Разработка методики расчета индукционных установок периодического действия для градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовок
На правах рукописи
НЕКРАСОВА НАТАЛЬЯ СЕРГЕЕВНА РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ИНДУКЦИОННЫХ УСТАНОВОК ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ГРАДИЕНТНОГО НАГРЕВА МЕРНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК Специальность 05.09.10 – Электротехнология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2013 2
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» на кафедре «Автомати зированные электротехнологические установки и системы».
Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Кувалдин Александр Борисович
Официальные оппоненты: доктор технических наук Лепешкин Александр Роальдович начальник сектора ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения» им. П.И. Баранова, г. Москва кандидат технических наук Хренков Николай Николаевич советник генерального директора ООО «Специальные системы и технологии», г. Мытищи
Ведущая организация: ОАО «Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности», г. Москва
Защита диссертации состоится 31 мая 2013 г. в аудитории М-611 в 14- на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 13.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью органи зации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».
Автореферат разослан «30» апреля 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157. к.т.н., доцент Цырук С.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. С развитием современной металлургической про мышленности возрастает необходимость применения процессов индукционного нагрева металлов с их последующей обработкой давлением. Это объясняется рядом преимуществ индукционного нагрева, которым он обладает, по сравне нию с другими конкурентоспособными технологиями. Современные установки индукционного нагрева - это сложные высокопроизводительные агрегаты, ко торые 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 гра диентом по ее длине. Температура заготовки не должна выходить за допусти мые пределы, установленные технологическим процессом, в течение всего про цесса 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 обес печивая 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, возни кает задача создания новых, более экономически эффективных технологий для увеличения производительности работы оборудования. Получение качествен ных результатов при решении поставленной задачи возможно путем оптимиза ции режимов работы и конструкции, как отдельных элементов, так и техноло гических комплексов в целом.
Проблемами оптимизации режимов работы нагревателей для индукцион ного градиентного нагрева занимались отечественные и иностранные организа ции, такие как: ВНИИЭТО, Уфимский государственный авиационный техниче ский университет, Красноярский государственный технический университет, Aluminium Company of America, Inductotherm Corporation и другие организации, в которых использовались экспериментальные методы для осуществления про цессов 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 использо ванием методик и рекомендаций, полученных на основе анализа эксперимен тальных данных и аналитических выражений, сегодня не удовлетворяет требо ваниям современного уровня развития техники индукционного нагрева. С раз витием 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 завер шаться этапом моделирования разработанной установки с целью проверки ее характеристик. В настоящее время для исследования физических явлений в электромагнитной системе индукционных нагревателей используют коммерче ские пакеты программ, позволяющие выполнять совместный анализ электро магнитного и теплового полей в процессе нагрева.
Современный уровень развития вычислительной техники и численных методов позволяет провести компьютерное моделирование процесса индукци онного градиентного нагрева и получить более достоверные результаты, а так же 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 уста новок промышленной частоты (50 Гц) периодического действия для градиент ного нагрева мерных цилиндрических заготовок под обработку давлением, по зволяющей улучшить энергетические характеристики и повысить производи тельность оборудования.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Проведение анализа существующих установок индукционного гра диентного нагрева металлов под обработку давлением и существующих ме тодов расчета и средств математического моделирования индукционных нагре вателей.
2. Разработка математических моделей для исследования электромагнит ных и тепловых характеристик двух вариантов установок индукционного гра диентного нагрева: с несимметричным расположением заготовки в односекци онном индукторе и с симметричным расположением заготовки в двухсекцион ном индукторе.
3. Проведение с помощью разработанных математических моделей ис следований характеристик установок индукционного градиентного нагрева мерных заготовок для получения требуемого распределения температуры в за готовке и определения их электрических и теплотехнических характеристик.
4. Разработка методики расчета установок индукционного градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовок различных материалов и геометри ческих размеров, реализованной в виде программного пакета.
5. Разработка рекомендаций по замене существующих установок трехста дийного градиентного нагрева алюминиевых заготовок на одностадийный на грев, что обеспечивает повышение производительности и снижение расхода электроэнергии (на примере установки ООО «Завод Москабель»).
