CC BY
24
УДК 621.365.6
В. П. Метельський, Ю. Е. Пачколш
Електродинамiчнi сили в електротехшчних комплексах з iндукцiйно-дуговим перетворення електроенергп
Дослiдженi електродинамiчнi сили, дiючi у поверхневому шарi на розплав металу для електро-технiчного комплекса з /ндукцшно-дуговим перетворенням електроенергй. Здiйснено яюсний аналiз впливу зазначених сил на прискорення розплавлювання металу пiд дieю електромагнiтних полiв ндуктора й електричних дуг.
Вступ
1снуючий електрометалурпйний комплекс е надзви-чайно енергоемним та малоефективним. В останн роки придтяеться велика увага виршенню питань, як по-в'язанi з розробкою та створенням електротехнiчного устаткування з покращеними технiко-економiчними показниками роботи. Одним з нових перспективних е напрямок науково-технчних розробок для створення електротехшчного устаткування, що дозволяють заоща-дити енергоносп, пiдвищити продуктивнiсть та пщняти на якiсно новий рiвень систему керування технолопч-ними процесами, а також виршити багато технко-еко-номiчних i екологiчних задач, яга не мали задовiльного розв'язання шшими методами.
Необхiднiсть у модернiзацií юнуючих та створеннi нових електроплавильних комплексв обумовлена су-часними вимогами до енергозбереження та якост готово' продукцп. Напрямок на покращення енергоефек-тивностi iснуючих технологiчних процесiв, а також на створення та використання нових бтьш прогресивних технолопй та сучасного електроустаткування дасть змо-гу значно пiдвищити конкурентоспроможнiсть втизня-ного металурпйного та ливарного виробництва.
Як вдомо, вивченням електрофiзичних процесiв в ду-гових та iндукцiйних печах займаються як в Укра'н i, так й за I'' межами. Великий вклад в розробку теорм електрос-талеплавлення внесли в^чизнян вченi Тельний С.1., Мо-розенський Л.1., Окороков М. В., Хитрик С. I., Чуйко М. М., Хасн К. М., Сгоров А. В., Швабе В., Капуста А. Б., Шамота В. П., Шидловський А. К, Борисов Б. П., Гориславець -Ю. М., Лозинський О. Ю., Подольцев А. Д., Кунаев А. А., Марущак А. Ю. та закордонн Ernst R., Mortimer J. H., Lenguel L. L., Speith K., Ende H. та ¡ншг
Вперше спробу удосконалення дугово' сталеплавильно' печi, вводячи до не' додаткове магнтне поле, здмснив проф. С. I. Тельний. Вплив додаткового магн-¡тного поля на роботу дугово' сталеплавильно' печi полягав у тому, щоб поле створило електродинамнш сили, яга б впливали на струм в дуз! та на рщкий метал. Електродинамнш сили, що дГють на дугу, здмснюе вiдхилення и в той або ¡нший бк. Ti ж сили, дГючи на струм в рщкому металi, викликають його рух, який при-зводить до перемшування розплаву. Звщси й виник-ли два напрямки використання додаткового магнт-ного поля в дуговм печк а) для впливу на електричн дуги (обертання дуг, змшу напрямку 'х видування), яке отримало загальну назву «електромагнтне керування дугами»; б) для руху металу, тобто «електромагнт-
© В. П. Метельський, Ю. Е. Пачколiн 2006 р.
ного (шдукцшного) перемi шування». Додаткове магн-^не поле не дозволяе дуз i перекинутися на ст нку во-доохолоджувального кристалiзатора й пропалити 'I, що призвело би до вибуху, при цьому i нтенсивне пере-мi щування розплавленого металу полi пшуе теплопередачу в метал i .
