Анализ электромагнитных процессов в магнитогидродинамическом насосе трансформатного типа для транспортировки жидких металлов
Ключевые слова:
вторичная переплавка, перемешивание расплава, механический способ, электромагнитный способ, индукционный магнитодинамический насос, цифровая модель, цифровой двойник, метод конечных элементов
Аннотация
Первичное производство алюминия из природных минералов связано с большими энергетическими и экономическими затратами, при этом повторно алюминий можно переплавлять практически неограниченно. Вторичная переработка алюминиевого лома требует меньше энергии и осуществляется при более простой технологии. По этой причине доля переработанного алюминия в общем балансе производства неуклонно растет. В процессе плавки необходимо перемешивать расплавленную массу одним из известных способов для получения ее однородности. Для малых и средних предприятий эти способы должны быть просты, надежны и экономичны. Цель исследования заключалась в разработке рентабельного способа перемешивания расплава при минимальной реконструкции существующих печей и применяемых технологий переплавки. В статье предлагается комбинированный метод, сочетающий механическое перемешивание и использование электромагнитных сил для перекачки расплава из одной части ванны в другую. Для реализации метода применен индукционный магнитогидродинамический насос переменного тока. Концепция проверена на цифровой модели, реализованной в программном комплексе Ansys Electronics Desktop в режиме Transient для конкретной печи индустриального заказчика. Предложенный подход можно применить практически для любой печи вторичной переплавки.
Литература
1. International Aluminium Institute [Электрон. ресурс], URL: https://international-aluminium.org (дата обращения 20.07.2024).
2. Бутырин П.А., Тимофеев В.Н. Электротехнологии производства алюминия и его сплавов в России. – Электричество, 2024, № 4, с. 15–26.
3. Портнова И.В. Повышение эффективности перемешивания металла в ванне путем совершенствования конструкции дуговой печи постоянного тока малой вместимости: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Челябинск, 2017, 20 с.
4. Сайт АО Челябвторцветмет [Электрон. ресурс], URL: https://chvcm.ru/requisite (дата обращения 26.07.2024).
5. Повышение напряжения дуги и удаление азота путем вдувания метана при электроплавке. – Новости черной металлургии за рубежом, 2004, № 4, с. 44–45.
6. Явойский В.И., Дорофеев Г.А., Повх И.Л. Теория продувки сталеплавильной ванны. М.: Металлургия, 1974, 496 с.
7. Юдин А.В. и др. Опыт использования системы DVS для донной продувки металла в условиях ЭСПЦ Молдавского металлургического завода. – Металлург, 2007, № 10, с. 37–38.
8. Ячиков И.М. и др. Интенсификация массопереноса в электропечах постоянного тока. Магнитогорск: МГТУ, 2002, 132 с.
9. Жилин В.Г. и др. Экспериментальное исследование поля скоростей в осесимметричном электро-вихревом течении в цилиндрическом контейнере. – Магнитная гидродинамика, 1986, № 3, с. 110–116.
10. Письменный А.С., Баглай В.М, Письменный А.А. Интенсификация потоков расплавленного металла в жидкой ванне при индукционном нагреве. – Современная электрометаллургия, 2010, № 2, с. 34–39.
11. Чернышов И.А. Электромагнитное воздействие на металлические расплавы. М.: Металлургиздат, 1963, 86 с.
12. Ивочкин Ю.П., Тепляков И.О., Протоковилов И.В. Физическое моделирование электровихревых течений при ЭШП. – Современная электрометаллургия, 2013, № 1(110), с. 3–7.
13. Тимофеев В.Н., Головенко Е.А., Кузнецов Е.В. Применение МГД устройств в металлургии. Красноярск: СФУ, 2007, 298 с.
14. Смолин Г.К., Федорова С.В. МГД-насос-дозатор. Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2003, 129 с.
15. Тимофеев В.Н., Хацаюк М.Ю. Анализ электромагнитных процессов магнитогидродинамического перемешивания жидких металлов. – Электричество, 2017, № 1, с. 35–44.
