Національна Академія наук України

Інститут електродинаміки

На правах рукопису

Гориславець Юрій Михайлович

УДК 621.365. 5: 538.84

ІНДУКЦІЙНІ УСТАНОВКИ

ДЛЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ОБРОБКИ МЕТАЛІВ І СПЛАВІВ

(розробка, дослідження, впровадження)

Спеціальність 05.09. 03 — Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електродинаміки НАН України, м. Київ.

Науковий консультант — д.т.н., проф., академік НАН України

Шидловський Анатолій Корнійович,

Інститут електродинаміки НАНУ, зав. відділу.

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Щерба Анатолій Андрійович, Інститут електродинаміки НАН України, завідувач відділу.

Доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Романович Станіслав Семенович, Інститут проблем математичних машин і систем НАН України, головний науковий співробітник.

Доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Дубодєлов Віктор Іванович, Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, завідувач відділу.

Провідна установа — Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України,

відділ електротермії, м. Київ.

Захист відбудеться “29 “ грудня 1998 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 252680, Київ-57, пр. Перемоги, 56, тел. 446-91-15.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України.

Автореферат розісланий “16 “ листопада 1998 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.С.Федій

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. В останні роки внаслідок загострення енергетичної кризи значно зросли вимоги до енергомістких виробництв, особливе місце серед яких займають металургія та ливарне виробництво. Водночас, як відомо, істотно підвищити ефективність технологічних процесів і обладнання, зв'язаних з плавкою, обробкою і литтям чорних та кольорових металів, можливо на основі нових електротехнологій з залученням електромагнітних методів та засобів силового і теплового впливу на рідкий метал. Як показують дослідження, використання таких засобів в даних технологіях дозволяє знизити питомі витрати електроенергії, збільшити випуск та поліпшити якість продукції, зменшити втрати металу. Крім того, на їхній основі можливо також створення принципово нових ефективних електротехнологій та обладнання.

В цьому зв'язку особливої уваги заслуговують питання розробки та створення індукційних пристроїв і установок, що здійснюють електромагнітну обробку металів і сплавів на основних етапах електрометалургійної переробки, починаючи від видобутку та плавки металів і закінчуючи формуванням готових виробів. Недостатнє використання такого обладнання на сучасному етапі в основному повязане з їх малою надійністю та ефективністю, що зумовлено не зовсім досконалим конструктивним виконанням та недостатньо вивченими фізичними процесами, що в них протікають. Наявність в індукційних пристроях електромагнітних систем з електропровідним середовищем у вигляді рідкого металу вимагає вдосконалення методів розрахунку електромагнітного поля і параметрів таких систем, виявлення та оцінки взаємного впливу електромагнітних, гідродинамічних і технологічних процесів, визначення характеристик силової та теплової дії електромагнітного поля на розплав, з'ясування взаємного впливу електромагнітних параметрів індукційних пристроїв і параметрів електричної мережі та ін.

Розгляду цих питань присвячено ряд публікацій, автори яких вирішували означені задачі або з позиції квазітвердого наближення (без врахування гідродинамічних процесів), або в магнітогідродинамічній (МГД) постановці (у вигляді спільного розв'язування рівнянь електромагнітного поля, гідродинаміки і тепломасообміну). Однак, якщо перший підхід не може дати реальної картини процесів, що протікають, то другий — в силу своєї складності, що вимагає прийняття грубих допущень, — не дозволяє в більшості випадків отримати кількісні результати з необхідною для практики точністю.

Дослідження індукційних пристроїв з рідким металом в роботі запропоновано проводити з позиції електромагнітних процесів, а наявність рідкого електропровідного вторинного середовища враховувати за допомогою експериментальних (емпіричних та напівемпіричних) співвідношень (даних), які встановлюють зв'язок цих процесів з іншими процесами, в першу чергу гідродинамічними. Застосування такого підходу дає можливість ефективно і достатньо точно отримати розв'язок багатьох задач, в тому числі розрахувати електромагнітне поле і параметри індукційних пристроїв з врахуванням руху рідкого металу, визначити параметри силової дії поля (сил, тиску) на розплав та ін. Вирішення цих задач дозволяє розробити нові більш ефективні і надійні електромагнітні системи, системи живлення та керування для індукційних пристроїв і установок, що реалізують різноманітні технологічні процеси, значно розширити практичне використання їх в промисловому виробництві шляхом модернізації існуючих та створення нових ефективних електротехнічних та електротермічних технологічних комплексів (установок) для металургії та ливарного виробництва.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана у відповідності з планами наукових досліджень Інституту електродинаміки НАН України, які проводились за постановою ДКНТ СРСР (тема “Ранг”, 1985-1989 рр.), по державним науково-технічним програмам ДКНТ України (проекти №4/797 “ТЕОМ”, №5.42.04/002-92 “Бумеранг”, №7.02.02/022-92 “Модуль”, №5.42.06/006-93 “Мікрокристал”; 1992-1995 рр.), за постановами Президії НАН України (тема “Град”, 1987-1990 рр.; тема “Град-1”, 1991-1994 рр., тема “Дозатор”, 1995-1998 рр.).

Мета і задачі дослідження.

