Моделювання нагрівання металевого розплаву у відбивній печі при електромагнітному перемішуванні

Виконано мультифізичне числове тривимірне моделювання та дослідження нестаціонарного нагрівання розплаву в ванні відбивної печі при його електромагнітному перемішуванні за допомогою комбінованого індуктора, який спроможний при багатофазному чи однофазному живленні окремо створювати відповідно біжу...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автори:	Глухенький, О.І., Гориславець, Ю.М., Бондар, О.І.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Інститут електродинаміки НАН України 2015
Назва видання:	Технічна електродинаміка
Теми:	Електротехнологічні комплекси та системи
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134576
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Моделювання нагрівання металевого розплаву у відбивній печі при електромагнітному перемішуванні / О.І. Глухенький, Ю.М. Гориславець, О.І. Бондар // Технічна електродинаміка. — 2015. — № 6. — С. 78-83. — Бібліогр.: 9 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-134576
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1345762018-06-14T03:07:09Z Моделювання нагрівання металевого розплаву у відбивній печі при електромагнітному перемішуванні Глухенький, О.І. Гориславець, Ю.М. Бондар, О.І. Електротехнологічні комплекси та системи Виконано мультифізичне числове тривимірне моделювання та дослідження нестаціонарного нагрівання розплаву в ванні відбивної печі при його електромагнітному перемішуванні за допомогою комбінованого індуктора, який спроможний при багатофазному чи однофазному живленні окремо створювати відповідно біжуче або пульсуюче магнітні поля. Електромагнітні, гідродинамічні та теплові процеси розглядалися як слабкозв'язані, що дозволило розв'язувати такі задачі послідовно. Електромагнітна задача розраховувалася відносно векторного магнітного та скалярного електричного потенціалів, в результаті чого отримано розподіл об’ємних електромагнітних сил, які зумовлюють рух рідкого металу. Розрахунок нестаціонарного руху рідкого металу в ванні печі здійснювався шляхом розв'язання нелінійних рівнянь Нав'є-Стокса з використанням k-ε моделі турбулентності. Розподіл температури металу у ванні печі в процесі його нагрівання знаходився з врахуванням поля швидкостей, що були отримані при визначенні руху рідкого металу. Аналіз отриманих таким чином даних показав, що суттєво зменшити перегрівання металу на поверхні можна шляхом розміщення комбінованого перемішувача нижче його симетричного положення по висоті металу та використання почергової дії біжучого і пульсуючого магнітних полів з періодом перемикання, який приблизно дорівнює тривалості перехідного гідродинамічного процесу. Выполнено мультифизическое численное трехмерное моделирование и исследование нестационарного нагрева расплава в ванне отражательной печи при его электромагнитном перемешивании с помощью комбинированного индуктора, который способен при многофазном или однофазном питании отдельно создавать соответственно бегущее или пульсирующее магнитные поля. Электромагнитные, гидродинамические и тепловые процессы рассматривались как слабосвязанные, что позволило решать такие задачи последовательно. Электромагнитная задача рассчитывалась относительно векторного магнитного и скалярного электрического потенциалов, в результате чего получено распределение объемных электромагнитных сил, которые вызывают движение жидкого металла. Расчет нестационарного движения жидкого металла в ванне печи осуществлялся путем решения нелинейных уравнений Навье-Стокса с использованием k-ε модели турбулентности. Распределение температуры металла в ванне печи в процессе его нагрева находилосья с учетом поля скоростей, полученного при определении движения жидкого металла. Анализ полученных таким образом данных показал, что существенно уменьшить перегрев металла на поверхности можно путем размещения комбинированного перемешивателя ниже его симметричного положения по высоте металла и использования поочередного действия бегущего и пульсирующего магнитных полей с периодом переключения, который примерно равен длительности переходного гидродинамического процесса. The multiphysical numerical threedimentional modelling and research of time dependent heating of the melt in the reverberatory furnace during it electromagnetic stirring by means of combined inductor, which is capable separately to create travelling or pulsating magnetic fields with multiphase or single phase power supply respectively