16. Тимофеев В.Н., Первухин М.В., Хацаюк М.Ю. Магнитогидродинамические технологии в плавильно-литейном производстве алюминиевых сплавов. – Индукционный нагрев, 2012, № 4, с. 15–21.
17. Тимофеев В.Н., Хацаюк М.Ю., Максимов А.А. Расширенная аналитическая модель МГД-перемешивателя. – Электрометаллургия, 2017, № 10, с. 28–38.
18. Хацаюк М.Ю. Теория и моделирование магнитогидродинамических процессов в электротехнологических комплексах металлургического назначения: автореф. дис. … докт. техн. наук. СПб, 2019, 39 с.
19. Вольдек А.Н. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978, 832 с.
20. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Высшая школа, 2006, 607 с.
21. Копылов И.П. и др. Проектирование электрических машин. М.: Высшая школа, 2005, 767 с.
22. Ганджа С.А. и др. Разработка инженерной методики расчета магнитных систем с постоянными магнитами на основе метода конечных элементов. – Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления, 2019, № 29, с. 58–74.
23. Ганджа С.А. Вентильные электрические машины с аксиальным магнитным потоком. Анализ, синтез, внедрение в производство: автореф. дис. … докт. техн. наук. Екатеринбург, 2012, 42 с.
24. Gandzha S., Kosimov B., Aminov D. Application of the Ansys Electronics Desktop Software Package for Analysis of Claw-Pole Synchronous Motor. – Machines, 2019, 7(4), DOI: 10.3390/machines7040065.
---
Исследование выполнено при финансовой поддержке АО «Челябвторцветмет» (хозяйственный договор от 07.12.2021№ 2021431)
#
1. International Aluminium Institute [Electron. resource], URL: https://international-aluminium.org (Date of appeal 20.07.2024).
2. Butyrin P.A., Timofeev V.N. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2024, No. 4, pp. 15–26.
3. Portnova I.V. Povyshenie effektivnosti peremeshivaniya metalla v vanne putem sovershenstvovaniya konstruktsii dugovoy pechi postoyannogo toka maloy vmestimosti: avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk (Improving the Efficiency of Mixing Metal in a Bath by Improving the Design of a Low-Capacity DC Arc Furnace: Abstract Dis. … Cand. Sci. (Eng.)). Chelyabinsk, 2017, 20 p.
4. JSC Cheliabvtortsvetmet [Electron. resource], URL: https://chvcm.ru/requisite (Date of appeal 26.07.2024).
5. Novosti chernoy metallurgii za rubezhom – in Russ. (Ferrous Metallurgy News Abroad), 2004, No. 4, pp. 44–45.
6. Yavoyskiy V.I., Dorofeev G.A., Povh I.L. Teoriya produvki staleplavil'noy vanny (The Theory of Purging a Steelmaking Bath). M.: Metallurgiya, 1974, 496 p.
7. Yudin А.V. et al. Metallurg – in Russ. (Metallurgist), 2007, No. 10, pp. 37–38.
8. Yachikov I.M. et al. Intensifikatsiya massoperenosa v elektro-pechah postoyannogo toka (Intensification of Mass Transfer in DC Electric Furnaces). Magnitogorsk: MGTU, 2002, 132 p.
9. Zhilin V.G. et al. Magnitnaya gidrodinamika – in Russ. (Magnetic Hydrodynamics), 1986, No. 3, pp. 110–116.
10. Pis'mennyy A.S., Baglay V.M, Pis'mennyy А.А. Sovremen-naya elektrometallurgiya – in Russ. (Modern Electrometallurgy), 2010, No. 2, pp. 34–39.
11. Chernyshov I.A. Elektromagnitnoe vozdeystvie na metalli-cheskie rasplavy (Electromagnetic Effect on Metal Melts). M.: Metallurgizdat, 1963, 86 p.
12. Ivochkin Yu.P., Teplyakov I.O., Protokovilov I.V. Sovre-mennaya elektrometallurgiya – in Russ. (Modern Electrometallurgy), 2013, No. 1(110), pp. 3–7.
13. Timofeev V.N., Golovenko E.A., Kuznetsov E.V. Primenenie MGD ustroystv v metallurgii (Application of MHD Devices in Metallurgy). Krasnoyarsk: SFU, 2007, 298 p.
