "t-U" для пластины массой 0.16 кг вместе с опытными значениями представлены на рис. 2. Эти данные свидетельствуют об их неплохом согласии и с;разсавт приемлемость использованных модельных представлений. -

L. Ml

I t

Рис. 2. Эксперйгезтвльные ((Плоские линии) и расчетные (штриховые .плели) высоты зависания кеднсй пласпаы кассой 0.16 кг з зависимости от срвдгегннрго напряжения Еа индукторе

-» П. в

Перейдем к рассмотрении ЫГД-устрайств трансформаторного типа. которые обладают рядок особенностей, выделяющих их в особый класс электромагнитных преобразователей энергии. Их вторичной обмоткой является гглкометадлгческий виток (канал) достаточно большого сечения, лаходящийся внутри теплостойкого ыеталлопро-

вода. Различные участки канала находятся в разных электромагнитных условиях (охваченные и неохваченные магнитопроводом). Наиболее полно эта особенности могут быть учтены в рамках трехмерных моделей для расчета электромагнитного поля. Однако во многих случаях задача может быть решена достаточно корректно путем сведения трехмерной картины поля к набору характерных дзумерных моделей с использованием некоторых положений теории цепей, связывавших эти двумерные модели. При этом устройство сводится к гибриду полевых и цепных фрашентов, представляющих различные области устройства в его схеме замещения. Цилиндрический индуктор-цилиндрический ВЭ. В силу осевой сим-мзтр;а задачу расчета поля можно свести к плоской, "распрямив" полуокружности в прямые. "1-й" полувиток индуктора превращается в прямолинейный провод с ЭДС сопротивлением .током 1ц(, приложенным напряжением и{ и длиной . Полувитки соединены

между собой сверхпроводящими короткозамыкашими проводниками. Индукционная канальная печь. Если допустить, что устройство линейно, то с некоторым приближением можно раздельно рассмотреть четыре частные задачи расчета поля. При этом схема замещения печи будет тлеть вид. показанный на рис. 3. Кроме того, с некоторым приближением рассмотрим участки 1. 3, 4 как индуктивно несвязанные с первичной обмоткой. Тогда вместо них можно ввести один участок с интегральным сопротивлением вынесенный из активной зоны и являющийся внешней пассивной нагрузкой для участка знергопреобразозания.

Проведем анализ характеристик ЛАД на основе метода ДМСЗ. В настоящее время достаточно сироко для анализа параметров ЛАД применяется одномерная модель Всльдека А.И. (или подобные ей).

в41 В41

Рис. 3. Схема замещения МП-устройства

Для нее характерно допущение, которое может быть принято только в случае малого (или даже нулевого) немагнитного зазора между первичной обмоткой и ВЭ. Оно заклэчеется в том, что ток первичной цепи равномерно распределяется в гадкометаллическом рабочем теле, что не оправдано при больших немагнитных зазорах.

В работе показано, что зависимости полученные В рам-

ках метода ДМСЗ,не пересекают ось ?г=0 при синхронной скорости кругового аналога. Эта особенность может быть объяснена тем. что карпгш магнитного поля в линейных асинхронных машинах может существенно отличаться от круговых аналогов вследствие продольного краевого эС&экта, что выражается в появлении дополнительной составляющей магнитного потока, пульсирующей с частотой первичной сети. При этом Характер зависимости при изменении добротности ЛАД аналогичен полученным в рамках модели Вольдека А.И.

Рассмотрим характеристики ЛАД с двухсторсшш статором. Сопоставим параметры двух- в шестиполюсной машин. Их механические характеристики при нулевом воздушном зазоре и медном ВЭ показаны на рис. 4. Огибашие нормальной компоненты кагнитной индукции в рабочем теле для этих двигателей показаны на рис. 5. Важно отме'.мть, что для двухполюсного ЛАД невозможно выделить участок, соответствующий круговому аналогу. Таким образом,электромеханические характеристики такого ЛАД не могут быть рассчитаны на основе моделей, приемлемых для круговых электрических машин (даже при нулевом воздуином зазоре). Для зестиполюсного двигателя краевые эффекты деформируют Вп примерю по одному полюсу с каждого края индуктора.

Рх , кН

Рис. 4. Зависимость интегрального усилия от скорости движения ВЭ для двух-(?) я Еестнполшю-го (2) двухстороннего ЛАД

v, м/с

Влияние конечной длины ВЭ рассмотрено но основе сопоставления опытных-и расчетных значений усилий, дойствугсях на медную пластику, в зазоре (;<зрромагнитного сердечника. Показано, что учет конечных размэроз ЗЭ гтиводхт к получении знакояерококной зависимости' усилия, которая .наблюдается в опыте.

1

2

0.3

0£

0.*

V

О

I индуктор I

индуктор

Рис. 5. Распределение огизакщи ыапштаай индукция Вп во ВЭ для двух- (и = и/с; 1) и шестипашзшго (и - 5 ¡¿/с: 2) двухстороннего ЛАД

ГЛАВА 2. ЩРОДКНЦДКА К ПРОЦЕССЫ ТШСМАССООШЕКА. Звигение металлических расплавов в технологических. установках обычно косят турбуленша характер. Поэтому для его исследования оаыч-но используют уравнения РеЛнольдса.

