Розробка методу дослідження і аналіз процесів гідродинаміки та теплообміну в сталеплавильній ванні при електромагнітному впливі на розплав

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК 669.18:519.6

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РОЗРОБКА МЕТОДУ ДОСЛІДЖЕННЯ І АНАЛІЗ ПРОЦЕСІВ ГІДРОДИНАМІКИ ТА ТЕПЛООБМІНУ В СТАЛЕПЛАВИЛЬНІЙ ВАННІ ПРИ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОМУ ВПЛИВІ НА РОЗПЛАВ

05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

ДРЕУС АНДРІЙ ЮЛІЙОВИЧ

Дніпропетровськ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Дніпропетровському національному університеті Міністерства освіти і науки України, м Дніпропетровськ.

Науковий керівник:

Рядно Олександр Андрійович, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри вищої математики і комп'ютерних технологій, проректор з наукової роботи, Дніпропетровський державний фінансово-економічний інститут.

Офіційні опоненти:

Недопьокін Федір Вікторович, доктор технічних наук, професор кафедри фізики нерівноважних процесів, метрології та екології, Донецький національний університет;

Самохвалов Сергій Євгенович, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри прикладної математики та комп'ютерного моделювання, Дніпродзержинський державний технічний університет.

Провідна установа: Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України, м. Київ.

Захист відбудеться "22" жовтня 2002 р. о 12-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна 4.

Автореферат розіслано "19" вересня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Керування технологічними процесами теплопереносу за допомогою зовнішніх впливів є однією із важливих задач технічної теплофізики. В теперішній час розробляються методи електромагнітного впливу на розплав у сталеплавильній ванні під час її продувки, прикладом можуть служити роботи, що проводяться в Інституті чорної металургії НАН України (Поляков В.Ф., Сємикін С.І.). Як свідчать результати промислових досліджень, даний вплив сприяє підвищенню ефективності ряду технологічних показників плавки (поліпшення здатності до рафінування, підвищення тепловмісту рідкометалевої ванни, зменшення пилоутворення та ін.). У той же час, природа і механізми одержаних ефектів на сьогоднішній день залишаються до кінця не з'ясованими. Експериментальні дослідження такого роду високотемпературних процесів пов'язані зі значними технічними труднощами і матеріальними витратами. У цьому випадку ефективним інструментом дослідження є застосування методів математичного моделювання з проведенням обчислювальних експериментів на ЕОМ.

Створенню математичних моделей у металургійних технологіях і розробці методів їхнього розрахунку присвячена досить велика кількість робіт вітчизняних і зарубіжних авторів. Однак дослідження впливу електричних і магнітних полів на гідродинаміку і теплообмін в електропровідних середовищах присвячені, в основному, задачам спеціальної електрометалургії і магнітогідродинамічному перемішуванню розплавів. Існуючі математичні моделі киснево-конвертерного процесу не враховують спільного впливу на розплав струменя термодинамічно активного газу і електромагнітних ефектів, зв'язаних з пропущенням електричного струму крізь розплав чи накладенням зовнішніх полів.

Пошук шляхів удосконалення існуючих і створення нових сталеплавильних технологій обумовлює необхідність проведення досліджень взаємопов'язаних теплових, гідродинамічних і електромагнітних полів у ваннах металургійних агрегатів для науково обґрунтованого вибору оптимальних параметрів і режимів зовнішніх впливів. Таким чином, формулювання нових фізично адекватних математичних моделей, розробка ефективних алгоритмів розрахунку конвективного теплообміну, а також проведення обчислювальних експериментів у широкому діапазоні зміни параметрів мають важливе теоретичне і практичне значення для теплотехнологічних процесів металургійного виробництва.

Зв'язок роботи з науковими програмами і планами. Дисертація виконана відповідно до планів Міністерства освіти і науки України і НДР Дніпропетровського національного університету, тема д/б 04-195-00 (№ д.р. 0100U005230), де автор був одним з виконавців.