has been done. Electromagnetic, hydrodynamic and heat processes were considered as weakly bound, that allowed to solve appropriate problems consistently. Electromagnetic problem was calculated relative to the magnetic vector and electric scalar potentials, resulting in distribution volume received electromagnetic forces that cause movement of liquid metal. Calculation of nonstationary motion of liquid metal in the furnace bath was carried out by solving nonlinear Navier-Stokes equations using k-ε turbulence model. Temperature distribution of metal in the furnace bath during its heating was found considering the velocity field which were obtained by determining the movement of liquid metal. Analysis of the obtained data showed that significantly reduce overheating on metal surfaces can be achieved by shifting down a combined stirrer relatively symmetrical position on height and using alternate action of and pulsating magnetic fields with switching period, which is approximately equal to the duration of the transition hydrodynamic process. 2015 Article Моделювання нагрівання металевого розплаву у відбивній печі при електромагнітному перемішуванні / О.І. Глухенький, Ю.М. Гориславець, О.І. Бондар // Технічна електродинаміка. — 2015. — № 6. — С. 78-83. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. 1607-7970 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134576 621.74:537.84 uk Технічна електродинаміка Інститут електродинаміки НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Електротехнологічні комплекси та системи Електротехнологічні комплекси та системи
spellingShingle	Електротехнологічні комплекси та системи Електротехнологічні комплекси та системи Глухенький, О.І. Гориславець, Ю.М. Бондар, О.І. Моделювання нагрівання металевого розплаву у відбивній печі при електромагнітному перемішуванні Технічна електродинаміка
description	Виконано мультифізичне числове тривимірне моделювання та дослідження нестаціонарного нагрівання розплаву в ванні відбивної печі при його електромагнітному перемішуванні за допомогою комбінованого індуктора, який спроможний при багатофазному чи однофазному живленні окремо створювати відповідно біжуче або пульсуюче магнітні поля. Електромагнітні, гідродинамічні та теплові процеси розглядалися як слабкозв'язані, що дозволило розв'язувати такі задачі послідовно. Електромагнітна задача розраховувалася відносно векторного магнітного та скалярного електричного потенціалів, в результаті чого отримано розподіл об’ємних електромагнітних сил, які зумовлюють рух рідкого металу. Розрахунок нестаціонарного руху рідкого металу в ванні печі здійснювався шляхом розв'язання нелінійних рівнянь Нав'є-Стокса з використанням k-ε моделі турбулентності. Розподіл температури металу у ванні печі в процесі його нагрівання знаходився з врахуванням поля швидкостей, що були отримані при визначенні руху рідкого металу. Аналіз отриманих таким чином даних показав, що суттєво зменшити перегрівання металу на поверхні можна шляхом розміщення комбінованого перемішувача нижче його симетричного положення по висоті металу та використання почергової дії біжучого і пульсуючого магнітних полів з періодом перемикання, який приблизно дорівнює тривалості перехідного гідродинамічного процесу.
format	Article
author	Глухенький, О.І. Гориславець, Ю.М. Бондар, О.І.
author_facet	Глухенький, О.І. Гориславець, Ю.М. Бондар, О.І.
author_sort	Глухенький, О.І.
title	Моделювання нагрівання металевого розплаву у відбивній печі при електромагнітному перемішуванні
title_short	Моделювання нагрівання металевого розплаву у відбивній печі при електромагнітному перемішуванні
title_full	Моделювання нагрівання металевого розплаву у відбивній печі при електромагнітному перемішуванні
title_fullStr	Моделювання нагрівання металевого розплаву у відбивній печі при електромагнітному перемішуванні
title_full_unstemmed	Моделювання нагрівання металевого розплаву у відбивній печі при електромагнітному перемішуванні
title_sort	моделювання нагрівання металевого розплаву у відбивній печі при електромагнітному перемішуванні
publisher	Інститут електродинаміки НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Електротехнологічні комплекси та системи
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134576
citation_txt	Моделювання нагрівання металевого розплаву у відбивній печі при електромагнітному перемішуванні / О.І. Глухенький, Ю.М. Гориславець, О.І. Бондар // Технічна електродинаміка. — 2015. — № 6. — С. 78-83. — Бібліогр.: 9 назв. — укр.
