Исследование и разработка энергосберегающих технологий индукционного нагрева легких сплавов Растворова Ирина Ивановна

Содержание к диссертации

Введение

1 Применение идукционного нагрева при электромагнитной обработке легких сплавов ... 16

1.1 Легкие сплавы и сферы их применения в хозяйственном комплексе России 16

1.2 Основные технологии индукционного нагрева при обработке легких сплавов 21

1.3 Пути снижения энергозатрат при индукционной обработке легких сплавов 37

Выводы по главе 1 47

2 Особенности построения численных моделей индукционных нагревателей лёгких сплавов. 49

2.1 Общие принципы разработки численных моделей устройств индукционного нагрева металлов 49

2.2 Методы численного моделирование электромагнитного поля в устройствах индукционного нагрева 54

2.2.1 Расчет устройств с немагнитной загрузкой методом интегральных уравнений 56

2.2.2 Расчет электромагнитного поля по виткам индукторов методом конечных элементов 62

2.3 Разработка экономичных методов при моделировании электромагнитного поля устройств индукционного нагрева 66

2.4 Разработка электротепловых моделей индукционных нагревателей 69

2.4.1 Одномерная электротепловая модель для нагрева цилиндров и тел плоской формы 72

2.4.2 Двухмерные электротепловые модели индукционного нагрева цилиндрических немагнитных тел 80

2.4.3 Двухмерные и трехмерные электротепловые модели индукционного нагрева легких сплавов

2.5 Модель индукционного нагревателя с учетом особенностей работы тиристорного преобразователя частоты с параллельным инвертором 93

Выводы по главе 2 102

3 Проблема снижения потерь обмоток индукторов. оптимизация конструкции 104

3.1 Многослойные индукторы 104

3.1.1 Схемы многослойных обмоток 104

3.1.2 Типы токопроводов 106

3.1.3 Основные физические процессы 108

3.1.4 Пути снижения потерь электроэнергии в индукционных нагревателях 111

3.2 Исследование и оптимизация КПД многослойного индуктора.. 115

3.2.1 Исследование и оптимизация многослойного индуктора с медным токопроводом прямоугольного сечения без внутреннего отверстия 116

3.2.2 Исследование и оптимизация многослойного индуктора с медным токопроводом прямоугольного сечения

с симметричным внутренним отверстием 135

3.2.3 Исследование и оптимизация многослойного индуктора с медным токопроводом прямоугольного сечения

с несимметричным внутренним отверстием при нагреве алюминиевой загрузки 145

3.3 Исследование и оптимизация многослойного индуктора с алюминиевым токопроводом прямоугольного сечения с несимметричным внутренним отверстием при нагреве алюминиевой загрузки 149

3.4 Исследование распределения потерь по виткам индуктора в зависимости от конструкции индуктрора, сечения токопровода и наличия магнитопровода 153

3.4.1 Исследования сопротивлений витков многослойных индукторов в зависимости от места расположения витка по длине индуктора и наличия магнитопровода 153

4.2 Распределение магнитного поля в индукторах многослойными обмотками 164

Выводы по главе 3 168

4 Прецизионный нагрев легких сплавов перед обработкой давлением

4.1 Методика оптимизации индукционных установок для градиентного нагрева заготовок перед прессованием

4.2 Оптимизация непрерывного индукционного нагревателя для нагрева алюминиевых слитков 179

4.3 Оптимизация периодического нагревателя для нагрева алюминиевых слитков 182

4.4 Оптимальное управление периодическим индукционным нагревателем немагнитных цилиндрических заготовок 184

4.5 Исследования индукционного нагревателя цилиндрических заготовок из титановых сплавов 193

5.1 Особенности нагрева титановых заготовок различной длины и диаметра в индукционном нагревателе периодического действия 193

5.2 Оптимизация конструкции индуктора периодического нагрева цилиндрических титановых заготовок различной длины 198

5.3 Разработка комплекса комбинированного нагрева «индукционные нагреватели - печи сопротивления» 206

Выводы по главе 4 217

5 Индукционный нагрев в технологии тиксоформовки 219

5.1 Анализ ситуации развития производства алюминиевых сплавов методами деформации в жидко-твердом состоянии (тиксоформовки) 219

5.2 Теоретическое обоснование технологии тиксоформовки 237

5.3 Особенности использования и моделирования индукционного нагрева в тиксотехнологии 243 Выводы по главе 5 252

6 Энергоэффективные технологии индукционной плавки титановых сплавов 253

6.1 Проблемы существующих способов литья титановых сплавов.. 253

6.2 Особенности технологии индукционного нагрева литых заготовок из титановых сплавов 261

6.3 Исследование динамики образования жидкой фазы 264

Выводы по главе 6 279

7 Оптимизация индукционных устройств прилитье алюминия в электромагнитный кристаллизатор 280