где v, , . Р - осреянезные по времени компонента скорости, рттдггстй» cz.ni и давления соответствекзэ; й. V - плотности и кэ-эДециент кинеаиетчэсзсаС вязкости жидкости соответственно; -гп-лКетргйау турбулентной вязкости: оцени« его в ракках «злели Клг

т1 Г-

¿'У

3

иоятовича: 9 ко а V /7г (здесь - скорость

течения в данной точка; У, - критическая скорость, соответствующая переходу ламинарного течения в турбулентное); - термогравитационная сила.

Численное ревеяио урввяекиа Рейнольдса проводилось в "естественных" переменных с введенном их конечно-разностных аналогов на "Еахкатной" сетке (или сетке с полуцелыми индексами).

Нахождение неизвестного поля давления осуществляли на основе выполнения условия неразрывности жидкости.

Температурное поле (?) в движущейся несжимаемой жидкости определяли на основе решения уравнения теплопроводности

где Ср - теплоемкость при постоянном давлении; qv - мощность внутренних источников тепла: Рг{ - турбулентное число Прандтля; с - коэффициент молекулярной температуропроводности.

При интегрировании уравнения теплопроводности применяли усовершенствованный метод Эйлера с автоматическим выбором временного шага. Аналогичные рассуждения использовали и при анализе процессов переноса кассы.

Процесс кристаллизации двойного сплава рассматривали с применением упрощенней эвтектической диаграммы состояния. Яри этой в двухфазной зоне уравнение теплопроводности вкСаралз в виде

где Ь-теплота кристаллизации; ^-количество твердой фазы.

Для определения коэфСищонта турбулентной вязкости (или 7,) проведем сопоставление рассчитанных и установленных экспериментально (по данным Резина М.Г.) полей скорости на примере гадкой ртути. Эти данные представлены на рис. 6. Из них. в частности, следует, что результаты вычислений.неплохо согласуются с экспериментальным распределением. На основе данных, показанных на рис. 6,можно рекомендовать значение V,« 0,0005 м/с.

Исследуем процесс охлаждения жидкого олова в бегущем магнитном поле (Яеп=0,003; число Гартмана Яо=7.17). В данном случае в полном объеме были рассчитаны электромагнитные процессы (в рамках метода ДОСЗ). гидродинамика и процессы переноса тепла.

Теоретически установленные зависимости та) сопоставлены с экспериментальными на рис. 7. Эти данные свидетельствуют о том. что модельные величины удовлетворительно описывают экспериментально установленные зависимости.

Рис. 6. Экспериментальное (1) и рассчитанные (2,3,4 при 7г* 0,00025: 0,0005; 0,0008 м/с соответственно) поля составляющей скорости v

Влияние учета эффекта кристаллизации щм расчете тешератур-

ного режима охлаждения жидкого олова на воздухе показаны на рис. 7 (кривая 3). Эта данные свидетельствует о том. что пег кристаллизационных эффектов приводит к затягиванию расчетной температурной кривой, так как происходит выделение тепла при образовании твердой фазы.

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ ГШОЗШЧЕСЮРС СВОЙСТВ ЩКОМЕГАЛЛИ-ЧЕСКОГО РАБОЧЕГО ТЕЛА. При описании характеристик металлических расплавов с участием ¿-металлов удобно пользоваться сонными методами расчета с привлечением вариационного припилю ГИббса-Боголюбова. Из зонных методов целесообразно выделить кэтод цеп-

Рис. 7. Экспериментальные (1 - охлавденио в бегуевм магнитно! поле; 2 - охлаждение на воздухе) и теоретически рассчитанные (.,•,©,+) изкеЕ-экия температуры жидкого олова в месте расположения термопары: • - расчет с учетом эдектрсмапйггных и терко-гравиталгонных сил: ♦ - расчет с учогем только электромагнитных сил: о,+ — охлаждение нз воздета без п с учетом термогрзвита-циоеных сил соответственно. Кривая 3 - расчет охлазиг-няя на воздухе с учетом кристаллизации

ной дроби ШЦ5), который позволяет достаточно эффективно учесть основные особенности реальной атомной и электронной структур моделируемых объектов.

В работе обосновывается необходимость создания трехзонной зрс!-модели МИД, учитывашей взаимную гибридизацию а-, р- в й-зон, а также их различные положения и ширины по энергетической шкале.

Одноэлектронный гамильтониан сильной связи в представлении Ванье выберем в виде

н 1в« £ |1;ц>с(и<(;ц| *1 р^Ц.-цхсш ♦ « д и и

где |Сд> - волновая функция Ванье у-типа, расположенная на узле I; е^ . - центр тяжести а параметр гибридизации ¡¡- и р-8лехтронных орбит алей на узле I: - интеграл кулоновско-го взаимодействия д-электрснов, находящихся на узлах * и

Для оценки диагонального матричного элемента функции Грша в рамках МЩ воспользуемся формулой

ЫЕ) * ГП - Л - ВГ?(Е)В Г1 .

