CC BY
75
УДК 621.365.63
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ
КОНСТРУКЦИИ «ГОРЯЧАЯ» ПОДИНА
Д.А. Михайлов, А.А. Темеров, Ю.В. Видин
В статье представлены результаты анализа электромагнитного поля электронагревателя конструкции «горячая» подина алюминиевых электрических миксеров с применением пакета программ АКБУБ. Рассмотрены конструктивные решения элементов конструкции электронагревателя. Показывается состоятельность предложенной идеи
Ключевые слова: электромагнитное поле, электрический миксер, система нагрева, индукционная канальная единица, «зарастание» каналов, резистивный блок, трехмерная конечно - элементная математическая модель
Современный этап развития
алюминиевой промышленности
характеризуется требованиями повышения энергоэффективности и технологических возможностей электротехнологического
оборудования, предназначенного для производства качественных сплавов на основе алюминия. При обеспечении высокого уровня качества снижение энергозатрат уменьшает себестоимость.
Качество получаемых сплавов определяется распределением
неметаллических частиц и температуры в объеме расплава на стадиях его приготовления. Для данных целей применяются миксеры сопротивления,
оснащаемые подвесными радиационными электронагревателями, а также индукционные канальные миксеры, система нагрева которых представлена индукционными канальными единицами, расположенными в подине. В процессе непрерывной циркуляции масс металла через индукционные единицы сечение каналов значительно уменьшается в
результате осаждения на стенках
неметаллических частиц и продуктов
окислообразования. Уменьшение сечения каналов на глубину проникновения электромагнитной волны (35 мм при 50 Гц) является причиной снижения естественного коэффициента мощности индукционных единиц свъф, который не превышает 0,17 [1].
В основе предлагаемой идеи по улучшению энергетических характеристик и эксплуатационной надежности системы
Михайлов Дмитрий Александрович - ПИ СФУ,
ассистент, тел. (908) 024-46-41
Темеров Александр Алексеевич - ПИ СФУ, канд.
техн. наук, доцент, тел. (391) 291-29-56
Видин Юрий Владимирович - ПИ СФУ, канд.
техн. наук, профессор, тел. (391) 249-75-57
нагрева индукционных канальных миксеров лежит использование электронагревателя конструкции «горячая» подина [2], обладающего повышенным естественным коэффициентом мощности и не имеющего каналов. Конструкция
электронагревателя предполагает замену канальной части резистивным блоком и сопряженным с ним токоподводом, а индуктор и магнитопровод остаются неизменными. Резистивный блок, в котором происходит выделение тепловой мощности, выполняется из высокоомного огнеупорного теплопроводного материала (самосвязанный карбид кремния), который устанавливается в подовый камень и образует с подиной ровную поверхность. В такой конструкции можно значительно уменьшить немагнитный зазор между индуктором и токоподводом за счет уменьшения толщины теплоизоляции. Кроме этого, снижается поток рассеяния: исключается металлокаркас,
оптимизируется форма токоподвода.
Энергетическая эффективность конструкции оценивалась путем сравнения электронагревателя конструкции «горячая» подина с типовой индукционной канальной единицей миксера ИАКМ-40, со следующими параметрами: Р2н=60 кВт, частота питающего напряжения /=50 Гц, число витков индуктора ю=32. Рассматривалось несколько вариантов
конструкции (рис. 1). Расстояние между
резистивными блоками I изменялось в интервале (0,1^0,8) м, а относительное активное
сопротивление подового электронагревателя Яотн варьировалось в пределах (0,39^0,98) о.е. за счет изменения удельного сопротивления материала резистивного блока ррб в пределах (1-10'5^5-10'4) Омм [3].
Рис. 1. Эскиз электронагревателя
(/=0,4 м) 1 - резистивный блок; 2 -
электроизолирующий блок; 3 - огнеупорная вставка; 4 - токоподвод; 5 - индуктор; 6 -магнитопровод
Возможности экспериментальных
исследований на действующем
производственном оборудовании ограничены. Применение численных методов более рационально, чем применение традиционных аналитических методов ввиду их большей точности, определяемой для такого типа установок, как электрический миксер, в основном сложностью геометрии конструкции [4]. Поэтому актуальным является моделирование электромагнитных процессов в электронагревателе конструкции «горячая» подина с учетом особенностей его конструкции и нелинейности свойств
материалов с использованием конечноэлементной модели.
