Индукционные устройства для технологического воздействия на жидкие металлы

Россия является одной из самых богатых стран в мире по природным ресурсам и энергетическим запасам. Однако природные ресурсы являются не безграничными и их необходимо разумно и эффективно использовать при добыче и переработке. Перспективным направлением использования природных ресурсов является их глубокая наукоёмкая переработка, задействующая интеллектуальный потенциал страны. В России для этого имеются все условия: развита инфраструктура энергетики, химии, металлургии, машиностроения. Известно, что эти отрасли являются энергоёмкими. Так, при оценке перспектив развития электротехнологического оборудования следует учитывать, что доля потребления им электроэнергии составляет более 30% от общего потребления электроэнергии и продолжает увеличиваться [1]. Однако, энергетическая система Западной и Восточной Сибири, включающая гидроэлектростанции и тепловые станции, способствует развитию этих отраслей, в частности — способствует развитию лёгкого и тяжёлого машиностроения, так как только с его интенсивным подъёмом можно сделать вывод о реальном росте экономики. В то же время, для развития машиностроения необходимо, чтобы в полную силу заработала цветная и чёрная металлургия на качественно новом уровне. В современных условиях хозяйствования машиностроительный комплекс предъявляет всё более высокие требования к первичной составляющей своей продукции: заготовкам, слиткам, прокату. В связи с этим, металлургические заводы обязаны уделять особое внимание качеству выпускаемой продукции, чтобы она находила своего потребителя на внешнем и внутреннем рынках.

Основной проблемой качества заготовок и слитков, отливаемых на заводах цветной и чёрной металлургии является неоднородность химического состава, наличие примесей в заготовке, укрупнённая кристаллическая структура, присутствие осевой ликвации и микротрещин в заготовке или слитке. Проблему качества литых заготовок и слитков необходимо решать комплексно, уделяя внимание всем звеньям технологической цепочки: приготовлению сплавов (выплавке), рафинированию, транспортировке и дозированию, разливке.

Одним из основных направлений совершенствования металлургической технологии, экономии энергетических и материальных ресурсов, является более эффективное управление технологическим процессом на основе воздействия электромагнитного поля (ЭМ) и токов на вещество, что позволяет изменять его агрегатное состояние, физические и химические свойства. Последнее требует создания специальных электрических устройств, в основном, удовлетворяющим двум основным критериям: надёжности и эффективности. Поэтому электрические машины классического исполнения не всегда пригодны для выполнения технологических операций с высокотемпературным жидким металлом.

К современным основным агрегатам для выплавки и приготовления сплавов в чёрной и цветной металлургии можно отнести: индукционные канальные и тигельные печи, дуговые печи, пламенные печи, миксеры, ковшик вспомогательным — установки для рафинирования сплавов, комплексы для электромагнитного перемешивания расплавов. К основным перспективным устройствам для разливки сплавов относятся: машины непрерывного литья заготовок, установки непрерывной разливки стали, литейные машинык вспомогательному оборудованию — электромагнитные насосно-дозирующие устройства и системы электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитков. Основными показателями, характеризующими эффективность работы основного плавильного оборудования являются: расход топлива или электроэнергиипроизводительность печи, миксера, ковшакачество получаемого сплававеличина безвозвратных потерь металлавозможность применения средств механизации и автоматизации трудоёмких процессовэкономичность оборудования. Учитывая, что электротехнологическое оборудование в металлургии — дуговые сталеплавильные печи (ДСП) и дуговые сталеразливочные ковши (ДСК), печи сопротивления, индукционные печи, миксеры, и т. п. потребляет огромное количество энергии и его работа оказывает влияние на работу смежного оборудования, к качеству работы такого оборудования предъявляются особые требования [2,3]. Наиболее полно отвечают этим показателям электрические индукционные канальные печи (ИКП), имеющие стабильный режим работы [4−8]. Однако по техническим и технологическим особенностям в чёрной металлургии ИКП не приобрели широкого распространения и применяются, в основном, для выплавки чугуна. Наиболее широко известно их применение для приготовления сплавов на основе меди и алюминия. А поскольку сплавы на основе алюминия являются очень широко применяемыми, то наибольшее развитие получили индукционные канальные печи для их приготовления.

Основным узлом ИКП, где происходит преобразование электрической энергии в тепловую и механическую энергии является индукционная единица (ИЕ). По принципу действия ИЕ аналогична трансформатору, вторичной обмоткой которого является канальная часть, заполненная жидким металлом. При подключении первичной обмотки ИЕ к сети переменного напряжения, в канальной части индуцируется электрический ток, обеспечивающий выделение тепловой энергии. За счёт циркуляции металла происходит тепломассообмен между канальной частью и ванной печи.