Мета роботи. Метою дисертаційної роботи є розробка математичної моделі і чисельних методик розрахунку процесів конвективного теплообміну в рідкометалевій ванні з урахуванням взаємодії гідродинамічних, теплових і електромагнітних полів; аналіз шляхом математичного моделювання електромагнітного впливу на процеси конвективного теплообміну в розплаві, що знаходиться в сталеплавильній ванні, і визначення режимів такого впливу, що сприяють інтенсифікації даних процесів.

Об'єкт досліджень - процеси гідродинаміки і теплообміну в сталеплавильній ванні.

Предмет досліджень - теплові, гідродинамічні і електромагнітні поля у ванні.

Методи досліджень. Робота заснована на використанні сучасних чисельних методів і методів математичного моделювання.

Для досягнення мети в роботі вирішені наступні задачі:

розроблено математичну модель і алгоритми розрахунку процесів гідродинаміки і теплообміну в розплаві з урахуванням електромагнітного впливу;

проведено адаптацію розробленої методики для розрахунку течій розплаву у ваннах металургійних агрегатів, показані її адекватність і достовірність результатів;

виконано параметричне дослідження впливу електромагнітних сил на процес виплавки сталі в кисневому конвертері.

Наукова новизна роботи.

1. Побудовано нову математичну модель процесів гідродинаміки і теплообміну у ванні кисневого конвертера, яка на відміну від відомих моделей враховує спільний вплив на розплав електромагнітних сил і струменя термодинамічно активного газу, що дозволило показати можливість використання електричного струму для керування даними процесами.

2. Розроблено метод розрахунку, що дозволяє проводити вивчення турбулентних процесів електромагнітної гідродинаміки і теплообміну в рідкометалевій ванні під час її продувки.

3. Вперше чисельно досліджено процес продувки конвертерної ванни в умовах зовнішнього електричного впливу. Визначено закономірності змін структури течії розплаву для різних параметрів електричного впливу і її вплив на тепловий стан ванни з рідким металом. Встановлено, що при використанні відповідної конструктивної схеми донного електрода пропущення електричного струму крізь розплав під час продувки дозволяє інтенсифікувати процеси перемішування, що сприяє підвищенню температури рідкої ванни і збільшенню коефіцієнтів масопереносу.

Достовірність результатів забезпечується коректністю математичної постановки задачі і фізичних допущень, а також всебічним тестуванням чисельних алгоритмів і порівняльним аналізом з теоретичними і експериментальними результатами інших авторів.

Практичне значення отриманих результатів складається в розробці обчислювальної моделі і її комп'ютерної реалізації, що дає можливість чисельного моделювання високотемпературних процесів з метою раціоналізації технологічних параметрів.

Розроблені методики розрахунку були використані для досліджень різних схем електромагнітного впливу на розплав у ваннах промислових конвертерів (60-тонний конвертер заводу ім. Петровського, 250-тонний конвертер ДМК ім. Дзержинського). Отримані результати дозволили уточнити режими впливу, що сприяють інтенсифікації процесів перемішування.

Результати роботи і програми, що реалізують метод розрахунку, передані Інституту чорної металургії НАН України для використання при проведенні комплексу робіт з підвищення ефективності конвертерної плавки в сталеплавильних цехах металургійних підприємств.

Розроблені алгоритми використовуються в навчальному процесі Дніпропетровського національного університету при підготовці фахівців з спеціальностей "теплофізика" і "гідроаеродинаміка", при читанні лекцій і проведенні лабораторних робіт з спецкурсів "Моделювання теплофізичних процесів на ЕОМ", "Методи розрахунку теплообміну", "Енергозберігаючі технології".

Документи, що підтверджують практичне використання результатів дисертації, приведені в додатках.

Особистий внесок автора. Розроблені математична модель, алгоритми розрахунку, результати чисельних досліджень і висновки, що представлені в дисертації, виконані особисто автором. У роботах написаних у співавторстві внесок автора полягає в спільному формулюванні науково-технічної проблеми, постановках задачі і обговоренні результатів; побудова математичних моделей і всі розрахунки виконані автором самостійно.