На протяз i багатьох рога в проводилися розробка та вдосконалення електромагнтних i ндукторi в, яга ство-рювали обертов i магнггн i поля. Найб тьш поширен i це:
1. Навколо ванни рщкого металу в горизонтальнi й площин за колом кожуха розташовуються три або ш i сть котушок, яга живляться трифазним струмом та створю-ють обертове в горизонтальн й площинi магн п"не поле, яке наводить у ванн шдуковаж струми. Механiчна сила мiж потоком котушок та шдукованими струмами приводить метал до руху в напрямку обертання магнггного потоку котушок. Система под i бна асинхронному двигу-ну: котушки - статор, а рщкий метал - ротор; метал обертаеться в горизонтальн й площин [1].
2. Кон чна ванна та цилi ндричний в тьний прост р над нею, що закритий склеп нням, через яке прохо-дять три електроди: середн й - вертикальний, а два крайн i - нахилен з можливi стю деяко' зм i ни кута нахи-лу. Пчний трансформатор - двофазний, причому на-хилi електроди приеднуються до вивод i в фаз, а середн i й вертикальний електрод - до нульово' точки трансформатора. Завдяки можливост змi нювати нахил крайнiх електродi в можна мати три незалежн дуги мiж кож-ним електродом та ванною або загальну незалежну дугу на бажан i й висот над ванною. Кончна ванна оточена гальцевим магнтопроводом, з трьома магнтни-
ми полюсами, яга зсунутi м iж собою по колу на 1200 та вопуклими всередину до ванни. На кожному полюс на-саджена плоска котушка, а на гальцевому магнтопро-водi мiж полюсами - гальцев i котушки. Т й iнш i живляться трифазним струмом стандартно' частоти, й отже, створюють двополюсне магнтне поле, яке обертаеться в горизонтальн й площин [2].
3. Статори, що розташован пщ подиною дугово' печ i , живляться струмом знижено' частоти. Статор -двофазний, причому обмотка крайньо' фази роздте-на на двi котушки, яга розташован на га нцях. Статор створюе бi гуче поле, яке, наводячи у печi i ндукован струми, змушуе метал в нижн й частинi печi рухатися за напрямом б i гучого поля, а у верхн й частин - в про-тилежний б i к. Метал перемi шуеться в горизонтальному та вертикальному напрямках [3].
В роботах [1, 2, 3] мютиться Ыформаця про засто-сування електромагнтного перемiшування в електро-дугових печах з метою штенсифкацм процесу плавлен-ня. Всi автори в^^чають наявнiсть позитивних резуль-татiв електромагнггного перемiшування. Такi пропозицп використовують на практиц, але вони не дають мож-ливостi реалiзувати всi наявн резерви пiдвищення ефективностi роботи електропечей. А саме, за допо-могою додаткових електромагнiтних полiв створюють-ся електродинамiчнi сили в розплавi металу, як викли-кають його рухи в однiй площинi, що недостатньо для якюного перемiшування та розчинення як самого металу, так й домшок.
Запропонована робота присвячена дослщженню впливу електромагнтного поля та створених ним елек-тродинамiчних сил на процес плавлення та надання особливих властивостей якост металу. Особливютю даного дослщження е визначення сумюного електро-магнiтного поля вiд електромагжтного шдуктора та електричних дуг для якюного аналiзу впливу електро-динамiчних сил на розплав металу в поверхневих шарах, яи викликають його рух в тривимiрному просторк
Математична модель
На рис. 1. показана конструкця електротехнiчного комплексу з шдукцмно-дуговим перетворення елект-ричноТ енергп в теплову, яка складаеться з електродiв 1, iндуктора 2 та магнтопроводу 3 [4].
У вщповщност до конструкцiТ, виконано аналiз процесв енергоперетворення в комплексi. В результат встановлено, що на початковому етап (до проход-ження точки КюрО доцiльно використовувати лише електромагнтний iндуктор, так як вiн мае найбтьший ККД. Пiсля проходження точки Кк^ доцiльно використовувати електричн дуги для прискорення процесу розплавлення шихти. При цьому в порожнин створенi вiдповiднi умови для запалення електричноТ дуги (вiдсутня необхiднiсть використовувати природний газ для попереднього нагрiвання). При виконанн експе-риментальних дослщжень було вiдмiчено значне зменшення клькост аварiйних ситуацiй, пов'язаних з обвалами шихти, тобто пщ дiею сил шихта вщштовхуеть-ся вiд футерування, що не дае створюватися глибоким
колодязям. Псля повного розчинення розплаву для придання вiдповiдних властивостей металу, додають-ся спецiальнi домiшки, яК повиннi якiсно розчинити-ся у всьому розплавi металу Далi наступае процес металургiйноí обробки (витримки) розплаву при вщповщш температурi. Для цього достатньо використовувати лише шдуктор.