Методы исследования. Для математического моделирования электро магнитных и температурных полей при индукционном градиентном нагреве за готовок использовался программный пакет ELCUT. При разработке программ ного обеспечения для методики расчета установок градиентного нагрева ис пользованы пакеты EXCEL и DELPHI. Адекватность разработанных матема тических моделей проверялась путем сравнения результатов расчетов с данны ми экспериментального исследования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработаны математические модели двух вариантов индукционных устройств для градиентного нагрева мерной цилиндрической заготовки, позво ляющие исследовать электромагнитные параметры, распределение температу ры в заготовках, а также энергетические характеристики установок.
2. Установлены зависимости электрических, энергетических и теплотех нических характеристик установок от значения заглубления загрузки в индук тор и размеров секций индуктора 3. Предложен метод расчета, использующий пакеты ELCUT и EXCEL и позволяющий обрабатывать большое количество данных, тем самым, обеспе чивающий повышение производительности при расчете режимов индукционно го 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 материа лов.
Основные практические результаты работы:
1. Разработан алгоритм и программное обеспечение расчета процесса градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовок.
2. Разработаны рекомендации по моделированию и определению эффек тивных 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 сущест вующими установками.
Достоверность научных результатов подтверждена удовлетворитель ным совпадением результатов численного моделирования, полученных с по мощью 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 диссертацион ной 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, электротехно логии, электротехнические материалы и компоненты» (Алушта, Крым, Украи на, 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 элек тротехнологии» (Санкт-Петербург, 2011), на XVII конгрессе «Energy efficient, economically sound, ecologically respectful, educationally enforced electro technologies» (Санкт-Петербург, 2012).
Публикации. Основные теоретические и практические результаты дис сертации опубликованы в 12 работах, среди которых 1 статья в ведущем рецен зируемом 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, алго ритмов и программного обеспечения для расчета физических полей индукци онных 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 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отражена актуальность диссертационной работы, сформу лированы цель ее проведения и методы исследования, приведена общая харак теристика работы.
В первой главе проведен обзор применения индукционных нагреватель ных установок и приведена классификация индукционных нагревателей в куз нечно-прессовом производстве, а также рассмотрены особенности технологии и оборудование градиентного индукционного нагрева. Проанализированы суще ствующие методы решения электромагнитных и тепловых задач при индукци онном нагреве и применение математического моделирования для индукцион ных установок.
Типичные технологии предварительного нагрева перед обработкой ме талла давлением обеспечивают либо равномерное температурное распределе ние по объему заготовки, либо перепад температуры по длине заготовки (гра диентный нагрев).
Технология градиентного нагрева позволяет добиться равномерности прочностных характеристик заготовки по ее длине за счет поддержания неиз менной температуры в зоне деформации в ходе процесса прессования. При прессовании за счет энергии смятия металла выделяется тепло, что приводит к дополнительному нагреву заготовки, подвергшейся деформации. При этом если прессование ведется последовательно по длине заготовки, то в начальный пе риод обработки необходимо обеспечить более высокую температуру конца за готовки, т.е. при выходе из индуктора требуется неравномерное распределение температуры по длине заготовки, например, для алюминия температурный пе репад между концами заготовки не превышает T = 100оС (рис. 1).
Из рис. 1 видно, что на первом участке заготовки температура не меня ется (установившийся нагрев), а после точки «а» начинает формироваться гра диент температуры (зона перегрева од ного конца заготовки). Положение точки «а» зависит от геометрических размеров заготовки и ее механических и тепло физических параметров.
Режим градиентного нагрева заго товки перед обработкой давлением дол жен обеспечить требуемое распределе Рис. 1. Температурный профиль ние температуры по длине заготовки при по длине заготовки перед прессованием определенных допустимых перепадах температуры по сечению, например, для алюминиевой заготовки при диаметре 175 мм допустим перепад по сечению не более 80оС.
На практике для осуществления градиентного нагрева заготовки наиболее часто применяются два варианта: заготовка устанавливается в односекционном индукторе несимметрично (рис. 2 а) и заготовка располагается симметрично в двухсекционном индукторе (рис. 2 б). При использовании частоты 50 Гц обыч но используется многослойный индуктор.
Рис. 2. Градиентный нагрев заготовки в односекционном (а) и двухсекционном (б) индукторе Перепад температуры по длине заготовки возникает в первом варианте из-за концевых эффектов и определяется значением заглубления заготовки х в индуктор, а во втором варианте – из-за увеличенного настила тока (т.е. напря женности магнитного поля) во второй секции индуктора. Варьируя значениями заглубления х или длин секций LI и LII можно изменять распределение тем пературы по длине заготовки.
