Vestnik of Samara State Technical University. Technical Sciences SeriesVestnik of Samara State Technical University. Technical Sciences SeriesВестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки»1991-85422712-8938Samara State Technical University7913010.14498/tech.2021.2.7Electrical EngineeringЭлектротехникаResearch ArticleThe design of the electromagnetic aluminum mold of periodic actionКонструкция электромагнитного кристаллизатора алюминия периодического действияBazarovAlexander A.БазаровАлександр Александрович
Russian Federation

Dr. Sci. (Techn.), Professor

д.т.н., доц., профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий»

vest_teh@samgtu.ruNavasardyanAshot A.НавасардянАшот Александрович
Russian Federation

Postgraduate Student

аспирант

vest_teh@samgtu.ruBondarevaNatalya V.БондареваНаталья Викторовна
Russian Federation

Postgraduate Student

аспирант

vest_teh@samgtu.ruSamara State Technical UniversityСамарский государственный технический университет300820212921001162508202125082021Copyright ©; 2021, Bazarov A.A., Navasardyan A.A., Bondareva N.V.Copyright ©; 2021, Базаров А.А., Навасардян А.А., Бондарева Н.В.2021Bazarov A.A., Navasardyan A.A., Bondareva N.V.Базаров А.А., Навасардян А.А., Бондарева Н.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.eco-vector.com/1991-8542/article/view/79130

This publication discusses a set of issues on computer modeling of electromagnetic and thermal processes in an induction crystallizer of an aluminum melt, in which forces are created between the melt and the inductor coil, compressing the column of liquid material and preventing direct contact of the melt with the crucible walls. In known induction systems using electromagnetic pressure on molten metal, for crystallization, the parameters of the inductor are selected so that, with sufficient force, the temperature does not rise due to internal sources of heat release with sufficient water cooling of the surface. In the proposed work, heat removal mainly occurs through contact with a water-cooled support surface.

The aim of the work is to determine the process parameters at which the required electromagnetic force is formed on the melt wall, taking into account the change in the current density at the interface between the solid and liquid phases of aluminum.

When determining the parameters of induction crystallizers, the temperature dependences of the thermophysical properties were used. Variants of the inductor realization are investigated, which makes it possible to cover the entire volume of the melt, inside which significant changes in the electrical conductivity of aluminum and the power of internal heat sources are observed. Obtaining a cylindrical shape of the ingot, in contrast to the known electromagnetic crystallizers, is achieved by determining the design of the inductor, which provides a decrease in the repulsive electromagnetic force acting on the side surface of the melt in height. The results of the study showed the possibility of using the crystallizer at various ratios of the height and diameter of the melt column, and the intensity of cooling. The efficiency of the process for aluminum increases with an increase in the radius of the melt column, which also leads to a decrease in shape distortion in the region of the upper end.

Рассмотрен комплекс вопросов по компьютерному моделированию электромагнитных и тепловых процессов в индукционном кристаллизаторе расплава алюминия, в котором обеспечивается создание сил между расплавом и катушкой индуктора, сжимающих столб жидкого материала и предотвращающих прямой контакт расплава со стенками тигля. В известных индукционных системах, использующих электромагнитное давление на расплавленный металл, для кристаллизации выбираются параметры индуктора такими, чтобы при достаточном усилии не происходило повышения температуры за счет внутренних источников тепловыделения при достаточном водяном охлаждении поверхности. Необходимым условием в существующих установках является интенсивное водяное охлаждение, обеспечивающее отвод тепла, выделяющегося при охлаждении и кристаллизации слитка. В предлагаемой работе отвод тепла в основном происходит через контакт с водоохлаждаемой опорной поверхностью.

Целью работы является определение параметров процесса, при которых происходит формирование необходимого электромагнитного усилия на стенку расплава с учетом изменения плотности тока на границе твердой и жидкой фаз алюминия.

