автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка индукционной канальной печи с управлением движением расплава в канале

На правах рукописи

АЛФЕРЕНОК АРТЕМ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ИНДУКЦИОННОМ КАНАЛЬНОЙ ПЕЧИ С УПРАВЛЕНИЕМ ДВИЖЕНИЕМ РАСПЛАВА В КАНАЛЕ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0034730ЭЬ

Москва-2009

003473095

Работа выполнена на кафедре «Физика электротехнических материалов и компонентов и Автоматизированные электротехнологические комплексы» Московского энергетического института (технического университета).

Защита диссертации состоится «26» июня 2009 года в 14 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 Московского энергетического института (технического университета) по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, корп. М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан «2|» мая 2009 г.

Ученый секретарь

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кувалдин Александр Борисович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Макаров Анатолий Николаевич кандидат технических наук, доцент Чайкина Ирина Петровна

Ведущая организация: ООО «АО ВНИИЭТО»

диссертационного совета Д 212.157.1 к. т. н., доцент

Цырук С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Индукционные канальные печи (ИКП) широко применяются в промышленности для плавки, перегрева и хранения цветных металлов и чугуна благодаря их хорошим эксплуатационным характеристикам: высоким значениям электрического и теплового КПД, коэффициента мощности, а также удобству управления процессом плавки и малому угару металла.

Для ИКП наиболее актуальными являются задачи повышения производительности и ресурса работы, которые тесно связаны с задачей снижения перегрева расплава в канале печи.

Так как основная тепловая мощность выделяется в каналах ИКП, перегрев расплава в каналах печей для перегрева чугуна по сравнению с температурой ванны может достигать 150°С при мощности 500 кВт. Значительный перегрев в каналах ИКП приводит к ускоренному износу-футеровки каналов, а также их зарастанию, из-за чего возникает необходимость частой замены индукционных единиц, что отрицательно сказывается на производительности и себестоимости продукции.

Для интенсификации тепломассопереноса между каналом и ванной печи, т. е. для снижения перегрева расплава в каналах, в каналах ИКП должно присутствовать однонаправленное течение расплава. Для этого могут быть использованы электромагнитные силы в каналах, величина которых зависит от величины тока, магнитной индукции в каналах и формы каналов по всей их длине или в устьях, т. е. местах соединения каналов с ванной печи.

Проблемой создания транзитного течения в каналах ИКП в нашей стране и за рубежом занимались Столов М. Я., Левина М. Я,, Полишук В. П., Буцениекс И. Э.., Фоченков Б. A., Tama M., Eggers A., Vives С., Walther À. и другие ученые, которые применяли, в основном, аналитические методы расчета, физическое моделирование или натурные эксперименты. Каждый из этих методов имеет свои недостатки. Аналитические методы не позволяют-* \

i

учесть сложную геометрию системы и требуют введения многих допущений, снижающих точность расчетов. Физическое моделирование трудоемко и не позволяет полностью смоделировать реальный объект. Натурные эксперименты на промышленных печах связаны с существенными материальными затратами и ограничивались измерениями температуры в каналах.

Современный уровень развития вычислительной техники и численных методов позволяет провести компьютерное моделирование процессов тепло-и массопереноса в ИКП и получить более достоверные результаты, на базе которых могут быть разработаны рекомендации по проектированию индукционных единиц с улучшенными характеристиками.

Дель диссертационной работы

Целью диссертации является разработка рекомендаций по созданию индукционной канальной печи с управлением движением расплава в канале с использованием компьютерного моделирования электромагнитных, тепловых и гидродинамических процессов в каналах индукционных единиц. Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1) проанализированы существующие способы создания транзитного течения в каналах и методы исследования электромагнитных, гидродинамических и тепловых параметров ИКП;

2) в программных пакетах /\NSYS МиШрЬувюз и ЛЫБУБ СЕХ разработаны математические модели для расчета электромагнитных, гидродинамических и тепловых параметров ИКП;

3) с использованием разработанных моделей проведены исследования электромагнитных, гидродинамических и тепловых параметров ИКП для определения формы канатов одинарных (ОИЕ) и сдвоенных (СИЕ) индукционных единиц ИКП, а также схемы питания индукторов СИЕ, обеспечивающих минимальный перегрев расплава в каналах и максимальную производительность;

4) разработаны рекомендации по созданию ИКП с транзитным течением расплава в каналах одинарных и сдвоенных индукционных единиц ИКП для плавки чугуна емкостью 16 и 40 т.

Методы исследования Для решения поставленных задач использовались программные пакеты АКБУБ МЫйрЬу^сй и АКБУБ СБХ. В первом пакете исследовались электромагнитные параметры ИКП, а во второй - тепловые и гидродинамические параметры ИКП. Математические модели разработаны с использованием теории электромагнетизма, основных законов гидродинамики и теплофизики, а также метода конечных элементов и метода конечных объемов. При их разработке учитывались известные экспериментальные данные.

Обоснованность и достоверность Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивалась путем сравнения расчетных данных с экспериментально полученными результатами, приведенными в литературе, а также корректным использованием численных методов (задание корректных граничных и начальных условий, густоты сетки дискретизации, свойств материалов, констант модели турбулентности и т. д.).

Научная новизна работы Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Разработаны компьютерные модели одинарных и сдвоенных индукционных единиц, позволяющие исследовать характеристики ИКП (максимальный перегрев расплава, скорость транзитного течения в каналах и ДР-)-

2) С помощью разработанных моделей были проведены исследования влияния формы каналов ОИЕ и СИЕ, а также схемы питания индукторов СИЕ на параметры течения расплава в каналах и перепад температуры между каналом и ванной ИКП.