Метою дисертаційної роботи є розвиток теорії електромагнітних процесів в індукційних системах з рідким металом, визначення впливу та встановлення взаємозвязку цих процесів з гідродинамічними та технологічними процесами, а також розробка та створення на цій основі нових пристроїв і установок для електромагнітної обробки металів та сплавів.

Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні основні задачі:–

удосконалення методів розрахунку та проведення математичного моделювання електромагнітного поля в індукційних системах з врахуванням руху рідкого металу;–

розробка методу визначення електромагнітних параметрів індукційних пристроїв, який забезпечує високу точність розрахунку;–

розробка методики розрахунку електромагнітного тиску в рідкому металі індукційних систем; –

визначення характеристик силового впливу електромагнітного поля на розплав в індукційних пристроях, що реалізують різноманітні технологічні процеси;–

визначення основних закономірностей (умов виникнення, методів створення, параметрів) транзитного і обертального рухів рідкого металу, створених електромагнітними силами в каналах індукційних пристроїв;–

розробка нових електромагнітних систем, систем живлення та керування для індукційних пристроїв, що здійснюють плавку, рафінування, гранулювання та дозування металів і сплавів;–

розробка рекомендацій щодо конструктивного виконання електротехнічних комплексів (установок), які реалізують нові прогресивні технології, що поєднують в собі декілька технологічних процесів.

Наукова новизна одержаних автором результатів:–

дістав подальший розвиток метод розрахунку електромагнітного поля в індукційних пристроях, який дозволяє врахувати рух рідкого металу;–

виявлено раніш не відому властивість індукційного пристрою, яка полягає в тому, що при наявності обертального руху розплаву електромагнітний момент в його каналі виникає і в відсутності допоміжних котушок, які разом з індуктором створюють обертове магнітне поле;–

запропоновано нову методику розрахунку електромагнітного тиску, що розвивається в рідкому металі, на основі якої встановлено, що в першому наближенні впливом швидкості руху рідкого металу на розподіл електромагнітного тиску в пристроях, призначених для гранулювання та дозування металів, можна знехтувати;–

розроблено новий метод визначення електромагнітних параметрів (активних та індуктивних опорів) індукційних пристроїв з рідким металом на базі спільного використання математичного та фізичного моделювань;–

визначено умови виникнення та закономірності транзитного руху рідкого металу в каналах, створеного електромагнітними силами, при цьому вперше показано, що для багатофазних пристроїв більш прийнятним з точки зору такого руху є живлення їх індукторів від несиметричних систем електричних напруг;–

вперше встановлено закономірності обертального руху рідкого металу в каналах індукційних пристроїв, зокрема визначено, що такий рух інтенсифікує вихрові течії металу в поздовжніх перерізах каналу, а також породжує транзитну течію в канальній частині пристрою;–

розроблено нові електромагнітні засоби, що створюють транзитний і обертальний рухи рідкого металу, реалізують резонансний розпад його струменів та електромагнітне дозування.

Практичне значення отриманих результатів.

На основі виконаних досліджень розроблено та створено нові електромагнітні системи, а також системи живлення і керування для промислового обладнання, що реалізує сучасні технології індукційної плавки, очищення, гранулювання та дозування металів і сплавів, новизна яких підтверджена авторськими свідоцтвами та патентами. В тому числі:–

розроблено електромагнітні системи та системи живлення для індукційних канальних печей одно-, дво- і трифазного типів, що забезпечують транзитний рух рідкого металу в каналах. Нові конструкції печей з такими системами впроваджено на Артемівському, Кіровському, Ревдинському та Кольчугінському заводах по обробці кольорових металів; –

розроблено електромагнітні системи та системи живлення для індукційних канальних печей з обертальним рухом рідкого металу, які випробовано в промислових умовах та впроваджено на Красноярському металургійному заводі;–

розроблено комбінований пристрій для рафінування рідкого металу, який поєднує електромагнітне обертання з продуванням металу рафінуючим газом та механічним фільтруванням. Пристрій впроваджено на Красноярському металургійному заводі;–

розроблено оригінальні конструкції пристроїв для одержання металевих часток (гранул) заданих розмірів монодисперсного складу, а також системи живлення та керування для них. На базі цих пристроїв і систем створено та впроваджено ряд промислових установок для гранулювання і дозування різноманітних металів та сплавів, в т. ч. установка для виробництва свинцевого шроту продуктивністю 100 кг/год (впроваджена на СП “ЛСТ-металл”, м. С.-Петербург; АТ “Кировский завод охотничьего и рыболовного снаряжения”, м. Кіров; СП “Сапсан-спорт”, м. Бровари Київської області; АП “Сокіл”, м. Київ), установка для виробництва алюмінієвих гранул продуктивністю 600кг/год (АТ “Волгоградский алюминиевый завод”), установка для гранулювання складнолегованих алюмінієвих сплавів (Красноярський металургійний завод).