7.1 Непрерывная разливка алюминия в ЭМК и его преимущества 280

7.2 Методика расчета электродинамических усилий в витках индукторов 284

7.3 Влияние перемещения электромагнитного экрана и изменения угла электромагнитного экрана на качество литья и энергозатраты 289

7.4 Оптимизационная график-схема ЭМК с пассивным экраном... 295 Выводы по главе 7 296

Заключение 298

Список литературы

• Основные технологии индукционного нагрева при обработке легких сплавов
• Разработка экономичных методов при моделировании электромагнитного поля устройств индукционного нагрева
• Пути снижения потерь электроэнергии в индукционных нагревателях
• Оптимизация периодического нагревателя для нагрева алюминиевых слитков

Введение к работе

Актуальность. Трудно представить современное промышленное производство, строительство, сферу услуг без применения легких сплавов, в первую очередь из алюминия и титана. Уникальные свойства этих металлов и их сплавов приводит к расширенному использованию этих металлов в авиационной и химической промышленности, в строительстве и кораблестроении, автомобилестроении, ракетно-космической, нефтяной и газовой промышленности, в быту и спорте и т.д.

На многих этапах производства изделий из легких сплавов необходима термическая обработка полуфабрикатов и конечных продуктов. Как известно, существуют прогнозы, что уже в середине XXI века в индустриально развитых странах применение газа и других минеральных ресурсов непосредственно для нагрева, плавки, термообработки материалов в промышленности будет полностью исключено. На смену им придут технологии нагрева и плавки исключительно с применением электричества. Это позволит существенно повысить энергоэффективность промышленности и сильно снизить затраты энергии и выбросы углекислого газа в атмосферу.

В связи с этим возрастает роль индукционного нагрева в промышленности. К высокой энергоэффективности добавляются и такие известные преимущества, повышающие конкурентоспособность индукционного нагрева, как: экологическая чистота, высокая надежность, высокая производительность, технологическая гибкость, удобство управления и возможности оптимизации, легкость автоматизации и механизации процесса, малая тепловая инерция установки и ее постоянная готовность к работе, улучшение условий труда, простота обслуживания и ремонта установки.

Сами по себе устройства индукционного нагрева (УИН) являются сложными техническими объектами, в которых протекают физические процессы различной природы, и для успешной реализации энергоэффективныхтехнологий необходим всеобъемлющий анализ и моделирование всей технологической цепочки. Осуществить это можно только с применением численных методов для связанных электромагнитных, температурных и магнитогидродинамических задач.

Роль численного моделирования резко возрастает при модернизации действующих установок и разработке новой техники и технологий. Наибольшее распространение получили так называемые электротепловые модели, которые отражают наиболее существенные особенности индукционного нагрева: взаимное влияние электромагнитных и температурных полей.

Индукционный нагрев легких сплавов перед обработкой давлением был предложен в самом конце 1940-х годов в США и стал быстро распространяться в промышленности благодаря компактности, удобству встраивания в линию с прессом, хорошей управляемостью и контролем температурного режима, отсутствию вредного воздействия на окружающую среду. Благодаря усилиям сотрудников Всесоюзного института легких сплавов (ВИЛС, Москва) и Всесоюзного института электротермического оборудования (ВНИИЭТО, Москва), начиная с 50х годов XX века, в Советском Союзе были разработаны и внедрены на заводах алюминиевой отрасли сотни индукционных нагревателей на промышленной частоте типа ОКБ и других. В основном использовались двух- трехслойные индукторы с относительно низким электрическим КПД, но в то же

время с общим КПД выше, чем у газовых печей. Большую роль для широкого распространения играла высокая скорость нагрева, хороший контроль, оперативный пуск установок и хорошие условия труда.

Большой вклад в теорию индукционного нагрева легких сплавов внесли Российские ученые Слухоцкий А.Е., Немков В.С,Рапопорт Э.Я.,Демидович В.Б., Кувалдин А.Б., Зимин Л.С., Тимофеев В.Н. и др.

Россия является лидером в производстве и обработки алюминиевых и титановых сплавов. Но общая проблема Российской экономики - низкая энергоэффективность -затрагивают алюминиевуюи титановую отрасли России,итребует проведенияих модернизации и повышения энергоэффективности. Это делает актуальной проблему создания теоретической базы для модернизации и разработки новых энергоэффективных технологий обработки легких сплавов и оборудования.

Цель и задачи исследования. Главной целью работы явилось создание теоретической базы для модернизации и разработки новых энергоэффективных технологий индукционного нагрева, плавки и разливки легких сплавов (ИН11РЛС).