В настоящее время существует достаточно много модификаций индукционных канальных печей для выплавки чёрных и цветных металлов. Наибольшее распространение получили ИКП для выплавки алюминиевых сплавов типа БК и ИАК: БК-16 успешно эксплуатируются на Белокалитвинском металлургическом заводе, а печи типа ИАК на ОАО «Красноярский металлургический завод», для которого была впервые разработана в ОАО «ВНИИЭТО» индукционная канальная печь ИАК-16. Основными недостатками ИКП являются зарастание каналов ИЕ окислами и шлаками, трудоёмкость и длительность ремонта. Накопленный опыт эксплуатации позволил специалистам ОАО «КраМЗ» г. Красноярска, ОАО «Сибэлектротерм» г. Новосибирска и ОАО «ВНИИЭТО» г. Москвы создать принципиально новые ИЕ, на базе которых разработаны крупнотоннажные индукционные канальные печи типа ИАК-25/2,1- ИАК-40/3,5- ИАК-100/4,5.

В разработке и создании ИКП принимали участие учёные и специалисты: М. Я. Столов, А. В. Арефьев, В. А. Альбицкий, М. Я. Левина, А. А. ПростяковОАО «ВНИИЭТО" — М. Я. Коротков, Б. И. Бондарев — ОАО «ВИЛС" — Н. А. Сорокин, Л. Ю. Нифонтова — ОАО «БКМЗ» г. Белая Калитва, М. Б. Оводенко, А. Н. Кузнецов, В. А. Золотухин, 3. 3. Юхнович, А. А. ТемеровОАО «КраМЗ», В. Н. Тимофеев — Красноярский государственный технический университет (КГТУ) г. КрасноярскаА. Ф. Колесниченко, Ю. М. ГориславецИнститут электродинамики (ИЭД) г. Киева и другие специалисты.

Одним из недостатков ИКП является зарастание каналов ИЕ шлаками и окислами. Механическая очистка влечёт за собой простои оборудования и сокращение срока службы из-за повреждения футеровки каналов. Для уменьшения зарастания каналов окислами в процессе плавки можно создать вращательное движение металла в каналах посредством электромагнитных сил [9 — 11], которые обеспечиваются наложением ЭМ поля обмотки индуктора и поля дополнительных катушек, получивших название электромагнитных вращателей (ЭМВ) [12]. Вращательное движение жидкого металла в канале ИЕ приводит к возникновению поступательного движения расплава из канальной части в ванну печи, что улучшает тепломассообмен и позволяет увеличить мощность ИКП.

Индукционная единица, снабжённая ЭМВ, преобразует потребляемую из сети электрическую энергию в тепловую и механическую энергии вращающегося расплава в каналах. Таким образом, процесс преобразования электрической энергии в ИЕ с ЭМВ аналогичен процессу в электрических машинах. Отличие состоит в том, что тепло, выделяющееся в электрических машинах и трансформаторах снижает их коэффициент полезного действия, а в ИЕ выделение тепловой энергии является основным технологическим процессом.

Исследования работы ИЕ с ЭМВ позволили обнаружить, что бесконтактное вращательное движение металла позволяет воспроизвести в каналах ИЕ процесс коагуляции, в результате которого неметаллические включения скатываются в шары и всплывают на поверхность [13 — 16]. В результате этого явления на базе ИЕ печей ИАК были разработаны устройства для внепечного магнитогидродинамического рафинирования (МГДР) алюминиевых сплавов, существенно повышающие их качество [17]. В установках МГДР вращение жидкого металла в канальной части ИЕ при помощи ЭМВ является определяющим для нормального протекания технологического процесса рафинирования, а само устройство всё больше напоминает индукционную машину с особенностями трансформатора и асинхронного двигателя. Однако, не смотря на сходство физических процессов между электрическими машинами и PIE с ЭМВ, существенные конструктивные различия между ними не позволяют в полной мере использовать классическую теорию электрических машин для описания электромагнитных процессов в ИЕ с дополнительными устройствами. Не все существующие методики электрического расчёта ИЕ [12,18 — 22] учитывают наличие ЭМВ. Кроме того, их использование даёт большие погрешности при проектировании крупнотоннажных канальных печей и ИЕ с большими поперечными сечениями каналов. Более точной методикой расчета ИЕ, в том числе и с учетом ЭМВ, является методика, разработанная под руководством В. Н. Тимофеева. Однако в ней также недостаточно точно учитывается нелинейность, анизотропность конструктивных элементов устройств и гидродинамические особенности жидкого металла, что вносит погрешности при их проектировании и создает неудобства при эксплуатации таких устройств.

В металлургии приготовление высококачественных сплавов и их технологическая доводка ведётся и в других типах печей, а также — миксерах и ковшах. В чёрной металлургии — это дуговые сталеплавильные печи и сталеразливочные ковшив цветной металлургии — пламенные печи, печи и миксеры сопротивления.

Важной задачей при получении качественных сплавов цветных и чёрных металлов является их перемешивание в печах, миксерах и ковшах. Так, электромагнитное перемешивание (ЭМП) специальных сталей в дуговых сталеплавильных печах и дуговых сталеразливочных ковшах даёт возможность [23 -26]:

— сократить продолжительность периода раскисления и десульфации;

— уменьшить содержание неметаллических включений;

— сократить время, необходимое для наведения конечного шлака;

— ускорить процесс усвоения легирующих добавок.

