Методы и алгоритмы математического моделирования процессов электромагнитного управления направлением горения дугового разряда в электродуговых печах постоянного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Корытчинков, Дмитрий Евгеньевич

• Корытчинков, Дмитрий Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Корытчинков, Дмитрий Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Электродуговая печь постоянного тока и влияние внешних магнитных полей на направление горения дугового разряда.

1.1. Конструкции эл ектродуговых печей.:.

1.2. Процесс горения дугового разряда в электродуговых печах постоянного тока.

1.3. Исследование влияния магнитных полей на смещение дугового разряда.

Основные результаты.

ГЛАВА 2. Процедуры моделирования и численного решения задачи динамики потоков заряженных частиц в электрическом и магнитном полях в комплексе программ «ФОКУС».

2.1. Моделирование аксиально-симметричных систем с произвольной конфигурацией электродов.

2.1.1. Моделирование распределения потенциала системы электродов.

2.1.2. Моделирование траекторий заряженных частиц в электростатическом поле.

2.1.3. Моделирование траекторий заряженных частиц в переменном электрическом поле.

2.2. Вычисление функции распределения потенциала в программе «ФОКУС» методом граничных элементов.

2.3. Разработка алгоритма и модуля моделирования магнитного поля совокупности соленоидов.

2.3.1. Поле кругового тока.

2.3.2. Поле соленоида.

2.3.3. Поле произвольно ориентированного соленоида.

2.3.4. Поле совокупности произвольно ориентированных соленоидов.

2.3.5. Модуль моделирования магнитного поля совокупности соленоидов.

2.4. Моделирование трехмерного отображения траектории заряженной частицы в скрещенных электрическом и магнитном полях.

Основные результаты.

ГЛАВА 3. Моделирование движения заряженной частицы в электромагнитных полях электродуговой печи постоянного тока.

3.1. Алгоритм решения уравнений движения заряженной частицы в электромагнитном поле на основе метода Рунге

Кутта-Фельберга с контролем точности вычислений.

3.2. Моделирование процесса токопрохождения в электродуговой печи при наличии фокусирующего электрического поля.

3.2. Моделирование процесса токопрохождения в электродуговой печи при наложении внешних магнитных полей.

Основные результаты.

ГЛАВА 4. Моделирование движения электронов в поле печи дуговой плавки в условиях их столкновений с молекулами атмосферы.

4.1. Дуговой разряд в плавильной печи.

4.2. Метод расчета траектории движения электронов в условиях столкновений с молекулами газа.

4.2.1. Разыгрывание длины свободного пробега электрона.

4.2.2. Разыгрывание упругих и неупругих столкновений электронов с молекулами газа.

4.2.3. Упругие столкновения.

4.2.4. Неупругие столкновения.

4.2.5. Определение составляющих скорости электрона после взаимодействия.

4.3. Алгоритм и результаты моделирования движения электронов в условиях столкновений с молекулами газа.

Основные результаты.

ГЛАВА 5. Автоматизированные системы электромагнитного управления направлением горения дугового разряда в электродуговой печи постоянного тока.

5.1. Метод компенсационного воздействия на изменение внешнего магнитного поля с целью стабилизации направления горения электрической дуги.

5.2. Система управления положением горения дуги на основе трех соленоидов.

5.3. Экспериментальные исследования модернизированной конструкции печи дуговой плавки ДППТУ-20.

5.4. Автоматизированная система управления направлением горения дуги по температурному режиму футеровки печи.

Основные результаты.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и алгоритмы математического моделирования процессов электромагнитного управления направлением горения дугового разряда в электродуговых печах постоянного тока»

В литейном производстве для плавки различных марок стали, чугуна, алюминиевых, медных и других сплавов широко используются электродуговые печи, работающие на переменном или постоянном токе.

Производительность и работоспособность электродуговых печей во многом зависит от способов, технических решений и программных средств системы управления процессом горения электрической дуги между электродами. Система управления процессом горения электрической дуги обеспечивает, во-первых, режимы плавки и, во-вторых, регулирование подводимой электрической энергии к электродам в зависимости от режима плавки.