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. разработка комплекса компьютерныхмоделей ИНПРЛСдля исследования и оптимизации устройств ИН11РЛС;

2. разработка стратегии повышения энергоэффективностиИНПРЛС за счет изменения конструкций индукторов и снижения потерь в обмотках индукторов;

3. разработка методов обеспечения прецизионного нагрева заготовок как способа снижения энергозатрат в индукционных установках;

4. оптимизация применения индукционного нагрева в технологиях тиксоформовки;

5. разработка метода индукционной безтигельной плавки титанапри нормальной окружающей атмосфере;

6. снижение энергозатрат при литье алюминия в электромагнитный кристаллизатор с экраном.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования

Исследования энергосберегающих технологий индукционного нагрева легких сплавов проводились с помощью компьютерного моделирования методами математической физики и вычислительной математики.

В качестве основного метода исследований индукционных систем был принят численный метод с разработкой и моделированием разнообразных систем на ЭВМ.

Достоверность используемых математических моделей подтверждена результатами математического моделирования, физическими и промышленными экспериментами.

Научные результаты, выносимые на защиту. Научные результаты и выводы обоснованы теоретически и подтверждаются результатами исследований при помощи моделирования на ЭВМ и практическим внедрением установок.

7. Комплекс математических моделей для расчета взаимосвязанных электромагнитных, температурных и магнито-гидродинамических полей в индукционных системах электромагнитной обработки легких сплавов.

8. Методика численной оптимизации конструкции индукторов и режимов нагрева УИН по критериям энергоэффективности и качеству нагрева заготовок из лег-

ких сплавов. Сравнительный анализ путей комплексного повышения энергоэффек-тивностиустройств электромагнитной обработки легких сплавов

3. Методика моделирования и оптимизации многослойных обмоток индукционных нагревателей алюминиевых сплавов

4. Метод прецизионного нагрева длинномерных изделий из легких сплавов в УИН перед обработкой давлением

5. Методика использования УИН в технологии тиксоформовки

6. Метод безтигельной плавки титановых сплавов в индукторах. Научное обоснование выбора частоты тока и режимов обработки

Научная новизна результатов исследования:

1. Разработан комбинированный метод численного расчета электромагнитного (ЭМ) поля в ИС нагрева, плавки, разливки легких сплавов, позволяющий учесть характеристики полупроводниковых источников питания и их влияние на частоту тока и мощность в системе и,в конечном счете, на температурное поле загрузки.

2. Выявлены особенности и разработана методика численной оптимизации пространственно многомерных индукционных систем (ИС) для нагрева, плавки и разлива легких сплавовс применением методов математического программирования.

3. Получены оптимальные по критерию энергоэффективностиконструкции многослойных индукторов для нагрева алюминия и его сплавов, двухслойные индукторы для прецизионного нагрева слитков разной длины в периодических индукционных нагревателях.

4. Выявлена существенная связь и влияние на качество нагрева электромеханической системы перемещения длинномерных заготовок с электротермической системой нагрева.

5. Теоретически обоснованы режимы индукционного нагрева заготовок из алюминиевых сплавов для технологии тиксоформовки.

6. Разработан метод безтигельной индукционной плавки титановых сплавов, теоретически обоснован выбор частоты тока индуктора и режимов электромагнитной обработки титановых заготовок.

Теоретическая значимость работы определяется созданием теоретической базы для исследований ИС нагрева, плавки и разливки; разработкой моделей для оптимизации широкого спектра ИС и выявлением критериев и параметров оптимизации. Применение комплексных компьютерных моделей с расчетом электромагнитных, температурных и магнитогидродинамических моделей позволило на строгой математической основе решать сложные задачи исследования и оптимизации ИС, выявить основные факторы, влияющие на качество нагрева и энергетические характеристики индукционных нагревателей.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

разработан комплекс программ численного расчета ИНПРЛС, который апробирован и вошел в проектную практику многих организаций;

проведена оптимизация УИН по критерию энергозатрат;

выработаны рекомендации по оптимальному проектированию УИН для различных технологий, в том числе для:

1. многослойных индукторов для нагрева алюминия;

2. индукционных нагревательных устройств прецизионного нагрева заготовок из титановых сплавов;

3. индукционных систем для тиксо-технологии;

4. индукционных систем для плавки титановых сплавов;

5. для непрерывного литья алюминия и его сплавов в электромагнитный кристаллизатор с экраном

