ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Гидростанции на реках Енисее и Ангаре, а также тепловые станции на базе Канско-Ачинского угольного бассейна, способствуют использованию электротехнологий на предприятиях цветной металлургии Восточной Сибири. Основными потребителями электрической энергии в этом районе являются предприятия алюминиевой промышленности.
Первичный алюминий получают в электролизных производствах, а слитки из алюминия - в литейных производствах. В последнее время в общем объеме выпуска алюминия неуклонно растет доля выпуска алюминиевых сплавов. Увеличивается выпуск слябов для проката, цилиндрических слитков для экструзии, кремниевых сплавов для автомобильной промышленности, сплавов высокой чистоты для электроэнергетики, катанки и других типов алюминиевых слитков.
Плавка и приготовление алюминиевых сплавов ведется в электрических печах следующих типов [1,2, 3,4, 5,6]:
• отражательных печах сопротивления;
• индукционных канальных печах;
• индукционных тигельных печах.
Последние два типа печей имеют преимущества по производительности и уровню механизации перед печами сопротивления, по этой причине они широко используются для плавки металла [7].
Отражательные печи сопротивления в настоящее время широко используются в качестве миксеров. С передачей большого количества заготовительного литья на алюминиевые заводы электрические печи сопротивления были применены там в качестве накопителей жидкого алюминия, поступающего с электролизных ванн.
С целью получения в миксере сплава заданного химического состава, его конструкция должна обеспечивать операции загрузки шихты (твердых лигирующих материалов) и чистки печи (удаление шлаков).
Получение высококачественных сплавов невозможно без точного регулирования температурного режима в миксере, при этом необходимо контролировать температуры, как расплава, так и электронагревателей. Перегрев электронагревателей резко снижает срок их службы, а перегрев расплава снижает его качество (улетучиваются некоторые лигирующие компоненты, увеличиваются окисление и насыщение водородом) [8, 9, 10]. Современные средства позволяют автоматизировать управление температурным режимом в процессе всего технологического цикла приготовления сплавов.
В настоящее время миксеры все более часто оборудуются магнитогидродинамическими (МГД) перемешивателями расплава. Использование МГД-перемешивателей позволяет бесконтактным методом интенсифицировать тепло - и массообменные процессы в расплаве, увеличить производительность агрегата и повысить качество продукции [11, 12].
Стратегией развития отечественных металлургических заводов является увеличение выпуска алюминиевых сплавов в общем объеме производства первичного алюминия, в условиях, когда современный потребитель алюминиевых сплавов предъявляет все более жесткие требования к их качеству. Удовлетворить большой спрос потребителя на качественную продукцию могут только производства, оборудованные современным высокопроизводительным оборудованием. В связи с этим, в последнее время, происходит модернизация и строительство новых плавильно-литейных производств на заводах компании «Русский алюминий» и Сибирско-Уральской алюминиевой компании. Рост объемов производства требует использования печей и миксеров большой емкости. Так на ОАО «Саянский алюминиевый
завод» (г. Саяногорск) миксеры емкостью 60т заменяют на миксеры емкостью 80т. В начале 2006г. два поворотных миксера сопротивления емкостью 70т и два миксера емкостью 100т будут введены в эксплуатацию на ОАО «Братский алюминиевый завод» и ОАО «Красноярский алюминиевый завод» соответственно.
Жизненный цикл любого оборудования включает в себя: научные исследования, проектирование, постановку на производство, подготовку производства, производство (изготовление), эксплуатацию, снятие с эксплуатации. Потребительская стоимость оборудования реализуется лишь при эксплуатации, а все остальные этапы связаны в основном с затратами. Уровень потребительских свойств оборудования закладывается, в первую очередь, на первых двух этапах. Поэтому научные исследования и проектирование должны быть выполнены наиболее качественно [13, 14].
Проектирование миксеров сопротивления включает в себя тепловой и электрический расчеты, в которых, на основании технического задания, определяются марка и размеры футеровочных материалов, тип и мощность электронагревателей, требования к системе электропитания и управлению температурным режимом и т. д.
Большой вклад в исследование процессов в миксерах сопротивления и создание методик их проектирования внесли наши соотечественники: В. И. Добаткин, А. Д. Свенчанский, В. И. Напалков, Д. А. Диомидовский, Б. С. Мастрюков, А. Д. Андреев, В. Б. Богин, и зарубежные ученые: J. L. Robertson, P. E. Anderson, Y. J. Bhatt.
