Содержание к диссертации
Стр.
Введение ...... 4
Построение математической модели проходного индукционного нагревателя . . 12
Современное состояние вопроса 12
Электрический расчет .......... 25
Тепловой расчет 41
Модель стационарного режима проходного
нагревателя 50
2.5. Выводы по главе 55
3. Проверка адекватности математических моделей и
исследование индукционных нагревательных систем . . 57
Проверка точности теплового расчета 59
Проверка точности внутренней электрической
задачи 65
Экспериментальное исследование распределения мощности по длине загрузки и проверка метода намагничивающих сил ....... 76
Исследование краевого эффекта ферромагнитного цилиндра при индукционном нагреве . . 92
Выводы по главе 109
4. Расчетное проектирование проходных индукционных
нагревателей 112
Задачи расчетного проектирования и разработка управляющей программы для проведения интерактивного проектирования . . 112
Проектирование нагревателей обычного типа .... 118
Проектирование нагревателей ускоренного типа . . . 125
Стр.
4,4. Выводы по главе 145
5. Моделирование электротепловых процессов в
проходном нагревателе с индуктором-спрейером .... 147
Особенности построения теплового расчета в зоне интенсивного охлаждения 149
Расчет температурного поля с учетом осевого
перетока тепла 153
Система конечно-разностных уравнений для стационарного двумерного температурного поля в движущейся трубе и решение ее методом Ньютона . . 158
Злектротепловой расчет системы с индуктором-трансформатором (концентратором) 177
Выводы по главе 185
6. Заключение 187
Литература 190
Приложение 1 198
Приложение 2 200
Введение к работе
В настоящее время в кузнечно-штамповочном и металлургическом производствах наряду с другими видами нагревательного оборудования широкое распространение получило индукционное оборудование.
Так нагрев заготовок под пластическую деформацию на гидравлических и кривошипных прессах, молотах и ковочных вальцах осуществляется в большинстве случаев на серийных кузнечных индукционных нагревателях типа КИН и установках типа ИК мощностью от 250 до 750 кВт и частотой тока 1000, 2400 и 10000 Гц. Производительность этих нагревателей достигает 2 Т/ч. Заготовки перемещаются с помощью толкателя, который, совершая возвратно-поступательные движения, продвигает их из лотка механизма загрузки в индуктор. Нагреватель обычно состоит из одного нагревательного блока. При больших производи-тельностях нагреватель состоит из ряда, выставленных по одной линии, типовых нагревательных блоков, содержащих конденсаторы, несколько секций индуктора, тянущие ролики с их приводом, элементы системы охлаждения. Заготовки непрерывно продвигаются с помощью тянущих роликов через нагреватель. Такие нагреватели будем называть проходными, которые можно рассматривать как частный случай нагревателей непрерывного действия.
Среди нагреваемых заготовок широко распространены цилиндрические заготовки, для нагрева которых чаще всего используются цилиндрические нагреватели (могут быть использованы и другие нагреватели, например, индукционные печи карусельного типа), рассматриваемые далее.
При больших производительностях нагреватель является, как правило, проходным. Приведем примеры, в которых использу-
ются проходные нагреватели.
Несмотря на то, что прессы, молоты и ковочные вальцы еще широко применяются в кузнечно-штамповочном производстве и налажен серийный выпуск нагревательного оборудования к ним, это ковочное оборудование сегодня уже не отвечает современным требованиям всевозрастающей производительности, качества изделий, экономии энергоресурсов и металла. Этим требованиям отвечают высокопроизводительные горяче-штамповочные автоматы ведущих зарубежных фирм типа Вагнер, Хатебур, Бирвелко и др. Для работы на этих автоматах заготовки не режутся предварительно на мерные отрезки. Штамповка осуществляется при непосредственной подаче в автомат нагретых длинномерных прутков и штанг, выходящих прямо из нагревателя в рабочий орган автомата, где происходит одновременно отрезка заготовки необходимой длины и пластическая деформация ее для получения нужной формы. При этом нагреватель и штамповочный автомат работают как единый агрегат. Описанные автоматы уже освоены отечественной промышленностью в комплекте с индукционными нагревателями и успешно внедрены на заводах по производству подшипников; на гаЗЗ-8 (Харьков), ГПЗЗ-9 (Куйбышев), ГПЗЗ-11 (Минск), ГПЗЗ-15 (Волжский), ГПЗЗ-23 (Вологда) и на целом ряде других заводов.
