Введение к работе
Актуальность темы исследования. Опыт, накопленный со второй половины 30-х годов
XX в., в таких областях металлообработки, как поверхностная закалка и сквозной нагрев ме
таллов перед обработкой давлением, позволил уже в 50-е годы начать работы по крупномас
штабному внедрению индукционного нагрева (ИН) в металлургическую промышленность и
машиностроение. Тогда же или чуть позже появились первые книги по теории ИН металлов.
И только с развитием вычислительной техники в середине 70-х годов появились первые ста
тьи, посвящённые вопросам численного моделирования индукционных нагревателей. С тех
пор большое распространение приобрели электротепловые модели, отражающие наиболее
важные особенности ИН: взаимное влияние электромагнитных и температурных полей.
С развитием вычислительной техники менялись требования к программному обеспечению и принципы его разработки. Если в 70-е годы это были модели, которыми могли пользоваться только их разработчики, то уже в 80-е развитие персональных компьютеров привело к созданию моделей с «дружественным» интерфейсом, позволяющим пользователю, не знакомому с численными методами, только на основе физической постановки задачи вводить исходные данные и анализировать результаты расчетов. В 90-е годы произошел стремительный рост производительности компьютеров, созданных на платформе Intel, и широкое распространение системы Windows. Это позволило разрабатывать более сложные математические модели и повысить уровень информативности. Программы и программные комплексы стали неотъемлемым требованием при проектировании установок индукционного нагрева (УИН). Появление 64-битных многопроцессорных персональных компьютеров в начале
XXI в. характеризует очередной скачок в развитии вычислительной техники, освобождая
разработчиков моделей от большого количества технических ограничений. Исследователям
стали доступны коммерческих пакеты общего назначения для расчета полевых задач, такие
как ANSYS и т.п. К сожалению, появление коммерческих пакетов вызвало и негативную
тенденцию – не выдержав конкуренции, начали закрываться многие перспективные разра
ботки. Кроме того, ориентированные на широкое применение в различных областях науки и
техники коммерческие пакеты дают широкие возможности для исследовательской работы,
но часто плохо подходят для проектирования УИН, не до конца учитывая особенности про
текания технологического процесса. Таким образом, при проектировании УИН предпочти
тельно применять узкоспециализированные модели, которые отвечают всем современным
необходимым требованиям к интерфейсу пользователя и адекватности полученных результа
тов, с минимальными затратами времени на освоение, постановку задачи и расчет.
Анализ международных тенденций применения ИН показывает, что постоянно расширяется область его использования, разрабатываются новые технологии с применением ИН, укрупняются мощности установок, расширяется диапазон используемых частот переменного тока. В то же время эти изменения значительно увеличивают роль численного моделирования при разработке новой техники и технологий. Уровень мощности установок ИН в металлургической промышленности доходит до нескольких десятков мегаватт. В таких установках ошибки в проектировании (выделяемое время на проектные работы имеет тенденцию сокращаться) приводят к чрезвычайно неприятным и слишком дорогостоящим последствиям. В результате появляется необходимость достаточно точного расчета не только электромагнитных и температурных полей, но и других сопутствующих явлений и процессов в системе, а также учета при моделировании влияния других агрегатов в технологических линиях. Большая конкуренция со стороны других технологий (газовые печи и т.д.) усиливает необходимость и значение оптимального проектирования, управления системами ИН, которые невозможно реализовать на современном уровне без компьютерного моделирования.
Применение математических моделей для моделирования УИН позволяет значительно развивать теорию индукционного нагрева. Этому способствует то, что благодаря численному моделированию появилась возможность исследовать не только отдельные аспекты проявления электромагнитных, тепловых и других эффектов в УИН, но и разрабатывать комплексные модели, учитывающие неразрывную связь разнообразных нелинейных сопряженных явлений и процессов. Констатируя этот факт, школа индукционного нагрева СПбГЭТУ ЛЭТИ в
начале XXI в. выдвинула тезис: «уровень развития моделирования индукционных нагревателей и технологических процессов с использованием индукционного нагрева определяет уровень развития теории индукционного нагрева».