Исследования ЭМП сталей в ДСП и ДСК вошли в интенсивную фазу с середины 40-х годов. В России, в основном, такие работы велись в Московском институте стали и сплавов Н. В. Окороковым, И. Ю. Зерновым, Н. И. Бортничуком и др. Промышленные испытания проводились на заводе «Днепросталь» при участии А. Ф. Трегубенко, А. Я. Коваленко, А. Я. Затуловского и других.

За рубежом подобные работы велись корпорацией «ASEA BROWN BOVERY» (ABB) и, в частности, отделением крупных электрических машин в г. Вестерасе, Швеция. Из всех электромагнитных способов перемешивания сталей в ДСП и ДСК: при помощи вращающейся дуги, при помощи вращающихся электромагнитов, при помощи линейного индуктора бегущего электромагнитного поля, последний оказался наиболее эффективным и предпочтительным перед остальными.

В России разработка и изготовление индукторов для электромагнитного перемешивания сталей и сплавов была поручена ОАО «Электросила» под руководством А. Г. Чеповецкого и В. П. Чернявского, которыми была разработана серия подобных машин с водяным охлаждением обмоток типа СЭП — для перемешивания стальных сплавов в ДСП и СКЭП — для перемешивания сталей в ДСК. В НИИ ОАО «Электросила» под руководством А. Г. Чеповецкого разработана инженерная методика расчёта таких индукторов, основанная на классической теории электрических машин.

Начиная с 80-х годов ЭМП успешно применяется в цветной металлургии и, особенно, для перемешивания сплавов на основе алюминия, приготавливаемых в миксерах и печах. Электромагнитное перемешивание сплавов в цветной металлургии также имеет ряд следующих преимуществ по сравнению с обычными методами перемешивания [27, 28]:

— улучшается равномерность химсостава в объёме всей ванны миксера;

— снижается расход легирующих добавок;

— интенсифицируется тепломассообмен и ускоряется ведение плавки;

— уменьшается количество шлака и ускоряется процесс его удаления.

Путём моделирования на низкотемпературных металлах изучены вопросы стыковки и размещения индуктора бегущего электромагнитного поля с ваннами различных ёмкостей [25] и определен характер движения жидкого металла при ЭМП. Теоретические сведения о поведении жидкого металла при электромагнитном перемешивании приведены в [29,30].

На практике, для перемешивания расплавов цветных металлов (например — алюминия) используется два способа ЭМП металла в миксерах и печах, различающиеся по виду стыковки индуктора с ванной плавильно-литейного агрегата — канальный и бесканальный.

Разработанные в ИФ АН Латвии Специальным конструкторским бюро магнитной гидродинамики (СКБ МГД) под руководством Э. А. Исидорова, В. Г. Сиротченко, Г. А. Пахомова, Ф. К. Теплякова электромагнитные перемешиватели канального типа и внедрённые на заводах ОАО «БрАЗ» г. Братска, ОАО «КрАЗ», ОАО «КраМЗ» г. Красноярска, ОАО «СаАЗ» г.

Саяногорска и других заводах доказали свою эффективность [31,32]. Однако, в процессе эксплуатации этих устройств происходит зарастание каналов шлаками и окислами, а также наблюдается протекание металла через футеровку в месте установки индуктора, что приводит к выходу индукторов и миксеров из строя и к большим затратам на восстановительные работы.

В связи с этим, целесообразно для перемешивания алюминиевых сплавов в миксерах и печах использовать бесканальный способ, который успешно реализуется в чёрной металлургии. По этому пути пошли разработчики корпорации ABB, которые устанавливают индукторы бегущего электромагнитного поля со стороны подины миксера или печи. Однако, такие технические решения не учитывают конструктивные особенности плавильнолитейного оборудования России, стран СНГ и Восточной Европы. Это приводит к неоправданным потерям мощности из-за больших расстояний между индуктором и жидким металлом, требует наличия дорогостоящего вспомогательного оборудования.

В КГТУ под руководством В. Н. Тимофеева созданы новые способы и разработаны электротехнические комплексы для бесканального электромагнитного перемешивания алюминиевых сплавов в миксерах и печах с возможностью установки индуктора с боковой стороны плавильного агрегата. Это позволяет активно использовать электромагнитные поля краевых эффектов индуктора для управления движением расплава и конфигурацию миксера или печи — для создания траектории жидкого металла. Такие комплексы успешно эксплуатируются в течение более 5 лет на ОАО «КраМЗ», ОАО «КрАЗ», ОАО «СаАЗ».

Разливка и транспортировка жидкого металла являются непременными звеньями технологических процессов в металлургическом и литейном производствах. В то же время эти операции трудно поддаются механизации и автоматизации. Усовершенствование этих операций представляет собой одну из актуальнейших задач, которую в большинстве случаев не удаётся решить удовлетворительно с помощью обычных средств — ковшей, механических стопоров, пневматических запоров и т. д. [33]. Исследованием и разработкой центробежных насосов-дозаторов занимаются фирмы «Metallics Branch Carborundum» [34, 35] и «Lindberg Ingeneering" — фирма «Dosomatic» (Италия) ведёт разработку пневматических насосовкомпания «Pisheney» (Франция) освоила дозаторы сифонного типа. Однако, электромагнитные устройства для дозирования и перекачивания жидких металлов являются наиболее перспективными по целому ряду причин: бесконтактное воздействие на жидкий металл, малая инерционность, отсутствие герметизации, возможность дополнительного подогрева металла, осуществление полной автоматизации процесса заливки [36, 37].

