Формирование энергоэффективных режимов работы индукционного плавильного агрегата

Актуальность работы. В современных экономических условиях машиностроительный комплекс и многие другие потребители продукции металлургических предприятий предъявляют высокие требования к качеству первичной составляющей своей продукции, при этом предпочтение отдается продукции с меньшей стоимостью. Решение данной проблемы особенно актуально в настоящее время, когда вопросы качества и стоимости продукции играют существенную роль, так как приходится испытывать жесткую конкуренцию со стороны зарубежных производителей. Решение вопроса кроется в создании высокопроизводительного электротехнологического оборудования, удовлетворяющего всем требованиям металлургического производства, и в то же время обладающего минимальной стоимостью в производстве и эксплуатации.

Современный подход к использованию индукционной тигельной печи (ИТП) как высокоэффективного и экономичного плавильного агрегата предполагает управление тепловым и электродинамическим воздействием на расплавляемый металл на всех стадиях плавки [52]. Целью этого подхода явля-, ются снижение времени плавки и улучшение качества получаемого металла, что имеет большое значение в литейном производстве, где плавильные агрегаты на основе ИТП зарекомендовали себя наилучшим образом. Использование электродинамического воздействия на жидкий металл позволяет создать новый агрегат с расширенными функциональными возможностями, который разрабатывается коллективом кафедры «Электротехники и электротехнологических систем» совместно с автором работы. Такой агрегат получил название многофункциональный плавильный агрегат (МПА) [101]. Основу многофункционального плавильного агрегата образует ИТП. Конструктивной особенностью печи в данном случае является то, что высота и внутренний радиус тигля соизмеримы по величине (как известно, в типовой конструкции ИТП высота тигля много больше его внутреннего диаметра). Такое соотношение размеров во многом связано с особенностями технологических операций, поэтому ряд требований, которые предъявляются к классической ИТП, неприемлем для МПА. В частности, при восстановлении оксидов методом жидко-фазного восстановления на вращающейся жидкометаллической подложке выделяется избыточная тепловая энергия за счет экзотермических реакций. Функция нагрева загрузки становится вторичной, превалирующей становится функция обеспечения вращения расплава с необходимой угловой скоростью, обеспечивающей создание параболической лунки достаточной глубины. Лунка образует своеобразный «сосуд» для восстанавливаемых оксидов и шлака. Эту функцию выполняет индуктор электромагнитного вращателя (ЭМВ) с вращающимся магнитным полем.

Если индуктор ИТП питается от инвертора средней частоты, то индуктор ЭМВ питается от преобразователя регулируемой (от средней до низкой) частоты в зависимости от этапа технологического цикла. Если к тому же учесть, что индукторы и система охлаждения МПА должны отводить избыточное тепло на основной технологической операции, то необходимо рассмотрение работы агрегата как многокомпонентного электротехнического комплекса, в который входят индукторы ИШ и ЭМВ, источники их питания, системы компенсации реактивной мощности, система охлаждения, система контроля и управления режимами работы.

Объектом исследования является многофункциональный плавильный агрегат как многокомпонентный электротехнический комплекс, состоящий из индукционной тигельной печи, электромагнитного вращателя, источников питания, системы компенсации реактивной мощности, системы охлаждения, системы дозирования и загрузки, системы контроля и управления режимами.

Предмет исследования: режимы работы многофункционального плавильного агрегата.

Цель работы: выработка рекомендаций по формированию энергоэффективных режимов работы агрегата на всех этапах технологического процесса, а также рекомендации по его проектированию.

Решаемые задачи:

1. Построение и разработка достаточно простой, легко реализуемой и корректной математической модели, которая может использоваться для проектирования, а также анализа электромагнитных и тепловых процессов в рабочем режиме ИТП.

2. Создание компьютерной модели МПА, предлагаемого коллективом кафедры ЭЭТС совместно с автором работы.

3. Исследование режимов работы МПА с помощью созданной модели.

4. Создание экспериментальной установки и сравнение результатов расчета с экспериментальными данными.

5. Формулировка рекомендаций по формированию энергоэффективных режимов работы плавильного агрегата.

6. Формулировка рекомендаций к основным техническим решениям для создания опытно-промышленного образца многофункционального плавильного агрегата.

Методы исследования. В работе используются методы теории электрических, цепей, метод эквивалентных. тепловых схем замещения, методы конечных разностей и конечных элементов. Основные задачи реализованы в пакете МАТЬАВ, позволяющем провести расчет всех параметров в одном формуляре. Используются методы компьютерного моделирования с помощью пакета Е1си1, предназначенного для анализа полевых задач. Также используются физические методы исследования с применением лабораторных установок.