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка теоретических основ математического моделирования нелинейных сопряженных электромагнитных и температурных полей, напряженно-деформированного состояния при электромагнитной обработке металлов и их сплавов и исследования на базе разработанных программных комплексов технологических линий с применением ИН.
Для достижения указанной цели в работе были решены следующие задачи:
-
Разработаны математические модели нелинейных сопряженных электромагнитных и тепловых полей, а также напряженно-деформированного состояния при электромагнитной обработке металлов и их сплавов;
-
Разработаны методы и алгоритмы программной реализации математических моделей технологических комплексов с применением индукционного нагрева;
-
Создан комплекс программ для исследования, проектирования и управления непрерывными процессами электромагнитной обработки стальных изделий с произвольной формой поперечного сечения;
-
Проведена верификация разработанных моделей и программных средств;
-
Полученные результаты внедрены в производство, исследовательскую работу и учебный процесс.
Научная новизна результатов исследования.
– Разработан комбинированный метод моделирования трехмерных электромагнитных и температурных полей в линиях непрерывной обработки металлов и их сплавов с произвольной формой поперечного сечения с учетом изменяющейся частоты источника питания;
– Разработаны математические модели нелинейных сопряженных электромагнитных и тепловых полей, а также напряженно-деформированного состояния при электромагнитной обработке металлов и их сплавов;
– Разработаны математические модели для анализа переходных процессов в линиях непрерывной обработки металлов и их сплавов с применением индукционного нагрева;
– Разработана методика проектирования и управления технологическими комплексами индукционного нагрева с использованием созданных моделей;
– Разработан и теоретически обоснован способ индукционного нагрева длинномерных изделий с возвратно-поступательным движением заготовки.
Теоретическая значимость работы определяется созданием теоретической базы для исследований систем индукционного нагрева, встроенных в технологические комплексы термообработки, а также разработкой на этой базе численных моделей для проектирования, оптимизации и управления комплексами индукционного нагрева. Применение разработанных численных моделей электромагнитных, температурных полей и напряженно-деформированного состояния позволило на строгой математической основе решить сложные задачи исследования, проектирования, оптимизации и управления индукционными системами и выявить основные факторы, которые влияют на качество нагрева и энергетические характеристики индукционных нагревателей в технологических комплексах термообработки.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
– Создан комплекс программ для исследования, проектирования и управления процессами электромагнитной обработки металлов и их сплавов с произвольной формой поперечного сечения, апробированный и вошедший в практику многих проектных организаций, для которого получены свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ;
– Создан комплекс программ для исследования переходных процессов в линиях непрерывной обработки металлов и их сплавов с применением индукционного нагрева, для которого получены свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ;
– Разработана методика проектирования и управления технологическими линиями с применением индукционного нагрева, и на ее основе выработаны рекомендации по оптимальному проектированию УИН в технологических комплексах термообработки;
– Разработан способ индукционного нагрева длинномерных изделий, подтвержденный патентом РФ №2333618;
– Разработаны новые конструкции индукторов для подогрева стального сляба, подтвержденные патентами РФ №2272367 и №2286394;
– Разработано устройство для поверхностной закалки кольца подшипников, подтвержденное патентом РФ №2477757;
Методология и методы исследования. Исследования электромагнитных, температурных полей и напряженно-деформированного состояния, а также интегральных параметров систем индукционного нагрева проводилось методами математической физики и вычислительной математики. Разработанные математические модели основываются на численных методах конечных элементов, конечных разностей и интегральных уравнений.
Достоверность и обоснованность полученных результатов, представленных в диссертационной работе, подтверждается сравнением полученных результатов с экспериментальными и опубликованными в научной печати, перекрестными расчетами с применением различных сертифицированных программ, а также внедрением в производство индукционных установок, разработанных на основе этих результатов.
Основные положения, выносимые на защиту. Научные результаты и выводы обоснованы теоретически и подтверждаются результатами исследований при помощи численного моделирования и практическим внедрением установок.
-
Теория моделирования нелинейных, сопряженных электромагнитных и температурных полей, напряженно-деформированного состояния при электромагнитной обработке металлов и их сплавов.