В результате анализа существующих методов решения электромагнитных и тепловых задач выбрано математическое моделирование с использованием пакета ELCUT, с помощью которого удобно проводить исследование характе ристик осесимметричных систем «многослойный индуктор – магнитопровод – заготовка» рассматриваемых типов.
По итогам обзора сформулированы задачи диссертационной работы.
Во второй главе предложена методика проведения электротепловых рас четов, которые учитывают решение электромагнитной и тепловой задач одно временно в программе ELCUT. Рассмотрена конструкция существующей уста новки индукционного градиентного нагрева мерных цилиндрических загото вок, создана математическая модель установки индукционного градиентного нагрева промышленной частоты, исследованы свойства математической моде ли, доказана адекватность разработанной математической модели путем срав нения полученных данных с результатами эксперимента, проведенного на ООО «Завод Москабель», создается автоматизированная процедура расчета индукци онного градиентного нагрева мерных заготовок с помощью программы EXCEL.
Анализ магнитного поля переменных токов состоит из расчета электриче ского и магнитного поля, возбужденного приложенными переменными (сину соидально изменяющимися во времени) токами. Задача формулируется как дифференциальное уравнение в частных производных относительно комплекс ной амплитуды векторного магнитного потенциала A.
Для установки индукционного градиентного нагрева составляется осе симметричная модель в программе ELCUT, которая описывается системами уравнений (1) - (3).
Уравнение электромагнитного поля для осесимметричного случая:
1 (rA) 1 A igA j, r r z r z r z (1) где g- электропроводность, µx и µy (µz и µr) - компоненты тензора магнит ной проницаемости, j – плотность тока, r – радиус, - угловая частота.
Плотность тока в катушке может быть получена из уравнения nI j, (2) S где n - число витков индуктора, I - полный ток индуктора, и S - пло щадь поперечного сечения катушки.
При решении тепловых задач используется уравнение теплопроводности для осесимметричного случая:
1 T T T r r z q c, (3) r r r z z t где T - температура;
t - время;
- теплопроводность;
q - удельная мощ ность тепловыделения;
c - удельная теплоемкость;
- плотность.
Разработанная осесимметричная математическая модель для исследова ния характеристик индукционной установки с использованием пакета ELCUT (рис. 3) состоит из четырех подобластей – индуктора (1), магнитопровода (2), заготовки (3) и воздуха (4).
Магнитный потенциал A на гра нице расчетной области задается рав ным A = 0.
Исходя из физической сущности рассматриваемой задачи, при состав лении математической модели был принят ряд допущений, позволивших получить удовлетворительную точ- Рис. 3. Геометрическая модель системы ность описания температурного поля с «многослойный индуктор – магнитопровод – заготовка» помощью численного метода:
1. На границах расчетной об ласти заданы значения напряженности магнитного поля H.
2. На границах заготовки задается значение теплового потока q (t).
3. Витки индуктора сплошные.
4. Магнитопровод имеет форму трубы, и потерями в нем пренебрегаем.
5. Электро- и теплофизические характеристики материала заготовки для каждого этапа нагрева приняты постоянными.
В связи с большим объемом вычислений, для оптимизации про цесса расчета электротепловых про цессов установки индукционного на грева, с помощью макросов про граммы EXCEL и программы ELCUT, создана автоматизированная процедура расчета, применение ко торой означает, что достаточно вве сти в таблицы EXCEL необходимые для расчетов данные и запустить процесс (рис. 4).
Далее алгоритм берет на себя управление работой ELCUT и реше нием поставленного технологиче ского задания. EXCEL направляет размеры и свойства деталей уста- Рис. 4. Алгоритм работы автоматизированной новки – блоки геометрической мо- процедуры расчета дели, свойства ребер (границ этих блоков), шаги сетки конечных элементов, ра бочую частоту и другие необходимые для работы данные. ELCUT строит гео метрическую модель, вычисляет магнитное и тепловое поля установки и пере дает расчетные параметры вновь в EXCEL.
В перспективе автоматизированная процедура расчета может быть полез на для реализации числовых технологических экспериментов, а также служить составной частью числовых моделей процесса производства индукционных ус тановок градиентного нагрева в целом.
