Разработка индукционных устройств с двухслойным расположением индуктирующих проводников для нагрева плоских металлических изделий в поперечном магнитном поле

Индукционные установки находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства благодаря своим высоким энергетическим и технологическим показателям. Такие преимущества индукционного нагрева, как высокая скорость, отсутствие контакта между нагревателем и металлом, высокий тепловой и электрический КПД, простота управления процессом, возможность полной ав.

I ' томатизации нагревательных установок и включение их в поточную линию, гарантируют индукционному методу нагрева широкое использование в промышленности. При индукционном нагреве достигаются высокие значения удельной поверхностной мощности, что сокращает время нагрева и повышает производительность. Замена устаревших методов нагрева, в частности топливных методов, более прогрессивным индукционным, позволила в два — три раза увеличить объем продукции и снизить затраты труда на нагрев, а также улучшить качество обрабатываемого изделия [1].

Также велико значение индукционных установок, как потребителей электроэнергии. Ежегодное потребление электрической энергии только индукционными нагревательными установками составляет 2,5 — 3 млд. кВтч [14]. При этом единичная мощность установок индукционного нагрева составляет от сотен ватт до сотен киловатт. Поэтому задачи по разработке индукционных установок с улучшенными энергетическими характеристиками и низким удельным расходом электроэнергии являются весьма актуальными.

В данной работе рассматриваются индукционные установки, предназначенные для нагрева плоских металлических изделий в поперечном электромагнитном поле (ПМП). Способ нагрева тонких металлических изделий в поперечном магнитном поле был впервые предложен советским ученым В. П. Вологдиным и А. Е. Слухоцким [3] и американским исследователем Р. Бэкером [4]. Данный способ нагрева плоских металлических изделий, при котором основной магнитный поток направлен перпендикулярно поверхности нагреваемого изделия, позволяет снизить частоту тока индуктора, а, следовательно, упростить и удешевить электрооборудование. Однако, его недостатком является неравномерность распределения плотности тока в нагреваемом изделии, что вызывает неравномерность распределения температуры и влияет на качество получаемого продукта.

Данному виду нагрева уделяется большое внимание как у нас в стране, так и за рубежом. Примерами технологических процессов, проводимых в индукционных установках для нагрева в ПМП, могут служить термическая закалка, отжиг, отпуск, нормализация, нагрев металлов под пластическую деформацию (ковку, штамповку), сушка материалов и лакокрасочных покрытий, а также быстрый разогрев изделий, подвергающихся сварке в холодное время года. В данных установках, в зависимости от технологического процесса, требования к характеру температурного режима могут изменяться в широких пределах. Но, несмотря на разнообразие технологических процессов, а также конструктивных исполнений установок данного типа, основным критерием при проведении процесса является равномерность нагрева, который главным образом отражается на качестве получаемого в результате продукта. Это обстоятельство требует расчета установок с целью определения их оптимальных конструктивных соотношений и частоты тока, что гарантирует обеспечение заданной равномерности нагрева, а также высоких энергетических показателей.

Наряду со многими технологическими задачами также большое значение имеет исследование самого процесса нагрева металла. Особый интерес представляют работы по исследованию индукционного нагрева металла в области низких температур, так как в этой области металл еще сохраняет свои ферромагнитные свойства. Это обстоятельство делает расчет процессов, протекающих в системе индуктор-загрузка, сложными и трудоемкими. Аналитические методы, применявшиеся ранее при расчетах и проектировании устройств, не полностью отражают реальной картины протекания процесса и весьма ограничены в своем применении. Современные методы расчета, основанные на применении мощной вычислительной техники и численных методах, существенно расширяют возможности разработчиков и позволяют получить наиболее достоверные результаты.

Исходя из вышесказанного, разработка методик электромагнитного и теплового расчета позволяет определять оптимальные конструктивные соотношения и электрические характеристики, т. е. дает возможность создавать устройства, отличающиеся улучшенными энергетическими и эксплуатационными характеристиками, а также повышенной производительностью.

Основной целью диссертационной работы является разработка инженерной методики расчета и рекомендаций по созданию индукционных устройств для нагрева плоских металлических изделий в ПМП с улучшенными эксплуатационными и энергетическими характеристиками.

В соответствии с поставленной целью решены задачи теоретического и экспериментального исследований, разработки инженерных методик расчета и конкретных рекомендаций при проектировании устройств данного типа. Для решения поставленных в работе задач использовались метод конечных элементов и метод Галеркина. При моделировании на ЭВМ применен универсальный пакет программ Maxwell фирмы Ansoft Corp. и программа Prometheus, разработанная в Техническом университете г. Ильменау. Пакет программ Maxwell предназначен для расчета электромагнитных полей и позволяет рассчитывать системы дифференциальных уравнений в частных производных методом конечных элементов, который в настоящее время широко применяется на практике. Созданные на основе этого метода комплексы компьютерных программ широко используются при решении многих практических задач не только в электротермии, но и в раке-тои самолетостроении, при конструировании мостов, плотин, дамб и каркасов зданий, при исследовании динамики плазмы и потоков в ядерных реакторах и т. д.