В электродуговых печах переменного тока плавление металла происходит за счет процесса горения дуги между тремя электродами и дополнительной задачей системы управления является оптимизация параметров режима плавки металла.

Теоретическими исследованиями по разработке систем управления технологическими процессами в электродуговых печах переменного тока посвящены труды ученых Дембовского В.В., Окорокова Н.В., Барского Б.С., Свенчанского А.Д., Салихова С.Г. и других отечественных и зарубежных ученых.

В электродуговых печах постоянного тока (ЭДППТ) плавление металла происходит за счет процесса горения электрической дуги между подовым положительным электродом (анодом) и отрицательным графитовым подвижным электродом (катодом). Электрическая энергия постоянного тока заданной мощности поступает от управляемого выпрямителя, выполненного на тиристорах.

Патентообладателем в России по дуговым печам постоянного тока является Малиновский B.C.

Теоретические исследования и практическая реализация электродуговых печей постоянного тока нашли отражения в трудах АльфероваВ.И., Афонаскина А.В., Брона О.Б., Ярных Л.В. и других авторов.

Система управления процессом плавки металла в электродуговых печах постоянного тока обеспечивает и регулирует подводимую электрическую энергию, а также управляет перемещением графитового электрода в зависимости от режима плавки, гарантируя дуговой электрический разряд между подовым и графитовым электродом.

Практическое исполнение ЭДППТ, кроме электродов, управляемого выпрямителя и системы управления, включает подвижный печной агрегат, токоподводящие кабели, перемещающиеся вместе с печным агрегатом и стальные несущие конструкции.

С целью обеспечения перемешивания расплава, что выравнивает его температуру по всему объему плавильной печи, исключает застойные образования и повышает однородность химического состава расплава, подовый электрод состоит из двух или более электродов, смещенных относительно центра ванны печи.

Токоподводящие кабели вокруг себя создают магнитное поле, определенной интенсивности и направления, которое влияет также на направление горения электрической дуги.

Кроме того, имеющиеся несущие стальные конструкции размещенные радом с печью, намагничиваются по мере возрастания числа плавок от магнитного поля, создаваемого токоподводящими кабелями.

Результатом наличия накапливающегося остаточного магнетизма конструкции и корпуса плавильной печи является воздействие суммарного магнитного потока, создаваемого током подводящих кабелей и угольного электрода внутри плавильной камеры, на высокотемпературную плазму (электрическую дугу), состоящей из электронов, ионов и других заряженных частиц.

Под воздействием магнитного поля происходит смещение направления горения электрической дуги в направлении, определяемом суммарным магнитным полем, что приводит к локальному перегреву и выжиганию части футеровки. В результате локального перегрева и последующего разрушения футеровки сокращается число плавок металла до восстановительного ремонта, и производительность печи снижается.

Ввиду сложности выявления влияния магнитных полей на направление горения электрической дуги в ЭДППТ в практическом их исполнении, целесообразно исследовать данные процессы с помощью методов математического моделирования.

Таким образом, актуальными являются исследования на основе методов математического моделирования, направленные на решение научно-технической задачи по созданию высокоэффективной и многофункциональной системы управления технологическими процессами в электродуговых печах постоянного тока.

Цель диссертации состоит в разработке методов и алгоритмов математического моделирования, программных комплексов для исследования процессов электромагнитного управления направлением горения дуги в электродуговых печах постоянного тока, а также технических средств для управления дугой, с целью повышения производительности и безопасности работы печи при условии увеличения срока службы футеровочного корпуса.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- анализ влияния магнитных полей на смещение дугового разряда в электродуговой печи постоянного тока;

- разработка алгоритма расчета и моделирование магнитного поля совокупности электромагнитов (соленоидов);

- моделирование процесса движения заряженных частиц в электрических и магнитных полях, анализ и тестирование результатов на модельных задачах;

- разработка метода и алгоритма моделирования и управления процессом движения электронов в магнитном поле электродуговой печи постоянного тока в условиях их столкновений с молекулами атмосферы;

- разработка автоматизированных систем электромагнитного управления направлением горения дугового разряда и в электродуговых печах постоянного тока на основе трех соленоидов.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследований: численные методы, методы обработки экспериментальных данных, имитационное моделирование. Теоретические методы сочетались с экспериментальными исследованиями, проведенными путем имитационного моделирования и натурных испытаний.