series	Технічна електродинаміка
work_keys_str_mv	AT gluhenʹkijoí modelûvannânagrívannâmetalevogorozplavuuvídbivníjpečíprielektromagnítnomuperemíšuvanní AT gorislavecʹûm modelûvannânagrívannâmetalevogorozplavuuvídbivníjpečíprielektromagnítnomuperemíšuvanní AT bondaroí modelûvannânagrívannâmetalevogorozplavuuvídbivníjpečíprielektromagnítnomuperemíšuvanní
first_indexed	2025-07-09T21:42:26Z
last_indexed	2025-07-09T21:42:26Z
_version_	1837207233808564224
fulltext	78 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 6 УДК 621.74:537.84 МОДЕЛЮВАННЯ НАГРІВАННЯ МЕТАЛЕВОГО РОЗПЛАВУ У ВІДБИВНІЙ ПЕЧІ ПРИ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОМУ ПЕРЕМІШУВАННІ О.І.Глухенький, канд.техн.наук, Ю.М.Гориславець, докт.техн.наук, О.І.Бондар Інститут електродинаміки НАН України, пр. Перемоги, 56, Київ-57, 03680, Україна. E-mail: ugoris@ied.org.ua Виконано мультифізичне числове тривимірне моделювання та дослідження нестаціонарного нагрівання роз- плаву в ванні відбивної печі при його електромагнітному перемішуванні за допомогою комбінованого індукто- ра, який спроможний при багатофазному чи однофазному живленні окремо створювати відповідно біжуче або пульсуюче магнітні поля. Електромагнітні, гідродинамічні та теплові процеси розглядалися як слабкозв'язані, що дозволило розв'язувати такі задачі послідовно. Електромагнітна задача розраховувалася відносно вектор- ного магнітного та скалярного електричного потенціалів, в результаті чого отримано розподіл об’ємних елек- тромагнітних сил, які зумовлюють рух рідкого металу. Розрахунок нестаціонарного руху рідкого металу в ванні печі здійснювався шляхом розв'язання нелінійних рівнянь Нав'є-Стокса з використанням k-ε моделі турбу- лентності. Розподіл температури металу у ванні печі в процесі його нагрівання знаходився з врахуванням поля швидкостей, що були отримані при визначенні руху рідкого металу. Аналіз отриманих таким чином даних показав, що суттєво зменшити перегрівання металу на поверхні можна шляхом розміщення комбінованого перемішувача нижче його симетричного положення по висоті металу та використання почергової дії біжучо- го і пульсуючого магнітних полів з періодом перемикання, який приблизно дорівнює тривалості перехідного гідродинамічного процесу. Бібл. 9, рис. 5, табл. 2. Ключові слова: мультифізичне моделювання, відбивна піч, електромагнітний комбінований перемішувач, бі- жуче та пульсуюче магнітні поля, нагрівання розплаву. Вступ. Плавлення алюмінію з наступним його нагріванням у відбивних печах і міксерах, де тепло передається в розплав переважно випромінюванням через його верхню відкриту поверхню, супроводжується перегріванням поверхневого шару металу. Це призводить до збільшення окислення та насичення розплаву воднем. Перемішування металу у відбивній печі за рахунок тепломасоперено- су сприяє усередненню температури розплаву та його хімічного складу, що в кінцевому рахунку при- зводить до зниження втрат та підвищення якості металу. У сучасній металургії з цією метою широко використовується електромагнітне перемішування рідких металів [5]. Зазвичай таке перемішування здійснюється за допомогою трифазних чи двофазних електромагнітних індукторів, які створюють біжуче магнітне поле (БП) [7, 9]. Недоліком такого пе- ремішування, як відомо, є наявність застійної зони в центральній області ванни печі. У [4] було пока- зано, що з технологічної точки зору більш придатним для цього може бути однофазний індуктор з пульсуючим магнітним полем (ПП). Розміщення його вздовж бічної стінки ванни відбивної печі до- зволяє створити в ній ефективний двоконтурний вихровий рух рідкого металу. На відміну від пере- мішувача з біжучим магнітним полем у цьому випадку до руху залучаються не тільки пристінні обла- сті рідкого металу, а й, що дуже важливо, центральна область ванни печі. У відповідності до розробленої методики числового тривимірного моделювання електромаг- нітного поля і гідродинаміки в системі "індуктор – ванна з рідким металом" [2] стосовно відбивної печі для алюмінію проведено аналіз різних конструктивних варіантів однофазних перемішувачів рід- кого металу, досліджено їхні енергетичні та гідродинамічні характеристики, виконано розрахунковий аналіз впливу конструктивних параметрів на їхню ефективність. Запропоновано комбіновані елек- тромагнітні системи для перемішування рідкого металу, які здатні при багатофазному чи однофазно- му живленні створювати відповідно біжуче або пульсуюче магнітні поля. Показано, що періодичне чергування в таких системах біжучого і пульсуючого магнітних полів дозволяє реалізувати ефектив- не перемішування металу у всьому об’ємі ванни печі. Важливим питанням, що потребує окремого розгляду в зазначених печах, є вплив електромаг- нітного перемішування на розподіл температурного поля у ванні печі з метою вирівнювання темпера- тури в об’ємі металу. Метою цієї роботи є числове моделювання та дослідження теплових процесів у ванні відбив- ної печі (міксера) при електромагнітному перемішуванні алюмінієвого розплаву за допомогою комбі-  © Глухенький О.