Особистий внесок автора. Автору належать наступні основні наукові результати, що отримані в роботі:–

удосконалений метод розрахунку електромагнітного поля в індукційних системах з обертальним рухом рідкого металу в каналах;–

метод визначення електромагнітних параметрів індукційних канальних пристроїв, розроблений на базі математичного та фізичного моделювань;–

методика розрахунку електромагнітного тиску в рідкому металі пристроїв для гранулювання та дозування металів і сплавів;–

закономірності транзитного і обертального рухів рідкого металу в каналах індукційних пристроїв для плавки та рафінування металів і сплавів;–

нові конструктивні та схемні рішення електромагнітних систем, систем живлення і керування для індукційних канальних печей, пристроїв для рафінування, МГД грануляторів та багатоструменевих дозаторів.

Апробація результатів дисертації.

Матеріали дисертації доповідались і обговорювались на 6 міжнародних, 13 всесоюзних і 2 республіканських конференціях, конгресах, симпозіумах, нарадах і семінарах, в тому числі:

7-ій, 8-ій, 9-ій, 10-ій, 11-ій, 12-ій, 13-ій і 14-ій Рижських нарадах з магнітної гідродинаміки (Рига, 1972, 1975, 1978, 1981, 1984, 1987, 1990 і 1995рр.); 4-ій всесоюзній нараді з якості електричної енергії (Вінниця, 1978р.); 2-ій всесоюзній науково-технічній конференції “Применение магнитной гидродинамики в металлургии и литейном производстве” (Київ, 1981 р.); 8-ій всесоюзній науково-технічній нараді по електротермії та електротермічному обладнанню (Чебоксари, 1985 р.); 2-ій всесоюзній конференції по металургії гранул (Москва, 1987 р.); 2-ому республіканському науково-технічному семінарі “Электрофизические технологии в порошковой металлургии” (Рига, 1986 р.); міжнародному симпозіумі IUTAM “Symposium on Liquid Metal MHD” (Рига, 1988 p.); всесоюзній конференції “Физика и техника монодисперсных систем” (Москва, 1988 р.); 3-ій республіканській науково-технічній конференції “Математическое моделирование в энергетике” (Одеса, 1989 р.); міжнародному конгресі “The Sixth International Iron and Steel Congress” (Японія, 1990 р.); всесоюзній конференції “Математическое моделирование в энергетике” (Київ, 1990 р.); міжнародній конференції “МHD Processes to Protection of Environment” (Київ-Одеса, 1992 р.); 2-ій міжнародній конференції “Energy Transfer in Magnetohydrodynamic Flows” (Франція, 1994 р.); міжнародному семінарі “The Eighth Beer-Sheva International Seminar on MHD Flows and Turbulence” (Ізраїль, 1996р.).

Публікації результатів наукових досліджень.

По темі дисертації опубліковано 83 наукові праці (1 брошура, 38 статтей в фахових наукових виданнях, 6 статтей в галузевих збірниках, 5 препринтів, 33 тези доповідей), отримано 8 патентів (Швеція, Франція, ФРН, НДР, Болгарія) і 38 авторських свідоцтв (СРСР) на винаходи.

Структура і обсяг роботи.

Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновку, списку літературних джерел та додатку.

Загальний обсяг роботи складає 354 сторінки. На 143 сторінках розмі-щені 97 рисунків, 8 таблиць, список літератури із 157 найменувань і 1 додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовані мета та задачі наукового дослідження, викладено наукову новизну, практичне значення та реалізацію результатів дисертації, приведено відомості про апробацію і публікації.

Необхідність вирішення поставлених в роботі наукових задач безпосередньо витікає з практичних потреб більш широкого застосування в металургійному та ливарному виробництвах ефективних методів і засобів електромагнітної обробки металів та сплавів, що забезпечують істотне поліпшення технологічних процесів, підвищення ефективності промислового обладнання, а також дозволяють створити нові більш ефективні ресурсо- і енергозберігаючі (а в багатьох випадках і екологічно чисті) технології і установки. Під електромагнітною обробкою металів та сплавів тут мається на увазі силова і теплова дія електромагнітного поля на метал в процесі індукційної плавки, технологічної обробки розплаву з метою приготування сплаву і його очищення (рафінування), а також в процесі формування готових виробів (напівфабрикатів), включаючи дозовану подачу рідкого металу та його кристалізацію.

У першому розділі виконано аналіз індукційних пристроїв, електромагнітні системи яких містять вторинне електропровідне середовище у вигляді рідкого металу. Проведено класифікацію таких пристроїв по характеру впливу електромагнітного поля на розплав, призначенню, режиму роботи, частотному діапазону, характеру навантаження для електричної мережі і геометричній формі електромагнітної системи. Показано, що, незважаючи на суттєві відмінності технологій, пристрої, що їх реалізують,— досить схожі між собою в електромагнітному відношенні. Як правило, це — індукційні пристрої (значна частина яких названа МГД пристроями) з феромагнітним осердям (магнітопроводом), чи без нього, електромагнітні системи яких містять об’єм з рідким металом.

Для індукційних пристроїв, що виконують плавку та очищення рідких металів, визначено і сформульовано основні практичні (технологічні) задачі, що вимагали вирішення перерахованих вище наукових задач. Серед них — інтенсифікація тепломасообміну в індукційних плавильних пристроях за рахунок створення електромагнітним шляхом транзитного руху рідкого металу в каналах, зменшення “заростання” стінок каналів оксидами і поліпшення якості металу завдяки застосуванню обертального руху металу та ін. Вирішення означених задач можливо за допомогою нових електромагнітніх систем та систем живлення, здатних забезпечити необхідний режим течії рідкого металу для того, чи іншого типу індукційного обладнання, а також забезпечити електромагнітну сумісність цих пристроїв з електричною мережею.