3) Расчетным путем установлено, что применение специальной формы канала способствует снижению перегрева расплава в канале в 2 - 3 раза и увеличению срока службы индукционной единицы.

Основные практические результаты диссертации Разработаны рекомендации по проектированию формы каналов ОИЕ и СИЕ, а также схеме включения индукторов СИЕ (противофазное включение), обеспечивающих улучшенный тепломассоперенос между каналом и ванной в печах ИЧКМ-16 и ИЧКМ-40 для плавки чугуна. В частности, было установлено, что при выполнении канала ОИЕ, имеющего прямоугольное поперечное сечение, изогнутым вдоль своей оси на 90° на концентричном индуктору участке ниже горизонтальной плоскости симметрии индуктора или имеющим разную конфигурацию левого и правого устьев перепад температуры в канале снижается в 2 - 3 раза.

В ходе исследований СИЕ было установлено, что синфазное питание индукторов СИЕ приводит к снижению cos ср на 10 - 15 %, поэтому для создания транзитного течения в каналах СИЕ целесообразно применять противофазное включение индукторов совместно со специальной формой устьев каналов. При этом максимальный перегрев расплава в каналах снижается в 2 - 3 раза по сравнению с аналогичными показателями СИЕ с симметричной формой устьев каналов.

Апробация работы Основные результаты работы обсуждались на научном семинаре стипендиатов российско-германской программы «Михаил Ломоносов» (Москва, апрель, 2008 г.), на семинаре «Техника электротехнологических процессов» (Ильменау, август, 2008 г.), на XV Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, февраль, 2009 г.) и на заседании кафедры «Физика электротехнических материалов и компонентов и Автоматизированные электротехнологические комплексы» (Москва, май, 2009 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 2 публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений; количество страниц 148, иллюстраций 92, число наименований использованной литературы 58 на 5 страницах, приложений 4 на 10 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы.

В первой главе проведен обзор работ в данной области, анализ существующих способов создания транзитного течения в ИКП, а также методов исследования электромагнитных, тепловых и гидродинамических параметров ИКП. Рассмотрены основные конструктивные особенности, энергетические показатели, области применения и методы расчета ИКП, а также факторы, влияющие на процесс плавки. Показано, что наиболее эффективным способом создания транзитного течения в каналах ИКП является изменение формы каналов на всей их длине или в местах их соединения с ванной печи (устьях). По итогам обзора сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе были разработаны математические модели для расчета параметров трехмерного электромагнитного поля в ИКП. При расчете электромагнитного поля в ИКП исследуемая область делится на четыре подобласти (рис. 1).

Рис. 1. Область модели ИКП в программе ANSYS Multiphysics (I - индуктор; 2 - расплав; 3 - магнитопровод; 4 - воздух). Уравнения, описывающие гармоническое электромагнитное поле в каждой подобласти, выводятся из системы уравнений (1) - (3) с использованием соотношений (4) - (7):

rot H = J, (1)

rot Е = -дЛ. (2)

dt

divB = 0; (3)

H = vB; (4)

J = aE; (5)

В = rot A; (6)

dA AT, ------grad К.

dt

(7)

Уравнения, описывающие электромагнитное поле в подобласти расплава:

ЗА

rot v rot А - grad v div A + a —+- a grad V = 0;

51

divi- с — - cr grad F^ = 0, I dt .

(8) (9)

в подобластях магнитопровода и воздуха:

rot v rot А - grad v div A = Js. (10)

Здесь H - вектор напряженности магнитного поля, J и Js - векторы плотности электрического тока в расплаве и в индукторе, Е - вектор напряженности электрического поля, В - вектор магнитной индукции, t -время, v - удельное магнитное сопротивление, о - удельная электрическая проводимость, А - магнитный векторный потенциал, V - электрический скалярный потенциал.

На границах расчетной области задавались граничные условия:

Л = 0. (13)

Система уравнений (8) - (11) решалась методом конечных элементов в программе ANSYS Multiphysics.

В ходе электромагнитного расчета определялись градиент давления SM и плотность мощности тепловыделения Se в расплаве, которые затем использовались в качестве исходных данных в гидродинамическом и тепловом расчетах:

Sm=[JxB\, (12)

SE=~. (13)

о

Модель СИЕ отличается от модели ОИЕ геометрией и мощностью. Алгоритм решения электромагнитной задачи в случае СИЕ и ОИЕ аналогичен.

В третьей главе были разработаны математические модели для расчета гидродинамических и тепловых параметров ИКП. При этом расчетная область включает в себя только подобласть расплава (рис. 1).

Алгоритм гидродинамического и теплового расчетов основан на решении системы уравнений (14) - (18) в программе ANSYS CFX методом конечных объемов:

— + V-(p U) = 0; (14)

ct

д(рЩ дг

= -Ур'+У • ЧЩ7 4 + р„Р{Т - Тге/

д(рсТ) и

-+ V • {р V с Т) = V • (ЛУГ + Ус Л + 5 •

ОТ

д(ре) 3/

+ У-(/?Е/£) = У-

Че

+ Рк ~ре\

+ ЦСе!Рк - СгЛре). к

(16)

(17)

(18)

Здесь рге{ - начальная платность расплава, V - скорость, ¡х -динамическая вязкость расплава, ц =Ср— - турбулентная вязкость

е

расплава, + ~ эффективная вязкость расплава, 2 - теплопроводность

расплава, /? - коэффициент линейного теплового расширения расплава, Тге/ -начальная температура расплава, р!Ш - давление окружающей среды,

Р = Р,ш + - модифицированное давление, к - турбулентная

кинетическая энергия, е - диссипация турбулентной кинетической энергии, С,, = 0,09, СЕ} = 1.44, Се2 = 1-92, ак = 1, ае = 1.3 - константы к-Е модели

турбулентности,

удельная

теплоемкость

расплава,

Рк = ,иу V ■ (УС/ + Уит) - выработка турбулентности, Рг, = 0.9 - турбулентное число Прандтля.