І., Гориславець Ю.М., Бондар О.І., 2015 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 6 79 нованого індуктора, який спроможний окремо створювати біжуче і пульсуюче магнітні поля, та вида- ча рекомендацій щодо розміщення такого індуктора відносно рідкого металу у ванні печі та визна- чення раціональних режимів його роботи. Постановка задачі. Задача нагрівання металевого розплаву у відбивній печі при його електро- магнітному перемішуванні вирішувалася у три етапи шляхом мультифізичного моделювання трьох слабкозв'язаних (у відповідності до формулювання [6]) тривимірних задач розрахунку електромагніт- ного поля, гідродинаміки і теплопередачі. На першому етапі виконувався розрахунок електромагнітно- го поля у системі "індуктор – ванна з рідким металом", що дозволив отримати розподіл об’ємних елект- ромагнітних сил, які зумовлюють рух рідкого металу. Електромагнітна задача формулювалася відносно векторного магнітного та скалярного електричного потенціалів, а розв’язувалася у безіндукційному на- ближенні, тобто без врахування електрорушійних сил, що виникають за рахунок руху металу (виходячи з їхньої відносної малості). На другому етапі здійснювався розрахунок нестаціонарного руху рідкого металу шляхом розв'язання нелінійних рівнянь Нав'є-Стокса з використанням k-ε моделі турбулентнос- ті. На третьому етапі виконувався розрахунок розподілу температури металу у ванні печі при його на- гріванні з врахуванням поля швидкостей, яке було отримано при визначенні руху рідкого металу. Моделювання проводилося для відбив- ної печі з приготування алюмінієвих сплавів. На рис. 1 схематично показана ванна 1 такої печі з внутрішніми розмірами (у плані) (3×2) м2 і висо- тою металу 2 у ній – 0,5 м. Загальна товщина бо- кових стінок печі складає 0,22 м, нижньої стінки (дна) – 0,32 м, з яких 0,02 м зовні займає каолі- нова вата, а інше – шамотна цегла. Індуктор 3 перемішувача розміщено в ніші бокової стінки печі. Між індуктором і рідким металом знахо- диться неелектропровідна (керамічна) стінка 4 товщиною 0,1 м. Розглядалася конструкція перемішувача з індуктором, що має тристрижневе шихтоване феромагнітне осердя (Ш-подібної форми), на кожному стрижні якого розташовані електричні котушки. Така конструкція дозволяє при трифазному живленні створювати у ванні печі біжуче магнітне поле, а при однофазному – пульсуюче. Розміри індуктора приймалися наступними: довжина осердя – 0,6 м, його висота – 0,3 м, ширина – 0,3 м, довжина стрижня (і довжина котушки) – 0,2 м, ширина централь- ного стрижня – 0,2 м, крайніх – 0,1 м, ширина поперечного перерізу кожної котушки – 0,05 м. Всі розрахунки виконувалися при живленні котушок струмом промислової частоти. Було прийнято, що амплітудне значення ампервитків кожної котушки складає 20 кА. Оскільки методики числового розрахунку електромагнітної та гідродинамічної задач були де- тально представлені в попередніх працях [2-4], далі зупинимося на постановці тільки теплової задачі. Для моделювання теплових процесів з врахуванням руху рідкого металу використовувалося нестаціонарне рівняння теплопровідності qTkTCtTC  )(u , де ρ – густина, C – питома теплоємність, T – абсолютна температура, u – швидкість руху, k – коефіці- єнт теплопровідності, q – внутрішні джерела тепла. Розглядалася наступна ситуація. Нагрівання рідкого металу зазначеного об’єму у ванні печі тривало протягом 20 хвилин. За початкову температуру розплаву приймалася температура плавлення алюмінію, тобто 933 К (660 оС). Метал нагрівався тепловим потоком загальною потужністю Q=600 кВт, що надходив рівномірно через верхню поверхню (дзеркало) металу. Інтенсивність нагрівання на поверхні при цьому складала 100 кВт/м2. Початковий розподіл температури стінок печі визначався шляхом попереднього розрахунку стаціонарної теплової задачі з заданою температурою