Разработка методики расчета индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями Васильев Сергей Александрович

Введение к работе

Актуальность проблемы

Проведение прецизионных и высокотемпературных технологических процессов с различными материалами, в том числе тугоплавкими, радиоактивными и полупроводниковыми, с получением конечного продукта высокого качества за один переплав успешно реализуется в индукционных печах с так называемым холодным тиглем (ХТ). Это достигается благодаря сочетанию особенностей плавки (отжатие от стенок тигля и циркуляция расплава) и исключением загрязнения расплава материалом металлического секционированного во- доохлаждаемого тигля. Такие печи применяются в авиакосмической, автомобильной, химической, электронной и других отраслях промышленности. Диапазон их технических характеристик весьма широкий: рабочая температура до 3000 ^оС; внутренний диаметр тигля 60-600 мм; частота 0,05-30 кГц (плавка металлов, сплавов и полупроводников) и 0,5-10 МГц (плавка оксидных материалов); потребляемая мощность 60-2000 кВт и более; производительность и удельный расход электроэнергии зависят от технологического процесса и расплавляемого материала.

Холодный тигель также может использоваться в индукционных печах с керамическим тиглем в качестве защитного теплового экрана (ТЭ). Такой экран размещается между тиглем и индуктором, защищая последний от возможного прохода расплава через керамический тигель при его повреждении и тем самым значительно повышая надёжность печи.

Печи с керамическим тиглем широко используются для плавки чёрных и цветных металлов: рабочая температура до 1700 ^оС, ёмкость тигля 60-2500 кг, частота 0,05-10 кГц, потребляемая мощность 100-1600 кВт.

Распространение индукционных печей с ХТ (ТЭ) сдерживается дополнительными электромагнитными потерями в этих элементах (до 40% подводимой к индуктору мощности) и, следовательно, большим расходом охлаждающей их воды (не менее 0,25 л/с на секцию).

В связи с этим задача разработки методики расчёта индукционных печей с холодным тиглем (ИПХТ) и тепловым экраном (ИТП с ТЭ) с улучшенными за счёт подбора параметров секций тигля или экрана энергетическими показателями и, следовательно, уменьшенным расходом охлаждающей воды является весьма актуальной.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является разработка методики расчёта индукционных печей с металлическим секционированным водоохлаждаемым тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.

В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

1. Анализ существующих конструкций и методов расчёта индукционных печей с металлическим тиглем (экраном).

2. Разработка трёхмерной математической модели индукционной печи с металлическим секционированным тиглем (или экраном) с изменяемыми параметрами (число, материал и профиль секций) в программе ANSYS.

3. Исследование параметров модели и выработка рекомендаций по работе с ней, проверка адекватности.

4. Исследование с помощью модели влияния геометрических и электрофизических параметров холодного тигля на энергетические характеристики печей.

5. Разработка методики расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.

Соответствие темы исследования паспорту специальности «Электротехнология» - 05.09.10

5. 1. Развитие общей теории электротехнологических комплексов и систем, изучение системных свойств, связей и механизмов протекания процессов, их физическое, математическое и компьютерное моделирование.

   2. Обоснование совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнологических комплексов и систем.

   Методы научных исследований

   Для решения электромагнитной задачи в диссертационной работе использовался программный пакет ANSYS, основанный на методе конечных элементов численного моделирования. Разработка программы для формирования расчётного файла математической модели в ANSYS осуществлялась в среде Delphi. Для проведения поверочных расчётов был применён программный комплекс Mathcad. Адекватность модели проверялась с использованием экспериментальных данных.

   Научная новизна

   1. В программном пакете ANSYS разработана трёхмерная математическая модель электромагнитных процессов в индукционных печах с секционированным холодным тиглем или тепловым экраном, которая позволяет проводить исследования с количественной оценкой по влиянию параметров секций (число, материал и профиль) на электромагнитные потери.

   5. 2. 1. С помощью модели исследовано влияние геометрических и электрофизических параметров тигля (экрана) на энергетические показатели печей. Предложен алгоритм по подбору числа секций, определена область эффективного применения разреза (уменьшение электромагнитных потерь в 2,5-5 и более раз): медные секции - стенка 4 мм (стандартный арочный профиль) для частот 50-500 Гц, стенка 1-2 мм для частот от 50-2400 Гц; секции из нержавеющей стали при толщине стенки 1-4 мм для частот 0,05-10 кГц.

