Моделювання нагрівання металевого розплаву у відбивній печі при електромагнітному перемішуванні

Abstract

Виконано мультифізичне числове тривимірне моделювання та дослідження нестаціонарного нагрівання розплаву в ванні відбивної печі при його електромагнітному перемішуванні за допомогою комбінованого індуктора, який спроможний при багатофазному чи однофазному живленні окремо створювати відповідно біжуче або пульсуюче магнітні поля. Електромагнітні, гідродинамічні та теплові процеси розглядалися як слабкозв'язані, що дозволило розв'язувати такі задачі послідовно. Електромагнітна задача розраховувалася відносно векторного магнітного та скалярного електричного потенціалів, в результаті чого отримано розподіл об’ємних електромагнітних сил, які зумовлюють рух рідкого металу. Розрахунок нестаціонарного руху рідкого металу в ванні печі здійснювався шляхом розв'язання нелінійних рівнянь Нав'є-Стокса з використанням k-ε моделі турбулентності. Розподіл температури металу у ванні печі в процесі його нагрівання знаходився з врахуванням поля швидкостей, що були отримані при визначенні руху рідкого металу. Аналіз отриманих таким чином даних показав, що суттєво зменшити перегрівання металу на поверхні можна шляхом розміщення комбінованого перемішувача нижче його симетричного положення по висоті металу та використання почергової дії біжучого і пульсуючого магнітних полів з періодом перемикання, який приблизно дорівнює тривалості перехідного гідродинамічного процесу.

Выполнено мультифизическое численное трехмерное моделирование и исследование нестационарного нагрева расплава в ванне отражательной печи при его электромагнитном перемешивании с помощью комбинированного индуктора, который способен при многофазном или однофазном питании отдельно создавать соответственно бегущее или пульсирующее магнитные поля. Электромагнитные, гидродинамические и тепловые процессы рассматривались как слабосвязанные, что позволило решать такие задачи последовательно. Электромагнитная задача рассчитывалась относительно векторного магнитного и скалярного электрического потенциалов, в результате чего получено распределение объемных электромагнитных сил, которые вызывают движение жидкого металла. Расчет нестационарного движения жидкого металла в ванне печи осуществлялся путем решения нелинейных уравнений Навье-Стокса с использованием k-ε модели турбулентности. Распределение температуры металла в ванне печи в процессе его нагрева находилосья с учетом поля скоростей, полученного при определении движения жидкого металла. Анализ полученных таким образом данных показал, что существенно уменьшить перегрев металла на поверхности можно путем размещения комбинированного перемешивателя ниже его симметричного положения по высоте металла и использования поочередного действия бегущего и пульсирующего магнитных полей с периодом переключения, который примерно равен длительности переходного гидродинамического процесса.

The multiphysical numerical threedimentional modelling and research of time dependent heating of the melt in the reverberatory furnace during it electromagnetic stirring by means of combined inductor, which is capable separately to create travelling or pulsating magnetic fields with multiphase or single phase power supply respectively has been done. Electromagnetic, hydrodynamic and heat processes were considered as weakly bound, that allowed to solve appropriate problems consistently. Electromagnetic problem was calculated relative to the magnetic vector and electric scalar potentials, resulting in distribution volume received electromagnetic forces that cause movement of liquid metal. Calculation of nonstationary motion of liquid metal in the furnace bath was carried out by solving nonlinear Navier-Stokes equations using k-ε turbulence model. Temperature distribution of metal in the furnace bath during its heating was found considering the velocity field which were obtained by determining the movement of liquid metal. Analysis of the obtained data showed that significantly reduce overheating on metal surfaces can be achieved by shifting down a combined stirrer relatively symmetrical position on height and using alternate action of and pulsating magnetic fields with switching period, which is approximately equal to the duration of the transition hydrodynamic process.