Апробация и реализация результатов исследования. Результаты работы были доложены и обсуждены на следующих международных конференциях, симпозиумах, форумах и семинарах:\Ч Interational Conference on Computatiional Methods for Coupled Problems in Science and Engineering Coupled PROBLEMS 2015, 18 - 20 May 2015,San-Servolo, Venice, Italy; 5^l International Conference on Computational Problems of Electrical Engineering (CPEE 2014), Slovak Republic, 9-12 September 2014; Conference International Titanium Assotiation Europe 2014 Sorrento,May 19-21; International Conferenceon Heatingby Electromagnetic Sources, Padua, May 21-24- 2013; Международном молодежном форуме «Энергоэффективные электротехнологии», СПб, 2011 года; Всероссийской научно-техническая конференции с международным участием «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» АПЭЭТ-11, г. Екатеринбург, 2011 r.;HES-10 International Symposium Heating by Electromagnetic Sources, Padova, Italy, 2010 г.; XIII Международной конференция «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты» МКЭЭЭ2010, Алушта, 2010г.; 2-ой Международной конференции АРШ-09 «Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева», СПб., 2009 г.; Международной научно-практической конференции «Рациональное использование природного газа в металлургии», МИСиС, Москва, 2003 г.; семинаре «Машиностроение и обработка материалов» Политехнический симпозиум СПб. 2003г.; Международная научно-практической конференции «Материалы в автомобилестроении» Самара 2003г.; Научно-технической конференции «Электротехнологии-2003 (Эл-ТЕХ-2003)», СПб, 2003 г.; Международной технической конференции: Технология, Оборудование, Автоматизация, Неразрушающий контроль Процессов Нагрева и Упрочения Деталей на Машиностроительных Предприятиях, Минск, 2002 г.Научно-технической конференции СПТУ, Электротермия-2000, СПб. 2000г.; International Induction Heating Seminar, - Padua, 1998r.;ISEF-97, Proceedings of the International Conference, Gdansk, 1997 г.; Всероссийской конференции ЭТ-97, Электротехнология: сегодня и завтра, Чебоксары: Чувашский Ун-т,-1997 г.

Полученные в работе теоретические закономерности и практические результаты использованы:

при выполнении НИР в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по темам:

Разработка инновационных технологий обработки металлов в твердожидком состоянии для аэрокосмической отрасли (Государственный контракт № 14.740.11.9824 от «01» декабря 2010 г.);

Энергоэффективные инновационные технологии и оборудование прецизионного индукционного нагрева изделий из титановых и алюминиевых сплавов для аэро-

космической отрасли (Государственный контракт № 14.740.11.0951 от «29» апреля 2011 г.)

в проектно-конструкторских организациях и промышленных предприятиях: ФГУП ВНИИТВЧ, ООО РТИН, 000 ИНТЕРМ.

при выполнении хоздоговорных работ с ПАО "Корпорация ВСМПО-Ависма"

при выполнении работ по гранту «Разработка оборудования для технологии жидкотвердой обработки металлических изделий» (2004).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 47 печатных работ, в том числе 17 статей в журналах, рекомендованных ВАК: «Индукционный нагрев», «Литейщик России», «Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ"», «Электричество», «Электротехника», «Электрометаллургия», Известия академии наук «Энергетика». Опубликовано 6 статейв журналах, индек-сируемыхв Scopus и WebofScience. Также получены два патента на полезные модели.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и содержит 327 страниц текста, 143 рисунков 10 таблиц, список литературы из 217 наименований и приложений на 5 страницах.

Основные технологии индукционного нагрева при обработке легких сплавов

Легкие сплавы находят широкое применение в хозяйственном комплексе России. Под определением «легкие сплавы» подразумевают конструкционные материалы на основе металлов с малым удельным весом, таких как Al, Mg, Ті и Be. Они находят свое использование в самолето-, ракето- и судостроении, ядерной энергетике, строительстве, производстве бытовых изделий и т. д.

Легкие сплавы высокой прочности, обладающие хорошими высокотемпературными механическими свойствами необходимы для успешного развития промышленность страны.

Алюминиевые сплавы экономичны, легкодоступны, прочны при низких температурах и легко обрабатываемы (они легко куются, штампуются, пригодны для глубокой вытяжки, волочения, экструдирования, литья, хорошо свариваются и обрабатываются на металлорежущих станках). Благодаря образованию защитной оксидной пленки на поверхности они проявляют хорошую коррозионную стойкость в большинстве обычных агрессивных сред. Сплавы алюминия хорошо проводят тепло и электричество, немагнитны, обладают высокой отражательной способностью, взрывобезопасны (поскольку не дают искр), безвредны в контакте с пищевыми продуктами (поскольку продукты коррозии бесцветны, не имеют вкуса и нетоксичны), и хорошо поглощают ударные нагрузки. Такое сочетание свойств сплавов алюминия позволяет использовать их в качестве хороших материалов для легких поршней, при прокладке высоковольтных линий электропередачи, технологических и бытовых кабелепроводов, автомобиле- в вагоно-, и самолетостроении, в производстве осветительных отражателей, в пищевой промышленности, в качестве архитектурно-отделочных материалов.

Россия располагает большими запасами алюминиевых руд. Основное сырье, из которого осуществляется производство алюминия - бокситы (рисунок 1.1) находятся в Башкирии, Сибири, на Урале. Содержание А1203 в бокситах колеблется от 28 до 45%. Бокситы перерабатывают в алюминий поэтапно: сначала получают оксид алюминия (глинозем), а затем металлический алюминий (электролитическим способом в присутствии криолита).