внутрішніх поверхонь стінок, що дорівнює початковій температурі розплаву. Розрахунок як стаціонарної, так і нестаціонарної теплових задач проводився для трьох під- областей: власне рідкого металу та двох підобластей стінок, які моделювали два шари теплоізоляцій- них матеріалів (шамотної цегли та каолінової вати). Керамічній стінці між індуктором та розплавом надавалися теплофізичні характеристики шамотної цегли. Задача розв'язувалася в лінійній постановці – коефіцієнти рівняння теплопровідності приймалися незалежними від температури. Значення фізич- Q Рис. 1 1 3 4 2 80 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 6 них характеристик матеріалів, що використо- вувалися при розрахунку теплопередачі, наве- дені в табл. 1. Внутрішніми джерелами тепла в об'ємі розплаву, зумовленими протіканням вихрових струмів та тепловиділенням за рахунок в'язко- го тертя при русі, нехтувалося, оскільки їхня сукупна частка становила менше 5% від основного теплового потоку Q. У розрахунках враховувалася втрата теплоти за рахунок вільної конвекції в навколишнє сере- довище через бокові стінки та дно печі. Коефіцієнти тепловіддачі знаходилися, виходячи з темпера- тури зовнішньої поверхні печі, розподіл якої було отримано в результаті розрахунку вищезазначеної стаціонарної теплової задачі. Вони визначалися у відповідності до формули [1] 25,0 0c )(05,2 TTh  , де Тс, Т0 – середня температура зовнішньої поверхні стінок та оточуючого середовища. Вважалося, що за той час, протягом якого тривало нагрівання металу, температура стінок Тс залишалася незмінною. Результати моделювання. Для оцінки ефективності перемішування використовувалися на- ступні характеристики (параметри): максимальна Тs_max та середня Тs_av температури на поверхні роз- плаву; різниці цих температур по відношенню до середньої температури Тv_av в об'ємі металу, тобто відповідно ΔТs_max та ΔТs_av. За інтегральну (усереднену за час нагрівання) характеристику процесу приймалася середня у часі максимальна температура перегрівання поверхні рідкого металу нагрs_max0 нагр max tdtТT t   . За результатами розрахунків встановлено, що протягом прийнятого терміну нагрівання, який складає tнагр = 1200 c, незалежно від наявності чи відсутності перемішування середня в об'ємі металу температура Тv_av змінюється приблизно на однакову величину, а саме на (84,5±1,5) К і досягає (1019±1,5) К. Із витрачених на нагрівання 200 кВт·год енергії частка, що йде на підігрівання розпла- ву, становить близько 90,9 %, 5,8 % витрачається на нагрівання стінок, а 3,3 % передається за рахунок тепловіддачі в навколишнє середовище. В цьому балансі не враховуються втрати теплоти на нагрі- вання та тепловіддачу через склепіння (верхню кришку) печі. На рис. 2 показано рух розплаву в середній по висоті металу площині та розподіл температури на його поверхні в кінці нагрівання. Перемішувач у цьому випадку розташовувався вздовж довгої бічної стінки ванни печі симетрично відносно розплаву як по довжині, так і по висоті. Рис. 2, а відпо- відає випадку однофазного живлення перемішувача, за яким створюється пульсуюче магнітне поле, рис. 2, б – трифазному живленню з біжучим магнітним полем. На цьому рисунку відтінками сірого кольору позначено розподіли температур на поверхні металу з відповідними шкалами у градусах Кель- віна, стрілками позначено величину та напрямок швидкості руху рідкого металу. Максимальне пере- грівання металу на верхній поверхні спостерігається в області застійних зон, які є центрами вихро- вого руху при перемішуванні. Як видно з наведених шкал, максимальна температура на поверхні ме- талу у випадку біжучого поля є дещо вищою. В кінці процесу нагрівання різниця температур ΔТs_max між максимальною температурою на поверхні та середньою в об'ємі відповідно складає 71 К та 91 К. Таким чином, незважаючи на більш низький рівень швидкості руху металу при перемішуванні за Таблиця 1 Матеріали Алюміній Шамотна цегла Каолінова вата k, Вт/(м·К) 95 1,1 0,2 C, Дж/(кг·К) 1090 972 920 Рис. 2 1 м/са Ts, K 1 м/сб Ts, K ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 6 81 допомогою пульсуючого магнітного поля, його ефективність по цьому показнику є дещо вищою. Для підтвердження необхідності перемішу- вання металу у відбивній печі на рис. 3 показано залежності середньої температури на поверхні роз- плаву Тs_av з плином часу за відсутності перемі- шування (крива 1) та при перемішуванні розплаву за допомогою