ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЬ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В КРИСТАЛИЗАТОРЕ МАШИН НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК :

Краткое описание

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ

На правах рукописи

КАРЛОВ АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

УДК 621.313

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЬ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В КРИСТАЛИЗАТОРЕ МАШИН НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.09.01 – Электрические машины и аппараты

Диссертация

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель –

Ращепкин Анатолий Павлович,

д.т.н., профессор

Киев – 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 5

РАЗДЕЛ 1      ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В МНЛЗ. 12

1.1    Основные тенденции и классификация электромагнитных устройств воздействия на жидкий металл. 12

1.2    Влияние перемешивания жидкого металла в МНЛЗ на качество непрерывнолитой заготовки. 17

1.3    Конструктивные исполнения перемешивателей жидкого металла в кристаллизаторе. 21

1.4    Методы анализа магнитогидродинамических процессов в перемешивателях жидкого металла в кристаллизаторах МНЛЗ. 34

1.5    Основные уравнения для анализа электромагнитных перемешивателей жидкого металла. 40

1.6    Выводы к разделу 1. 43

РАЗДЕЛ 2      ТРЕХОБМОТОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЬ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ МАШИН НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК   44

2.1    Конструктивное исполнение перемешивателя для успокоения мениска и выноса металла из осевой зоны слитка. 44

2.2    Магнитное поле и электродинамические силы трехобмоточного электромагнитного перемешивателя жидкого металла установленного снаружи кристаллизатора в МНЛЗ. 46

2.2.1    Расчет магнитного поля, электродинамических сил и энергетических показателей трехобмоточного электромагнитного перемешивателя для произвольной токовой нагрузки. 46

2.2.2    Расчет токовой нагрузки трехобмоточного перемешивателя жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ с фазной зоной 60⁰ 58

2.2.3    Анализ энергетических показателей и усилий в перемешивателя с фазной зоной 60⁰ в зависимости от способа соединения обмоток. 65

2.2.4    Расчет токовой нагрузки трехобмоточного перемешивателя жидкого металла в кристаллизаторе МНЛЗ с фазной зоной 120⁰ 71

2.3    Аналитический метод расчета электромагнитного поля, энергетических показателей и электромагнитных усилий в жидком металле для экспериментального трехобмоточного перемешивателя жидкого металла. 78

2.4    Экспериментальное исследование трехобмоточного перемешивателя жидкого металла. 93

2.5    Выводы к разделу 2. 102

РАЗДЕЛ 3      МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЬ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ МАШИН НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ.. 104

3.1    Выбор методов расчета электромагнитного поля, энергетических показателей и электромагнитных усилий в жидком металле для перемешивателя жидкого металла на постоянных магнитах. 104

3.2    Метод расчета электромагнитного поля, энергетических показателей, электромагнитных усилий и скорости вращения металла в кристаллизаторе МНЛЗ с перемешивателем на постоянных магнитах. 105

3.3    Моделирования перемешивателей жидкого металла на постоянных магнитах в кристаллизаторе в МНЛЗ. 122

3.3.1    Двухполюсный перемешиватель на постоянных магнитах с радиальным намагничиванием. 123

3.3.2    Многополюсные перемешиватель на постоянных магнитах с радиальным намагничиваниям. 137

3.3.3    Перемешиватель с тангенциальным намагничиванием магнитов, немагнитным корпусом и ферримагнитными полюсами. 142

3.3.4    Двухполюсный перемешиватель с тремя расщепленными полюсами  148

3.3.5    Двухполюсный перемешиватель с шестью расщепленными полюсами  151

3.3.6    Сравнительный анализ перемешивателей жидкого металла с постоянными магнитами. 154

3.4    Выводы к разделу 3. 157

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 158

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 161

ПРИЛОЖЕНИЕ А         Материалы по внедрению результатов диссертации. 174

Развитие металлургической отрасли требует совершенствования и модернизации технологических процессов производства металла. Для этих целей в мировой практике на металлургических предприятиях используются машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Этот метод разливки стали является на сегодняшний день одним из самых перспективных. Он позволяет проводить разливку практически непрерывно, благодаря чему снижаются затраты на дополнительный нагрев и обработку, уменьшается количество отходов металла, требуется меньше обслуживающего персонала. Поэтому практически все производство стали за границей, переведено на МНЛЗ.

Поиск новых технологических решений по усовершенствованию металлургических процессов производства стали, направлен на повышение производительности МНЛЗ, уменьшение энергоемкости производства и улучшения качества металла.

Электромагнитное перемешивание является одним из последних достижений, используемых при непрерывной разливке стали. Сообщения относительно первых успешных экспериментов по электромагнитному перемешиванию при разливке мелких заготовок появились в начале 70–х годов.

Электромагнитный перемешиватель предназначен для бесконтактного перемешивания жидкого металла в кристаллизаторе и представляет собой асинхронную машину, ротором которой является жидкий металл. Перемешивание жидкого металла в кристаллизаторе происходит на частоте 3...5 Гц за счет силового взаимодействия результирующего магнитного поля и индуцированных вращающимся магнитным полем токов в жидком металле.

Успех электромагнитного перемешивания объясняются целым рядом металлургических преимуществ, таких как удаление шлаковых включений и газовых пузырей на поверхности заготовки, уменьшение неметаллических включений и раковин по всему объему заготовки, уменьшение зоны столбчатых кристаллов, уменьшение внутренних трещин, центральной пористости и осевой ликвации, увеличения скорости литья, создание равномерного профиля распределения температуры в металле, получения более однородной структуры металла и т.д.

Основы теории электромагнитных перемешивателей жидкого металла разработаны в трудах  Грачева В.Г., Дубоделова В.И., Жильцова А.В., Зарубина С. В., Кондратенка И.П., Ращепкина А.П., Подольцева А.Д., Гориславца Ю.М., Зенина В.С., Касьяна Г.И., Мазанова С.Н., Петрушенка Е.И., Плантуса В.И., Сивака Б.А., Соловьева А. А., Фисенка В. Г., Шифрина И.Н., Bai Yue-long, Beitelman L., Chen Yong, Fujisaki K., Hirayama R., Okazawa K., Pesteanu O

Список литературы

Разработанные в диссертационной работе теоретические методы анализа электромагнитного поля в перемешивателе жидкого металла как совокупность математических моделей, алгоритмов и компьютерных программ, а также результаты исследований, конструктивные решения перемешивателей и рекомендации по проектированию решают важное научное задание развития методов расчета и проектирования, новых перемешивателей жидкого металла.

Наиболее важные научные и практические результаты диссертации.

1.     Разработаны математические модели магнитоэлектрических перемешивателей с нормальным и тангенциальным намагничиванием магнитов, а также электромагнитных перемешивателей жидкого металла на основе которых изучено электромагнитные процессы в трехобмоточных перемешивателях в зависимости от схем соединения обмоток. Показано что полная мощность электромагнитных перемешивателей на порядок превышает мощность привода магнитоэлектрических перемешивателей и требует низкочастотного преобразователя частоты.

2.     Применение электромагнитных перемешивателей с комбинированными бегущими магнитными полями на основе трехобмоточного исполнения позволяет интенсифицировать процессы тепломассопереноса из осевой зоны, что способствует повышения качества металла и производительности машин непрерывного литья заготовок.

3.     Разработаны методы расчета электродинамических сил и энергетических показателей трехобмоточного электромагнитного перемешивателя в зависимости от конструктивного исполнения обмоток. Установлено, что изменением схем соединения обмоток представляется возможным управлять силовым воздействием магнитного поля на жидкий металл.

4.     По результатами экспериментальных исследований установлено эффективность разработанных математических моделей и теоретических методов анализа, что подтверждается их удовлетворительным совпадением с теоретическими результатами (напряжения – до 20%, индукция магнитного поля – до 25%).

5.     Разработаны численно-аналитические методы анализа магнитоэлектрических перемешивателей жидкого металла с использованием постоянных магнитов в кристаллизаторах машин непрерывного литья заготовок, с учетом неоднородности распределения скорости вращения жидкой лунки. Установлено, что энергетические показатели можно рассчитывать на основе аналитических решений при допущении, что жидкий металл является твердым неподвижным телом, в то время как для определения силового воздействия магнитного поля следует учитывать неоднородность распределения скорости жидкого металла. Как в электромагнитных так и магнитоэлектрических перемешивателях максимальные джоулевые потери выделяются в корпусе кристаллизатора и в несколько меньшей степени в гильзе.