Представлено низку конструкцій індукційних пристроїв для гранулювання та дозування різноманітних металів і сплавів, принцип дії яких засновано на використанні керованого (резонансного) розпаду струменів рідкого металу та електромагнітного дозування. В обох випадках в якості збуджуючих (керуючих) сил використовуються електромагнітні сили, що виникають в рідкому металі в результаті взаємодії електричного струму з магнітним полем індуктора або електромагніту. Створення промислового обладнання для реалізації цих процесів вимагає розробки та дослідження електромагнітних систем індукційних пристроїв, а також систем живлення і керування для них, які дозволяють забезпечити необхідний технологічний режим виробництва металевих часток (гранул, мікровідливків) заданих розмірів та форми.

У другому розділі для індукційних пристроїв, що виконують плавку і рафінування металів, запропоновано декілька математичних моделей, які дозволяють розрахувати електромагнітне поле, визначити електромагнітні сили, що виникають в рідкому металі, а також розробити методи розрахунку електромагнітних параметрів таких пристроїв.

Для індукційних канальних пристроїв з круглими циліндричними каналами (рис. 1) отримано аналітичний розв'язок задачі розрахунку електро-

Рис.1. Електромагнітна система (індукційна одиниця) канальної печі: 1 – індуктор, 2 – магні-топровод, 3-6 – канали (канальна частина), 7 – каркас.

Рис.2. Відносна густина струму в поздовжньому перерізі циліндричного каналу (— R =0,08м; - - - R = 0,1 м; значення радіуса = r/R умовно прийняті від’ємними для області каналу, що розміщена ближче до індуктора; – експериментальні дані для R = 0,08 м).

магнітного поля. Задача розглядалась в осесиметричній постановці (в координатах ) для круглого і прямокутного магнітопроводів. Методом Фур'є при відповідних граничних умовах (для трьох областей) розв'язано рівняння Гельмгольця для напруженості електричного поля індукційного пристрою

,

де — кутова частота струму індуктора, — питома електропровідність металу, . Математична модель розрахунку побудована з врахуванням металевого (екрануючого) каркасу циліндричного каналу. Обмотка індуктора замінювалась нескінченно тонким шаром струму, а магнітопровод вважався ідеальним (). Постійні інтегрування у випадку прямокутного магнітопроводу визначались на основі методу граничних колокацій.

Одержаний розв'язок дозволив знайти розподіл густини струму в рідкому металі, визначити електромагнітні параметри індукційних канальних печей, а також виконати аналіз залежностей цих величин від геометричних розмірів електромагнітної системи і електрофізичних властивостей рідкого металу та екрануючого каркасу. Розбіжність розрахованих і виміряних на фізичній моделі печі значень густини струму не перевищила 10-15% (рис.2).

Поряд з індукційними пристроями з круглими каналами в промисловому виробництві існує цілий ряд пристроїв, канали яких мають іншу форму поперечного перерізу (прямокутну, овальну тощо). Отримати аналітичний розв'язок для таких конфігурацій дуже складно, тому визначення електромагнітного поля для цих випадків здійснювалось чисельним способом, в основному з залученням методу інтегральних рівнянь. На його основі виконано чисельні експерименти для індукційних канальних печей різноманітних конструкцій. Зокрема одержано розподіли густини індукованих в рідкому металі струмів та електромагнітних сил для каналів, що мають прямокутну, квадратну і круглу в поперечному перерізі форми.

Циліндрична форма каналів, яка в більшості випадків використовується в пристроях для плавки та рафінування алюмінієвих сплавів, є сприятливою для створення в них обертального руху рідкого металу. По даним експериментальних досліджень такий рух дозволяє значно поліпшити ряд технологічних і експлуатаційних параметрів сучасного плавильного обладнання, зокрема знизити “заростання” каналів в індукційних печах, інтенсифікувати тепломасообмін, поліпшити якість сплавів. В роботі показано, що досить просто і достатньо ефективно отримати обертання металу в каналах можна за допомогою електромагнітних систем, які створюють обертове магнітне поле шляхом накладання на існуюче поле пристрою (поле розсіювання індуктора) магнітного поля однієї або декількох допоміжних котушок.

Наявність в таких пристроях великих окружних швидкостей металу в каналах призводить до значного вкладу в результуюче поле індукованого електричного поля . Тому розрахунок електромагнітного поля в цьому випадку, який виконувався на основі методу інтегральних рівнянь, проводився з урахуванням швидкості руху рідкого металу. Для індукційних пристроїв з обертальним рухом металу інтегральні рівняння для напруженості електричного поля в металі (з урахуванням індукованого за рахунок руху поля) і зв'язаних на границі магнітопроводу струмів намагнічення записувались у наступному вигляді:

+=,

+=

де

= ––+

= ––; ;

, і – області перерізу рідкого металу, індуктора і допоміжної котушки відповідно (рис. 3), – лінія, що позначає границю магнітопроводу; ; В — індукція магнітного поля.