         2. Разработана методика расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.

         Практическая ценность результатов работы

         5. 2. 2. 1. Разработанная методика расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном позволяет подбирать параметры секций (число, материал и профиль) таким образом, чтобы уменьшить электромагнитные потери в них в 2,5-5 и более раз в зависимости от диаметра тигля (экрана) и рабочей частоты. В результате энергетические показатели этих печей могут быть существенно улучшены и, следовательно, уменьшен расход охлаждающей воды.

                  2. Разработана программа DateForA в среде Delphi для формирования расчётного файла трёхмерной математической модели исследуемых печей. Программа имеет простой и удобный интерфейс, освобождает пользователя от профессионального знания ANSYS, что позволяет легко встроить разработанную методику в процесс проектирования этих печей.

                  Достоверность полученных результатов

                  Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается применением современных средств численного моделирования электромагнитных задач в пакете ANSYS, а также путём сравнения расчётных данных с результатами эксперимента, проведённого на физической модели холодного тигля.

                  Реализация результатов работы

                  Разработанная методика будет использоваться в организации ООО "Энерготерм-Проект" (г. Москва) при проектировании индукционных печей с холодным тиглем для вакуумной плавки различных металлов (титан, никель др.) и модернизированной открытой индукционной тигельной печи с тепловым экраном ёмкостью 160 кг по стали.

                  Основные положения, выносимые на защиту

                  5. 2. 2. 2. 1. Разработанная трёхмерная математическая модель индукционной печи с металлическим секционированным тиглем (или экраном) с изменяемыми параметрами (число, материал и профиль секций) в программе ANSYS.

                              2. Результаты исследований параметров модели (шагов разбиения на расчётные элементы, согласование между собой и границ областей) и рекомендации по работе с ней, проверка адекватности.

                              3. Результаты исследований с помощью модели влияния геометрических и электрических параметров холодного тигля на энергетические характеристики печей, рекомендации по подбору этих параметров.

                              4. Разработанная методика расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.

                              Апробация работы

                              Результаты работы докладывались на 8-ой Международной научно- практической интернет-конференции " Энерго- и ресурсосбережение XXI век" (Орёл, 2010 г.); 14-ой Международной конференции по вопросам электромеханики, электротехнологии, электротехнических материалов и компонентов (Алушта, 2012 г.); Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (МЭИ, 2011-2013 гг.).

                              Работа обсуждалась на заседании кафедры АЭТУС НИУ "МЭИ" (2013 г.).

                              Публикации

                              По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе одна в издании, рекомендованном ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание учёных степеней доктора и кандидата наук.

                              Структура и объём диссертации

                              Диссертация изложена на 123-х страницах, состоит из введения, 4-х глав, заключения, приложения на 25 страницах и списка использованной литературы из 82-х наименований. В работе представлены 14 таблиц и 33 рисунка.

                              Похожие диссертации на Разработка методики расчета индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями

                              Разработка методики расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерямиВасильев, Сергей Александрович

                              Разработка методики расчета индукционных установок периодического действия для градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовокНекрасова, Наталья Сергеевна

                              

                              Разработка методики расчета и исследование коаксиальной индукционно-резистивной системы нагрева промышленной и повышенной частотыШатов Виталий Александрович

                              

                              Разработка методик расчета, конструкции и режимов работы индукционно-резистивных нагревательных устройств со стержневыми индукторамиДианов Андрей Игоревич

                              

                              Разработка методики расчета энергетических показателей электрических дуг и способов их повышения в дуговых сталеплавильных печах Макаров Роман Анатольевич

                              Разработка методики расчета тепловых и электрических характеристик ВЧИ-плазмотронов для спектрального анализаХасанпур Саид

                              

                              Разработка индукторов и методики расчета эффективных режимов нагрева вращающихся дисковЛепешкин Степан Александрович

                              

                              Разработка конструкции и методики расчета системы двухконтурного охлаждения электропроводящих тиглей вакуумных индукционных печейКабалин Егор Иванович

                              

                              Разработка методики оценки влияния качества электроэнергии на потери мощности и энергии в электрических сетях Шамонов Роман Геннадьевич

                              

                              Разработка методики расчета толстостенных оболочек вращенияЛеонтьев Кирилл Андреевич