УДК 537.811

Ю.М. Гориславець, докт. техн. наук

МОДЕЛЮВАННЯ ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ В ІНДУКЦІЙНИХ КАНАЛЬНИХ УСТАНОВКАХ З ОБЕРТОВИМ РУХОМ РІДКОГО МЕТАЛУ

        Відомо, що електромагнітне обертання рідкого металу знаходить широке застосування практично на всіх етапах металургійної переробки металів та сплавів. Використання такого руху дає змогу в одних випадках інтенсифікувати технологічний процес, тобто підвищити його ефективність, в інших – реалізувати новий прогресивний процес, який неможливо отримати у його відсутності. Особливо перспективним в цьому відношенні є використання електромагнітного обертання в електроплавильному обладнанні, наприклад, у дугових сталеплавильних печах, індукційних канальних печах тощо. Слід зазначити, що значимість такого обладнання зростає у зв’язку зі зміною останнім часом концепції плавки металів. Якщо донині економічно вигіднішим було використання, наприклад, газових печей, ніж електричних (електроплавлення в основному використовувалось у регіонах з дешевою електроенергією), то зараз у зв’язку з різким подорожчанням органічних енергоносіїв, у т.ч. природного газу, картина змінюється на зворотну. Особливо актуальним це стає для України, яка змушена імпортувати газ за високими цінами, маючи в той же час лишки електричної енергії у себе.
        У 2007 році в рамках держбюджетної теми “Аспект”, що виконується в Інституті електродинаміки НАН України, розроблено математичні моделі для дослідження електродинамічних процесів у електроплавильному обладнанні з обертовим рухом рідкого металу. За основу прийнято індукційне обладнання канального типу, до якого належать індукційні канальні печі, канальні міксери, системи рафінування розплаву, що використовуються у процесі безперервного лиття спеціальних сплавів відповідного призначення, та ін. Таке обладнання оснащене спеціальними електромагнітними системами, що створюють обертовий рух рідкого металу в індукційних каналах.
        З точки зору електромагнітних процесів зазначене обладнання досить складне – електромагнітне поле в ньому є суто тривимірне. У роботах, присвячених індукційним канальним печам, електромагнітні процеси раніше досліджували в основному в плоско-паралельному наближенні. Співставлення отриманих у такий спосіб результатів з експериментальними даними показує, що якщо розбіжність параметрів електромагнітного поля (наприклад, густини струму в каналах) знаходиться в межах допустимого, то розраховані інтегральні електромагнітні параметри печі (повний, активний і індуктивний опори, коефіцієнт потужності) суттєво відрізняються від реальних значень.
        Нові математичні моделі ґрунтуються на так званому квазітривимірному наближенні. Суть квазітривимірної моделі, наприклад, для канальної печі, полягає в наступному. Формулюється коло-польова задача розрахунку електромагнітного поля печі, яка складається з рівнянь для поля (векторного магнітного потенціалу) з врахуванням руху металу та рівнянь балансу напруг для індуктора і канальної частини печі. Канальна частина фізично представляє собою рідкометалевий виток, що складається з двох індукційних каналів, які сполучаються між собою з’єднувальними каналами. Поле розглядається в площині, що проходить поперек індукційних каналів, а з’єднувальні канали враховують шляхом включення в рівняння балансу напруги витка повних їх опорів, які визначають на основі розв’язування додаткової двовимірної польової задачі. Додаткова задача при цьому розглядається в площині поперечних перерізів з’єднувальних каналів.
        Задача розрахунку електромагнітного поля печі розв’язується разом з диференціальним рівнянням руху рідкого металу в індукційних каналах (рівнянням Нав’є-Стокса з k-ε моделлю турбулентності), що дає змогу врахувати його швидкість.
        Перевірка розроблених моделей виконувалась на прикладі індукційної канальної печі для алюмінію ІАК-40. Отримано задовільний збіг розрахованих і експериментально визначених на промисловій печі електромагнітних параметрів та параметрів руху металу.