В связи с тем, что нагрев может проводиться в несколько этапов (принято три этапа), на каждом из которых используется свое значение тока в индукторе или разное включение витков в секциях, предложена схема расчета, представ ленная на рис. 5.
Рис. 5. Схема выполнения связанных расчетов На каждом шаге математического моделирования проводится связанный расчет задач магнитного поля переменных токов и нестационарной теплопере дачи.
Первым шагом является создание модели, параметров расчета и решение электромагнитной задачи, откуда данные тепловыделения в заготовки подаются в задачу нестационарной теплопередачи.
В задаче нестационарной теплопередачи для основного нагрева необхо димо задаться начальной температурой. Для этого проводится расчет темпера турного поля с заданной мощностью тепловыделения, при которой температура заготовки равна 20оС. Связываем полученную задачу с задачей нестационарной теплопередачи.
Для проверки адекватности разработанных математических моделей про ведено сравнение результатов расчета с данными экспериментов, проведенных на предприятии ООО «Завод Москабель». В установке индукционного гради ентного нагрева промышленной частоты для наложения алюминиевой оболоч ки на кабельный сердечник формирование требуемой кривой температурного поля заготовки осуществляется в три этапа различной длительности, количест ва включенных витков и тока индуктора (табл. 1).
Основные параметры индуктора: длина - 550 мм, диаметр – 340 мм. Раз меры заготовки: длина - 438 мм, диаметр – 175 мм.
Таблица Этапы индукционного градиентного нагрева алюминиевых заготовок Время, Количество Температура Ток индуктора Этап T, оС с витков, n Iи, А Основной нагрев 60 84 330 Выдержка 43 84 310 Градиентный на- 15 48 420 грев На первом этапе (основной нагрев) при Iи = 2540 А достигается распреде ление температуры с провалом в зоне середины заготовки (наибольшее значе ние 345оС). Далее следует второй этап - этап выдержки (ток в индукторе отсут ствует) для выравнивания температуры на уровне 330оС. На третьем этапе включается только половина витков индуктора со стороны более «горячего» конца заготовки с Iи = 2280 А, и фор мируется требуемое распределение температур практически по линейному закону до 420оС.
В результате решения нескольких связанных электромагнитных задач и задач нестационарной теплопередачи с помощью разработанной программы, были получены распределения темпера туры в заготовке для трех этапов на грева: основного (a), выдержки (б) и градиентного (в), показанные на рис. 6.
Из рис. 6 видно, что уже на этапе Рис. 6. Распределение температуры основного нагрева формируется на в заготовке на трёх этапах нагрева правленный градиент температуры за счет большего свеса индуктора со стороны более горячего конца заготовки.
Однако в конце основного нагрева наблюдается «провал» температурной кри вой в середине заготовки. По этой причине отключают индуктор от источника питания для выравнивания температурных полей заготовки (этап выдержки).
Результаты расчета трехэтапного режима нагрева, полученные с исполь зованием разработанной мо дели, достаточно точно совпа дают с результатами экспе римента, проведенного на ра ботающей установке индук ционного нагрева (рис. 7).
Используемый в произ водстве нагрев заготовки пе ред прессованием в три этапа нагрева достаточно трудоём кий и длительность его велика (118 с), что влечет за собой дополнительные затраты на электроэнергию, а также сни жение выпуска продукции.
Поэтому возникает задача осу- Рис.7. Распределение температуры по длине заготовки на этапах нагрева ществления градиентного на грева в один менее дли тельный этап.
В третьей главе на базе разработанной математической модели для рас чета параметров установки индукционного градиентного нагрева в программе ELCUT были проведены исследования влияния заглубления заготовки в индук тор, исполнения индуктора, а также геометрических размеров и электрофизи ческих параметров заготовки на энергетические характеристики установки ин дукционного нагрева. Рассмотрен градиентный нагрев мерных цилиндрических заготовок длиной 350-500 мм и диаметром 140-200 мм из алюминия (в основ ном), а также меди, стали и титана.