О

где I - единичная матрица; знак "т" означает операцию транспонирования; Б - энергия: Ад. В. I. Р(Е) - матркпн размерности 3x3, прачек

К

еа *вр *ай 'ар ер 'рй *а2 >ра са

; в =

** хзв 0

0 Ь го О /8 Г^

а матрица ПЕ) описывает "остаток" цепной дроби в КЦЦ. Можно показать, что

ги»(Е)%»(Е) П(Е1)4Ви»(Е) *%ъг)*си9(Е) Г9(ЕЗ> • <4>

где - значение диагонального матричного элемента функции

Грина невозмущешюй б-зоны (здесь обеспечивающего полуэллипти-чоский вид кривой плотности электронных состояний - ПЭС); Е,. Ер. Е3 - корни секулярного уравнения

[Е- с3 - гз(ЮИЕ- €р - а Ь3(к)][Е- 1а - в $а(Ю) --2 'ар 1*1 1рЛ- »й 1Е- ср ' * гв(Ю1 " ; Ч - в *а<*>' ~ & [Е- са - К(к}3 '

где 1?3 ; ; Я у - сирина (/-зоны (у*э.р.<3): й - вол-

новой вектор: £Ц(М - закон дисперсия для д-электроиов. Функции А^(Е), Ви1/(Е) и Сиу(Е) зависят от энергии, индексов д а V. но не зависят от волнового вектора. Их можно определить при реыэ-кия системы линейных алгебраических уравнений, которая приведена в диссертационной работе.

При моделировании электронной структуры двойного сплава необходимо учктызать различия в -экранах электронных зон сплавляемых компонентов. В этом случае диагональные матричные элементы Функции Грина на атомах А и В сплава можно описать соотношениями

С/Ю « 1а~1]1 Е1 - Аа - вт 0,(2) 8 ;

СВ(Е) * I а И Е1 - Ав - Вт С^Е) В Г*Г е 1 . где матрицы 1а~1). [а] а В определяются ©эриулака

Hs itsp lisa *isp clp 'lea Upa На

-1/2

: в =

/8 í3 О

О О

/Г

¥8 t.

[ « 3

-í/г

: С « }

1/2

1/2

«й

1/2

Значения энергетических параметров компонентов сплава равны 1Аи " lai1c4i * *»1)Е1 lBu s íaH сВд * (1~ VBi

„-'Л -1/2

— j/2 1/2 Ча» ~ ац "v 11 Ano • 1B¡¡» ~ afi a» *Bvir1

©ункщш в С^Ш характеризуют "остаток" цэпноа дроби (эффективную среду) сплава, а котором всзыдпга дополнительное существование химического одигнего порядка. Учитывая зто обстоятельство, примем, что

с,ш- • pjul ¿¿я) * pjís fs(e) ; c^s) = p^ p/ej 4 pb3 .

где pt j - велдчшг. харакгерЕзуазхе вероятности. распакжекпя атомов сорта J вокруг атома сорта í; причем

- А А

píí ~ С1 + е Cj : Pij - Cj ('-«) ^

где в - параметр химического Сяззего порядка.

F/E) = [ a J F/E) la];' ?S(Z) = la'1} ?Z(E) IcT1] .

Матрицы F/E) z FB(E) оплсываст Функции Гг:-32 чгсткх кокпсяен-тов А и В (уравнение (4)).

Ка осясаа функции Грпна нетрудно рассчитать парцаалш.'э с

поднуп плотности электронных состояний компонентов и сплава, используя выражения

ИС(В) = Е с£ I Я1и(Ю : Я,и(Е) * --L-1я ( С1м(Е) ). I 1=А.В д^з.р.й

В работе развит феноменологический подход, псззоляндий проводить априорные оценки,компрессии атомного объема (д7) при образовании двойного сплава. В его рамках (при 7g > 7А)

t7(c) = - q СА св (1 - л ) (1 -7Л/7В ) 7Л , (5) В этом соотношении q-парачетр модели, определяемый по уравнении

Я' - 8.0112 уА [/ - 0.5236 (1/ув * 0,3923/ул)] .

где yt - плотность упаковки атомов чистого компонента 1.

Для проверки применимости выражения (5) было проведено исследование зависимостей А7(о) и 7(c) для алшинидов, силицидов, боридов ¿-переходных металлов, а также расплавов с участием целочно-земельных элементов.

На основе полученных результатов запишем систему уравнений, самосогласованное решение которой (относительно параметра химического ближнего порядка) позволяет рассчитывать равновесные термодинамические и электронные характеристики моделируемого двойного сплава:

ьн » ля, * ts2 * ts3 ;

с? %

4Я, - J ИС(Е)Ш - г ct [ IffSJBS ,

- ® l*A.B - со

ЬЯ2 - - 4- г ct - П?а ) * П- fnf - nf ) *

i'A.3 К

> рзз - пй >* 2 азр "ЧЛр - ВДр' * * 2 "ЧЛи - п'М ' 2 ир£ (пфа - п1№ :

- - 4". ря Е С1 ГпХ - ;

{'А.В

&(с) - - ЧСАс3(1 - л ) и - ЧА / ЧБ ) ЧА ;

угс; » ^ * св 7В * а7(с) :

&2(с) - ♦ + ьб0(с) + д$эгс; :

и«) ж а (8,245 / (1 - а)2 - 0.245 ♦ 0.С65 а) ;

в п1э * п1р * «И ; п1 " п1а * *?р * >

где (£у(с). ¿Бг(с), 1£0(с). ¡£3(с) - конфигурационный, газо-вы2. объемный а электронный вклады в энтропию образования сплава; , - числа д-электрсноз на атск соответственно е сплаве и в чистом (-металле: и^ - потенциал внутриатомное кулоновского взаимодействия ыекду и- и у-электронаки на узле;

- потенциал казатсмного кулсновского взаимодействия электронов на Слинайлих узлах; ер - энергия Сера. Параметр хвдичесхого ближнего порядка (а) следует определяя минимизацией по нему выражения для свсбодной энергии образова ния рассматриваемого объекта. |

Лля расчета электросопротивления расплавов на осно| ¿-металлов использовалась теория линейного отклика Кубо с щ! менением матричных элементов функции Грина. При этом в раба для электропроводности чистого металла получена Формула I

26 I

1е? ¡2

сп • { 434('Е> ♦ * }.

