НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

ГЛУХЕНЬКИЙ Олександр Іванович

УДК 621.74 : 537.84

СИСТЕМИ ДОЗУВАННЯ РІДКИХ МЕТАЛІВ

З ПЕРЕХРЕСНИМИ ЕЛЕКТРИЧНИМИ і МАГНІТНИМИ ПОЛЯМИ

ПРИ ПОВЗДОВЖНЬОМУ СТРУМІ В КАНАЛІ

Спеціальність 05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі стабілізації параметрів електромагнітної енергії Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Науковий керівник – доктор технічних наук, с.н.с.,

Гориславець Юрій Михайлович,

Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ,

провідний науковий співробітник відділу стабілізації параметрів електромагнітної енергії.

Офіційні опоненти: – доктор технічних наук, с.н.с.,

Подольцев Олександр Дмитрович,

Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ,

провідний науковий співробітник відділу електроживлення технологічних систем;

– кандидат технічних наук, с.н.с.,

Фікссен Владислав Миколайович,

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, м.Київ, старший науковий співробітник відділу магнітної

гідродинаміки.

Провідна установа – Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України (відділ електротермії), м. Київ.

Захист дисертації відбудеться 20 червня 2007 р. об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 в Інституті електродинаміки НАН України, за адресою: 03680, Київ-57, проспект Перемоги, 56, тел.456-91-15.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за вищевказаною адресою.

Автореферат розіслано 15 травня 2007 р.

Т.в.о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради Ю. М. Васецький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

В сучасній металургії та ливарному виробництві знаходять все більше застосування електротехнології, що ґрунтуються на силовому впливі електромагнітного поля на рідкий метал. Одним з напрямків широкого практичного використання електромагнітних пристроїв в цій області є порційне дозування рідких металів. На даний час розроблені та впроваджені в промислове виробництво електромагнітні пристрої і установки, здатні дозувати різні метали та сплави (свинець, алюміній, чавун та ін.). Такі пристрої переважно реалізують прямоточну схему дозування, яка внаслідок її високої гідродинамічної інерційності не дозволяє досягти високої точності і продуктивності цього процесу, особливо при одержанні малих доз рідкого металу. В той же час потреба в таких дозах (виливках) досить значна. Виливки малих розмірів, наприклад, з алюмінію необхідні в якості розкислювача при виробництві якісної сталі або як заготовки при масовому виробництві невеликих деталей, а також у багатьох інших випадках.

Актуальність теми. Покращення технічних характеристик систем електромагнітного дозування рідких металів може бути досягнуто за рахунок поєднання малоінерційної схеми стопорного дозування з ефективною електромагнітною системою. Електромагнітні сили в стопорній системі періодично компенсують гідростатичний тиск рідкого металу, формуючи тим самим паузу в циклі дозування. Видача доз металу відбувається або під дією лише гідростатичного тиску (при знятті електромагнітних сил), або при сумісній його дії з електромагнітним тиском (шляхом реверсування електромагнітних сил). Проведені дослідження показують, що схемо-технічне рішення електромагнітної системи з перехресними електричними і магнітними полями при повздовжньому струмі в каналі забезпечує чітке і надійне формування доз металу, дозволяє отримання декількох доз одночасно, даючи можливість в такий спосіб істотно збільшити точність і продуктивність процесу дозування.

Розробка зазначених систем викликала необхідність розгляду електромагнітних процесів, визначення електромагнітних параметрів і силового впливу поля на рідкий метал, а також вивчення гідродинамічних процесів в стаціонарному та нестаціонарних (перехідних) режимах. Стопорне електромагнітне дозування є відносно новим, складним та малодослідженим процесом, що вимагає в першу чергу встановлення взаємозалежностей між характером силового дії електромагнітного поля на рідкий метал та гідродинамічними параметрами процесу дозування. Тому розвиток теорії електромагнітних дозаторів, що реалізують малоінерційну стопорну схему дозування, який в практичному плані спрямований на створення ефективних систем з підвищеними продуктивністю та точністю дозування, є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлена дисертація є результатом науково-дослідних робіт, які виконано в Інституті електродинаміки НАН України у відповідності з Постановами Бюро Відділення фізико-технічних проблем енергетики НАН України, за темами: “Дослідження періодичного впливу електромагнітних полів на рідкий метал та розробка ефективних систем для дозування і кристалізації металевих розплавів” (шифр “Дозатор”, №ДР 0195U011036, 1994-1998 рр.), “Розвинути теорію побудови та створити дослідні зразки електромагнітних систем, систем живлення та керування для установок електромагнітного дозування рідких металів” (шифр “Дозатор-2”, №ДР 0199U002298, 1998-2002 рр.), “Визначити характеристики перехідних процесів в системах електромагнітного дозування рідких металів та розробити для них нові системи живлення та керування” (шифр “Дозатор-3”, №ДР 0103U000199, 2003-2006 рр.); пошукової науково-дослідної роботи, яку виконано згідно з рішенням Вченої ради Інституту електродинаміки НАН України “Дослідити режими систем електромагнітної обробки металів, зокрема при нестабільних параметрах електроживлення” (шифр “Дельта-П”, №ДР 0101U003395, 2001-2003 рр.) та багатьох господарських договорів. При їх виконанні автором (в якості виконавця або відповідального виконавця) розроблено математичні моделі електромагнітних і гідродинамічних процесів в дозуючих пристроях, виконано експериментальні дослідження систем дозування рідкого металу. Автор приймав участь у розробленні нових схемо-технічних рішень електромагнітних систем, систем електроживлення та керування для дослідно-промислових зразків електромагнітних дозаторів.