6.     Путем численного моделирования электромагнитных процессов в магнитоэлектрических перемешивателях установлено, что наиболее эффективным за критерием максимальной величины отношения электромагнитного момента на единицу массы магнитов является двухполюсный перемешиватель с радиальным намагничиванием магнитов.

7.     Силовое воздействие перемешивателей с сегментированными полюсами без зазоров не отличается от силового воздействия перемешивателя с цельными полюсами и радиальным намагничиванием. Магнитная индукция в жидком металла, например, для промышленного исполнения перемешивателя с сегментированными полюсами снижается на 0,5% при уменьшении заполнения магнитами полюс на 1% (т.е. увеличения расстояния между магнитами) и является линейной функцией. Оптимальный угол раскрытия магнитного полюса по величине джоулевых потерь в кристаллизаторе и величине электромагнитного момента в жидкой стали к массе магнитов составляет 140⁰.

8.     Для всех исполнений перемешивателей существует одинаковая оптимальная частота вращения магнитной системы, которая зависит только от электромагнитных параметров материалов кристаллизатора и для промышленного исполнения кристаллизатора находится в диапазоне от 5 Гц до 10 Гц.

9.     Сравнение результатов аналитического решения и численного моделирования в частном случае неподвижного жидкометаллического стального слитка показало удовлетворительное совпадение результатов – на уровне 8%.

10.  При углах раскрытия до 60⁰ перемешиватель с шестью расщепленными полюсами создает больший электромагнитный момент, чем перемешиватель с радиальным намагничиванием магнитов. Перемешиватель с тангенциальным намагничиванием магнитов и ферромагнитными полюсами имеет больший электромагнитный момент при таких же углах раскрытия. Двухполюсный перемешиватель с тремя полюсами имеет минимальное силовое воздействие на жидкий метал.

11.  Магнитное поле и электромагнитный момент в жидком металле на порядок снижаются с удвоением числа полюсов магнитной системы.

12.  Двухполюсные магнитные системы с тангенциальным намагничиванием в два раза превышают по силовому воздействию такие же системы с сегментированием магнитов.

13.  Двухполюсные магнитные системы с шестью расщепленными полюсами приближаются по своим показателям к магнитным системам перемешивателей с сегментированными полюсами.

14.  Основные результаты диссертационной работы в форме методик расчета использованы для разработки перемешивателя жидкого металла для ЗАО «Новокраматорский машиностроительный завод». Дальнейшее использование полученных результатов планируется при разработке и проектировании электромагнитных перемешивателей на металлургических предприятиях Украины.

/ Arvind Kumar, Pradip Dutta // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2005. – № 48. – P. 3674 – 3688.

/ Ayata K., Fujimoto T. // ISIJ International. – 1989. – Vol. 29. – № 12. – P. 1069 – 1075.

/ Beitelman L., Mulcahy J.A. // International Symposium on Electromagnetic Processing of Materials. – Nagoya. – ISIJ. – 1994. – P. 235 – 241.

I. / Dubke Mathias, Tacke Karl–Hermann, Spitzer Karl–Heinz, Schwerdtfeger Klaus // Metallurgical Transactions B. – 1988. – Vol. 19B. – P. 581 – 593.

/ EI–Kaddah N. Natarajan T.T. // Second Internetional Conference on CFD in the Minerals and Process Industries CSIRO. – 1999. – P. 339 – 344.

/ Fujisaki K., Hirayama R, Wajima K. // Nippon steel technical report. – 2004. – № 89. – P. 63 – 67.

/ Fujisaki K., Sawada K., Ueyama T., Okazawa K., Toh T., Takeuchi E. // International Symposium on Electromagnetic Processing of Materials. – Nagoya. – ISIJ. – 1994. – P. 272 – 277.

Europe / Garnier M. // ISIJ International. – 1990. – Vol. 30. – № 1. – P. 1 – 7.

