Практически во всех отраслях промышленности находят широкое применение индукционные системы для преобразования электромагнитной энергии в тепловую. Опыт применения индукционных установок для нагрева

Практически во всех отраслях промышленности находят широкое применение индукционные системы для преобразования электромагнитной энергии в тепловую. Опыт применения индукционных установок для нагрева заготовок в линиях горячей обработки металла показывает, что они являются перспективными в виду своей компактности, надежности и безопасности; возможности автоматического управления нагревом. В то же время разнообразие форм индукционных нагревателей для технической реализации одной и той же задачи, приводит к необходимости исследования ряда специфических проблем. Конструктивное исполнение диктуется требованиями к нагревателю конкретным технологическим процессом, условиями работы, уровнем рабочих температур, производительностью, энергоэффективностью и т.д.

Необходимо нагреть загрузку из 11 стальных (Ст17Н3МА) цилиндрических заготовок (D=120мм, l=300мм) до температуры 1200°С±50°С. с перепадом температуры от поверхности до центра - 150°С. [1] Для стали этой марки 1200°С выше температуры фазовых преобразований (точка Кюри), которая равна 800°С.Поэтому необходимо использовать для нагрева две различных частоты, что требует создания системы из двухсоленоидальных индукторов. На рисунке 1 представлен эскиз системы индукционного нагрева, необходимой для выполнения технологической операции, описанной в статье [1].

Рисунок 1. Система индукционного нагрева с полной загрузкой (11шт).

Там предлагается методика расчета процесса двухчастотного нагрева стальных цилиндрических заготовок. Последовательно решались две связанные задачи. Первая задача – нагрев до точки Кюри на частоте 50 Гц. Вторая задача – нагрев выше точки Кюри на частоте 1000 Гц. Такой подход позволяет приближенно моделировать перемещение в высокочастотную секцию заготовки, нагретой до точки Кюри в секции с частотой тока 50 Гц. Представлена модель переключения индуктора с низкой частоты на высокую. Такая методика не учитывает всех особенностей двухчастотного нагрева, так как используется только один индуктор, в котором лишь переключается частота. При этом электрический расчет показывает, что для решения задачи необходимо использовать именно два разных индуктора, соответственно - и при создании методики этим нельзя пренебрегать.

Чтобы смоделировать данный процесс, необходимо создать его математическую модель. Геометрическая модель представляет собой эскиз упрощенной двухчастотной индукционной системы, изображенной на рисунке 1. Математическая модель решается в программе Elcut 5.1 pro. Цель упрощения: создание обобщенной методики расчета задач нагрева мерных заготовок в двухчастотных индукторах, имеющих различные конструктивные параметры и производительность.

На рисунке 2 представлен эскиз системы индукционного нагрева, в которой загрузка из 11 заготовок заменена загрузкой из 2 заготовок. В ней 1-я заготовка заменяет 3 аналогичные, нагревается на частоте индуктора А за время, которое было бы затрачено на ее перемещение от начала до границы индукторов. А 2-я заготовка заменяет 8 аналогичных, нагревается на частоте индуктора Б за время, которое было бы затрачено на прохождение ее от границы индукторов до конца системы[2].

Рисунок 2. Система индукционного нагрева с 2 заготовками.

Но такое упрощение, скорее всего, может привести к изменению распределения электромагнитного поля в области границы индукторов из-за действующих краевых эффектов на концах системы, относительно распределения электромагнитного поля в системе, изображенной на рисунке 1. Прежде чем говорить о возможности упрощения системы, необходимо исследовать и сравнить распределение магнитного поля в зоне границы индукторов, в изначальной и в упрощенной системах индукционного нагрева.

Это требует решения ряда задач, связанных с исследованием электромагнитных полей сложной системы, включающей в себя витки индуктора, футеровку и нагреваемый металл. Для решения поставленных задач требуется привлечение теории электромагнетизма, вычислительной математики, а так же выполнение большого объема численных экспериментов. Кроме того, при проектировании новой конструкции индукционного нагревателя необходимо учитывать большое количество факторов, от которых зависят его эксплуатационные качества. Применение известных инженерных методик исследования индукционных нагревателей цилиндрических заготовок в продольном магнитном поле может привести к неточным результатам.