В качестве граничных условий на стенках канала и ванны задавались нулевая скорость и адиабатный теплообмен с окружающей средой:

1/=0; (19)

q = 0. (20)

Так как шаг дискретизации в подобласти расплава при электромагнитном расчете отличается от шага дискретизации в подобласти расплава при гидродинамическом расчете, при инициализации и Бц в программе /\NSYS СРХ применялась автоматическая интерполяция данных.

В четвертой главе приводятся основные результаты исследований тепломассопереноса в одинарных индукционных единицах (ОИЕ). Для проверки адекватности компьютерных моделей была смоделирована физическая модель ОИЕ со сплавом Вуда. Результаты компьютерного моделирования сравнивались с экспериментально полученными на физической модели результатами, приведенными в литературе (Eggers А. Dissertation. Hannover, 1993, 152 S.).

На рис. 2 показана конечно-элементная модель ОИЕ со сплавом Вуда в программе ANSYS Multiphysics и ее основные геометрические размеры в метрах. С использованием данной модели были получены зависимости активной мощности Р2 и максимальных значений плотности тока J2max, магнитной индукции В2тах, градиента давления Vр2тах, локальной усредненной скорости течения расплава U2max и перепада температуры в расплаве А Ттох, а также скорости транзитного течения в канале t/0 от магнитодвижущей силы индуктора I!al-w. Диапазон изменения величин был следующим: 1,т-w=30-50 кА; Р2=55-155 кВт; J2mux= 3.8-6.2 А/мм2; В2тах= 0.140.23 Т; Vpw=(3-8)-I05 н/м3; U2max=0.5-0.85 м/с; Är,IiH=46.4-90.5 °С. Расчетная скорость транзитного течения в канале £/0 с увеличением магнитодвижущей силы индуктора изменялась в диапазоне 2.9-3.4 см/с.

а б

Рис. 2. Модель ОИЕ со сплавом Вуда в программе ANSYS Multiphysics (7 - индуктор; 2 - расплав; 3 - магяитопровод).

На рис. 3 показано рассчитанное с помощью разработанных компьютерных моделей векторное поле усредненной скорости расплава в продольном сечении канала и ванны при Р2 = 60 кВт. Максимальная скорость усредненного течения расплава имеет место в устьях канала и направлена радиально от оси индуктора. В поперечном сечении канала действуют два вихря, вращающиеся в разном направлении. Картина течения расплава в канале определяется распределением градиента давления, который в свою очередь зависит от распределения электромагнитных сил в расплаве.

Полученные расчетным путем результаты (направление и величина локальных скоростей усредненного течения расплава) сравнивались с экспериментально полученными данными из литературы. Разница не превышала 20 %, что допустимо учитывая сложность исследуемых процессов.

Velocity

(Vector 1)

■ 5.343С-001 • si. <ivi ■>'. ,'V ' , • ' ¡■'//„'■•л

. - ... ,■ . ., .. л ., , . ,. .. .. '.¡/у- '

шш.

ft- 2.671в*001

] I

0. ОООе+ОСО [in s'*-1J

ж /as

Y

Рис. 3. Векторное поле усредненной скорости расплава в продольном сечении канала и ванны. С использованием разработанных компьютерных моделей были проведены исследования влияния формы канала ОИЕ промышленной печи ИЧКМ-16 на тепломассоперенос между каналом и ванной печи. На рис. 4 показана конечно-элементная модель ОИЕ печи ИЧКМ-16 в программе

АМБУБ МиШрЬуякв (без воздушной области) и ее основные геометрические размеры в метрах. Активная мощность ОИЕ составляла 500 кВт.

о.яй

Рис. 4. Конечно-элементная модель ОИЕ печи ИЧКМ-16 в программе ANSYS Multiphysics (/ - индуктор; 2 - расплав; 5 - магнитопровод). Исследовались шесть вариантов конструктивного исполнения какала (рис. 5). В табл. 1 приведены основные результаты моделирования. Наибольший перепад температуры между каналом и ванной был получен в ОИЕ с симметричной формой устьев канала (рис. 5.а и рис. 5,е) и составил соответственно около 130 и 150 °С.

а б в где

Рис. 5. Варианты конструктивного исполнения канала ОИЕ печи ИЧКМ-16.

Таблица 1. Результаты численного моделирования ОИЕ печи ИЧКМ-16.

Направление

№ Форма ATjnax, Uo, транзитного COS ф, ПэЛ?

модели канала °с м/с течения в % %

канале

1 Рис. 6,а 130 0.04 (J 82.4 99.5

2 Рис. 6,6 60 0.12 О 82.0 99.5

3 Рис. 6,в 44 0.16 а 82.5 99.5

4 Рис. 6,г 75 0.08 (U 82.1 99.5

5 Рис. 6,д 49 0.17 о 81.9 99.5

6 Рис. 6,е 150 0.04 а 81.5 99.5

Наименьший перепад температуры между каналом и ванной был получен в ОИЕ с несимметричной формой устьев канала (рис. 5,в и рис.5,д) и составил соответственно 44 и 49 °С. Скорость транзитного течения вдоль канала при этом равнялась соответственно 16 и 17 см/с. Таким образом, для практической реализации на действующих и новых печах серии ИЧКМ-16 можно рекомендовать такое конструктивное исполнение канала.