) для двойной система - соотношения 0 - «л < вв :

2

х ( I Чд л V V )} г

а^а.р.а

1/э

Чу/и "" ; : ги = гл ' срэднее расстояние

«жду атамаки сорта £ и / в сплаве.

Таким образок удельное электросопротивление (электрояровод-!ос?ъ) непосредственно связало с особенной-яки атомной (через ¿ежатсшыэ расстояния г парные вероятности) и электронной (через интегралы взаимодейстния и ПЭС на уровне Оерд) структур :плава. Кроме того, полученные соотнопения дагт возможность эценки коэффициента теплопроводности (1) металлов, используя закон Видекана-Срэнца-Лоренца.

Для оценки характера изотерм вязкости учитывается три вклада: от идеального раствора, от компрессии атсаого объема, а также связанного с энергией «егзастичнкх взаимодействий мевду иасонентаки расплава. Полученные соотношения описывавт положительные отклонения р(с) от аддитивной зависи?.*ости для силицидов гелеза. кобальта, никел-т и отражательныедля гэрхапидов этих а металлов.

'ЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ ТШОЕКЗИЧВСШ СВОЙСТВ 5ЭДШ5-АЛЛИЧВСКОГО РАБОЧЕГО ТЕЛА. Здесь проводится .сспоставлеппз результатов модельных расчетов, выполненных с использованием

зрЗ-модели, с вкспериментальннми данными для двойных и тройных расплавов на основе марганца, железа, кобальта, никеля а меди с ¿-металлами и ер-элементами. Рассмотрим некоторые из них.

Результаты модельных вычислений концентрационных зависимостей энтальпий образования и изменения атомного объема Ме.У-расапавов (Ше-Ип,¥е, Co.Nl) вместе с экспериментальными данными показаны на рис. 8, 9. Сопоставление рассчитанных в рамках врЗ-модели и экспериментальных значений энтальпий образования свидетельствует о качественном их согласии (рис. 8). При анализе изотерм избыточных объемов ьУ(с) (рис. 9) рассмотренных жидких сплавов можно сделать вывод о близости значений ¿V, полученных с использованием подхода, развитого в данной работе, и найденных в литературе.

Результаты оценок концентрационных зависимостей энтальпий образования и изменения атомного объема в жидких двойных сплавах кремния с никелем при 1873 К вместе с экспериментальными данными (заимствованы из работ Гельда П.6. и Баума Б.А.) представлены на рис. 10. Из него можно сделать закличете, что расчетные зависимости лН(с) и ьЧ(с) количественно приемлемо описывают опытные изотермы.

Концентрационные зависимости электросопротивления и кинематической вязкости Я-расплавов, установленные расчетшаг е. экспериментальным путяак,сопоставлены на рис. 11. Эти данные позволяй1 сделать в^вод о том, что модельные изотермы р(с) практически совпадают с опытной зависимостью. Рассчитшп-шэ за- , васимости кинематической вязкости от состава отражают обсую тенденцию изменения опытных величин. I

¿я.

«3»

ЛОЛЬ

- 15

- 5

- 40

- 20

' 1 ¿п-у ' 1 1 1 1 ' к-г ' ■ /У 1 1 1 1 ^^

1 1 Со-У 1 / V / ч / \ ' \ -- ' \ (у 1 1 1 1 \ 1 1 ^ ч ' ч (/ \ '/ х' г 1 1 1 1 N

Ив 0.2 0.4 0.6 0.8 Ив 0.2 0.4 0.6 0.8

—> Су —» Су

Рис. 8. Зависимости Шс) расплавов Хп, Ре. Со и N1 с иттрием при 1963 К (для ?е-У при 1873 К). Сплошные линии - экспериментальные данные: штриховые - результаты расчетов в рамках зрй-модели

А7. А /ся.

- 2

- 1

- 2 - 1

■ ' кп-у ' ^ "" \ • /' 1 / * \ г 1 1 1 1 ч 11 >е-У 1 + ✓ ' * 4 • У V • ' ч Ч ' 1 1 1 1 4

1 ¿0-У1 / • \ / \ ' I I 1 1. <1 1 1мГ 1 / * \ Л \ ■ ' \ / \ / , г г 1

не 0.2 0.4 0.6 0.8 Яв 0.2 0.4 0.6 0.8

—»Су —»Су

Рис. 9. Изменение атомного объема при образовании сплавов марганца. железа, кобальта и никеля с иттрием при 1963 К. Штриховые линии - результаты расчетов в рамках эрй-модели: «,+.х -литературные данные

кДх/лолъ

А/. Лея.