Научная новизна работы определяется разработкой математических моделей описания процессов электромагнитного управления направлением горения дуги в электродуговых печах постоянного тока и созданием на основе этих моделей эффективных алгоритмов численного решения задач динамики потоков заряженных частиц в скрещенных электрическом и внешних магнитных полях электродуговой печи постоянного тока и разработкой метода расчета траектории движения электронов в условиях столкновений с молекулами газа.

Практическая значимость работы заключается в новых возможностях повышения производительности и многофункциональности электродуговых печей постоянного тока за счет электромагнитного управления процессом горения дуги. Разработанные методы, модели, алгоритмы и методики позволяют решить практические задачи по расчету, конструированию соленоидов и созданию автоматизированных систем по управлению ими для электродуговых печей различных типов и объемов. Результаты экспериментальных исследований доказали принципиальные возможности управления направлением горения дуги в печах постоянного тока с помощью соленоидов и позволили увеличить число плавок до остановки на ремонт исследуемой печи в два раза за счет снижения износа футеровки печи.

Практические результаты получены в ходе выполнения научно-исследовательской работы НИР №17-05 «Разработка и исследование автоматизированной системы управления направлением горения дуги в электродуговых печах», в которых автор являлся ответственным исполнителем.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата, программных средств моделирования, действующим программным комплексом и практическим использованием полученных результатов.

Результаты диссертационной работы нашли применение в системе управления электродуговой сталеплавильной печью постоянного тока ДПГТГУ-20, емкостью 20 тонн, на предприятии ОАО «Тяжпрессмаш» г.Рязань, а так же в учебном процессе Рязанского государственного радиотехнического университета при изучении дисциплин «Моделирование систем», «Компьютерное моделирование», «Автоматизация технологических процессов и производств».

Основные положения, выносимые на защиту: алгоритм и результаты математического моделирования магнитного поля совокупности соленоидов, позволяющие исследовать траектории движения заряженных частиц в скрещенных электрическом и магнитном полях электродуговой печи постоянного тока и возможности управления ими; результаты моделирования численного решения задач управления движением заряженных частиц в электромагнитном поле и параметров магнитного поля совокупности соленоидов, с возможностью контроля точности, тестирование методики расчета решения внешней задачи Дирихле с помощью метода граничных элементов на системах с аналитическими решениями, позволяющий повысить на порядок точность вычислений; метод и алгоритм математического моделирования движения электронов в магнитном поле электродуговой печи в условиях их столкновений с молекулами атмосферы; метод построения автоматизированных систем электромагнитного управления направлением горения дугового разряда в электродуговой печи постоянного тока на основе трех соленоидов,, позволяющий увеличить число плавок в два раз за счет снижения температурного износа футеровки.

Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на следующих конференциях:

Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Новые технологии в учебном процессе и производстве», г.Рязань, Рязанский институт МГОУ, 2006, 2007г.г.;

15-я и 16-я Международная научно-техническая конференция «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций», г.Рязань, Рязанский государственный радиотехнический университет, 2008, 2010г.г.;

Х1У-я и ХУ-я Всероссийская научно-техническая конференция «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании», г.Рязань, Рязанский государственный радиотехнический университет, 2009, 2010г.г.;

X Конгресс «Кузнец-2010». Состояние, проблемы и перспективы развития кузнечно-прессового машиностроения и кузнечно-штамповочных производств. - Рязань: ОАО «Тяжпрессмаш», 2010.