Апробація. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися й одержали позитивну оцінку на: VI конференції вчених Білорусії, України і Росії "Прикладные проблемы механики жидкости и газа" (Севастополь, 1997), міждержавних конференціях "Комп`ютерне моделювання" (Дніпродзержинськ, 1997-2001), міжнародної конференції "Производство стали в XXI веке. Прогноз, процессы, технологии, экология" (Київ - Дніпродзержинськ, 2000), міжнародної конференції "Математическое моделирование" (Херсон, 2000), усеукраїнської конференції "Математичні проблеми технічної механіки" (Дніпродзержинськ, 2001), підсумкових наукових конференціях ДДУ (1996-2000).

У повному обсязі дисертація доповідалася на: розширеному науковому семінарі кафедри прикладної газової динаміки і тепломасообміну ДНУ (Дніпропетровськ, 2002), об'єднаному семінарі кафедри теплотехніки і екології металургійних печей і кафедри промислової теплоенергетики Національної металургійної академії України (Дніпропетровськ, 2002).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 13 друкованих праць, з яких 7 статей у спеціалізованих наукових виданнях, що увійшли до списку фахових видань ВАК України, 1 стаття в матеріалах міжнародної конференції і 5 тез доповідей у збірках тез доповідей наукових конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури і додатків. Загальний обсяг роботи складає 140 стор., включає 4 таблиці, 42 малюнка, 2 додатка, список використаної літератури містить 120 найменування і займає 14 стор.

Робота виконана на кафедрі прикладної газової динаміки і тепломасообміну ДНУ.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Обґрунтовується актуальність тематики досліджень, визначаються мета роботи, задачі досліджень, показані наукова новизна і практичне значення отриманих результатів.

1. Аналітичний огляд стану питання. Розглянуто стан питання по вивченню електромагнітного впливу на теплофізичні процеси в рідких розплавах. Окрема увага приділена дослідженням магнітогідродинамічних ефектів у електропровідних середовищах при пропущенні крізь них електричного струму. Проведено історичний огляд робіт з математичного опису проблеми і досліджень сучасних технологічних процесів, у яких використовується вплив електричного струму на електропровідну рідину.

Виконано огляд робіт з математичного моделювання процесів перемішування рідких розплавів у металургійному виробництві.

Показано нове коло задач у цій області, пов'язаних з підвищенням ефективності конвертерного способу виробництва стали шляхом впливу на розплав електричних і магнітних полів, що становлять практичний інтерес і потребують свого розв'язку, у тому числі і методами математичного моделювання.

2. Математична модель процесів гідродинаміки і теплообміну в розплаві при впливі електричного струму. В другому розділі дисертації сформульовані фізичні основи задачі про продувку сталеплавильної ванни при впливі на неї електричного струму, і побудована розрахункова модель гідродинаміки і теплообміну. Приймається, що основним механізмом впливу на процеси гідродинаміки і теплообміну є електромагнітна сила, що виникає при взаємодії просторово неоднорідного електричного струму, якій підводиться до сталеплавильної ванни, з власним магнітним полем. Технологічна схема такого впливу показана на рис. 1.

Розглядається сталеплавильна ванна циліндричної форми радіусом R_w, яка заповнена металевим розплавом висотою H. У деякий момент часу t=0 починається продувка ванни з рідким металом струменем газу, якій вдувається згори через продувний модуль (фурму). Газ, що вдувається у ванну, утворює на поверхні металу лунку (реакційну зону) і, розповсюджуюсь по її поверхні, втягує розплав у супутний рух. Кисень, який входить до складу газу, окислює домішки, що лежить в основі процесів рафінування. Електромагнітний вплив на ванну здійснюється шляхом накладення різниці електричних потенціалів між продувним модулем і донним контактним електродом радіуса R_e (корпусом ванни).

Рис. 1. Схема продувки розплаву з накладенням електричного впливу: 1 - трифазний рубильник автомат; 2 - трансформатор струму; 3 - виводи до системи дистанційного керування з пульта конвертера; 4 - тиристорний випрямляч струму, за мостовою схемою; 5 - корпус ванни конвертера; 6 - донний контактний електрод; 7 - продувний модуль; 8 - розплав.

При цьому крізь металевий розплав проходить електричний струм, що формує навколо себе електричне і магнітне поля. Фізичною основою для розв'язку даної задачі є положення про те, що лунка, яка утворюється під впливом струменя газу, що вдувається, заповнена електропровідним суцільним середовищем.