Запасами нефелина (рисунок 1.2) славится Кольский полуостров. Крупнейшие в мире массивы нефелиновых горных пород находятся в Мурманской области (Хибинские горы, Ловозерские тундры и др.). В настоящее время их сырье используют Кандалакшский и Волховский алюминиевые заводы.

Из боксита с большими энергозатратами получают оксид алюминия А1203, который также называют глиноземом. Для производства одной тонны первичного алюминия с учетом потребления первичной энергии от разработки бокситов до получения глинозёма и готового продукта требуется 173111 МДж [9]. Поэтому растет интерес к производству вторичного алюминия, где в качестве исходного материала при этом используется металлолом. В этом случае производство обходится меньшим удельным потреблением энергии. Однако энергозатраты остаются большими. Рисунок 1.2- Нефелин

Проведенное сравнение различных методов плавки и перегрева до 750 С одной тонны алюминия [9] позволило определить техническую эффективность различных методов при плавке алюминия: для топливного нагрева эффективность 0,57; для индукционного нагрева - 0,79; идеальный вариант -1,00. Критерии оценки: малые инвестиционные затраты; малые энергетические затраты; низкая потребность в обслуживающем персонале; малая занимаемая площадь; низкая потребность в технологическом обслуживании; хорошая автоматизируемость; высокая гибкость; хорошая возможность интеграции; равномерное температурное распределение; высокая безопасность эксплуатации; высокая удельная мощность; быстрый нагрев; отсутствие дыма, пыли, шума, выделения теплоты; хорошее использование сырья; допустимость большого количества примесей в загружаемом материале; отсутствие отходов.

Таким образом, техническая эффективность индукционного нагрева позволяет широко использовать данную технологию в рассматриваемой области про 19 мышленности, при условии проведения оптимизации по критерию энергоэффективности. Показателем конструктивной прочности лёгких сплавов являются удельная прочность. Алюминиевые и даже магниевые сплавы уступают в отношении предела прочности и модуля упругости титановым сплавам. По удельной прочности они уступают только бериллиевым, а их плотность больше, чем всех других легких сплавов.

Титан — металл будущего (рисунок 1.3). Когда его будут добывать в большом количестве, произойдет революции в разных областях техники. Сплавы титана самые жароупорные, не боятся больших температур, не разъедаются кислотами и щелочами. Титан с добавкой ряда веществ образует сверхтвердый режущий сплав, немного уступающий алмазу.

Используют титановые сплавы в авиационной и космической промышленности для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (150-430С). Из титанованадиевых сплавов изготавливается легкая броня для кабин боевых самолетов. Главнейшее значение имеют титанованадиевые сплавы, отличающиеся высокой прочностью, ковкостью и свариваемостью. Титаналюминие-вованадиевый сплав - основной титановый сплав для реактивных двигателей и корпусов летательных аппаратов.

Разработка экономичных методов при моделировании электромагнитного поля устройств индукционного нагрева

Для полного математического описания процесса нагрева заготовок необходима постановка соответствующих начальных и граничных условий. Запишем в общем случае граничные условия, учитывающие теплообмен с окружающей средой излучением и конвекцией:

В качестве начальных условий наиболее часто используется равномерное распределение температуры по объему загрузки, равное температуре окружающей среды Тс. Решение уравнений (2.38) и (2.39) осуществляется методом конечных разностей. При индукционном нагреве металлов источники теплоты распределяются неравномерно как по длине, так и по радиусу заготовки. Для более точного учета источников теплоты целесообразно в зоне их концентрации пространственную сетку сгущать, т.е. использовать неравномерную сетку. Неравномерная сетка у поверхности заготовки позволяет также повысить точность задания граничных условий.

Модель индукционного нагревателя периодического действия включает в себя расчет нагрева заготовки от начальной температуры до требуемой конечной и расчет температурного поля в процессе транспортировки ее к деформирующему оборудованию. Программа расчета нагревателя периодического действия содержит четыре основных блока. В блоке 1 производится первичная обработка исходных данных, в том числе формирование пространственной сетки тепловой задачи, аппроксимация таблично заданных тепло- и электрофизических свойств, зависящих от температуры, установление эквивалентных граничных условий для тепловой задачи, учитывающих наличие футеровки, разбиение загрузки на элементы для электрической задачи.

Расчет электрических параметров системы и распределения источников теплоты производится в блоке 2. В блоке 3, исходя из информации, полученной после решения электрической задачи, осуществляется формирование массива внутренних источников теплоты в узлах пространственной сетки загрузки. Там же происходит задание соответствующих граничных условий для тепловой задачи, причем на торцах и поверхности заготовки условия теплообмена могут быть заданы разными. В результате решения электрической задачи находится плотность тока в элементах загрузки, которая аппроксимируется по радиусу в сечениях загрузки, совпадающих с центрами элементов. Это используется при нахождении массива внутренних источников теплоты в узлах пространственной сетки загрузки. Расчет температурного поля в заготовке, как с внутренними источниками теплоты, так и без них в процессе транспортировки производится в блоке 4. Кроме того, в этом блоке определяется мощность тепловых потерь с различных поверхностей заготовки. Набором соответствующих программных ключей при обращении к подпрограммам задается требуемый режим работы блоков.