/ Hirayama R., Fujisaki K. // IEEE Transactions on magnetics. – 2004. – Vol. 40. – № 4. – P. 2095 – 2097.

.

.

/ Karel Stranskya, Frantisek Kavickaa, Bohumil Sekaninaa, Josef Stetinaa, Jana Dobrovskab, Lubomir Stranskya // Metal. – Hradec nad Moravici – 2009. – P. 1 – 6.

– 29, 1997: Proc. – Paris, 1997. – Vol. 2. – P. 355 – 365.

– № 14 (3). – P. 6 – 12.

P. 188 – 194.

P. 617 – 625.

– Vol. 50. – №. 8. – P. 1180 – 1184.

fluid flow phenomena in rotary electromagnetic stirring of steel / Natarajan T.T., Nagy El–Kaddah // Applied Mathematical Modelling. – 2004. – №. 28. – P. 47 – 61.

P. 119 – 131.

Nagoya. – ISIJ. – 1994. – P. 178 – 183.

K. Сортовая УНРС CONCAST и электромагнитное перемешивание расплава / K. Stransky, F. Kavicka, B. Sekanina et al // Новости черной металлургии за рубежом. – 2011. – № 1. – P. 33 – 35.

Nonferrous Met. Soc. China. – 2010. – Vol. 45. – № 20. – P. 1591 – 1596.

– 2011. – Iss. 4. – Vol. 5. – P. 310 – 317.

Конструкция установки непрерывной разливки высококачественных сталей на фирме “Nippon steel corporation” / K.Tsunenari, S. Shima, Y. Maruki et al. // Новости черной металлургии за рубежом. – 2010. – № 2. – C. 42 – 44.

С. Production of metal matrix composites ingots from semisolid alloys / Vives С. // Journal de Physique 3. – 1993. – Vol. 3. – P. 1833 – 1836.

Nagoya. – Japan. – ISIJ. – 1990. – P. 478 – 486.

2. – P. 183 – 191.

4. – С. 37 – 40.

. Остроградського. – 2009. – № 3 (56). – Ч. 2. – С. 82 – 85.

Режим доступа к статье: http://www.rmo.ru/ru/nmoborudovanie/nmoborudovanie/2005–4/48_52_OTA_04_05.pdf.

– С. 17 – 20.

Режим доступа к статье:  http://eir.pstu.edu/bitstream/handle/123456789/484/5_Казачков%2cФедосов.pdf?sequence=1.

Застосування електромагнітного перемішування сталі в процесі лиття заготовок діаметром 150 мм / Касьян Г.І., Козлова З.Л., Кучаєв О.А., Якобше Р.Я. // Вісник НАУ. – 2008. – № 4. – С. 65 – 68.

Украина, МПК B22D 27/02, 11/115, 11/10, 11/11, H02K 17/02, 17/04. Пристрій для електромагнітного перемішування металевого розплаву / ЗАТ "НОВОКРАМАТОРСЬКИЙ МАШИНОБУДІВНИЙ ЗАВОД"; заявитель и патентообладатель ЗАТ "НОВОКРАМАТОРСЬКИЙ МАШИНОБУДІВНИЙ ЗАВОД"; заявл. 26.11.2007; опубл. 10.01.2008, бюл. № 1.

Hydro–power type permanent magnetic stirrer for caster / Senlin Zhang, заявитель и патентообладатель Senlin Zhang; опубл. 19–Aug–2009.

CN 200984633 Китай, МПК B22D 11/11; B22D 11/115. Permanent magnetic mixer for continuous casting machine / Jianyun Chai, Xingpu Su, Qiyuan You, Huiwen Zhang, Huimin Wang; заявитель и патентообладатель ANSHAN YASAI ELECTRO MAGNETIC; опубл. 05.12.2007.

. CN 201676661 Китай, МПК B01F 13/08; B22D 11/115; B22D 27/02. Magnetic field amplitude–frequency united modulation electromagnetic stirring device / Zuosheng Lei, Guan Wang, Qi Gao, Zhongming Ren, Kang Deng, заявитель и патентообладатель UNIV SHANGHAI; опубл. 22.12.2010.