Мета і задачі наукового дослідження. Метою дисертаційної роботи є подальший розвиток теорії електромагнітних процесів в системах з перехресними електричними і магнітними полями при повздовжньому струмі в каналі, що реалізують стопорний режим дозування рідкого металу, та розробка на цій основі нових пристроїв і установок з підвищеними продуктивністю і точністю дозування.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:–

виконати аналіз систем електромагнітного дозування рідкого металу та обґрунтувати схемо-технічні рішення, що забезпечують підвищення точності і продуктивності дозування;–

розробити математичні моделі електромагнітних процесів в системах з перехресними електричними і магнітними полями при кондукційному та індукційному введенні електричного струму в канал;–

теоретично обґрунтувати і розробити методики розрахунку електромагнітних параметрів дозуючих пристроїв;–

визначити характеристики силового впливу електромагнітного поля на рідкий метал в системах дозування;–

встановити взаємозв'язок електромагнітних і гідродинамічних характеристик при дозуванні рідких металів;–

визначити закономірності перехідних процесів в електромагнітних дозаторах та розробити для них ефективні системи живлення і керування.

Об'єктом дослідження є системи електромагнітного дозування рідких металів з перехресними електричними і магнітними полями.

Предметом дослідження є електромагнітні і гідродинамічні процеси в дозаторах рідкого металу з поперечним магнітним полем і повздовжнім електричним струмом.

Методи дослідження базуються на наукових положеннях теорії електромагнітного поля, теоретичної електротехніки і гідродинаміки. Математичне моделювання електромагнітних і гідродинамічних процесів в електромагнітних дозуючих пристроях виконувалось за допомогою аналітичних і чисельних методів розрахунку. Дослідження нестаціонарних електромагнітних процесів проводилися з використанням програм імітаційного моделювання. Достовірність і правомірність результатів визначалася шляхом порівняння з експериментальними даними, отриманими на фізичних моделях.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:–

одержала подальший розвиток теорія електромагнітних дозаторів рідкого металу на основі перехресних електричних і магнітних полів, що реалізують стопорний режим дозування, в напрямку встановлення основних закономірностей електромагнітних і гідродинамічних процесів в стаціонарних і перехідних режимах;–

вперше встановлено, що в електромагнітному дозаторі із зовнішнім магнітним полем і поздовжнім струмом власна індуктивність каналу менше приведеної до одного витка його взаємної індуктивності з котушкою електромагніту;–

для електромагнітного дозатора з індукційним введенням струму в канал вперше розроблено коло-польову квазітривимірну модель для розрахунку електромагнітного поля дозатора при живленні його від джерел напруги;–

вперше встановлені співвідношення між електромагнітним і гідростатичним тисками в каналі електромагнітного дозатора, що забезпечують утримання рідкого металу над зливними отворами, в залежності від розподілу електромагнітних сил;–

запропоновано та розроблено нові схемо-технічні рішення систем живлення і керування стопорних електромагнітних дозаторів, що забезпечують відсутність електромагнітних та істотне скорочення гідродинамічних перехідних процесів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені моделі розрахунку електромагнітного поля і методики визначення електромагнітних параметрів можуть бути використані при розробці різних по технологічному призначенню електромагнітних пристроїв, силовий вплив в яких створюється в результаті взаємодії зовнішнього поперечного магнітного поля з повздовжнім електричним струмом в каналі.

На основі виконаних теоретичних і експериментальних досліджень розроблено нові електромагнітні дозуючі пристрої, що дозволяють з високою продуктивністю і точністю одержувати різні за масою порції рідкого металу. Розробка стопорного дозатора з індукційним введенням струму в канал передана Донецькому державному інституту кольорових металів для дослідно-промислової лінії по виробництву з алюмінію гранульованого розкислювача сталі. В промисловості впроваджено дозатори сплавів на основі свинцю (підприємства “Стелла-97”, м. Херсон, 2002 р. і “Фетис плюс”, м. Бійськ Алтайського краю Російської Федерації, 2006 р.) та установки для виробництва алюмінієвих гранул (АТ “Волгоградский алюминиевый завод” (Росія) і “Павлодарский алюминиевый завод” (Казахстан)).