12

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Корытчинков, Дмитрий Евгеньевич

Основные результаты

1. Была разработана и создана система управления положением горения дуги на основе трех соленоидов, позволившая увеличить число плавок без ремонта до 57. До использования системы электромагнитного управления число плавок без ремонта печи не превышало 35, а среднее количество плавок между ремонтами было 28.

2. Исследование состояния футерованного слоя при использовании системы управления положением горения дуги на основе трех соленоидов, показал равномерный износ огнеупорного кирпича и исключение возникновения локального износа футеровки.

3. Анализ результатов экспериментальных исследований модернизированной конструкции печи дуговой плавки ДППТУ-20 позволяет сделать вывод об увеличении в 1.5-2 раза количества плавок без ремонтных работ при наложении компенсирующего магнитного поля размещенных на внешней поверхности печи соленоидов. Данный результат является положительным решением поставленной в проекте задачи об увеличении срока (количества плавок) безостановочной работы печи. Дополнительный эффект можно получить при оптимизации расположения соленоидов и величины магнитной индукции компенсирующего поля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных исследований осуществлено впервые решение актуальной научно-технической задачи по разработке технических средств, методов, алгоритмов и комплексов программ математического моделирования и решения численных задач по электромагнитному управлению направлением горения дуги на основе трех соленоидов в электродуговых печах постоянного тока для повышения их производительности и безопасности работы, при условии увеличения срока службы футеровочного корпуса.

В ходе выполнения работы были получены следующие результаты.

1. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что локальное выгорание футеровочного корпуса происходит за счет смещения дугового разряда в электродуговой печи постоянного тока из-за наличия вокруг печи статического внешнего магнитного поля, создаваемого подводимыми токовыми проводниками и массивной металлической конструкции печи.

2. Проведено моделирование электрических и магнитных полей, проанализированы и протестированы результаты на модельных задачах на основе использования комплекса программ «ФОКУС». Проведено тестирование методики расчета решения внешней задачи Дирихле с помощью метода граничных элементов на системах с аналитическими решениями, позволившее сделать вывод о достижимости практически любого заданного уровня точности (гарантирования точность вычисления потенциала составляет ~ 10-4-10-3 %). Разработан алгоритм и проведено моделирование магнитного поля совокупности соленоидов для управления направлением горения электрической дуги.

3. Разработан и протестирован алгоритм вычисления траекторий заряженных частиц в скрещенных электрическом и магнитном полях на основе метода Рунге-Кутта-Фельберга, в том числе с контролем точности вычислений, позволяющий улучшить на порядок погрешность расчетов при многократном увеличении скорости счета в режиме контроля точности по сравнению со стандартным методом Рунге-Кутта.

4. Проведено моделирование движения заряженных частиц в электромагнитных полях электродуговой печи постоянного тока, позволяющее исследовать траектории движения электронов между электродами при наличии в электродуговой печи фокусирующего электрического поля, стабилизирующего положение дугового разряда или при наложении на печь внешнего магнитного поля или полей трех локальных соленоидов, позволяющих управлять направлением горения дугового разряда.

5. Разработан метод и алгоритм моделирования движения электронов в электромагнитном поле электродуговой печи в условиях их столкновений с молекулами атмосферы, позволяющий исследовать механизмы и степени влияния внешних электрических и магнитных полей на пространственное расположение разряда.

6. Разработаны варианты построения автоматизированных систем электромагнитного управления направлением горения дугового разряда в электродуговой печи постоянного тока.

7. Спроектирована, изготовлена и протестирована система электромагнитного управления направлением горения дугового разряда в электродуговой печи постоянного тока на основе трех соленоидов, позволяющая увеличить число плавок в два раза за счет снижения температурного износа футеровочного корпуса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Корытчинков, Дмитрий Евгеньевич, 2011 год

1. Л.А. Волохонский. Вакуумные дуговые печи. М.: Энергоатомиздат, 1985. 232 с.

2. Г.Е. Зильберман. Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1970. 384 с.

3. Ю.А. Мельников. Постоянные магниты электровакуумных СВЧ приборов. М.: Советское радио, 1967. 184 с.