Электромагнитные насосы-дозаторы могут быть разделены на две большие группы — кондукционные и индукционные. По геометрической форме устройства подразделяются на цилиндрические и плоские. Достоинством кондукционных насосов [37] является простота конструкции и возможность создания больших давлений в жидком металле при малой длине канала насоса. К недостаткам этих насосов можно отнести необходимость специальных источников питания и наличие гальванического контакта жидкого высокотемпературного металла с токоведущими электродами. Ввиду этого в установках для литейного и металлургического производств более перспективными представляются индукционные насосы.

Исследованию и разработкам электромагнитных индукционных насосно-дозирующих систем посвящено много работ [38 — 48], учитывающих многие факторы и особенности индукционных машин и жидкометаллического рабочего тела. В основном, в качестве исполнительного механизма электромагнитных насосов-дозаторов, применяются линейные индукционные машины (ЛИМ). В исследование, разработку и создание ЛИМ большой вклад внесли А. И. Вольдек, Н. М. Охременко, Я. Я. Лиелпетер, И. Р. Кириллов, О. Н. Веселовский, В. П. Полищук, Б. И. Петленко, Ф. Н. Сарапулов, В. Н. Тимофеев,.

А. П. Епифанов и другие. Из зарубежных авторов в разработку ЛИМ внесли ощутимый вклад Е. Laitwaiter, S. Yamamura, Н. Bolton, S. Nozar, E. Freeman. Наиболее доработанными до промышленного применения являются электромагнитные насосы-дозаторы, созданные во ВНИКИ «Цветметавтоматика» г. Красноярска по заказу ВПО «Союзалюминий» и дозаторы, спроектированные Научно — исследовательским физикотехническим институтом" (НИФТИ) г. Красноярска. Насосы-дозаторы ВНИКИ «Цветметавтоматика» успешно работали на многих заводах России: ОАО «Волгоградский алюминиевый завод» г. Волгограда, ОАО «Новокузнецкий алюминиевый завод» г. Новокузнецка, ОАО «КрАЗ», ОАО «КраМЗ» г. Красноярска и других заводах. Дозатор НИФТИ успешно прошёл промышленные испытания на ОАО «КраМЗ», в результате которых подтверждена его работоспособность и надёжность при эксплуатации в промышленных условиях. Однако устройство требует доработки с целью улучшения его рабочих характеристик. Создаваемое им усилие является недостаточным для удержания столба металла в миксере при его максимальной загрузке.

Разработанные и изготовленные в Институте проблем литья (ИПЛ) г. Киева магнитодинамические заливочные установки МДН-6 и МДН-ба позволяют осуществить автоматизацию процесса регулируемой закрытой транспортировки жидкого металла из плавильной печи к литейной форме. Установки были внедрены на заводах «Красный металлист» г. Конотопа, Московском заводе по обработке цветных металлов и других заводах.

Использование ЛИМ в устройствах для дозирования и перекачивания высокотемпературных металлов имеет свои особенности: большой немагнитный зазор, взрывоопасность использования водяного охлаждения, ограниченное пространство под установку устройства, высокая температура окружающей среды. В связи с этим, проведённый анализ применения ЛИМ в качестве насосов-дозаторов, несмотря на многообразие изученности вопроса, требует развития конструкций и теории исследования этих устройств с учётом технологических особенностей приготовления сплавов.

В чёрной и цветной металлургии для повышения качества непрерывно литых заготовок рекомендуется применение электромагнитных устройств для активного воздействия на жидкую сердцевину затвердевающего слитка [49 -53]. Электромагнитное воздействие позволяет усреднить химсостав по сечению заготовки, уменьшить осевую ликвацию слитка, увеличить производительность машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и установок непрерывной разливки стали (УНРС). Ввиду высокой теплопроводности цветных металлов, кристаллизация слитков из них происходит интенсивно при небольшой высоте жидкой сердцевины и её перемешивание является дополнительным условием для интенсификации кристаллизации. При разливке сталей на МНЛЗ и УНРС высота жидкой сердцевины в заготовке составляет от нескольких метров до нескольких десятков метров. Поэтому в чёрной металлургии для интенсификации процессов кристаллизации заготовки или слитка использование электромагнитного перемешивания является целесообразным.