Рис.3. Розрахункова модель індукційного канального пристрою.

Рис.4. Розподіл азимутальних електромагнітних сил на поверхні циліндричного каналу.

Розв'язування цих рівнянь проводилось спільно з отриманою в роботі (за допомогою фізичного моделювання) напівемпіричною інтегральною залежністю, що зв'язує швидкість обертального руху металу з розрахунковими азимутальними силами ,

,

де — радіус циліндричного каналу, — показник профілю швидкості в ядрі течії, — густина і коефіцієнт кінематичної в'язкості рідкого металу, N і n —емпіричні коефіцієнти (в діапазоні чисел Рейнольдса ),

Як показали розрахунки, наведена залежність дає більш точні значення швидкості для таких систем, ніж, наприклад, дані, що були одержані в результаті розвязування відповідного диференціального рівняння руху рідкого металу.

В результаті проведеного аналізу розрахованих таким чином електромагнітних сил, встановлено, що при вимкненій допоміжній котушці (ампер-витки котушки ) сили , що виникають в циліндричному каналі індукційного пристрою, симетрично розподілені відносно діаметральної площини, яка проходить уздовж каналу перпендикулярно осі індуктора (пунктирна лінія на рис.4), а тому усереднені по азимутальні сили, а також момент цих сил відносно осі каналу дорівнюють нулю. Якщо рідкий метал в такому каналі первісно призвести до обертання за допомогою сторонніх сил, розподіл стає несиметричним (суцільна лінія для на рис.4) і по аналогії з однофазним асинхронним двигуном в каналі виникає електромагнітний момент, спрямований в сторону обертання металу. При усереднені по сили , а також обертовий електромагнітний момент значно збільшуються. Їхні значення відмінні від нуля навіть при = 0, тому рідкий метал в цьому випадку приходить в рух і без початкового впливу сторонніх сил.

Розробка і створення індукційних канальних пристроїв з рідким металом вимагає знання їх електромагнітних параметрів, тобто активних та індуктивних опорів як пристрою в цілому, так і окремих його елементів. Проведені аналітичні та чисельні розрахунки електромагнітного поля дозволили розробити метод та визначити ці параметри для системи індуктор-канал, а також окремо для каналу та індуктора. Для дво- і трифазних канальних пристроїв цей метод дозволяє врахувати взаємний електромагнітний вплив окремих каналів при живленні пристрою від будь-якої (симетричної або несиметричної) системи напруг. Порівняння розрахованих значень електромагнітних параметрів з експериментальними даними, отриманими на промислових установках (печах), показало, що його похибка складає 15-20%.

На основі методу фізичного моделювання запропоновано новий підхід до визначення електромагнітних параметрів індукційних канальних пристроїв з рідким металом. Він передбачає побудову фізичної моделі пристрою з додержанням умови геометричної подібності. Отримано математичні співвідношення, що дозволяють по виміряним на фізичній моделі даним визначити параметри промислового (натурного) обладнання (за умови дотримання електромагнітної подібності ). Оскільки точність розрахунку параметрів по цьому методу більш висока (похибка складає менше 10%), враховуючи трудомісткість їх визначення, визнано за необхідне об'єднати обидва методи в один. При цьому рекомендовано математичне моделювання використовувати на етапі проведення оптимізаційних розрахунків і визначення основних геометричних співвідношень електромагнітних систем, а фізичне моделювання — на етапі уточнюючих (перевірочних) розрахунків при розробці (конструюванні) конкретних індукційних пристроїв.

У третьому розділі наведені результати математичного моделювання електромагнітних процесів в пристроях для гранулювання та дозування металів і сплавів. Такі пристрої в залежності від типу електромагнітної системи умовно поділено на тигельні, канальні та з зовнішнім магнітним полем. Останні бувають як з індукційним, так і з кондукційним підведенням електричного струму в канал.

Для тигельних пристроїв гранулювання, що реалізують резонансний розпад струменів рідкого металу (рис.5), розраховано електромагнітне поле, визначено постійні та змінні (які змінюються в часі з подвоєною частотою струму) складові електромагнітних сил та електромагнітного тиску, що розвиваються в рідкому металі. Розрахунок електромагнітного поля і сил виконано на основі методу інтегральних рівнянь, а електромагнітний тиск знаходився із спільного розв'язку рівняння руху (рівняння Нав'є-Стокса) з урахуванням дії електромагнітних сил та рівняння нерозривності. Задача розв'язувалась в два етапи — при роздільному обліку дії постійних і змінних складових сил.

На першому етапі чисельному розрахунку піддавалась система рівнянь:

; ,

де — сума електромагнітного (постійного) і гідростатичного тисків, — турбулентна в'язкість (визначалась експериментально).

На другому етапі розраховували пульсації швидкості і електомагнітного тиску . В цьому випадку розв'язували лінеаризоване рівняння руху та рівняння нерозривності в комплексній формі:

; .