В подробной либо краткой форме в зависимости от значения программного ключа, которое вводится в начале решения задачи, производится вывод информации. Информация о распределении полей источников и температуры выводится в виде массивов чисел или в графической форме.

После каждого шага по времени при решении тепловой задачи в программе предусмотрена проверка радиальных температурных перепадов. Если максимальный перепад превышает заданную величину, определяемую из условия ограничения термонапряжений, то происходит уменьшение мощности нагрева (увеличение числа витков индуктора или снижение напряжения на индукторе) и расчет осуществляется заново.

Для того чтобы учесть изменение электрических характеристик индукционной системы и мощности внутренних источников теплоты в процессе нагрева, температурный диапазон от начальной температуры Тн до конечной целесообразно разбить на р интервалов, в пределах которых электромагнитные параметры системы считаются неизменными. После каждого шага по времени в тепловой задаче происходит проверка, не превысила ли температура на поверхно 84 сти в средней части по длине заготовки Тор верхнего предела температурного интервала Тм. Если нет, то тепловая задача решается далее с прежними внутренними источниками теплоты, в противном случае происходит их пересчет. Для повышения точности электрический расчет производится исходя из некоторого среднего по времени температурного поля в следующем интервале, которое заранее неизвестно, но в первом приближении может быть определено как температурное поле в конце предыдущего интервала, просуммированное во всех узлах пространственной сетки заготовки с величиной 0,5 ДГ = 0,5(Tkh)/р. Очевидно, что такое допущение будет тем справедливее, чем ближе режим нагрева к квазистационарному.

В индукционных нагревателях непрерывного действия в отличие от установок периодического действия заготовки перемещаются в процессе нагрева и попадают в зоны с различными условиями теплообмена и различным распределением источников теплоты. При разработке моделей указанных устройств, принципиально возможны два подхода.

Первый, более общий, заключается в том, что моделируется работа индукционной установки, начиная с загрузки и кончая выходом на установившийся, ритмичный режим работы. Другой подход основан на первоначальном предположении о распределении температурных полей по длине столба заготовок в установившемся режиме. Согласно этому распределению температуры решается электрическая задача и находится распределение внутренних источников теплоты в любом положении заготовки в нагревателе. Далее рассчитывается температурное поле заготовки последовательно в каждом из ее положений в нагревателе, начиная с загрузки заготовки (обычно с начальным равномерным распределением температурного поля) и кончая выдачей ее из нагревателя и транспортировкой к деформирующему оборудованию.

В процессе решения запоминается распределение температуры по длине заготовок и сравнивается с первоначально заданным. Если расхождение превышает заданную погрешность, то происходит пересчет электрической задачи уже исходя из полученного распределения температуры и тепловой расчет повторяется. В программе непрерывного нагревателя с дискретным переталкиванием заготовок используются те же основные блоки, что и в программе расчета индукционного нагревателя периодического действия. Начальное распределение температуры по длине столба немагнитных заготовок T(z) при дискретном переталкивании целесообразно задавать в виде ступенчатой функции, а ступени определяются начальной (7) и конечной (7 ) температурами нагрева и числом заготовок JV:

В блоке 2 исходя из этого распределения температуры решается электрическая задача. В дальнейшем происходит расчет температурного поля заготовки в процессе нагрева и перемещения ее в нагревателе. Положение заготовки в нагревателе определяется индексом ns. Для каждого значения индекса берутся соответствующие внутренние источники теплоты и граничные условия на поверхностях заготовки. Для заготовки на выходе из индуктор (ns=N) проверяется соответствие температуры на поверхности (средней, либо в какой-нибудь точке, например, в среднем сечении) требуемой конечной температуре Тк. В случае, если полученная в результате расчета температура отличается от конечной температуры нагрева больше, чем на заданное значение, то в программе предусматривается два варианта дальнейшего расчета: первый - с изменением времени нагрева заготовки, второй - с изменением мощности нагревателя.

Пути снижения потерь электроэнергии в индукционных нагревателях

Таким образом, в случае многослойного индуктора максимум достигается при использовании трубки с минимальной высотой канала охлаждения. Так же, как и в случае с токопроводом из сплошного провода, рост КПД с увеличением числа слоев обмотки замедляется (рисунок 3.32). Для получения более высокого значения КПД нужно использовать трубку с более толстой стенкой и с минимально возможными размерами камеры охлаждения, в нашем случае это 4 мм. Тогда для каждого числа слоев в индукторе N можно определить оптимальную толщину токопровода, которую необходимо использовать при нагреве на частоте 50 Гц. В таблице 3.2 указаны оптимальные толщины для токопровода, изготовленного как из меди (р! = 2,0 Е-06 Ом см), так и из алюминия (р\ =2,8 Е-06 Ом см).

