Предложения по использованию систем

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ СИСТЕМ

ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

РАСПЛАВОВ НОВОГО (ЧЕТВЕРТОГО) ПОКОЛЕНИЯ НА БАЗЕ ПОЛИФАЗНЫХ ИНВЕРТОРНО-ИНДУКТОРНЫХ СИСТЕМ

Решаемые проблемы

 

1. Повышение интенсивности и равномерности перемешивания компонентов расплава в процессе плавки (в том числе и при увеличении вязкости металла, например, в результате изменения химического состава расплава при добавлении в него легирующих добавок или изменения температуры в процессе кристализации).

2. Уменьшение взаимной компенсации (гашения) вращающихся магнитных полей, создаваемых близко расположенными друг к другу электромагнитными перемешивателями жидкого металла при непрерывной разливке расплава в несколько изложниц (литейных форм).

 

Анализ особенностей существующих систем принудительной

Перспективы применения СПЦ четвертого поколения при

Способы уменьшения взаимной компенсации (гашения)

Магнитных полей

На практике нередко возникает ситуация, когда создаваемые несколькими источниками магнитные поля, накладываясь друг на друга, искажают или частично (или полностью) взаимно уничтожают (компенсируют, гасят) друг друга. Такие ситуации наблюдаются, в частности, в следующих случаях:

– в установках для непрерывной разливки сплавов в несколько близко расположенными друг к другу изложниц, в каждой из которых в процессе кристаллизации сплава производится его электромагнитное перемешивание отдельным перемешивателем,

– в индукционных печах [27, 28].

Для предотвращения этого явления (или хотя бы для его ослабления до приемлемого уровня) необходимо использовать тот или иной способ разделения (или, так сказать, – ортогонализации) магнитных полей. Все возможные способы ортогонализации магнитных полей (ОМП) можно разделить на три группы:

– 1-я группа – пространственная ОМП,

– 2-я группа – временнáя ОМП,

– 3-я группа – пространственно-временнáя ОМП.

Ниже способы ОМП будут рассмотрены применительно к первой из упомянутых выше ситуаций, а именно для случая непрерывной разливки сплавов в несколько близко расположенными друг к другу изложниц, в каждой из которых в процессе кристаллизации сплава производится его электромагнитное перемешивание отдельным перемешивателем.

 

Пространственная ОМП

 

Пространственная ОМП сводится к магнитному и/или электрическому экранированию каждой изложницы и ее перемешивателя с помощью экранов, выполненных из жаропрочных или нежаропрочных материалов.

Для обеспечения электрического экранирования материал должен обладать электрической проводимостью.

Для обеспечения магнитного экранирования материал должен обладать ферромагнитными свойствами.

Поскольку перемешиватели создают переменные магнитные поля относительно малой частоты, то более предпочтительным является магнитное экранирование с помощью ферромагнитных экранов, поскольку в этом случае электрическое экранирование приведет не к пространственному разделению магнитных полей, созданных разными перемешивателями, а лишь к частичному ослаблению взаимного влияния полей друг на друга.

Электромагнитные экраны из нежаропрочных материалов сами по себе более дешевые (по сравнению с экранами из жаропрочных материалов), однако их использование потребует установки системы водяного охлаждения экранов, что в итоге приведет к повышению стоимости оборудования, снижению его надежности, а также усложнит его обслуживание.

В качестве жаропрочных материалов для электромагнитных экранов могут быть использованы, например, сплавы на основе никеля.

 

4.2. Временнáя ОМП

 

Временнáя ОМП не требует применения электромагнитных экранов и сводится к поочередному отключению ближайших перемешивателей на время t ≥ τ_Э, где τ_Э – постоянная времени обмотки индуктора перемешивателя. При этом в каждый момент времени из нескольких соседних (ближайших) перемешивателей будет работать только один.

Такой режим работы перемешивателей приведет к некоторому снижению эффективности электромагнитного перемешивания металла во всех изложницах. Однако это снижение будет незначительным, поскольку τ _M  >> τ_Э, где τ _M – постоянная времени массива расплава.