Особистий внесок здобувача. В наукових працях, опублікованих у співавторстві, авторові належить: в роботах [1, 2] – розробка джерел живлення дозаторів, виконання експериментальних досліджень; в роботах [3, 6] – розрахунковий аналіз електромагнітних сил і тисків в залежності від електрофізичних параметрів, геометричних розмірів і конструктивних особливостей електромагнітних систем; в роботах [4, 8] – розробка математичних моделей дозуючих пристроїв з кондукційним та індукційним введенням електричного струму в канал; в роботах [5, 7] – обґрунтування та розробка методики розрахунку електромагнітних параметрів, експериментальне їх визначення на фізичних моделях; в роботі [9] – розробка імітаційної моделі стопорного дозатора, вироблення алгоритму керування системою електроживлення; в роботі [10] – розробка математичної моделі гідродинамічних процесів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися та одержали позитивну оцінку на наступних наукових конференціях і семінарах: 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, 1996 р.); VIII-ій міжнародній конференції “Проблеми сучасної електротехніки - 2004” (Київ, 2004 р.); на семінарі Наукової ради з комплексної проблеми “Наукові основи електроенергетики” (Київ, 2007 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 18 наукових праць, з них 15 статей у фахових наукових виданнях, 1 авторське свідоцтво (СРСР) на винахід та 2 тези доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг роботи становить 185 сторінок, у тому числі 149 сторінок основного тексту, 78 рисунків, 6 таблиць, список використаних джерел із 90 найменувань та 2 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі наукового дослідження, викладено сутність і стан розв’язуваної наукової задачі, наведено дані про зв'язок роботи з науковими програмами, викладено наукову новизну, практичне значення і реалізацію результатів дисертаційних досліджень, наведено дані про їх апробацію, публікацію та впровадження.

У першому розділі розглянуто різні системи електромагнітного дозування рідких металів. Визначено і проаналізовано їх особливості відносно звичайних електромеханічних та електротехнічних пристроїв, наведено основні припущення і наближення, які приймаються при розрахунковому дослідженні фізичних процесів в них.

Проведено класифікацію дозаторів по способу створення електромагнітної дії на розплав. Обґрунтовано достоїнства та переваги створення силового впливу з використанням електромагнітної системи з перехресними електричними і магнітними полями при повздовжньому електричному струмі в каналі. При реалізації стопорної схеми дозування така система конструктивно представляє собою електромагніт, в зазорі якого розташовано канал з рідким металом (рис. 1). В нижній стінці каналу виконані отвори, крізь які витікає метал. Відзначено, що ця система функціонально може працювати в двох принципово різних технологічних режимах: в режимі керованого капілярного розпаду струменів (рис. 1а) і в режимі електромагнітного стопоріння (рис. 1б).

Рис.1

В першому випадку використовується змінна складова електромагнітного тиску, що вносить в виток струменя рідкого металу періодичні збурення, які викликають регулярне їх дроблення з утворенням монодисперсних часток рідкого металу. Цей режим вперше був запропонований в Інституті електродинаміки НАН України. В його дослідженні та практичній реалізації брали участь співробітники інституту А.Ф.Колісниченко, Ю.М.Гориславець, В.В.Малахов, Н.В.Лисак, В.О.Водянюк. Точність і продуктивність капілярного способу дозування в силу фізичних особливостей цього процесу є досить високою. Дисперсія по масі отриманих доз рідкого металу звичайно становить близько 1-2%. Частота дозування може досягати сотень герців. За допомогою цього режиму можна одержувати металеві частки розміром від 1 до 10 мм.

Режим електромагнітного стопоріння передбачає використання постійної складової електромагнітного тиску. Величина цього тиску повинна бути такою, щоб повністю компенсувати гідростатичний тиск рідкого металу у витоку струменя. Процес дозування здійснюється за рахунок періодичного накладення і зняття електромагнітних сил. Розмір дози в цьому випадку може бути довільний. Однак цей режим доцільно використовувати при одержанні відносно малих доз (масою від декількох до сотень грамів), коли найбільше проявляються його переваги в продуктивності і точності порівняно з іншими системами дозування.

Безумовна перспективність практичного використання розглянутого конструктивного рішення електромагнітного дозатора послужила причиною детального вивчення електромагнітних і гідродинамічних процесів в таких пристроях з метою розробки та створення ефективних електромагнітних систем, систем живлення і керування, які б дозволили підвищити продуктивність і точність дозування рідкого металу.

Другий розділ присвячено дослідженню електромагнітних процесів в системі “електромагніт – канал” (рис. 2). Проаналізовано особливості такої електромагнітної системи, приведені загальні припущення для дослідження електромагнітного поля. Поле приймається квазістаціонарним і розглядається в безіндукційному наближенні. З урахуванням наявності в системі значного немагнітного зазору вищі гармоніки поля не розглядаються і, відповідно, струми в котушках електромагніту та каналі вважаються синусоїдальними.

Дослідження електромагнітного поля проводилися на основі аналітичного та чисельного рішень польових задач. При аналітичному розрахунку в одномірній лінійній постановці отримано рішення для поля електромагніту з каналом (без підведеного струму) і для поля каналу з повздовжнім струмом, розташованого в зазорі електромагніту. Реальний канал замінювався моделлю, що повністю заповнює зазор електромагніту по ширині з еквівалентною електропровідністю , де – питома електро-провідність рідкого металу, Д і – ширина каналу і зазору відповідно. Отримані результати (густина струму в рідкому металі і її фазовий кут) порівнювалися з експериментальними даними. Розбіжності при цьому не перевищували 10%.

Результуюче електромагнітне поле системи отримано методом суперпозиції зазначених рішень:

(1)

(2)

Індукція магнітного поля та густина електричного струму в каналі в цих виразах представлені в безрозмірному вигляді при базисних величинах індукції і густини струму . Як видно з наведених виразів, розподіл електромагнітного поля по висоті каналу залежить від трьох незалежних змінних: відносної висоти (напіввисоти) каналу h/, де – глибина проникнення електромагнітного поля в рідкий метал, відношення ампервитків електромагніту до струму каналу , а також кута зсуву фаз між струмами .