У вщповщносл до запропонованого алгоритму роботи електротехшчного комплексу виконуеться досль дження електромагнiтних процесiв в поверхневому шарi розплаву металу (рщкий стан). При розробцi мо-делi для розрахунку та аналiзу електромагнтних про-цесiв в електротехнiчному комплекс використовува-лися наступнi вихщш припущення та положення.
1. Задача розрахунку електромагжтного поля вир-iшуеться у вщповщних двовимiрних просторах: окре-мо для шдукцмно''' (рис. 2) та дугово''' (рис. 3) частин. Це припущення справедливо у випадку, коли в мюцях сумюного впливу в поверхневому шарi розплаву металу електромагштш параметри набагато меншi за мак-
Рис. 2. Розрахункова область дослщження електромагнтних пол1в, створених шдуктором
Рис. 1. Загальний вигляд електротехнчного комплексу з 1ндукц1йно-дуговим перетворення електроенергп
Рис. 3. Розрахункова область дослщження електромагжтних пол1в, створених електричною дугою
симальн значення на всьому перерiз i, що дослщжуеть-ся та суттево не впливають на загальний результат.
2. Струми розт кання в розплав i не враховуються, так як точка дотику електрично' дуги до розплаву металу знаходиться в нижн й точц колодязю, який, як вщомо, мае мi сце при дуговому способi плавлення металу. В свою чергу, перерiз, в якому будуть проводи-тися дослiдження, знаходиться мiж точкою дотику електрично' дуги до розплаву металу та поверхнею.
3. Втрати на вихров i струми та п стерезис в магн ь топроводi, а також струми змi щення та об'емнi заряди не враховувалися.
4. Розглядаеться випадок пщключення секц й електромагытного i ндуктора до однофазного змi нно-го струму, а трьох електродi в до симетрично' трифаз-но' системи змi нного струму.
Розрахункова область для Ыдукцмно''' частини елек-тротехн iчного комплексу наведена на рис. 2 i складаеть-
ся з наступних п щобластей: 01 - розплав металу; 02 -
секци iндуктора, виконанi з водоохолоджувально''' м щно'
труби з прямокутним перерiзом; 03 - шихтований маг-
нггопров щ з електротехнiчноí стал i; 04 - керамiчне не струмопров щне футерування; W5 - не струмопров щна подина; 06 - пов i тря; 07 - «колодязь», утворений електродинамiчними силами. В якост початкових па-раметрi в вибираемо миттевий струм секци i ндуктора 1537,5 А при напруз i 920 В. Ув iмкнено дв i нижн i секци ндуктора.
Розрахункова область для вирi шення електромагнгг-но' задач i показана на рис. 3, складаеться з наступних
п щобластей: 01 - розплав металу; О2 - електрична дуга
м iж електродом та струмопровщною рщиною; 03 - «колодязь», утворений електродинамiчними силами. В якост початкових параметрi в вибираемо симетричну мережу живлення з миттевими струмами в фазах електричних дуг в комплексн i й форм i: фаза А - 3629 А; фаза А - (-1814,53142» А; фаза N - (-1814,5+3142» А.