У силу розташування осей електродів і продувного модуля по осі симетрії ванни в якості розрахункової області використовується половина її осьового переріза. Математична модель процесів гідродинаміки і теплообміну в розплаві побудована на основі рівнянь магнітної гідродинаміки і теплообміну. Згідно відомим літературним даним, вплив руху розплаву на розподіл електромагнітного поля незначний, що дозволяє електродинамічну частину задачі розв'язати в стаціонарній постановці до початку інтегрування системи рівнянь руху і теплообміну за часом. Рівняння для розрахунку напруженості магнітного поля струму отримано із системи рівнянь електродинаміки і має вигляд:

. (1)

h=H/H₀ безрозмірна напруженість магнітного поля струму,

r=R/R_W, z=Z/R_W, H₀=,

I - сила електричного струму, якій підводиться до ванни. Граничні умови для (1) задаються на основі закону повного струму в залежності від конкретної конструктивної схеми електродів.

Для уніфікації розробки алгоритмів розрахунку конвективного теплообміну використане узагальнене диференціальне рівняння нестаціонарного конвективно-дифузійного переносу, що у безрозмірному вигляді записується:

. (2)

Тоді для Ф1 одержуємо рівняння нерозривності:

₁= ₁=0. (3)

Для Фu рівняння переносу кількості руху в осьовому напрямку:

. (4)

Для Фv рівняння переносу кількості руху в радіальному напрямку:

. (5)

Для Ф рівняння теплопереносу:

. (6)

У рівняннях (2)-(5)

=t/R_w, u=V_z/U; v=V_r/U,

U - характерна швидкість течії розплаву,

=(T-T₀)/(T_{р.з. -}T₀),

Gr=gR_w(T-T₀)/_eff²,

S^*=₀I^2/42_eff²,

Re_eff=UR_W/_eff,

Pe_eff=UR_Wc/_eff,

Q_j=I²/(4²R²_WcU(T_{р.з. -}T₀)),

_eff=+_t - ефективна, молекулярна і турбулентна в'язкості,

_eff=+_t - ефективна молекулярна і турбулентна теплопровідності,

S=S^*/Re_eff²,

n_eff=+_t - ефективна, молекулярна і турбулентна в'язкості,

_eff=+_t ефективна молекулярна і турбулентна теплопровідності,

t - час, p -тиск, g - прискорення вільного падіння, Т температура, Т ₀ початкова температура розплаву, Т_р._з. температура реакційної зони, густина, с теплоємність.

Дана система доповнюється відповідними крайовими (початковими і граничними) умовами. Тепловий і механічний вплив струменя газу, що вдувається, враховується шляхом завдання відповідних крайових умов (теплового потоку і дотичної швидкості) на поверхні лунки.

Вважається, що: u=v==0, при =0. На дні і бічній поверхні ванни задаються умови прилипання і відводу теплоти.

Барботаж ванни і турбулентність враховуються шляхом уведення відповідних ефективних коефіцієнтів переносу на основі співвідношення Прандтля. Виконано аналіз відомих експериментальних і розрахункових досліджень і встановлений діапазон ефективних чисел Re_eff, для розглянутого процесу. електричний сталеплавильна теплообмін гідродинаміка

3. Обчислювальні алгоритми і аналіз ефективності розробленого методу і достовірності результатів. Третій розділ дисертації присвячений розробці чисельних методик і їхньої апробації для розрахунку циркуляційних течій розплаву у ваннах металургійних агрегатів. Враховуючи, що сформульована в другому розділі дисертації математична модель використовує природні змінні "швидкість - тиск", для розрахунку процесів гідродинаміки запропоновано наступний ітераційний алгоритм, заснований на модифікації схеми розщеплення за фізичними чинниками.

Перехід від шару tⁿ до шару tⁿ⁺¹ визначається через послідовний ряд функцій:

,

що наближають невідому швидкість. На кожній ітерації реалізується наступна неявна схема:

, (7)

, (8)

, (9)

. (10)

Умовою закінчення ітераційної процедури є умова задоволення отриманого поля швидкостей рівнянню нерозривності з заданою точністю по всій області. Значення ітераційного параметра залежить від характеристик розрахункової сітки і визначальних параметрів конкретної задачі.