-20

~3 -2 -1

N1 0,2 0.4 0,6 0,8

N1 0.2 0.4 0.6 0,8

СБ1

р х Ю8. Ол л

Рис. 10. Расчетные (штриховые линии) и экспериментальные (сплошные линии) зависимости онтелыий и изменения объема при образовании Н1.31-расплэвоз из чистых компонентов

V X ЮГ, с

л-1-г

Ш 0.2 0.4 0.6 0.8 - СБ1

т 0.2 0,4 0.6 0.8

Рис. И. Расчетные (штриховые линии) и экспериментальные (сплскныо линии) зависимости электросопротивления и юшенап ческой вязкости ДЧ.ЗЧ-расплавов при 1873 К

ГЛАВА 5. З.ЧЕКТРС'ШТСГПаН УСТРОЙСТВА С ТВЕРДО- И ЖЭДКОМЕТАГЛ ЧЕСШ РАБОЧИМ ТЕЛОМ« Здесь рассматризаьтся вопросы. связага| с оценкой электротшломеханических параметра ряда индукцией

электротехнолопгееских устройств с твердым и гидкии токопрово-дяшим ВЭ.

Индукционная канальная печь для получения влюдгкиевых сплавов. Она включает две емкости для расплавленного металла, соединенные двумя каналами, в которых индуцируется электрический ток с помощью системы "индуктор-магнитопровод".

Рис. 12. Рсс.'бтэсе рзсп^эдзлэнгэ платности тока з гздкскэтал-лическок канале инду^гикясй печи, для получения сплавпв на основе алшиния

Метод 2iC3 позволяет рассчитать распределение тска (J) в идкокеталлическом 33. Кз данных, доказаннкг из рис. 12, видно, его J существенно неоднородно паспредехяется по сечению кзнслг : проявляется эффект вытеснения тока из проводника. Полученные езультаты удовлетворительно согласуется г. данная. оиенонтки рамках ког-йинирозакного метода гранична злеыентоз-коночных ззнсстей эркенозыа Н.Х., Горислазцем D.M. я Подольцевым А.Д.

Следует отметить, зависимость Мх.у) отличается от кривой, рассчитанной в одномерной модели, которая используется для расчета параметров индукционных печей. Таким образом, применение моделей, подобных ЦЦСЗ, позволяет уточнить методики расчета индукционных электромагнитных устройств.

Для создания транзитного (однонаправленного) движения металла выбран канал с переменным поперечным сечением. На рис. 13 показана характерная для установившегося роима зависимость безразмерного числа Рейнольдов (йе) от безразмерной силы. Получено, что скорость в канале устанавливается через 4 с.

' Ее х Ю'л

Рис. 13. Зависимость числа Рейнольдса о? безразмерной силы для течения влшиния в канале печи

Влияние скорости течешя расплава в канале на характер распределения температур в печи показано на рис. 14. При отсутст-] внг движения полученное через 4 с распределение температур де-| мшетрирует кривая 1 (рве. 14).. Движение жидкого металла право! дат к вытеснении и размывание области высокой температуры п канала печи в ее объем в направлении течения расплава (кривы! г-41 рис. 14). I

г . к

v —>

3

1000 ^

1050

2

объем печи I канал I объем печи

Рис. М. Влияние движения расплава на распределение температуры в печи: 1 - расплав неподвижен Ц=4 с); 2,3.4 - через 1, 2 и 4 с после начала движения соответственно

Индукционная канальная печь для стали. Для создания транзитного течения расплава в канале печи выбрана конструкция с несимметричным каналом (из работ Тира Л.Л..Столова М.Я.,Колесниченко А.Ф).

Было рассмотрено влияние течения расплава на температуру в канале печи при неподвижном в движущемся жидком металле о учетом выделяющегося в канале тепла. Получено, что распределение температуры по длине канала при движущемся расплаве неравномерно. Однако средняя температура в канале печи для случая движущегося металла составляет 1912 К против 1924 К в случав неподвижного расплава.

Представляет интерес выяснить влияние выбора теплофшческих свойств рзсплава на количественные характеристики его течения в канале печи. В качестве примера проведем сопоставление скоростей движения Уе,51-расплавов в печи, полученных с использованн-

ем опытных и модельных значения свойств. Причем последние были рассчитаны с применением модельных представлений, в основе которых лежит арй-модель. Результаты этих вычислений показаны на рис. 15. Из них, в частности, следует, что использование в гидродинамических расчетах опытных и модельных величин плотности и вязкости в данном случае позволяет получить весьма близкие количественные результаты в исследованной области концентраций кремния (различая не превышают 17 %).

Рассмотренная печь может быть модифицирована с целью получения сплавов на основе моди. Проведенные оценки показали, чтс для этого достаточно изменить лишь сечение жадкометаллическогс канала с величины 100 х 40 мм2 (для стали) до значения 100 х 30 км2, характерного для меда.