4. Г. Рейнбот. Магнитные материалы и их применение. Ленинград: Энергия, 1974. 384 с.

5. A.A. Преображенский. Теория магнетизма, магнитные материалы и элементы. М.: Высшая школа, 1972. 288 с.

6. A.A. Преображенский. Магнитные материалы. М.: Высшая школа, 1965.

7. Б.И. Аранович, Б.В. Шамрай. Электромагнитные устройства автоматики. Ленинград: Энергия, 1965.

8. E.H. Чечурина. Приборы для измерения магнитных величин. Ленинград: Энергия, 1969.

9. A.A. Неуструев, Г.Л. Ходорковский. Вакуумные гарнисажные печи. М.: Металлургия, 1967. 272 с.

10. Г.Н. Огорков. Применение дуговых вакуумных печей в сталеплавильном производстве. М.: Металлургиздат, 1962. 240 с.

11. Л.Е. Никольский. Промышленные установки электродугового нагрева и их параметры. М.: Энергия, 1971. 272 с.

12. И.Г. Кесаев. Катодные процессы электрической дуги. М.: Наука, 1968. 244 с.

13. А.Г. Блох. Основы теплообмена излучением. М.: Госэнергоиздат, 1962. 332 с.

14. Б.М. Яворский, A.A. Детлаф. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. М.: Наука, 1971. 940 с.

15. И.Н. Бронштейн, К.А. Семедяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука. 1981. 523 с.

16. H.H. Калиткин. Численные методы. М.: Наука, 1978. 512 с.

17. О. Зенкевич, К. Морган. Конечные элементы и аппроксимация. М.: Мир, 1986.318 с.

18. К. Бреббия, Ж. Телес, JI. Вроубель. Методы граничных элементов. М.: Мир, 1987. 524 с.

19. A.A. Трубицын. Вычисление сингулярных интегралов при решении задачи Дирихле методом граничных элементов // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 1995. Т.35, N 4. С.532-541.

20. Справочник по специальным функциям. Под ред. А.Абрамовица, И.Стиган. Пер. с англ. Под ред. В.А. Диткина, JI.H. Карамзиной. М.: Наука, 1979. 832 с.

21. Г. Корн и Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. — М.: Наука, 1974.

22. Дж. Форсайт, М. Малькольм, К. Моулер. Машинные методы математических вычислений. М.: Мир.- 1980,- 277 с.

23. Электрические промышленные печ: Дуговые печи и установки специального нагрева: Учебник для вузов / А.Д. Свенчанский, И.Т. Жердев, А.М. Кручинин и др. Под ред. А.Д. Свечанского.- 2-е изд., перераб. И доп. . М.: Энергоиздат, 1981.- 296 с.

24. Л.Ц. Кацевич. Расчет и конструирование электрических печей. М., JL: государственное энергетическое издательство, 1959.- 440 с.

25. М.Я. Смелянский, К. Д. Гуттерман. Рабочий процесс и расчет вакуумных дуговых печей. М.: Госэнергоиздат, 1962. 112 с.

26. Я. Грошковский. Технология высокого вакуума. М.: Издательство иностранной литературы, 1957. 539 с.

27. Т.А. Ворончев, В.Д. Соболев. Физические основы электровакуумной техники. М.: Высшая школа, 1967. 352 с.

28. Л.А. Волохонский. Теплофизические процессы и энергетический баланс при плавке в гарнисаже. М.: ВНИИЭМ, 1965. 56 с.

29. G.C; Кутателадзе, В.М. Боришанский. Справочник по теплопередаче. М.: Госэнергоиздат, 1959. 414 с.

30. JI.A. Медведовская. Исследование теплопроводности жидкого металла. М.: Электротермия, 1973. 125.

31. A.B. Лыков. Теплопроводность нестационарных процессов. М.: Госэнергоиздат, 1948. 140 с.

32. В.Л. Грановский. Электрический ток в газе. М.: Гостехиздат, 1952. 432с.