Електромагштш процеси в таких системах опису-ються системою рiвнянь, як складаються з рiвнянь
для векторного магн^ного потенцi алу А [5]
Для зручност проведення дослщжень електромаг-ытного поля зд i йснено перехщ до безрозмi рних величин, для чого вводимо характеры масштаби: магн ь тна шдукц iя А0=2 Оё, розмi р Я0=440 и (радiус цилi нд-
рично' печi), швидкост i и0 =®0^о (ю0 - обертова швидк сть поля при живленнi пщ промислово' мережi живлення), часу Т0 = 1/ю0 (в щношення характерного розмi ру до характерно' швидкост), густини електрич-ного струму J0 = Б0/(/М0), векторного магн^ного по-тенц i алу А0 = Б0Я0 та об'емно' електродинамi чно'
сили = J0Б0/р. Тодi р i вняння (1) перетворюеться до безрозм рного виду:
. _ _, да _ _
Да = ю |--и х гй а
дЛ
да _ _
j = -ю I--и х гоЛ а
I дЛ
Ь = го1 а ,
/ = j х Ь
(2)
(3)
(4)
(5)
де а - векторний магнггний потенц ал у в щносних оди-ницях, який складаеться з трьох складових: радi аль-
но' аг, азимутально' ар та осьово' а2; и - безрозм-i рна швидксть обертання магн^ного поля; Л - без-розмi рний час; j - безрозмi рна густина електрично-го струму; ь - безрозмi рна магнiтна i ндукця;
ю = /л0^а х ю0Я2/1 - в щносна частота, яка мае ф iзич-
ний смисл квадрату вщношення радiусу порожнини до глибини проникнення магттного поля в рщкий пров щник; / - електродинамiчнi сили, що дi ють на розплав металу в безрозмi рному вигляд i ; ¡л0 = 4^-10-7 -
магытна стала, Гн/м; ц - магытна прониклив i сть рщи-ни; а - струмопров щт сть рщини.
Так як при розрахунках iндукцiйноí частини елект-ротехнi чного комплексу, згщно до рис. 2, використо-вуемо симетрi ю в щносно ос (в i сь 2), то для опису елек-тродинамiчних процес в достатньо задати одну /-скла-
дову векторного магн^ного потенцi алу ар(г,г,Л), яка
залежить в щ радiусу г, висоти г порожнини комплексу та часу л, в щ якого залежить миттевий струм, що про-т кае в секцях iндуктора. Пiсля проведення моделю-вання рi вняння (2), згщно до рис. 2, за рi вняннями (3) та (4) визначаемо:
А = { 0 0 },
Ь = { ЬЛ 0 Ьг1 }.
(6)
(7)
Так як при розрахунках дугово' частини електротех-ычного комплексу, згщно з рис. 3, використовуемо не-сга нченно малий за висотою перерiз (Дг ^ 0), то для опису електродинамiчних процес в достатньо задати одну г-складову векторного магытного потенцi алу
аг(г,р,Л), яка залежить в щ радiусу г, кута р порожнини комплексу та часу л, вщ якого залежить миттевий струм, що прот кае в секцях iндуктора. Псля проведення моделювання рi вняння (2), згщно з рис. 3, за рi вняннями (3) та (4) визначаемо:
h = { 0 0 jz2 },
b2 = { br 2
b
cp2
0
(8)
(9)
Вс розрахунки ( шдукцйно' та дугово' частин елек-тротехнiчного комплексу) виконувалися за одн ею ма-тематичною моделлю (1)-(3), тому для розрахунку об'емних електродинамiчних сил у поверхневому шарi розплаву металу за рi внянням (4) використовуемо наступну систему рi внянь
b ={ bri + br2
bq>2 bz
j = { 0; jpi; jz2
(10)
(ii)
Граничн умови для зд i йснення розрахунк в в дан й робот визначаються конструктивними особливостя-ми електросталеплавильних комплексi в зi змi нним магнтним полем. Область, в як й знаходиться розпо-дiлення електромагнтного поля, являе собою круго-вий цилi ндр, заповнений рщким провщником струму (розплавом металу). Ця область обмежена за висо-тою, однак у нашому випадку сю нченн стю висоти сосуду можна знехтувати, що значно спрощуе частину подальшого аналiзу. Електромагнтне поле займае, як правило, значно б тьшу область простору печ i , що скла-даеться з сукупност вкладених один в один сп вв i сних клець та цилi ндр i в з рiзними ф iзичними властивостя-ми [6]. При цьому з'являються межi роздту, на який повинн виконуватися наступнi умови.