Зазначене аналітичне рішення отримано для досить спрощеної електромагнітної системи у вигляді прямокутного каналу зі струмом, який поміщено в однорідне магнітне поле. В більш складних випадках необхідне залучення чисельних методів розрахунку. Для цього в роботі стосовно зазначеної системи розв’язувалось інтегро-диференціальне рівняння для векторного магнітного потенціалу (його єдиної z-компоненти при двовимірному розгляді), записаного в загальному вигляді для всієї розрахункової області, що включає в себе окремі підобласті елементів електромагніту, каналу і навколишнього середовища

(3)

де _площа поперечного перерізу каналу, _задана середня густина струму (для підобласті котушок , де – площа поперечного перерізу котушки електромагніту, для підобласті каналу ). Чисельне розв’язування цього рівняння виконувалось методом скінчених елементів з використанням пакета прикладних програм GE2D, розробленого в ІЕД НАНУ. Встановлено, що для прямокутного каналу з висотою, яка не перевищує висоту полюсного наконечника електромагніту, результати чисельного і аналітичного розрахунків практично співпадають, що свідчить про правильність одержаних розв'язків. Шляхом порівняння результатів визначені області раціонального застосування аналітичного та чисельного методів розрахунку в таких системах.

Отриманий в результаті розрахунків розподіл електромагнітного поля в розглянутій системі дозволив визначити її силові характеристики, тобто знайти електромагнітні сили та електромагнітний тиск, які розвиваються в рідкому металі. В комплексному вигляді постійні і змінні складові електромагнітних сил обчислювали в такий спосіб:

(4)

де – y-компоненти постійної і амплітуди змінної в часі складових електромагнітних сил (іншими компонентами сил, зважаючи на їх малість, нехтували). Відповідні складові електромагнітного тиску визначалися як:

(5)

Отримано розподіл електромагнітних сил і тиску в рідкому металі залежно від відносної висоти каналу, співвідношення ампервитків електромагніту і струму в каналі та кута зсуву фаз між ними. Показано, що нерівномірність розподілу густини об'ємних електромагнітних сил в перерізі каналу сильнішає з ростом відносної висоти каналу (параметра h/е) і збільшенням співвідношення між ампервитками електромагніту та струму каналу (параметра n). На рис.3, як приклад, представлено розподіл постійної та змінної складових електромагнітних сил (в безрозмірному вигляді при базисній силі ) по висоті каналу для h/е 1, n = 5 и ц = 0.

Для наближеної оцінки складових електромагнітного тиску в каналі на підставі аналітичного рішення отримано наступні вирази:

(6)

У третьому розділі розглянуто питання розрахункового визначення та аналізу електромагнітних параметрів системи “електромагніт – канал”.

За аналогією з трансформатором система “електромагніт – канал” представлена у вигляді еквівалентної схеми заміщення (рис.4), в якій електромагнітний зв'язок між електромагнітом та каналом замінено на електричний. При цьому на відміну від трансформатора замість навантаження така схема має друге незалежне джерело живлення. Приведення параметрів в ній виконано до каналу, тобто одного витка. На схемі: – приведений повний опір розсіювання електромагніту, – повний опір розсіювання каналу, – приведений повний опір взаємоіндукції, де , і – активні опори каналу, електромагніту та взаємоіндукції між ними, , і – їх власні і взаємні індуктивності.

Для розрахунку індуктивностей електромагніту змінного струму розроблена методика, що дозволяє за допомогою розв’язування окремих додаткових двовимірних польових задач визначати власні і взаємні індуктивності котушок електромагніту з врахуванням повздовжніх крайових ефектів (полів випинання в повітряному зазорі та розсіювання з торців електромагніту). Порівняння розрахункових і експериментальних значень індуктивностей електромагніту (див. таблицю) вказує на їх задовільне узгодження (в межах 10%) навіть у випадку “короткого” електромагніту (з довжиною осердя 100 мм і зазором 18 мм).

Таблиця

Індуктивності електромагніту |

Одна котушка | Дві котушки (узгоджене включення)

Lэ, Гн | Lэпосл, Гн | Lэпар, Гн | Мэ, Гн

Розрахунок | 0,040 | 0,134 | 0,034 | 0,027

Експеримент | 0,044 | 0,146 | 0,036 | 0,029

Досліджено екрануючий вплив каналу на параметри електромагніту дозатора. Отримано вирази для розрахункового визначення його власної індуктивності та активного опору . Встановлено, що при відносній висоті каналу h/е ,5 його вплив на параметри електромагніту незначний і їм можна знехтувати.