Известно три основных способа электромагнитного индукционного перемешивания жидкой сердцевины слитков и заготовок: при помощи вращающегося электромагнитного поля с использованием индукционных машин с замкнутым магнитопроводом [50]- при помощи прямолинейно бегущего электромагнитного поля с использованием плоских ЛИМ [53 — 55]- комбинированное электромагнитное индукционное перемешивание, в основе которого лежит воздействие винтовым электромагнитным полем. Первый способ применим для слитков и заготовок круглой или квадратно-прямоугольной формы небольших сечений. Разработке основ перемешивания и устройств для их реализации посвящены работы А. Д. Акименко, Л. П. Орлова, Л. Б. Шендерова и др. Второй способ более эффективен для заготовок больших поперечных сечений. Большой вклад в основы кристаллизации таких слитков и разработку устройств для индукционного воздействия на их жидкое ядро внесли Ю. А. Самойлович, 3. К. Кабаков, Л. Н. Ясницкий, В. М. Брысин, А. И. Цаплин, И. Н. Шифрин, А. Г. Чеповецкий и другие.

В настоящее время комплексы для электромагнитного индукционного перемешивания жидкой сердцевины слитков и заготовок успешно работают на Белорусском металлургическом заводе г. Жлобино, Молдавском металлургическом заводе г. Рыбница и других заводах. Во всех случаях для реализации индукционного ЭМП используются индукционные устройства с замкнутым и разомкнутым магнитопроводами, особенностями которых являются наличие жидкометаллического рабочего тела, больших немагнитных зазоров, высокотемпературной среды.

Проведённый анализ индукционных устройств и комплексов на их основе для индукционной плавки металлов, магнитогидродинамического рафинирования, перемешивания, дозирования, перекачивания жидких металлов показывает, что индукционные устройства, выступающие в качестве исполнительного звена имеют много общего: жидкометаллическое рабочее телобольшие немагнитные зазорыработают в области высоких температуримеют много дополнительных технических элементовобладают защитными экранамимогут питаться напряжением пониженной или повышенной частоты.

Подобные общие признаки позволяют выделить такие устройства в отдельную группу и рассматривать их с единых позиций: индукционные устройства для технологического воздействия на жидкие металлы. В результате такого подхода можно определить основные принципы, которые должны быть положены в основу методики расчёта как исполнительных механизмов, так и самих комплексов для электротехнологического воздействия на жидкие металлы: учёт реальных свойств магнитопроводовнелинейности и анизотропности, учёт конечных размеров составных частей, учёт реальных свойств обмотки, учёт дополнительных технических элементов, учёт гидродинамических свойств рабочего тела, учёт особенностей работы исполнительного механизма.

В связи с этим является актуальным: совершенствование и разработка ИЕ с ЭМВ, индукционных устройств с замкнутым и разомкнутым магнитопроводами для перемешивания, перекачивания, дозирования, воздействия на жидкое ядро кристаллизующегося слиткасоздание основ теории для специального класса электрических устройствразработка математических моделей таких устройств и методик расчётасинтез способов их построения и создание новых типов устройств для воздействия на жидкие металлы.

В основу диссертационной работы положены результаты НИР, выполненных в Красноярском государственном техническом университете при непосредственном участии автора в период с 1982 г. по 2000 г. как по заказам предприятий, так и в рамках научно-технических программ и госбюджетных тем: программа АН СССР «Сибирь», раздел 6.01.08- программа АН СССР «Физико-химические основы металлургических процессов» на 1985 — 1990 г., направление 2.26- краевая целевая программа «Активизация инновационной деятельности в Красноярском крае» (Закон № 5−303 от 12.02.99 г.) — программа Государственного фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по проекту 634 «Разработка, изготовление и внедрение в производство бесканальных электромагнитных комплексов для перемешивания алюминиевых сплавов».

Цель работы: разработка основ теории индукционных устройств для технологического воздействия на жидкие металлы, создание новых электротехнологий и комплексов для их реализации.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обобщить результаты исследований индукционных устройств для технологического воздействия на жидкие металлы.

2. Построить математическую модель индукционных устройств с анизотропными, нелинейными и движущимися средами путем развития и адаптации к исследованию этих устройств методов дискретизации свойств сред, интегральных преобразований, граничных коллокаций.

3. Разработать численно-аналитический метод исследования электромагнитных и гидродинамических процессов в системе индуктор-канал с некоординатными поверхностями.

4. Развить метод дискретизации свойств сред для исследования трехмерного электромагнитного поля индукционных устройств с жидкометаллическим рабочим телом, анизотропными и нелинейными средами.

5. Применение явления резонанса в индуктивно связанных контурах к созданию бегущего магнитного поля в линейных индукционных машинах.

6. Методом физического моделирования на лабораторных моделях и натурных агрегатах подтвердить достоверность теоретических расчетов и правильность технических решений: электромагнитных перемешивателей в миксерах, печах, ковшахэлектромагнитных вращателей для индукционных канальных печей, установок внепечного рафинирования металламашин непрерывной разливки сталиэлектромагнитных насосов-дозаторов для перекачивания и дозирования высокотемпературных жидких металлов.

7. На основе анализа теоретических результатов и данных физического моделирования разработать новые способы электротехнологического воздействия на жидкие металлы, создать комплексы для их реализации.

Методы исследования.

Теоретические исследования проведены на основе сочетания методов теории электромагнитного поля, теории электродинамики, теории цепей и методов дискретизации токовых слоёв и дискретизации свойств сред. Решение конкретных задач потребовало использования аппарата дифференциального и интегрального исчисления, теории матриц и методов численного моделирования. Достоверность основных теоретических положений подтверждается сопоставлением расчётных и экспериментально определённых параметров на физических моделях и промышленных образцах.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. На основе развития и совмещения методов дискретизации свойств сред, интегральных преобразований, точек коллокации созданы основы теории индукционных устройств для технологического воздействия на жидкие металлы.