В пятой главе приводятся основные результаты исследований тепломассоперсноса в СИЕ. Для проверки адекватности компьютерных моделей сначала была смоделирована физическая модель СИЕ со ртутью. Результаты компьютерного моделирования сравнивались с экспериментально полученными на физической модели результатами из литературы (Vives С., Ricou R. Metallurgical transactions В, 1991, vol. 22В, p. 193 - 209). На рис. 6 показана конечно-элементная модель СИЕ в программе ANSYS Multiphysics (область воздуха не показана) и ее основные геометрические размеры.

а б

Рис. 6. Модель Суш со ртутью а профамме АКЗУЗ Ми1ирпу«11;»

(1 - индуктор; 2 - расплав; 3 — магнитопровод).

Мощность СИЕ составляла 2.55 кВт. При проведении физических экспериментов стенки канала и ванны охлаждались водой, чтобы поддерживать ртуть при постоянной температуре 25 СС. При численном моделировании температура стенок канала и ванны также была задана равной 25 °С. На рис. 7 показано векторное тюле усредненной скорости течения в продольном сечении расплава, полученное расчетным путем на компьютерной модели.

- 0 .000е+000

[п 1]

Рис. 7. Векторное поле средней скорости течения в продольной плоскости

расплава.

Направление и величина локальных усредненных скоростей близки к полученным экспериментально на физической модели ИКП. Максимальные значения скорости локализованы в местах соединения каналов с ванной и с нижним горизонтальным каналом. Расчетное и экспериментально измеренное максимальное значение усредненной скорости расплава составило около 0.1 м/с. Расчетная и измеренная скорость транзитного течения вдоль каналов составила порядка 0.5 см/с, причем расплав двигался из ванны в центральный канал, а из боковых каналов обратно в ванну. Таким образом, интенсивность течения в ванне и, особенно, в устьях каналов в несколько раз выше, чем в самих каналах. Низкая скорость транзитного течения в каналах является причиной недостаточного теплообмена между каналами и ванной ИКП.

Поле усредненной скорости в поперечном сечении каналов имеет сложную структуру, которая в значительной степени определяется полем градиента электромагнитного давления. Максимальное значение усредненной скорости в поперечном сечении каналов не превышало 0.05 м/с, что в несколько раз меньше усредненной скорости в устьях каналов. Таким образом, расчеты на компьютерной модели и измерения на физической модели ИКП дают достаточно близкие результаты.

С использованием разработанной компьютерной модели СИЕ были проведены исследования влияния формы каналов СИЕ печи ИЧКМ-40 на тепломассоперенос между каналами и ванной. На рис. 8 показана конечно-элементная модель СИЕ печи ИЧКМ-40 в программе А^УБ МиШрЬузюБ (без воздушной области) и ее основные геометрические размеры. Активная мощность СИЕ составляла 1200 кВт. Исследовались девять конструктивных вариантов каналов СИЕ (рис. 9) и два варианта подключения индукторов к питающей сети (противофазное и синфазное). В табл. 2 приведены основные результаты моделирования. Низкий перепад температуры и высокая скорость транзитного течения расплава в канате были получены на моде.лях СИЕ № 3, 4, 6, 8, И, 12 и 16.

Ж у и

Рис. 9. Варианты конструктивного исполнения канала СР1Е печи ИЧКМ-40.

Принимая во внимание значения коэффициента мощности и электрического КПД для каждой модели СИЕ, наиболее оптимальными вариантами исполнения СИЕ являются СИЕ № 3 и 11, т. е. с формой каналов, изображенной на рис. 9,6 и 9,е и с противофазным включением индукторов. Эти два варианта СИЕ можно рекомендовать для практического использования на действующих и новых печах серии ИЧКМ-40.

а б

Рис. 8. Конечно-элементная модель СИЕ печи ИЧКМ-40 з программе А^УЭ МиШрЬуэюБ (7 - индуктор; 2 - расплав; 3 - магнитопровод).

N

Таблица 2. Результаты численного моделирования СИЕ печи ИЧКМ-40.

№ модели Форма каналов Фф. эл. град. ЛТ ^1 шах, °с и0, м/с Направление транзитного течения в каналах С03 Ф, % Пэл, %

1 Рис. 10,а 180 72 0.11 оо 79.6 99.3

2 Рис. 10,а 0 52 0.1 О (5 70.7 98.9

3 Рис. 10,6 180 33 0.23 ОС> 79.3 99.2

4 Рис. 10,6 0 27 0.24 Г) гт 72.1 98.9

5 Рис. 10,в 180 83 0.07 о а 79.2 99.3

6 Рис. 10,в 0 29 0.32 о а 72.5 99.0

7 Рис. 10,г 180 82 0.05 оа 81.2 99.3

8 Рис. 10,г 0 31 0.34 ею 78.5 99.1

9 Рис. 10,д 180 97 0.1 ао 81.5 99.3

10 Рис. 10,д 0 70/20 0.1/0.5 оо 78.8 99.1

11 Рис. 10,е 180 28 0.29 а о 77.9 99.2

12 Рис. 10,е 0 17 1.1 ао 73.4 99.0

13 Рис. 10,ж 180 93 0.07 а о 78.9 99.2

14 Рис. 10,з 180 67 0.05 о а 76.9 99.2

15 Рис. 10,и 180 62 0.07 оа 78.8 99.2

16 Рис. 10,и 0 21 0.6 а о 75.9 99.0

В заключении описываются основные результаты работы. В приложении приведен текст программ для расчета параметров трехмерного электромагнитного поля в ОИЕ и СИЕ ИКП, а также для создания конечно-элементной области расплава в программе МиШрЬувКБ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основании проведенного анализа литературы показано, что наиболее эффективным способом интенсификации теплообмена между каналами и ванной ИКП является оптимизация формы каналов ОИЕ и СИЕ, а также схемы питания индукторов СИЕ.