Виходячи з закону Ома в диференціальній формі , обґрунтовано, що потокозчеплення каналу (як масивного прямолінійного провідника) на змінному струмі, так же як і на постійному, визначається середнім по його перерізу значенням векторного магнітного потенціалу, тобто без врахування в явному вигляді розподілу густини струму

(7)

Виходячи з цього, отримано вирази для обчислення електромагнітних параметрів каналу:

(8)

Параметри взаємоіндукції електромагнітної системи і визначалися через середні по перерізах котушки електромагніту значення векторного магнітного потенціалу при живлені каналу струмом (). Виявлена особливість системи “електромагніт – канал”, яка полягає в тому, що приведена до одного витка взаємна індуктивність каналу з котушкою електромагніту більше власної індуктивності каналу. Таке співвідношення між індуктивностями призводить до того, що індуктивний опір розсіювання каналу в схемі заміщення (рис.4) є від’ємним і, отже, набуває ємнісного характеру.

Розбіжності між розрахованими та експериментально виміряними на фізичних моделях електромагнітних дозаторів значеннями електромагнітних параметрів не перевищували 10%.

В четвертому розділі представлені результати розрахункового дослідження електромагнітного дозатора з індукційним введенням електричного струму в рідкий метал. Електромагнітна система такого дозатора (рис.5) додатково містить індуктор, що наводить електричний струм у замкнутому рідкометалевому витку. Цей виток складається з каналу електромагніту, каналу індуктора та двох з’єднувальних каналів, один з яких одночасно є приймальною ємністю для рідкого металу.

Для такого дозатора розроблено коло-польову модель системи “електромагніт _масивний рідко-металевий виток _індуктор”, що містить інтегро-диференційні рівняння для векторного потенціалу (далі ) та рівняння балансу напруг для котушок електромагніту, індуктора і рідко-металевого витка щодо невідомих струмів у них (відповідно , і ).

Рівняння для векторного потенціалу мають вигляд:–

для перерізів каналів електромагніту і індуктора

(9)

(10)–

для перерізів котушки електромагніту ; (11)–

для перерізів котушки індуктора ; (12)–

для перерізів осердь електромагніту і індуктора ; (13)–

для навколишнього середовища . (14)

Задача розрахунку електромагнітного поля розв’язувалась в квазітривимірній постановці. При цьому наявність лобових частин котушок і з’єднувальних каналів в рідкометалевому витку враховувалась за допомогою включення в рівняння балансу напруг котушок і витка опорів цих ділянок, які визначали на основі розв’язування окремих двовимірних задач. В результаті рівняння балансу напруг мають вигляд:–

для електромагніту

(15)–

для індуктора

(16)–

для рідкометалевого витка

(17)

У цих рівняннях – відносна магнітна проникність електротехнічної сталі, wэ і wи – числа витків котушок електромагніту і індуктора, Sкэ(1,2) і Sки(1,2) – поперечні перерізи цих котушок, lэ і lи – розрахункові довжини відповідних осердь, Rпэ і Rпи – активні опори поздовжніх частин котушок, Zлэ і Zли – повні опори лобових частин котушок, Sвэ і Sви – поперечні перерізи каналів, розташованих в зазорі електромагніту та усередині індуктора відповідно, Rвэ і Rви – опори їх на постійному струмі, Zв1 і Zв2 – повні опори з’єднувальних каналів.

Чисельне розв’язування коло-польової задачі дозволило при заданих напругах на котушках електромагніту і індуктора одержати розподіл електромагнітного поля в системі (рис.6), визначити електромагнітні сили в каналі електромагніту (рис.7), знайти споживані дозатором в різних режимах струми і потужності. Встановлено, що силові (рис.8) і енергетичні характеристики дозатора істотно залежать від співвідношення витків обмоток електромагніту та індуктора. Розроблено еквівалентну схему заміщення електромагнітного дозатора та визначено її параметри.

Рис.7 Рис.8

На підставі розробленої імітаційної моделі виконано моделювання стаціонарних і нестаціонарних електромагнітних процесів в дозаторі. В результаті визначено, що керувати роботою цього пристрою доцільно за рахунок періодичного вмикання-вимикання індуктора при постійно ввімкненому електромагніті. Розроблено алгоритм керування дозатором.

Проведено дослідження декількох схем живлення дозатора. Зокрема, запропоновано і досліджено схему живлення з компенсацією реактивної енергії (рис.9), що забезпечує в початковий момент стопоріння підвищений електромагнітний тиск, а після зупинки витікання металу знижує його до величини, необхідної для компенсації гідростатичного тиску в каналі. Стан силових ключів, позначених на цій схемі, наступний. Під час видачі дози металу ключ К1 ввімкнений, а всі інші ключі (К2–К5) вимкнені. При паузі в перший період (при великому електромагнітному тиску) ключі К2, К4 і К5 ввімкнені, а ключі К1 і К3 вимкнені, в другий період (при меншому тиску) ключі К3 і К4 ввімкнені, а К1, К2 і К5 вимкнені.

Для виключення перехідних процесів в електромагніті і індукторі та забезпечення сприятливої роботи силових ключів їх комутація в колі індуктора здійснюється в нулі струму, а комутація ключів в колах ємностей відбувається при максимальних значеннях напруг на них. Ця схема живлення дає можливість компенсувати на кожному етапі циклу дозування реактивну потужність, виключити перехідні електромагнітні процеси в дозаторі та зменшити тривалість перехідного гідродинамічного процесу, що дозволяє підвищити продуктивність та точність дозування рідкого металу.

В п'ятому розділі наведені результати досліджень гідродинамічних процесів в електромагнітних дозаторах.

