Математическое моделирование электровихревых течений и тепломассопереноса в токонесущих расплавах металлургических агрегатов

• Автор: Ячиков, Игорь Михайлович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Магнитогорск
• Количество страниц: 363 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ РАСПЛАВА В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ АГРЕГАТАХ, ИХ СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ И ТЕХНИКОЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

§1.1. Современные тенденции повышения эффективности выплавки стали в дуговых

электропечах

§ 1.2. Роль перемешивания расплава в традиционной технологии выплавки стали

§1.2.1. Классическая технология электроплавки

§1.2.2. Роль перемешивания расплава в традиционной технологии выплавки стали..29 § 1.3. Роль перемешивания расплава при выплавке в дуговых печах синтетического
чугуна

§1.4. Способы перемешивания расплава, их классификация и технико-экономические

особенности
§1.4.1. Механические способы перемешивания расплава
§1.4.2. Газодинамические способы перемешивания расплава
§1.4.3. Электромагнитные способы перемешивания расплава
§1.4.4. Другие способы перемешивания расплава
§1.4.5. Технико-экономические показатели различных способов перемешивания
расплава
§1.5. Влияние ЭВТ на процессы, протекающие в вапие расплава металлургических
агрегатов
§ 1.6. Результаты работы печей, использующих технологию перемешивания с
использованием ЭВТ
§ 1.7. Пульсирующие токи в ванне токонесущего расплава как источник бшущего
магнитного поля и ЭВТ
§1.7. Основные задачи исследования
ГЛАВА II. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ОЭМС В ВАННЕ
ДППТ С ОСЕВЫМ ПОДОВЫМ ЭЛЕКТРОДОМ
§2.1. Геометрические характеристики ванны ДППТ
§2.2. Геометрия подового электрода
§2.3. Воздействие дуги на расплав в условиях ДППТ
§2.3.1. Силовое воздействие дуги на расплав
§2.3.2. Геометрические характеристики привязки дуги к расплаву
§2.4. Математическая модель распределения потенциалов и токов в ванне
2.4.1. Основные уравнения и принятые допущения
§2.4.2. Граничные условия
§2.5. Математическая модель распределения магнитного поля в ванне ДППТ и за ее
пределами
§2.5.1. Магнитное поле в ванне
§2.5.2. Магнитное поле за пределами ванны
§2.6. Объемные электромагнитные силы в ванне
§2.7. Численная и программная реализация математической модели
§2.7.1. Численная реализация решения краевой задачи
§2.7.2. Алгоритм ускорения сходимости посредством корректировки параметра
релаксации
§2.7.3. Описание программы «Ванна ЭМП-1»
§2.7.4. Исходные данные для моделирования электромагнитных полей и ОЭМС в
ванне ДППТ
§2.8. Результаты моделирования электрического поля в ванне
§2.9. Распределение тока в ванне
§2.10. Магнитное поле в ванне

§2.11. Объемные электромагнитные силы в ванне
§2.12. Адекватность созданной математической модели
§2.13. Выводы по 2 главе
ГЛАВА III. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ОЭМС В ВАННЕ ДППТ С ДВУМЯ АСИММЕТРИЧНО РАСПОЛОЖЕННЫМИ ПОДОВЫМИ
ЭЛЕКТРОДАМИ
§3.1. Математическая модель распределения электромагнитных полей и ОЭМС в ванне

§3.1.1. Геометрия ванны с двумя АРПЭ
§3.1.2. Основные допущения и ограничения модели
§3.1.3. Напряженность электрического поля в ванне
§3.1.4. Напряженность магнитного поля
§3.1.5. Объемные электромагнитные силы в ванне
§3.2. Численная и компьютерная реализация модели
§3.2.1. Численная реализация решения краевой задачи
§3.2.2. Численная реализаіщя расчета электрических и магнитных полей
§3.2.3. Описание программы «Ванна-ЭМП2»
§3.3. Результаты моделирования поля электрического потенциала
§3.4. Распределение плотности тока и напряженности электрического поля в ванне
§3.4.1. Электрическое поле в ванне с одним ПЭ
§3.4.2. Электрическое поле в ванне с двумя ПЭ
§3.5. Распределение напряженности магнитного поля в ванне
§3.5.1. Магнитное поле в ванне с одним ПЭ
§3.5.1. Магнитное поле в ванне с двумя ПЭ
§3.6. Симметрия электрических и магнитных полей
§3. б. 1. Особенности ЭМП в ванне ДППТ при наличии одного ПЭ
§3.6.2. Особенности ЭМП в ванне ДППТ при наличии двух подовых электродов
§3.6.3. Поведение напряженности магнитного поля в плоскости симметрии
электрического поля, создаваемого токами
§3.7. Распределение по ванне объемных электромагнитных сил
§3.7.1. Поведение ОЭМС при одном подово.м электроде
§3.7.2. Поведение ОЭМС при двух подовых электродах
§3.8. Проверка на адекватность созданной математической модели
§3.9. Выводы по 3 главе
ГЛАВА IV. ЦИРКУЛЯЦИЯ РАСПЛАВА В ВАННЕ ДППТ С ОСЕСИММЕТРИЧНЫМ
ПОДОВЫМ ЭЛЕКТРОДОМ
§4.1. Математическая модель конвективного ЭВТ расплава в осесимметричной ванне