2. Разработана численно-аналитическая математическая модель индукционных устройств с некоординатными поверхностями, позволяющая исследовать электромагнитные и гидродинамические процессы в индукционных единицах с электромагнитными вращателями, электромагнитных перемешивателях жидкой сердцевины слитков, установках магнитогидродинамического рафинирования алюминиевых сплавов.

3. Развит метод дискретизации свойств сред для расчета трехмерных электромагнитных полей в индукционных устройствах с анизотропными, нелинейными и движущимися средами.

4. Выявлено влияние параметров жидкометаллического ротора в установившемся и переходном состояниях индукционной машины на ее регулировочные характеристики.

5. Построена математическая модель многофазной индукционной машины с электрически нейтральными фазными катушками при однофазном питании обмотки, в основе работы которой лежит явление резонанса в индуктивно связанных контурах. Проведено исследование влияния параметров фазных катушек и нейтральных контуров на число фаз машины и определены области и характеристики устойчивой её работы.

6. Разработана математическая модель электромагнитного перемешивателя, выявлены способы управления движением жидкого металла и на их основе предложены новые технологии электромагнитного перемешивания жидких металлов.

7. Разработана математическая модель линейной индукционной машины, позволяющая исследовать влияние полей продольных краевых эффектов на характеристики машины и предложить способы повышения КПД и тягового усилия ЛИМ.

Практическая ценность диссертационной работы:

1. Разработаны алгоритмы и программы для исследования и проектирования индукционных устройств для технологического воздействия на жидкие металлы.

2. Созданы инженерные методики проектирования индукционных машин для комплексов электромагнитного перемешивания жидких металлов в миксерах, печах, ковшахиндукционных канальных печахустановках магнитогидродинамического внепечного рафинированияэлектромагнитных насосно-дозирующих системахустройствах для активного управления формированием структуры слитков и заготовок.

3. На основе анализа результатов теоретического и экспериментального исследований индукционных машин с жидкометаллическим рабочим телом предложены новые способы и устройства: электромагнитного перемешивания жидких металлов в миксерах, печах и ковшахмагнитогидродинамического рафинирования электропроводных расплавовперекачивания и дозирования сплавовэлектромагнитного управления кристаллизацией непрерывно литой заготовки или слитка, реализующие передовые электротехнологии в металлургии, защищенные авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

4. Предложены технические решения, позволяющие улучшить технико-экономические и энергетические показатели индукционных устройств.

Реализация результатов работы.

Наиболее важными из проведённых разработок, которые были выполнены при непосредственном участии автора и с использованием материалов диссертации, являются:

1. Методики электрического расчёта индукционных канальных печей типа ИАК с электромагнитными вращателями и установок магнитогидродинамического рафинирования алюминиевых сплавов МГДР-2, переданные на ОАО «КраМЗ», г. Красноярска для непосредственного использования.

2. Технические решения по совершенствованию индукционных канальных печей ИАК-1/1,5, ИАК-25/2,1, ИАК-40/3,5, ИАК-100/4,5 для ОАО «КраМЗ» г. Красноярска и печи БК-16 ОАО «БКМПО» г. Белая Калитва.

3. Создание и проектирование комплекса для бесканального электромагнитного перемешивания алюминиевых сплавов на миксерах: 30 т для ОАО «КраМЗ» (5 комплексов) г. Красноярска- 45 т для ОАО «КрАЗ» г. Красноярска (1 комплекс) — 60 т для ОАО «СаАЗ» г. Саяногорска (4 комплекса).

4. Разработка и проектирование установок внепечного магнитогидродинамического рафинирования (МГДР) алюминиевых сплавов МГДР-2 для ОАО «КраМЗ» г. Красноярска (2 установки).

5. Технические решения по созданию комплекса электромагнитного перемешивания стали в дуговой сталеплавильной печи ДСП-10 для ОАО «Сибэлектросталь» г. Красноярска.

6. Разработка и изготовление установки для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины заготовок сечением 82×82 мм при непрерывной разливке стали на машине непрерывного литья для ОАО «Сибэлектросталь» г. Красноярска.

7. Содействие в организации выпуска комплексов бесканального электромагнитного перемешивания алюминиевых сплавов с привлечением ОАО «Электросила» г. Санкт-Петербурга, ОАО «ХЭМЗ» г. Харькова, ОАО «КраМЗ» г. Красноярска.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Ряд классификационных признаков, позволяющих рассматривать индукционные устройства для технологического воздействия на жидкие металлы как особый класс специального оборудования.

2. Развитие и совмещение методов дискретизации свойств сред, интегральных преобразований, точек коллокации с целью создания основ теории индукционных устройств для технологического воздействия на жидкие металлы, исследования электромагнитных и гидродинамических процессов в них с учетом анизотропии и нелинейности свойств сред.