0.12

0.10

Рис. 15. Рассчитанные ос-реднгннне скорости течения Ре.51- расплавов в вертикальной части канала с использованием опытных (сплошная линия) а модельных (штриховая линия) значений их теплофизических свойств

Погружной нагреватоль-пэремеаиватель для жидких металлов приводятся данные о погружном нагревателе индукционного удобно« при подготовке жидких металлов и сплавов с невыси температурой плавления (например, натрий, олово, свинец и сплава е др.). Эскизы двух возможных конструкций устройств направления силовых линий магнитного поля показаны на рис. 1

у у < 7 V » ) J"| 1

.{рШт^ШУ

ч1 :Лц[ |СГ , 2

Рис. 16. Направление сиговых линий магнитного поля и эяектрсыапштшд сил

й рсс. 16 видно. что электроьшгаитЕое пата имеет двухвяхревуэ структуру. Центр! вихрей находятся в области катупек первичной эбиотки. Направленг-те силовых линий магаитяого поля для конструкций 1 я 2 2И80? противоположный характер. Это связано с раз-сичвнм расположением феррскагшкзоЗ перяшчкз ножду верхней к изяе2 чвсмка иагнитспрззода.

Получеяное с псноаьп метода ДЭ1СЗ направление усилий не. 16) исаит Сыть проанализировано на основе результатов ра-Хршчеяко С.Ю., Церенксва С.4>.. сиграшпся на пршжп зле-сгроиагнитнсго взаимодействия тока с создаваема« км магнитным шлем. Какал с згдкии кэталлои кспо рзссизтрявать как проводка с тохом. Равнодвйствупзвя электромагнитных сил Судет на -[равлена против градиента магнитного поля. т.е. в сторону его сааг. Дня обеих конструкций такое направление соответствует аправленшэ от йерромалитнсЗ перемычка кежду верхней 2 пигаей зстяиа кагнитссрозода. Таким образом, в первой конструкция осо-эя составлялся злектроиагаитной сели направлена от цент-

35

ра, а во второй наоборот - к центру нагревателя-перемеЕИвателя. Линейная индукционная мадкна. Рассмотрим линейные двухполюсные двух- та трехфазные машины. Рассчитанные значения норгзльноЕ составляющей магнитной индукции ва расстоянии 0,03 м от поверхности трехфазного статора шесте с экспериментальными данными при питании фазы В (из работы Резина Ы.Г. ) показаны на рис. 17 (холостой ход: питание от источника синусоидального напряжения амплитудой 155 В).

Рас. 17. Распределение нормальней состапдявсей кэгеитксЗ индукции трехфазного статора на расстоянии 0,08 и от его поверхности. Сслоание - оевтеыз данные; cr^szosse - расчетные оги-

ссесиэ

Rrgema НвЛДЕвйНКХ CBCSCTB КЗХЗЕТОЦрСБаДЗ изучали ПЗЕ ПЕТЕ-кии фазы S. В оспозакии зубцов кагБитсЕ^озода учет зависихости li(B) снижает {пра индукции вие 2 Тл) и повкгает (пра индукции 1 Гл) норвадьауп кекпсЕвнту ksiszteoE индукции. В области воздушного зазора з даном случае ащутая. полученная в дине5-но£ а недине2но2 задачах, прзктиедска совеедзот.

Рассмотри: алглвиз рзецлазгеннего гел-зза в бегущие

подо двухтдахжой трохЭвзас2 ¿seq2ho£ »гзегнн m fisfeSoS

си. Получено, что при скоростях 0.2-0.3 м/с набладэется зпкет-ноэ движение примеси в объем жидкого металла (си. рис. 18), что отсутствует при неподвижном расплаве.

'-1 0,05 от.еО.

Рис. 18. Распределение примеси в ковше через 60 с

после начала движения при скоростях 0.2-0,3 м/с

Электромагнитные и индтадонно-дипамические двигатели специального назначения. Рассмотрим возмоаность модельного описания

броневого ЭШ. Экспериментальная зависимость (из монографии Ряпенцевз Н.П., Угарова Г.Г.. Львяцына A.B.) тягового усилия (?) данного ащ от величина 5 (зазор мевду статором и якорем) при постоянной токе 5 А призедена на рис. 19. Здесь же показаны расчетные кривые "?-&", полученные с учетом и без учета насыщения статора и якоря. Можно видеть, что учет насыщения ферромагнитных частей приводят к существенному esse кию ткгевш усилий в области малых зазороз (в 2 раза) и улучшении согласия расчетных значений с экспериментальными, а также практически не изменяет величину F при 5>6 мм. Следует отметить, что при ып-гчт

зазорах наиболее насыщен статор, верхняя в нижняя части якоря, вследствие меньшей их толщины по сравнению с центральной частью якоря. В целом сопоставление опытных величин с теоретически установленными свидетельствует об их приемлемом согласии.

F, КН

Рис. 19. Зависимость тягового усилия от величины воздушного зазора з: 1 - опыт; 2.3 -результаты расчетов без учета и с учетом насыщения соответственно

XI

Также рассмотрены олактромеюнкчаскив характеристик! электромагнитного и индукшюнно-динамического двигателей. Программные средства пакетной обработки. Созданная оболочю (пакет) для расчета характеристик индукционных электротехничес ких устройств представляет пользователе существенные удобств при проведении необходимых на практике вычислений без детально го знания используемых при этом программных средств, а таю особенностей операционной системы ПЗЕМ. Для создания оболоч; использовался язык программирования TURBO PASCAL 7.0. Она обе печивает выполнение следущих функций: 1) набор, изменена копирование, распечатку исходных данных; 2) помощь при работе оболочкой; 3) выполнение расчетов электромагнитных характера тик. переноса импульса, тепла а массы, а также теплоСизичеся свойств жидксаеталлического ВЭ; 4) просмотр, изменение, кошт

38 I

вание и риптатку рэзультатов вычислений; 5) отображение списка каталогов и их содержимого с помощью возможностей текстового редактора.

