авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Разработка индукционной канальной печи с управлением движением расплава в канале

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

АЛФЕРЕНОК АРТЕМ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ИНДУКЦИОННОЙ КАНАЛЬНОЙ ПЕЧИ

С УПРАВЛЕНИЕМ ДВИЖЕНИЕМ РАСПЛАВА В КАНАЛЕ

Специальность 05.09.10 – Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009

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

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»

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 « » мая 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02

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., Полищук В. П., Буцениекс И. Э., Фоченков Б. А., Tama M., Eggers A., Vives C., Walther A. 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 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.

Цель 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 ANSYS Multiphysics и ANSYS CFX 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 каналов 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 ANSYS Multiphysics и ANSYS CFX. 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 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).

 Область модели ИКП в программе ANSYS-0

Рис. 1. Область модели ИКП в программе ANSYS Multiphysics

(1 – 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):

; (1)

; (2)

; (3)

; (4)

; (5)

; (6)

. (7)

Уравнения, описывающие электромагнитное поле в подобласти расплава:

; (8)

, (9)

в подобластях магнитопровода и воздуха:

. (10)

Здесь Н – вектор напряженности магнитного поля, J и JS – векторы плотности электрического тока в расплаве и в индукторе, E – вектор напряженности электрического поля, B – вектор магнитной индукции, t – время, – удельное магнитное сопротивление, – удельная электрическая проводимость, А – магнитный векторный потенциал, V – электрический скалярный потенциал.

На границах расчетной области задавались граничные условия:

. (11)

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:

; (12)

. (13)

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:

; (14)

; (15)

; (16)

; (17)

. (18)

Здесь ref – начальная плотность расплава, U – скорость, – динамическая вязкость расплава, – турбулентная вязкость расплава, – эффективная вязкость расплава, – теплопроводность расплава, – коэффициент линейного теплового расширения расплава, Тref – начальная температура расплава, pstat – давление окружающей среды, – модифицированное давление, k – турбулентная кинетическая энергия, – диссипация турбулентной кинетической энергии, С = 0.09, С1 = 1.44, С2 = 1.92, k = 1, = 1.3 – константы k- модели турбулентности, ср – удельная теплоемкость расплава, - выработка турбулентности, Prt = 0.9 - турбулентное число Прандтля.

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

U = 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 SM и SE в программе ANSYS CFX 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 A. 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 P2 и максимальных значений плотности тока J2max, магнитной индукции B2max, градиента давления p2max, локальной усредненной скорости течения расплава U2max и перепада температуры в расплаве Tmax, а также скорости транзитного течения в канале U0 от магнитодвижущей силы индуктора I1m·w. Диапазон изменения величин был следующим: I1m·w=30-50 кА; P2=55-155 кВт; J2max=3.8-6.2 А/мм2; B2max=0.14-0.23 T; p2max=(3-8)·105 Н/м3; U2max=0.5-0.85 м/с; Tmax=46.4-90.5 °С. Расчетная скорость транзитного течения в канале U0 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

(1 – индуктор; 2 – расплав; 3 – магнитопровод).

На рис. 3 показано рассчитанное c помощью разработанных компьютерных моделей векторное поле усредненной скорости расплава в продольном сечении канала и ванны при P2 = 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 вил 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.

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

а б

Рис. 4. Конечно-элементная модель ОИЕ печи ИЧКМ-16 в программе ANSYS Multiphysics (1 – индуктор; 2 – расплав; 3 – магнитопровод).

Исследовались шесть вариантов конструктивного исполнения канала (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 г д е Варианты-30

а б в г д е

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

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



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.