14. Smolin G.K., Fedorova S.V. MGD-nasos-dozator (MGD-metering pump). Ekaterinburg: Izd-vo Ros. gos. prof.-ped. un-ta, 2003, 129 p.
15. Timofeev V.N., Khatsayuk M.Yu. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2017, No. 1, pp. 35–44.
16. Timofeev V.N., Pervuhin M.V., Khatsayuk M.Yu. Induk-tsionnyy nagrev – in Russ. (Induction Heating), 2012, No. 4, pp. 15–21.
17. Timofeev V.N., Khatsayuk M.Yu., Maksimov А.А. Elektro-metallurgiya – in Russ. (Elektrometallurgiya), 2017, No. 10, pp. 28–38.
18. Khatsayuk M.Yu. Teoriya i modelirovanie magnitogidrodina-micheskih protsessov v elektrotekhnologicheskih kompleksah metallur-gicheskogo naznacheniya: avtoref. dis. … dokt. tekhn. nauk (Theory and Modeling of Magnetohydrodynamic Processes in Electrotechnological Complexes of Metallurgical Purpose: Abstract Dis. ... Dr. Sci. (Eng.)). SPb., 2019, 39 p.
19. Vol'dek A.N. Elektricheskie mashiny (Electric Machines). L.: Energiya, 1978, 832 p.
20. Kopylov I.P. Elektricheskie mashiny (Electric Machines). М.: Vysshaya shkola, 2006, 607 p.
21. Kopylov I.P. et al. Proektirovanie elektricheskih mashin (Design of Electric Machines). M.: Vysshaya shkola, 2005, 767 p.
22. Gandzha S.А. et al. Vestnik PNIPU. Elektrotekhnika, infor-matsionnye tekhnologii, sistemy upravleniya – in Russ. (Bulletin of PNRPU. Electrical Engineering, Information Technology, Control Systems), 2019, No. 29, pp. 58–74.
23. Gandzha S.А. Ventil'nye elektricheskie mashiny s aksial'nym magnitnym potokom. Analiz, sintez, vnedrenie v proizvodstvo: avtoref. dis. … dokt. tekhn. Nauk (Valve Electric Machines with Axial Magnetic Flux. Analysis, Synthesis, Introduction into production: Abstract. Dis. ... Dr. Sci. (Eng.)). Ekaterinburg, 2012, 42 p.
24. Gandzha S., Kosimov B., Aminov D. Application of the Ansys Electronics Desktop Software Package for Analysis of Claw-Pole Synchronous Motor. – Machines, 2019, 7(4), DOI: 10.3390/machines7040065
---
The study was carried out with the financial support of JSC "Cheliabvtortsvetmet" (business agreement No. 2021431 dated December 7, 2021)
2. Бутырин П.А., Тимофеев В.Н. Электротехнологии производства алюминия и его сплавов в России. – Электричество, 2024, № 4, с. 15–26.
3. Портнова И.В. Повышение эффективности перемешивания металла в ванне путем совершенствования конструкции дуговой печи постоянного тока малой вместимости: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Челябинск, 2017, 20 с.
4. Сайт АО Челябвторцветмет [Электрон. ресурс], URL: https://chvcm.ru/requisite (дата обращения 26.07.2024).
5. Повышение напряжения дуги и удаление азота путем вдувания метана при электроплавке. – Новости черной металлургии за рубежом, 2004, № 4, с. 44–45.
6. Явойский В.И., Дорофеев Г.А., Повх И.Л. Теория продувки сталеплавильной ванны. М.: Металлургия, 1974, 496 с.
7. Юдин А.В. и др. Опыт использования системы DVS для донной продувки металла в условиях ЭСПЦ Молдавского металлургического завода. – Металлург, 2007, № 10, с. 37–38.
8. Ячиков И.М. и др. Интенсификация массопереноса в электропечах постоянного тока. Магнитогорск: МГТУ, 2002, 132 с.