Необходимость проектирования миксеров сопротивления большей емкости, оборудованных МГД-перемешивателями расплавов и системами автоматического регулирования температурным режимом, требует проведения дополнительных исследований тепловых и электрических процессов в
миксерах для приготовления алюминиевых сплавов с учетом всех имеющихся факторов.
В настоящее время основные достижения вычислительной математики воплощены в различные пакеты программ, пригодные для решения широкого класса задач.
В связи с этим совершенствование методик теплового и электрического расчетов миксеров сопротивления на основе современных методов математического и физического моделирований является актуальным.
Цель работы. Разработать методику проектирования электрического миксера сопротивления с МГД-перемешивателем алюминиевого сплава, позволяющую определить дифференциальные и интегральные характеристики миксера, а также параметры системы автоматического регулирования температурными режимами на основе математического моделирования электрических и тепловых процессов с использованием современных компьютерных технологий.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1. Сформулировать требования к современным электрическим миксерам сопротивления и системам автоматического управления ими, дать оценку существующих методик электрического и теплового расчетов миксеров сопротивления, методов их математического моделирования.
2. Разработать математическую модель для расчета тепловых процессов в миксере с использованием программного продукта ANSYS.
3. Создать физическую модель миксера сопротивления с МГД-перемешивателем и системой автоматического регулирования тепловыми режимами миксера. Провести экспериментальные исследования на физической модели миксера, в ходе которых выявить характер тепловых процессов,
определить ее электрические и тепловые параметры с учетом перемешивания расплава.
4. Установить достоверность результатов математического моделирования, на основании сравнения расчетных данных с экспериментальными данными, полученными на физической модели.
5. По результатам математического моделирования тепловых и электрических процессов в миксере показать возможность проведения синтеза системы автоматического регулирования миксерам.
6. Разработать методику проектирования миксера сопротивления с МГД-перемешивателем на основе математического и физического моделирований.
7. Разработать рекомендации по проектированию и модернизации миксеров сопротивления.
Методы исследования. В ходе выполнения работы проводилось математическое моделирование с использованием численных методов решения краевых задач, а также физическое моделирование с использованием теории подобия, теории автоматического управления, теоретической теплотехники и электротехники.
Основные результаты:
1. Исходя из конструкции и технологических особенностей работы миксеров сопротивления для приготовления алюминиевых сплавов, определены тепловые режимы миксеров и требования к управлению ими.
2. Разработана трехмерная математическая модель нестационарных тепловых процессов миксера сопротивления с МГД-перемешивателем, позволяющая с использованием программного продукта ANSYS получить его дифференциальные и интегральные характеристики.
3. Создана экспериментальная установка миксера сопротивления с МГД-перемешивателем и системой автоматического регулирования температурными
режимами и исследованы ее дифференциальные и интегральные характеристики.
4. На основе экспериментальных исследований, проведенных на физической модели миксера сопротивления с МГД-пермешивателем и системой автоматического регулирования тепловыми процессами, получены следующие результаты:
• зависимости распределения температурного поля расплава в процессе его МГД-пермешивания;
• дана оценка погрешностей вносимых принятыми в математической модели допущениями, показана достоверность результатов вычислительного эксперимента;
• на примере системы автоматического регулирования тепловыми процессами физической модели миксера, параметры которой определены путем математического моделирования, показана возможность проведения синтеза системы автоматического регулирования проектируемых миксеров с учетом технологических требований.
5. На основе математического и физического моделирований предложена методика электрического и теплового расчетов миксеров сопротивления с МГД-перемешивателями, позволяющая на основании технического задания определить конструкцию миксера, его характеристики и оценить адекватность тепловых процессов, протекающих в миксере технологическим требованиям, предъявляемым к приготавливаемому сплаву.
6. Предложены новые конструкции электронагревателей и миксеров сопротивления (два патента на полезную модель).
Научная новизна работы:
1. Построена математическая модель нестационарного трехмерного температурного поля миксера с использованием конечно-элементного
10
программного продукта ANSYS, позволяющая определять его дифференциальные и интегральные характеристики.
2. В результате математического и физического моделирования определены зависимости характеристик миксера от его конструктивных особенностей и тепловых процессов, протекающих в нем.