Для чисельного розв'язку узагальненого диференціального рівняння переносу (2) після його розщеплення за координатними напрямами побудовані трьохточкові чисельні схеми з використанням центрально-різницевої апроксимації (11), апроксимації "проти потоку" (12) і числено-аналітичної апроксимації на основі методу прямих (13):

, (11)

, (12)

, (13)

k₁=0.5(u_i+1,j+u_i,j), k₂=0.5(u_i,j+u_i-1,j),

r,z,t - кроки просторово-часової сітки, W_i,j - елементарний контрольний об'єм, DET, _i,j, _i,j - параметри методу прямих, що включають сіткові і фізичні характеристики.

Для апробації розроблених математичної моделі, алгоритму і чисельних схем вони були використані для розв'язку ряду відомих задач. Результати розрахунків були зіставлені з експериментальними, аналітичними і розрахунковими даними інших авторів. Як порівняльні тести були обрані наступні.

Задачі теплопровідності і про розмив температурного фронту при граничних умовах І роду, що мають аналітичні розв'язки. Експериментальні і розрахункові дані про циркуляційний турбулентний потік розплаву в циліндричній ванні, що були отримані Шеклі та ін. Задача про вісьосиметричну МГД - течію, що виникає при розтіканні неоднорідного електричного струму в шарі електропровідної рідини нескінченного радіуса, яка має аналітичний розв'язок. Задача про МГД - перемішування рідкого металу в циліндричній ємності скінчених розмірів, що була чисельно і експериментально досліджена Сандлером.

Результати розрахунків з використанням запропоновані моделі і алгоритму і відомі дані показали добре узгодження. При цьому використання чисельно-аналітичної схеми дозволило трохи зменшити чисельну погрішність у порівнянні з двома іншими схемами при збереженні стійкості розрахунку для розглянутого діапазону ефективних коефіцієнтів переносу.

4. Дослідження конвективного теплообміну в конвертерній ванні при впливі електричного струму. У четвертому розділі дисертації представлені результати дослідження з використанням розробленого методу розрахунку конкретної технічної задачі про вплив електромагнітних сил на процеси гідродинаміки і теплообміну в 60-тонній конвертерній ванні. Розглянуто дві конструктивні схеми розташування донних контактних електродів, що мають практичне значення (рис. 2). Схема 1 з донним електродом малого радіуса і схема 2 з донним електродом радіусом рівним радіусу дна ванни.

Результати розрахунку електромагнітних полів у вигляді картини розтікання електричного струму по осьовому перерізу ванни представлені на рис. 3. Як видно з рис. 3. схема 1 дозволяє створити велику неоднорідність електричного струму по об'єму ванни. Очевидно, що найбільш відчутний вплив електромагнітних сил буде в околі електродів.

Рис. 3. Лінії rh=const по осьовому перерізу ванни для схеми 1 і схеми 2.

Результати розрахунку гідродинаміки та теплообміну у вигляді картини безрозмірних ліній струму і ізотерм по половині осьового перерізу ванни представлені на рис. 4 (без електромагнітного впливу) і рис. 5

Рис. 4. Лінії струму й ізотерми у ванні без електромагнітного впливу: а) лінії струму в розрахунковій області для схеми 1 і схеми 2 при S=0.04; б) ізотерми =const у розрахунковій області для схеми 1 і схеми 2 при S=0.04.

При цьому значення параметра, який визначає силу електромагнітного впливу,

S=₀I²/(4²R_W²U²)=0.04 (відповідає 1,3 КА для 60-т ванни). Додаткові витрати електричної енергії при цьому складають 0,4-0,65 КВт/т.