-
Метод моделирования трехмерных электромагнитных и температурных полей в линиях непрерывной обработки стальных изделий с произвольной формой поперечного сечения с учетом изменяющийся частоты источника питания.
-
Моделирование и исследование электромагнитных и температурных полей в технологических комплексах термообработки с применением индукционного нагрева.
-
Методика проектирования и управления технологическими комплексами индукционного нагрева с использованием разработанных моделей.
Внедрение результатов. Полученные в работе теоретические закономерности и практические результаты диссертационной работы применялись в рамках НИР межотраслевой лаборатории «Современные электротехнологии» (МОЛ СЭТ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ»:
– При выполнении НИР по заданию Министерства по образованию 2004-2006 гг. «Разработка теоретических основ и математических моделей воздействия высокочастотных электромагнитных полей на сложные анизотропные структуры». Регистрационный номер НИР 1.9.04;
– При выполнении НИР по заданию Федерального агентства по образованию на 2006-2007 гг. «Разработка общей теории взаимодействия электромагнитного поля с веществом при различных агрегатных состояниях в диапазоне частот колебаний от десятков герц до десятков мегагерц» Регистрационный номер НИР 1.12.06;
– При выполнении НИР по заданию Федерального агентства по образованию на 2007-
2008 гг. «Разработка обобщенной теории взаимодействия высокочастотного
электромагнитного поля на вещество при условии высоких уровней передаваемой энергии и
нестационарных процессах в веществе». Регистрационный номер НИР 1.6.07;
– При выполнении НИР в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по темам «Энергоэффективные инновационные технологии и оборудование прецизионного индукционного нагрева изделий из титановых и алюминиевых сплавов для аэрокосмической отрасли» (Государственный контракт №14.740.11.0951) и «Разработка теоретических основ устойчивости процессов бесконтактной передачи высокоинтенсивных потоков электрической энергии в вещество» (Государственный контракт №14.740.11.0824);
– При выполнении НИР по хозяйственному договору СЭТ-38 от 01.06.2016 - 31.12.2016 «Разработка электротепловых моделей в среде проектирования и управления индукционной закалкой валков прокатных станов».
Созданное программное обеспечение применялось в процессе проектирования индукционного оборудования ООО «РТИН» совместно с ФГУП «ВНИИТВЧ» при внедрении следующих установок с участием автора:
– Установка для нагрева изделий из сплавов титана, внедрена на ОАО ”Корпорация ВСМПО-АВИСМА” (г. В. Салда);
– Индукционная установка для нагрева прутков перед пластической обработкой, внедрена на предприятии ООО «ММК-Метиз» (г. Магнитогорск);
– Индукционная установка для нагрева стальной холоднокатаной ленты, внедрена на предприятии ООО «Строй-Профиль» (г. Орел).
Разработанное программное обеспечение для расчета и проектирования индукционных нагревателей используется или использовалось в проектно-конструкторских организациях и промышленных предприятиях: ФГУП ВНИИТВЧ, АО «ВНИИТВЧ», ООО «НПП Новтех-СПб», ЗАО РЭЛТЭК, ООО РТИН, ООО ИНТЕРМ.
Результаты работы используются в учебном процессе для подготовки магистров по направлению 13.04.02 – «Электроэнергетика и электротехника» по программе «Электротехнологии» в дисциплине «Численные методы в теории электромагнитной обработки материалов» (СПбГЭТУ «ЛЭТИ»).
Разработанное программное обеспечение для расчета и проектирования УИН используется или использовалось ведущими зарубежными компаниями: Ajax Tocco Magnethermic Corp., Inductotherm Corp., Inductoheat Corp., Radyne Corp., Estel и т.д.