9. Жилин В.Г. и др. Экспериментальное исследование поля скоростей в осесимметричном электро-вихревом течении в цилиндрическом контейнере. – Магнитная гидродинамика, 1986, № 3, с. 110–116.
10. Письменный А.С., Баглай В.М, Письменный А.А. Интенсификация потоков расплавленного металла в жидкой ванне при индукционном нагреве. – Современная электрометаллургия, 2010, № 2, с. 34–39.
11. Чернышов И.А. Электромагнитное воздействие на металлические расплавы. М.: Металлургиздат, 1963, 86 с.
12. Ивочкин Ю.П., Тепляков И.О., Протоковилов И.В. Физическое моделирование электровихревых течений при ЭШП. – Современная электрометаллургия, 2013, № 1(110), с. 3–7.
13. Тимофеев В.Н., Головенко Е.А., Кузнецов Е.В. Применение МГД устройств в металлургии. Красноярск: СФУ, 2007, 298 с.
14. Смолин Г.К., Федорова С.В. МГД-насос-дозатор. Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2003, 129 с.
15. Тимофеев В.Н., Хацаюк М.Ю. Анализ электромагнитных процессов магнитогидродинамического перемешивания жидких металлов. – Электричество, 2017, № 1, с. 35–44.
16. Тимофеев В.Н., Первухин М.В., Хацаюк М.Ю. Магнитогидродинамические технологии в плавильно-литейном производстве алюминиевых сплавов. – Индукционный нагрев, 2012, № 4, с. 15–21.
17. Тимофеев В.Н., Хацаюк М.Ю., Максимов А.А. Расширенная аналитическая модель МГД-перемешивателя. – Электрометаллургия, 2017, № 10, с. 28–38.
18. Хацаюк М.Ю. Теория и моделирование магнитогидродинамических процессов в электротехнологических комплексах металлургического назначения: автореф. дис. … докт. техн. наук. СПб, 2019, 39 с.
19. Вольдек А.Н. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978, 832 с.
20. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Высшая школа, 2006, 607 с.
21. Копылов И.П. и др. Проектирование электрических машин. М.: Высшая школа, 2005, 767 с.
22. Ганджа С.А. и др. Разработка инженерной методики расчета магнитных систем с постоянными магнитами на основе метода конечных элементов. – Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления, 2019, № 29, с. 58–74.
23. Ганджа С.А. Вентильные электрические машины с аксиальным магнитным потоком. Анализ, синтез, внедрение в производство: автореф. дис. … докт. техн. наук. Екатеринбург, 2012, 42 с.
24. Gandzha S., Kosimov B., Aminov D. Application of the Ansys Electronics Desktop Software Package for Analysis of Claw-Pole Synchronous Motor. – Machines, 2019, 7(4), DOI: 10.3390/machines7040065.
---
Исследование выполнено при финансовой поддержке АО «Челябвторцветмет» (хозяйственный договор от 07.12.2021№ 2021431)
#
1. International Aluminium Institute [Electron. resource], URL: https://international-aluminium.org (Date of appeal 20.07.2024).
2. Butyrin P.A., Timofeev V.N. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2024, No. 4, pp. 15–26.
3. Portnova I.V. Povyshenie effektivnosti peremeshivaniya metalla v vanne putem sovershenstvovaniya konstruktsii dugovoy pechi postoyannogo toka maloy vmestimosti: avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk (Improving the Efficiency of Mixing Metal in a Bath by Improving the Design of a Low-Capacity DC Arc Furnace: Abstract Dis. … Cand. Sci. (Eng.)). Chelyabinsk, 2017, 20 p.
4. JSC Cheliabvtortsvetmet [Electron. resource], URL: https://chvcm.ru/requisite (Date of appeal 26.07.2024).
5. Novosti chernoy metallurgii za rubezhom – in Russ. (Ferrous Metallurgy News Abroad), 2004, No. 4, pp. 44–45.
6. Yavoyskiy V.I., Dorofeev G.A., Povh I.L. Teoriya produvki staleplavil'noy vanny (The Theory of Purging a Steelmaking Bath). M.: Metallurgiya, 1974, 496 p.