Неперервн сть нормально' складово' вектора маг-
Bn
= Bn
нггно! i ндукцiI ви1|Г — в„2|Г
Дотична складова напруженост магнггного поля на границ роздту двох середовищ (з рiзними електромаг-нггними властивостями) може змi нюватися на величину, яка дор i внюе лi н йнi й густинi поверхневого струму N1. Отже, якщо на деяк й поверхнi розподiленi провщни-ки, по яких пропускаеться електричний струм, то
n х
(2 - H1)
= NI
де n - одиничнии вектор нор-
малi до границi роздту, який направлений з першого середовища в друге; N - число вита в на одиницю дов-
жини; I - сила струму; Н1 та Н2 - напруженост магн-
п"ного поля першого та другого середовища вщповщно. Граничн i умови для векторного магн гтного потенцалу
поля А утворюються з урахуванням умови, що В — /0/Н
та B = rot A , звщки
n х
rot А2 rot А1
M2
Mi
= M NI
г
З умов неперервност нормально' складово' вектора магжтно' шдукцп випливае неперервн сть дотич-но' складово' векторного потенц алу магжтного поля
А на границ роздту двох середовищ Ат
= Ат
Наведен i граничн умови записан в розмi рному виг-лядi. Однак з них легко отримати умови для безрозмi р-них величин. Числовий розрахунок (для конкретних гра-ничних умов, що вщпов щають рис. 1-рис. 4) рi вняння (2), переведений попередньо в комплексну форму, здi йснювався методом к нцевих елементв, який був реалiзований в програмному пакет Рет!аЬ 2.3 [7].
Результати розрахунк1 в
У вщповщност до результат в чисельного моде-лювання методом к нцевих елементi в з урахування реальних сп вв щношень розмi рi в та початкових даних, отриманих за рi внянням (2), на рис. 4 в якост тюст-рац i ' показане розподтення електромагнiтного поля у виглядi iзолiнiй векторного магжтного потенцi алу: а - шдукц iйна; б - дугова частини електротехж чного комплексу. Вс розмi ри на рис. 4, а в щпов щають рис. 2 та на рис. 4, б в щпов щають рис. 3.
Для дослщження обираються найб тьш характеры перерiзи: для шдукц йно' частини, на висот 7=595 мм, при висот розплаву металу Z=600 и (за висоту 2=0 прий-нята границя м iж розплавом металу та подиною), вщ ос комплексу (Я=0 - вi сь) до футерування (Я=440 - границя м iж розплавом металу та футеруванням), який показано на рис. 4, а л i н i ею А; для дугово' частини у перерiз i, який повн i стю вщпов щае перерiзу в iндукцiйн iй частин i , в щ центу (ос - Я=0 и) комплексу через геометричний центр в щпов щно' фази електрично' дуги (Я=220 и) до футерування (Я=440 ¡1), як показанi на рис 4, б л i н iями А, В та С вщповщно. В результат отримуемо три л i н и досл ь дження розподтення електродинамiчних сил у поверхневому шарi розплаву металу (перша л i н iя з координатами в цил i ндричн i й систем i з точки [0, 0, 595] до точки [440,
0, 595], друга - з точки [0, 1200 , 595] до точки [440, -1200 , 595] та третя - з точки [0, -1200, 595] до точки [440, -1200, 595]).
Виходячи з результат в моделювання двох окре-мих частин комплексу за допомогою рi внянь (3) та (4), у вщпов щних перерiзах, визначаються характерж па-раметри електромагнтного поля (магжтна i ндукц iя -рi вняння (4) та густина струму - рi вняння (3)), як не-обхщж для подальшого визначення електродинамi ч-них сил. В результат отримуемо розподтення модульного значення магжтно' шдукцп в шдукцйжй (радi аль-
Рис. 4. Контури векторного магн1тного потенц1 алу для I ндукц йно' (а) та дугово' (б) частин електротехж чного комплексу
1
I
1
à)
à)
â)
0.8 0.6 (M 0.2
Ь.ф, и ö.