Научную новизну представляют математическая и компьютерная модели оригинального МПА, позволяющие в комплексе рассмотреть вопрос управления плавильным агрегатом в различных режимах его работы, результаты анализа указанных режимов, а также рекомендации по их практическому формированию.

Практическая ценность заключается в создании комплекса программных средств для математического моделирования электромагнитных и тепловых процессов многофункционального плавильного агрегата, экспериментального стенда для исследования режимов работы лабораторной модели МПА, а также практических рекомендаций по формированию энергоэффективных режимов его работы. Реализация.

1. Результаты исследования электромагнитных и тепловых процессов в современных плавильных агрегатах для разработки и проектирования современных энергоэффективных индукционных печей переданы ЗАО «РЭЛТЕК» (г. Екатеринбург).

2. Результаты работы используются на кафедре электротехники и электротехнологических систем УрФУ в учебном процессе, при курсовом и дипломном проектировании, проведении научных исследований и проведении лабораторных работ.

3. Диссертационная работа подготовлена в рамках целевой программы министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2010)» «Разработка, технологическое и электрофизическое обоснование процессов получения высоколегированных.

Л'" '" % -'^У ' 5 ., 'i— «' ''^Ш сплавов (в том числе с упрочняющей нанокристаллической структурой) при интенсификации перемешивания в агрегате с вращением шлака и металла».

Апробация. Основные результаты доложены, обсуждены и одобрены на следующих научных мероприятиях:

— Международная научно-техническая конференция «Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах». Севастополь, 2007.

— III Международная НТК «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы». Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007.

— VII научно-практическая конференция «Проблемы и достижения в промышленной энергетике». Екатеринбург: ЗАО «Уральские выставки-2000», 2007.

— THE 3rd INTERNATIONAL FORUM ON STRATEGIC TECHNOLOGIES, IFOST — 2008. Novosibirsk State Technical University (Novosibirsk, Russia) -Tomsk Polytechnic University (Tomsk, Russia). June 23−29, 2008.

— XII Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты — МКЭЭ — 2008». Крым, Алушта, 2008.

— VIII научно-практическая конференция с международным участием «Проблемы и достижения в промышленной энергетике», Екатеринбург, 2008.

— Российско-британский семинар молодых ученых и студентов «ЭКОТЕХ-НОЛОГИИ 21 ВЕКА: ЭКОТЕХ — XXI» Проект Британского Совета. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2007.

— VI Lubuska Konferencja Naukowo-Technicza / Innowacyjne Materialy I Technologie w Elektrotechnice — i-MITEL 2010, Przylesko k. Gorzowa Wielkopols-kiego, 2010.

— II Всероссийская конференция «ИННОВАЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА», НГТУ, 2010. ч 1 чг.

— II Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологийАПЭЭТ-11», Екатеринбург, 2011.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 печатных работ, в том числе 3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, 5 приложений. Общий объем 214 страниц. Основная часть изложена на 161 страницах машинописного текста, иллюстрирована 87 рисунками, 8 таблицами. Список использованной литературы содержит 101 наименования.

4.7. Выводы ЧГ,?. * I 4.

1. Проведено исследование влияния параметров загрузки на характеристики И111. Исследование проводилось с помощью созданной компьютерной модели ИТП. На скорость расплавления изначальной загрузки, а, следовательно, и уменьшение потребляемой энергии установкой, при заданной частоте источника питания влияет размер загружаемой шихты. Для частоты 500 Гц был определен диапазон размеров изначально загружаемой шихты, который позволит получить наибольшую скорость расплавления. Кроме того, расплавление шихты занимает лишь небольшую часть в цикле плавки, поэтому дальше было проведено исследование влияния отношения массы дова-лок к массе расплавленного металла на процесс и скорость их расплавления. Получили, что наиболее благоприятным вариантом загрузки порций шихты является загрузка довалок со второй с перекрытием уровня, расплавленного «' - ' - г * /Л 1» металла.

2. Приведены результаты расчета по определению наилучших соотношений высоты и диаметра индуктора для оценки КПД и коэффициента мощности при половинной загрузки ванны печи для дальнейшего включения вращающего индуктора и получения лунки.

3. Проведено исследование влияния параметров подложки на энергетические характеристики МПА и геометрию подложки.

4. Приведены результаты вычислительного эксперимента исследования режимов работы ИТП в составе МПА.