7. Yudin А.V. et al. Metallurg – in Russ. (Metallurgist), 2007, No. 10, pp. 37–38.
8. Yachikov I.M. et al. Intensifikatsiya massoperenosa v elektro-pechah postoyannogo toka (Intensification of Mass Transfer in DC Electric Furnaces). Magnitogorsk: MGTU, 2002, 132 p.
9. Zhilin V.G. et al. Magnitnaya gidrodinamika – in Russ. (Magnetic Hydrodynamics), 1986, No. 3, pp. 110–116.
10. Pis'mennyy A.S., Baglay V.M, Pis'mennyy А.А. Sovremen-naya elektrometallurgiya – in Russ. (Modern Electrometallurgy), 2010, No. 2, pp. 34–39.
11. Chernyshov I.A. Elektromagnitnoe vozdeystvie na metalli-cheskie rasplavy (Electromagnetic Effect on Metal Melts). M.: Metallurgizdat, 1963, 86 p.
12. Ivochkin Yu.P., Teplyakov I.O., Protokovilov I.V. Sovre-mennaya elektrometallurgiya – in Russ. (Modern Electrometallurgy), 2013, No. 1(110), pp. 3–7.
13. Timofeev V.N., Golovenko E.A., Kuznetsov E.V. Primenenie MGD ustroystv v metallurgii (Application of MHD Devices in Metallurgy). Krasnoyarsk: SFU, 2007, 298 p.
14. Smolin G.K., Fedorova S.V. MGD-nasos-dozator (MGD-metering pump). Ekaterinburg: Izd-vo Ros. gos. prof.-ped. un-ta, 2003, 129 p.
15. Timofeev V.N., Khatsayuk M.Yu. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2017, No. 1, pp. 35–44.
16. Timofeev V.N., Pervuhin M.V., Khatsayuk M.Yu. Induk-tsionnyy nagrev – in Russ. (Induction Heating), 2012, No. 4, pp. 15–21.
17. Timofeev V.N., Khatsayuk M.Yu., Maksimov А.А. Elektro-metallurgiya – in Russ. (Elektrometallurgiya), 2017, No. 10, pp. 28–38.
18. Khatsayuk M.Yu. Teoriya i modelirovanie magnitogidrodina-micheskih protsessov v elektrotekhnologicheskih kompleksah metallur-gicheskogo naznacheniya: avtoref. dis. … dokt. tekhn. nauk (Theory and Modeling of Magnetohydrodynamic Processes in Electrotechnological Complexes of Metallurgical Purpose: Abstract Dis. ... Dr. Sci. (Eng.)). SPb., 2019, 39 p.
19. Vol'dek A.N. Elektricheskie mashiny (Electric Machines). L.: Energiya, 1978, 832 p.
20. Kopylov I.P. Elektricheskie mashiny (Electric Machines). М.: Vysshaya shkola, 2006, 607 p.
21. Kopylov I.P. et al. Proektirovanie elektricheskih mashin (Design of Electric Machines). M.: Vysshaya shkola, 2005, 767 p.
22. Gandzha S.А. et al. Vestnik PNIPU. Elektrotekhnika, infor-matsionnye tekhnologii, sistemy upravleniya – in Russ. (Bulletin of PNRPU. Electrical Engineering, Information Technology, Control Systems), 2019, No. 29, pp. 58–74.
23. Gandzha S.А. Ventil'nye elektricheskie mashiny s aksial'nym magnitnym potokom. Analiz, sintez, vnedrenie v proizvodstvo: avtoref. dis. … dokt. tekhn. Nauk (Valve Electric Machines with Axial Magnetic Flux. Analysis, Synthesis, Introduction into production: Abstract. Dis. ... Dr. Sci. (Eng.)). Ekaterinburg, 2012, 42 p.
24. Gandzha S., Kosimov B., Aminov D. Application of the Ansys Electronics Desktop Software Package for Analysis of Claw-Pole Synchronous Motor. – Machines, 2019, 7(4), DOI: 10.3390/machines7040065
---
The study was carried out with the financial support of JSC "Cheliabvtortsvetmet" (business agreement No. 2021431 dated December 7, 2021)