Для предотвращения снижения эффективности электромагнитного перемешивания металла в изложницах необходимо увеличить мощность перемешивателей (т.е. проектировать их с соответствующим запасом по мощности) пропорционально длительности t паузы в работе перемешивателей, что приведет к удорожанию оборудования.

Ниже эта разновидность временнóй ОМП будет именоваться «мерцающей ОМП».

Другая разновидность временнóй ОМП – частотная ОМП – заключается в обеспечении разных частот переменных (вращающихся) магнитных полей, создаваемых индукторами перемешивателей, за счет обеспечения разных частот напряжений, питающих обмотки разных перемешивателей.

Преимущество частотной ОМП заключается в том, что при ее использовании нет необходимости завышать установленную мощность перемешивателей.

Недостатки частотной ОМП:

– неполное разделение магнитных полей соседних перемешивателей (периодически в короткие промежутки времени взаимное гашение полей будет происходить);

– невозможность питания индукторов всех перемешивателей от одного источника питания (преобразователя частоты); в этом случае потребуется как минимум два источника питания для индукторов перемешивателей, вырабатывающих напряжения разных частот.

 

4.3. Пространственно-временнáя ОМП

 

Пространственно-временнáя ОМП (ПВОМП) не требует применения электромагнитных экранов и может быть двух видов:

– 1-й вид ПВОМП (ПВОМП-1): за счет соответствующего выбора фазовых смещений напряжений питания индукторов соседних перемешивателей (чтобы поля, созданные соседними пермешивателями, не вычитались, а складывались, по крайней мере в течение большей части периода питающего напряжения).

Недостатком ПВОМП-1 является неполное разделение магнитных полей соседних перемешивателей (периодически в короткие промежутки времени взаимное гашение полей будет происходить).

– 2-й вид ПВОМП (ПВОМП-2): за счет работы в каждый момент времени только части фазных обмоток индуктора (именуемой в дальнейшем «рабочим сектором индуктора») каждого перемешивателя и создания вращающегося магнитного поля за счет последовательного изменения рабочих секторов (т.е. за счет последовательного и поочередного подключения к источнику питания всех секторов индуктора). При этом в каждый момент времени во всех перемешивателях включенными должны работать сектора, расположенные в пространстве под одним и тем же углом по отношению к выбранному направлению (для исключения наложения магнитных полей от индукторов разных перемешивателей). В этом случае источники магнитных полей будут отделены друг от друга массивами расплавов и стенками каркасов изложниц (см. табл. 4.1 и рис. 4.1).

Особенностью ПВОМП-2 является тот факт, что для его реализации требуется использование в перемешивателях полифазных индукторов с числом фаз m ≥ 6.

Недостатком ПВОМП-2 является необходимость увеличения мощности перемешивателей обратно пропорционально количеству фазных обмоток в рабочем секторе индуктора перемешивателя.

Дополнительным преимуществом ПВОМП-2 является следующее. Поскольку для реализации ПВОМП-2 необходимо использование в перемешивателях полифазных индукторов, то этот вид ОМП целесообразно использовать в СПЦ четвертого поколения, которые также могут быть реализованы только на базе полифазных индукторов (точнее, полифазных инверторно-индукторных систем).

Таким образом, к отмеченным выше в пп. 2 и 3 преимуществам СПЦ четвертого поколения добавляется еще одно – возможность применения в них ПВОМП-2 для уменьшения взаимной компенсации (гашения) вращающихся магнитных полей, создаваемых близко расположенными друг к другу электромагнитными перемешивателями жидкого металла при непрерывной разливке расплава в несколько изложниц (литейных форм).

 

 

Таблица 4.1. Иллюстрация ПВОМП-2

 

Момент времени	Положения рабочих секторов индукторов трех перемешивателей, расположенных в ряд
t = 0
t = Δt
t = 2· Δt
t = 3· Δt

 

 

 

 

Рис. 4.1. Обозначения в табл. 4.1

 

 

Литература

1. Тир Л.Л., Столов М.Я.. Электромагнитные устройства для управления циркуляцией металла в электропечах. – М.: Металлургия, 1991. – 280 с.

