Введение к работе
Актуальность темы. С развитием современной металлургической промышленности возрастает необходимость применения процессов индукционного нагрева металлов с их последующей обработкой давлением. Это объясняется рядом преимуществ индукционного нагрева, которым он обладает, по сравнению с другими конкурентоспособными технологиями. Современные установки индукционного нагрева - это сложные высокопроизводительные агрегаты, которые являются неотъемлемыми составными частями автоматизированных технологических систем. Непрерывно растут требования к качеству нагрева, эффективности термических процессов и процессов управления.
Перед механической обработкой нагреваемая заготовка должна обладать строго определенной температурой – либо равномерной, либо с некоторым градиентом по ее длине. Температура заготовки не должна выходить за допустимые пределы, установленные технологическим процессом, в течение всего процесса нагрева. Основной задачей для нагрева мерных металлических заготовок является достижение максимально точного требуемого температурного режима заготовки и обеспечение предельно допустимой неравномерности нагрева.
При неравномерном нагреве по длине заготовок (градиенте температуры) требуется меньшее усилие прессования, т.к. при прессовании более горячего конца заготовки, тепло передается к более холодному концу, тем самым обеспечивая необходимую температуру металла в зоне прессового инструмента.
Процесс индукционного градиентного нагрева используется во многих отраслях промышленности (авиационной, кабельной, металлургической и др.) и является требованием ко многим технологическим процессам. Поэтому, возникает задача создания новых, более экономически эффективных технологий для увеличения производительности работы оборудования. Получение качественных результатов при решении поставленной задачи возможно путем оптимизации режимов работы и конструкции, как отдельных элементов, так и технологических комплексов в целом.
Проблемами оптимизации режимов работы нагревателей для индукционного градиентного нагрева занимались отечественные и иностранные организации, такие как: ВНИИЭТО, Уфимский государственный авиационный технический университет, Красноярский государственный технический университет, Aluminium Company of America, Inductotherm Corporation и другие организации, в которых использовались экспериментальные методы для осуществления процессов градиентного индукционного нагрева в установках периодического и непрерывного действия. При этом, несмотря на эффективность полученных решений, установки индукционного нагрева требуют дальнейшего изучения для повышения качества работы всего технологического процесса в целом.
Создание и исследование установок индукционного нагрева с использованием методик и рекомендаций, полученных на основе анализа экспериментальных данных и аналитических выражений, сегодня не удовлетворяет требованиям современного уровня развития техники индукционного нагрева. С развитием вычислительной техники и методов математического моделирования возросла роль численного эксперимента в принятии технических решений при разработке новых и совершенствовании известных установок индукционного нагрева.
В связи с этим проектирование индукционной установки должно завершаться этапом моделирования разработанной установки с целью проверки ее характеристик. В настоящее время для исследования физических явлений в электромагнитной системе индукционных нагревателей используют коммерческие пакеты программ, позволяющие выполнять совместный анализ электромагнитного и теплового полей в процессе нагрева.
Современный уровень развития вычислительной техники и численных методов позволяет провести компьютерное моделирование процесса индукционного градиентного нагрева и получить более достоверные результаты, а также провести автоматизацию процессов расчета, на базе которых могут быть разработаны рекомендации по проектированию нагревателей индукционного градиентного нагрева с улучшенными характеристиками.
Целью диссертационной работы является разработка методики расчета основных технологических и конструктивных параметров индукционных установок промышленной частоты (50 Гц) периодического действия для градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовок под обработку давлением, позволяющей улучшить энергетические характеристики и повысить производительность оборудования.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Проведение анализа существующих установок индукционного градиентного нагрева металлов под обработку давлением и существующих методов расчета и средств математического моделирования индукционных нагревателей.
2. Разработка математических моделей для исследования электромагнитных и тепловых характеристик двух вариантов установок индукционного градиентного нагрева: с несимметричным расположением заготовки в односекционном индукторе и с симметричным расположением заготовки в двухсекционном индукторе.
3. Проведение с помощью разработанных математических моделей исследований характеристик установок индукционного градиентного нагрева мерных заготовок для получения требуемого распределения температуры в заготовке и определения их электрических и теплотехнических характеристик.
4. Разработка методики расчета установок индукционного градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовок различных материалов и геометрических размеров, реализованной в виде программного пакета.
5. Разработка рекомендаций по замене существующих установок трехстадийного градиентного нагрева алюминиевых заготовок на одностадийный нагрев, что обеспечивает повышение производительности и снижение расхода электроэнергии (на примере установки ООО «Завод Москабель»).
Методы исследования. Для математического моделирования электромагнитных и температурных полей при индукционном градиентном нагреве заготовок использовался программный пакет ELCUT . При разработке программного обеспечения для методики расчета установок градиентного нагрева использованы пакеты EXCEL и DELPHI. Адекватность разработанных математических моделей проверялась путем сравнения результатов расчетов с данными экспериментального исследования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработаны математические модели двух вариантов индукционных устройств для градиентного нагрева мерной цилиндрической заготовки, позволяющие исследовать электромагнитные параметры, распределение температуры в заготовках, а также энергетические характеристики установок.
2. Установлены зависимости электрических, энергетических и теплотехнических характеристик установок от значения заглубления загрузки в индуктор и размеров секций индуктора
3. Предложен метод расчета, использующий пакеты ELCUT и EXCEL и позволяющий обрабатывать большое количество данных, тем самым, обеспечивающий повышение производительности при расчете режимов индукционного градиентного нагрева заготовок для двух вариантов систем «многослойный индуктор – магнитопровод – заготовка».
4. Разработана методика расчета параметров установки индукционного градиентного нагрева, реализованная в виде программного пакета GRADIENT, позволяющая определять наиболее эффективные варианты процесса нагрева и конструкции индуктора для цилиндрических заготовок из различных материалов.
Основные практические результаты работы:
1. Разработан алгоритм и программное обеспечение расчета процесса градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовок.
2. Разработаны рекомендации по моделированию и определению эффективных режимов индукционного градиентного нагрева.
3. Предложены новые индукционные установки промышленной частоты для градиентного нагрева цилиндрической загрузки, позволяющие повысить производительность и снизить расход электроэнергии по сравнению с существующими установками.
Достоверность научных результатов подтверждена удовлетворительным совпадением результатов численного моделирования, полученных с помощью разработанной математической модели, с результатами экспериментов, проведенных на действующем промышленном оборудовании.
Внедрение результатов работы. Результаты работы будут использованы при модернизации индукционного нагревателя периодического действия для прессового производства оболочки кабеля на ООО «Завод Москабель» (г. Москва).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались: на XV - ХIХ Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2009-2013), на 13-й и 15-ой международных конференциях «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Алушта, Крым, Украина, 2010 и 2012), на IX и Х международных научно-практических интернет-конференциях «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (Орел, 2011 и 2012), на международном молодежном форуме «Энергоэффективные электротехнологии» (Санкт-Петербург, 2011), на XVII конгрессе «Energy efficient, economically sound, ecologically respectful, educationally enforced electrotechnologies» (Санкт-Петербург, 2012).
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 12 работах, среди которых 1 статья в ведущем рецензируемом издании, рекомендуемом в действующем перечне ВАК, и 4 доклада в материалах (трудах) международных конференций.
Личный вклад автора в результаты работ, выполненных в соавторстве, состоит в разработке расчетных, математических и физических моделей, алгоритмов и программного обеспечения для расчета физических полей индукционных нагревателей, в проведении вычислительных и натурных экспериментов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 55 наименований. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста и содержит 70 рисунков и 11 таблиц.