2. С использованием программных пакетов ANSYS Multiphysics и ANSYS CFX разработаны компьютерные модели для исследования электромагнитных процессов и тепломассопереноса в ИКП, адекватность которых подтверждена путем сравнения результатов расчетов с экспериментально полученными результатами на физических моделях.

3. С использованием разработанных компьютерных моделей проведены исследования влияния формы каналов ОИЕ (6 вариантов) и СИЕ (9 вариантов), а также схемы питания индукторов СИЕ (2 варианта) на тепломассоперенос в ИКП.

4. Установлено, что при выполнении канала ОИЕ, имеющего прямоугольное поперечное сечение, изогнутым вдоль своей оси на 90° на концентричном индуктору участке ниже горизонтальной плоскости симметрии индуктора или имеющим разную конфигурацию левого и правого устья, перепад температуры в канале снижается в 2 - 3 раза, а скорость транзитного течения в канале увеличивается примерно в 4 раза по сравнению с аналогичными показателями ОИЕ с симметричной формой устьев.

5. Установлено, что синфазное питание индукторов СИЕ приводит к снижению cos ср на 10 - 15 %, поэтому целесообразно применять противофазное включение индукторов С'ИЕ совместно с оптимизацией формы устьев канатов. Установлено, что это позволяет снизить максимальный перегрев расплава в каналах в 2 - 3 раза по сравнению с аналогичными показателями СИЕ с симметричной формой устьев канатов.

6. На основании проведенных исследований разработаны рекомендации по конструктивному исполнению каналов ОИЕ и СИЕ, а также по схеме питания индукторов СИЕ печей ИЧКМ-16 и ИЧКМ-40 для плавки чугуна.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Алференок А. А. Исследование процессов тепло- и массопереноса в индукционной канальной печи с использованием численного моделирования. // Вестник МЭИ, 2009. № 2. - С. 48 - 54.

2. Алференок А. А., Кувалдин А. Б. Численное моделирование тепломассопереноса в канале индукционной печи для плавки чугуна. // Электрометаллургия, 2009. № 4. - С. 22 - 29.

Соискателем разработаны компьютерные модели и с их помощью проведены исследования влияния формы каналов и схемы включения индукторов СИЕ на тепло- и массоперенос в ИКП для плавки чугуна.

3. Alferenok A. Numerische Simulation des Wärme- und Stoffaustausches in Induktions-Rinnenöfen. // Workshop Elektroprozesstechnik. Ilmenau, 2008. Алференок А. Численное моделирование тепло- и массопереноса в индукционных канальных печах. // Семинар «Техника электротехнологических процессов». Ильменау, 2008.

4. Klein R., Potherat A., Alferenok A. Experiment on a confined electrically driven vortex pair. // Phys. Rev. E, vol. 79, p. 016304,2009.

Кляйн P., Потера А., Алференок А. Эксперимент над закрытой возбуждаемой электрически парой вихрей. // Физ. обозр. Е, т. 79, с. 016304,2009. Соискателем проводились эксперименты по изучению движения жидкого расплава GalnSn в закрытой камере при наложении внешнего постоянного магнитного поля и пропускании через расплав постоянного тока.

5. Алференок А. А. Исследование влияния формы канала на тепло- и массоперенос в индукционной канальной печи с использованием численного моделирования. // Пятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. - М.: Моск. энерг. ин-т, 2009. 'Г. 2. - С. 147 - 148.

Птис&нс Ьт^ать fà.

Тираж

Заказ (j£)

Основные обозначения.

Введение.

1. История развития, основные особенности и задачи, решаемые при проектировании ИКП.В

1.1. Принцип действия, конструкция и физические процессы, происходящие в ИКП.

1.2. Развитие и современное состояние теоретических и экспериментальных знаний об ИКП.

1.3. Постановка задач и целей работы.

2. Описание модели для расчета электромагнитных параметров ИКП.

2.1. Уравнения, описывающие электромагнитное поле в ИКП.

2.2. Принцип метода конечных элементов.

2.3. Составление аппроксимирующих выражений.

2.4. Интегральная форма системы дифференциальных уравнений.

2.5. Построение системы алгебраических уравнений.

2.6. Алгоритм расчета системы линейных алгебраических уравнений.

2.7. Граничные условия.

2.8. Расчет интегральных параметров ИКП.

2.9. Выводы по главе.

3. Описание модели для расчета гидродинамических и тепловых параметров ИКП.

3.1. Уравнения движения и теплопереноса жидкости.

3.1.1. Закон сохранения массы.

3.1.2. Сохранение свойств частиц жидкости.

3.1.3. Уравнение переноса импульса.

3.1.4. Уравнение переноса энергии.

3.2. Уравнения Навье-Стокса для ньютоновской жидкости.

3.3. Дифференциальная и интегральная форма уравнений переноса.

3.4. Турбулентность и ее моделирование.

3.5. Усредненные по времени уравнения Навье-Стокса.

3.6. Модели турбулентности.

3.7. k-е модель турбулентности.

3.8. Выводы по главе.

4. Исследование тепломассопереноса в ОИЕ.

4.1. Постановка задач.

4.2. Проверка адекватности компьютерной модели ОИЕ.

4.3. Исследование влияния формы канала на тепломассоперенос в ОИЕ печи ИЧКМ-16.

4.4. Выводы по главе.

5. Исследование тепломассопереноса в СИЕ.

5.1. Постановка задач.

5.2. Проверка адекватности компьютерной модели СИЕ.