В результаті виконаних чисельних розрахунків визначено обидві складові електромагнітного тиску, що розвивається на дні тигля МГД гранулятора, для різних значень відносної висоти індуктора , де – висота індуктора, – висота рідкого металу в тиглі (див. рис.6). Аналогічні розрахунки були виконані також в гідростатичному наближенні, тобто без врахування руху рідкого металу . Виходячи з отриманих даних, зроблено висновок, що розрахунок електромагнітного тиску в першому наближенні можна виконувати без врахування швидкості руху рідкого металу, тобто замість розв'язування диференціального рівняння руху можна скористатися простим інтегруванням відповідних складових електромагнітних сил.

Рис.6. Електромагнітний тиск на дні тигля МГД гранулятора (— ; - - - ).

Для МГД грануляторів тигельного типу проведено дослідження декількох характерних конструктивних схем таких пристроїв, які відрізняються наявністю феромагнітного осердя, формою тигля, місцем розташування фільєр, що формують струмені рідкого металу, наявністю пінокерамічного фільтру в тиглі, який використовується для очищення розплаву, та ін. Визначено вплив феромагнітного осердя (його розмірів, розташування відносно металу), а також геометричних співвідношень інших елементів (області, зайнятої рідким металом, положення фільтру в тиглі та ін.) на електромагнітний тиск, що розвивається в рідкому металі. Визначені оптимальні місця розташування фільєр.

Для індукційних пристроїв, що мають великі області, зайняті рідким металом, розрахунок електромагнітного поля запропоновано виконувати за допомогою комбінованих методів, зокрема методу граничних елементів-кінцевих різниць. Застосування такого підходу дозволяє реалізувати переваги кожного із базових методів, оскільки, як відомо, для розв'язання задачі в лінійній обмеженій або необмеженій області доцільно вживати метод граничних елементів, а в обмеженій (в т. ч. нелінійній) — метод кінцевих різниць. Комбінований метод застосовувався для розрахунку електромагнітного поля в індукційних пристроях гранулювання канального типу (рис.7). Метод граничних елементів використовувався для області, зайнятої магнітопроводом, і області, розташованої між каналом (металом) та магнітопроводом. Для них записувались відповідні граничні рівняння для векторного потенціалу, розв'язок яких розглядався далі в якості граничної умови для внутрішньої задачі (в області рідкого металу), яка розв'язувалась методом кінцевих різниць. Виконані розрахунки показали, що максимальні значення тиску (обох складових) досягаються на протилежній з боку індуктора поверхні каналу, де і доцільно в першу чергу монтувати фільєри.

Рис.7. Схема МГД гранулятора канального типу: 1 – канал, 2 – індуктор, 3 – магнітопровод.

Рис.8. Схема гранулятора із зовнішнім магнітним полем: 1– канал, 2– осердя електромагніту,

3 –котушки.

Збільшити електромагнітний тиск в рідкому металі в пристроях МГД гранулювання можна за рахунок зовнішнього магнітного поля (рис.8). Для таких електромагнітних систем визначено електромагнітні сили і тиск в рідкому металі каналів з електропровідними стінками, що мають прямокутну і круглу форми в поперечному перерізі. Зокрема виконано розрахунки для каналу, розташованого в постійному магнітному полі, до якого від окремого джерела живлення підводиться синусоїдальний струм частоти та постійний струм. Наявність двох видів електричного струму в такому пристрої дозволяє роздільно керувати швидкістю витоку рідкого металу з каналу, а також вносити необхідні збурення в струмені для забезпечення їх регулярного розпаду. В результаті взаємодії означених струмів з власними магнітними полями та зовнішнім полем електромагніту в рідкому металі виникають електромагнітні сили і тиск, які мають постійну та дві змінні складові, що змінюються в часі з частотами і 2. На підставі проведених розрахунків з'ясовано, що для реальних значень полів і струмів змінна складова тиску подвоєної частоти приблизно на два порядки менша за складову одинарної частоти і нею можна знехтувати.

У четвертому розділі представлені результати експериментального дослідження та розробок нових індукційних пристроїв для плавки і рафінування металів і сплавів.

На основі фізичного моделювання з використанням легкоплавких металів (галія та сплаву Вуда) виконано дослідження механізмів виникнення та методів створення транзитної течії рідкого металу в каналах, яка дозволяє значно інтенсифікувати тепломасообмін в індукційних канальних пристроях (плавильних печах). В результаті визначено, що створити такий рух можливо за рахунок організації в канальній частині пристрою “насосних” ділянок, які реалізують взаємодію індукованого в металі струму з власним магнітним полем. Такі ділянки виникають в місцях, де є значна кривизна ліній електричного струму. В першу чергу, це — гирла каналу, тобто частини каналу, якими він стикується з ванною печі. Розподіл електромагнітних сил у них такий, при якому кожна з цих ділянок прагне качати метал із каналу в ванну. Якщо штучно (за рахунок кривизни) послабити дію одного гирла, а іншого посилити, в каналі виникає проточна течія, при якій метал із ванни надходить в канал через одне гирло, а покидає його через інше.