§4.1.1. Основные допущения и ограничения модели
§4.1.2. Математическая модель течения жидкости
§4.1.3. Математическая модель течения жидкости на основе у/ — СО функций
§4.2. Численная и компьютерная реализации математической модели
§4.2.1. Численное решение уравнения для функции тока
§4.2.2. Численное решение уравнения для завихренности
§4.2.3. Граничные условия при численном решении и алгоритм расчета
§4.2.4. Описание программы «Электровихревое течение-1»
§4.3. Исходные данные для моделирования ЭВТ
§4.4. Результаты моделирования электровихревого течения жидкого металла в ванне
ДПГІТ
§4.4.1. Характер нестационарных течений в ванне. Влияние размера подового электрода

§4.4.2. Влияние глубины ванны и протекающего через нее тока на размеры
застойных областей
§4.4.3. Поле скоростей в ванне
§4.5. Моделирование течения расплава при воздействии на него потока плазмы дуги 215 §4.5. 1. Исходные положения для моделирования течения при воздействии потока
плазмы
§4.5. 2. Результаты моделирования течения при воздействии потока плазмы
§4.6. Адекватность созданной математической модели
§4.7. Выводы по 4 главе
ГЛАВА V. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОВИХРЕВЫХ ТЕЧЕНИЙ НА ФИЗИЧЕСКОЙ
МОДЕЛИ
§5.1. Физическое подобие токонесущих расплавов. Критерии подобия
§5.2. Выбор параметров экспериментальной модели
§5.3. Описание экспериментальной установки
§5.4. Исследование ЭВТ на лабораторной дуговой нечи постоянного тока
§5.4.1. Характер ЭВТ в ванне расплава ДППТ при одном подовом электроде
§5.4.2. Характер ЭВТ в ванне расплава ДППТ при двух подовых электродах
§5.5. Выводы по 5 главе
ГЛАВА VI. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В ВАННЕ ДППТ, ПРИ ПРОТЕКАНИИ ЧЕРЕЗ ПОДОВЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ ТОКОВ...243 §6.1. Влияние пульсаций тока на параметры электромагнитных полей и ЭВТ в ванне с
одним подовым электродом
§6.1.1. Влияние пульсаций тока на параметры электромагнитных полей
§6.1.2. Развитие ЭВТ жидкого металла при включении и его затухание при
отключении тока дуги
§6.1.3. Характерное время установления ЭВТ
§6.1.4. Влияние пульсаций тока на поле скоростей в ванне расплава
§6.2. Выбор параметров вынужденных пульсаций тока дуги в ванне с одним подовым
электродом
§6.2.1. Оценки собственной частоты колебаний плазменной струи в жидкости и ее
коэффициента затухания
§6.2.2. Выбор скважности импульсов тока дуги
§6.3. Определение электрических характеристик пульсирующих токов, проходящих
через АРПЭ
§6.3.1. Методика расчета электрических характеристик ДППТ при АРПЭ с
использованием схемы замещения
§6.3.2. Анализ поведения тока, протекающего между подовыми электродами
§6.3.3. Экспериментальное исследование падения напряэ/сения между АРПЭ в ванне

§6.3.4. Исследование падения напряжения между ПЭ в ванне ДППТ при
перемешивании с использованием АРПЭ
§6.4. Влияние изменяющихся токов на электромагнитные параметры и ОЭМС в ванне
ДППТ с двумя подовыми электродами
§6.4.1. Положение плоскости, проходящей через оси токов
§6.4.2. Направление вектора напряженности магнитного поля в плоскости осей

§6.4.3. Поведение напряженности магнитного поля в плоскости осей двух токов
§6.4.4. Поведение ОЭМС в плоскости осей двух токов
§6.5. Выбор параметров токов при АРПЭ
§6.6. Выводы по 6-й главе
ГЛАВА VII. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ЖИДКОЙ ВАННЕ ДППТ

Перемешивание жидкого металла в печах служит мощным ускорителем физико-химических процессов. При его высокой интенсивности растворение углерода идет примерно в два раза быстрее, чем при его отсутствии. Кроме того, науглероживание идет тем быстрее, чем выше температура металла, больше поверхность между твердыми частицами углерода и жидкой фазой.
Таким образом, при получении синтетического чугуна в дуговых печах проблема перемешивания расплава является первоочередной, влияющей на технико-экономические показатели работы печи и качество получаемого металла.
§1.4. Способы перемешивания расплава, их классификация и технико-экономические особенности
Перемешивание расплава применяют для выравнивания химического состава и температуры по объему ванны с целью облегчения скачивания шлака [14, 16], для транспортировки шлакообразующих и легирующих добавок [20], для улучшения переработки шихты на откосах печи [21]. По замерам B.C. Кочо [13], перепад температуры при спокойной ванне на глубине 350 мм достигает 50-70 °С. Естественно, на подине металл холоднее, чем на поверхности. При перемешивании улучшаются условия теплообмена в печи, в результате чего уменьшается перепад температуры металла по глубине ванны, а это является одним из важных условий для осуществления автоматического регулирования температурного режима плавки [22]. Эффективность тепломассообмена определяется, как известно [21], степенью перемешивания металла в обрабатываемой емкости, что может достигаться только за счет вынужденной конвекции.
При отсутствии химических реакций можно выделить следующие основные факторы, под действием которых может возникнуть циркуляция металла и шлака в ванне дуговой печи:
— внешние механические силы;
— свободная конвекция, возникающая вследствие градиента температур или концентраций в объеме расплава;
— вязкостные силы, создаваемые воздействием газовых струй, плазмы