100 2(H) 300 «0 К, мм
а)
0 2 ) 0 15 0.1 0.05 ft
J-^
04
01 о. г 0.1 ft
О 100 200 100 400 R, ММ
ä)
Рис. 5. Розпод ¡лення модульних значень параметр i в електромагн iTHoro поля в дугов i й та i ндукцi йнi й частинах
О 100 200 МО 400 И , мм
а)
на (b. r) - рис. 5, а та осьова (b. z) - рис. 5. б складов i у вщпов i дност до рi вняння (7)) та дугов i й (рад iальна (b. r) - рис. 5, в та азимутальна (b. р ) - рис. 5. г скла-дoвi у вщповщност до рi вняння (7)) частинах комплексу, а також розподтення модульних значень гус-тини струмi в (в i ндукц i йн й частин азимутальна скла-дова (j. р ), у в ¡дпов ¡дност до рi вняння (6) - рис. 5, д та в дугов i й частин осьова складова (j. z) у в щпов ¡дност до р¡ вняння (8) - рис. 5, е) в щпов ¡дно.
З рис. 5 видно, що розпод ¡лення модульних значень магн гтноТ ¡ндукц iï та густини струм i в повн i стю в щпов дають ¡зол ¡н ¡ям векторного магн ¡тного потенц алу (рис. 4). А саме, в ¡ндукц ¡йн ¡й частин i густина струму (рис. 5, д) розповсюд-жуеться в безпосередн й близькoстi до футерування (Я=400-440 ii); в дугoвi й частин i густина струму (рис. 5, е) розповсюджуеться в безпосередн й близькост до коло-дязя (Я=110-125 ii та Я=315-330 ii). У в ¡дповщност до р i вняння (10), накладання модульних значень рад i аль-них складових магн ¡тноТ ¡ндукцп (рис. 5, а та рис. 5, в) вщбу-ваеться в безпосередн й близькост до колодязя. При цьому ц значення на порядок менш¡ за осьову складову розподтення магштноТ ¡ндукцп (рис. 5, б) в ¡ндукцмшй частин i та азимутальну складову розпод ¡лення магттноТ ¡ндукцп (рис. 5, г) в дугс^ й частин i комплексу.
Для подальшого визначення електрoдинамiчних сил, формуються матрицi, у вщпов ¡дност до рi внянь (6)-(9) з в ¡домих розподтень, наведених на рис. 5 та об'еднуемо у модель для визначення результуючих електрoдинам¡ чних сил (р i вняння (10)—(11 )).
У в ¡дповщност до р¡ вняння (5) визначаемо скла-дoв¡ електродинамнних сил (з урахуванням того, що одночасно працюе ¡ндуктор та електричнi дуги, а також в ¡д електричних дуг i снуе явище «колодязь») в поверхневому шар¡ розплаву металу, який розташова-но мiж поверхнею розплаву металу (Z=600ii) та ниж-ньою точкою «колодязя» (Z=510ii) в перерЫ вiд oсi комплексу через геометричний центр фази «А» до футерування, а саме рад¡ альна f. r (рис. 6, а), азимутальна f.j (рис. 6, б), осьова / z (рис. 6, в) складoв¡ та
0.4
0.2 О -0.2
-п
Г.г, п.».
200 300
à)
à)
0.02 fi ü 0.01 о-
О 01
л
100
200 500
))
-100 к. мм
0.4 I fl-10
0.3
0.2
0.1
Г
100 200 30U
а)
-100 R, ММ
Рис. 6. Розпод ¡лення електродинамнних сил в поверхневому шар i розплаву металу через фазу «А»
модульне значення | f | (рис. 6, г). Для пор i вняння результат в в nepepi3ax мiж i ншими геометричними фазами електричних дуг (фази «Â» та «N») проводимо в щпов щш розрахунки (як для електрично''' дуги фази «À») та наводимо модульнi значення електродинам ¡ч-
à)
â)
Рис. 7. Модульн i значення розподтення електродинам iчних сил через фази «В» та «С»
них сил (рис. 7, а та рис. 7, б в щпов ¡дно).
