По всем вопросам звоните:

+7 495 274-22-22

УДК: 669.187.56.001.3

Постановка задачи анализа электромагнитной совместимости МГД-перемешивателей расплава алюминия

Тяпин А. А. руководитель проектов, ООО «ТЭС», аспирант кафедры электротехнических комплексов и систем, Политехнический институт, Сибирского федерального университета, г. Красноярск, e-mail: Mishinskaya_AS@tamerlan-krk.ru
Кинев Е. С. канд. техн. наук, директор, ООО «Тепловые электрические системы», г. Красноярск, e-mail: Kinev_ES@ontecom.com

В статье представлены некоторые виды МГД-индукторов, предназначенных для перемешивания жидкого алюминия в печах, а также предложена конструкция линейной индукционной машины, эффективно воздействующая на расплав. Повышение тягового усилия достигнуто изменением расположения и конфигурации сосредоточенных концентрических обмоток. В рабочем режиме МГД-индукторы перемешивателей создают электромагнитные поля большой интенсивности. Поэтому от конструкции индуктора и хорошо продуманной компоновки печи зависит надежность и безошибочность работы цехового оборудования. Помимо лучшей энергетической эффективности предложенный индуктор имеет внешнее расположение магнитопровода по отношению к обмоткам. Это способствует ослаблению внешнего поля и улучшает условия электромагнитной совместимости индукционного оборудования, которые могут быть оценены по результатам математического моделирования электромагнитного поля. Проблема сравнительной оценки интенсивности магнитного поля разных индукторов отличается сложностью. Поэтому для ее успешного решения следует обособленно рассмотреть этап постановки задачи, на котором обосновывают совокупность технических заданий для математического моделирования индукторов с применением критериев подобия.

Литература:

1. Бражник Д.С., Болотин К.Е. Подовый индукционный перемешиватель для силового воздействия на жидкий металл в графитовом тигле // Математическое моделирование в естественных науках. – 2019. – Т. 1. – С. 28–32.

2. Круминь Ю.К. Основы теории и расчета устройств с бегущим магнитным полем. – Рига: Зинатне, 1983. – 278 с.

3. Описание изобретения к авторскому свидетельству SU 1809507 А1. Индуктор линейной индукционной машины // Тимофеев В.Н., Христинич Р.М., Бояков С.А., Темеров А.А. Опубл. 15.04.1993. Бюлл. № 14.

4. Описание полезной модели к патенту RU 123262 U1. Индуктор линейной индукционной машины // Христинич Р.М., Христинич Е.В., Христинич А.Р. Опубл. 20.12.2012. Бюлл. № 35.

5. Патент RU 2069443 C1. Линейная индукционная машина. Тимофеев В.Н., Христинич Р.М., Бояков С.А., Темеров А.А. Опубл. 20.11.1996.

6. US Patent, № 9901978B2. Metod and aparatus for moving molten metal. Pavlov Evgeny, Ivanov Dmitry, Gassanov Pavel, Gulayev Andrew. Feb. 27, 2018.

7. Патент RU 2708036 C1. Способ перемешивания расплава металла и электромагнитный перемешиватель для его реализации // Головенко Е.А., Авдулов А.А., Кинев Е.С., Тимошев В.Е. Зарег. 05.10.2018. Опубл. 03.12.2019.

8. Патент RU 2712676 С1. Устройство для электромагнитного перемешивания расплавленных металлов // Горемыкин В.А., Приходько С.В. Опубл. 30.01.2020. Бюлл. № 4.

9. Патент RU 2158463 C2. Линейная индукционная машина // Христинич Р.М., Тимофеев В.Н., Бояков С.А., Первухин М.В. Опубл. 27.10.2000.

10. Патент RU 2683596 C1. Индуктор линейной индукционной машины // Тимофеев В.Н. Зарег. 29.03.2019. Опуб. 29.03.2019. Бюлл. № 10.

11. Описание полезной модели к патенту RU 118485 U1. Индуктор линейной индукционной машины // Христинич Р.М., Христинич Е.В., Христинич А.Р. Опубл. 20.07.2012. Бюлл. № 20.