При определении параметров электромагнитных кристаллизаторов использовались температурные зависимости теплофизических свойств. Исследованы варианты реализации индуктора, позволяющего охватывать весь объем расплава, внутри которого наблюдаются значительные изменения электропроводности алюминия и мощности внутренних источников тепла. Получение цилиндрической формы слитка в отличие от известных электромагнитных кристаллизаторов достигается путем определения конструкции индуктора, обеспечивающей снижение отталкивающей электромагнитной силы, воздействующей на боковую поверхность расплава, по высоте. Результаты исследования показали возможность применения кристаллизатора при различных соотношениях высоты и диаметра столба расплава, интенсивности охлаждения. Эффективность процесса для алюминия увеличивается при увеличении радиуса столба расплава, что также приводит к уменьшению искажения формы в области верхнего торца.

induction heatingcrystallizationaluminumfinite element methodelectromagnetic castingиндукционный нагревкристаллизацияалюминийметод конечных элементовэлектромагнитное литьеRussian Foundation for Basic Research, project No. 19-06-00212РФФИ, проект №19-06-00212Nepreryvnoye lit’ye v elektromagnitnyy kristallizator / Z.N. Getselev, G.A. Balakhontsev, F.I. Kvasov e dr. M.: Metalluggiya, 1983. 152 c.Непрерывное литье в электромагнитный кристаллизатор / 3.Н. Гецелев, Г.А. Балахонцев, Ф.И. Квасов и др. – М.: Металлургия, 1983. – 152 с.Pervukhin M.V., Sergeev N.V., Khatsayuk M.Yu. Elektromagnitnyy kristallizator dlya poluchiniya nepreryvno litykh slitkov s vysokimi skorostyami okhlazhdeniya // Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Energetika. 2013. No. 3. Рр. 121–129.Первухин М.В., Сергеев Н.В., Хацаюк М.Ю. Электромагнитный кристаллизатор для получения непрерывно литых слитков с высокими скоростями охлаждения // Известия Российской академии наук. Энергетика. – 2013. – № 3. – С. 121–129.Avdulov A.A., Usynina G.P., Sergeev N.V., Gudkov I.S. Tekhnologiya lit’ya aluminievykh splavov v elektromagninyy kristallizator dlya proizvodstva dlinnomernykh zagotovok malogo diametra // Zhurnal Sibirskogo federal”nogo universiteta. Seriya; Knhimi”ya. 2017. Vol. 10. No. 1. Рр. 82–89.Авдулов А.А., Усынина Г.П., Сергеев Н.В., Гудков И.С. Технология литья алюминиевых сплавов в электромагнитный кристаллизатор для производства длинномерных заготовок малого диаметра // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Химия. – 2017. – Т. 10. – № 1. – С. 82–89.Avdulov A.A., Sergeev N.V., Gudkov I.S., Timofeev V.N., Gorokhov Yu.V., Avdulova Yu.S. Razrabotka tekhnologii proizvodstva provoloki iz spetsial”nykh aluminievykh solavov na osnove sposoba lit”ya v elektromagnitnyy kristallizator I nepreryvnogo pressovaniya sposobom conform // Zhurnal Sibirskogo federal‘mnogo universiteta. Seriya: Tekhnika I tekhnologiyi. 2017. Vol. 10. No. 1. Рр. 85–94.Авдулов А.А., Сергеев Н.В., Гудков И.С., Тимофеев В.Н., Горохов Ю.В., Авдулова Ю.С. Разработка технологии производства проволоки из специальных алюминиевых сплавов на основе способа литья в электромагнитный кристаллизатор и непрерывного прессования способом конформ // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. – 2017. – Т. 10. – № 1. – С. 85–94.Kolyadov Ye.V., Gerasimov V.V., Visik Ye.M., Mezhin Yu.A. Lit’ye metodom napravlennoy kristallizatsii s upravlyayemym gradientom temperatury na fronte kristallizatsii // Liteynoye proizvodstvo. 2016. No. 8. Рр. 24–26.Колядов Е.В., Герасимов В.В., Висик Е.М., Межин Ю.А. Литье методом направленной кристаллизации с управляемым градиентом температуры на фронте кристаллизации // Литейное производство. – 2016. – № 8. – С. 24–26.Minakov A.V., Khatsayuk M.Yu., Pervukhin M.V. Chiskennoe modelirovanie dinamiki svobodnoy poverkhnosti I kristallizatsii rasplava v elektromagnitnom kristallizatore // Induktsionnyy nagrev. 2014. No. 1 (27). Рр. 37–42.Минаков А.В., Хацаюк М.Ю., Первухин М.