пульсуючого (крива 2) і біжучого (крива 3) магнітних полів. Тут також наведено за- лежність середньої температури в об'ємі розплаву Тv_av (крива 4), яка змінюється у часі практично лінійно. Як і передбачалося, у відбивній печі за відсутності перемішування має місце значне пере- грівання металу на поверхні, яке суттєво може бу- ти зменшено за рахунок перемішування розплаву. Так, в кінці нагрівання різниця ΔТs_av середніх тем- ператур на поверхні та в об'ємі становить 154 К без перемішування та 20 і 21 К − при перемішуванні пульсуючим і біжучим магнітними полями відповідно. Важливо зазначити, що при перемішуванні приблизно через 50 с після вмикання індуктора різниця температур ΔТs_av при подальшому нагріванні лишається майже постійною величиною. За відсутності перемішування ця різниця весь час зростає в процесі нагрівання. Нагадаємо, що розрахунок теплової задачі виконувався з врахуванням нестаціонарного руху рідкого металу при вмиканні перемішувача. Тривалістю електромагнітного перехідного процесу при цьому нехтувалося. В роботі [3] було показано, що переміщення перемішувача нижче середнього (симетричного) положення по висоті металу сприяє зменшенню максимальної швидкості руху розплаву на його по- верхні без суттєвої втрати при цьому гідродинамічної ефективності перемішувача. Як відомо [7], зменшення швидкості металу на поверхні нижче граничного значення (~0,5 м/с) дозволяє суттєво зменшити замішування окисної плівки в глибину розплаву, що природно підвищує його якість. На рис. 4 представлено різницю ΔТs_av середніх температур на поверхні розплаву та в його об'ємі при симетричному (криві 1, 2) та зміщенному вниз (на 0,1 м) положеннях перемішувача (криві 3, 4). На цьому рисунку представлено результати розрахунку у випадку перемішування біжучим (криві 1, 3) і пульсуючим (криві 2, 4) магнітними полями. В обох випадках зміщення перемішувача вниз призво- дить до зменшення різниці температур ΔТs_av приблизно у 1,5 рази (з 20 до 13 К). Отже, і з теплової точки зору (як і з гідродинамічної) зміщення перемішувача нижче середнього положення призводить до позитивних результатів. З метою пошуку раціонального режиму роботи перемішувача було також проаналізовано вплив на перегрівання поверхні розплаву почергової зміни біжучого та пульсуючого магнітних полів шляхом перемикання трифазного та однофазного живлення індуктора. Як свідчать результати розра- хунків гідродинамічної задачі, це дозволяє більш якісно перемішувати рідкий метал у всьому об’ємі ванни печі. Застійні зони, що виникають при одному режимі роботи, перемішуються в другому ре- жимі. Особливо ефективно це відбувається під час перехідних гідродинамічних процесів [8]. 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 0 2 4 6 8 10 12 0,9 0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 t×10-3, c 2 3 1 4 Тs_av×10-3, К Рис. 3 0 5 10 15 20 25 0 2 4 6 8 10 120 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 5 10 15 20 25 t×10-3, c 4 3 2 1 ∆Тs_av, К Рис. 4 Рис. 5 0 10 20 30 40 50 60 0 2 4 6 8 10 120 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 10 20 30 40 50 60 t×10-3, c 3 4 1 ∆Т s_max, К 2 82 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 6 Для встановлення впливу такої комбінованої дії магнітних полів розраховувався розподіл тем- ператури металу у ванні печі з плином часу для різних періодів перемикання індуктора з одного ре- жиму живлення на інший. На рис. 5 показано отриману таким чином залежність ΔТs_max з періодом перемикання τ=300 с (крива 3). Нестаціонарний розрахунок температури при цьому виконувався з врахуванням зміни траєкторій руху та значень швидкості в перехідних гідродинамічних режимах (при перемиканні живлення перемішувача). Зменшення максимальної температури перегрівання по- верхні розплаву в цьому режимі по відношенню до постійного застосування біжучого або пульсую- чого полів протягом всього процесу нагрівання (криві 1, 2) спостерігалося лише короткочасно (при- близно протягом 40−50 с) під час нестаціонарного руху рідкого металу, тобто під час перебудови структури течії металу. Інтегрально у відповідності до середньої за часом максимальної температури перегрівання рідкого металу ΔTmax це не призводить до суттєвого зменшення перегрівання поверхні металу. Значного зменшення ΔTmax вдалося досягти, прийнявши період перемикань τ=40 с (крива 4), що приблизно відповідає тривалості перехідного гідродинамічного процесу при