Главной задачей исследования является формирование заданного темпе ратурного распределения в заготовке. Комплексная задача проектирования кон структивных и режимных параметров системы «многослойный индуктор – маг нитопровод – заготовка» формулируется следующим образом: необходимо най ти значения параметров основных проектных характеристик системы ин дукционного нагрева, обеспечивающие ее эффективную работу в условиях за данных ограничений и требуемое конечное распределение температуры заго товки. Данная формулировка приводит к необходимости многократного реше ния поисковых задач для электромагнитных и тепловых процессов. Разрабо танные модели градиентного нагрева заготовок в установке индукционного на грева позволяет рассмотреть большое число вариантов конструкций и режимов нагрева и выбрать наиболее эффективный.
Моделирование трехэтапного режима индукционного градиентного на грева металлических заготовок, проведенное с использованием программного пакета ELCUT, позволило предложить варианты модернизации существующей нагревательной установки, которые осуществляют нагрев в один этап, что обеспечивает увеличение производительности всего технологического процесса и снижение потребления электроэнергии.
Исследование установки индукционного градиентного нагрева промыш ленной частоты проведено для определения влияния на распределение темпе ратуры в заготовке и энергетические характеристики системы «многослойный индуктор – магнитопровод – заготовка» следующих факторов:
Расположение заготовки в индукторе (размер заглубления).
Конструкция двухсекционного индуктора.
Электро- и теплофизические характеристики и геометрические раз меры заготовки.
При несимметричном расположении заготовки в индукторе (вариант 1;
рис. 2 а) распределение напряженности магнитного поля H и температуры T по длине заготовки изменяется в зависимости от значения заглубления x, а при симметричном расположении заготовки в двухсекционном индукторе (вариант 2;
рис. 2 б) в зависимости от размеров секций.
Исследования проведены для нагрева алюминиевой заготовки длиной 438 мм и диаметром 175 мм на частоте 50 Гц. Задан перегрев конца заготовки T 100оС (рис. 1), а ограничением служит перепад температуры по радиусу заготовки не более 80оС.
Для достижения требуемого распределения температуры по длине заго товки выбраны вариант 1 (размер заглубления x = 30 мм, ток индуктора Iи = 1850 А) и вариант 2 (длина LI = 92 мм и LII = 422 мм, ток индуктора Iи = 1900 А).
Полученные графики распределения температуры по длине алюминиевой заготовки для предложенных вариантов представлены на рис. 8.
а) б) Рис. 8. Варианты достижения градиентного нагрева: изменение заглубления алюминиевой заготовки в индуктор (а) и использование двухсекционного индуктора (б) Расчетные значения энергетических характеристик вариантов 1 и 2 при ведены в табл. 2.
Таблица Характеристики вариантов градиентного нагрева Энергетические характеристики Вариант 1 Вариант Активная мощность системы, кВт 143 Коэффициент мощности 0,26 0, Электрический КПД 0,85 0, Из табл. 2 видно, что по энергетическим параметрам вариант с двухсекционным исполнением индуктора несколько лучше, чем с заглублением заготовки в индуктор на 30 мм. Однако с учетом стоимости и сложности в из готовлении двухсекционного индуктора, вариант 1 достижения градиентного нагрева в один этап нагрева проще реализуем.
В общем случае выбор варианта должен производиться на основе полного технико-экономического расчета.
С помощью разработанной математической модели в диссертационной работе проведены исследования градиентного нагрева помимо алюминия также и других металлов: меди, титана и нержавеющей (немагнитной) стали, исполь зуемых в промышленности.
На рис. 9 представлены графики распределения температуры по поверх ности в алюминиевой, стальной, медной и титановой заготовках за = 60 с при заданных энергетических параметрах установки.
Из полученных распреде лений температуры видно, что, бла годаря низким теплопроводности и теплоемкости по сравнению с дру гими исследуемыми материалами, сталь и титан имеют явное различие температур на поверхности и в зоне середины заготовки. Причем у ти тана, обладающего довольно низкой теплопроводностью, прогрев по верхности заготовки происходит быстрее, чем у других материалов (температура достигает 775 оС).
Рис. 9. Распределение температуры Энергетические характери на поверхности заготовок из алюминия (а), стики, полученные в результате стали (б), меди (в) и титана (г) ( = 60 с) расчета режимов нагрева заготовок диаметром 175 мм и длиной 438 мм в индукторе длиной 550 мм при расположении заготовки с заглублением 67 мм из различных металлов представлены в табл. 3.