Пакет объединяет програидше средства и имеет три уровня монв. Оболочка содержит около 40 файлов, требующих для своего хранения примерно 2 Мбайта дисковой памяти.

ЗШЕЩКИЕ

Основным результате« диссертационной работы является решение крупной научно-технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное знзчение и заключающейся в создании комплексного подхода при; проектировании электромагнитных индукционных устройств с твердо- ж гэдкометаллическич вторичным элементом. При этом были репены задачи к получены выводы, описанные ниже.

1. Создано нелинейное обобщение метода детализированных магнитных схем замещения. Отлижем от предыдущих работ, использующих метод ДМСЗ, является: 1) учет двугмрности магнитного поля во всей моделируемой области; 2) возмоглость использования изрлв-немерней разностной сетки; 3) учет нелинейшх свойств и зус-«а -тости (через схему разбиения) «эпгятопровода: 4) учет неравномерного поля скоростей со вторично« элементе.

2. Разработан комплекс чодслы:ых представлений для взаимосвязанного и одновр • генного решения задач переноса -.гетульез. .тепла и масса, а также описания процесса крисг,гглизацки в .металлическом расплаве с учетом диаграмма его состояния.

3. Развит комплексный микроскопический подход модельного описа-кия изменений свободной энергии, энтальпии, энтрогаш и объема три образовании сплава из чистых шлгонентов. а также его электросопротивления. теплопроводности а вязкости.

4. Анализ процессов движения и переноса тесла в металлической жидкости позволяет: 1) проследить динамику изменения скорости, температуры и концентрации принеси в объекте исследования;

2) обосновать необходимость введения дополнительных конструктивных элементов для интенсификации процессов тепломассодареноса

5. Исследование количественных характеристик осредненного течения металлического расплава в канале однофазной печи показало возможность использования модельных теплофизических характеристик жидкого сплава для анализа электромагнитных и гидродинамических процессов в технологических установках.

6. Результаты расчетов параметров индукционных канальных печей для получения сплавов на основе алюминия и железа позволили:

1) установить дополнительную перегородку для обеспечения более интенсивного перемешивания расплава (печь для Л); 2) проследить тенденции изменения температуры (выравнивание) в канале и объема печи при однонаправленном (транзитном) движении жидкого металла, согласуюсиеся с результатами экспериментальных исследований.

7. Учет зависимости ц(В) в области индукции, меньшей 1.5 Тл,ке I приводит к существенным изменениям результатов расчетов интегральных параметров (ток, потокосцепление) по сравнению с веля-I чинами, полученными в рамках линейного прислигения. I

8. Анализ характеристик электромагнитных двигателей показал I важность учета насыдения при оценках их тяговых усилий. I

9. Сопоставление электромагнитных и электромеханических харак-1 терастик ИЛ2 и ЭШ1 свидетельствует о том. что КЕЯ менее кркти-1 чен к величине зазора между якорем и сердечникам. В ИД боле! нагруженной является электрическая цепь, в в ЭЩ - магнитная. I

40 I

10. Разработанпне программные средства объединены в пакет-оболочку. удобную для пользователя и отвечающую современному уровню развитая программных средств.

Диссертационная работа охватывает достаточно вирокиЯ круг вопросов, связанных с проектированием указанных электротехнических устройств, т.е. характеризуется комплексностью. Используемые модельные представления включают Сязико-химические, электромагнитные, гидродинамические и тепловые особенности.

В заключении формулируется схема анализа и набор индукционных электромагнитных устройств, при оценке параметров которых следует привлекать разработанные в данном исследовании подходы.

Основные результаты диссертационной, работы изложены в следупшх публикациях:

1. Сарапулоз О.Н.. Сидоров O.D. Ыагнитогидродинамичвскпе малины с бегущим или пульсирупим магнитным полем. Методы расчета: Учебное пособие. Екатеринбург: УГГУ, 1994. 206 о.

2. Сидоров 0.0., Сарапулоз Q.H. Расчет характеристик индукционных устройств с жидксметалллческим рабочим телом// Науч. кон®, с меэцун. участием "Проблемы электротехники": Тезисы докладов. Секция 2. Электромеханика. Новосибирск: НГТУ. 1993. С.49-52.

3. Сарапулов О.Н., Сидоров О.Ю. Движение'металлического расплава в бегущем поле индуктора// Тезисы докладов научно-практ. семинара по электромеханике. Екатеринбург: УПИ, 1991. С.91-92.

4. Сарапулов Q.H.. Сидоров О.Ю. Расчет тока первичней цепа многофазной электрической машины при заданном законе изменения напряжения// Науч. конф. с мегдун. участием "Проблемы электро-гехники": Тез. докл. Секция 2. Электромеханика. Новосибирск: ЯГУ. 1993. С.41-44.

5. Влияние £азико-химических свойств металлического расплава на характер его движения в электромагнитном ноле/ Сидоров O.D.. Коршунов В.А.. Сарапулов Ф.Н. и др.// Расплавы. 1993. N 1.