Кроме мощных горяче-штамповочных автоматов промышленностью освоены и выпускаются высокопроизводительные автоматы малой и средней мощности для технологических процессов массового производства мелких деталей, таких как гайки, заклепки и др. ВГОШТВЧ им.В.П.Вологдина спроектирован типовой блок-модуль мощностью 250 кВт на частоты тока 1000, 2400, 4000 и 10000 Гц. На базе блоков-модулей уже разработаны, освоены промышленностью и внедрены в производство индукционные уста-
_ 6 -
новки мощностью 250, 500, 750, 1000, 1500, 3250 кВт, но этим ряд установок по мощности не ограничивается, так как постоянно увеличивается производительность автоматических линий и комплексов и, следовательно, требуются более мощные установки.
Решениями ХХУ1 съезда КПСС предусматривается техническое перевооружение кузнечно-штамповочного производства (КОШ), направленное на существенное повышение производительности труда, рациональное расходование и экономию материальных и трудовых ресурсов, комплексную автоматизацию и механизацию трудоемких процессов. Одним из направлений развития КШП является создание высокопроизводительных специализированных кузниц, комплектующихся автоматизированными высокомеханизированными комплексами, замыкающими в себя технологический цикл изготовления от нагрева заготовки до выдачи готовой продукции. При этом к нагревательному оборудованию предъявляются требования: компактности конструкции, быстродействия, максимально возможной автоматизации для дальнейшего встраивания его в автоматические линии. Этим требованиям отвечает индукционное нагревательное оборудование, в частности, для оснащения поточных линий-комплексов на базе кривошипных горячештамповочных прессов (КППП). В 1979 году ВНИИТВЧ им.В.П.Вологдина совместно с производственным объединением "Воронежтяжмехпресс" приступили к разработке и промышленному освоению специализированных индукционных установок типа ИНТ производительностью от 5 до 8 Т/ч в составе автоматических линий для обеспечения нагрева заготовок до температуры 1250С /1/ перед обработкой на КШП усилием от 10000 до 63000 кН. При разработке гаммы специализированных установок сокращение габаритных размеров с обеспечением основных энергетических параметров явилось первосте-
пенной задачей. Для этого применена схема ускоренного нагрева, потребовавшая непрерывной подачи заготовок через нагревательные блоки, то есть разрабатываемые нагреватели являются проходными.
В металлургической промышленности индукционные проходные нагреватели для нагрева трубных заготовок перед редуцированием и калибровкой оказались наиболее подходящими. По сравнению с газовыми печами они имеют следующие преимущества /2/:
в 5-6 раз меньшие габариты по длине, что упрощает их установку в линии агрегата;
высокую надежность; это преимущество - одно из самых важных для высокопроизводительных линий, каковыми являются трубопрокатные агрегаты и трубосварочные станы;
постоянную готовность к работе и оперативность;
почти полное отсутствие окалины, что повышает срок службы клетей стана и уменьшает потери металла;
легкость автоматизации поддержания и изменения режима нагрева и его согласования с режимами работы редукционного стана и агрегатами, расположенными до нагревателя.
Термообработка сортового проката при нагреве индукционным способом оказалась значительно эффективнее по сравнению с термообработкой в пламенных и электрических печах. При этом также используются проходные нагреватели.
Задача расчетного проектирования индукционного нагревателя является сложной, так как сложный характер носят взаимосвязанные электрические и тепловые процессы, протекающие в нагревателе, достаточно точное моделирование которых стало возможным только с помощью ЭВМ. Первыми были разработаны математические модели для нагревателей типа КИН. Они входят в разрабатываемую во ВНЙИТВЧ систему автоматизированного проек-
- 8 -тирования кузнечных индукционных нагревателей - САПР КИН /3/, которая создается в соответствии с приказом Министерства электротехнической промышленности № 248 от 22,05.80 и план-нарядом комплексного плана по проблеме "Автоматизация". Разработка САПР КИН связана с большим числом заказов на модернизацию старых и разработку новых нагревателей непрерывного действия. Первые модели построены на приближенных методах расчета, не являются универсальными и не приспособлены для проектирования в полном объеме проходных нагревателей: в них не учитывается то, что электропитание нагревателя может осуществляться от нескольких индивидуальных источников мощности; невозможно рассчитывать режим нагрева при сложном соединении секций индуктора, в частности режим ускоренного нагрева, широко применяемый в рассматриваемых нагревателях. Поэтому проектирование проходных нагревателей до недавнего времени проводилось при частичном, ограниченном использовании ЭВМ: для расчета режима отдельных частей нагревателя.
Возрастающие масштабы производства во всех развитых странах вызывают постоянный рост производства индукционных нагревательных установок /4/, в частности, проходных нагревателей. Так в последние годы как в нашей стране, так и за рубежом, наряду с выпуском серийных индукционных нагревателей, все большее значение приобретает разработка установок большой мощности индивидуального назначения, к которым предъявляются высокие требования по качеству и экономичности нагрева. Требования к проектированию таких установок повышаются, так как возможностей доводки или исправления ошибок в последующих экземплярах здесь нет. Проведение же полномасштабных натуральных экспериментов с целью получения информации, облегчающей проектирование, затруднительно и экономически невыгод-
_ 9 -но.