Расчет электронагревателя конструкции «горячая» подина, проводился методом конечных элементов. В основе математической модели лежит
параметрическая трехмерная модель
расчетной области миксера с приемлемой аппроксимацией конструкции, включающая в себя геометрию миксера, магнитные и электрические свойства материалов и действующие нагрузки.
Построение математической модели
включает в себя определение системы основных допущений, устанавливающую идеализацию свойств физических и геометрических характеристик конструкции и нагрузок, на основе которых строится модель.
Задача анализа электромагнитного поля методом конечных элементов в расчетной области заключается в решении уравнений Максвелла совместно с решением материальных уравнений при заданных начальных и граничных условиях, для чего дискретизации подвергается исходная расчетная функция, а свойства и геометрия расчетных областей остаются неизменными.
Математическая модель может быть наделена лишь частью свойств реальной конструкции по причине того, что конструкция
электронагревателя, изготовленного из реальных материалов, имеет ряд особенностей, включающих в себя несовершенство формы, разброс и неоднородность свойств материалов и т. п. Ввиду этого математическое описание модели упрощено с использованием следующих допущений:
1. Электромагнитное поле считается квазистационарным, так как в расчетной области отсутствуют свободные заряды и запаздывание в распространении электромагнитной волны в пределах поля пренебрежимо малы.
2. По сравнению с токами проводимости в проводниках, конвекционные токи, возникающие при движении зарядов вместе с расплавом, пренебрежимо малы, в связи с чем пренебрегается влиянием движения металла на электромагнитное поле.
3. Полагается, что относительная магнитная проницаемость /ла всех материалов, задаваемых для электромагнитного расчета, является изотропной и не зависящей от температуры и в неферромагнитной среде равна единице.
4. Считается, что электромагнитное поле сосредоточено в некотором пространстве, размеры которого достаточно велики и не вносят существенного искажения в картину электромагнитное поля, а расчетную область окружает среда с идеальными магнитными свойствами (ыа=да).
5. Влиянием несущественных
конструктивных деталей ограждающих элементов меллокаркаса и механизма фиксации электронагревателя на электромагнитное поле пренебрегается.
С учетом вышеприведенных допущений для определения интегральных характеристик была построена последовательная схема замещения электронагревателя (рис. 2).
В соответствии с приведенной схемой замещения активное и реактивное сопротивления определяются из выражений:
г = г + г + г2
х = х + х + х2
(1)
(2)
где г и х - соответственно активное и реактивное сопротивления индуктора, Ом; гэм и хэм - соответственно активное и реактивное сопротивления системы «токоподвод -магнитопровод», Ом; г2 и х2 - активное и реактивное сопротивления резистивных блоков, Ом.
Ги
Хи
Гэм
и
12
Хэм
Х2
Г2
Рис. 2. Последовательная схема
замещения подового электронагревателя
Активное и реактивное сопротивления индуктора, токоподвода, магнитопровода и резистивных блоков определяются с использованием следующих выражений:
'р,
I V
и
I V2
и
(3)
(4)
где гк и хк - определяемое активное и реактивное сопротивления в области, Ом; ёк -плотность тока в области, А/м3; рк - удельная электропроводность в области, Омм; Н -напряжённость магнитного поля в области, А/м; В - индукция магнитного поля, Тл.
Была проведена серия расчетов, в результате которых были получены зависимости электрических характеристик миксера, мощности тепловыделения в расплаве Рраспл, мощности тепловыделения в слое шлака Ршл и мощности тепловыделения в резистивном блоке электронагревателя Р2 от параметров электронагревателя и от условий в ванне миксера (высота слоя шлака кшл и высота расплава к изменялись в пределах (0,02^0,16) м и (0,1^1,82) м соответственно).
В качестве исходных условий задавались значения амплитуды тока во вторичном витке
12 и частоты питающего напряжения / в пределах (750^1090) А и (2^100) Гц соответственно.
Ниже приводятся некоторые из полученных интегральных характеристик.