3. Показана возможность проведения синтеза системы автоматического регулирования тепловыми режимами миксера с МГД-перемешивателем сплава на основании результатов математического моделирования.
Значение для теории. Созданы теоретические основы для проектирования миксеров сопротивления с МГД-перемешивателями и системой автоматического регулирования тепловыми режимами, для приготовления алюминиевых сплавов.
Практическая ценность:
l.Ha основе математических моделей созданы алгоритмы и программы для моделирования нестационарных тепловых и электрических процессов в миксере сопротивления, позволяющие определить его дифференциальные и интегральные характеристики, а также провести синтез системы автоматического регулирования миксером сопротивления.
2. Создана методика электрического и теплового расчетов миксеров сопротивления с МГД-перемешивателем и системой автоматического регулирования, выданы рекомендации для их проектирования.
3. Предложены новые конструкции электронагревателей. Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением
данных, полученных в результате моделирования, с экспериментальными данными, полученными на физической модели и промышленных установках, а также тестированием разработанных алгоритмов с использованием программного продукта ANSYS.
11
Реализация результатов работы осуществлялась в рамках выполнения работ ООО «НПЦ Магнитной гидродинамики» (г. Красноярск) по проектированию и созданию миксеров сопротивления емкостью 38 тонн для ОАО «Новокузнецкий алюминиевый завод» оборудованных МГД-пере-мешивателями и системами автоматического управления режимами работы, а также в процессе выполнения НИОЬСР «Разработка конструкции стационарного миксера с применением неформованных огнеупорных материалов и использованием электронагревателей нового типа» по заказу ООО «Инженерно-технологический центр» (г. Красноярск).
Апробация работы. Результаты работы были представлены на Всероссийской научно-практической конференции «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» (Красноярск, 2003 г.); научно-производственных совещаниях ООО «Инженерно-технологический центр», г. Красноярск; совещаниях с представителями английской фирмы MECHATERM по вопросам проектирования поворотных миксеров емкостью 100 т, выполняемых в рамках лицензионного соглашения.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 5 статьях и докладах и 2 патентах на полезную модель.
Личный вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве, состоит в разработке математических моделей, алгоритмов и программ, проведении вычислительных экспериментов и в участии в экспериментальных исследованиях.
Содержание работы. Во введении обоснована актуальность темы, определены основная цель, задачи, сформулированы новизна и практическая ценность научных результатов, а также дано краткое содержание работы.
В первой главе определены объекты исследования, рассмотрено конструктивное исполнение миксеров сопротивления с МГД-перемешивателями и системой автоматического регулирования, а также
12
особенности их работы в процессе приготовления сплава. Приведено краткое описание методик теплового и электрического расчетов.
Вторая глава посвящена разработке математической модели тепловых процессов в миксере с использованием программного продукта ANSYS, которая позволяет оценить тепловые процессы протекающие при приготовлении сплава, а так же определить основные параметры и характеристики миксера.
В третьей главе приведены результаты исследований на физической модели миксера сопротивления с МГД-перемешивателем и системой автоматического регулирования, дано сравнение экспериментальных данных с данными математического моделирования тепловых процессов протекающих в физической модели миксера. На основе результатов математического и физического моделирования предложена методика проектирования миксеров сопротивления.
В четвертой главе представлена методика электрического и теплового расчета миксера сопротивления с МГД-перемешивателем и системой автоматического регулирования тепловыми процессами. По предлагаемой методике был произведен расчет 80 т. миксера, в результате чего, была уменьшена мощность нагревателей на 7.7 %. Это позволило уменьшить стоимость электронагревателей и тиристорных источников питания.
Основываясь на опыте эксплуатации электронагревателей в электрических миксерах сопротивления, был разработан новый электронагреватель, применение которого, позволит увеличить тепловую эффективность миксера и срок его службы.
В заключении изложены выводы, отражающие основные результаты работы.