Результати виконаних досліджень показують, що використання електричного струму дозволяє впливати на гідродинамічний і тепловий стан рідкометалевої ванни, при цьому характер змін залежить від використовуваної конструктивної схеми розташування донного електрода. Як показують одержані дані, схема 1 дозволяє інтенсифікувати процеси перемішування розплаву. Область, що охоплена інтенсивною течією, збільшується на 10-20 %, що створює умови для зменшення хімічної неоднорідності розплаву і поліпшення тепло- і масообмінних процесів у радіальному напрямку. Спостерігається вирівнювання поля температур по висоті розплаву поблизу реакційної зони, що згідно до існуючих представлень про пилоутворення, сприяє його зменшенню.

На рисунку 6 представлені профілі безрозмірної швидкості по висоті ванни поблизу реакційної зони.

Збільшення швидкості руху розплаву, що спостерігається в схемі 1, відповідно до теорії кінетики і термодинаміки сталеплавильних процесів дозволяє підвищити коефіцієнти масопереносу.

Використання схеми 2 не дозволяє збільшити інтенсивність перемішування у ванні, в зв'язку з чим для практичного використання рекомендується схема 1.

Залежності зміни коефіцієнтів масопереносу (d) і підвищення середньої температури ванни (dT) від сили електричного струму що, пропускається (для схеми 1), представлені на рис. 7.

Рис. 7. Підвищення коефіцієнтів масопереносу (а) і середньої температури розплаву (б) при впливі електричного струму, схема 1.

Зокрема, експериментальні дослідження, що проведені фахівцями ІЧМ НАН України з використанням схеми 1, показали, що для розглянутого діапазону змін електричного струму такий вплив сприяє збільшенню ступеня десульфації металу на 6 16 %, підвищенню температури металу на 7 25 ⁰С (0,7 2,5 %), підвищенню ступеня дефосфорації металу з 59,1 до 65,5 %.

ВИСНОВКИ

Основні результати дисертаційної роботи полягають у наступному.

1. Розроблено математичну модель турбулентних процесів гідродинаміки і теплообміну в сталеплавильній ванні, у якій вперше враховується одночасний вплив на розплав струменя вдування зверху термодинамічно активного газу і електричного струму, що підводиться до ванни за допомогою накладення різниці електричних потенціалів між продувним модулем і донним контактним електродом.

2. Запропоновані алгоритми розрахунку електромагнітних, гідродинамічних і теплових полів у рідкому розплаві, засновані на модифікації схеми розщеплення за фізичними чинниками і економічних неявних чисельних схемах. Досліджено можливість застосування розроблених математичної моделі і обчислювальних алгоритмів для розрахунку швидкісних і теплових характеристик циркуляційних течій розплавів; на основі порівняння результатів розрахунку з відомими теоретичними і експериментальними даними доведена адекватність моделі і методу.

3. Виконано чисельний аналіз конвертерної плавки при впливі на 60-т сталеплавильну ванну електричного струму в діапазоні 800-1300 А для двох конструктивних схем донних електродів великого і малого радіусів, що використовують в практичних розробках. Додаткові витрати енергії складають 0,4-0,65 КВт/т (менше 10 % від затрачуваної енергії на перемішування ванни за допомогою тільки струменя газу, що вдувається), при цьому використання електромагнітного поля струму дозволяє впливати на інтенсивність процесів гідродинаміки. Для практичного використання рекомендована конструктивна схема з донним електродом малого радіуса, що дозволяє збільшити інтенсивність перемішування розплаву в залежності від сили електричного струму, що пропускається, у 1.1-1.3 рази. При використанні конструктивної схеми з донним контактним електродом малого радіуса вдається збільшити область, охоплену циркуляційним потоком, на 10-20 % у порівнянні з випадком без впливу електромагнітних сил, що сприяє зменшенню хімічної неоднорідності розплаву. Для цієї ж схеми отримано збільшення модуля швидкості розплаву поблизу реакційної зони, що дозволяє підвищити коефіцієнти масопереносу в 1.05-1.17 рази і створює сприятливі умови для підвищення інтенсивності процесів, що рафінують метал. За рахунок інтенсифікації конвективного теплообміну вдається підвищити середню температуру розплаву на 1.5-3 % і вирівняти поле температур поблизу реакційної зони по висоті ванни.