Для дозатора, що працює в режимі капілярного розпаду рідкометалевих струменів, при наявності тільки змінної складової електромагнітних сил виконана оцінка впливу коливального руху рідкого металу на розподіл тиску в каналі дозатора. Для цього на підставі рівнянь гідродинаміки, записаних для випадку ідеальної рідини при заданому розподілі електромагнітних сил, отримано лінійне неоднорідне хвильове рівняння, розв’язування якого дозволило визначити пульсації тиску в каналі дозатора

(18)

де – густина, _комплексна амплітуда пульсацій швидкості рідкого металу.

На рис.10 для дозатора з відношенням ампервитків електромагніту до струму каналу залежно від кута зсуву фаз між ними для промислової частоти (50 Гц) в безрозмірному вигляді представлено амплітуди пульсацій тиску в рідкому металі (суцільна крива) і електромагнітного тиску, що розвивається в каналі (пунктирна). Звідси випливає, що у випадку врахування коливального руху рідкого металу в каналі пульсації тиску більшою мірою залежать від кута . При роботі електромагнітного дозатора з нульовою постійною складовою електромагнітного тиску (при кутах і ) амплітуди пульсацій тиску в цих випадках відрізняються між собою практично в три рази. Тому для роботи електромагнітного дозатора кращим є кут , коли амплітуда пульсацій тиску більша.

Дослідження гідродинамічних процесів дозатора, що працює в режимі електромагнітного стопоріння, виконувалися шляхом чисельного розв’язування стаціонарних рівнянь Нав’є-Стокса для турбулентних течій з використанням моделі турбулентності. Визначальною характеристикою такого дозатора є тиск на нижній стінці каналу в зоні розташування отворів. При видачі доз цей тиск задає швидкість витікання металу ( – коефіцієнт швидкості отвору), а в період паузи для забезпечення втримання металу воно повинне дорівнювати нулю (). На рис.11 схематично наведено фрагмент канальної частини дозатора (приймальна ємність і канал електромагніту), де умовно показані питомі електромагнітні сили , які збуджуються в рідкому металі при взаємодії повздовжнього струму в каналі та поперечного магнітного поля електромагніту . Локальний характер розподілу сил по довжині призводить до виникнення в зоні спаду магнітного поля електромагніту вихрового руху металу, що викликає перерозподіл тиску в каналі відносно гідростатичного.

В результаті отриманого рішення визначено, що розподіл тиску рідкого металу в каналі дозатора істотно залежить від нерівномірності електромагнітних сил по висоті каналу. Встановлено, що при рівномірному розподілі сил коефіцієнт послаблення електромагнітного тиску близький до 0,5 (як при втриманні металу, так і при його видачі). Обумовлений вихровими струмами нерівномірний розподіл електромагнітних сил по висоті каналу підвищує ефективність електромагнітного впливу на рідкий метал в режимі втримання металу ( > 0,5) і знижує її при видачі дози ( < 0,5). Результати розрахунків підтверджені експериментальними даними.

Досліджено нестаціонарні гідродинамічні процеси в циклі дозування при накладанні і знятті електромагнітних сил (рис.12). Як видно з цього рисунка, встановлення швидкості витікання рідкого металу через отвір в каналі при вимиканні електромагнітної системи відбувається практично миттєво. Однак при ввімкненні системи (для стопоріння металу) вихід на нульову швидкість істотно затягується в часі (крива 1). Скоротити цей час запропоновано за рахунок збільшення електромагнітних сил в початковий момент стопоріння (крива 2) з подальшим зниженням їх до необхідного для утримання металу рівня. Для реалізації такого режиму роботи і запропоновано схему живлення, яка зображена на рис.9.

В шостому розділі наведено результати розробки, створення і дослідно-промислового впровадження пристроїв та установок для електромагнітного дозування рідких металів.

На основі проведених досліджень розроблено конструкції електромагнітних дозаторів кондукційного і індукційного типів (з системами живлення і керування), що працюють в режимі капілярного розпаду струменів рідкого металу та в режимі електромагнітного стопоріння. На базі цих розробок створено установки для дозування алюмінію і його сплавів, а також установки для дозування свинцевих сплавів, які впроваджено на ряді підприємств України і за рубежем.

Зокрема, для промислової лінії по виробництву з алюмінію гранульованого розкислювача сталі продуктивністю до 2 т/год запропоновано схемо-технічне рішення стопорного електромагнітного дозатора з індукційним введенням електричного струму в рідкий метал. Показано переваги даного рішення стосовно дозатора на постійному струмі. Розроблено схему живлення дозатора з компенсацією реактивної потужності електромагніту і індуктора, а також систему керування для неї, яка забезпечує відсутність перенапруг і надструмів в процесі періодичного дозування рідкого металу.