Таблица Сравнение энергетических параметров индукционной установки при нагреве заготовок из различных металлов Энергетические характеристики Алюминий Сталь Медь Титан Активная мощность индуктора, кВт 270 338 255 Коэффициент мощности индуктора 0,25 0,29 0,24 0, Электрический КПД 0,85 0,91 0,82 0, Разработанные математические модели позволяют подобрать требуемое распределение температуры для любого материала заготовки.
В четвертой главе разрабатывается программа GRADIENT на базе соз данной автоматизированной процедуры расчета, с помощью которой модели рование установки индукционного градиентного нагрева и ее исследование уп рощается и ускоряется. Для создания автоматизированной процедуры расчета параметров установки индукционного градиентного нагрева в программе ELCUT использовалась программа EXCEL, в которой с помощью макросов создавалась процедура, на правляющая в ELCUT размеры и свойства деталей установки – блоки геометрической модели, свойства ре бер (границ этих блоков), шаги сетки конечных элементов, рабочую часто ту и другие необходимые для работы данные. ELCUT строит геометриче скую модель, вычисляет магнитное и тепловое поля установки.
Для ввода данных в автома тизированную процедуру расчета, а также для обработки и вывода на дисплей полученных результатов с помощью среды программирования DELPHI создана программа GRA DIENT (рис. 10).
Программа GRADIENT ис пользует для проведения вычислений пакет ELCUT, причем исходные для расчетов данные: геометрические раз меры и свойства заготовки и индук тора, шаги сетки конечных элементов, Рис. 10. Блок-схема программы GRADIENT рабочая частота, энергетические па раметры и другие, формируются предварительно в пакете EXCEL. После вы полнения расчетов в пакете ELCUT результаты направляются в EXCEL и вновь в DELPHI для вывода результатов.
Для пользователя применение программы GRADIENT означает, что дос таточно ввести необходимые для расчетов данные в таблицы окна ввода (рис. 11) и запустить процесс, чтобы получить необходимые результаты расче та. Созданная программа упрощает ввод исходных параметров и анализ полу ченных результатов расчетов, а также дает возможность решать обратную зада чу, т.е. определять параметры установки по заданному распределению темпера туры в заготовке.
Рис. 11. Окно программы GRADIENT С помощью разработанной программы можно при проектировании новых установок проводить большое число вычислительных экспериментов и полу чать распределение температуры в заготовке для различных вариантов кон струкции индуктора и режимов работы установки, что позволяет выбрать наи более эффективный вариант, обеспечивающий повышение производительности и энергетических показателей.
В данной главе диссертации произведено сравнение технико экономических показателей двух вариантов модернизации индукционной уста новки градиентного нагрева, что отражает актуальность произведенных расче тов и исследований.
Расход электроэнергии (кВт. ч) в сутки, при двухсменном режиме работы оборудования, на нагрев алюминиевых слитков в существующей установке ин дукционного градиентного нагрева составляет – 1007 кВт. ч, используя вари ант 1 исполнения установки – 940 кВт. ч, а при варианте 2 – 892 кВт. ч. Из по лученных данных видно, что по-сравнению с существующей установкой, эко номия электроэнергии в сутки для варианта 1 составляет 67 кВт. ч, а для вари анта 2 – 116 кВт. ч.
По проведенным расчетам распределения энергетических затрат на на грев алюминиевых заготовок в сутки, при двухсменном режиме работы уста новки, вариант с предложенным двухсекционным исполнением индуктора (ва риант 2) является наиболее выгодным с точки зрения производимых затрат на электроэнергию, однако изготовить его сложнее по-сравнению с вариантом из менения значения заглубления заготовки в индуктор (вариант 1) и, следова тельно, срок окупаемости установки увеличивается.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработаны математические модели с использованием пакета ELCUT для исследования процесса индукционного градиентного нагрева на промышленной частоте для симметричного и несимметричного расположения заготовки в одно- и двухсекционном индукторе соответственно, позволяющие определять энергетические характеристики установки и распределение темпе ратуры в заготовке.
2. Доказана адекватность разработанных математических моделей пу тем сравнения результатов расчета и эксперимента, проведенного на промыш ленной установке (отличие результатов по знергетическим характеристикам и температуре не превышает 10%).
3. Исследовано влияние геометрических размеров и электро - и теплофи зических параметров нагреваемой заготовки и индуктора на распределение температуры в заготовке и энергетические характеристики установки, и пока зана возможность градиентного нагрева заготовок различного диаметра и дли ны в одном индукторе без существенного снижения энергетических характери стик (на примере алюминиевых заготовок).