33. А. Гутри, Р. Уокерлинг. Вакуумное оборудование и вакуумная техника. М.: Издательство иностранной литературы, 1959. 278 с.

34. C.F. Федосин, A.C. Ким. Электронно-ионная модель шаровой молнии., -М.: Наука, 2001.-38 с.

35. Г.Ф. Заборонок, Т.И. Зеленцев, A.C. Ронжин, Б.Г. Соколов. Электронная плавка металла. М.: Металлургия, 1965. 291 с.

36. Г.А. Тягунов. Основы расчета вакуумных систем. М.: Госэнергоиздат, 1948, 148 с. \ :

37. А.Н. Милях, И.В. Волков. Системы неизменного тока на основе индуктивно-емкостных преобразователей. Киев: Наукова думка, 1974. 216 с.

38. Ю. А. Изаксон-Демидов. Автоматическое управление дуговыми вакуумными печами. М.: Информэлектро, 1966. 84 с.

39. Ю.П. Райзер. Физика газового разряда. Учеб. Руководство.- М.: Наука, 1987.- 592 с.

40. И. Мак-Даниель. Процессы столкновений в ионизованных газах. Пер. с англ.- М.: Мир, 1967.- 832 с.

41. Л.А. Медведовская, Л.А. Волохонский, В.Б. Гоголь. Исследование тепловых процессов при вакуумной дуговой гарнисажной плавке нерасходуемым электродом. М.: Электротермия, 1973.

42. ОАО «НПО Энергомаш им. академика А.П. Глушко», Научно-технический отчет. Расчетно-теоретическое рассмотрение работоспособности свода электродуговой сталеплавильной печи ДППТУ-20, 2009.

43. С.Б. Масленков, Е.А. Масленкова. Стали и сплавы для высоких температур. Справочник. Книга 1. М.: Металлургия, 1991.

44. Строительные нормы и правила (СНиП) 2.03.04-84. Бетонные и железобетонные конструкции, предназначенные для работы в условиях воздействия повышенных и высоких температур.

45. A.C. Коротеев, A.M. Костылев, В.В. Коба, М.А. Ломовцев, В.А. Куцевалов, В.З. Челонозов. Генераторы низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1969.

46. М.Ф. Жуков, В.Я. Смоляков, Б.А. Урюков. Электродуговые нагреватели газа (плазматроны). М.: Наука, 1973.

47. О.Б. Брон. Электрическая дуга в аппаратах управления. М.: Госэнергоиздат, 1954.

48. В.И. Алферов и др. Экспериментальное исследование характеристик электрического разряда между коаксиальными электродами в магнитном поле. // Теплофизика высоких температур, Том XI, №61973, Стр. 1142.

49. В.И. Гопонов. Электроника 4. Часть I. М.: Физматгиз, 1960.

50. ОАО «НПО Энергомаш им. академика А.П. Глушко», Научно-технический отчет. Предложения по улучшению КПД и улучшению технических характеристик электродуговой сталеплавильной печи ДППТУ-20, 2009.

51. Г. Бухгольц. Расчет электрических и магнитных полей. М.: Издательство иностранной литературы, 1961.

52. Г.И. Щербаков. Коаксиальные дуговые нагреватели газа с жесткой стабилизацией разряда. М.: Машиностроение, 1999.

53. Корытчинков Д.Е., Трубицын A.A., Дягилев A.A. Численное моделирование магнитного поля соленоида. // Вестник РГРТУ. №3 (выпуск 25). Рязань, 2008.

54. Корытчинков Д.Е., Трубицын A.A., Жулева С.Ю. Алгоритм моделирования магнитного поля совокупности произвольно ориентированных соленоидов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. №3,.вып.60, 2008.

55. D.V. Kiryushin, D.E. Korytchinkov, D.V. Suvorov, A.A. Trubitsyn, V.N. Shurikoy. Numerical Model of Motion of Electron in Gas // Eurasian Physical Technical Journal. Vol. 7, № 2(14), 2010