комбінованому пере- мішуванні. Оскільки при цьому застійні зони не встигають сформуватися, то це призводить до змен- шення інтегрального (середнього) перегрівання поверхні розплаву. Ефективність електромагнітного перемішування рідкого металу у ванні відбивної печі можна оцінити з табл. 2, де представлено значення величини ΔTmax для різних режимів перемішування (без перемішування, з перемішуванням окремо біжучим і пульсуючим магнітними полями при розміщенні індуктора симетрично металу по висоті та зміщенні його вниз на 0,1 м відносно цієї симетрії, а також при почерговій зміні біжучого і пульсуючого магнітних полів з періодом перемикання їх у часі в 300 і 40 с). З наведеної таблиці випливає, що використан- ня комбінованого електро- магнітного перемішувача із зміщенням його нижче си- метричного положення та з застосуванням почергової дії пульсуючого і біжучого магнітних полів дозволяє зменшити перегрівання верхньої поверхні розплаву у відбивній печі майже у чотири рази. Висновки. 1. Електромагнітне перемішування є дієвим засобом усереднення температури розплаву у ванні відбивної печі, причому перемішування пульсуючим магнітним полем призводить до дещо меншого перегрівання металу по відношенню до біжучого поля. 2. Зміщення перемішувача нижче симетричного положення по висоті рідкого металу збільшує його ефективність. 3. Додаткове підвищення ефективності перемішування можна досягти шляхом почергової змі- ни біжучого та пульсуючого магнітних полів, створених індуктором. Період перемикань їх між со- бою слід узгоджувати з тривалістю перехідних гідродинамічних процесів. 1. Болотов А.В., Шепель Г.А. Электротехнологические установки – М.: Высш. шк., 1988. – 336 с. 2. Глухенький А.И., Гориславец Ю.М., Токаревский А.В. Трехмерное моделирование однофазного электромаг- нитного перемешивателя жидких металлов // Технічна електродинаміка. – 2013. – №5. – С. 77-84. 3. Глухенький А.И., Гориславец Ю.М., Максименко В.Ю., Токаревский А.В. Расчетное исследование влияния конструктивных параметров на эффективность однофазного перемешивателя жидкого метала // Праці ІЕД НАН України. – 2014. – Вип. 39. – С. 114-120. 4. Дубоделов В.И., Фикссен В.Н., Глухенький А.И., Гориславец Ю.М. МГД перемешиватели алюминиевых сплавов с пульсирующим магнитным полем // Технічна електродинаміка. – 2009. – №1. – С. 61-66. 5. Дубоделов В.И., Фикссен В.Н., Горюк М.С., Слажнев Н.А., Скоробагатько Ю.П. Современные устройства для электромагнитного перемешивания алюминиевых расплавов в печах и миксерах повышенной емкости // Металл и литье Украины. – 2008. – №6. − Pp. 12-17. 6. Подольцев А.Д., Кучерявая И.Н. Мультифизическое моделирование электротехнических устройств // Технічна електродинаміка. – 2015. – №2. – С. 3-15. 7. Тир Л.Л., Столов М.Я. Электромагнитные устройства для управления циркуляцией расплава в электропе- чах. – М.: Металлургия, 1991. – 280 с. 8. https://youtu.be/aD7DWOsoMyw (Аccessed 19.06.2015) 9. Non ferrous casting. – Equipment MHD Technology. Riga: Krãsainie lẽjumi, 2004. − 22 p. Таблиця 2 Режим перемішування Без перем. БП сим./знизу ПП сим./знизу БП і ПП, знизу τ = 300 с / 40 с ΔTmax, К 120,4 83,4 / 51,4 68,7 / 48,7 48,6 / 33,6 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 6 83 УДК 621.74:537.84 МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРЕВА МЕТАЛЛИЧЕСКОГО РАСПЛАВА В ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ ПРИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПЕРЕМЕШИВАНИИ А.И.Глухенький, канд.техн.наук, Ю.М.Гориславец, докт.техн.наук, А.И.Бондар Институт электродинамики НАН Украины, пр. Победы, 56, Киев-57, 03680, Украина. E-mail: ugoris@ied.org.ua Выполнено мультифизическое численное трехмерное моделирование и исследование нестационарного нагрева расплава в ванне отражательной печи при его электромагнитном перемешивании с помощью комбинированного индуктора, который способен при многофазном или однофазном питании отдельно создавать соответственно бегущее или пульсирующее магнитные поля. Электромагнитные, гидродинамические и тепловые процессы рассматривались как слабосвязанные, что позволило решать такие задачи последовательно. Электромагнитная задача рассчитывалась относительно векторного магнитного и скалярного электрического потенциалов, в результате чего получено распределение объемных электромаг- нитных сил, которые вызывают движение жидкого металла. Расчет нестационарного движения жидкого металла в ванне печи