4. На основе проведенных расчетов установлено, что использование двухсекционного индуктора для градиентного нагрева алюминиевой заготовки энергетически выгоднее, чем односекционного. В общем случае выбор вариан та индуктора с учетом сложности его изготовления должен основываться на ре зультатах полного технико-экономического расчета.
5. Разработана методика расчета электро- и теплотехнических характе ристик установок индукционного градиентного нагрева промышленной часто ты (двух вариантов), реализованная в виде программы GRADIENT, которая позволяет осуществлять быстрый ввод данных, расчет электротепловой задачи и анализ полученных результатов, а также дает возможность задаваться тре буемыми температурами и получать необходимый технологический режим.
6. С использованием результатов диссертационной работы для ООО «Завод Москабель» разработано техническое предложение на создание индукционной установки градиентного нагрева алюминиевых заготовок для производства металлической оболочки кабеля, позволяющей снизить расход электроэнергии на 7% по сравнению с существующими установками при той же производительности.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в периодических изданиях, рекомендованных ВАК Кувалдин А.Б., Некрасова Н.С. Моделирование индукционного 1.
градиентного нагрева алюминиевых заготовок // Индукционный нагрев, 2011, № 16. – С. 17-21.
Публикации в других изданиях Тишунина Н.С. Моделирование градиентного индукционного на 2.
грева алюминиевых заготовок // Тез. докл. XV междунар. научно-технич. конф.
студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».
Москва, 2009. – С. 173-174.
3. Nekrasova N.S., Kuvaldin A.B. Computer model for calculating the temperature distribution in the billet during induction gradient heating / 13th Interna tional Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Electromaterials and Components. ICEEE-2010. Alushta, Crimea, Ukraine. 23-29 September. – P. 117.
Некрасова Н.С. Компьютерное моделирование режимов градиент 4.
ного индукци-онного нагрева для наложения алюминиевой оболочки кабеля / Тез. докл. XVI междунар. научно-технич. конф. студентов и аспирантов «Ра диоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2010. – С.181-182.
Некрасова Н.С. Численное моделирование индукционного гради 5.
ентного нагрева металлических заготовок // Труды международного молодеж ного форума «Энергоэффективные электротехнологии». Санкт-Петербург, 2011. – С. 53.
Некрасова Н.С. Метод моделирования градиентного нагрева ме 6.
таллических заготовок / Тез. докл. XVII междунар. научно-технич. конф. сту дентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Моск ва, 2011. – С. 209-210.
Кувалдин А.Б., Некрасова Н.С. Автоматизированная процедура 7.
расчета распределения тепловых и электромагнитных полей при индукционном градиентном нагреве // Энерго- и ресурсосбережение - XXI век. Тез. докл. IX междунар. научно-практич. интернет-конференции. Орел, 2011. – С. 175-177.
8. Kuvaldin A., Nekrasova N. Mode induction gradient heating research // XVII congress «Energy efficient, economically sound, ecologically respectful, educa tionally enforced electrotechnologies» (St. Petersburg, 2012). – P.1-9.
Некрасова Н.С., Кувалдин А.Б. Анализ вариантов исполнения ин 9.
дукционной установки градиентного нагрева / XIV Междунар. конф. «Элек тромеханика, Электротехнологии, Электротехнические материалы и компонен ты». Труды МКЭЭЭ-2012. 23-29 сентября. Крым, Алушта. 2012 – С. 302-304.
10. Некрасова Н.С. Автоматизированный расчет параметров установ ки индукционного градиентного нагрева // Тез. докл. XVIII междунар. научно технич. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2012. – С.361.
11. Кувалдин А.Б., Некрасова Н.С. Программа GRADIENT для иссле дования индукционного градиентного нагрева // Энерго- и ресурсосбережение XXI век. Тез. докл. X междунар. научно-практич. интернет-конференции.
Орел, 2012. – С. 148-150.
12. Некрасова Н.С. Инженерная методика расчета параметров индук ционного градиентного нагрева // Тез. докл. XIX междунар. научно-технич.
конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергети ка». Москва, 2013. – С. 309.
Подписано в печать Зак. Тир. П.л.
Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д.