2. Тимофеев В.Н., Стафиевская В.В. Магнитогидродинамические устройства для предприятий Красноярского края // Сборник материалов II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники – развитию сибирских регионов (инновационный и инвестиционный потенциалы)». – Красноярск, Изд-во КГУ, 2000. – С. 279-280.

3. Окороков Н.В. Электромагнитное перемешивание металла в дуговых сталеплавильных печах. – М.: Металлургиздат, 1961. – 176 с.

4. Чернышев И.А. Электромагнитное воздействие на металлические расплавы. –  М.: Металлургизат, 1963. – 88 с.

5. Steelworks in Hospet to Install Stirring Coils // MPT Int. [MPT: Met. Plant and Tehn.] – Vol. 20, № 2, 1997. – P. 17.

6. Де Грут, Дж. Современные печи для эффективного рециклинга алюминия // Aluminium International Today, май 2006. – С. 10-14.

7. Щёден Уолф. Электромагнитное перемешивание помогло фирме Stena Aluminium повысить эффективность работы // Aluminium International Today, май 2006. – С. 32.

8. Христинич Р.М., Тимофеев В.Н., Маракушин Н.П. Статор для электромагнитного перемешивания жидкого металла. Патент РФ № 2130359. Опубл. 20.05.1999.

9. Довженко Н.Н., Бражников А.В., Пантелеев В.И., Минеев А.В. Повышение энергоэффективности процессов производства металлов и сплавов // Сборник материалов V Всероссийской конференции по вопросам энергоэффективности «Красноярск. Энергоэффективность: достижения и перспективы». –  Красноярск: Изд-во КГТУ, 2004. – С. 155-158.

10. Довженко Н.Н., Бражников А.В., Кабанов С.П. Предложения по модернизации МГД-комплексов для бесканального перемешивания расплавов // Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы: получение и технологии обработки». – Красноярск: Изд-во ГУЦМиЗ, 2004. – С. 117-118.

11. Федин А.Г., Хоменко А.В., Довженко Н.Н., Бражников А.В., Пантелеев В.И. Перспективы применения многофазных асинхронных электромеханических систем в металлургии // Сборник научных трудов Всероссийской научной конференции «Молодежь и наука – третье тысячелетие». – Красноярск: Изд-во КРО НС «Интеграция», часть I, 2007. – С.  

12. Довженко Н.Н., Бражников А.В., Федин А.Г. Повышение энергоэффективности производства металлов за счет применения многофазных асинхронных электромеханических систем // Сборник научных трудов межрегиональной научной конференции «Совершенствование технологий производства цветных металлов». – Красноярск: Изд-во ИЦМиЗ СФУ, 2007. – С.  

13. Довженко Н.Н., Бражников А.В., Хоменко А.В., Федин А.Г. Разработка многофазной установки для производства высококачественных сплавов // Сборник научных трудов межрегиональной научной конференции «Совершенствование технологий производства цветных металлов». – Красноярск: Изд-во ИЦМиЗ СФУ, 2007,

14. Довженко Н.Н., Бражников А.В., Хоменко А.В., Федин А.Г. Разработка нового поколения систем принудительной циркуляции металлических расплавов // Сборник научных трудов межрегиональной научной конференции «Совершенствование технологий производства цветных металлов». – Красноярск: Изд-во ИЦМиЗ СФУ, 2007. – С.

15. Хоменко А.В., Довженко Н.Н., Бражников А.В. Принципы построения нового поколения систем принудительной циркуляции металлических расплавов // Сборник научных трудов Всероссийской научной конференции «Молодежь и наука: начало XXI века». – Красноярск: Изд-во ПИ СФУ, часть 3, 2007. – С.  