Розроблено і створено промислову установку для виробництва свинцевого дробу, що поєднує в собі плавку металу в індукційній канальній печі, перемішування і підтримку стабільного рівня рідкого металу за допомогою рідкометалевого насоса, дроблення струменів металу з формуванням рідких часток сферичної форми та рівних розмірів, а також кристалізацію останніх у водяних плівках. Установка забезпечує одержання свинцевого дробу в діапазоні розмірів від 1,5 до 5 мм із частотою 100 Гц. Її продуктивність залежно від діаметра часток становить 50...300 кг/год. У порівнянні із класичною технологією виробництва свинцевого (мисливського) дробу використання розробленого устаткування дозволяє істотно спростити технологію виробництва (скоротити цілий ряд технологічних операцій), знизити виробничі площі і металоємність устаткування, скоротити витрати електроенергії, значно зменшити шкідливий вплив даного виробництва на обслуговуючий персонал і навколишнє середовище. Установку впроваджено на підприємствах “Стелла-97” (м. Херсон, 2002 р.) і “Фетис плюс” (м. Бійськ Алтайського краю Російської Федерації, 2006 р.).

Розроблено промислову установку для виробництва алюмінієвих гранул розміром 2…12 мм. Її продуктивність – 600 кг/год. Гранулювання рідкого алюмінію в установці здійснюється за допомогою електромагнітного дозатора в діапазоні частот від 5 до 150 Гц. Охолодження і кристалізація рідких доз відбувається на металевій поверхні кристалізатора, який виконано у вигляді диска, що обертається в горизонтальній площині. Установка пройшла дослідно-промислові випробування і впроваджена у виробництво на підприємствах АТ “Волгоградский алюминиевый завод” (Росія) і АТ “Павлодарский алюминиевый завод” (Казахстан).

В додатках представлено виведення виразів для розрахункового визначення електромагнітних параметрів в системах з масивними провідниками, а також акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова задача подальшого розвитку теорії систем електромагнітного дозування рідкого металу з перехресними електричними і магнітними полями шляхом створення математичних моделей і методик для визначення та дослідження параметрів і характеристик цих систем, встановлення взаємозв'язку електромагнітних і гідродинамічних процесів в стаціонарних і перехідних режимах, що є основою для розробки та створення нових пристроїв і установок з підвищеними продуктивністю і точністю дозування.

При цьому отримано наступні основні наукові і практичні результати:

1. На основі аналізу проблеми дозування рідких металів визначена необхідність розробки електромагнітних дозаторів з високими продуктивністю і точністю дозування. Показано, що такі дозатори можуть бути створені на основі систем із зовнішнім магнітним полем і повздовжнім електричним струмом в каналі, які здатні забезпечити високий рівень електромагнітного впливу і дозволяють реалізувати малоінерційну стопорну схему дозування.

2. Отримано аналітичне рішення задачі розрахунку електромагнітного поля в системі “електромагніт – канал”, що дозволяє при заданих струмах розрахувати розподіл густини електричного струму і індукції магнітного поля в каналі з рідким металом.

3. Для електромагнітної системи дозатора в плоскопаралельному наближенні розроблено модель для чисельного розрахунку електромагнітного поля, в якій поле в каналі з повздовжнім струмом відносно векторного магнітного потенціалу описується інтегро-диференційним рівнянням. Встановлено, що при висоті каналу, яка не перевищує висоту полюсного наконечника, неузгодженість результатів аналітичного і чисельного розрахунків не перевищує 5%, а розбіжність їх з експериментом становить менше 10%.

4. Для електромагнітного дозатора з індукційним введенням електричного струму розроблено квазітривимірну коло-польову модель системи “індуктор – масивний рідкометалевий виток – електромагніт”, яка дозволяє при заданих напругах на котушках електромагніту і індуктора визначити характеристики електромагнітного поля в системі. Визначено робочі режими стопорного дозатора, розраховано його параметри та енергетичні характеристики.

5. Розроблено еквівалентні схеми заміщення дозуючих систем з кондукційним і індукційним введенням струму в рідкий метал. Для окремих елементів системи (електромагніту, каналу, індуктора) розроблено методики розрахунку електромагнітних параметрів. Отримано вирази для визначення активного та реактивного опорів каналу. Встановлено, що, якщо висота каналу не перевищує глибину проникнення електромагнітного поля, то екрануючим впливом рідкого металу на електромагнітні параметри дозатора можна знехтувати.

6. Створено імітаційну модель для візуального моделювання стаціонарних і нестаціонарних електромагнітних процесів в дозаторі. Розроблено алгоритм керування, що забезпечує відсутність перенапруг і надструмів в колах дозатора. Запропоновано і досліджено схеми живлення дозатора з компенсацією реактивної потужності, з реверсуванням електромагнітного тиску в циклі дозування, з форсуванням електромагнітного тиску в початковий момент стопоріння металу.

7. Визначено характеристики силового впливу електромагнітного поля в дозаторах: густину електромагнітних сил і електромагнітний тиск, що розвивається в рідкому металі. Проведено аналіз їх розподілу по висоті каналу, отримано умови, при яких постійна і змінна в часі складові електромагнітного тиску в каналі досягають максимальних і мінімальних (нульових) значень.

8. Для електромагнітного дозатора, що працює в режимі вимушеного капілярного розпаду струменів, розраховано пульсації тиску в каналі з врахуванням коливального руху рідкого металу. Встановлено, що амплітуда пульсацій тиску істотно залежить від кута зсуву фаз між струмами в каналі і котушках електромагніту. Максимальний тиск при цьому досягається при кутах в діапазоні (0…/2) радіан.