Результаты работы были использованы при проектировании индукционной установки подогрева толстых стальных слябов для Geneva Steel (Provo, Utah, USA) мощностью 42 МВт и агрегата горячего цинкования производительностью 350000 тон/год на Hertland Steel (Terre Haute, Indiana, USA).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XIV International Conference on Computational Plasticity. Fundamentals and Applications COMPLAS 2017, 5-7 September 2017, Barcelona; 18th International Congress UIE, Hanover, 6-9 June, 2017; 2nd International Scientific Symposium. SPITSE, St.Petersburg, 2015; Proceedings of the 6th International Conference on Coupled Problems in Science and Engineering COUPLED PROBLEMS 2015; 6th International Conference on Electromagnetic Processing of Materials (EPM 2009), Dresden (Germany), 19-23, октябрь, 2009; APIH-09 Актуальные проблемы индукционного нагрева, С.-Петербург, Май, 2009; International Symposium Heating by Electromagnetic Sources (HES-07), Padua (Italy), June 19-20-21-22, 2007; Актуальные проблемы ресурсо- и энергосберегающих технологий, Екатеринбург, 2006; CEM 2006 - Sixth International Conference on Computation in Electromagnetics, Aachen (Germany), 4 - 6 April 2006; APIH-05 Actual problems of induction heating (research and applications), С.-Петербург, Май, 2005; Международная техническая конференция “Технология, Оборудование, Автоматизация, Неразрушающий Контроль Процессов Нагрева и Упрочнения Деталей На Машиностроительных Предприятиях”, Минск, 2005; Aims for future of engineering science 2004, proceedings, Paris; Международная научно-техническая конференция “Современные проблемы и достижения в области сварки, родственных технологий и оборудования”, СПб, 26-27 мая 2004 г.; Политехнический симпозиум Молодые Ученые - Промышленности Северо-Западного Региона, СПб 2004 г.; International Semposium on Heating by Electromagnetic Sources, Padua (Italy), June 22-25, 2004; Материалы конференции “Материалы в автомобилестроении”, Тольятти, 2003 г; Политехнический симпозиум Молодые Ученые -Промышленности Северо-Западного Региона, СПб 2003 г.; 6th international symposium on electric and magnetic fields (EMF 2003), Aachen (Germany), 6-9 October 2003; Международная научно-практическая конференция «Рациональное использование природного газа в металлургии», МИСиС, 2003; Международная научно-техническая конференция ЭЛТЕХ-2003. – С.-Петербург, Апрель, 2003г; 2-я Международная научно-практическая конференция “Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии”, Москва, МИСиС, 2002г.; Международная техническая конференция “Технология, Оборудование, Автоматизация, Неразрушающий Контроль Процессов Нагрева и Упрочнения Деталей На Ма-
шиностроительных Предприятиях”, Минск, 2002; International Seminar Heating by Internal Sources, Padua (Italy), September, 2001; ELTECH-01, С.-Петербург, Апрель, 2001; Proceedings of the 9th International IGTE Symposium on Numerical Field Calculation in Electrical Engineering, September 2000, Graz, Austria; Proceedings of 5th International Symposium on Electric and Magnetic fields (From Numerical Models to Industrial Applications), Ghent (Belgium), 17-19, May, 2000; Электротермия-2000, Технологический университет, июнь, Санкт-Петербург, 2000; EMP2000, Japan, april,2000; ВЭЛК, Москва, июнь, 1999; International Colloquium Modelling of Material Processing,Riga, May 28-29, 1999; 43rd International Scientific Colloquium Technical University of Ilmenau September 21-24, 1998; International Induction Heating Seminar, Padua, May 1998; Надежность механических систем, Самара, 1995.
Работа над диссертацией поддержана грантами правительства Санкт-Петербурга:
– «Теоретические и экспериментальные исследования систем индукционного нагрева заготовок для технологии твердожидкой формовки» (2003 г.);
– «Исследование технологии улучшения сварных швов трубопроводов атомных электростанций» (2004 г.);
и советом по грантам президента Российской Федерации:
– «Численное моделирование трехмерных сопряженных электромагнитных и термомеханических полей в нелинейных проводящих средах» (2005-2006 гг.).
Публикации по теме диссертации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 59 научных работах, среди которых: 16 статей – в изданиях, рекомендованных в перечне ВАК, 24 работы – в материалах и трудах международных и всероссийских научно-технических конференций, 4 патента на изобретение и 11 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ, также 4 монографии. Из перечисленных выше 5 статей индексируется в базе данных SCOPUS.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 159 наименований и 5 приложений. Работа изложена на 298 листах машинописного текста, содержит 134 рисунка и 14 таблиц.