5.3. Исследование влияния формы каналов и схемы питания индукторов на тепломассоперенос в СИЕ печи ИЧКМ-40.

5.4. Выводы по главе.

Согласно принятой Правительством РФ 29 мая 2007 года «Стратегии развития металлургической промышленности России до 2015 года» в 2006 году в России было произведено 991 млрд: кВт-ч электроэнергии. Промышленное потребление электроэнергии составило 353 млрд. кВт-ч, потребление электроэнергии: металлургией - 113 млрд. кВт-ч или 32 % от общепромышленного электропотребления; Примерно половина этой энергии была израсходована на создание технологического тепла; в котором» плавка и хранение расплава в индукционных печах имеют значительную долю.

Преимущества использования электроэнергии для, плавки и. хранения тепла, в металлах заключаются; во-первых, в; точном? дозировании подводимой энергии, а* во-вторых,, в принципе электромагнитной- индукции, когда-тепло выделяется непосредственно внутри? нагреваемого изделиям При? этом исключается нежелательный локальный перегрев расплава, приводящий к большим потерям металла-вследствие угара: Поэтому образование золы в индукционных печах происходит; в гораздо меньшей степени, чем в печах, работающих на горючем топливе; Если; принять во внимание угар, шум? и тепловую нагрузку на персонал, которые имеют место при сжигании твердого топлива, то преимущества индукционных печей с экологической точки зрения очевидны:

Другое достоинство индукционной плавки заключается в том; что электрический ток вызывает в расплаве не только джоулево тепло, но и электромагнитные силы. Благодаря этим силам в расплаве возникают интенсивные течения, способствующие выравниванию химического состава и температуры, в расплаве. Однако, интенсивное течение расплава в индукционных печах может приводить к сильному износу огнеупорного слоя футеровки печи.

Сравнение КПД? работающих на твердом топливе и индукционных печей трудно провести из-за различного принципа действия. Приблизительно можно считать, что КПД этих двух типов печей одинаков. Производственноэкономическое сравнение работающих на твердом топливе и индукционных печей является сложной задачей, т. к. должны приниматься во внимание специфические вопросы работы и обслуживания печей. Например, при выборе печи на твердом топливе должны учитываться региональные цены на твердое топливо. Возможность семидневной рабочей недели при круглосуточной работе печи делает предпочтительным выбор индукционной печи, т. к. в этом случае можно производить плавку в ночные часы, когда действует льготный тариф на электроэнергию, а в дневное время осуществлять разливку и хранение расплава, расходуя значительно меньше электроэнергии. Такое производство имеет смысл, если требуется ежедневно плавить большое количество металла.

В последнее время в литейном производстве все чаще отдается предпочтение индукционным печам. Это связано, прежде всего, с возросшим вниманием к экологии, а таюке с производственно-экономическими причинами.

В сравнении с индукционной тигельной печью (ИТП) индукционная канальная печь (ИКП) имеет более высокие электрический КПД и коэффициент мощности. Особенности конструкции обеспечивают лучшую теплоизоляцию индукционной канальной печи, поэтому этот тип печей уже давно применяется в качестве агрегата для перегрева и выдержки металла в расплавленном состоянии. В качестве плавильного агрегата индукционная канальная печь применяется значительно реже, т. к. ее удельная мощность ограничена. Несмотря на более высокое тепловое сопротивление стенок ванны ИКП, для расплавления металла в ней требуется больше времени, поэтому тепловой КПД у ИКП меньше, чем у ИТП. Повышение удельной мощности ИКП позволило бы расширить области их применения и использовать эти печи в качестве плавильного агрегата.

5.4. Выводы по главе.

На основании проведенных в данной главе исследований можно сделать следующие выводы:

1) Разработанные компьютерные модели для расчета электромагнитных, гидродинамических и тепловых параметров СИЕ прошли проверку адекватности путем сравнения полученных с их помощью результатов с экспериментальными данными, полученными на физической модели СИЕ со ртутью, описанной в литературе. Направление и величина скорости транзитного течения в каналах совпадают, а значения максимальной локальной скорости течения расплава отличаются менее, чем на 10 %.

2) В поперечном сечении* боковых каналов течение расплава имеет структуру,, состоящую из двух вращающихся в противоположном направлении вихрей, и напоминает течение в поперечном- сечении канала ОИЕ. В поперечном, сечении центрального канала расчетное поле усредненных скоростей не имеет ярко выраженной картины. Экспериментальные данные, напротив, говорят о существовании) одного вихря охватывающего все поперечное сечение центрального канала.

3) При синфазном подключении обмоток индукторов СИЕ печи ИЧКМ-40 коэффициент мощности снижается на 10 - 15 % по сравнению с противофазным включением индукторов, что требует дополнительных затрат на его компенсацию.

4) Для практического применения можно рекомендовать форму каналов СИЕ на рис. 5.48,6 или 5.48,е при противофазном включении обмоток индукторов, т. к. в этом случае обеспечивается достаточно низкий перепад температуры (около 30°С) между каналами и ванной печи, высокая скорость транзитного течения расплава вдоль каналов (около 0.3 м/с) и повышенный ресурс работы единицы^

Заключение

1. Проанализированы существующие в настоящее время способы интенсификации тепломассопереноса в ИКП, а таюке методы исследования электромагнитных, гидродинамических и тепловых параметров ИКП.

2. С использованием> программ- ANSYS Multiphysics и ANSYS CFX разработаны компьютерные модели для' расчета электромагнитных, гидродинамических и тепловых параметров ОИЕ и СИЕ ИКП, адекватность которых проверялась путем сравнения расчетных результатов с экспериментальными данными из литературы.