осуществлялся путем решения нелинейных уравнений Навье-Стокса с использованием k-ε модели турбулентно- сти. Распределение температуры металла в ванне печи в процессе его нагрева находилосья с учетом поля скоростей, полу- ченного при определении движения жидкого металла. Анализ полученных таким образом данных показал, что существенно уменьшить перегрев металла на поверхности можно путем размещения комбинированного перемешивателя ниже его симметричного положения по высоте металла и использования поочередного действия бегущего и пульсирующего магнит- ных полей с периодом переключения, который примерно равен длительности переходного гидродинамического процесса. Библ. 9, рис. 5, табл. 2. Ключевые слова: мультифизическое моделирование, отражательная печь, электромагнитный комбинированный перемеши- ватель, бегущее и пульсирующее магнитные поля, нагрев расплава. THE MODELLING OF HEATING OF METAL MELT IN THE REVERBERATORY FURNACE DURING ELECTROMAGNETIC STIRRING O.I.Glukhenkyi, Yu.M.Goryslavets, O.I.Bondar Institute of Electrodynamics of National Akademy of Science of Ukraine, pr. Peremohy, 56, Kyiv-57, 03680, Ukraine. E-mail: ugoris@ied.org.ua The multiphysical numerical threedimentional modelling and research of time dependent heating of the melt in the reverberatory furnace during it electromagnetic stirring by means of combined inductor, which is capable separately to create travelling or pulsat- ing magnetic fields with multiphase or single phase power supply respectively has been done. Electromagnetic, hydrodynamic and heat processes were considered as weakly bound, that allowed to solve appropriate problems consistently. Electromagnetic problem was calculated relative to the magnetic vector and electric scalar potentials, resulting in distribution volume received electromag- netic forces that cause movement of liquid metal. Calculation of nonstationary motion of liquid metal in the furnace bath was carried out by solving nonlinear Navier-Stokes equations using k-ε turbulence model. Temperature distribution of metal in the furnace bath during its heating was found considering the velocity field which were obtained by determining the movement of liquid metal. Analy- sis of the obtained data showed that significantly reduce overheating on metal surfaces can be achieved by shifting down a combined stirrer relatively symmetrical position on height and using alternate action of and pulsating magnetic fields with switching period, which is approximately equal to the duration of the transition hydrodynamic process. References 9, figures 5, tables 2. Keywords: multiphysical modelling, reverberatory furnace, electromagnetic combined stirrer, travelling and pulsating magnetic fields, heating of the melt. 1. Bolotov A.V., Shepel G.A. Electrotechnological Installations. – Moskva: Vysshaia shkola, 1988. – 336 p. (Rus) 2. Glukhenkyi A.I., Goryslavets Yu.M., Tokarevskyi A.V. Three-dimensional simulation of single-phase electromagnetic stirrer // Tekhnichna Elektrodynamika. – 2013. – No 5. – Pp. 77-84. (Rus) 3. Glukhenkyi A.I., Goryslavets Yu.M., Maksymenko V.Yu., Tokarevskyi A.V. Computational research of influence of constructive parameters of the efficiency of single-phase liquid metal stirrer // Pratsi Instytutu Elektrodynamiky Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy. – 2014. – No 39. – Pp. 114-120. (Rus) 4. Dubodelov V.I., Fikssen V.N., Glukhenkyi A.I., Goryslavets Yu.M. MHD stirrer of aluminum alloys with pulsed magnetic field // Tekhnichna Elektrodynamika. – 2009. – No 1. – Pp. 61-66. (Rus) 5. Dubodelov V.I., Fikssen V.N., Goriuk M.S., Slazhnev N.A., Skorobogatko Yu.P. Modern devices for electromagnetic stirring of molten aluminum in high-capacity furnaces and mixers // Metal i Litio Ukrainy. – 2008. – No 6.− Pp. 12-17. (Rus) 6. Podoltsev A.D., Kucheriavaia I.N. Multiphysics modeling of electrotechnical devices // Tekhnichna Elektrodynamika. – 2015. – No 2. – Pp. 3-15. (Rus) 7. Tir L.L., Stolov M.Ya. Electromagnetic devices to control the circulation of the melt in electric furnaces. – Мoskva: Меtallurgiia, 1991. – 280 p. (Rus) 8. https://youtu.be/aD7DWOsoMyw (Аccessed 19.06.2015) 9. Non ferrous casting. – Equipment MHD Technology. Riga: Krãsainie lẽjumi, 2004. − 22 p. Надійшла 08.06.2015

Моделювання нагрівання металевого розплаву у відбивній печі при електромагнітному перемішуванні

Репозитарії

Схожі ресурси