9. Виконано дослідження стаціонарних гідродинамічних процесів в стопорному дозаторі при спільній дії на рідкий метал електромагнітних сил і сил тяжіння. Встановлено, що при рівномірному розподілі електромагнітних сил коефіцієнт послаблення електромагнітного тиску в дозаторі близький до 0,5. Зумовлений вихровими струмами нерівномірний розподіл сил по висоті каналу підвищує ефективність електромагнітного впливу на рідкий метал у режимі втримання металу (коефіцієнт послаблення більше 0,5) і знижує її при видачі дози (коефіцієнт послаблення менше 0,5).

10. В результаті досліджень нестаціонарної течії рідкого металу в дозаторі визначено, що час встановлення тиску на нижній стінці каналу при вмиканні індуктора істотно перевищує аналогічний час при його вимиканні. Для зменшення часу перехідного гідродинамічного процесу та забезпечення більш чіткого відокремлення дози запропоновано в початковий момент стопоріння збільшувати (форсувати) рівень електромагнітних сил з наступним його зменшенням до необхідного для утримання металу рівня.

11. Розроблено системи електромагнітного дозування рідкого металу, що забезпечують істотне підвищення продуктивності та точності дозування. Серед них стопорний електромагнітний дозатор для виробництва з алюмінію гранульованого розкислювача сталі, установка для виробництва свинцевого дробу (впроваджена на підприємствах “Стелла-97” (м. Херсон, 2002р.) і “Фетис Плюс” (м. Бійськ, Росія; 2006р.)), а також дослідно-промислова установка для виробництва алюмінієвих гранул (впроваджена на підприємствах АТ “Волгоградский алюминиевый завод” (Росія) і АТ “Павлодарский алюминиевый завод” (Казахстан)).

12. Розроблені математичні моделі електромагнітного поля та методики визначення електромагнітних параметрів доцільно використовувати при розробці різних по технологічному призначенню пристроїв, силовий вплив в яких створюється в результаті взаємодії зовнішнього поперечного магнітного поля з повздовжнім електричним струмом в каналі.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гориславец Ю.М., Малахов В.В., Глухенький А.И. Магнитогидродинамическая установка для производства свинцовой дроби // Техн. електродинаміка. – 1997. – N6. – С.68-69.

2. Гориславец Ю.М., Глухенький А.И., Малахов В.В. Электромагнитное дозирование жидких металлов // Техн. електродинаміка.– 2000. – №5. – С.3-6.

3. Гориславец Ю.М., Глухенький А.И. Электромагнитное давление в устройствах для микродозирования жидких металлов // Техн. електродинаміка. – 2001. – №5. – С.28-32.

4. Глухенький А.И., Гориславец Ю.М., Петухов И.С. Расчет магнитного поля в электромагнитных дозаторах жидкого металла // Техн. електродинаміка. – 2002. – №4. – С.66-68.

5. Глухенький А.И., Гориславец Ю.М., Петухов И.С. Расчет электромагнитных параметров дозаторов жидкого металла // Техн. електродинаміка. – 2004. – №1. – С.10-17.

6. Глухенький А.И., Гориславец Ю.М. Силовое воздействие скрещенных электрических и магнитных полей на жидкий металл в прямоугольном канале // Технічна електродинаміка. Темат. вып.: Проблеми сучасної електротехніки. – 2004. – Ч.5. – С.103-108.

7. Глухенький А.И., Гориславец Ю.М., Петухов И.С. Индуктивности массивного проводника в зазоре электромагнита // Техн. електродинаміка. – 2005. – №4. – С.13-17.

8. Глухенький А.И., Гориславец Ю.М. Расчетное исследование системы индуктор – массивный виток – электромагнит для устройств дозирования жидкого металла // Техн. електродинаміка. – 2006. – №1. – С.11-18.

9. Возный В.А., Глухенький А.И., Гориславец Ю.М. Моделирование переходных процессов в стопорном дозаторе жидких металлов // Техн. електродинаміка. – 2006. – №5. – С.68-73.

10. Глухенький А.И., Гориславец Ю.М. Определение давления жидкого металла в электромагнитном дозаторе на основе решения уравнений Навье-Стокса // Техн. електродинаміка. – 2007. – №1. – С.67-72.

АНОТАЦІЯ

Глухенький О. І. Системи дозування рідких металів з перехресними електричними і магнітними полями при повздовжньому струмі в каналі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи. – Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2007.

Дисертаційна робота присвячена подальшому розвитку теорії електромагнітних процесів в системах порційного дозування рідких металів, що використовують силову дію перехресних електричних і магнітних полів при повздовжньому струмі в каналі і реалізують малоінерційну схему стопорного дозування.

В роботі розроблено математичні моделі електромагнітних процесів в системах з перехресними електричними і магнітними полями при кондукційному та індукційному введенні електричного струму в канал, визначено характеристики силового впливу електромагнітного поля на рідкий метал. Досліджено гідродинамічні процеси в дозаторах, що реалізують керований розпад струменів та електромагнітне стопоріння рідкого металу, встановлено взаємозв'язки електромагнітних і технологічних характеристик. Розроблено методики розрахунку електромагнітних параметрів дозуючих пристроїв, визначено закономірності перехідних процесів в електромагнітних дозаторах і