3. Анализ литературы и результаты собственных исследований позволили установить, что на тепломассоперенос в ИКП1 при заданной мощности ИЕ наибольшее влияние оказывают форма каналов ОИЕ и СИЕ, а также схема питания индукторов СИЕ.

4. С помощью разработанных моделей» исследовано влияние формы каналов' j

ОИЕ и СИЕ, а также схемы питания индукторов СИЕ на тепломассоперенос в печах ИЧКМ-16 и ИЧКМ-40 для перегрева и выдержки чугуна, t 1

5. На основании проведенных исследований выработаны практические рекомендации по проектированию формы каналов ОИЕ печи ИЧКМ-16 и СИЕ печи ИЧКМ-40, а также схемы питания индукторов СИЕ печи ИЧКМ-40, обеспечивающие снижение перегрева расплава в канале в 2 - 3 раза по сравнению с ИЕ со стандартной формой каналов.

6. Для создания транзитного течения вдоль канала ОИЕ следует применять специальную геометрическую форму канала (рис. 4.18,в и 4.29,6).

7. Синфазное питание обмоток индуктора приводит к снижению коэффициента мощности ИЕ на 10 - 15 %, поэтому для создания транзитного i течения вдоль каналов целесообразно применять противофазное питание t*

1. Столов М. Я., Арефьев А. В., Левина М. Я. Индукционные канальные печи для плавки и обработки черных и цветных металлов // Электротехн. пром-ть. Сер. 12. Электротермия: Обзор, информ. 1990. Вып. 13. с. 1-36.

2. Walther A. Computersimulation der Schmelzenstromung in Induktions-Rinnenofen. Dissertation. Hannover. 1992. 125 S.

3. Фарбман С. А., Колобнев И. Ф. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов. Изд-во «Металлургия», 1968, 5-е изд., дополненное и переработанное. 496 с.

4. Тир Л. Л., Столов М. Я. Электромагнитные устройства для управления циркуляцией металла в электропечах. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1991.-280 с.

5. Вайнберг А. М. Индукционные плавильные печи. Учебное пособие для вузов. Изд. 2-е, переработ, и доп. М., «Энергия», 1967. 416 с.

6. Левина М. Я. Исследование и разработка сдвоенных индукционных единиц высокой мощности с транзитным течением металла для индукционных канальных печей. Диссертация. Москва, 1981. 128 с.

7. Patent 3363044 (USA). Channel type induction furnace. Beckius I., Fredriksson В., 1968.

8. Patent 1281377 (UK). An induction furnace. Granstrom S., Goransson I., 1969.

9. Полищук В. П., Цин М. Р., Дубоделов В. И., Трефняк В. А. Индукционная канальная печь с электромагнитной разливкой металла. Литейное производство, 1970, № 11, с. 13 - 14.

10. Полищук В. П., Юдкин С. А. Электромагнитная заливка и обработка алюминиевых сплавов в установке МДН-6. Магнитная гидродинамика, 1973, № 3. Краткие сообщения.

11. Полищук В. П. Промышленное использование магнитодинамических устройств. Магнитная гидродинамика, 1975, № 1, с. 118 - 128.

12. Гельфгат Ю. М. Металлургические применения магнитной гидродинамики. Магнитная гидродинамика, 1987, № 3, с. 120 - 137.

13. Patent 3092682 (USA). Submerged resistor type furnaces and methods and processes therefore. TamaM., Shearman W. E., 1963.

14. Patent 3595979 (USA). Induction furnaces. Shearman W. E., 1972.

15. Patent DE 2608310 C2 (BRD). Kanalschmelzofen fur Metalle und Legierungen. Delassus J., 1983.

16. Fricke R. Zur Beurteilung von Stromungen in der Schmelze von Induktions-Rinnenofen. Dissertation. Hannover. 1990. 114 S.

17. Буцениекс И. Э., Левина М. Я., Столов М. Я., Шарамкин В. И., Щербинин -Э. В. О движении металла в индукционных канальных печах под действием электромагнитных сил. — Магнитная гидродинамика, 1977, № 4, с. 103 — 106.

18. Столов М. Я. Повышение технико-экономических параметров индукционных плавильных печей на базе исследования МГД-процессов. -Магнитная гидродинамика, 1983, № 2, с. 103 — 110.

19. Левина М. Я., Альбицкий В. А. Новые индукционные канальные печи для литейного производства. Литейное производство, 1984; № 5, с. 31 - 321

20. Губченко А. П., Кузовлев И. В., Столов-М. Я., Тир Л. Л:, Фомин' Н. И. Новые направления развития индукционных плавильных печей в СССР. -Литейное производство, 1989, № 4, с. 19-21.

21. Буцениекс И. Э., Левина М. Я., Столов М. Я., Щербинин Э. В. Исследование движения металла в индукционных канальных печах. -Магнитная гидродинамика, 1980, № 3, с. 123 130.

22. Левина М. Я. Исследование движения металла в индукционной канальной печи с двухфазным питанием. Магнитная гидродинамика, 1986, № 4, с. 84 -89.

23. Левина М. Я., Столов М. Я., Алешин А. С. Движение металла в сдвоенной индукционной единице. Исследование и разработка индукционных плавильных печей, М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 65 - 69.

24. Patent DE 2814564 С2 (BRD). Induktionsrinnenofen. Buzenieks I., Levina M. J., Prostjakov A. A. u. a., 1982.

25. Mestel A. J. On the flow in a channel induction furnace. J. Fluid Mech., 1984, vol. 147, p. 431 -447.

26. Дрэвек P., Якович А., Мюльбауер А., Накэ Б. Экспериментальное и численное исследования течения расплава в индукционных канальных печах. Магнитная гидродинамика, 1996, т. 32, № 4, с. 433 - 442.