В. Численное моделирование динамики свободной поверхности и кристаллизации расплава в электромагнитном кристаллизаторе // Индукционный нагрев. – 2014. – № 1 (27). – С. 37–42.Demidivich V.B., Khatsayuk M.Yu., Timofeev V.N., Maksimov A.A. Chislennoe modelirovanie bestigel’nogo plavleniya titanovogo splava v peremennom magnitnom pole // Metallulrgiya mashinostroeniya. 2017. No. 3. Рр. 2–5.Демидович В.Б., Хацаюк М.Ю., Тимофеев В.Н., Максимов А.А. Численное моделирование бестигельного плавления титанового сплава в переменном магнитном поле // Металлургия машиностроения. – 2017. – № 3. – С. 2–5.Chakraborty S., Ganguly S., Talukdar P. Determination of optimal taper in continuous casting billet mould using thermo-mechanical models of mould and billet // Journal of Materials Processing Technology. Vol. 270. August 2019. Рр. 132–141.Chakraborty S., Ganguly S., Talukdar P. Determination of optimal taper in continuous casting billet mould using thermo-mechanical models of mould and billet // Journal of Materials Processing Technology. Vol. 270, August 2019. Pр. 132–141.Yegiazaryan A.S., Zimin L.S. Elektridinamicheskiye protsessy pri induktsionnom nagreve // Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskiye nauki. 2016. No. 1. Рр. 156–159.Егиазарян А.С., Зимин Л.С. Электродинамические процессы при индукционном нагреве // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. – 2016. – № 1. – С. 156–159.Sarapulov F.N., Frizen V.E., Sokunov B.A., Urmanov Yu.R. Snizheniye energozatrat v metallurgicheskom proizvodstve za schet primeneniya MGD-tekhnologiy // Promyshlennaya energetika. Moscow: Nauchno-tekhnicheskaya firma “Energopress”, 2016. No. 12. Рр. 21–27.Сарапулов Ф.Н., Фризен В.Э., Сокунов Б.А., Урманов Ю.Р. Снижение энергозатрат в металлургическом производстве за счет применения МГД-технологий // Промышленная энергетика. – М.: Научно-техническая фирма "Энергопрогресс", 2016. – № 12. – С. 21–27.O matematicheskom modelirovanii s fazovymi perekhodami v metallurgii I liteynom proizvodstve / L.A. Sokolovskaya, V.A. Mamishev // Pritsessy lit’ya. 2009. No. 2. Рр. 24–29.О математическом моделировании задач с фазовыми переходами в металлургии и литейном производстве / Л. А. Соколовская, В. А. Мамишев // Процессы литья. – 2009. – № 2. – С. 24–29.Bazarov A.A., Navasardyan A.A. Modelirovanie elektromagnitnikh I teplovykh protsessov v induktsionnom kristallizatore kremniya // Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskiye nauki. 2019. No. 3 (55). Рр. 105–109.Базаров А.А., Навасардян А.А. Моделирование электромагнитных и тепловых процессов в индукционном кристаллизаторе кремния // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. – 2019. – № 3 (55). – C. 105–119.Lykov A.V. Teoriya teploprovodnosti. Moscow: Vysshya shkola, 1967. 599 р.Балакин Ю.А., Завалишин И.В., Шумская Л.П. Разработка теоретических основ инновационных технологий внешнего воздействия на кристаллизацию металлов // Качество. Инновации. Образование. – 2016. – № 2 (129). – С. 23–30.Balakin Yu.A., Zavzlishin I.V., Shumskaya L.P. Razrabotka teoreticheskikh osnov innovatsionnykh tekhnologiy vneshnego vozdeystviya na kristallizatsiyu metallov // Kachestvo. Innovatsii. Obrazovaniye. 2016. No. 2 (129). Рр. 23–30.Лыков А.В. Теория теплопроводности. – М.: Высшая школа, 1967. – 599 с.Kuvaldin A.B., Fedin M.A., Polyakov O.A. Issledovanie parametrov elektromagnitnogo polya v diskretnoy srede // Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Seriya fizicheskaya. 2020. Vol. 84. No. 2. Рр. 161–163.Кувалдин А.Б., Федин М.А., Поляков О.А. Исследование параметров электромагнитного поля в дискретной среде // Известия Российской Академии Наук. Серия: Физическая. – 2020. – Т. 84. – № 2. – С. 161–163.Danilushkin A.I., Zhivotyagin D.A., Kibkalo S.S., Surkov D.V. Optimizatsiya elektritekhnicheskogo kompleksa dlya vysokoproizvoditel’nykh liniy induktsionnogo nagreva // Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta . Seriya: Tekhnicheskiye nauki. 2020. Vol. 28. No. 3 (67). Рр. 110–124.Данилушкин А.И., Животягин Д.А., Кибкало С.С., Сурков Д.В. Оптимизация электротехнического комплекса для высокопроизводительных линий индукционного нагрева // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. – 2020. – Т. 28. – № 3 (67). – С. 110–124.