3. Метод дискретизации свойств сред для анализа и исследования трёхмерных электромагнитных и гидродинамических полей электротехнических и электротехнологических устройств.

4. Алгоритмы и программы позволяющие реализовать:

— математическую модель индукционной электрической машины с жидкометаллическим ротором для исследования её работы как в установившемся, так и в переходных режимах (пуск, режим электромагнитного торможения, рабочий режим), методики проектирования индукционной канальной печи с электромагнитным вращателем и электромагнитного перемешивателя жидкой сердцевины слитковматематическую модель бесканального электромагнитного перемешивателя жидких металлов, позволяющую исследовать электромагнитные и гидродинамические процессы устройства, методику проектирования электромагнитных перемешивателей;

— математическую модель линейной индукционной машины, позволяющую исследовать влияние полей продольного краевого эффекта и предложить меры по повышению энергетических показателей машины.

5. Использование явления резонанса в индуктивно связанных контурах с целью получения схемы включения катушек обмотки многофазной индукционной машины на однофазное питание.

6. Экспериментальные исследования на лабораторных и промышленных агрегатах бесканальных электромагнитных перемешивателей, насосов-дозаторов, установок внепечного рафинирования, индукционных канальных печей, электромагнитных перемешивателей жидкой сердцевины слитков и заготовок с целью проверки адекватности математических моделей и обоснования эффективности предложенных устройств и способов технологического воздействия на расплавы.

7. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований с целью выявления новых способов электромагнитного воздействия на жидкие металлы в миксерах, печах, ковшах, рафинаторах, литейных машинах, обеспечивающих новые технологии получения высококачественных сплавов и изделий.

Апробация работы.

Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах, конференциях и семинарах:

1. Региональной научно-технической конференции «Молодые учёные и специалисты народному хозяйству», г. Красноярск, 1985 г.

2. Региональной научно-технической конференции «Устройства и системы автоматики автономных объектов», г. Красноярск, 1987 г.

3. Всесоюзном семинаре-совещании «Новые металлургические технологии и оборудование» г. Новосибирск, 1988 г.

4. XI Всесоюзном научном семинаре «Кибернетика электрических систем» г. Абакан, 1989 г.

5. Научно-технической конференции «Автоматизация электроприводов и оптимизация режимов электропотребления», г. Красноярск, 1991 г.

6. Международном научно-техническом семинаре «Электротехнические системы с компьютерным управлением на транспортных средствах и в их роботизированном производстве», г. Суздаль, 1993 г.

7. Научно-технической конференции с международным участием «Проблемы техники и технологий XXI века», г. Красноярск, 1994 г.

8.1 Международной научно-технической конференции «Математичне моделювання в електротехшщ й електроенергетищ», г. Львов, 1995 г.

9. 8 th International Symposium on Theoretical Electrical Engineering, Greece, Thessaloniki, 1995.

10. II Международной научно-технической конференции по проблемам автоматизированного электропривода «АЭП-98», г. Ульяновск, 1998 г.

11. «Fourth International Conference on Unconventional Electromechanical and Electrical System», Russia, St. Peterburg, 1999.

12. Всемирном электротехническом конгрессе «На рубеже веков: итоги и перспективы «ВЭЛК-99», г. Москва, 1999 г.

13. Всероссийской научно-практической конференция «Достижения науки и техники сибирским регионам», г. Красноярск, 2000 г.

14. Объединённых семинарах кафедр «Электротехнология и электротехника», «Теоретические основы электротехники», «Электрификация промышленных предприятий» и др. Красноярского государственного технического университета, г. Красноярск, 1997;2000 гг.

Публикации.

Основное содержание диссертации отражено в 81 публикации, в том числе — 46 статьях и докладах и 26 авторских свидетельствах и патентах на изобретения.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 283 наименований и приложений. Её содержание изложено на 497 страницах, проиллюстрировано 203 рисунками и 10 таблицами.

6.4. Основные выводы по разделу.

1. Представлены физические модели индукционных единиц с электромагнитными вращателями и приведены основные критерии их построения, позволяющие успешно исследовать электромагнитные, гидродинамические и тепловые процессы в индукционных канальных печах.

2. В результате исследований ИЕ на физической модели выявлено, что скорость вращения металла в продольных каналах при наличии дополнительных катушек может достигать до 600 об/мин, что достаточно для интенсификации технологического процесса в канальной печи: снижения зарастания каналов окислами, улучшения тепломассообмена между канальной частью и ванной печи, увеличения мощности ИЕ.

3. При исследовании ИЕ канальной печи ИАК-40/3,5 установлена природа перегрева металлокаркасов продольных каналов и показана взаимосвязь между температурным полем каркасов и магнитным полем рассеяния индуктора.

4. Опробована на печи ИАК — 25/2,1 разработанная схема включения дополнительных катушек типа, А и Б, и проведены измерения скорости вращения жидкого металла (алюминия) в продольных каналах ИЕ, которая достигала до 250−300 об/мин.

5. В процессе работы электромагнитных вращателей на печах ИАК -25/2,1 и ИАК — 1/1,5 обнаружены в слое шлака шаровидные конгломераты правильной формы, содержащие в своём составе окислы металлов, водород, тяжёлые металлы.