13
1 ОБЗОР ПУБЛИКАЦИЙ ПО МЕТОДИКАМ РАСЧЕТА И ВСПОМОГАТЕЛЬНОМУ ОБОРУДОВАНИЮ МИКСЕРОВ
СОПРОТИВЛЕНИЯ
1.1 Общие замечания
Конструкция миксеров сопротивления определяется особенностью технологического процесса приготовления алюминиевых сплавов [1, 2, 3]. Миксер должен иметь устройства для приема как жидкого расплава, поступающего в ковшах из электролизеров, так и твердой шихты (легирующих компонентов). Конструкция должна обеспечивать возможность удаления шлаков в процессе и после процесса приготовления сплава. По этой причине некоторые размеры и геометрия миксера принимаются как заданные, а другие должны быть определены в результате проектирования [13, 14]. Выработанные многолетней эксплуатацией конструктивные особенности плавильно-литейных агрегатов для приготовления алюминиевых сплавов описаны в разделе 1.2. Здесь же рассмотрены условия работы электронагревателей и требования к ним [1, И, 16].
Надежность миксеров во многом определяется качеством футеровочных материалов, которые находятся под воздействием жидкого расплава. В разделе кратко описано физико-химическое воздействие на футеровку в процессе эксплуатации миксера [17, 18,19].
Для получения качественных алюминиевых сплавов необходимо осуществлять эффективное перемешивание расплава в миксере. Использование для этой цели МГД-перемешивателей позволяет полностью автоматизировать этот процесс.
14
Особенности приготовления сплавов с использованием и без использования МГД-перемешивателей также рассмотрено в разделе 1.2.
В разделе 1.3. дан анализ инженерных методик теплового и электрического расчетов миксеров сопротивления, а также коммерческому программному продукту ANSYS, сделан вывод о полезности совместного использования существующих методик проектирования и современных программных средств [1,13,14, 20-25].
В разделе 1.4. приведено описание электромагнитных перемешивателей алюминиевых сплавов, способы их установки на миксеры [11, 12]. Наличие в миксере МГД-перемешивателя существенно влияет на тепловые процессы в нем. Этот фактор необходимо учитывать при проектировании миксеров.
Большое внимание на качество сплавов оказывает строгое поддержание температурного режима в миксере во время процесса приготовления. По этой причине питание электронагревателей миксеров осуществляют, как правило, от регулируемых тиристорных регуляторов напряжения. Особенности источников питания и устройств управления температурным режимом в миксере представлены в разделе 1.5 [26].
В разделе 1.6 рассмотрен электрический миксер сопротивления как объект автоматического регулирования теплового режима.
По итогам раздела 1 сделаны выводы.
15
1.2 Конструктивные особенности миксеров сопротивления для приготовления алюминиевых сплавов
При приготовлении алюминиевых сплавов и получении из них слитков, обычно, используются плавильно-литейные агрегаты, в состав которых входит оборудование представленное на рисунке 1.1. Здесь 1 -миксер-копильник; 2 — МГД-перемешиватель; 3 — устройство перелива сплава; 4 - раздаточный миксер; 5 - установка рафинирования; 6 - фильтр; 7 — машина полунепрерывного литья. Технический процесс получения слитков из алюминиевых сплавов осуществляется следующим образом. В миксере-копильнике 1 осуществляется приготовление сплава, при этом использование МГД-перемешивателя 2 позволяет автоматизировать процесс перемешивания сплава. С помощью устройства перелива 3 сплав перекачивается из миксера-копильника 1 в раздаточный миксер 4. После окончательной доводки сплава в раздаточном миксере по температурному режиму, последний через установку рафинирования 5 и фильтр 6 поступает в литейную машину 7, где происходит кристаллизация слитков. Большое значение для получения качественных слитков имеет строгое соблюдение режимов приготовления сплава в миксере-копильнике. В первом из них (миксере-копильнике) осуществляется приготовление сплава, а во втором (раздаточном) — окончательная доводка сплава по температурному режиму и разливка на машинах полунепрерывного литья. Миксер-копильник последних конструкций имеет встроенный МГД-перемешиватель. На рисунке 1.2 и рисунке 1.3 показан общий вид и поперечный разрез миксера-копильника. Миксер (рисунок L2) состоит из металлического кожуха 1, футеровки 2, электронагревателей 3, заливочного кармана 4, форкамер 5 и ванны с металлом 6 [1, 2, 3,16].
Рабочее пространство миксера (рисунок 1.3) выполнено в виде прямоугольной камеры 8, ограниченной футеровкой 2 расположенной в
16
Рисунок 1.1 -Плавильно-литейный агрегат получения слитков из
алюминиевых сплавов
J__П
Рисунок 1.2 — Общий вид миксера 17 |