Стосовно індукційних багатофазних пристроїв (для дво- та трифазних канальних печей) встановлено, що розподіл електромагнітних сил в рідкому металі цих пристроїв суттєво залежить також від системи електроживлення. Для деяких форм (конфігурацій) каналів зміна системи електричних напруг, що живлять пристрій, (величин і початкових фаз) призводить навіть до зміни напрямку (реверсу) транзитної течії. Експериментально доведено, що для більшості трифазних пристроїв оптимальними (більш прийнятними) з точки зору тепломасообміну є несиметричні системи живлення (схеми з'єднання індукторів).

Дослідження індукційних пристроїв з транзитною течією рідкого металу виконувались на фізичних моделях з дотриманням умов геометричної та електромагнітної подібностей. З метою забезпечення можливості проведення порівняльного аналізу обробку і подання дослідних даних здійснювали в критеріальному вигляді — у вигляді залежностей критерію Пекле (uтр — середньовитратна швидкість транзитної течії, — товщина або діаметр каналу, — коефіцієнт температуропровідності) і відносної температури (— максимальна температура металу в каналах, – температура плавлення металу, – ефективна (умовна) температура, яка була б в середньому по довжині каналу перерізі, як би передача тепла здійснювалась тільки за рахунок теплопровідності) в залежності від електромагнітного параметра (— струм в каналі, g — прискорення сил земного тяжіння). На рис.9, як приклад, наведено залежності відносної температури від параметра М, які демонструють вплив систем електричних напруг на тепломасообмін в трифазній канальній печі.

На підставі проведених досліджень розроблено електромагнітні системи (індукційні одиниці) для канальних печей одно-, дво- і трифазного типів з транзитною течією рідкого металу в каналах, а також розроблено системи (джерела) живлення для них (з симетро-компенсуючими пристроями), які забезпечують необхідний розподіл електромагнітних сил в рідкому металі, компенсують реактивну енергію пристроїв і симетрують струми, що споживаються з електричної мережі. Розробки використано при модернізації існуючих і створенні нових індукційних канальних печей для плавки чавуну, міді та сплавів на її основі. Промислові випробування і впровадження цих розробок здійснено на 4-ох заводах по обробці кольорових металів України і Росії. В результаті цього впровадження вдалося на 25-30% підвищити продуктивність плавильного обладнання, збільшити в середньому у 1,5 рази ресурс роботи печей, знизити на 10-15 кВтгод/т питомі витрати електроенергії, зменшити втрати металу.

Проведено дослідження індукційних канальних пристроїв з циліндричними каналами з метою створення в них обертального руху рідкого металу за рахунок використання власного електромагнітного поля. Запропоновано та розроблено декілька електромагнітних систем, що зумовлюють такий рух в індукційних канальних печах. Найбільш ефективними серед них виявились системи, обертання металу в яких здійснюється за рахунок обертового магнітного поля, створеного індуктором (полем розсіювання) пристрою і однією або декількома допоміжними котушками (рис.10). Запропоновано три варіанти конструктивного виконання таких систем, коли допоміжні котушки розміщуються вздовж каналів (сідловидні котушки) (рис.10б), намотані на бокові стрижні магнітопроводу (рис.10в) або розміщені на індукторі (рис.10г). В усіх випадках приєднання котушок до електричної мережі здійснюється таким чином, щоб магнітні поля індуктора і котушок мали між собою просторові і фазові кути, які забезпечують появу обертового магнітного поля (90 град.).

Рис. 10. Схеми індукційного пристрою з обертальним рухом рідкого металу в каналах:

1 – канальна частина, 2 – індуктор, 3 – магнітопровод, 4 – допоміжні котушки.

Рис.11. Відносна температура в печі при обертанні металу в охопленому (1) і нео-хопленому (2) магнітопроводом каналах, при обертанні в обох каналах (3) та в його відсутності (4).

На фізичних моделях проведено експериментальні дослідження кінематичної структури обертального руху (за допомогою електромагнітного датчика швидкості, гідродинамічних вертушок і трубки Піто) в таких системах. В результаті були встановлені основні закономірності такого руху, зокрема показано, що наявність електромагнітного обертання металу в каналах посилює замкнуті вихрові течії металу в їх поздовжніх перерізах. Метал із ванни пристрою в цьому випадку надходить в канал через осьову область, а покидає його біля стінок, виконуючи гвинтовий рух. Крім того виявлено, що при нерівномірному розподілі кутової швидкості обертального руху вздовж каналу він викликає транзитну течію в канальній частині пристрою. З’ясовано, що обидві ці течії суттєво інтенсифікують тепломасообмін, значно знижуючи перегрів металу в каналах. Найменші значення відносної температури досягають при обертанні металу в одному із двох циліндричних каналів (особливо в охопленому магнітопроводом каналі) (див. рис.11).

Для систем, призначених для очищення (рафінування) рідких металів, проведено дослідження процесу сепарації неметалевих включень в обертовому потоці розплаву, створеного електромагнітними силами. Дослідження виконувались на індукційній установці з циліндричним каналом, внутрішній діаметр якого мав розмір 140 мм, а довжина — 280 мм. Електромагнітному обертанню піддавались алюміній і сплави на його основі. В результаті проведених досліджень зясовано, що неелектропровідні включення (оксидні частки), які звичним чином знаходяться в розплаві, із-за відмінності в своїх розмірах рухаються з різною швидкістю, що веде до їх зіткнень і коагулювання. При цьому ці частки збільшуються, створюючи шароподібні конгломерати, обємна густина яких за рахунок адсорбції на своїй поверхні газу (водню) стає менше густини рідкого металу (алюмінію). В полі відцентрових сил такі утворення рухаються в напрямку осі каналу і після вимкнення електромагнітної системи виринають на поверхню розплаву.