4. Результати дисертаційної роботи прийняті Інститутом чорної металургії НАН України для використання при розробці методів електромагнітного впливу на розплав у сталеплавильних цехах металургійних комбінатів з метою підвищення ефективності конвертерної плавки. Запропоновані математична модель і метод розрахунку можуть бути використані в науково-дослідних установах і на виробництві для дослідження гідродинамічних і теплових процесів у ваннах металургійних агрегатів з метою визначення раціональних технологічних параметрів.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ РОБІТ

1. Дреус А.Ю. Построение математической модели конвективного теплообмена в расплаве при внешнем электромагнитном воздействии // Вісник дніпропетровського університету. Механіка. - 1998. - Вип.1. - Т.1. - С. 88-92.

2. Дреус А.Ю., Рядно А.А. Расчет теплообмена в конвертере при электромагнитном воздействии // Техническая механика. - 1999. - №1. - С. 47-51.

3. Дреус А.Ю. Метод расчета электропроводной жидкости в замкнутом объеме при электрическом воздействии // Вісник дніпропетровського університету. Механіка. - 1999. - Вип.1. - Т.1. - С. 105-109.

4. Дреус А.Ю., Поляков В.Ф., Семыкин С.И., Потапов А.В. Численное исследование влияния электрического воздействия на теплообмен в сталеплавильной ванне // Металлургическая теплотехника (Энергетика. Металлургия) - 1999. - Т.1. - С. 158-159.

5. Дреус А.Ю. Моделирование гидродинамики жидкости при воздействии электрического тока и вдуваемой струи газа // Техническая механика. - 1999. - №2. -С. 35-39.

6. Шмукин А.А., Дреус А.Ю. К построению численно-аналитических решений методом прямых для задач механики вязкой несжимаемой жидкости // Вестник херсонского государственного технического университета. - 2000. - №2 (8) - С. 235-240.

7. Дреус А.Ю., Поляков В.Ф., Семыкин С.И., Рядно А.А. Исследование влияния электрического тока на процессы гидродинамики в сталеплавильной ванне // Вісник дніпропетровського університету. Механіка. - 2001. - Вип.5. - Т.1. - С. - 9196.

8. Дреус А.Ю., Поляков В.Ф., Семыкин С. И., Потапов А.В. Численное исследование теплообмена в конвертерной ванне при воздействии электрической энергии // Материалы международной научно-технической конференции "Производство стали в XXI веке. Прогноз, процессы, технология, экология", Киев - Днепродзержинск. 2000. - С. 125-127.

9. Дреус А.Ю., Рядно А.А. О математическом моделировании гидродинамики и тепловых процессов в конвертере при внешнем электромагнитном воздействии. // Материалы VI научно-технической конференции ученых Украины, Белоруссии и России "Прикладные проблемы механики жидкости и газа", Севастополь. 1997. С. 8-9.

10. Дреус А.Ю., Рядно А.А., Поляков В.Ф., Потапов А.В. К вопросу математического моделирования гидродинамических и тепловых процессов в жидких расплавах с учетом наложения электромагнитных полей // Тез. допов. міждерж. конф. "Комп`ютерне моделювання". - Дніпродзержинськ. 1997. - С. 19.

11. Дреус А.Ю. Моделирование гидродинамики расплава при совместном воздействии электрического тока и струи газа // Тез. допов. міждерж. конф. "Комп`ютерне моделювання". - Дніпродзержинськ. 1999. - С. 57.

12. Дреус А.Ю. Математическое моделирование конвективного теплообмена в расплаве с учетом внешних воздействий // Тез. допов. міждерж. конф. "Комп`ютерне моделювання". - Дніпродзержинськ. 2001. - С. 76.

13. Дреус А.Ю., Рядно А.А. Численное моделирование теплового состояния расплава при электрическом воздействии // Тез. допов. всеукр. наук. конф. "Математичні проблеми технічної механіки". - Дніпродзержинськ. 2001. - С. 44.

АННОТАЦИЯ

Дреус А.Ю. Разработка метода исследования и анализ процессов гидродинамики и теплообмена в сталеплавильной ванне при электромагнитном воздействии на расплав. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06. - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2002.

Диссертация посвящена теоретическим исследованиям влияния электромагнитных сил на гидродинамику и теплообмен в сталеплавильной ванне при воздействии электрического тока.