В результат проведених досл ¡джень отримуемо, що радi альна та осьова складов i електродинамiчних сил вщ електромагн ¡тного ¡ндуктора та електрично''' дуги, що живляться вщ мереж¡ живлення частотою 50 Гц пщси-люються одна за рахунок ¡ншоТ i дi ють одночасно на розплав металу. При цьому сптьною координатою ¡ндукц i йно''' та дугово!' частин е рад¡ альна складова магжтно''' i ндукц ï. Вщ нет залежать азимутальна та осьова складовi електродинамiчних сил. В результат в зон накладання магнтних ¡ндукц ¡й (R=315-330 ii) зазначенi електродинамiчнi сили дуже мал i , i суттево не вплива-ють на результати. Ц явища досить ч^ко проявляють-ся навколо «колодязя». Взаемна дiя електродинамн-них сил призводить до руху розплаву металу за межами област дм електродинам ¡чних сил. Накладання цих рух¡ в призводить до бтьш ¡нтенсивного й рiзнонаправ-леного (турбулентного) руху не тльки в поверхневому шар¡ розплаву металу, а й всього об'ему. Азимутальна складова електродинамнних сил в ¡д електромагнтно-го ¡ндуктора та електричних дуг (за найменшою довжи-ною) залежить вщ взаемодм' двох полiв та призводить до появи ршомажтних зм¡ н в структурi руху розплав-леного металу, що породжуе багаточисельн вториннi ефекти, один з яких це яксна iнтенсифiкацiя процесу плавлення металу та як сне перем¡ шування розплаву, що в свою чергу призводить до очищення розплаву вщ газ i в та неметалевих включень та бтьш однорщно'1' моноструктури. При цьому значно зменшуеться виго-
ряння металу та досягаеться пост йне пщтримання од-наковоТ температури у всьому розплав i металу Резуль -тати моделювання пщтверджуеться експерименталь-ними плавленнями в умовах ВАТ «Мотор С i4».
Висновки
1. Встановлено розподтення електродинамiчних сил в залежност в ¡д перерiз i в (через фази «А», «А» та «N») в поверхневому шарi розплаву металу в елек-тротехнiчному комплексi з i ндукцi йно-дуговим пере-творенням електричноТ енергп.
2. Визначено, що при одночасн i й дм ¡ндуктора й дуг присутня взаемод ¡я рад iальноТ та окрема д ¡я азимуталь-ноТ та осьовоТ складових електродинам ¡чних сил, так як вони дМ ють окремо бтя свого джерела, хоча й одночасно дМ ють на розплав металу кожен з i свого боку, що пщтверджуе припущення, зроблен при визначенн тео-ретичноТ моделМ для визначення електромагн ¡тних полМв та електродинам ¡чних сил. В той же час д ¡я цих сил вик-ликае складн i i нтенсивн i рухи (вщ ¡ндуктора утворюеться вщоме двозонне перем ¡шування, шляхом вщштовхуван-ня розплаву металу вщ футерування та в ¡д центру дуг утворюються вщштовхуюч i сили, утворюючи явище колодязя) на поверхн i розплаву металу.
3. Запропонована методика як сного визначення розподтення електродинам ¡чних сил може бути вико-ристана для наступного вир i шення магштогщродинам-¡чних задач з визначення руху розплаву металу в повер-хневому шар .
4. В результат експериментальних дослщжень ви-явлен складн i нтенсивн рухи на поверхн розплаву металу, що дають постйне перем i щування в поверхневому шарМ по вс i й порожнин i печ i , що значно прискори-ло процес плавлення та сприяло рМ вномМ рному розчи-ненню корисних домМ шок в рщкому метал! з одночас-ним виведенням газ i в та неметалевих часток з металу.
5. Результати про як сть металу пщтверджеш вис-новками «експрес-лабораторм'», яка проводила пост йний контроль розплаву пщ час експерименталь-них плавлень.
Перел i к посилань
1. Тельный С. И. Электрическая печь с вращающейся вольтовой дугой. // Инженерный работник.-1924. - т. 1-2. - 435 с.