27. Langejiirgen М., Nacke В., Baake Е. u. a. Simulation des Warme- und Stofftransports in Induktions-Rinnenofen mittels Large Eddy Simulation. -Workshop Elektroprozesstechnik. Ilmenau, 2007.

28. Kirpo M., Jakovics A., Nacke В. u. a. LES of heat and mass exchange in channel induction furnaces. The XVI International Congress on Electricity applications in modern world. Krakow, 2008.

29. Тамм И. E. Основы теории электричества: Учеб. пособие для вузов. — 11-е изд., испр. и доп. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 616 с.

30. On the use of the magnetic vector, potential in the finite element analysis of three-dimensional eddy currents. IEEE Transactions on Magnetics, July 1989; vol. 25, №4, p. 3145-3159.

31. Бронштейн И. H., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. 13-е изд., исправленное. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 544 с.

32. ANSYS Multiphysics 11.0 Theory reference.

33. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учебное пособие в 10 т. Т. VI. Гидродинамика. 4-е изд., стер. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988.-736 с.

34. Versteeg Н. К., Malalasekera W. An introduction to computational fluidvdynamics. The finite volume method. Longman Group Ltd 1995. 257 p.

35. ANSYS CFX 11.0 Theory reference.

36. Moros A. Magnetohydrodynamics of channel induction furnaces. Dissertation. Cambridge, 1986.-194 p.

37. Eggers A. Untersuchungen der Schmelzenstromung-und des Warmetansports im Induktions-Rinnenofen. Dissertation. Hannover, 1993. 152 S.

38. Launder В. E., Spalding D. B. Lectures in Mathematical models of turbulence. Academic Press, London, 1972. 169 p.

39. Launder В. E., Spalding D. B. The numerical computation of turbulent flows. -Computer methods in applied mechanics and engineering, 1974, vol. 3, p. 269 -289.

40. Арефьев А. В., Столов M. Я., Щербакова В. В. Интенсификация теплообмена в каналах одинарных индукционных единиц. — Исследование и разработка индукционных плавильных печей, М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 69-73.

41. А. с. 828439 (СССР). Индукционная канальная печь. Алешин А. С., Арефьев А. В., Столов М. Я., 1981.

42. А. с. 853829 (СССР). Индукционная канальная печь. Алешин А. С., Арефьев А. В., Столов М. Я., Щербакова В. В., 1981.

43. Арефьев А. В., Попов Г. Г., Столов М. Я., Фомин В. И. Индукционная канальная печь новой конструкции для плавки алюминиевых сплавов. -Литейное производство, 1987, № 2, с. 23 24.

44. Колесниченко А. Ф., Гориславец Ю. М., Бундя А. П. Создание однонаправленного движения жидкого металла в каналах индукционных плавильных печей. Магнитная гидродинамика, 1979, № 4, с. 138 - 140.

45. Простяков А. А. Индукционные печи и миксеры для плавки чугуна. М., «Энергия», 1977.-216 с.

46. Patent DE 19800347 А1 (BRD). Nut-Induktionsofen. Tomita Y., Nishida Т., Tanaka К. u. a., 1999.

47. A. c. 760492 (СССР). Двухфазная индукционная канальная печь. Фоченков Б. А., Климов В. М., Крашенинников Ю. М. и др., 1980.

48. Фоченков Б. А., Климов В. М., Руднев В. Н., Бокова JI. А. Исследование температуры жидкого металла в канальной части индукционной плавильной печи. Цветные металлы, 1979, № 7, с. 85 - 87.

49. Фоченков Б. А. Оснащение канальных печей индукционными единицами с однонаправленным движением расплава. Цветные металлы, 1980, № 7, с. 104- 108.

50. Фоченков Б. А., Климов В. М., Руднев В. Н. Влияние геометрической формы каналов на однонаправленное движение металла в индукционной канальной печи. Цветные металлы, 1981, № 12, с. 85 - 87.

51. Фоченков Б. А. Освоение индукционных канальных печей для плавки тяжелых цветных металлов и сплавов. Литейное производство, 1986, № 5, с. 22-24.

52. Фоченков Б. А., Шошиашвили Д. Ш., Щукин В. В. Индукционная канальная печь для плавки латуней. Литейное производство, 1999, № 2, с. 21—22.

53. Vives С., Ricou R. Magnetohydrodynamic flows in a channel-induction furnace. Metallurgical transactions B, 1991, vol. 22B, p.193 - 209.

54. Простяков А. А. Индукционные печи для чугунолитейного производства.- Литейное производство, 1976, № 12, с: 28 30.

55. Alferenok A. Numerische Simulation des Warme- und Stoffaustausches in Induktions-Rinnenofen. Workshop Elektroprozesstechnik. Ilmenau, 2008.

56. Алференок А. А. Исследование процессов тепло- и массопереноса в индукционной канальной печи с использованием численного моделирования.- Вестник МЭИ, 2009, № 2, с. 48 54.

57. Алференок А. А., Кувалдин А. Б. Численное моделирование тепломассопереноса в канале индукционной печи для плавки чугуна. Электрометаллургия, 2009, № 4, с. 22-29.

58. Klein R., Potherat A., Alferenok A. Experiment on a confined electrically driven vortex pair. Phys. Rev. E, vol. 79, 016304 (2009).

59. Weigel W. Zur numerischen Berechnung von Wirbelstromverlusten in Konstruktionselementen von Induktionsofen. Dissertation. Ilmenau, 2000. 122 S.

60. Евтюкова И. П., Кувалдин А. Б. Индукционные плавильные и подогревные печи. Электротермия, 1964. с. 54 58.