12. Описание полезной модели к патенту RU 123602 U1. Индуктор линейной индукционной машины // Христинич Р.М., Христинич Е.В., Христинич А.Р. Опубл. 27.12.2012. Бюлл. № 36.

13. Kinev E.S., Tyapin A.A., Golovenko E.A., Avdulov A.A., Efimov S.N. Universal MHD Device For Automation Of Casting Control Of Aluminum. In the collection of articles: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Krasnoyarsk Science and Technology City Hall of the Russian Union of Scientific and Engineering Associations. Krasnoyarsk, Russia, 2020. – Рp. 32019.

14. Кинев Е.С., Тяпин А.А., Головенко Е.А. Топология обмоток поперечного поля насоса-дозатора расплава алюминия // В кн.: Приоритетные направления инновационной деятельности в промышленности: сб.науч. ст. VI Междунар. науч. конф. 29–30 июня 2020 г. Ч. 1. – Казань: ООО «Конверт», 2020. – С. 210–

216. ISBN 978-5-6044722-0-0.

15. Кинев Е.С., Тяпин А.А. Технология применения модульного насоса-дозатора расплава алюминия на стационарном миксере // В кн.: Сб. науч. работ LXV Междунар. науч. конф. Евразийского научного объединения. Ч. 2. – № 7 (65). – М.: ЕНО, 2020. – С. 110–114. ISSN: 2411-1899

16. Tyapin A., Kinev E. A toothless inductor for the technology of MHD stirring of aluminum melt in furnaces. The scientific heritage. – Budapest, 2020. – N 55-1. – Vol. 1. – Рp. 67–71. ISSN 9215-0365.

17. Sarapulov F., Smolyanov I., Tarasov F., Bolotin K., Shvydkiy E. Numerical simulation of double side linear induction pump for liquid magnesium // Magnetohydrodynamics. – 2017. – Vol. 53. – N 4. – P. 603–609.

18. Тяпин А.А., Кинев Е.С. Инверторное электропитание металлургических линейных индукционных МГД-машин // В кн.: Проблемы и перспективы развития электроэнергетики и электротехники: материалы II Всеросс. науч.-практ. конф. 18–19 марта 2020 г. – Казань: Казанский государственный энергетический университет, 2020. – Т. 2. – С. 135–143.

19. Шклярский Я.Э., Скамьин А.Н. Проблемы высших гармоник в сетях промышленных предприятий // Электротехника и электромеханика. – 2013. – № 1. – С. 69–71.

20. Шклярский Я.Э., Растворова Ю.В., Петров И.С. Оценка вклада потребителей в ухудшение показателей качества электроэнергии // Вопросы электротехнологии. – 2019. – № 1 (22). – С. 56 – 63.

21. Фризен В.Э., Черных И.В., Бычков С.А., Тарасов Ф.Е. Методы расчета электрических и магнитных полей: учеб. пособие. – Екатеринбург: ФГАОУ ВПО УФУ им. Б.Н. Ельцина, 2014. – 176 с.

22. Бычков С.А. Обмотки индукционных машин вращательного и поступательного движения / С.А. Бычков, С.Л. Назаров, Ф.Е. Тарасов, В.Э. Фризен. – Екатеринбург: УрФУ, 2017. – 80 с.

23. Шуйский В.П. Расчет электрических машин. – Л.: Энергия, 1968. – 731 с.

24. Hamzehbahmani H. Modeling and simulating of single side short stator linear induction motor with the end effect // Journal of Electrical Engineering. – 2011. – Vol. 62. – N 5. – P. 302–308.

25. Сидоров О.Ю., Сарапулов Ф.Н., Сарапулов С.Ф. Методы конечных элементов и конечных разностей в электромеханике и электротехнологии. – М.: Энергоатомиздат, 2010. – 331 с.

26. Базаров А.А., Данилушкин А.И., Данилушкин В.А., Васильев И.В. Моделирование электромагнитных процессов в многослойной трехфазной индукционной цилиндрической системе // Вестник СамГТУ. – 2017. – № 3 (55). – С. 50–60.