С.85-87.

6. Сидоров O.D., Есин D.O., Гельд П.В. Парциальные и интегральные энтальпии образования жидких бинарных сплавов никеля с цирконием// Расплавы. 1988. Т.2. вып.З. С.9-11.

7. Сидоров O.E., Гельд П.В. Оценка термодинамических характеристик жидких двойных сплввов бора с марганцем, железом, кобальтом и никелем// Изв. АН. Металлы. 1993. N 3. С.5-12.

8. Гельд П.В., Сидоров O.D. Модельное описание термодинамических свойств жидких сплавов железа с кремнием// ДАН СССР. 1992. Т.323, N 4. С.682-686.

9. Сидоров O.D.. Сарапулов Ф.Н. Оценка избыточного объема бинарных расплавов с отрицательными отклонениями от закона Рауля// Расплавы. 1992. N 2. С.58-63.

10. Сидоров O.D. Возможность использования теоретически оцененных свойств расплавов в проектировании металлургических тех» логий// Сизино-химические основы металлургических процессов. Научные сообщения 10-й Всес. конф. М.: ЧэркетиЕформация, 1991 Ч.З. С.210-213.

11. Сидоров О Л)., Колотухин Э.В. Теоретическое описание удел^ ного электросопротивления жидких Зй-переходных металлов // Из; РАН. Металлы. 1992. N 5. С.62-64.

12. Сидоров O.S. Электросопротивление и теплопроводность металлов в жидком состоянии// Расплавы. 1993. N 2. С.81-83.

13. Сидоров O.D., Есин D.O., Гельд П.В. Парциальные и инт ральные энтальпии образования жидких бинарных сплавов Со и N

иттрием// Расплавы. 1988. Т.2, вып.5. С. 101-102.

14. Парциальные и интегральные энтальпии смевения компонентов в гидких бинарных сплавах кэрггнца с иттрием / Валяпев К.Г., Си-лоров O.S.. Колесников С.П. и др.//Расплавы. 1990. N 6. С.90-91.

15. Парциальные а интегральные энтальпии образования жидких двойных сплавов мели с иттрием и цирконием/ Сидоров O.D.. Вали-шев «.Г.. Есин D.O. и др.// Изв. АН СССР. Металлы. 1990. N 4. С.188-190.

16. Сидоров O.e., Есин D.O.. Гельд П.З. Энтальпии образования сплавов циркония с железом. кобальтом, никелем и медьп// Рас -плавы. J989. N 3. С.28-23.

17. Сидоров O.S. Оценка удельного электросопротивления, вязкости к термодинамических характеристик железемарганцевых расплавов// Изв. вузов. Черн. металлургия. 1993. N 6. С.1-4.

18. Саралулов О.Н.. Сидоров O.S. Описание электромагнитных характеристик одзоСазясй индукционной канальной печи// Изв. вузов. Электромеханика. 1993. N 3. С.52-57.

19. Сидоров O.S.. Сарапулоз O.K.. Коршунов Е.А. Злектромагвит-ные. тепловые и гидродзнамические процессы в индукционной канальной печи для получения аазгикиевых сплавов// Тез. докл. се-[минара "Нетрадиционные электромеханические преобразователи с компьютерным управлением". Севастопсл1,:СО РЛЭЯТГТ. 1992.С.42-43.

20. Смолин Г.К.. Сидоров O.D., Сарапулов O.K. Электромеханические параметры погружного нагрэзателя для жидких металлов // Гез. докл. семинара "Нетрадиционные электромеханические преоб-зазоввтели с компьютерным управлением". Севастополь: 05 РДЗНТП. 1992. С.43-44.

21. Сарапулов Ф.Н.. Сидоров O.e. Особенности описания многофазных индукционных устройств с жидкометаллическим рабочим телом// I мевд. конф. по электромеханике и электротвхкологии: Тезисы докладов. 4.II. Суздаль, 1994. С.124.

22. Особенности расчета температурного поля в жидкометалличес-ком рабочем теле индукционного устройства/ Сидоров о.Ю., Сара-пулов Ф.Н., Пирумян Н.М. и др.// Мевд. научн. конф. "Проблемы энергетики Казахстана". Алма-Ата: Голым, 1994. Секц.2. С.30-31.

23. Сарапулов Ф.Н.. Сидоров О.Ю.. Кошкин А.Н. Особенности проектирования электромагшгптх и индукционно-динамических двигателей// Межд. научн. конф. "Проблемы энергетики Казахстана". Алма-Ата: Гылым. 1994. Секц.З. С.97-98.

24. Сидоров О.Ю., Сарапулов Ф.Н. Индукционные электромеханические преобразователи энергии для обработки металлических расплавов// Мехд. научн. конф. "Проблемы энергетики Казахстана". Алма-Ата: Гылым, 1994. Секц.2. С.11-12.

Подписано в печать 15.03.95 Формат 60*84 1/16

Бумага типографская Плоская печать Усл. печ. л. 2,5'

Уч.-изд.л. 2.00 Тираж 100 Заказ 203 Бесплатно

Редакционно-издательский отдел УГТУ 620002, Екатеринбург. УГТУ, 8-й учебный корпус ротапринт УГТУ. 620002. Екатеринбург, УГТУ. 8-й уч.корпус