В связи с этим разработка математической модели, максимально учитывающей особенности требуемой конструкции индукционного нагревателя, учет нелинейностей при моделировании взаимосвязанных электромагнитных процессов имеют важное значение и являются актуальными.

При описании электромагнитных процессов в исследуемых установках необходимо использовать математическую модель, основанную на численном решении уравнений электромагнетизма. Такая модель в полной мере описывает поведение электромагнитного поля в системе.

В общем случае, электромагнитный процесс при индукционном нагреве цилиндрической заготовки в индукторе описывается формулами:

Где , , - векторы напряженности магнитного и электрического полей и магнитной индукции; - удельная электропроводимость;

Граничные условия для электромагнитной задачи: используются условия равенства функции нулю на бесконечно удаленной границе и условие симметрии на поверхности симметрии , которое заключается в равенстве нулю производной от функции.

После вычислительного алгоритма [1] получаем энергетический функционал:

Где V – исследуемый объем, x, y, z – оси координат, - векторный магнитный потенциал, - матричная магнитная проницаемость, j – плотность тока, - частота тока, - матричная электропроводность.

При исследовании индукционного нагрева традиционно используется метод конечных элементов (МКЭ). Для решения электромагнитной задачи этим методом наиболее приемлем программный пакет Elcut 5.1 pro, где имеется возможность создавать геометрическую модель с сеткой конечных элементов, задавать свойства различных материалов и граничные условия [1].

Для исследования и сравнения характеристик поля необходимо создать две математические модели – систем на рисунках 1 и 2. После описания физических свойств всех компонентов геометрической модели и назначения граничных условий, решаются задачи вихревых токов для каждой из систем. Необходимо исследовать поведение магнитного поля в зоне границы индукторов системы, так как предполагается, что при изменении длины рассматриваемой системы будет меняться распределение в ней характеристик магнитного поля из-за влияния на него краевого эффекта, возникающего на концах индукторов. Магнитное поле представлено рядом характеристик. Среди них для сравнения выбираются индукция и напряженность. На рисунках 3 и 6 представлены соответственно графики распределения индукции и напряженности в «длинной» системе индукционного нагрева. На рисунках 4 и 7 представлены соответственно графики распределения индукции и напряженности в зоне границы индукторов в той же системе. На рисунках 5 и 8 представлены графики распределения соответственно индукции и напряженности в зоне границы индукторов в упрощенной системе индукционного нагрева.

Рисунок 3. Общая картина индукции при полном количестве заготовок (11шт).

Рисунок 4. Индукция в зоне границы индукторов при полном количестве заготовок (11шт).

Рисунок 5. Индукция при загрузке в 2 заготовки в зоне границе индукторов.

Рисунок 6. Общая картина напряженности при полной загрузке (11шт).

Рисунок 7. Напряженность в зоне границы индукторов при полном количестве заготовок (11шт).

Рисунок 8. Напряженность при загрузке в 2 заготовки в зоне границе индукторов

Сравнивая на рисунках 4,5 и 7,8 графики распределения соответственно индукции и напряженности в зоне границы индукторов «длинной» и упрощенной систем, делаем вывод, что предложенное упрощение системы индукционного нагрева не влияет на распределение электромагнитного поля в окрестности границы индукторов системы. Из этого следует что для решения поставленной задачи нагрева целесообразно использовать упрощенную таким образом математическую модель. Так же упрощение таким способом, позволяет решать другие задачи по нагреву подобных заготовок с другими размерами и требованиями производительности, которые привели бы к значительным изменениям конструктивных особенностей и усложнению решения.

1. Н.Н.Клочкова, А.В.Обухова, А.Н.Проценко МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВУХЧАСТОТНОЙ ПРОХОДНОЙ ИНДУКЦИОННОЙ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ СРЕДСТВАМИ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА ELCUT

Для заметок.

Дата добавления: 2015-08-27