Разработка индукционной канальной печи с управлением движением расплава в канале

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).

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

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

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