Рис. 3. Зависимости активной и реактивной мощностей миксера Р и Q от частоты / соответственно
ч»Г%]
0,70
0 69
0.67
0.&6
0,65
0.64
о.&з
0,61
! І Л1ВД% ЛД5І ЛМГ'«2 ^ лми
ч. \
щ
■ —і— —і—
0,1 0,2 0.3 0.4 0,5 0.6 0.7 0,8
/, М
Рис. 4. Зависимости электрического КПД миксера (Пзл=Р2/Р) от расстояния I
І'ІгЧф
0,46
0,45
0,44
0,43
0,42
0,41
0,40
0.39
■*- Л1ЧВ%
— ЛД-И лмг-г — Л VIII.
\
•
! і |
Ї Ї і тГ І І 1 р
О 0,1 0.2 0,3 0,4 0.5 0.6 0,7 0.3
и [«I
Рис. 5. Зависимости коэффициента мощности миксера свъф от расстояния I
1=1
=
H f>. и-
k Lf*i —
О,ЗІ 0.43 О.М 0,76 4LSB О.М К*")**'!
Рис. 6. Зависимости электрического КПД миксера Пэл от сопротивления RomH
IV.WB4 11000
Э500
МНИ
6500
ЭДМ
ЭЯЮ
2000
W0
О C.W 5.05 DjOe 0.10 0.13- O.Is'iuL.hl
Рис. 7. Зависимости мощности
тепловыделения в шлаке Ршл от высоты кшл
В результате было установлено:
1. Мощность тепловыделения в расплаве Рраспл, практически не зависит от частоты питания индуктора ввиду относительно малого сопротивления ванны с расплавом.
2. Наиболее оптимальная частота питания индуктора составляет 50 Гц, при
которой коэффициент мощности миксера свъф и электрический КПД цэл принимают наибольшие значения равные соответственно 0,45 и 0,68.
3. Следствием увеличения расстояния между резистивными блоками / является прирост мощности тепловыделения в расплаве, который в диапазоне (0,4^0,8) м сопровождается снижением электрического КПД цэл и коэффициента мощности свъф миксера в среднем на 6,5 % и 6 % соответственно.
4. Для обеспечения высоких значений
коэффициента мощности миксера свъф и электрического КПД цэл выполнение резистивного блока предпочтительно из материала,
обеспечивающего относительное сопротивления Яотн более 0,98 о.е.
5. В случае накопления на подине слоя шлака толщиной 0,16м с концентрацией окиси алюминия в (5^30) % наблюдается перераспределение мощности тепловыделения в ванне миксера, а также снижение электрического КПД миксера цэл не более чем на 3 %.
Литература
1. Темеров, А. А. Электромагнитные явления и преобразования энергии при индукционной плавке алюминия в канальных однофазных печах: дис. ... канд. техн. наук: / Киев, 1986. - 225 с.
2. Пат. 2371652 Российская Федерация, МПК7 Б 27 В 3/10, Б27 Б 11/04, Н 05 В 3/62. Электрическая печь для приготовления сплавов цветных металлов / Темеров А. А., Тимофеев В. Н., Михайлов Д. А.; заявитель и
патентообладатель Сибирский федеральный университет. -№ 2008105016/02; заявл. 11.02.08; опубл. 27.10.09, Бюл. № 30. - 7 с.
3. Михайлов, Д. А. Исследование качества
алюминиевых сплавов, получаемых в миксере с комбинированным нагревом / А. А. Темеров, Д. А. Михайлов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2009. - № 11. - С. 80 - 84.
4. Бахвалов, Н. С. Численные методы / Н. С. Бахвалов, Н. П. Жидков, Г. М. Кобельков. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. - 632 с.
Политехнический институт Сибирского федерального университета
INVESTIGATION OF POWER CHARACTERISTICS OF THE ELECTROHEATER
OF THE DESIGN "HOT" BOTTOM
D.A. Mikhaylov, A.A. Temerov, U.V. Vidin
In paper results of research a power characteristics of the electroheater of a design "hot" bottom for aluminium electric holding furnaces with application of software package ANSYS are presented. Constructive solutions parts of the electric heater are considered. Consistency of the offered idea is shown
Key words: electromagnetic field, the electric holding furnace, heating system, induction channel unit, slagging effect in channels, the resistance block, three - dimensional finite element mathematical model