6. На основании полученных результатов разработана на базе индукционной единицы печи ИАК установка магнитогидродинамического рафинирования алюминиевых сплавов, которая успешно прошла промышленные испытания на ОАО «КраМЗ» г. Красноярска. Опытная эксплуатация установок МГДР показала, что её использование даёт снижение водорода и натрия в расплаве 30 — 50% от исходного и может конкурировать по степени очистки с вакуумным оборудованием.

7. На основании исследования ЭМ перемешивателя на физической модели выявлены траектории движения жидкого металла при расположении индуктора с боковой стороны миксера и определены скорости движения металла в контрольных точках. Отработана технология перемешивания жидкого металла при реверсировании бегущего электромагнитного поля индуктора и активном использовании его продольных краевых эффектов при наличии жидкометаллического рабочего тела с удаленными границами.

8. Исследования ЭМ перемешивателей на промышленных агрегатах подтвердили правильность теоретических результатов и исследований, проведенных на физических моделях. Доказано, что индуктором с активной длиной 2,2 м и мощностью 180 кВА можно успешно осуществлять перемешивание алюминиевых сплавов в миксерах и печах с ёмкостью ванны до 70 и более тонн.

9. На основании проведённых электротехнических испытаний индукторов электромагнитного перемешивания (ВАХ, замеры индукции) не выявлено отклонений от расчётных проектных параметров. Подтверждено, что в номинальном режиме работы максимальное значение магнитной индукции в проблемных местах индуктора не превышает 1 — 1,2 Тл.

10. На основании проведённых замеров скорости движения металла в миксере 40 т при помощи измерителя получены эпюры распределения скорости.

464 в ванне миксера. Картина движения жидкого металла в миксере, построенная на их основании, полностью повторяет картину движения моделирующего металла на физической модели, что подтверждает правомерность выбранных допущений при разработке экспериментальной установки.

11. На примере насоса — дозатора исследована схема включения катушек обмотки линейной двухфазной машины на однофазное питание. Определены ее регулировочные характеристики и параметры регулирования. Показано, что при такой схеме включения обмотки ЛИМ машина может работать с высоким коэффициентом мощности и хорошими тяговыми характеристиками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Поставленная в диссертации цель достигнута тем, что проведено обобщение результатов исследований и систематизация технических решений специальных индукционных устройств для металлургии и созданы новые электротехнологические способы и устройства воздействия на жидкие металлына основании численных и численно-аналитических методов разработаны основы теории индукционных устройств для технологического воздействия на жидкие металлы с замкнутой и разомкнутой магнитной системой для управления перемещением жидких металлов.

Решение этой проблемы основано на следующих основных результатах, имеющих самостоятельное научное и практическое значение:

1. Определены основные классификационные признаки: ИЕ с ЭМВ, ЭМ перемешивателей жидкой сердцевины слитков, ЭМ перемешивателей сплавов в миксерах, печах и ковшах, ЭМ насосов — дозаторов, которые позволили рассматривать эти устройства с единых позиций и классифицировать их как устройства для технологического воздействия на жидкие металлы.

2. Разработан численно — аналитический метод, позволивший исследовать электромагнитные и гидродинамические процессы в системе прямоугольный магнитопровод — круглый канал с металлом и определить рабочие характеристики ИЕ с ЭМВ, ЭМ перемешивателя жидкой сердцевины слитков в установившемся и переходном режимах.

3. Развит метод дискретизации свойств сред для анализа и исследования трёхмерных электромагнитных и гидродинамических полей, позволивший выявить особенности и рассчитать интегральные и дифференциальные параметры индукционных устройств для технологического воздействия на жидкие металлы.

4. Разработаны алгоритмы и программы, реализующие: математическую модель индукционной машины с жидкометаллическим ротором для.

466 исследования её работы в установившемся и переходном режимах и созданы методики проектирования ИЕ с ЭМВ и ЭМ перемешивателя жидкой сердцевины слитковматематическую модель ЭМ перемешивателя жидких металлов, позволившую исследовать электромагнитные и гидродинамические процессы устройства, методику проектирования ЭМ перемешивателяматематическую модель двухсторонней ЛИМ, позволившую выявить пути повышения энергетических показателей машины.

5. Разработана схема включения катушек обмотки многофазной ЛИМ на однофазное питание на основании явления резонанса в индуктивно связанных контурах, что позволило поднять коэффициент мощности машины.

6. Проведены экспериментальные исследования ИЕ с ЭМВ, ЭМ перемешивателя расплавов в миксерах и печах, индукционных насосовдозаторов, ЭМ перемешивателя жидкой сердцевины слитков и заготовок на физических моделях и промышленных агрегатах. Результаты экспериментов подтвердили правомерность разработанных математических моделей и принятых технических решений.

7. Созданы новые способы ЭМ воздействия на жидкие металлы в миксерах, печах, ковшах, рафинаторах и литейных машинах и предложены новые технологии получения высококачественных сплавов и изделий по результатам теоретических и экспериментальных исследований.