В этих условиях качественное проектирование проходных индукционных нагревателей возможно только при использовании более точных математических моделей процессов нагрева и при проведении его с помощью ЭВМ в рамках САПР КИН.
Целью работы являлось:
построение электротепловых моделей цилиндрических индукционных нагревателей стальных заготовок, учитывающих сложный характер соединения секций индукторов и нелинейные зависимости свойств нагреваемого металла от температуры и напряженности магнитного поля;
построение подсистемы, позволяющей в процессе расчетного проектирования проектировщику проходных индукционных нагревателей оперативно анализировать полученные результаты и проводить выбор новых параметров индуктора, то есть реализовать интерактивное проектирование в рамках САПР КИН;
разработка методического обеспечения САПР для проведения рационального проектирования проходных индукционных нагревателей разных типов с целью уменьшения материальных затрат на макетирование и сокращения сроков проектирования;
исследование электромагнитных и тепловых параметров индукционных систем, в том числе краевого эффекта при индукционном нагреве ферромагнитных цилиндрических тел;
При разработке уточненных моделей электротепловых процессов в системе индуктор-заготовка необходимо было опереться на наиболее эффективные и апробированные методы решения электромагнитной и тепловой задач. При решении электромагнитной задачи эффективно разделение ее на внешнюю и внутреннюю. Во внутренней задаче определяется распределение электромагнитных параметров внутри нагреваемого тела при заданных гранич-
- 10 -ных условиях на его поверхности. Для этого удобнее всего воспользоваться методами: конечных элементов /5/ или конечных разностей /6/. Из-за простой геометрической формы объекта предпочтение отдано методу конечных разностей. Из решения внешней электрической задачи определяется распределение электромагнитного поля в пространстве вокруг нагреваемого тела. Здесь используются аналитические и численные методы, основанные на интегральной постановке задачи /7/. Сшивание решений внешней и внутренней электрических задач проводится через постановку импедансных граничных условий на поверхности нагреваемого тела /8/.
Актуальность работы подтверждается тем, что проектирование конкретных нагревателей связано с рядом постановлений партии и правительства: Совета Министров СССР от 03.08.78 № 660, ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 12.03.81 №264 "0 мерах по повышению эффективности производства и использования металлопродукции из черных металлов в 1981-1985 годах", ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 29.06.81 № 609 "Комплексная программа развития производства и технического переоснащения Новосинеглазовского комбината строительных конструкций" - научно-техническая проблема 0.Ц.006.
Диссертация состоит из 5 разделов. Во введении показана актуальность, сформулированы задачи работы и основные положения, выносимые на защиту. Во втором разделе рассмотрены имеющиеся модели для расчета и проектирования проходных индукционных нагревателей, обоснована необходимость разработки более совершенной модели и построена численная модель стационарного режима проходного нагревателя. Третий раздел посвящен проверке точности основных подпрограмм, входящих в модель, и исследованию индукционных нагревательных систем. В четвертом раз-
- И -деле описываются: 1) подсистема "запрос-ответ", обеспечивающая управление пользователем процессом проектирования проходных индукционных нагревателей в интерактивном режиме; 2) алгоритмы и примеры проектирования нагревателей обычного и ускоренного нагрева. Пятый раздел посвящен разработке и исследованию электротепловых моделей проходных нагревателей с ин-дуктором-спрейером, широко используемых при гибке и термообработке сплошных и полых цилиндрических изделий.
На защиту выносятся следующие положения:
метод построения математических моделей индукционных нагревателей, основанный на решении внешней электрической задачи интегральным способом, а внутренней электротепловой -конечно-разностным или аналитическим способом и стыковке этих решений через постановку импедансных граничных условий на поверхности загрузки;
алгоритм и программа для моделирования стационарного режима проходных индукционных нагревателей цилиндрических стальных тел с учетом сложного характера соединения секций и нелинейной зависимости свойств нагреваемого тела от температуры и напряженности магнитного поля;
результаты исследования электромагнитных и тепловых параметров индукционных систем, в том числе краевого эффекта при индукционном нагреве ферромагнитных цилиндрических тел;
алгоритмы и программы для моделирования электротепловых процессов при непрерывном индукционном нагреве и спрейерном охлаждении полых цилиндров под гибку и термообработку;
методика использования моделей для автоматизированного проектирования проходных индукционных нагревателей.
- 12 -2. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОХОДНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВАТЕЛЯ
