Разработка индукционной канальной печи с управлением движением расплава в канале тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.10, кандидат технических наук Алференок, Артем Александрович

• Алференок, Артем Александрович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Алференок, Артем Александрович

Основные обозначения.

Введение.

1. История развития, основные особенности и задачи, решаемые при проектировании ИКП.В

1.1. Принцип действия, конструкция и физические процессы, происходящие в ИКП.

1.2. Развитие и современное состояние теоретических и экспериментальных знаний об ИКП.

1.3. Постановка задач и целей работы.

2. Описание модели для расчета электромагнитных параметров ИКП.

2.1. Уравнения, описывающие электромагнитное поле в ИКП.

2.2. Принцип метода конечных элементов.

2.3. Составление аппроксимирующих выражений.

2.4. Интегральная форма системы дифференциальных уравнений.

2.5. Построение системы алгебраических уравнений.

2.6. Алгоритм расчета системы линейных алгебраических уравнений.

2.7. Граничные условия.

2.8. Расчет интегральных параметров ИКП.

2.9. Выводы по главе.

3. Описание модели для расчета гидродинамических и тепловых параметров ИКП.

3.1. Уравнения движения и теплопереноса жидкости.

3.1.1. Закон сохранения массы.

3.1.2. Сохранение свойств частиц жидкости.

3.1.3. Уравнение переноса импульса.

3.1.4. Уравнение переноса энергии.

3.2. Уравнения Навье-Стокса для ньютоновской жидкости.

3.3. Дифференциальная и интегральная форма уравнений переноса.

3.4. Турбулентность и ее моделирование.

3.5. Усредненные по времени уравнения Навье-Стокса.

3.6. Модели турбулентности.

3.7. k-е модель турбулентности.

3.8. Выводы по главе.

4. Исследование тепломассопереноса в ОИЕ.

4.1. Постановка задач.

4.2. Проверка адекватности компьютерной модели ОИЕ.

4.3. Исследование влияния формы канала на тепломассоперенос в ОИЕ печи ИЧКМ-16.

4.4. Выводы по главе.

5. Исследование тепломассопереноса в СИЕ.

5.1. Постановка задач.

5.2. Проверка адекватности компьютерной модели СИЕ.

5.3. Исследование влияния формы каналов и схемы питания индукторов на тепломассоперенос в СИЕ печи ИЧКМ-40.

5.4. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка индукционной канальной печи с управлением движением расплава в канале»

Согласно принятой Правительством РФ 29 мая 2007 года «Стратегии развития металлургической промышленности России до 2015 года» в 2006 году в России было произведено 991 млрд: кВт-ч электроэнергии. Промышленное потребление электроэнергии составило 353 млрд. кВт-ч, потребление электроэнергии: металлургией - 113 млрд. кВт-ч или 32 % от общепромышленного электропотребления; Примерно половина этой энергии была израсходована на создание технологического тепла; в котором» плавка и хранение расплава в индукционных печах имеют значительную долю.

Преимущества использования электроэнергии для, плавки и. хранения тепла, в металлах заключаются; во-первых, в; точном? дозировании подводимой энергии, а* во-вторых,, в принципе электромагнитной- индукции, когда-тепло выделяется непосредственно внутри? нагреваемого изделиям При? этом исключается нежелательный локальный перегрев расплава, приводящий к большим потерям металла-вследствие угара: Поэтому образование золы в индукционных печах происходит; в гораздо меньшей степени, чем в печах, работающих на горючем топливе; Если; принять во внимание угар, шум? и тепловую нагрузку на персонал, которые имеют место при сжигании твердого топлива, то преимущества индукционных печей с экологической точки зрения очевидны:

Другое достоинство индукционной плавки заключается в том; что электрический ток вызывает в расплаве не только джоулево тепло, но и электромагнитные силы. Благодаря этим силам в расплаве возникают интенсивные течения, способствующие выравниванию химического состава и температуры, в расплаве. Однако, интенсивное течение расплава в индукционных печах может приводить к сильному износу огнеупорного слоя футеровки печи.

Сравнение КПД? работающих на твердом топливе и индукционных печей трудно провести из-за различного принципа действия. Приблизительно можно считать, что КПД этих двух типов печей одинаков. Производственноэкономическое сравнение работающих на твердом топливе и индукционных печей является сложной задачей, т. к. должны приниматься во внимание специфические вопросы работы и обслуживания печей. Например, при выборе печи на твердом топливе должны учитываться региональные цены на твердое топливо. Возможность семидневной рабочей недели при круглосуточной работе печи делает предпочтительным выбор индукционной печи, т. к. в этом случае можно производить плавку в ночные часы, когда действует льготный тариф на электроэнергию, а в дневное время осуществлять разливку и хранение расплава, расходуя значительно меньше электроэнергии. Такое производство имеет смысл, если требуется ежедневно плавить большое количество металла.

В последнее время в литейном производстве все чаще отдается предпочтение индукционным печам. Это связано, прежде всего, с возросшим вниманием к экологии, а таюке с производственно-экономическими причинами.

В сравнении с индукционной тигельной печью (ИТП) индукционная канальная печь (ИКП) имеет более высокие электрический КПД и коэффициент мощности. Особенности конструкции обеспечивают лучшую теплоизоляцию индукционной канальной печи, поэтому этот тип печей уже давно применяется в качестве агрегата для перегрева и выдержки металла в расплавленном состоянии. В качестве плавильного агрегата индукционная канальная печь применяется значительно реже, т. к. ее удельная мощность ограничена. Несмотря на более высокое тепловое сопротивление стенок ванны ИКП, для расплавления металла в ней требуется больше времени, поэтому тепловой КПД у ИКП меньше, чем у ИТП. Повышение удельной мощности ИКП позволило бы расширить области их применения и использовать эти печи в качестве плавильного агрегата.

Заключение диссертации по теме «Электротехнология», Алференок, Артем Александрович

5.4. Выводы по главе.

На основании проведенных в данной главе исследований можно сделать следующие выводы:

1) Разработанные компьютерные модели для расчета электромагнитных, гидродинамических и тепловых параметров СИЕ прошли проверку адекватности путем сравнения полученных с их помощью результатов с экспериментальными данными, полученными на физической модели СИЕ со ртутью, описанной в литературе. Направление и величина скорости транзитного течения в каналах совпадают, а значения максимальной локальной скорости течения расплава отличаются менее, чем на 10 %.

2) В поперечном сечении* боковых каналов течение расплава имеет структуру,, состоящую из двух вращающихся в противоположном направлении вихрей, и напоминает течение в поперечном- сечении канала ОИЕ. В поперечном, сечении центрального канала расчетное поле усредненных скоростей не имеет ярко выраженной картины. Экспериментальные данные, напротив, говорят о существовании) одного вихря охватывающего все поперечное сечение центрального канала.

3) При синфазном подключении обмоток индукторов СИЕ печи ИЧКМ-40 коэффициент мощности снижается на 10 - 15 % по сравнению с противофазным включением индукторов, что требует дополнительных затрат на его компенсацию.

4) Для практического применения можно рекомендовать форму каналов СИЕ на рис. 5.48,6 или 5.48,е при противофазном включении обмоток индукторов, т. к. в этом случае обеспечивается достаточно низкий перепад температуры (около 30°С) между каналами и ванной печи, высокая скорость транзитного течения расплава вдоль каналов (около 0.3 м/с) и повышенный ресурс работы единицы^

Заключение

1. Проанализированы существующие в настоящее время способы интенсификации тепломассопереноса в ИКП, а таюке методы исследования электромагнитных, гидродинамических и тепловых параметров ИКП.

2. С использованием> программ- ANSYS Multiphysics и ANSYS CFX разработаны компьютерные модели для' расчета электромагнитных, гидродинамических и тепловых параметров ОИЕ и СИЕ ИКП, адекватность которых проверялась путем сравнения расчетных результатов с экспериментальными данными из литературы.

3. Анализ литературы и результаты собственных исследований позволили установить, что на тепломассоперенос в ИКП1 при заданной мощности ИЕ наибольшее влияние оказывают форма каналов ОИЕ и СИЕ, а также схема питания индукторов СИЕ.

4. С помощью разработанных моделей» исследовано влияние формы каналов' j

ОИЕ и СИЕ, а также схемы питания индукторов СИЕ на тепломассоперенос в печах ИЧКМ-16 и ИЧКМ-40 для перегрева и выдержки чугуна, t 1

5. На основании проведенных исследований выработаны практические рекомендации по проектированию формы каналов ОИЕ печи ИЧКМ-16 и СИЕ печи ИЧКМ-40, а также схемы питания индукторов СИЕ печи ИЧКМ-40, обеспечивающие снижение перегрева расплава в канале в 2 - 3 раза по сравнению с ИЕ со стандартной формой каналов.

6. Для создания транзитного течения вдоль канала ОИЕ следует применять специальную геометрическую форму канала (рис. 4.18,в и 4.29,6).

7. Синфазное питание обмоток индуктора приводит к снижению коэффициента мощности ИЕ на 10 - 15 %, поэтому для создания транзитного i течения вдоль каналов целесообразно применять противофазное питание t*

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Алференок, Артем Александрович, 2009 год

1. Столов М. Я., Арефьев А. В., Левина М. Я. Индукционные канальные печи для плавки и обработки черных и цветных металлов // Электротехн. пром-ть. Сер. 12. Электротермия: Обзор, информ. 1990. Вып. 13. с. 1-36.

2. Walther A. Computersimulation der Schmelzenstromung in Induktions-Rinnenofen. Dissertation. Hannover. 1992. 125 S.

3. Фарбман С. А., Колобнев И. Ф. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов. Изд-во «Металлургия», 1968, 5-е изд., дополненное и переработанное. 496 с.

4. Тир Л. Л., Столов М. Я. Электромагнитные устройства для управления циркуляцией металла в электропечах. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1991.-280 с.

5. Вайнберг А. М. Индукционные плавильные печи. Учебное пособие для вузов. Изд. 2-е, переработ, и доп. М., «Энергия», 1967. 416 с.

6. Левина М. Я. Исследование и разработка сдвоенных индукционных единиц высокой мощности с транзитным течением металла для индукционных канальных печей. Диссертация. Москва, 1981. 128 с.

7. Patent 3363044 (USA). Channel type induction furnace. Beckius I., Fredriksson В., 1968.

8. Patent 1281377 (UK). An induction furnace. Granstrom S., Goransson I., 1969.

9. Полищук В. П., Цин М. Р., Дубоделов В. И., Трефняк В. А. Индукционная канальная печь с электромагнитной разливкой металла. Литейное производство, 1970, № 11, с. 13 - 14.

10. Полищук В. П., Юдкин С. А. Электромагнитная заливка и обработка алюминиевых сплавов в установке МДН-6. Магнитная гидродинамика, 1973, № 3. Краткие сообщения.

11. Полищук В. П. Промышленное использование магнитодинамических устройств. Магнитная гидродинамика, 1975, № 1, с. 118 - 128.

12. Гельфгат Ю. М. Металлургические применения магнитной гидродинамики. Магнитная гидродинамика, 1987, № 3, с. 120 - 137.

13. Patent 3092682 (USA). Submerged resistor type furnaces and methods and processes therefore. TamaM., Shearman W. E., 1963.

14. Patent 3595979 (USA). Induction furnaces. Shearman W. E., 1972.

15. Patent DE 2608310 C2 (BRD). Kanalschmelzofen fur Metalle und Legierungen. Delassus J., 1983.

16. Fricke R. Zur Beurteilung von Stromungen in der Schmelze von Induktions-Rinnenofen. Dissertation. Hannover. 1990. 114 S.

17. Буцениекс И. Э., Левина М. Я., Столов М. Я., Шарамкин В. И., Щербинин -Э. В. О движении металла в индукционных канальных печах под действием электромагнитных сил. — Магнитная гидродинамика, 1977, № 4, с. 103 — 106.

18. Столов М. Я. Повышение технико-экономических параметров индукционных плавильных печей на базе исследования МГД-процессов. -Магнитная гидродинамика, 1983, № 2, с. 103 — 110.

19. Левина М. Я., Альбицкий В. А. Новые индукционные канальные печи для литейного производства. Литейное производство, 1984; № 5, с. 31 - 321

20. Губченко А. П., Кузовлев И. В., Столов-М. Я., Тир Л. Л:, Фомин' Н. И. Новые направления развития индукционных плавильных печей в СССР. -Литейное производство, 1989, № 4, с. 19-21.

21. Буцениекс И. Э., Левина М. Я., Столов М. Я., Щербинин Э. В. Исследование движения металла в индукционных канальных печах. -Магнитная гидродинамика, 1980, № 3, с. 123 130.

22. Левина М. Я. Исследование движения металла в индукционной канальной печи с двухфазным питанием. Магнитная гидродинамика, 1986, № 4, с. 84 -89.

23. Левина М. Я., Столов М. Я., Алешин А. С. Движение металла в сдвоенной индукционной единице. Исследование и разработка индукционных плавильных печей, М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 65 - 69.

24. Patent DE 2814564 С2 (BRD). Induktionsrinnenofen. Buzenieks I., Levina M. J., Prostjakov A. A. u. a., 1982.

25. Mestel A. J. On the flow in a channel induction furnace. J. Fluid Mech., 1984, vol. 147, p. 431 -447.

26. Дрэвек P., Якович А., Мюльбауер А., Накэ Б. Экспериментальное и численное исследования течения расплава в индукционных канальных печах. Магнитная гидродинамика, 1996, т. 32, № 4, с. 433 - 442.

27. Langejiirgen М., Nacke В., Baake Е. u. a. Simulation des Warme- und Stofftransports in Induktions-Rinnenofen mittels Large Eddy Simulation. -Workshop Elektroprozesstechnik. Ilmenau, 2007.

28. Kirpo M., Jakovics A., Nacke В. u. a. LES of heat and mass exchange in channel induction furnaces. The XVI International Congress on Electricity applications in modern world. Krakow, 2008.

29. Тамм И. E. Основы теории электричества: Учеб. пособие для вузов. — 11-е изд., испр. и доп. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 616 с.

30. On the use of the magnetic vector, potential in the finite element analysis of three-dimensional eddy currents. IEEE Transactions on Magnetics, July 1989; vol. 25, №4, p. 3145-3159.

31. Бронштейн И. H., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. 13-е изд., исправленное. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 544 с.

32. ANSYS Multiphysics 11.0 Theory reference.

33. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учебное пособие в 10 т. Т. VI. Гидродинамика. 4-е изд., стер. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988.-736 с.

34. Versteeg Н. К., Malalasekera W. An introduction to computational fluidvdynamics. The finite volume method. Longman Group Ltd 1995. 257 p.

35. ANSYS CFX 11.0 Theory reference.

36. Moros A. Magnetohydrodynamics of channel induction furnaces. Dissertation. Cambridge, 1986.-194 p.

37. Eggers A. Untersuchungen der Schmelzenstromung-und des Warmetansports im Induktions-Rinnenofen. Dissertation. Hannover, 1993. 152 S.

38. Launder В. E., Spalding D. B. Lectures in Mathematical models of turbulence. Academic Press, London, 1972. 169 p.

39. Launder В. E., Spalding D. B. The numerical computation of turbulent flows. -Computer methods in applied mechanics and engineering, 1974, vol. 3, p. 269 -289.