5. В результате сравнения экспериментальных и расчетных данных показана адекватность предложенной математической модели для расчета и анализа процессов в МПА на этапе создания жидкометаллической подложки. [.

Проведено сравнение с экспериментальными данными результатов моделирования лабораторной установки, получено хорошее совпадение.

6. Даны рекомендации по формированию энергоэффективных режимов работы многофункционального плавильного агрегата, а также к основным техническим решениям для создания опытно-промышленного образца МПА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненная диссертационная работа представляет собой научно-квалификационную работу, в которой изложены научно-обоснованные технологические решения по созданию нового агрегата, позволяющего получать качественный продукт с меньшими денежными затратами, а также разработка конструкции данного устройства на этапе составления технического задания по созданию опытно-промышленного образца, имеющие существенное значение для металлургии страны. Основные результаты могут быть выражены в следующем:

1. Разработана математическая модель, позволяющая исследовать процессы в загрузке многофункционального плавильного агрегата, состоящая из следующих основных взаимосвязанных элементов (подмоделей): модель электромагнитных процессов для нагревательного индуктора на основе метода Т-образных схем замещения, в которой учитываются следующие особенности: изменение магнитной проницаемости магнитной шихты в зависимости от напряженности магнитного поля индуктораизменение уровня загрузки по ходу процесса плавкиизменение удельной электропроводности загрузки в зависимости от ее температуры и агрегатного состояниямодель источника питания в статической постановке для нагревательной части, учитывающая изменение сопротивлений индуктора по ходу плавки, а так же имеющая систему управления, позволяющая реализовать следующие функции: поддержание тока на уровне не выше номинального тока инверторапод держание тока на уровне не ниже минимального тока выпрямителяподдержание температуры основного металла на заданном уровнетепловая модель, основанная на детализированных эквивалентных тепловых схемах замещения, в которой учитываются следующие особенности: изменение уровня и геометрии загрузки по ходу процесса плавкиизменение физических параметров загрузки и узлов агрегата (теплоемкость, теплопроводность, плотность) в зависимости от температурыопределение времени расплавления и затвердевание загрузкисистема охлаждения нагревательного индукторамодель электромагнитных процессов на основе метода детализированных схем замещения для вращающего индукторагидродинамическая модель, позволяющая производить расчет скорости движения расплава в ванне ПА в двумерной постановке.

2. Создана компьютерная модель многофункционального плавильного агрегата, как многокомпонентного комплекса, реализованная в компьютерных программах в среде МА ТЬАВ-БтиПпк.

3. Проведена верификация электромагнитной модели нагревательной части методами схем замещения — Т-образных и детализированными, с полевыми методами. Выполнено сравнение разработанной математической модели источника питания в статической постановке с динамической моделью. Проведено сравнение результатов компьютерного моделирования с экспериментальными данными." Проведенные исследования подтверждают адекватность использования модели для получения достоверных данных, и показывает, что допущения, принятые при разработке моделей, приемлемы для получения достаточной для инженерной практики точности.

4. На основе созданной компьютерной модели произведены исследования электромагнитных и тепловых процессов в МПА и его лабораторных моделях.

Подробно изучены особенности тепловых и электромагнитных процессов в загрузке МПА. Проведено исследование влияния параметров загрузки на характеристики МПА на этапе создания жидкометаллической подложки. Также исследовано влияние параметров подложки на энергетические характеристики МПА и геометрию подложки.

Выполнено исследование режимов работы МПА на основе ИТП.

5. Изготовлена физическая модель нагревательной части многофункционального плавильного агрегата в уменьшенном виде.

6. Даны рекомендации по формированию энергоэффективных режимов работы многофункционального плавильного агрегата, в частности, по выбору мощности источника питания, выбору масс и размеров довалок для достижения наибольшей скорости расплавления, возможные варианты реализации процесса контроля мощности экзотермической реакции восстановления.

Также сформулированы рекомендации к основным техническим решениям для создания опытно-промышленного образца МПА, в частности, по выбору конструкции ванны агрегата для обеспечения достаточного охлаждения, выбору размеров ванны, выбору проводника для ТЭМВ, выбору способа подогрева подложки до заданной температуры после ее расплавления.

Результаты исследований переданы ЗАО «РЭЛТЕК» и используются им при разработке и проектировании современных плавильных агрегатов на основе ИТП. Математические модели, программы и лабораторные модели используются в учебном процессе и научных исследованиях кафедры «Электротехника и электротехнологические системы» УрФУ.