2. Окороков Н. В. Электромагнитное перемешивание металла в дуговых сталеплавильных печах. -М.: Металлургиздат, 1961. - 176 с.
3. Furnace with bottom induction coil: Пат. 6693950 США, МПК7 F 27 D 23/04, H 05 B 6/34. Oleg S. Fishman, Vitaly A. Peysakovich; Inductotherm Corp. - № 10/153049; Заяв. 21.05.2002; Опубл. 02.01.2003, НПК 373/146, 373/153. - 14 с.
4. Сталеплавильний комплекс: Пат. № 6644 УкраТна, МПК7 С 21 С 5/00. Ю. Е. Пачколин, I. Д. Труфанов, О. С. Левада, Ю. Л. Гура, О. О Бондаренко, I. А. Анд-рис, В. В. Луньов, Ю. П. Петруша, В. П. Метельський. - № 20041008595; заявл. 21.10.2004; опубл. 16.05.2005, бюл. № 5.
5. Капуста А. Б., Шамота В. П. Жидкий металл в переменном электромагнитном поле // Магнитная гидродинамика. - 1990. - № 4. - С. 131-134.
6. Капуста А. Б. Шамота В. П. Вращательное течение проводящей жидкости в переменном электромагнитном поле // Магнитная гидродинамика. - 1991. -№ 4. - С. 116-119.
7. FEMLAB User's Guide and Introduction. - FEMLAB 2.3. - COMSOL, Inc., 1994-2002. - 436 p.
Поступила в редакцию 09.10.06 г.
После доработки 24.10.06 г.
Исследованы электродинамические силы, действующие в поверхностном слое на расплав металла для электротехнического комплекса с индукционно-дуговым преобразованием электроэнергии. Осуществлен качественный анализ влияния указанных сил на ускорение расплавления металла под действием электромагнитных полей индуктора и электрических дуг.
The electro-dynamic forces acting in a superficial layer on metal fluid for electro-technical complex with inductor-arc transformation of the electric power are investigated. The qualitative analysis of the given forces influence on metal fusion acceleration under the action of the inductor and electric arcs electromagnetic fields is carried out.
УДК 621.313
В. А. Волков
Анализ стационарных электромагнитных процессов в активном преобразователе тока с широтно-импульсной
модуляцией
С применением методов обобщенных векторов и операторного изображения исследованы стационарные электромагнитные процессы для активного преобразователя тока.
Последние годы характеризуются появлением нового вида преобразовательных устройств, предназначенных для улучшения электромагнитной совместимости существующего электротехнического оборудования с промышленной питающей сетью. Одним из таких наиболее эффективных и перспективных устройств (обеспечивающих приближение формы потребляемых из сети токов к синусоидальной, а входного коэффициента мощности электротехнического оборудования - к единице) являются активные преобразователи напряжения и тока с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) [1, 2]. Применение указанных устройств (иногда еще называемых в современной научно-технической литературе «активными фильтрами») позволяет уменьшать электрические потери в сетях электроснабжения промышленных предприятий и повысить качество сетевого напряжения. Это очень актуально в условиях происходящего удорожания электроэнергии и широкого применения электрооборудования на основе различных силовых преобразовательных устройств (выпрямителей, тиристорных преобразователей напряжения и др.), заметно искажающих сетевые токи и напряжения.
Для осуществления эффективного автоматического управления активными преобразователями с ШИМ необходимо проведение предварительного анализа электромагнитных процессов, происходящих в данных устройствах. Если электромагнитные процессы в активных преобразователях напряжения с ШИМ к настоящему времени в достаточной степени исследованы [1, 3], то для активных преобразователей тока - остаются мало
исследованными (несмотря на увеличенное внимание к данному вопросу в последние годы [2, 4, 5]).
На рис. 1 приведены электрические схемы реверсивного (а) и нереверсивного (б) активных преобразователей тока (АПТ), каждый из которых состоит из
а)
а)
Рис. 1. Электрическая схема реверсивного (а) и нереверсивного (б) АПТ