40. Арефьев А. В., Столов M. Я., Щербакова В. В. Интенсификация теплообмена в каналах одинарных индукционных единиц. — Исследование и разработка индукционных плавильных печей, М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 69-73.

41. А. с. 828439 (СССР). Индукционная канальная печь. Алешин А. С., Арефьев А. В., Столов М. Я., 1981.

42. А. с. 853829 (СССР). Индукционная канальная печь. Алешин А. С., Арефьев А. В., Столов М. Я., Щербакова В. В., 1981.

43. Арефьев А. В., Попов Г. Г., Столов М. Я., Фомин В. И. Индукционная канальная печь новой конструкции для плавки алюминиевых сплавов. -Литейное производство, 1987, № 2, с. 23 24.

44. Колесниченко А. Ф., Гориславец Ю. М., Бундя А. П. Создание однонаправленного движения жидкого металла в каналах индукционных плавильных печей. Магнитная гидродинамика, 1979, № 4, с. 138 - 140.

45. Простяков А. А. Индукционные печи и миксеры для плавки чугуна. М., «Энергия», 1977.-216 с.

46. Patent DE 19800347 А1 (BRD). Nut-Induktionsofen. Tomita Y., Nishida Т., Tanaka К. u. a., 1999.

47. A. c. 760492 (СССР). Двухфазная индукционная канальная печь. Фоченков Б. А., Климов В. М., Крашенинников Ю. М. и др., 1980.

48. Фоченков Б. А., Климов В. М., Руднев В. Н., Бокова JI. А. Исследование температуры жидкого металла в канальной части индукционной плавильной печи. Цветные металлы, 1979, № 7, с. 85 - 87.

49. Фоченков Б. А. Оснащение канальных печей индукционными единицами с однонаправленным движением расплава. Цветные металлы, 1980, № 7, с. 104- 108.

50. Фоченков Б. А., Климов В. М., Руднев В. Н. Влияние геометрической формы каналов на однонаправленное движение металла в индукционной канальной печи. Цветные металлы, 1981, № 12, с. 85 - 87.

51. Фоченков Б. А. Освоение индукционных канальных печей для плавки тяжелых цветных металлов и сплавов. Литейное производство, 1986, № 5, с. 22-24.

52. Фоченков Б. А., Шошиашвили Д. Ш., Щукин В. В. Индукционная канальная печь для плавки латуней. Литейное производство, 1999, № 2, с. 21—22.

53. Vives С., Ricou R. Magnetohydrodynamic flows in a channel-induction furnace. Metallurgical transactions B, 1991, vol. 22B, p.193 - 209.

54. Простяков А. А. Индукционные печи для чугунолитейного производства.- Литейное производство, 1976, № 12, с: 28 30.

55. Alferenok A. Numerische Simulation des Warme- und Stoffaustausches in Induktions-Rinnenofen. Workshop Elektroprozesstechnik. Ilmenau, 2008.

56. Алференок А. А. Исследование процессов тепло- и массопереноса в индукционной канальной печи с использованием численного моделирования.- Вестник МЭИ, 2009, № 2, с. 48 54.

57. Алференок А. А., Кувалдин А. Б. Численное моделирование тепломассопереноса в канале индукционной печи для плавки чугуна. Электрометаллургия, 2009, № 4, с. 22-29.

58. Klein R., Potherat A., Alferenok A. Experiment on a confined electrically driven vortex pair. Phys. Rev. E, vol. 79, 016304 (2009).

59. Weigel W. Zur numerischen Berechnung von Wirbelstromverlusten in Konstruktionselementen von Induktionsofen. Dissertation. Ilmenau, 2000. 122 S.

60. Евтюкова И. П., Кувалдин А. Б. Индукционные плавильные и подогревные печи. Электротермия, 1964. с. 54 58.