Теория и практические методы плавки в холодном тигле

Оглавление 

Введение 3

1. Теоретическая глава 7

1.1 Индукционная плавка в холодном тигле (ИПХТ) 7

1.1.1 Преимущества индукционной плавки 8

1.2 Коммерческий пакет программ ANSYS 11

1.2.1 Описание пакета «ANSYS» 11

1.2.2 Задание свойств материалов (среды) 12

1.2.3 Задание свойств жидкостей при решении задач гидродинамики 12

1.2.4 Создание геометрической модели 13

2. Практическая глава 15

2.1 Постановка задачи 15

2.2 Опыт проведенный на кафедре ЭТПТ 18

2.2.1 Температурные измерения 18

2.2.2 Результаты эксперимента 21

2.3 Создание модели 27

2.4 Верификация модели 30

Заключение 36

Список литературы 37 
 
 

 

Введение 

     Практические  задачи, возникшие в связи с  развитием ряда областей науки и техники (таких как квантовая радиотехника, полупроводниковая электроника, ядерная физика и др.) потребовали производства новых материалов, отличающихся высокой химической активностью в расплавленном состоянии. Среди высокотемпературных материалов оксиды занимают особое место вследствие благоприятного сочетания химико-физических и теплофизических свойств и уникальной стойкости в кислородосодержащих средах. В то же время оксиды и оксидные соединения образуют целые классы важнейших технических материалов: флюсы и шлаки, стекла и цементы, огнеупорные и абразивные материалы, оксидные диэлектрики и полупроводники, лазерные и композиционные материалы, люминофоры и материалы для защитных покрытий, от которых зависит уровень развития энергетики, машиностроения, связи и других отраслей народного хозяйства. Выплавка этих материалов традиционными способами оказалась невозможной, и разрабатываются различные методы, позволяющие плавить химически активные тугоплавкие материалы без загрязнения. В плавильных устройствах стали использовать так называемые холодные тигли, т.е. контейнеры, рабочая температура которых ниже температуры плавления переплавляемого материала. Тем или иным способом выделяя тепло в садке, удалось создать устойчивую ванну расплава, непосредственно соприкасающуюся с холодным тиглем, или отделенную от него слоем нерасплавившегося материала. Из-за высоких температур проведение практических опытов связано с высокими затратами энергии и ресурсов, а так же высоких требований к надежности оборудования. Поэтому в настоящее время наравне с физическим моделированием, также, в связи с развитием вычислительной техники, стали широко применять математическое моделирование.

     Следует отметить  преимущества компьютерного  математического моделирования, которое  позволяет получить, например, картину  всего течения и графически визуализировать  поля скоростей, давлений или температур во всей области течения, а не только в нескольких точках, где расположены  соответствующие датчики при  экспериментальных исследованиях. При компьютерном моделировании  отсутствуют проблемы, связанные  с возмущениями исследуемых процессов  датчиками, применяемыми в экспериментах; отсутствуют трудности, связанные  с очень малыми или большими размерами  исследуемых объектов, очень высокими или низкими температурами, огнеопасными или токсичными веществами, невесомостью или агрессивными средами и т. п.; численное решение можно получить для реальных условий исследуемого процесса, что далеко не всегда возможно при экспериментальных исследованиях. Но компьютерное моделирование имеет и ряд недостатков, таких как неточность модели из-за сложности ввода свойств материалов, следовательно неточности при задании модели будут давать не идеально точные зависимости от температуры. На данном этапе развития компьютерных мощностей очень проблематично описывать трёхмерные модели, поэтому задачи вводятся в 2-D постановке, что также пагубно отражается на точности. Определенные сложности возникают и при построение физической установки и проведении опыта соответствующего модели и из-за наличия различных возмущающих воздействий при проведении опыта, таких как износ оборудования, циркуляция воздуха. Несмотря на все вышеперечисленные недостатки, которые могут очень сильно сказаться на точности модели, главная цель, ради которой и создавалась модель, остается неизменной. А именно анализ процессов происходящих в слитке. Понимание процессов и закономерностей в заготовке поможет определить недостатки в имеющейся модели и установке и их устранить, то есть усовершенствовать установку.

     В настоящее время признано, что  математическое моделирование с  помощью компьютеров сложных  задач тепломассообмена и динамики жидкости часто оказывается более  дешевым и точным, чем экспериментальные  исследования. Численные методы, воплощенные  в универсальные программные  комплексы, становятся инструментом исследователей и инженеров и часто являются одной из составных частей систем.

     Многие  задачи гидродинамики, теплообмена  не поддаются аналитическому решению, поэтому единственной возможностью их теоретического анализа является компьютерное математическое моделирование. Прогресс в разработке численных  методов позволил существенно расширить  круг задач, доступных анализу. Полученные на основе этих методов результаты используются практически во всех областях науки и техники.

     Очевидно, оптимальной стратегией научных  исследований является сочетание экспериментальных  исследований с математическим (компьютерным) моделированием.

     Указанные преимущества, а также бурное развитие вычислительной техники и численных  методов в последние годы, позволяют  успешно использовать универсальные  программные комплексы для математического  моделирования тепломассообмена и  гидрогазодинамики в областях науки  и техники.