Чтобы сравнить энергетические показатели были проведены расчеты УИН для нагрева цилиндра из алюминия длиной 1 метр и диаметром 0,3 м (р2= 5,5 Е-06 Ом см). Длина индуктора 1 метр. Между загрузкой и внутренним слоем индуктора зазор 0,02 м. В случае многослойного индуктора максимум достигается при использовании трубки с минимальной высотой канала охлаждения. Так же, как и в случае с токопроводом из сплошного провода, рост КПД с увеличением числа слоев обмотки замедляется (рисунок 3.33). Для получения более высокого значения КПД нужно использовать трубку с более толстой стенкой и с минимально возможными размерами камеры охлаждения

Последний вывод позволяет сделать заключение, что при определенных условиях можно изготавливать индуктора из алюминиевых токопроводов с электрическим КПД не хуже, чем у индукторов из медной трубки. Тем самым появляется возможность снизить себестоимость индукторов. Количественная оценка снижения себестоимости для случая нагрева алюминиевых слитков приведена в [86].

Исследование и оптимизация многослойного индуктора с медным токопроводом прямоугольного сечения с несимметричным внутренним отверстием при нагреве алюминиевой загрузки

Исследование проводилось с целью установить влияние числа слоев намотки из трубки со смещенным отверстием на КПД системы индуктор - деталь. Эскиз модели многослойного индуктора показан на рисунке 3.34. На рисунке 3.35 параметры профиля медной трубки прямоугольного сечения со смещенным отверстием. Моделирование проводилось для индукторов, имеющих от 1 до 3 слоев намотки.

Эскиз многослойного индуктора, токопровод которого выполнен из медной трубки прямоугольного сечения со смещенным отверстием, с деталью

Результаты моделирования представлены в таблице 3.3 и на графике 3.36, как видно в данном случае использование многослойного индуктора нецелесообразно, так как приводит только к падению КПД, из-за увеличения потерь вследствие наведения вихревых токов во внутренних слоях токами во внешних слоев. Для увеличения КПД можно использовать биметаллический токопровод, состоящий из медной шины оптимальной толщины и приваренной или припаянной к ней камеры охлаждения из материала с высоким удельным сопротивлением [46, 85].

Параметры трубки Имя :ТиЬе1 Ширина трубки [мм]20Высота трубки [мм]зоГ" Радиус скругпения [мм] 17 Радиус скруглення [мм][То"Г Многожил. 1 Отверстие присутствует Ширина отверстия трубки [мм]16Высота отверстия трубки [мм]16W Радиус скруглення [мм]! 5 Сдвиг сгтверстия Ідвиг [мм]- /Ґ"\ U от центраС от внутреннего краяС от внешнего края ПопПря ;реч. сечение тvioyr. со скруглени убки:ям Частота [Гц] Расчет

Расчеты, аналогичные предыдущему пункту, были проведены для индуктора из алюминиевой трубки, результаты представлены на рисунке 3.37, характер результатов совпал с предыдущим расчетов. Также, было проведено сравнение результатов последних двух расчетов, как видно из рисунка 3.38, использование алюминиевой трубки вместо медной приводит к существенному падению КПД, около 5 - 6%.

По результатам моделирования многослойных индукторов, для нагрева алюминиевых заготовок на промышленной частоте, можно сделать следующие выводы. Оптимальным будет использование стандартной профилированной медной трубки для создания многослойного индуктора для нагрева алюминиевых заготовок диаметром более 100-150 мм, несмотря на меньшее значение КПД, чем при использовании токопровода без отверстия (рисунок 3.39). Это объяснятся тем, что в данной конструкции не возникает проблем с охлаждением индуктора, как в случае использования сплошного провода, а также уменьшает вес конструкции индуктора. Однако, при изготовлении индуктора для нагрева заготовок диаметром меньше 100 - 150мм, выгодней использовать в качестве токопровода трубку с несимметрично расположенным отверстием, так как в данном случаи такая конструкция будет иметь значительно более высокий КПД по сравнению со стандартной профилированной трубкой, при этом индуктор будет иметь всего один слой обмотки.

Также следует отметить, что для всех диаметров загрузки индуктор из трубки с несимметрично расположенным отверстием будет иметь более высокий КПД по сравнению с индуктором из стандартной профилированной трубки, если последний имеет 3 и менее слоев намотки (рисунок 3.40).

Оптимизация периодического нагревателя для нагрева алюминиевых слитков

В организации работы комплекса целесообразно использовать следующие этапы:

Формирование производственного задания, под которым следует понимать непрерывно выполняемое задание, характеризующееся заданным количеством и одним типом прессуемых заготовок, конфигурацией используемого оборудованием комплекса, номинальным режимом работы, сроком выполнения задания. «Одновременное» прессование заготовок разных типов связано с переналадкой оборудования и увеличением доли переходных режимов. Поэтому включать заготовки разных типов в одно производственное задание не целесообразно.