Таким чином, на відміну від звичайних канальних печей, в яких означені частки під дією електромагнітних сил мігрують до стінок каналів, осідаючи на них і викликаючи “заростання” каналів (що значно погіршує роботу і експлуатацію печей), в циліндричному каналі з обертальним рухом відбувається своєрідний захист його стінок від попадання на них неметалевих включень. Крім того, оскільки отримані в процесі обертання конгломерати часток легко виводяться з розплаву, запропоновано використати цей процес для очищення рідкого металу від твердих і газоподібних домішок.

Дослідження ефективності такого очищення (з періодичним відбором проб на вміст оксидів і водню в процесі обертання металу) показав, що характерний час, за який концентрація часток в розплаві значно (в декілька разів) знижується, складає ~1 годину. Отже, даний метод очищення може бути використано в першу чергу в тих випадках, коли з технологічної точки зору є можливість вести цей процес в період означеного часу, наприклад, в індукційних канальних печах, суміщаючи процес плавки з одночасним очищенням.

На підставі отриманих результатів спільно з Красноярським металургійним заводом розроблено індукційну канальну піч для плавки алюмінієвих сплавів з обертальним рухом рідкого металу в каналах. Вона має циліндричну ванну, до якої підстиковано дев'ять індукційних одиниць, потужністю 350 кВт кожна. Їхні електромагнітні системи містять допоміжні котушки, які намотані на індуктор (див. рис.10г). Розроблено також систему живлення такої печі. Електрична схема живлення кожної одиниці включає в себе ємність (конденсаторну батарею), яка призначена для компенсації реактивної енергії і одночасного забезпечення необхідного фазового кута між струмами в індукторі та допоміжних котушках.

Випробування дослідно-промислового зразка цієї печі показало, що перегрів металу в її каналах нижче, ніж в печі без обертального руху (приблизно на 50%). В процесі роботи печі спостерігався вихід в ванну (на поверхню розплаву) шароподібних конгломератів різних розмірів (особливо при плавці алюміній-магнійових сплавів). Необхідність в механічному чищенні каналів цієї печі виникла тільки після 2-ох місяців її експлуатації. При цьому частота застосування такої операції була в декілька раз меншою, ніж в звичайних печах.

Окрім індукційних канальних печей електромагнітне обертання металу запропоновано використати також в системах позапічної обробки з метою рафінування розплаву в процесі лиття. Оскільки час знаходження металу в таких системах (при безперервному литті) малий, доцільно його застосовувати в поєднанні з іншими відомими методами очищення. На базі електромагнітних систем обертального руху розроблено комбінований індукційний пристрій для рафінування алюмінієвих сплавів, що поєднує в собі пропускання змінного електричного струму через метал, обертання його в циліндричному каналі, продування металу рафінуючим газом та механічне фільтрування (рис.12).

Пристрій монтується між роздавальною піччю (міксером) та ливарною машиною. Рідкий метал з печі надходить в один із циліндричних каналів і розкручується там за допомогою електромагнітної системи. Сюди ж (в нижню частину каналу) вводиться інертний і/або активний газ. Дисперговані за рахунок обертального руху металу частки газу, виринаючи в потоці розплаву, зіштовхуються з оксидними частками і виносять (флотують) їх на поверхню. Після цього рідкий метал через нижній канал потрапляє в другий циліндричний канал. Неметалеві частки, що залишилися в металі, в обертовому потоці цього каналу коагулюють, тобто збільшуються, що сприяє більш ефективному наступному фільтруванню їх за допомогою керамічного фільтру, встановленого на виході пристрою.

Дослідження цього пристрою в промислових умовах (на Красноярському металургійному заводі) показало, що у випадку лиття алюмінієвих сплавів він дозволяє в 2-3 рази знизити вміст газу і неметалевих включень в розплаві.

П'ятий розділ дисертації присвячено розробці та дослідженню електромагнітних систем, систем живлення і керування індукційних установок для гранулювання та дозування рідких металів.

Велика потреба в металевих гранулах зумовила розробку нових методів гранулювання, один з яких запропоновано в Інституті електродинаміки НАН України. Він реалізує керований (резонансний) розпад струменів рідкого металу під дією періодичних електромагнітних сил і дозволяє одержувати гранули рівних розмірів з різноманітних металів та сплавів. В роботі виконано дослідження трьох типів пристроїв для гранулювання рідких металів: тигельних грануляторів, канальних грануляторів та грануляторів із зовнішнім магнітним полем. В результаті проведеного порівняльного аналізу визначено, що в конструктивному відношенні найбільш простими в реалізації є тигельні гранулятори, однак по рівню збуджуючих електромагнітних сил та можливості регулювання і керування процесом гранулювання більш ефективними є пристрої з зовнішнім магнітним