16. Довженко Н.Н., Бражников А.В., Гилев А.В., Пантелеев В.И. Разработка многофазной МГД-системы для производства сплавов повышенного качества // Сборник научных трудов межвузовской научно-практической конференции «Инновационные процессы в современном образовании России как важнейшая предпосылка социально-экономического развития общества». – Красноярск: Изд-во ИЦМиЗ СФУ, 2007. – С. 252-256.

17. Довженко Н.Н., Бражников А.В., Гилев А.В., Белозеров И.Р. Методология построения преобразователей частоты для металлургических МГД-систем четвертого поколения // Сборник научных трудов Всероссийской научной конференции «Интеллект - 2008». – Красноярск: Изд-во КРО НС «Интеграция», часть II, 2008. – С. 295-301.

18. Довженко Н.Н., Бражников А.В., Гилев А.В., Белозеров И.Р. Разработка и создание нового поколения магнитогидродинамических систем принудительной циркуляции металлических расплавов // Современные наукоемкие технологии, № 1, 2009 г. – С. 8-9 (http://www.rae.ru/snt/?section=content&op=show_article&article_id=5173).

19. Бражников А.В., Гетто Г.С., Белозеров И.Р., Золотых Д.Ю. Повышение энергоэффективности металлургического оборудования за счет применения многофазных асинхронных электромеханических систем // Сборник научных трудов I Международного научно-технического конгресса «Энергетика в глобальном мире». – Красноярск: Изд-во ООО «Версо», 2010. –  С. 123-124.

20. Довженко Н.Н., Бражников А.В., Белозеров И.Р. Способ электромагнитного перемешивания жидкого металла. Заявка на изобретение № 2011102653 от 24.01.2011 г. (Заявка прошла предварительную экспертизу в ФИПС.)

21. Нейман Л.Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. –  М.: Госэнергоиздат, 1949. – 150 с.

22. Кочетков В.П., Бражников А.В., Дубровский И.Л.. Теория электропривода. – Красноярск: Изд-во КПИ, 1991. – 140 с.

23. Довженко Н.Н., Бражников А.В. pm -управление многофазными инверторными электроприводами // Сборник научных трудов «Перспективные материалы, технологии, конструкции». Вып. 3. –  Красноярск: Изд-во САА., 1997. – С. 294-303.

24. Бражников А.В. Преимущества, перспективы применения и конструктивные особенности многофазных инверторных электроприводов с pm -управлением // Сборник научных трудов «Перспективные технологии и техника для горно-металлургического комплекса». – Красноярск: КГАЦМиЗ, 1999. – С. 375-385.

25. Довженко Н.Н., Бражников А.В., Пантелеев В.И., Минеев А.В. Конструкции двигателей для многофазных инверторных электроприводов с pm -управлением // Сборник научных трудов «Вестник университетского комплекса». Вып. 3. – Красноярск: Изд-во ВСФ РГУИТП, НИИ СУВПТ, 2005. – С. 198-200.

26. Metz P. Electromagnetic Stirring Process for Continuous Casting. USA Patent № 5,279,351. Date of Patent January 18, 1994.

27. Агеев С.В., Москвичев Ю.П. Способ вакуумно-плазменной плавки металлов и сплавов в гарнисажной печи и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2346221. Опубл. 10.02.2009 г.

28. Тельминов М.М., Мироненко А.В., Демидов Б.А., Левин И.В. Способ получения слитка металла. Патент РФ № 2385957. Опубл. 10.04.2010 г.

29. Габербуш Л. Инкубатор идей // Новая университетская жизнь, № 3 (044) от 25.02.2009 г. – С. 5 (http://gazeta.sfu-kras.ru/files/gazeta/U_Life044(3).pdf).

30. Лауреаты конкурса РАЕ // Новая университетская жизнь, № 3 (65) от 04.03.2010 г. – С. 5 (http://gazeta.sfu-kras.ru/node/2068).

31. Шумилова Т. Инновации + инвестиции // Новая университетская жизнь, № 29 (41) от 25.12.2008 г. – С. 12 (http://gazeta.sfu-kras.ru/node/1305).

 

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ СИСТЕМ