Анализ степени выполнения производственного задания. Очевидно, что если для выполнения производственного задания в систему введено недостаточное количество заготовок, то нужно вводить в систему заготовки и загружать ими выбранные для выполнения задания индукторы и печи. В противном случае ввод в комплекс заготовок с определенным в выполняемом задании типом нужно прекратить. Количество введенных в комплекс заготовок может быть больше количества заготовок, определенного в производственном задании в том случае, если часть введенных в комплекс заготовок выведено в передел.

Формирование очереди транспортировки заготовок (планирование процесса прессования). Для производственного задания и автоматически работающей транспортной системы с известными значениями всех характеристик процессов нагрева и транспортирования заготовок, а также требованиями к качеству их нагрева, можно рассчитать (смоделировать) очередь и характеристики процесса прессования заготовок. В голове этой очереди будут находиться наиболее подготовленные к прессованию заготовки, а в хвосте - менее подготовленные.

Рассчитанный процесс прессования (план, очередь заготовок) является оптимальным. Он полезен для определения расчетных показателей выполнения конкретного задания (длительности переходного режима, общего времени выполне 215 ния производственного задания, расчетных моментов времени включения оборудования, моментов времени готовности печей и индукторов для загрузки и др.), долгосрочного планировании работ. Фактическая очередность прессования заготовок (текущий план) для конкретного задания и фактическая база данных выполнения производственного задания строятся в реальном времени в процессе прессования.

Формирование текущего плана прессования. Прессование заготовок выполняется в соответствии с текущим планом выполнения задания. Часть текущего плана прессования заготовок может быть полностью выполнена (заготовки отпрессованы), часть - выполняться (заготовки введены в комплекс), а часть - подлежит выполнению (заготовки не введены в комплекс, но их ввод запланирован). Текущий план строится по некоторому алгоритму, реализующему разработанный сценарий работы комплекса. В результате текущего планирования формируется текущая очередь заготовок, проходящих из НХЗ к прессу посредством транспорт-но-нагревательной системы, а также управление (задания) подсистемами комплекса, реализующее эту очередь.

Коррекция текущей очереди вызвана действующими возмущениями. При этом выполненная часть текущего плана не может быть скорректирована. Место коррекции в очереди прессования заготовок определяется видом и местом приложения возмущения в транспортно-нагревательной системе комплекса. Возмущения типа изменения рабочего задания приводят к остановке или увеличению длительности работы комплекса. Возмущения типа неисправности оборудования и изменения его технологических параметров приводят к изменению (снижению) производительности комплекса, переформированию очереди прессования введенных в комплекс заготовок или к выводу заготовок в передел или в брак. При этом часть введенных в комплекс заготовок удаляется из очереди прессования, формируются очереди удаления заготовок из комплекса в передел.

Периодически, например, в начале цикла прессования, делается запрос базе данных процесса прессования: есть ли заготовки, готовые к прессованию? К таковым относятся заготовки, нагретые до температуры прессования и находящиеся в устройствах нагрева (печах) не больше заданного времени после достижения температуры прессования. Заготовки, находящиеся в устройствах нагрева сверх установленного времени прессованию не подлежат и выгружаются из них в передел.

Если готовые к прессованию заготовки есть, и их достаточно для выполнения (завершения) производственного задания, то из них формируется очередь транспортировки заготовок в пресс.

Если готовые к прессованию заготовки есть, но их недостаточно для выполнения (завершения) производственного задания или их нет, то анализируется состояние печей: готовность к работе, степень загруженности, температура, длительность нахождения в них заготовок. Если включенные в работу печи загружены, то ожидается готовность к прессованию находящихся в них заготовок. Если включенные в работу печи не загружены или загружены не полностью, а количество введенных в систему заготовок недостаточно для завершения выполнения производственного задания, то выдается задание на загрузку печей заготовками.

При наличии задания на загрузку печей анализируется состояние включенных в работу индукторов. Если индукторы загружены и нагревают заготовки, то ожидается готовность нагретых заготовок для их транспортировки в печь. Если индукторы не загружены или загружены не все, а имеющегося количества заготовок в индукторах недостаточно для завершения выполнения производственного задания, то выдается задание на загрузку свободных индукторов.

При наличии задания на загрузку индукторов анализируется состояние накопителя холодных заготовок. Если накопитель полностью загружен идентифицированными заготовками, то ожидается наличие вакантных мест в накопителе вследствие выгрузки из него заготовок в индукторы. Если накопитель не полностью загружен идентифицированными заготовками, а количество идентифицированных заготовок в накопителе недостаточно для завершения выполнения производственного задания, то выдается задание на загрузку накопителя заготовками и их идентификацию.