     Целью данной работы является моделирование  процессов в расплаве стекла при  индукционной плавке в холодном тигле (в дальнейшем ИПХТ). Следовательно на основании моделирования можно провести доработку и улучшение установки, в зависимости от поставленных задач. Опыт, проводившийся на кафедре ЭТПТ, целью которого было измерение профилей температур в расплаве стекла для трех режимов генератора с помощью высокотемпературных термопар, взят за основу работы для сравнения результатов моделирования с реально полученными результатами и проверки точности модели.

     Для исследования задач ИПХТ, не поддающихся аналитическому решению, используется компьютерное математическое моделирование в коммерческом программном пакете «ANSYS». Для этого производится создание электротепловых и гидродинамических моделей.

 

     

1. Теоретическая глава

 

1. Индукционная  плавка в холодном тигле (ИПХТ)

 

     Индукционный  нагрев основан на способности электромагнитного поля проникать в толщу материала. Если электромагнитное поле будет переменным по величине или направлению, то под действием магнитной составляющей поля в материале будет индуктироваться электродвижущая сила (э.д.с). В электропроводных материалах индуктированная э.д.с. вызывает протекание тока. В диэлектриках ток не возникает. Как всякий электрический ток, индуктированный ток I выделяет тепловую энергию на активном сопротивлении r, которым характеризуется контур тока в материале. Количество тепла, выделяющегося за время τ, подчиняется закону Джоуля-Ленца:

Q=I²r τ ,      (1)

где  Q количество теплоты в Дж.

     Индуктированный ток, так же как и магнитное  поле, вызвавшее его, изменяется во времени по величине и направлению. Величину магнитного поля принято характеризовать напряженностью. Чем больше напряженность переменного магнитного поля, тем больше индуктированный ток и, следовательно, интенсивнее   нагрев.

     Источником  поля является катушка-индуктор (изготовляемый обычно из медной трубки, охлаждаемой водой), к которой подводят ток от специального генератора. Нагреваемый материал размещают таким образом, чтобы поле индуктора пронизывало его.

     Напряженность магнитного поля прямо пропорциональна току индуктора. Однако увеличивать ее, изменяя ток индуктора, можно лишь до определенного значения тока, при котором медь расплавляется несмотря на интенсивное охлаждение водой.

1. Преимущества  индукционной плавки

 

     Индукционная  плавка в холодных тиглях отличается от дуговой и плавки электронным пучком следующими преимуществами:

     1.  При индукционной плавке возможно  интенсивное перемешивание расплава без использования специальных устройств. При индукционном нагреве тепло выделяется в значительном объеме расплава или в поверхностном слое, объема. Это создает благоприятные условия для конвективного перемешивания и получения равномерной температуры по объему. Но особенно важно, что при индукционном нагреве создастся сильное принудительное перемешивание расплава вследствие электродинамического взаимодействия токов, индуктированных в расплаве, с током индуктора.

     2.  Используя перемешивание, расплав можно перегреть во всем объеме тигля. Предел перегрева определяется только мощностью источника тока и устойчивостью расплава при высоких температурах.

     3.  Индукционную плавку в холодных тиглях можно проводить в любой среде, начиная от глубокого вакуума, необходимого для рафинирования расплава от летучих примесей, кончая атмосферой повышенного давления, необходимой дли предотвращения термической диссоциации соединений с летучей компонентой.

     4.  Поверхность расплава при индукционной плавке не закрыта электродом, как в дуговой печи, поэтому возможна лучшая очистка расплава от летучих приме сей и газов. В сочетании с регулируемым нагревом и интенсивным перемешиванием наличие свободной поверхности обеспечивает   условия рафинирования при нормальном давлении,  аналогичные электроннолучевой плавке, но без перегревов и испарения расплава.

     5.  Процесс индукционного нагрева надежен и устойчив, подаваемую мощность можно легко регулировать в широких пределах. В установках для индукционного нагрева отсутствуют такие недолговечные элементы, как катод в установках электроннолучевого нагрева.

     6.  Вследствие того, что токи, наведенные в расплаве при наличии гарнисажа, и токи, наведенные в металлическом тигле, не являются продолжением друг друга, как это происходит в дуговых печах, дуги между расплавом и тиглем не возникает, и нет опасности нарушения стенки тигля.  

     Схема с цилиндрическим индуктором также  имеет ряд достоинств:

• всесторонний нагрев с перемешиванием расплава позволяет получить глубокую ванну с равномерным распределением температуры по высоте и радиусу
• индуктор имеющий высокое напряжение вынесен из зоны термоионизированных газов над расплавом, что снижает вероятность электрических пробоев и повышает надежность работы печи

     Особенностью  плавки в холодных тиглях является наличие гарнисажа. В металлургии  гарнисажем называется особый слой на границе расплава и тигля, предохраняющий тигель от разъедания. Плавка с гарнисажем гарантирует абсолютную чистоту  расплава, так как он отделен от возможного источника загрязнения, то есть стенки тигля, кристаллическим  слоем. Именно эта особенность привлекает к ней повышенный интерес в  металлургии тугоплавких материалов.

     Именно  за счет схемы с цилиндрическим индуктором и соответственно наличия естественного  перемешивания, ванна расплава является не стационарной. Для учета конвекционных потоков в модели решается гидродинамическая задача. Наличие гарнисажа также отразится на графике распределения тепловых полей.