Экспериментальные исследования проводились на физической модели устройства, созданного по результатам предварительных численных расчетов. Эксперименты проведены для изделий из алюминия и ферромагнитной стали толщиной 0,2 мм различной ширины (0,05 — 0,25 м). Основной целью проведения экспериментов является проверка адекватности математической модели, а также разработка практических рекомендаций при проведении процесса нагрева в ПМП.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

— проанализированы существующие способы нагрева плоских металлических изделий, конструктивные исполнения и методы расчета устройств данного типа, а также предложена схема устройства с двухслойным поперечно-продольным расположением индуктирующих проводников;

— проведен анализ влияния конструктивных соотношений предложенного устройства на равномерность нагрева и электрический КПДС помощью пакета программ Maxwell определена его оптимальная геометрия, обеспечивающая заданные скорость и равномерность нагрева, а также приемлемый КПД. Для возможности осуществления процесса нагрева изделий различной ширины предложена конструкция магнитопровода в виде съемных сердечников, расположенных между индуктирующими проводниками;

— создана физическая модель устройства, на которой проведены экспериментальные исследования процесса нагрева изделий из алюминия и ферромагнитной стали с целью определения температурного поля в изделии и энергетических показателей устройства, что позволило оценить адекватность разработанных моделей;

— разработаны рекомендации по созданию промышленных устройств для нагрева плоских металлических изделий в ПМП, выбору типа нагрева и приведены параметры индукционного и инфракрасного устройств, а также математические модели для расчета параметров электромагнитного поля и распределения температуры, реализованные в виде программы Querfeld для ПК на языке Borland Delphi.

Основные положения диссертации рассмотрены в следующих разделах:

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы.

В первой главе проведен анализ существующих способов индукционного нагрева плоских металлических изделий, проведен обзор работ в данной области, рассмотрены основные конструкционные исполнения и энергетические показатели устройств данного типа, а также методы их расчета. В главе также приводятся области применения и проанализированы факторы, влияющие на процесс нагрева. По итогам обзора сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе разработаны математические модели для расчета основных параметров электромагнитного поля и температуры при нагреве в ПМП, а также приводится инженерная методика расчета устройств данного типа.

В третьей главе приводятся исследования электромагнитных параметров процесса, где установлены зависимости электрического КПД от частоты, исследованы и проанализированы зависимости равномерности нагрева изделия и электрического КПД устройства от шага индуктора, а также КПД от величины воздушного зазора. Предложено конструктивное исполнение устройства для нагрева изделий разной ширины и определена его оптимальная геометрия, обеспечивающая заданную равномерность и скорость нагрева. Основываясь на полученных результатах, разработаны рекомендации по созданию устройств данного типа.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований, проведенных на физической модели устройства, предназначенного для нагрева плоских металлических изделий шириной 0,05 — 0,25 м в ПМП. Физическая модель устройства создана на основе предварительных расчетов, приведенных в предыдущей главе. Эксперименты проведены при сотрудничестве с кафедрой Электротермии Технического университета г. Ильменау. В главе приведены результаты экспериментальных исследований индукционного и комбинированного индукционно-инфракрасного нагрева изделий из алюминия и ферромагнитной стали. Определены энергетические показатели устройства и равномерность нагрева изделия, а также произведена проверка адекватности математической модели и даны рекомендации по проведению процесса нагрева.

В Заключении обобщены основные результаты работы.

В Приложении приведены результаты экспериментов и численных расчетов температурного поля, а также текст программы на языке Borland Delphi,.

Результаты работы применимы к классу индукционных устройств, предназначенных для нагрева тонких магнитных и немагнитных проводящих изделий в поперечном электромагнитном поле при проведении различных технологических процессов.

— 144 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В диссертационной работе проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований индукционного устройства для нагрева плоских металлических изделий в поперечном магнитном поле. Предложена схема устройства с двухслойным поперечно-продольным расположением индуктирующих проводников. Разработана инженерная методика расчета устройств данного типа, реализованная в виде компьютерной программы. Для возможности нагрева изделий разной ширины применена конструкция магнитопровода, состоящая из отдельных ферромагнитных сердечников, расположенных между индуктирующими проводниками. Экспериментальные исследования проведены на модели устройства, обеспечивающей нагрев магнитных и немагнитных изделий шириной 0,05 — 0,25 м до заданной температуры с требуемой скоростью и равномерностью нагрева. Определены энергетические показатели устройства и проведена проверка адекватности математической модели.