В работе разработана математическая модель процессов конвективного теплообмена в расплаве, которая учитывает воздействие на него струи вдуваемого сверху газа и МГД - эффектов, связанных с пропусканием сквозь ванну электрического тока. Предложен алгоритм расчета гидродинамики, с учетом специфики задачи, который базируется на модификации схемы расщепления по физическим факторам. Для вычислительной реализации математической модели разработана неявная трехточечная численная схема на основе метода прямых.

Путем сравнения с существующими экспериментальными и теоретическими данными доказана адекватность построенной математической модели гидродинамических и теплообменных процессов в сталеплавильной ванне при воздействии азимутального электромагнитного поля.

На основе построенной математической модели выполнены численные исследования продувки ванны промышленного конвертора с учетом пропускания электрического тока. Рассмотрено две конструктивные схемы донного электрода большого и малого радиусов.

В результате исследований определены закономерности влияния электрического тока и конструктивной схемы донного электрода на движение расплава в сталеплавильной ванне. Показано, что использование конструктивной схемы с электродом малого радиуса способствует уменьшению застойных зон, повышению скорости течения вблизи реакционной зоны и более интенсивному перемешиванию расплава в этой области.

Результаты работы использованы в разработках новых ресурсо- и энергосберегающих технологий производства стали с использованием электромагнитного воздействия на конвертерную ванну, которые проводятся Институтом черной металлургии НАН Украины (Днепропетровск).

Ключевые слова: математическое моделирование, конвертерная плавка, гидродинамика и теплообмен, электромагнитные силы.

АНОТАЦІЯ

Дреус А.Ю. Розробка методу дослідження і аналіз процесів гідродинаміки та теплообміну в сталеплавильній ванні при електромагнітному впливі на розплав. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06. - технічна теплофізика і промислова теплоенергетика. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2002.

Дисертація присвячена теоретичним дослідженням впливу електромагнітних сил на гідродинаміку і теплообмін у сталеплавильній ванні при впливі електричного струму.

У роботі розроблено математичну модель процесів конвективного теплообміну в розплаві, що враховує вплив на нього струменя газу і МГД-ефектів, пов'язаних із пропущенням крізь ванну електричного струму, запропоновані алгоритм і чисельна схема розрахунку процесів гідродинаміки і теплообміну. На основі побудованої математичної моделі виконані чисельні дослідження продувки ванни промислового конвертора. У результаті досліджень визначені закономірності впливу електричного струму і конструктивної схеми донного електрода на рух розплаву в сталеплавильній ванні. Показано, що використання конструктивної схеми з електродом малого радіуса сприяє зменшенню застійних зон, підвищенню швидкості течії поблизу реакційної зони і більш інтенсивному перемішуванню розплаву в цій області.

Ключові слова: математичне моделювання, конвертерна плавка, гідродинаміка і теплообмін, електромагнітні сили.

ANNOTATION

Dreus A.J. The development of a research method and analysis of hydrodynamic and heat-transfer processes in the steel-melting bath under exposure to its electromagnetic field. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree of technical sciences on specialty 05.14.06 - engineering thermal physics and industrial heat power engineering. - National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2002.

The dissertation is devoted to theoretical research of electromagnetic forces influence on hydrodynamic and heattransfer in a meltmetal bath during its electric current act.

The paper deals with a problem of developing a process model for convective heat transfer in a melted mass, taking account of impact of a gas jet and MHD-effects connected with passing the electric current through the melting bath. The author offers an algorithm and numerical scheme for calculation of hydrodynamic and heat transfer process. Based on the mathematical model constructed, numerical investigations of the flow of converter bath are performed. As a result, there are determinate the regularities of the impact exerted by electric current and the bottom electrode structural scheme on the motion melted mass in the melting bath. It is shown that application of the structural scheme using a small-radius electrode facilitates the reduction of stagnant zones, increases the flow near the reaction zone and intensifies the mixing of the melted mass in this region.

Key words: mathematical modeling, converter melting, hydrodynamics and heat transfer, electromagnetic forces.

Размещено на Allbest.ru