27. Алиферов А.И., Бикеев Р.А., Горева Л.П. Программный комплекс для расчета индуктивных сопротивлений систем прямолинейных проводников, произвольно расположенных в пространстве // В сб.: Электротехника, электромеханика и электротехнологии. ЭЭЭ-2009: материалы IV науч.-техн. конф. с международным участием. – Новосибирск: НГТУ, 2009. – С. 206–212.

28. Карпов Е.А., Тимофеев В.Н., Перфильев Ю.С., Хацаюк М.Ю., Первухин М.В. Моделирование переходных процессов в линейных и нелинейных электрических цепях: Учеб.-метод. пособие. – Красноярск: СФУ, 2019. – 189 с. ISBN: 978-5-7638-4081-0.

29. Карпов Е.А., Тимофеев В.Н., Хацаюк М.Ю. Теоретические основы электротехники. Основы нелинейной электротехники в упражнениях и задачах: учеб. пособие. – Красноярск: Изд-во СФУ, 2017. – 181 с.

30. ANSYS Workbench Documentation / ANSYS Inc. 2005, 1192 p.

31. ANSYS 2019 R1. Updates and Changes / ANSYS, Inc. 2019, 81 p.

32. ANSYS Fluent User's Guide / ANSYS, Inc., Release 15. November 2013, 2692 p.

Для перемешивания расплавленного в печи алюминия применяют плоские электромагнитные индукторы, в которых непременно есть медные обмотки с большими токами, обеспечивающими тяговое усилие в расплаве [1]. Применение переменных токов с фазовыми сдвигами в соседних обмотках обеспечивает эффект бегущего магнитного поля [2]. Индукторы поперечного поля – классические, обеспечивают направление вектора магнитной индукции обмотки поперек направления движения основного поля [3–6]. Обмотки индукторов продольного поля создают векторы магнитной индукции, ориентированный вдоль направления бегущего магнитного поля [7, 8]. Индукторы линейных индукционных машин (ЛИМ) создают усилие поступательного движения в расплаве [9, 10]. Однако, ввиду наличия обмоток с большими токами и разомкнутых магнитопроводов МГД-индукторы создают переменные магнитные поля высокой интенсивности [11, 12]. Помимо индукционных машин в цеху работает другое электрическое, электромеханическое и электронное оборудование. Влияния полей рассеяния индукторов ЛИМ порой настолько существенно, что на расстоянии от печи в десятки метров электронное оборудование выходит из строя. В иных случаях промышленная электроника может оказаться столь чувствительной к электромагнитным помехам, что нарушаются технологические процессы в самой печи [13–15].

Общий вид плавильной печи для технологии рециклинга алюминиевых сплавов показан на рис. 1. Печь предназначена для переплавки алюминиевых слитков с добавлением вторичного алюминия и технологических присадок, обеспечивающих надлежащее качество сплава. Требуемую температуру в расплаве обеспечивают посредством двух жидкостных горелок. Приготовление сплава в печи продолжается около 5 часов. Для перемешивания расплава используют механические средства, при открытой форкамере, что ухудшает качество сплава, увеличивает угар металла и вызывает значительные энергетические потери.

В представленной технологии совершенно очевидной представляется необходимость применения электромагнитного донного перемешивателя [16]. При толщине футеровки в днище печи около 500 мм необходимо применить МГД-индуктор, обеспечивающий достаточное тяговое усилие в расплаве, нужное для перемешивания расплавленного алюминия массой около 25 т. Применение наиболее эффективного перемешивателя может способствовать сокращению продолжительности технологического цикла приготовления сплава и увеличению производительности печи [17]. Вместе с тем МГД-индукторы разного вида не только имеют разную эффективность при разном тяговом усилии в толще расплава, но также по разному засоряют окружающее пространство электромагнитным излучением. Поэтому при построении моделей следует применить не только тривиальные критерии подобия, в виде одинаковых габаритов, равного числа фаз, равной массы меди и стали, одинаковых токов и мощностей, но также стремиться к одинаковой плюсности машин, а также сравнимому эквивалентному усилию в расплаве.

Для Цитирования:
Тяпин А. А., Кинев Е. С., Постановка задачи анализа электромагнитной совместимости МГД-перемешивателей расплава алюминия. Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2021;8.
Полная версия статьи доступна подписчикам журнала
Язык статьи:
Действия с выбранными: